ch2数据通信基础.ppt
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1、1,第二章 数据通信的基础知识,本章内容 2.1 数据通信的基本概念 2.2 信道及其主要特征 2.3 传输媒体 2.4 数据编码 2.5 多路复用 2.6 数据交换技术 2.7 差错控制,2,2.1数据通信的基本概念,数据及计算机通信术语 数据(Data):传递(携带)信息的实体。 信息(Information):是数据的内容或解释。 信号(Signal):数据的物理量编码(通常为电编码),数据以信号的形式传播。 模拟信号与数字信号 基带(Base band)与宽带(Broad band) 信道(Channel):传送信息的线路(或通路) 比特(bit):信息量的单位。比特率为每秒传输的二进
2、制位个数。 码元(Code Cell):时间轴上的一个信号编码单元。,2.1.1 数据通信的一般概念,3,t,码元1,码元2,码元3,码元4,码元5,信号,同步脉冲:用于码元的同步定时,识别码元的开始 同步脉冲也可位于码元的中部 一个码元也可有多个同步脉冲相对应,4,误码率:信道传输可靠性指标,是概率值。 信息编码:将信息用二进制数表示的方法。 数据编码:将数据用物理量表示的方法。 例如:字符A的ASCII编码(是信息编码的一种)为01000001,其数据编码可能为,5,带宽 “带宽”本来的意思是指某个信号具有的频带宽度。带宽的单位是赫兹(Hz)、千赫(kHz)、兆赫(MHz)等。 对于数字信
3、道,“带宽”是指在信道上(或一段链路上)能够传送的数字信号的速率,即数据率或比特率。比特(bit)是计算机中的数据的最小单元,它也是信息量的度量单位。带宽的单位就是比特每秒(bit/s)。 带宽有时也称为吞吐量。,6,如果我们在网络中某一个点上观察数字信号流随时间的变化,那么信号在时间轴上的宽度就随着带宽的增大而变窄。下图是这一概念的示意图。,7,8,带宽 带宽是通信信道的宽度,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。 在计算机网络中,一般使用每秒位数(b/s 或bps) 作为带宽的计量单位。主要单位:kb/s,Mb/s,Gb/s,T
4、b/s 一个以太局域网理论上每秒可以传输1千万比特,它的带宽相应为10Mb/s。,9,时延 信息从网络的一端传送到另一端所需的时间 时延之和=处理时延+排队时延 +发送时延+传播时延 处理时延=分组首部和错误校验等处理(微秒) 排队时延=数据在中间结点等待转发的延迟时间 发送时延=数据位数/信道带宽 传播时延=d/s(毫秒)d:距离 s:传播速度光速,10,A,B,A,B,宽带线路,窄带线路,宽带线路:每秒有更多比特从计算机 注入到线路。 宽带线路和窄带线路上比特的传播速率是一样的。,正确的宽带和窄带概念,11,比喻:汽车运货,宽带和窄带线路:车速一样 宽带线路:车距缩短,12,一种错误概念
5、“宽带”相当于“多车道”,多车道公路是并行传输,100101110100100111010001011010,通信线路上通常都是串行传输,13,时延带宽乘积 某一链路所能容纳的比特数 时延带宽乘积=带宽传播时延 例如,某链路的时延带宽乘积为100万比特,这意味 着第一个比特到达目的端时,源端已发送了100万比 特。,14,往返时延 (Round-Trip Time ,RTT) 从信源发送数据开始,到信源收到信宿确认所经历的时间 RTT2传播时延 传输可靠性 两个含义: 数据能正确送达 数据能有序送达(当采用分组交换时),15,2.1.2数据通信系统模型,通信的三个要素:信源、信宿和信道,数据通
6、信系统的构成: 传输系统(传输线路和传输设备) 数据处理系统,16,一、数据传输系统 1)传输线路 2)调制解调器 3)多路复用器 4)交换器 二、数据处理系统 1)终端设备:指用户与数据传输系统间的接口,为系统中计算机系统发送信息及接收来自计算机系统的信息。 2)计算机系统进行数据的收集和处理,17,三、数据通信基本过程: 包括两个方面的内容传输数据和通信控制 1)建立通信线路; 2)建立数据传输链路,建立同步联系; 3)传送通信控制信号和数据; 4)通过通信控制信息确认通信结束; 5)通知交换机,通信结束,切断物理连接。,18,数据通信基本过程,包含两项内容:数据传输和通信控制 过程 与打
7、电话的对比 建立物理连接 拨号,拨通对方 建立逻辑连接 互相确认身份 数据传送 互相通话 断开逻辑连接 互相确认要结束通话 断开物理连接 双方挂机,19,信息通过数据通信系统传输 把携带信息的数据用物理信号形式通过信道传送到目的地。 信息和数据(0,1比特)一般不能直接在介质上传输。 编码:数据适合传输的数字信号便于同步、识别、纠错 调制:数字信号适合传输的形式按频率、幅度、相位 解调:接收波形数字信号 解码:数字信号原始数据,20,1)传输速率 码元速率(RB),又称信号速率或波特(Baud)率:为每秒 传送的码元数(即信号传送速率)。 信息速率(Rb),又称比特率:每秒传送的信息量(bps
8、, bit/s) 。 字符速率(Rm),指单位时间内所传字符的数量。例如在 传送计算机信息时,单位为字符/秒。 Rb = RB log2M,其中M是信号的编码级数。 一个信号往往可以携带多个二进制位,所以在固定的信息传输速率下,比特率往往大于波特率。换句话说,一个码元中可以传送多个比特。 例如,M=16,波特率为9600时,信息速率为38.4kbit/s,四.数据通信的主要技术指标,21,1 0 0 1 0 1 1,二进制数据波形,00 10 11 01 10 00 01,四进制数据波形,一个数字脉冲称为一个码元,码元携带的信息量由码元可取得的离散值个数决定,若码元可取2个离散值,则一个码元携
9、带1bit信息;若码元可取4个离散值,则一个码元携带2bit信息。一个码元的携带信息量n(bit)与可取的离散值个数M有关 n = log2M,22,2)差错率: 误码率Pc :指错误接收信息的码元数在传输信息 的总码数中所占的比例。一般要求误码率小于10-6 。 Pc错误接收的码元数/传输的总码数 误比特率Pb:指错误接收的比特数占传输总比特数的比例。 Pb错误接收的比特数/传输的比特数 误字符率Pw :指错误接收的字符数占传输总字符数的比例。 Pw错误接收的字符数/传输的字符数,数据通信的主要技术指标,23,频率、频谱和带宽,(1) 时域概念 电磁信号是连续或离散的; 正弦波:s(t)=A
10、 sin(2ft+)(注:少一个字符) (A) 振幅(A):信号对比时间的峰值,单位:伏特或瓦特 (B) 频率(f):信号重复的速度,单位:周/秒或赫兹(HZ) (C) 周期(T):信号重复一次所需的时间,单位:秒 T=1/f; (D) 相位():在一个完整的信号周期范围内对时间相对位置的度量,24,频率、频谱和带宽,(2) 频域概念 基本频率或基波:当全部信号的频率是某一频率的整数倍时,后者称为基波; 即存在两个信号,信号A的频率是信号B频率的整数倍,那么信号B称为基波,且信号A、B 合成后的频率为B的频率(基波的频率)整数倍; (3) 频谱:信号所包括频率的范围;(针对合成信号,频率范围是
11、信号A和信号B 的频率区间) 信号的绝对带宽. (4) 有效带宽或带宽:信号的大部分能量往往包含在频率较窄的一段频带. (5) 直流成分:,25,2.2 信道及其主要特征,1. 数字信道和模拟信道 数字信道:以数字脉冲形式(离散信号)传输数据的信道。 计算机网络中主要采用数字信道进行数据传输 ADSL、ISDN、DDN、ATM、局域网 模拟信道:以连续模拟信号形式传输数据的信道。 CATV、无线电广播、电话拨号线路,26,模拟信号和数字信号 模拟信号 时间上连续,包含无穷多个信号值 模拟信号能在数字信道上传输吗? 数字信号 时间上离散,仅包含有限数目的信号值。最常见的是二值信号 数字信号能在模
12、拟信道上传输吗?,t,a) 模拟信号,b) 数字信号,27,周期信号和非周期信号 周期信号 信号由不断重复的固定模式组成(如正弦波) 非周期信号 信号没有固定的模式和波形循环(如语音的音波信号)。,周期信号,非周期信号,28,数字通信与模拟通信 数字通信 在数字信道上实现模拟信息或数字信息的传输 模拟通信 在模拟信道上实现模拟信息或数字信息的传输 数字通信的优点 抗噪声(干扰)能力强 可以控制差错,提高了传输质量 便于用计算机进行处理 易于加密、保密性强 可以传输语音、数据、影像,通用、灵活 计算机通信仅在不得已的情况下,才会采用模拟通信,如通过电话线拨号上网。,29,2. 信道的最大数据传输
13、率,Nyquist公式:用于无噪声理想低通信道 Nyquist公式为估算已知带宽信道的最高数据传输速率提供了依据。 例如,话音级线路的带 宽约为3.1kHz,根据上 式计算的信道最大数据 传输率如右表所示,M 最大数据率 2 6200 b/s 4 12400 b/s 8 18600 b/s 16 24800 b/s 32 31000 b/s,30,非理想信道 实际的信道上存在损耗、延迟、噪声。 损耗引起信号强度减弱,导致信噪比S/N降低。 延迟会使接收端的信号产生畸变。 噪声会破坏信号,产生误码。 例如:数据传输速率为56kb/s时,持续时间0.01s的干扰会破坏约560个比特。,31,Sha
14、nnon公式:用于有噪声干扰信道 例:信道带宽W=3.1kHz,S/N=2000,则 C = 3100log2(1+2000) 34kb/s 即该信道上的最大数据传输率不会大于34kb/s。,信噪比的单位也可用分贝(dB)表示: S/NdB=10log10 S/N 所以,若S/NdB=30dB ,则S/N=1000。,32,Nyquist公式和Shannon公式的比较,C = 2W log2M 用于理想信道(这样的信道存在吗?) 数据传输率随信号编码级数增加而增加。 C = W log2(1+S/N) 用于有噪声信道(实际的信道总是有噪声!) 无论信号编码级数增加到多少,此公式给出了有噪声信道
15、可能达到的最大数据传输速率上限。 原因:噪声的存在将使编码级数不可能无限增加。,33,3. 通信网络中站点的连接方式,34,4. 数据传输方式,单/双工通信单/双向传输 单工:数据单向传输(例:无线电广播) 半双工:数据可以双向交替传输,但不能在同一时刻双向传输(例:对讲机) 全双工:数据可以双向同时传输(例:电话) 需要具有两条物理上独立的传输线路; 或者需要具有一条物理线路上的两个信道,分别用于不同方向的信号传输。,35,单工、半双工与全双工通信,36,数据串/并行通信,1. 串行传输 串行传输是一位一位地传送,从发送端到接收端只要一根传输线即可,节省设备,适用于远程通信,37,串行传输的
16、特点, 传输速度较低,一次一位; 通信成本也较低,只需一个信道。 支持长距离传输,目前计算机网络中所用的传输方式均为串行传输。,38,数据串/并行通信,2. 并行传输 并行传输的速率高,可以一次同时传输若干比特的数据。,39,并行传输的特点, 传输速度快:一位(比特)时间内可传输一个字符; 通信成本高:每位传输要求一个单独的信道支持;因此如果一个字符包含8个二进制位,则并行传输要求8个独立的信道的支持; 不支持长距离传输:由于信道之间的电容感应,远距离传输时,可靠性较低。,40,基带/频带/宽带传输 基带传输:不需调制,编码后的数字脉冲信号直接在信道上传送。 例如:以太网(局域网) 频带传输:
17、数字信号调制成音频模拟信号后再传送,接收方需要解调。 例如:通过电话网络传输数据 宽带传输:把信号调制成频带为几十MHZ到几百MHZ的模拟信号后再传送,接收方需要解调。 例如:闭路电视的信号传输,41,数据同步方式 目的是使接收端与发送端在时间基准上一致: 同步脉冲频率 数据从什么时候开始,什么时候结束 位边界 数据块边界 数据通信中需要在三个层次上实现同步: 位位同步 字符字符同步 帧(Frame)帧同步,42,位同步:目的是使接收端接收的每一位信息都与发送端保持同步,2种同步方法: 外同步发送端发送数据之前发送同步脉冲信号,接收方用接收到的同步信号来锁定自己的时钟脉冲频率。 自同步通过特殊
18、编码(如曼彻斯特编码),使数据编码信号中包含同步信号,接收方从数据编码信号提取同步信号来锁定自己的时钟脉冲频率。,43,字符同步:找到正确的字符边界。 常用的为起止式(异步式)。在这种方式中,每个字符的传输需要: 1个起始位、58个数据位、1、1.5或2个停止位 采用这种同步方式的通信也称“异步通信”。 起止式的优缺点: 频率的漂移不会积累,每个字符开始时都会重新获得同步; 每两个字符之间的间隔时间不固定; 增加了辅助位,所以传输效率低; 例如,采用1个起始位、 8个数据位、 2个停止位时,其传输效率为8/1173,44,帧同步:识别一个帧的起始和结束。 帧(Frame):数据链路中的传输单位
19、包含数据和控制信息的数据块 面向字符的以同步字符(SYN,16H)来标识一个帧的开始,适用于数据为字符类型的帧 面向比特的以特殊位序列(7EH,即01111110)来标识一个帧的开始,适用于任意数据类型的帧,7EH,7EH,45,传输损耗,最有影响的损耗包括:衰减、衰减失真、延时变形、噪声 1.衰减 提出的三个问题: (1) 第一:接收到的信号必须有足够的强度,这样接收器里的电子电路才能辨认、解释信号; (2) 第二:信号须比收到的噪声维持一个更高的电平,以避免出错; (3) 第三:衰减是频率增量函数; 解决问题: (1) 针对第一、第二问题,可以在线路设置放大器或中继器,来增强信号强度; (
20、2) 第三个问题针对模拟信号的,可以在线路上加载线圈以改变线路的电气属性,或使用高频放大器将高频放大;,46,传输损耗,2.延迟变形(有线传输介质特有的现象,对数字数据影响比较大) 延迟变形:由于信号中各种成分延迟使得接收到的信号变形,这种效果然称为延迟变形; 3. 噪声 接收到的信号包括:传送的信号、因传输系统造成的失真、在传输和接收之间在某处插入的不必要的信号(噪声) 分类:(1) 热噪声 (2) 内调制杂音 (3) 串扰 (4) 脉冲噪声,47,2.3 传输介质,磁介质 高带宽、低费用、高延时(小时) 在通信中很少使用 例:7GB/8mm磁带,1000盘/50*50*50cm3,24h可
21、送到任何地方。 总容量=7*1000*8Gbits,总时间=24*60*60=86400s 传送速率=56000Gb/86400s=648Mb/s 金属导体 双绞线、 同轴电缆(粗、细) 光纤 无线介质 无线电、微波、卫星、红外线,我们追求的最快传输速率是多少?,48,双绞线(Twist Pair,TP),-螺旋绞合的双导线 -每根4对、25对、1800对 -典型连接距离100m(LAN) -RJ45插座、插头 -优缺点: 成本低 组装密度高、节省空间 安装容易(综合布线系统) 平衡传输(高速率) 抗干扰性一般 连接距离短,应用领域:电话网络、计算机局域网,49,屏蔽双绞线(STP) 非屏蔽双
22、绞线(UTP),以铝箔屏蔽以减少干扰和串音,应用较少,双绞线外无任何屏蔽层,应用广泛,常用的双绞线:3类(16Mb/s) 和5类(155Mb/s)两种,50,光纤(Optical Fiber) 依靠光波承载数据,光脉冲在玻璃纤维中传播 优缺点: 传输带宽高:仅受光电转换器件的限制(100Gb/s) 传输损耗小,适合长距离传输 抗干扰性能极好、误码率低,保密性好 轻便 价格较高 需要光电转换 纤芯材料: 塑料 二氧化硅 (高纯玻璃),51,光纤传输原理光的反射 光从折射率高的介质入射到折射率低的介质时会产生折射。折射量取决于两种介质的折射率。当入射角临界值时产生全反射,不会泄漏。 纤芯-折射率高
23、,玻璃包层-折射率低 亮度调制:有光脉冲-1,无光脉冲-0 光传输系统:光源、介质、光检测 光源:850nm/1300nm/1500nm,发光二极管/激光二极管 光检测器:光电二极管PIN/雪崩二极管APD 单向传输,双向需两根光纤 应用领域:局域网主干、电信网络、服务器连接,52,多模光纤(MMF) 单模光纤(SMF):光纤的直径接近一个光波波长,53,典型的光缆,单芯光缆,多芯光缆,常见规格:纤芯50um缓变型-MMF 62.5um缓变型/增强型-MMF 8.3um突变型-SMF 包层125um,54,光钎电缆,55,高密度多芯光缆剖面结构,芯,封套,外套,加强芯,光纤,外鞘,加强芯,光纤
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