1、第 2 章 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)2.1 數(shù)據(jù)通信的基本概念體2.2 數(shù)據(jù)編碼技術(shù)2.3 數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)2.4 數(shù)據(jù)交換技術(shù)第 2 章 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)2.1 數(shù)據(jù)通信的基本概念體2.1數(shù)據(jù)通信的基本概念2.1.1 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng) 通信的目的就是傳遞信息，通信中產(chǎn)生和發(fā)送信息的一端叫做信源，接收信息的一端叫做信宿，信源和信宿之間的通信線路稱為信道。2.1數(shù)據(jù)通信的基本概念2.1.1 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng) 信源變換噪聲信道變換信宿圖2-1 數(shù)據(jù)通信模型信源變換噪聲信道變換信宿圖2-1 數(shù)據(jù)通信模型2.1.2主要指標(biāo) 影響網(wǎng)絡(luò)性能有兩個(gè)主要因素：帶寬（bandwidth）和延時(shí)（delay），延時(shí)也稱時(shí)延（latency）

2、1帶寬和數(shù)據(jù)速率 R = RBlog2M ，M代表編碼的進(jìn)制數(shù)。在實(shí)際應(yīng)用中，常用的數(shù)據(jù)速率單位有kbps、Mbps、Gbps。其中：1 kbps = 103bps； 1Mbps = 106 bps ；1Gbps = 109 bps 。帶寬和數(shù)據(jù)速率都可用來表示信道的傳輸性能，兩者之間的定量關(guān)系可以通過以下兩個(gè)定理來描述。應(yīng)為210應(yīng)為220應(yīng)為2302.1.2主要指標(biāo) 應(yīng)為210應(yīng)為220應(yīng)為230（1）奈奎斯特（Nyquist）定理：對于有限帶寬、無噪聲信道,其最大數(shù)據(jù)速率Rmax（信道容量）和信道帶寬B之間的關(guān)系： Rmax=2B。若B=3kHz，則Rmax=6kbit/s。（2）香農(nóng)（

3、Shannon）定理：對于有限帶寬，有隨機(jī)熱噪聲的信道，其最大數(shù)據(jù)速率Rmax與信道帶寬B，信噪比S/N（單位為分貝：db）之間的關(guān)系：max=Blog2(1+S/N)。若B=3kHz，S/N=1000db， 則Rmax30kbit/s。由上述定理可知，一般來說，高數(shù)據(jù)速率，也意味著大帶寬。（1）奈奎斯特（Nyquist）定理：對于有限帶寬、無噪聲信2誤碼率 在有噪聲的信道中，數(shù)據(jù)速率的增加意味著傳輸中出現(xiàn)差錯(cuò)的概率增加。誤碼率是用來表示傳輸二進(jìn)制位時(shí)出現(xiàn)差錯(cuò)的概率。誤碼率（Pe）可用下式表示： Ne （出錯(cuò)的位數(shù)） N （傳輸?shù)目偽粩?shù)）在計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)中，誤碼率一般要求低于10-6，即平均每

4、傳輸1兆位才允許錯(cuò)1位。在誤碼率高于一定的數(shù)值時(shí)，可以用差錯(cuò)控制的方法進(jìn)行檢查和糾正。傳輸聲音 Pe 10-6傳輸圖象 Pe 10-7傳輸數(shù)據(jù) Pe 10-8光纖 Pe 10-10Pe =2誤碼率Pe =3信道延遲 信號在信道中傳播，從信源到信宿需要一定的時(shí)間，這稱為信道延遲或傳播時(shí)延。 這個(gè)時(shí)間等于信源到信宿的距離與具體信道中的信號傳播速度之比。 常用的電信號一般以接近光速（300m/s）的速度傳播，但隨傳輸介質(zhì)的不同而略有差異。3信道延遲2.2數(shù)據(jù)編碼技術(shù)2.2.1 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)編碼1不歸零編碼NRZ 不歸零編碼用低電平表示二進(jìn)制“0”，用高電平表示二進(jìn)制“1”， 2不歸零反轉(zhuǎn)編碼NRZI不歸

5、零反轉(zhuǎn)編碼NRZI是對不歸零編碼的改進(jìn)。即通過每位中間有無電平的跳變來表示二進(jìn)制值。有跳變，則編碼為二進(jìn)制“1”；無跳變，則編碼為二進(jìn)制“0”。2.2數(shù)據(jù)編碼技術(shù)2.2.1 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)編碼3曼徹斯特編碼曼徹斯特編碼不用電平的高低表示二進(jìn)制“0”和“1”，而是用電平的跳變來表示的。在曼徹斯特編碼中，每一位的中間均有一個(gè)跳變，這個(gè)跳變既作為數(shù)據(jù)信號，也作為時(shí)鐘信號。電平從高到低的跳變表示二進(jìn)制“1”，從低到高的跳變表示二進(jìn)制“0”，3曼徹斯特編碼4差分曼徹斯特編碼差分曼徹斯特編碼是對曼徹斯特編碼的改進(jìn)，每位中間的跳變僅作同步之用，每位的值根據(jù)其開始邊界是否發(fā)生跳變來決定。 每位的開始無跳變表示二進(jìn)制

6、“1”，有跳變表示二進(jìn)制“0”，如圖2-2（d）所示。4差分曼徹斯特編碼54B/5B編碼4B/5B編碼方式在避免高、低信號持續(xù)的前提下，解決了曼徹斯特編碼的低效問題。4B/5B編碼的思想是在位流中插入額外的位，來分割一連串的“0”或“1”。確切地說，是首先將發(fā)送的數(shù)據(jù)流以每4位一組，按表2-1所示的4B/5B編碼表，變?yōu)閷?yīng)的5位代碼。然后，得到的5位代碼使用不歸零反轉(zhuǎn)編碼NRZI進(jìn)行編碼傳輸。54B/5B編碼表2-1 4B/5B編碼表 表2-1 4B/5B編碼表 圖2-2數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)編碼 圖2-2數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)編碼 2.2.2 模擬數(shù)據(jù)編碼1調(diào)幅（AM）調(diào)幅即載波的振幅隨著數(shù)字信號的變化而變化。例如二

7、進(jìn)制“1”用有載波輸出表示，即載波振幅為原始振幅；二進(jìn)制“0”用無載波輸出來表示，即載波振幅為零。2.2.2 模擬數(shù)據(jù)編碼圖2-3模擬數(shù)據(jù)編碼 圖2-3模擬數(shù)據(jù)編碼 2調(diào)頻（FM）調(diào)頻即載波的頻率隨著數(shù)字信號的變化而變化。例如，二進(jìn)制“1”用載波頻率f1來表示；二進(jìn)制“0”用另一載波頻率f2來表示。3調(diào)相（PM）調(diào)相即載波的初始相位隨著數(shù)字信號的變化而變化。例如，用1800相位（反相）的載波來表示二進(jìn)制“1”；用00相位（正相）的載波來表示二進(jìn)制“0”。2調(diào)頻（FM）2.3 數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)2.3.1 數(shù)據(jù)通信方式1. 單工通信單工通信指數(shù)據(jù)只能沿著一個(gè)固定的方向傳輸。2.3 數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)2.3.

8、1 數(shù)據(jù)通信方式發(fā)送機(jī)接收機(jī)圖2-4(a) 單工通信 發(fā)送機(jī)接收機(jī)圖2-4(a) 單工通信 2.半雙工通信 半雙工通信指數(shù)據(jù)可沿著兩個(gè)方向傳輸，但同時(shí)只能沿一個(gè)方向傳輸。發(fā)送機(jī)接收機(jī)接收機(jī)發(fā)送機(jī)開關(guān)開關(guān)圖2-4(b) 半雙工通信 2.半雙工通信發(fā)送機(jī)接收機(jī)接收機(jī)發(fā)送機(jī)開關(guān)開關(guān)圖2-4(b)3.全雙工通信 全雙工通信指數(shù)據(jù)可同時(shí)沿兩個(gè)方向進(jìn)行傳輸。發(fā)送機(jī)接收機(jī)接收機(jī)發(fā)送機(jī) 圖2-4(c) 全雙工通信3.全雙工通信發(fā)送機(jī)接收機(jī)接收機(jī)發(fā)送機(jī) 圖2-4(c) 全雙2.3.2 數(shù)據(jù)傳輸方式1.并行傳輸與串行傳輸并行傳輸指的是數(shù)據(jù)以成組的方式，在多條并行信道上同時(shí)進(jìn)行傳輸。常用的就是將組成一個(gè)字符的幾位二

9、進(jìn)制碼，分別在幾條并行信道上同時(shí)進(jìn)行傳輸。例如，若字符采用8位二進(jìn)制數(shù)進(jìn)行編碼，則可用8條信道同時(shí)傳輸這8位碼。 2.3.2 數(shù)據(jù)傳輸方式圖2-5并行傳輸 圖2-5并行傳輸 串行傳輸指的是數(shù)據(jù)流以串行方式，在一條信道上傳輸。例如，組成一個(gè)字符的8位二進(jìn)制碼，由高位到低位順序排列，再接下一個(gè)字符的8位二進(jìn)制碼，這樣串接起來形成串行數(shù)據(jù)傳輸。 串行傳輸指的是數(shù)據(jù)流以串行方式，在一條信道上傳輸。例如，圖2-6串行傳輸 圖2-6串行傳輸 如何解決碼組或字符的同步問題，目前有兩種不同的解決方法，即異步傳輸方式和同步傳輸方式。2.異步傳輸與同步傳輸 異步傳輸一般以字符為單位，即把各個(gè)字符分開傳輸，字符之間

10、插入同步信息。無論字符采用幾位二進(jìn)制進(jìn)行編碼，在發(fā)送每一字符代碼時(shí)，前面均加上一個(gè)起始位，極性為“0”，即空號的極性；字符代碼后面均加上一或兩位停止位，極性都為“1”，即與信號極性相同。 如何解決碼組或字符的同步問題，目前有兩種不同 同步傳輸一般以數(shù)據(jù)塊（幀）為單位，數(shù)據(jù)塊可能是字符的集合，也可能是一串無結(jié)構(gòu)的位，即同步傳輸又分為面向字符的同步傳輸和面向位流的同步傳輸。無論哪種方式，在發(fā)送前每數(shù)據(jù)塊的前后都需加上同步控制數(shù)據(jù)：同步字符或同步位序列。圖2-7異步傳輸 同步傳輸一般以數(shù)據(jù)塊（幀）為單位，數(shù)據(jù)塊可能是字符的集合圖2-8同步傳輸 圖2-8同步傳輸 2.3.3 基帶傳輸、頻帶傳輸和寬帶傳

11、輸 1.基帶傳輸 2.頻帶傳輸 3.寬帶傳輸2.3.3 基帶傳輸、頻帶傳輸和寬帶傳輸 圖2-9多路復(fù)用 圖2-9多路復(fù)用1.頻分多路復(fù)用（FDM）頻分多路復(fù)用多用于模擬傳輸，頻分多路復(fù)用的基礎(chǔ)是通信信道的可用帶寬大大超過了傳輸信號的帶寬。1.頻分多路復(fù)用（FDM） 圖2-10頻分多路復(fù)用 圖2-10頻分多路復(fù)用2.時(shí)分多路復(fù)用（TDM）時(shí)分多路復(fù)用多用于數(shù)字傳輸，時(shí)分多路復(fù)用的基礎(chǔ)是通信信道的傳輸數(shù)據(jù)速率大大超過信號傳送的數(shù)據(jù)速率。2.時(shí)分多路復(fù)用（TDM）圖2-11時(shí)分多路復(fù)用圖2-11時(shí)分多路復(fù)用3波分多路復(fù)用（WDM） 波分多路復(fù)用用于光信號傳輸。波分多路復(fù)用就是在同一根光纖信道上傳輸多

12、路不同波長的光信號，以提高光纖的利用率。實(shí)際上，也可以這樣認(rèn)為：WDM是FDM應(yīng)用于光纖信道的一個(gè)變例。要讓不同波長的光信號在同一根光纖上傳輸而互不干擾，可利用多個(gè)波長適當(dāng)錯(cuò)開的光源傳送每路攜帶的信息。3波分多路復(fù)用（WDM） 2.4 數(shù)據(jù)交換技術(shù) 常用的數(shù)據(jù)交換技術(shù)有:電路交換、報(bào)文交換分組交換。 2.4 數(shù)據(jù)交換技術(shù) 常用的數(shù)據(jù)交換技術(shù)有:圖2-12數(shù)據(jù)交換的概念圖2-12數(shù)據(jù)交換的概念2.4.1 電路交換電路交換是最早使用的數(shù)據(jù)交換方式。電路交換的工作過程分為三個(gè)階段：連接（電路、鏈路）建立、數(shù)據(jù)傳輸和連接釋放。如圖2-13所示。 1連接建立 2數(shù)據(jù)傳輸 3連接釋放2.4.1 電路交換圖2-13電路交換圖2-13電路交換2.4.2 報(bào)文交換報(bào)文是數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯挝唬凑军c(diǎn)一次性要發(fā)送的數(shù)據(jù)塊，長度不限且可變。報(bào)文交換采用存儲-轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制。2.4.2 報(bào)文交換圖2-14報(bào)文交換圖2-14報(bào)文交換2.4.3 分組交換分組交換也稱包交換，它是目前應(yīng)用最廣泛的數(shù)據(jù)交換技術(shù)。分組交換通常有兩種方式：數(shù)據(jù)報(bào)方式和虛電路方式。 1.數(shù)據(jù)報(bào) 數(shù)據(jù)報(bào)方式傳輸數(shù)據(jù)時(shí)無須建立和