第2章 数据通信基础,2.1概述 2.2交换技术 2.3 PCM编码 2.4多路复用 2.5数字传输网,2.1概述,2.1.1通信基本概念 2.1.2通信系统模型 2.1.3信号编码 2.1.4数据通信系统 返回,2.1.1通信基本概念,通信就是信息的传输 通信技术是研究信息传输的技术 通信的目的是为了传输信息 或者说是为了数据的传输,数据,数据是现实世界事物的符号表示 数据是信息的载体 信息是对数据处理、加工后的结果 信息是关于数据的数据，是数据的高级表现形式，是对人们有用的消息,数据,数据的含义是广义的，文字、图形、图像、声音和视频等都可以作为数据的表示形式 这样的数据又称为多媒体数据,数据,可以把数据大致分为两类 一类是数字型的，例如整数 还有一类是模拟型的，例如声音和视频等,数据,数字型数据是离散的 比如二进制代码即是离散型的数据 人们经常用二进制编码来表示数值、文字，如ASCII码等 模拟型数据则是连续变化的，比如声音，是典型的时间连续型数据,2.1.2通信系统模型,通信系统即利用通信技术实现信息传输的系统 如图2-1所示,通信系统组成,通信终端： 可以是电话机、计算机等终端设备 信号变换器： 把信息转换成适合于通信系统传输的形式，如MODEM设备 信道： 信息传输的通路，可以是有线方式，也可以是无线方式 噪声源： 系统内干扰信号的集中表示,数据传输技术,实际的通信系统一般采用两种数据传输技术 一种是模拟传输技术 一种是数字传输技术,模拟传输技术,模拟传输技术是以模拟的电信号进行数据传输的 模拟信号是指信号随着时间作连续的变化 如果用“波形”的概念来表示，模拟信号的幅值随着时间变化的图形是连续的 典型的模拟信号波形是正弦波,数字传输技术,数字传输技术是以数字信号进行数据传输的 所谓数字信号，即信号随着时间的变化是离散的 比如类似 10110111 这样代码的传输即是离散数字信号的传输 离散信号如果用“波形”来表示是一些方波信号 信号波形是离散的、突变的脉冲信号,两种信号的传输,由于模拟信号是连续的、光滑的，因此，对传输模拟信号的通信系统在传输速率和带宽方面的设计要求不需要太高 而数字信号是突变的，在这种突变的信号中包含着丰富的“频谱”，因此，对传输数字信号的通信系统在传输速率和带宽方面的设计要求是比较高的,交换功能,图2-1中的通信系统模型还应该包括网络的交换功能 信道是交换后由通信线路构成的信息通路,信号传输的方向,如果从信号传输方向的角度，通信的双方构成三种通信方式： 第1种是单工方式，信号始终在一个方向上传输 如广播通信属于单工通信 第2种是半双工方式，信号可以在两个方向上传输，由于只有一条信道，因此同一时刻信号只能在一个方向上传输 如对讲机属于半双工通信 第3种是全双工方式，信号在两个信道上同时传输 如打电话属于全双工通信,2.1.3信号编码,因为数据有模拟与数字之分，系统也有模拟与数字之分，在数据传输前，必须进行信号的变换，把数据变换成适合于系统传输的信号形式 完成这种变换功能的设备称为信号变换器 完成信号变换的过程被称为信号编码 一般来说，在数据通信中采用三种编码方法,1数字数据的模拟信号编码,如果信道是模拟的，数据是数字的，就要把数字型的数据转换为模拟信号 这样的转换称为数字数据的模拟信号编码 典型的应用是通过电话线路拨号上网，所使用的设备是调制解调器，即MODEM,频带传输,通信系统原本是为传输电话信号而设计的，电话信号频率很低，一般为3.4KHz，现在如果终端是计算机，为了能够传输计算机发出的二进制代码，就要进行信号编码 编码的过程称为调制，调制后，变为模拟信号在信道传输 到接收方，再进行解调，还原为原来的数字信号 这样的传输技术被称为频带传输 是一种常用的、典型的数据通信技术 曾是早期数据传输网络应用的主流技术,2数字数据的数字信号编码,数字通信系统具有良好的传输性能和较高的带宽，可以直接用来传输二进制的数字信号，这种传输技术被称为基带传输 比如局域网一般都采用基带传输，因局域网是内网，无需使用电话线传输 但是为了改善数字通信系统的传输性能，要对数字型方波数据进行必要的变换，变换成高性能的、适合于高速传输的数字信号,典型的编码方法,典型的编码方法有: 不归零编码 差分不归零编码 曼彻斯特编码 差分曼彻斯特编码,曼彻斯特编码,以太网对二进制物理信号采用曼彻斯特编码 这种编码，在要传输的二进制方波的中间必须加入一个“跳变”信号 这样的跳变信号可以作为数字通信系统的同步信号 当检测到这个信号时，表示一个方波的到来,3模拟数据的数字信号编码,数字信道采用数字传输技术 如果终端是模拟的，就要把模拟数据变换为数字信号进行传输 典型的应用是数字电话 今后可能把通信系统统一成为数字通信系统，实现“三网合一”的目标,2.1.4数据通信系统,1数据通信系统模型 2串并行通信 3同步,1数据通信系统模型,计算机网络属于数据通信系统 为了讨论方便，一般可以把数据通信系统表示成如图2-2所示的模型,数据通信系统模型,DTE称为数据终端设备（Data Terminal Equipment），可以是计算机等终端设备 DCE称为数据电路端接设备（Data Circuit-terminating Equipment），即信号变换器，可以是调制解调器等通信设备 通信线路可以是有线的，也可以是无线的 可以是模拟的，也可以是数字的 可以是交换的，也可以是点对点的,几个常用名词,通信线路是物理电路 经过DCE设备后变成了可以传输数据信号的数据电路 数据电路经过扩展，把数据终端设备中的通信控制器再考虑进去形成的逻辑电路称为数据链路 数据链路有时简称为链路，是一条用于传输无差错数据的逻辑电路,2串并行通信,数据通信要进行二进制代码的传输，传输二进制代码一般采用两种通信方式： 并行通信 串行通信,并行通信,并行通信是指代表一个数据的各位二进制码元在一个“选通”信号的作用下同时传输出去 并行方式的特点是传输速度快，效率高，但数据传输占用较多的传输线，在远距离通信中很难实现,串行通信,串行通信是指各位二进制码元逐位分别传输，各位二进制码元分时地在一条信道上传输 串行通信的特点是只占用很少的传输线，但传输速度慢，传输效率低 在数据通信中，一般都采用串行通信方式 由于只使用很少的信道资源，因此适合于远距离的通信 只有在计算机内部的各个芯片之间才采用并行的数据通信方式。,3同步,数据通信是在双方不同的系统间进行的，如果不进行时间上的同步，就会发生二进制码元传输的差错 一般的同步包括网同步、帧同步和位同步的层次,网同步,网同步主要针对的是数字通信网的整体来说的，用于控制整个数字通信网信号的同步,帧同步,帧同步是针对控制所传输的数据片断（帧）来说的 同步信号可以用来界定一个数据片断的边界,帧同步,帧同步又包括两种： 一种称为“异步方式”，是对一个ASCII码（或其它编码）的同步传输技术，主要用于低速的串行通信中 另一种称为“同步方式”，是对多个连续二进制数据块进行同步的技术，广泛用于计算机网络中，是一种高效率的数据同步传输技术,位同步,位同步则只针对一个二进制码元的同步 在同步信号作用下，使二进制码元实现正确的传输 广泛用于计算机网络的数据传输中 例如传统以太网中的曼彻斯特编码就采用这种位同步技术,2.2交换技术,2.2.1交换的基本概念 2.2.2电路交换 2.2.3分组交换 返回,2.2.1交换的基本概念,交换是以某种方式动态分配通信资源的技术 通信资源可以理解为线路或通信信道，当信息到达中间结点时，中间结点就应该把信息从不同的端口交换到其它线路上去 中间结点即交换机或路由器 无论是计算机通信还是电话通信都要涉及到交换 计算机网络中交换的概念实际上来自于电话网中的交换 但采用交换的方法与电话网不同,2.2.2电路交换,所谓电路交换是指： 在通信之前，终端通过呼叫由交换结点形成一条物理电路，然后所有的数据都在这条物理电路上传输的一种交换技术,电话通信,电话通信即采用电路交换方式 通话之前先拨号，在公共信令系统支持下形成物理电路，然后再通信，通信结束后再断开电路 公共信令系统是由电信部门建立的、对各种网络进行控制的通信支撑系统，例如电话拨号时电路的连接与断开即借助于公共信令系统,电路交换的特点,电路交换在通信之前，必须先连接（呼叫或拨号），因此要占用时间 连接后这条物理电路被独占，因此别的信号不能再通过 这说明电路交换方式信道利用率低并且传输效率低 但是，由于一对终端独占信道，所以电路交换的优点是实时性好，适合于声音的传输 电路交换一般以星型拓扑组网，以中间结点作为交换机,2.2.3分组交换,计算机网络采用分组交换技术 分组是一些数据的片段，在交换结点通过存储转发的方式实施交换 分组自身携带着分组寻址目标的标识（地址或虚电路号）信息，中间的交换结点根据分组的标识信息进行存储转发 所谓存储转发实际上是交换结点对于到来的分组进行处理的过程，这个过程包括路由和交换（请参考图3-9） 如果分组携带的目标地址恰好是本结点的地址则接收下来，并传送给相应的主机 否则就按照路由表在交换结点不同的端口之间对分组进行交换,图3-9,分组交换服务质量,分组交换从向高层提供服务的角度又可以分为数据报和虚电路两种方式,分组交换的特点,分组交换的缺点是传输效率比较低，不适合实时性数据的传输 其优点是： 适合于突发型的数据传输 可以提供可变比特率的数据传输 可以提供服务质量的保证 适合于计算机网络通信,分组交换网的拓扑,分组交换网一般采用网状拓扑，主机通过交换结点连接到网络上去 结点之间可以有多条物理线路连接 这样当某条线路出现故障时可以通过迂回的方式进行传输 以保证可靠性,2.3 PCM编码,2.3.1 PCM基本概念 2.3.2 PCM原理 2.3.3 PCM编码过程 返回,2.3.1 PCM基本概念,对模拟数据进行数字信号的编码，目前应用比较广泛的是脉冲编码调制技术（Pulse Code Modulation，PCM） 其实质是把数字通信基本原理更广泛地应用于数字通信系统 PCM已经成为数字传输技术的基础以及现代计算机网络的基础,2.3.2 PCM原理,信道是数字的，终端是模拟的，因此在发送方和接收方要进行数据变换 发送方把模拟数据变换为数字信号，然后在数字信道传输 接收方再把数字信号还原为模拟数据 发送方要经过采样、量化和编码过程 接收方要进行解码和滤波过程 如图2-3所示,2.3.3 PCM编码过程,主要讨论发送方PCM的编码过程 即把模拟信号转化为数字信号的过程 以数字电话为例,（1）采样,对模拟信号进行采样，以便把模拟信号在时间上离散化 根据采样定理，采样频率应该是信号频率的2倍，电话信号频率是3.4KHz 因此把采样频率规定为8000Hz，即每秒钟采样8千次，采样周期是125s 采样的结果是得到一系列采样脉冲,（2）量化,采样所得到的脉冲值从幅值上看基本上还是连续的，因此要进行量化 以便把采样值在空间幅值上进一步离散化 一般可以把采样值量化为256个值,（3）编码,对每一个量化了的采样值用二进制数进行编码，即可以把它们表示成一系列二进制代码，从而完成了数字化的过程 因采样的量化值是256个，所以，每一个量化值可以用一个8位二进制数进行编码,编码,结果是把一个连续的模拟信号转化为8000个采样脉冲 每个脉冲用8位二进制数来表示，最后得到的二进制代码传输速率为： 80008=64Kbps 即模拟波形可以在数字信道上以每秒64K二进制方波的速率进行传输,编码过程分析,采样频率越高，采样值越接近于原来的模拟值 量化值越多，所表示的模拟值越精确，但这样付出的代价是二进制位数也越多 也就是说，传输同样的信号，需要传输的代码量大,2.4多路复用,2.4.1多路复用的基本概念 2.4.2多路复用系统 2.4.3时分多路复用 返回,多路复用基本概念,在一条物理线路上传输多条支路信号的技术被称为多路复用 其中所得到的具有逻辑意义的每一个支路信号称