第2章 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)

第2章數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)

本章內(nèi)容提要數(shù)據(jù)通信的基本概念、數(shù)據(jù)通信方式及數(shù)據(jù)通信的主要技術(shù)指標數(shù)字數(shù)據(jù)的傳輸和模擬數(shù)據(jù)的傳輸位同步、異步傳輸及同步傳輸?shù)幕驹矶嗦窂陀眉夹g(shù)和數(shù)據(jù)交換技術(shù)的原理，ATM和幀中繼的基本技術(shù)差錯的產(chǎn)生和控制方法，熟悉奇偶校驗法和循環(huán)冗余碼

12.1基本概念

2.1.1數(shù)據(jù)通信的基本概念

1．數(shù)據(jù)通信的一般概念

如果信息的自然形態(tài)是模擬的，如語音、圖像，經(jīng)數(shù)字化處理后，用數(shù)字信號的形式進行傳送，稱為“數(shù)字通信”。如果信息的自然形態(tài)是數(shù)字的（離散的），如計算機數(shù)據(jù)，則不管用哪種形式的信號進行傳送都叫“數(shù)據(jù)通信”。

2數(shù)據(jù)通信的最基本模型

計算機（或終端）為信源或信宿；通信控制器負責數(shù)據(jù)傳輸控制，以減輕主機負擔，在微機一側(cè)，它的功能一般由微機承擔；信號變換器完成數(shù)據(jù)與電信號之間的變換，以匹配通信線路的信道特性，依據(jù)通信線路的不同，信號變換器又稱為“波形變換器”或“調(diào)制解調(diào)器”；通信線路泛指各種實用的傳輸介質(zhì)，是傳輸信號的通路。32．幾個術(shù)語的解釋

（1）數(shù)據(jù)：數(shù)據(jù)可分為模擬數(shù)據(jù)和數(shù)字數(shù)據(jù)。模擬數(shù)據(jù)是在某區(qū)間內(nèi)連續(xù)變化的值；數(shù)字數(shù)據(jù)是離散的值。（2）信號：是數(shù)據(jù)的電子或電磁編碼。信號可分為模擬信號和數(shù)字信號。模擬信號是隨時間連續(xù)變化的電流、電壓或電磁波；數(shù)字信號則是一系列離散的電脈沖?？蛇x擇適當?shù)膮⒘縼肀硎疽獋鬏數(shù)臄?shù)據(jù)。（3）信息：是數(shù)據(jù)的內(nèi)容和解釋。（4）信源：是通信過程中產(chǎn)生和發(fā)送信息的設(shè)備或計算機。（5）信宿：是通信過程中接收和處理信息的設(shè)備或計算機。（6）信道：是信源和信宿之間的通信路徑。43．模擬信號和數(shù)字信號的表示

模擬信號和數(shù)字信號可通過參量（幅度）來表示

(a)模擬信號(b)數(shù)字信號

54．模擬數(shù)據(jù)和數(shù)字數(shù)據(jù)的表示

（1）模擬數(shù)據(jù)可以用模擬信號來表示。（2）數(shù)字數(shù)據(jù)可以用模擬信號來表示。（3）模擬數(shù)據(jù)也可以用數(shù)字信號來表示。（4）數(shù)字數(shù)據(jù)可以用數(shù)字信號來表示。

65．數(shù)據(jù)通信的長距離傳輸及信號衰減的克服

（1）模擬信號和數(shù)字信號都可以在合適的傳輸媒體上進行傳輸（2）模擬信號無論表示模擬數(shù)據(jù)還是數(shù)字數(shù)據(jù),在傳輸一定距離后都會衰減。克服的辦法是用放大器來增強信號的能量，但噪音分量也會增強，以至引起信號畸變。（3）數(shù)字信號長距離傳輸也會衰減，克服的辦法是使用中繼器，把數(shù)字信號恢復為“0、1”的標準電平后繼續(xù)傳輸。72.1.2通信方式

1．并行通信方式并行通信傳輸中有多個數(shù)據(jù)位，同時在兩個設(shè)備之間傳輸

82．串行通信方式

串行數(shù)據(jù)傳輸時，數(shù)據(jù)是一位一位在通信線路上傳輸?shù)?/p>

93．串行通信的方向性結(jié)構(gòu)

串行數(shù)據(jù)通信的方向性結(jié)構(gòu)有三種，即單工、半雙工和全雙工

（a）單工通信（c）全雙工通信（b）半雙工通信102.1.3數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的主要技術(shù)指標

1．數(shù)據(jù)傳輸速率（1）比特率比特率是指數(shù)字信號的傳輸速率，也叫信息速率，反映一個數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)每秒傳輸二進制信息的位數(shù)，單位為位/秒，記作bps或bit/s。計算公式為

S=1/T×log2N（bps）（2）波特率波特率是一種調(diào)制速率，又稱碼元速率或波形速率，指單位時間內(nèi)通過信道傳輸?shù)拇a元數(shù)，單位為波特，記作Baud。計算公式為

B=1/T(Baud)

式中，T為信號碼元的寬度，單位為秒。比特率和波特率的關(guān)系

S=B×log2N（bps）或B=S/log2N(Baud)

11波特率和比特率的區(qū)別和聯(lián)系【例2.1】采用八相調(diào)制方式，即N=8，且T=8.33×10-4秒，則S=1/T×log2N=1/（8.33×10-4）×log28=3600（bps）B=1/T=1/（8.33×10-4）=1200（Baud）122．信道容量

（1）信道容量信道容量表示一個信道的最大數(shù)據(jù)傳輸速率，單位為位/秒（bps）。（2）離散信道的容量奈奎斯特（Nyquist）無噪聲下的碼元速率極限值B與信道帶寬H的關(guān)系如下：B=2×H(Baud)

離散無噪信道的容量計算公式（即奈奎斯特公式）為

C=2×H×log2N(bps)式中H為信道的帶寬，即信道傳輸上、下限頻率的差值，單位為Hz；N為一個碼元所取的離散值個數(shù)，C為信道容量。

13信道容量的計算【例2.2】普通電話線路帶寬約3kHz，則碼元速率極限值B=2×H=2×3k=6kBaud，若碼元的離散值個數(shù)N=16，則最大數(shù)據(jù)傳輸速率C=2×3k×log216=24kbps。（3）連續(xù)信道的容量帶噪模擬信道容量公式（香農(nóng)公式）為

C=H×log2(1+S/N)(bps)

式中S為信號功率；N為噪聲功率；S/N為信噪比，通常把信噪比表示成10lg(S/N)，單位為分貝（dB）。【例2.3】已知信噪比為30dB，帶寬為3kHz，求信道的最大數(shù)據(jù)傳輸速率。因為10lg(S/N)=30所以S/N=1030/10=1000所以C=3k×log2(1+1000)≈30kbps14誤碼率誤碼率指二進制數(shù)據(jù)位傳輸時出錯的概率。它是衡量數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)在正常工作情況下的傳輸可靠性的指標。在計算機網(wǎng)絡(luò)中，一般要求誤碼率低于10-6，若誤碼率達不到這個指標，可通過差錯控制方法檢錯和糾錯。計算誤碼率的公式為

Pe=Ne/N

式中，Ne為其中出錯的位數(shù)；N為傳輸?shù)臄?shù)據(jù)總位數(shù)，Pe為誤碼率。152.2數(shù)據(jù)傳輸和編碼

2.2.1數(shù)字數(shù)據(jù)的數(shù)字傳輸

1．基帶傳輸數(shù)字數(shù)據(jù)以原來地0或1的形式原封不動地在信道上傳送，稱為基帶傳輸。在基帶傳輸中，傳輸信號的頻率可以從0到幾兆赫，要求信道有較高的頻率特性。一般的電話通信線路滿足不了這個要求，需要根據(jù)傳輸信號的特性選擇專用的傳輸線路。基帶傳輸是一種最簡單的傳輸方式，近距離通信的局域網(wǎng)都采用基帶傳輸。基帶傳輸時，需要解決的問題是數(shù)字數(shù)據(jù)的數(shù)字信號表示。16（1）數(shù)字數(shù)據(jù)的數(shù)字信號表示

（a）單極性編碼

（b）雙極性編碼

17（1）數(shù)字數(shù)據(jù)的數(shù)字信號表示（c）單極性歸零編碼（d）雙極性歸零編碼

18（2）歸零碼和不歸零碼、單極性碼

和雙極性碼的特點

不歸零碼在傳輸中難以確定一位的結(jié)束和另一位的開始，需要用某種方法使發(fā)送端和接收端之間進行定時或同步；歸零碼的脈沖較窄，根據(jù)脈沖寬度與傳輸頻帶寬度成反比的關(guān)系，因而歸零碼在信道上占用的頻帶較寬。單極性碼會積累直流分量，這樣就不能使變壓器在數(shù)據(jù)通信設(shè)備和所處環(huán)境之間提供良好絕緣的交流耦合，直流分量還會損壞連接點的表面電鍍層；雙極性碼的直流分量大大減少，這對數(shù)據(jù)傳輸是很有利的。

192．頻帶傳輸

為了利用廉價的公共電話交換網(wǎng)實現(xiàn)計算機之間的遠程通信，必須將發(fā)送端的數(shù)字信號變換成能夠在公共電話網(wǎng)上傳輸?shù)囊纛l信號，經(jīng)傳輸后再在接收端將音頻信號逆變換成對應(yīng)的數(shù)字信號

遠程系統(tǒng)中的調(diào)制解調(diào)器

數(shù)字信號的調(diào)制實際上是用基帶信號對載波波形的某些參數(shù)進行控制，而模擬信號傳輸?shù)幕A(chǔ)是載波，載波具有三大要素：幅度、頻率和相位，數(shù)字數(shù)據(jù)可以針對載波的不同要素或它們的組合進行調(diào)制。

20數(shù)字調(diào)制的基本形式

212.2.2模擬數(shù)據(jù)的數(shù)字傳輸

1．模擬數(shù)據(jù)的模擬傳輸2．模擬數(shù)據(jù)的數(shù)字傳輸模擬數(shù)據(jù)的數(shù)字傳輸是利用數(shù)字信號傳輸系統(tǒng)傳輸模擬信號。這就需要在發(fā)送端將模擬數(shù)據(jù)數(shù)字化，即需要進行模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換；在接收端再將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號，即要進行數(shù)/模（D/A）轉(zhuǎn)換。通常把A/D轉(zhuǎn)換器稱為編碼器，把D/A轉(zhuǎn)換器稱為解碼器。和調(diào)制解調(diào)器一樣，編碼器和解碼器也常在一個設(shè)備中實現(xiàn)，稱之為編碼解碼器CODEC（Code-DECode）。

22（1）脈碼調(diào)制PCM的概念

脈碼調(diào)制是以采樣定理為基礎(chǔ)，對連續(xù)變化的模擬信號進行周期性采樣，利用大于或等于有效信號最高頻率或其帶寬２倍的采樣頻率，通過低通濾波器從這些采樣中重新構(gòu)造出原始信號。采樣定理表達公式為Fs（=1/Ts）≥2Fmax

或Fs≥2Bs式中，Ts為采樣周期；Fs為采樣頻率；Fmax為原始信號的最高頻率；Bs(=Fmax-Fmin)為原始信號的帶寬。23（2）脈碼調(diào)制PCM的步驟

模擬信號數(shù)字化的過程包括三個階段，即采樣、電平量化和編碼。①采樣。每隔一段時間對模擬信號取樣，取樣所得到的數(shù)值代表原始信號值。采樣頻率越高，根據(jù)采樣值恢復原始信號的精度就越高。以采樣頻率Fs把模擬信號的值采出。②電平量化。把采樣所得到的信號幅度按A/D轉(zhuǎn)換器的量級分級并取整，使連續(xù)模擬信號變?yōu)闀r間上和幅度上都離散的離散值。③編碼。用若干位二進制組合表示已取整得到的信號幅值，將離散值變成一定位數(shù)的二進制編碼。24脈碼調(diào)制(PCM)原理

（a）采樣和電平量化（b）編碼PCM輸出為：00110110110111111101011101000001252.3數(shù)據(jù)同步方式

2.3.1位同步位同步是使接收端對每一位數(shù)據(jù)都要和發(fā)送端保持同步。實現(xiàn)位同步的方法可分為外同步法和自同步法兩種。在外同步法中，接收端的同步信號事先由發(fā)送端送來，而不是自己產(chǎn)生也不是從信號中提取出來。自同步法是指能從數(shù)據(jù)信號波形中提取同步信號的方法。典型例子就是著名的曼徹斯特編碼，常用于局域網(wǎng)傳輸。

26數(shù)字信號的同步編碼方法-曼徹斯特編碼

兩種曼徹斯特編碼是將時鐘和數(shù)據(jù)都包含在數(shù)據(jù)流中，在傳輸代碼信息的同時，也將時鐘同步信號一起傳輸?shù)綄Ψ?，每位編碼中有一跳變，不存在直流分量，因此具有自同步能力和良好的抗干擾性能。

272.3.2異步傳輸

異步傳輸也叫字符同步，每次傳送一個字符，具體做法是，每個字符的首末分別設(shè)1位起始位和1位或1.5位或2位停止位，分別表示字符的開始和結(jié)束。起始位是0，結(jié)束位是1，字符可以是5或8位，一般5位字符的停止位是1.5位，8位字符的停止位是2位。

異步傳輸方式282.3.3同步傳輸

同步傳輸也叫幀同步，是以字符塊為單位進行傳輸，一個字符塊一般有幾千個數(shù)據(jù)位。為了防止發(fā)送端和接收端失步，發(fā)送時鐘和接收時鐘必須同步。目前一般采用自同步法，

為使接收端和發(fā)送端同步，除使雙方時鐘同步外，還必須使接收端能準確判斷出數(shù)據(jù)的開始和結(jié)束，一般的做法是在數(shù)據(jù)塊前加一個一定長度的位模式，一般稱為同步信號或前文（SYN），數(shù)據(jù)結(jié)束后加上后同步信號（后文）。前文、后文加上所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息構(gòu)成了一個完整的同步傳輸方式下的數(shù)據(jù)單位，稱為幀。幀是數(shù)據(jù)鏈路層的數(shù)據(jù)傳輸單位。

292.4多路復用技術(shù)及數(shù)據(jù)交換技術(shù)

2.4.1多路復用技術(shù)

多路復用技術(shù)就是把許多個單個信號在一個信道上同時傳輸?shù)募夹g(shù)。多路復用系統(tǒng)可以將來自多個信息源的信息進行合并，然后將這一合成的信息群經(jīng)單一的線路和傳輸設(shè)備進行傳輸。在接收端，則設(shè)有能將信息群分離成單個信息的設(shè)備，因此，只用一套發(fā)送裝置和接收裝置就能替代多個設(shè)備，如圖所示。

30常用的多路復用技術(shù)

主要有四種形式：頻分多路復用（FrequencyDivisionMultiplexing，F(xiàn)DM）、時分多路復用（TimeDivisionMultiplexing，TDM）、波分多路復用（WavelengthDivisionMultiplexing，WDM）碼分多路復用（CodeDivisionMultiplexing，CDM）。311．頻分多路復用（FDM）技術(shù)

在物理信道的可用帶寬超過單個原始信號所需帶寬情況下，可將該物理信道的總帶寬分割成若干個與傳輸單個信號帶寬相同(或略寬)的子信道，每個子信道傳輸一路信號，這就是頻分多路復用。

頻分多路復用

322．時分多路復用（TDM）技術(shù)

若媒體能達到的位傳輸速率超過傳輸數(shù)據(jù)所需的數(shù)據(jù)傳輸速率，可采用時分多路復用技術(shù)，即將一條物理信道按時間分成若干個時間片輪流地分配給多個信號使用。每一時間片由復用的一個信號占用，這樣，利用每個信號在時間上的交叉，就可以在一條物理信道上傳輸多個數(shù)字信號。時分多路復用不僅局限于傳輸數(shù)字信號，也可同時交叉?zhèn)鬏斈M信號。TDM又分為同步時分復用（SynchronousDivisionMultiplexing，STDM）異步時分復用（AsynchronousDivisionMultiplexing，ATDM）

33（1）同步時分多路復用

同步時分復用采用固定時間片分配方式，即將傳輸信號的時間按特定長度連續(xù)地劃分成特定時間段（一個周期），再將每個時間段劃分成等長度的多個時隙，每個時隙以固定的方式分配給各路信號，各路信號在每一時間段都順序分配到一個時隙

由于在同步時分復用方式中，時隙預(yù)先分配且固定不變，無論時隙擁有者是否傳輸數(shù)據(jù)都有一定時隙，這就造成時隙浪費，其時隙的利用率很低，為了克服STDM的缺點，引入了異步時分復用技術(shù)34（2）異步時分多路復用

異步時分多路復用又稱統(tǒng)計時分復用技術(shù)，它能動態(tài)地按需分配時隙，以避免每個時間段中出現(xiàn)空閑時隙。ATDM就是只有當某一路用戶有數(shù)據(jù)要發(fā)送時才把時隙分配給它；當用戶暫停發(fā)送數(shù)據(jù)時，則不給它分配時隙。電路的空閑可用于其他用戶的數(shù)據(jù)傳輸

異步時分多路復用

353．波分多路復用

波分多路復用在概念上與頻分多路復用相似，因此也稱其為光的頻分復用。所不同的是波分多路復用技術(shù)應(yīng)用于全光纖組成的網(wǎng)絡(luò)中，傳輸?shù)氖枪庑盘枺凑展獾牟ㄩL區(qū)分信號。WDM技術(shù)的工作原理如圖所示波分多路復用364．碼分多路復用

碼分多路復用也是一種共享信道的方法，每個用戶可在同一時間使用同樣的頻帶進行通信，但使用的是基于碼型的分割信道的方法，即每個用戶分配一個地址碼，各個碼型互不重疊，通信各方之間不會互相干擾，且抗干擾能力強。372.4.2數(shù)據(jù)交換技術(shù)

按數(shù)據(jù)傳送技術(shù)劃分，交換網(wǎng)絡(luò)又可分為電路交換網(wǎng)報文交換網(wǎng)報文分組交換網(wǎng)

381．電路交換電路交換就像電話系統(tǒng)一樣，在通信期間，發(fā)送方和接受方之間一直保持一條專用的物理通路，而通路中間經(jīng)過了若干節(jié)點的轉(zhuǎn)接電路交換的通信過程包括3個階段：電路建立數(shù)據(jù)傳輸電路拆除39（1）電路建立

在傳輸任何數(shù)據(jù)之前，要先經(jīng)過呼叫過程建立一條專用的物理通路。若A站要與D站傳輸數(shù)據(jù)，需要在A～D之間建立一條物理連接。具體的方法是：站點A向節(jié)點1發(fā)出欲與站點D連接的請求，由于站點A與節(jié)點1已有直接連接，因此不必再建立連接。需要做的是在節(jié)點1到節(jié)點4之間建立一條專用線路。從圖中我們可以看到，從1到4的通路由多條，比如1-2-3-4，1-6-5-4，1-6-3-4和1-2-5-4等，這時就需要根據(jù)一定的路由選擇算法，從中選擇一條，如1-6-3-4。節(jié)點4再利用直接連接與站點D連通。至此就完成了A～D之間的線路建立。

40（2）數(shù)據(jù)傳輸

電路1-6-3-4建立以后，數(shù)據(jù)就可以從站點A傳輸?shù)秸军cD。數(shù)據(jù)既可以是數(shù)字數(shù)據(jù)，也可以是模擬數(shù)據(jù)，在整個數(shù)據(jù)傳輸過程中，所建立的電路必須始終保持連接狀態(tài)。（3）電路拆除數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束后，由某一方（A或D）發(fā)出拆除請求，然后逐節(jié)拆除到對方節(jié)點。就像電話系統(tǒng)中，通話雙方的任何一方都可以先掛機。

41電路交換技術(shù)的優(yōu)缺點及其特點

①優(yōu)點：數(shù)據(jù)傳輸可靠、迅速，數(shù)據(jù)不會丟失且保持原來的順序。②缺點：在某些情況下，電路空閑時的信道容易被浪費，在短時間數(shù)據(jù)傳輸時電路建立和拆除所用的時間得不償失。因此，它適用于系統(tǒng)間要求高質(zhì)量的大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)那闆r。③特點：在數(shù)據(jù)傳送開始之前必須先設(shè)置一條專用的通路。在線路釋放之前，該通路由一對用戶完全占用。對于猝發(fā)式的通信，電路交換效率不高。

42報文交換的原理和特點1）報文交換原理報文交換方式的數(shù)據(jù)傳輸單位是報文，報文就是站點一次性要發(fā)送的數(shù)據(jù)塊，其長度不限且可變。當一個站要發(fā)送報文時，它將一個目的地址附加到報文上，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點根據(jù)報文上的目的地址信息，把報文發(fā)送到下一個節(jié)點，一直逐個節(jié)點地轉(zhuǎn)送到目的節(jié)點。每個節(jié)點在收到整個報文并檢查無誤后，就暫存這個報文，然后利用路由信息找出下一個節(jié)點的地址，再把整個報文傳送給下一個節(jié)點。因此，端與端之間無需先通過呼叫建立連接。2）報文交換的特點①報文從源點傳送到目的地采用“存儲—轉(zhuǎn)發(fā)”方式，在傳送報文時，一個時刻僅占用一段通道。②在交換節(jié)點中需要緩沖存儲，報文需要排隊，故報文交換不能滿足實時通信的要求。

43報文交換的優(yōu)缺點3）報文交換的優(yōu)點①電路利用率高。由于許多報文可以分時共享兩個節(jié)點之間的通道，所以對于同樣的通信量來說，對電路的傳輸能力要求較低。②在電路交換網(wǎng)絡(luò)上，當通信量變得很大時，就不能接受新的呼叫。而在報文交換網(wǎng)絡(luò)上，通信量大時仍然可以接收報文，不過傳送延遲會增加。③報文交換系統(tǒng)可以把一個報文發(fā)送到多個目的地，而電路交換網(wǎng)絡(luò)很難做到這一點。④報文交換網(wǎng)絡(luò)可以進行速度和代碼的轉(zhuǎn)換。4）報文交換的缺點①不能滿足實時或交互式的通信要求，報文經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)的延遲時間長且不定。②有時節(jié)點收到過多的數(shù)據(jù)而無空間存儲或不能及時轉(zhuǎn)發(fā)時，就不得不丟棄報文，而且發(fā)出的報文不按順序到達目的地。

443．報文分組交換

報文分組交換是報文交換的一種改進，它將報文分成若干個分組，每個分組的長度有一個上限，有限長度的分組使得每個節(jié)點所需的存儲能力降低了，分組可以存儲到內(nèi)存中，提高了交換速度。它適用于交互式通信，如終端與主機通信。分組交換有虛電路分組交換和數(shù)據(jù)報分組交換兩種。它是計算機網(wǎng)絡(luò)中使用最廣泛的一種交換技術(shù)。45（1）虛電路分組交換

在虛電路分組交換中，為了進行數(shù)據(jù)傳輸，網(wǎng)絡(luò)的源節(jié)點和目的節(jié)點之間要先建一條邏輯通路。每個分組除了包含數(shù)據(jù)之外還包含一個虛電路標識符。在預(yù)先建好的路徑上的每個節(jié)點都知道把這些分組引導到哪里去，不再需要路由選擇判定。最后，由某一個站用清除請求分組來結(jié)束這次連接。它之所以是“虛”的，是因為這條電