完美版课件第2章数据通信技术.ppt
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1、第2章 数据通信技术主要内容 数据通信基础 差错控制 数据传输控制协议和接口 数据交换 数据通信传输介质数据通信是通信技术和计算机技术相结合而产生的一种新的通信方式。要在两地间传输信息必须有传输信道,根据传输媒体的不同,分为有线数据通信与无线数据通信。但它们都是通过传输信道将数据终端设备联结起来,而使不同地点的数据终端实现软、硬件和信息资源的共享。2.1数据通信基础2.1.1数据通信系统组成数据通信系统是通过数据电路将分布在远地的数据终端设备与计算机系统连接起来,实现数据传输、交换、存储和处理的系统。较典型的数据通信系统主要由数据终端设备、数据电路、计算机系统三部分组成,如图2-1所示。图2-
2、1数据通信系统组成一、数据终端设备在数据通信系统中,用于发送和接收数据的设备称为数据终端设备(DTE)。从计算机和计算机通信系统的观点来看,终端是输入/输出的工具;从数据通信网络的观点来看,计算机和终端都称为网络的数据终端设备,简称终端。二、数据电路终接设备用来连接DTE与数据通信网络的设备称为数据电路终接设备(DCE)DCE也可称做数据通信设备。DCE功能是完成数据信号的变换。因为传输信道可能是模拟的,也可能是数字的,DTE发出的数据信号不一定适合信道传输,所以要把数据信号变成适合信道传输的信号。利用模拟信道传输,要进行“数字模拟”变换,其方法是调制;接收端要进行反变换,即“模拟数字”变换,
3、这就是解调,实现调制与解调的设备称为调制解调器。调制解调器就是模拟信道的数据电路终接设备。三、数据电路和数据链路数据电路指的是在线路或信道上增加信号变换设备之后形成的二进制比特流通路,它由传输信道及其两端的DCE组成。数据链路是在数据电路已建立的基础上,通过发送方和接收方之间交换“握手”信号,使双方确认后方可开始传输数据的两个或两个以上的终端装置与互连线路的组合体。所谓“握手”信号是指通信双方建立同步联系、使双方设备处于正确收发状态、通信双方相互核对地址等。在图2-1中,增加了通信控制器以后的数据电路称为数据链路。可见数据链路包括物理链路和实现链路协议的硬件和软件。只有建立了数据链路之后,双方
4、DTE才可真正有效的进行数据传输。2.1.2信号表示信号是数据在通信传输过程中的电磁或电子的编码。在通信中,需要把数据变成可在传输介质上传送的信号来发送,有模拟信号和数字信号两种传输形式。模拟信号是连续变化的电磁波,它是用电信号模拟原有信息。数字信号是一系列的电脉冲,直接用二种电平表示二进制的1和0。无论是模拟数据还是数字数据,在传输过程中都可以用适合于信道传输的某种信号形式来传输,主要分为如下几种情况。在模拟信道上,模拟数据可以用模拟信号来传输。在模拟信道上,数字数据可以用模拟信号来传输。在数字信道上,模拟数据也可以用数字信号来传输。在数字信道上,数字数据可以用数字信号来表示。在数字信道传输
5、数字或模拟数据,发送端数据在传输前需要转换成适合数字信道传输的信号,这个过程称为编码;在数字信道上接收端对传输信号还原的过程称为解码,模型如下图所示。图2-3数字信道传输数据示意图用模拟信道传输数字或模拟数据,发送端数据在传输前需要转换成适合模拟信道传输的信号,这个过程称为调制;在模拟信道上接收端对传输信号还原的过程称为解调。模型如下图所示。图2-4模拟信道传输数据示意图2.1.3数字信号编码一、数字信号编码方案1不归零码不归零码(NRZ)是比较简单的一种编码方案,传送1时用高电平表示,传送0时用低电平表示,每个码元持续时间的中间点是采样时间,判决门限为半幅电平。这样可以通过高低电平脉冲的变换
6、传送0和1组成的数据序列,如图2-5所示。(a)单极性不归零码脉冲(b)双极性不归零码脉冲图2-5不归零码编码方案2归零码归零码是指它的有电脉冲宽度比码元宽度窄,每个脉冲都回到零电平,即还没有到一个码元终止时刻就回到零值的码型,见下图。归零码可以解决不归零码传输连续两位同样的数据码位时难以确定一位的结束和另一位开始的问题。(a)单极性归零码脉(b)双极性归零码脉冲图2-6归零码编码方案3差分码在差分码中,“1”、“0”分别用电平跳变或不变来表示。若用电平跳变来表示“1”,称为传号差分码;若用电平跳变来表示“0”,称为空号差分码。下图所示的交替双极性归零编码就属于差分码,这种码型在形式上与双极性
7、归零码型相同,但它代表的信息符号与码元本身电位或极性无关,而仅与相邻码元的电位变化有关。图2-4模拟信道传输数据示意图4曼彻斯特编码曼彻斯特编码又称为数字双相码或分相码。它的特点是每个码元用两个连续极性相反的脉冲跳变来表示。如“1”码用正负脉冲跳变表示,“0”码用负正脉冲表示,如下图所示。曼彻斯特编码每个码元的脉冲跳变都发生在中间码元位置,码元中间的跳变既作时钟信号,又作数据信号;从高到低跳变表示1,从低到高跳变表示0。图2-8曼彻斯特编码脉冲5差分曼彻斯特编码将差分码的概念用在曼彻斯特编码中,即形成了差分曼彻斯特编码。在差分曼彻斯特编码中,每位中间的跳变仅供时钟定时,而用每位开始时有无跳变表
8、示“0”或“1”,有跳变为“0”,无跳变为“1”。即将一个位时间一分为二,如果当前位的前半部分电平不同于前一位的最终电平状态表示“0”;如果当前位的前半部分电平相同于前一位的最终电平状态,表示“1”。如图2-9所示。图2-9差分曼彻斯特编码脉冲6多进制码实际上还常用到多进制代码,其波形特点是多个二进制符号对应一个脉冲码元。图2-10、2-11分别示出了两种四进制代码波形。单极性四进制码脉冲双极性四进制码脉冲图2-10单极性四进制码脉冲图2-11双极性四进制码脉冲2.1.4调制和解调要实现数字数据信号在模拟信道上的传输,需要将数字信号转变成模拟信号,这个过程称为调制。模拟信号传输的基础是载波,载
9、波具有三大要素:幅度、频率和相位,数字数据可以针对载波的不同要素或它们的组合进行调制。由相移键控法和移幅键控法结合的相位幅度调制PAM,是解决相移数已达到上限但还要提高传输速率的有效方法。一、数字调制的基本方法任何载波信号都有三个特征,即振幅、频率和相位。相应地,把数字信号转换成模拟信号就有三种基本技术或三种基本方法(见下图),分别为移幅键控法(ASK),简称振幅调制、移频键控法(FSK),简称频率调制、相移键控法(PSK),简称相位调制。图2-12数字调制的三种基本方法二、四相移相键控调制1四相移相键控调制原理四相移相键控调制(QPSK)信号调制器输入的数据是二进制数字序列,为了能和四进制的
10、载波相位配合起来,则需要把二进制数据变换为四进制数据,这就需要把二进制数字序列中每两个比特分成一组,共有四种组合,即00,01,10,11,其中每一组称为双比特码元。四相调相信号的载波相位可以取由0+0、0+90、0+180、0+270四个值,其中0为起始相位。因此载波相位也可以用四进制码来表示。其对应顺序依次为0,1,2,3,这种一一对应的逻辑关系是固定不变的。而双比特码元与四进制0、1、2、3之间一一对应的逻辑关系,一般不使用自然码逻辑,而是使用另一种称为循环码逻辑。2格雷码格雷码定义在一组数的编码中,如果任意相邻的代码只有一位二进制数不同,即为格雷码。二进制数转换成格雷码:格雷码转换成二
11、进制数:二进制格雷码编码规则设一个十进制数的自然二进制码为n=(Bn-1Bn-2BkB2B1B0),并设一个十进制数的格雷码为n=(Gn-1Gn-2GkG2G1G0),其中Bk和Gk分别为自然二进制码和格雷码内的码位数字,并且nk、gk0,1,它们之间的关系见式(2-1)和式(2-2)。二进制数转换成格雷码:(2-1)格雷码转换成二进制数:(2-2)三、模拟数据的数字信号编码1脉码调制脉冲编码调制,又称脉码调制是以采样定理为基础,对连续变化的模拟信号进行周期性采样,利用大于等于有效信号最高频率或其带宽2倍的采样频率,通过低通滤波器从这些采样中重新构造出原始信号。奈奎斯特采样定理表达公式为Fs(
12、=1/Ts)2Fmax或Fs2Bs式中:Ts为采样周期;Fs为采样频率;Fmax为原始信号的最高频率;Fmin为原始信号的最低频率,Bs(=FmaxFmin)为原始信号的带宽。2模拟信号数字化的三个步骤采样。以采样频率Fs把模拟信号的一个瞬时幅度值(抽样值)采出作为样本,令其表示原始信号。量化。使连续模拟信号变为时间轴上的离散值,量化级的多少取决于量化的精度。编码。经量化后的模拟信号,需要把它转换成适合数字编码脉冲传输的格雷码等数据格式,最简单的编码是自然二进制编码。2.1.5数据压缩数据压缩,即用最少的数码来表示信号。通过数据压缩,可以使信息以超过实际连接的速度进行传输。压缩编码的方法有几十
13、种之多,并在编码过程中涉及较多数学理论基础问题,此处仅介绍一种Huffman(哈夫曼)数据压缩编码。Huffman数据压缩编码原理Huffman编码是一种可变长编码方式,是由美国数学家DavidHuffman创立的,是二叉树的一种特殊转化形式。编码的原理是:将使用次数多的代码转换成长度较短的代码,而使用次数少的可以使用较长的编码,并且保持编码的唯一可解性。Huffman算法的最根本的原则是:累计的“字符的统计数字字符的编码长度”为最小,也即权值的和最小。2.1.6同步技术一、同步方法所谓同步,就是接收端要按照发送端所发送的每个码元的重复频率以及起止时间来接收数据,也就是在时间基准上必须取得一致
14、。在通信时,接收端要校准自己的时间和重复频率,以便和发送端取得一致。在数据通信过程中,数字信道的发送端和接收端必须保持同步,即接收端解码时要根据发送端发送信号的起止时间和频率产生一个相一致的脉冲序列,保持两端步调一致,才能准确无误地通信。通常,获取同步信息的方法有两种,即自同步法和外同步法。自同步法。自同步法是从数据信息波形的本身提取同步信号,并用锁相技术获得与发送时钟完全相同的接收时钟。外同步法。外同步法是通过外界输入同步信号,接收端的同步信号事先由发送端送来,而不是自己产生也不是接收端从信号中提取出来。二、传输方式通信过程中收、发双方可以通过内同步法或外同步法保持码元之间同步,但由码元组成
15、的字符或数据块之间在起止时间上也要保持同步,以正确提取传输的有效数据。根据实现字符或数据块之间在起止时间上同步方法的不同,对应区分为异步和同步两种传输方式。1.异步传输方式异步传输每次只传送一个字符,每在传送一个字符前要先发起始信号,而在这个字符之后也一定要有个停止信号,这两个信号之间的脉冲就是组成该字符的位信息,在没有字符的时候,线路的状态总是1,当线路状态被一个起始信号改成0时,接收端的机器就开始取样接收其后的那些位信息。2同步传输方式同步传输的报文分组要大得多,它不是独立地发送每个字符,而是把它们组合起来一起发送,字符之间不允许有空隙。同步传输时,发送端首先对欲发送的原始数据进行编码,如
16、采用曼彻斯特编码或差动曼彻斯特编码,形成编码数据后再向外发送,发出的编码自含同步时钟,可以实现收、发双方的自同步。2.1.7多路复用为了有效的利用通信线路,在一条物理通信线路上建立多条逻辑通信信道,同时传输若干路信号的技术叫做多路复用技术。多路技术一般用在长途主干通信上,局域网通信一般不采用多路复用技术,而是独占介质进行传输。基本的多路复用分为频分多路复用(FDM)、时分多路复用(TDM)和波分复用(WDM)三类。通常,FDM用于模拟通信,TDM用于数字通信,WDM则用于光纤通信。一、FDM技术原理在物理信道的可用带宽超过单个原始信号所需带宽情况下,可将该物理信道的总带宽分割成若干个独立的信道
17、,每个子信道传输一路信号,这就是频分多路复用,见图2-19。图2-19频分复用示意图二、TDM技术原理时分多路复用TDM是在一条传输介质上按时间划分周期T,每个周期T又分成若干固定长度的时间片t1、t2、tn,将每个时间片固定分配给不同的用户。一个周期T内的各时间片的数据依次组成一帧。在发送端,多路复用器将某个用户的数据放入每个周期的特定时间片内发送出去。在接收端,多路复用器将一个周期内中一个时间片内的数据分配到相应的输出线路上。这样就实现了在一条传输线路上同时传输多路数据的功能,见图2-20。图2-20时分复用示意图三、WDM技术原理WDM是在光纤上进行信道复用的技术,一根光纤的带宽可达25
18、000GHz,而通常一路光信号的带宽只有几GHz。波分多路复用的原理是整个波长频带被划分为若干个波长范围,每路信号占用一个波长范围来进行传输。实质上是在光信道上采用的一种频分多路复用的变种,即光的频分复用,只不过光复用采用的技术与设备不同于电复用。由于光波处于频谱的高频段,有很高的带宽,因而可以实现很多路的波分复用。2.1.8数据传输信道一、信道定义数据传输信道是指为数据信号传输提供的通路。狭义信道。仅指传输介质本身,能够传输信号的任何抽象的或具体的通路,如电缆、光纤、微波、短波等等。广义信道。包含传输介质和完成各种形式的信号变换功能的发送及接收设备,可看成是一条实际传输线路及相关设备的逻辑部
19、件。二、信道分类从不同角度对信道有多种分类方法。按照允许的信号的类型分为模拟信道和数字信道。按信道的使用方法分为专用信道和公共交换信道。按照信道采用的传输介质分为有线信道和无线信道。按数据传输的同步方式分为同步信道和异步信道。按信道传输的信息复用形式分为频分复用和时分复用信道。按信道传输的速度分为T1、E1等信道。按数据位传输的顺序可以分为并行传输和串行传输。按数据传输的流向和时间关系可以分为单工、半双工、全双工信道。按被传输的数据信号特点可分为基带传输信道、频带传输信道、数字数据传输信道。1数据传输速率数据传输速率是指每秒传输二进制信息的位数,单位为“位/秒”,记作bps或b/s。数据传输速
20、率也称传信率。比特(bit)是信息量的单位,比特率为每秒传输的二进制位个数。数据传输速率计算公式为C=(1/T)log2N(bps)2信号传输速率信号传输速率是指单位时间内通过信道传输的信号码元数,即信号经调制后的传输速率,单位为波特,记作Baud,因此信号传输速率也称码元速率或波特率。信号传输速率计算公式为B=1/T (Bd)3数据传输速率与信号传输速率的关系数据传输速率与信号传输速率的关系为C=Blog2N(bps)或B=C/log2N(Baud)如果采用四相调制方式,即N=4,且T=83310-6秒,则C=1/Tlog2N=1/(83310-6)log24=2400(bps)B=1/T=
21、1/(833x10-6)=1200(Bd)三、带宽对于模拟信道,带宽是指一个物理信道内可以传输频率的范围,是信道频率上界与下界之间之差,是介质传输能力的度量,在传统的通信工程中通常以赫兹(Hz)为单位计量。如电话线设计的信号传输的频率范围是从300Hz到4000Hz,则它的带宽是4000-300=3700Hz。一个信道的带宽越宽,则在单位时间内能够传输的信息量就越大。四、信道容量信道容量表示一个信道的最大数据传输速率,单位为bit/s。五、奈奎斯特公式信道上的极限数据传输率受信道的带宽限制,对于无热噪声的信道,下面的奈奎斯特公式给出了这种限制关系:奈奎斯特证明了无噪声理想低通信道的码元速率极限
22、值B与信道带宽W的关系(奈氏准则):B=2W(Baud)由此可以推得表征信道数据传输能力的奈奎斯特公式:C=2Wlog2N(bps)六、香农定理香农公式,即有噪声干扰的信道容量公式:C=Wlog2(1+S/N)(bps)式中,W为信道带宽;S为信道内所传信号的平均功率;N为信道内部的高斯噪声功率;S/N为信噪比,通常把信噪比表示成式(2-10),以分贝(dB)为单位来计量。10log10(S/N)=10lg(S/N)(2-10)七、误码率误码率是指二进制数据位传输时出错的概率。它是衡量数据通信系统在正常工作情况下的传输可靠性的指标。误码率又称码元差错率,是指在传输的码元总数中错误接收的码元数所
23、占的比例。误码率公式为Pe=Ne/N2.2差错控制2.2.1概述所谓差错就是在数据通信中,接收端接收到的数据与发送端实际发出的数据出现不一致的现象。差错包括数据传输过程中位丢失;发出的位值为“0”,而接收到的位值为“1”,或发出的位值为“1”,而接收到的位值为“0”。即发出位值与接收到的位值不一致。差错控制是指在数据通信过程中,发现所传数据是否有错,并对错误予以处理的控制手段。一、噪声干扰数据传输中所产生的差错都是由热噪声引起的。由于热噪声会造成传输中的数据信号失真,产生差错,所以在传输中要尽量减少热噪声。热噪声是影响数据在通信媒体中正常传输的重要因素。二、错误类型由热噪声引起的传输信道中常见
24、的错误有以下三种:随机错误。错误的出现是随机的,一般而言错误出现的位置是随机分布的,即各个码元是否发生错误是互相独立的,通常不是成片地出现错误。突发错误。错误的的出现是一连串出现的,错误的码元相对较多。混合错误。既有突发错误又有随机差错的情况。三、差错控制方法数据通信过程中,可以通过差错控制这一环节,对传输的数据流进行相应的处理,使系统具有一定的纠错能力和抗干扰能力。最常用的差错控制方法是差错控制编码(信道编码)。数据信息在向信道发送之前,先按照某种关系在每一个要发送的数据块或字符中上附加冗余信息,使冗余信息与所发出的信息存在某种逻辑关系,构成一个码字后再发送,通过冗余信息可以推导出所发信息是
25、否在传输过程中发生了错误,这个过程称为差错控制编码过程。接收端收到该码字后,检查信息位和附加的冗余位之间的关系,以检查传输过程中是否有差错发生,这个过程称为检验过程。在数据通信系统中,利用抗干扰编码进行差错控制。通常有4类差错控制方式,分别是前向纠错(FEC)、反馈重发(ARQ)、混合纠错(HEC)及信息反馈(IRQ)。1.前向纠错(FEC)FEC方式是在信息码序列中,以特定结构加入足够的冗余位称为监督元,接收端解码器可以按照双方约定的这种特定的监督规则,自动识别出少量差错,并能予以纠正。FEC最适于高速数据传输而需实时传输的情况。2.反馈重发(ARQ)ARQ差错控制方式中,解码器对接收码组逐
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