第2讲 计算机数据通信基础,本讲主要内容:,基本概念 数据的传输 数据传输的同步方式 数据的编码和调制技术 数据交换技术 信道复用技术 传输媒体的类型与特点 差错控制技术,2.1 数据通信的基本概念,2.1.1信息、数据与信号 信息的载体可以包含语音、音乐、图形图像、文字和数据等多种媒体。计算机的终端产生的信息一般是字母、数字和符号的组合。 数据通信是指在不同计算机之间传送表示字母、数字、符号的二进代码0和1比特序列的过程。 信号是数据在传输过程中的电信号的表示形式：分为模拟通信系统与数字通信系统两种。,电话线上传送的为模拟信号（Analog Signal）。模拟信号的电平是连续变化的，其波形如图（a）所示。 计算机中所产生的电信号是用两种不同的电平去表示0、1比特序列的电压脉冲信号，这种电信号称为数字信号（Digital Signal）。数字信号的波形如图（b）所示。,(a),(b),2.1.2数据通信系统的基本结构,数据通信系统的基本结构可以用一个简单的通信模型来表示。产生和发送信息的一端叫信源，接收信息的一端叫信宿。信源与信宿通过通信线路进行通信。在数据通信系统中，也将通信线路称为信道。,1.模拟通信系统,模拟通信系统的结构模型,普通的电话、广播、电视等都属于模拟通信系统,2. 数字通信系统,在我们现实生活中的计算机通信、数字电话以及数字电视都属于数字通信系统。具体数字通信系统的工作过程如下图如示：,数字通信系统的结构模型,2.1.3通信信道的分类,信道的分类方法，常用的有以下三种： 1、有线信道与无线信道 使用有形的媒体作为传输介质的信道称之为有线信 道。它包括电话线、双绞线、同轴电缆、光缆和电力线 等。 无线信道：以电磁波在空间传播方式传送信息的信 道称之为无线信道。它包括无线电、微波、红外线和卫 星通信信道等。,2、模拟信道与数字信道 模拟信道：能传输模拟信号的信道称之为模拟信道。模拟 信号的电平随时间连续变化。语音信号是典型的模拟信号。如果 利用模拟信道传送数字信号，则必须经过数字与模拟信号之间的 变换（A/D变换器）。 数字信道：能传输离散数字信号的信道称为数字信道。离 散的数字信号在计算机中是指由“0”和“1”的二进制代码组成的数 字序列。当利用数字信道传输数字信号时不需要进行变换，而通 常需要进行数字编码。,3、专用信道和公用信道,专用信道：专用信道是一种连接于用户设备之间的 固定电路，它可以由用户自己架设和向电信部门租用。 专用电路一般用于短距离与数据传输量比较大的网络 公用信道：也称公共交换信道。它是一种通过交换 机转接、为大量用户提供服务的信道。公共电话交换网 就属于公共交换信道。,2.1.4数据通信的技术指标,1、数据通信速率（传输速率） 传输速率是指数据在信道中传输的速度。它分为两种：码元速率和信息速率。 码元速率RB：每秒钟传送的码元数，单位为波特/秒（Baud/s）， 又称为波特率。每一个离散值就是一个码元。 信息速率Rb：每秒钟传送的信息量，单位为比特/秒（bit/s）， 又称为比特率。 一般来说，对于采用M进制信号传输信号时，信息速率和码元速率 之间的关系是： RbRBlog2M,2. 误码率和误比特率 误码率是指码元在传输过程中，错误码元占总传输码元的概率。在二进制传输中，误码率也称为误比特率。 误码率Pe 传输出错的码元数/传输的总码元率 误比特率Pb 传输出错的比特数/传输的总比特数,3. 信道带宽与信道容量,信道带宽是指信道中传输的信号在不失真的情况下所占用的频率范围，通常称为信道的通频带，单位用赫兹（Hz）表示。信道带宽是由信道的物理特性所决定的。例如，电话线路的频率范围在3003400Hz，则它的带宽范围也在3003400Hz。 信道容量是衡量一个信道传输数字信号的重要参数。信道容量是指单位时间内信道上所能传输的最大比特数，用比特每秒（bit/s）表示。当传输速率超过信道的最大信号速率时就会产生失真。,通常，信道容量和信道带宽具有正比的关系，带宽越大，容量越高，所以要提高信号的传输率，信道就要有足够的带宽。从理论上看，增加信道带宽是可以增加信道容量的，但在实际上，信道带宽的无限增加并不能使信道容量无限增加，其原因是在一些实际情况下，信道中存在噪声或干扰，制约了带宽的增加。,信道带宽与信道容量的关系:,2.2数据的通信方式,2.2.1 并/串行通信 并行通信是指数据以成组的方式在多个并行信道上同时进行传输。 并行传输中一次传送8个比特。并行通信的优点是速度快，但发送端与接收端之间有若干条线路，费用高，仅适合于近距离和高速率的通信。并行通信在计算机内部总线以及并行口通信中已经得到广泛应用。,并行通信,串行通信是指数据以串行方式在一条信道上传输，如图37所示。由于计算机内部都采用并行通信，因此，数据在发送之前，要将计算机中的字符进行并/串变换，在接收端再通过串/并变换，还原成计算机的 字符结构，这样才能实 现串行通信。串行通信 的优点是收、发双方只 需要一条传输信道，易 于实现，成本低，但速 度比较低。串行通信通 过计算机的串行口得到 广泛的应用，而且在远程通信中一般采用串行通信方式。,图37串行通信,3.2.2 通信电路的连接方式,1、点对点的线路连接,点对点的连接就是在发送端和接收端之间采用一条线路连接，使用的线路可以是专用线路、租用线路和交换线路，如图38所示。使用租用或交换线路的连接方式，适合于在地理上比较分散的站点之间传输数据，比如，通过公用电话交换网实现点点的连接。,图38 点到点的线路连接,2. 多点线路连接,多点线路连接是指各个站点通过一条公用通信线路连接，如图所示。在多点线路连接方式中，一条线路被所有的站点共享，若所有的站点可以同时发送数据，则这条线路在空间上是共享的。,多点线路的连接方式,3.2.3 信道的通信方式,按照信号传送方向与时间的关系，信道的通信方式可以分为单工、半双工和全双工三种。 1. 单工通信 单工方式指通信信道是单向信道，数据信号仅沿一个方向传输，发送方只能发送不能接收，而接收方只能接收而不能发送，任何时候都不能改变信号传送方向，如图所示。例如，无线电广播和电视都属于单工通信。,单工通信,2. 半双工通信,半双工通信是指信号可以沿两个方向传送，但同一时刻一个信道只允许单方向传送，即两个方向的传输只能交替进行。当改变传输方向时，要通过开关装置进行切换，如图所示。 半双工信道适合于会话式通信。例如，公安系统使用的“对 讲机”和军队使用的“步话机”。半双工方式在计算机网络系统中适用于终端与终端之间的会话式通信。,3. 全双工通信,全双工通信是指数据可以同时沿相反的两个方向进行双向传输，如图所示。 例如，现实生活中的电话机通话就是一个全双工的通信过程。,2.2.4信号的传输方式,1.基带传输 就数字信号而言，它是一个离散的矩型波，“0”代表低电 平，“1”代表高电平。这种矩形波固有的频带称为基带，矩形 波信号称为基带信号。因此，基带实际上就是数字信号所占用 的基本频带。 2. 频带传输 在实现远距离通信时，经常需要借助于电话线路，此时 应使用频带传输方式。所谓频带传输，在发送端就是将数字信 号调制成音频信号后再进行发送和传输，当音频信号到达接收 端时，再把音频信号解调成原来的数字信号。,3. 宽带传输 宽带传输常采用75的同轴电缆（CATV）或光纤作为传输媒体，带宽为300MHz。使用时通常将整个带宽划分为若干个子频带，分别用这些子频带来传送音频信号、视频信号以及数字信号。 因此，可利用宽带传输系统来实现声音、文字和图像的一体化传输，这也就是通常所说的“三网合一”，三网是指语音网、数据网和电视网。另外，使用Cable Modem上网就是基于宽带传输系统实现的。 宽带传输的优点：一是传输距离远，最远可达几十公里；二是可同时提供多个信道。但它的技术较复杂，其传输系统的成本也相对较高。,2.3 数据传输的同步方式,1、异步方式:每传送1个字符（7或8位）都要在每个字符码前加1个起始位，以表示字符代码的开始；在字符代码和校验码后面加1或两个停止位，表示字符结束。接收方根据起始位和停止位来判断一个新字符的开始和结束，从而起到通信双方的同步作用，如图所示。 异步方式的实现比较容易，但每传输一个字符都需要多使用23位，所以适合于低速通信。,2. 同步方式,通常，同步传输方式的信息格式是一组字符或一个二进制位组成的数据块（帧）。对这些数据，不需要附加起始位和停止位，而是在发送一组字符或数据块之前先发送一个同步字符SYN(以01101000表示)或一个同步字节（01111110），用于接收方进行同步检测，从而使收发双方进入同步状态。在同步字符或字节之后，可以连续发送任意多个字符或数据块，发送数据完毕后，再使用同步字符或字节来标识整个发送过程的结束，如图所示。,2.4数据的编码和调制技术,在计算机中，数据是以离散的二进制“0”、“1”比特序列方式来表示的。数据的编码方法包括数字数据的编码与调制和模拟数据的编码与调制，如图所示。,2.4.1 数字数据的调制,典型的模拟通信信道是电话通信信道。它是当前世界上覆盖面最广、应用最普遍的通信信道之一。传统的电话通信信道是为传输语音信号设计的，用于传输音频3003400Hz的模拟信号，不能直接传输数字数据。为了利用模拟语音通信的电话交换网实现计算机的数字数据的传输，必须首先将数字信号转换成模拟信号，也就是要对数字数据进行调制。,调制：在发送端将数字数据信号变换成模拟信号的过程称为调 制（Modulation），调制设备就称为调制器（Modulator). 解调：在接收端将模拟数据信号还原成数字数据信号的过程称 为解调(Demodulation),解调设备就称为解调器(Demodulator). 若进行数据通信的发送端和接收端以双工方式进行通信时，就需要一个同时具备调制和解调功能的设备，称为调制解调器（Modem）， 这一过程如图所示。,由于模拟信号是具有一定频率的连续的载波波形，可以用Acos（2ft）表示，其中A表示波形的幅度，f代表波形的频率，代表波形的相位。因此，根据这三个不同参数的变化，就可以表示特定的数字信号0或1，实现调制的过程。 对数字数据调制的基本方法有：幅移键控(ASK)、频移键控(FSK)和相移键控(PSK)三种。,1. 幅移键控（ASK ,Amplitude Shift Keying） ASK是通过改变载波信号的幅度值来表示数字信号“1”、“0”的，以载波幅度A1表示数字信号“1”，用载波幅度A2表示数字信号“0”（通常A1取1，A2取0），而载波信号的参数f和恒定。 2. 频移键控（FSK ,Frequency Shift Keying） FSK是通过改变载波信号频率的方法来表示数字信号“1”、“0”的，用f1表示数字信号“1”，用f2表示数字信号“0”，而载波信号的A和不变。,3.相移键控（PSK ,Phase Shift Keying） PSK是通过改变载波信号的相位值（）来表示数字信号“1”、“0”的，而载波信号的A和f不变。PSK包括绝对调相和相对调相两种类型： （1）绝对调相 绝对调相使用相位的绝对值，为0表示数字信号“1”，为表示数字信号“0”。 （2）相对调相 相对调相使用相位的偏移值，当数字数据为0时，相位不变化，而数字数据为1时，相位要偏移。,下图中，显示了对数字数据“010110”进行不同调制方法的波形。,2.4.2数字数据的编码,利用数字通信信道直接传输数字数据信号的方法，称作数字信号的基带传输。而数字数据在传输之前需要进行数字编码。 在数字基带传输中，数据信号的编码方式主要有：不归零码、曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码三种。,1. 不归零编码（NRZ,NonReturn to Zero） NRZ编码可以用负电平表