第2章数据通信基础1-计算机网络及通信课件.ppt
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- 数据通信 基础 计算机网络 通信 课件
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1、1第第2章章 数据通信的基础知识数据通信的基础知识v本章内容数据通信系统数据通信系统基本概念基本概念传输介质传输介质数据编码数据编码多路复用技术多路复用技术数据交换技术数据交换技术差错控制差错控制数据通信性能指标数据通信性能指标2第一节 数据通信系统教学目标教学目标 v了解数据通信系统的构成了解数据通信系统的构成v掌握数据通信的基本概念和常用术语、主要技术指标掌握数据通信的基本概念和常用术语、主要技术指标和通信方式和通信方式 重点重点/难点难点:v数据通信的常用术语和主要技术指标数据通信的常用术语和主要技术指标31.1数据通信系统数据通信系统v源系统源系统源点:源点设备产生通信网络要传输的数据
2、。发送器:通常源点生成的数据要通过发送器编码后才能够在传输系统中进行传输。v目的系统目的系统 接收器:接收传输系统传送过来的信号,并将其转换为能够被目的设备处理的信息。终点:终点设备从接收器获取传送来的信息。v传输系统传输系统可以是简单的物理通信线路也可以是连接源系统和目的系统之间的复杂网络设备噪声噪声信源信源发送器发送器信道信道接收器接收器信宿信宿源系统源系统目的系统目的系统4数据通信的基本过程数据通信的基本过程v5个阶段个阶段v包含两项内容:包含两项内容:数据传输数据传输和和通信控制通信控制 过程过程 与打电话比较与打电话比较建立物理连接建立物理连接 拨号,拨通对方拨号,拨通对方 建立逻辑
3、连接建立逻辑连接 互相确认身份互相确认身份数据传输数据传输 互相通话互相通话断开逻辑连接断开逻辑连接 互相确认要结束通话互相确认要结束通话断开物理连接断开物理连接 双方挂机双方挂机*注意,并不是所有的数据通信都需要全部5个阶段。51.2基本概念基本概念v数据与信号数据与信号v信道信道v通信方式通信方式v传输方式传输方式v同步方式同步方式61.2.1数据与信号数据与信号v数据(数据(Data)传递(携带)信息的实体。传递(携带)信息的实体。v信息(信息(Information)数据的内容或解释。数据的内容或解释。v信号(信号(Signal)数据的物理量编码(通常为电编码),数据以信号的形式在数据
4、的物理量编码(通常为电编码),数据以信号的形式在介质中传播介质中传播7v模拟信号模拟信号时间上连续,包含无穷多个信号值时间上连续,包含无穷多个信号值v数字信号数字信号时间上离散,仅包含有限数目的信号值。最常时间上离散,仅包含有限数目的信号值。最常见的是二值信号见的是二值信号ta) 模拟信号tb) 数字信号8v信息编码信息编码:将信息用二进制数表示的方法将信息用二进制数表示的方法例如:例如:ASCII编码、编码、BCD编码等编码等v数据编码数据编码:将数据用物理量表示的方法:将数据用物理量表示的方法例如:字符例如:字符“A”的的ASCII编码为编码为01000001,其,其数据编码可能为数据编码
5、可能为01000001t9v信息通过数据通信系统进行传输的过程信息通过数据通信系统进行传输的过程把携带把携带信息信息的的数据数据用物理用物理信号信号形式通过信道传送到目的地形式通过信道传送到目的地v信息和数据(二进制位)不能直接在信道上传输信息和数据(二进制位)不能直接在信道上传输编码编码:数据:数据适合传输的数字信号适合传输的数字信号便于同步、识别、纠错便于同步、识别、纠错调制调制:数字信号:数字信号适合传输的形式适合传输的形式按频率、幅度、相位按频率、幅度、相位解调解调:接收波形:接收波形数字信号数字信号解码解码:数字信号:数字信号原始数据原始数据信息信息数据数据信号信号在信道上传输在信道
6、上传输信号信号数据数据信息信息数据编码数据编码调制调制解调解调数据解码数据解码01000001“A”01000001“A”信道信道信息编码信息编码信息解码信息解码10v不同类型的信号在不同类型的信道上传输不同类型的信号在不同类型的信道上传输有有4种情况:种情况:数据数据:模拟数据:模拟数据 数字数据数字数据信号信号:模拟信号:模拟信号 数字信号数字信号 信道信道:模拟信道:模拟信道 数字信道数字信道11v模拟传输和数字传输所使用的技术模拟传输和数字传输所使用的技术语音语音移频移频,调制调制模拟模拟数字数字模拟模拟模拟模拟PCM编码编码数字数字数字数字数字编码数字编码数字数字模拟数据,模拟信号模
7、拟数据,模拟信号数字数据,模拟信号数字数据,模拟信号数字数据,数字信号数字数据,数字信号模拟数据,数字信号模拟数据,数字信号10101010调制调制12v编码与调制的区别编码与调制的区别编码编码:用数字信号承载数字或模拟数据:用数字信号承载数字或模拟数据调制调制:用模拟信号承载数字或模拟数据:用模拟信号承载数字或模拟数据EncoderDecoder数字或数字或模拟数据模拟数据x(t)g(t)数字或数字或模拟数据模拟数据发送方发送方接收方接收方g(t)编码编码解码解码13数字或数字或模拟数据模拟数据ModulatorDemodulator数字或数字或模拟数据模拟数据g(t)s(t)g(t)载波发
8、送方发送方接收方接收方调制调制解调制解调制141.2.2 信道信道v信道(信道(Channel):传送信息的线路(或通:传送信息的线路(或通路)路)v数字信道数字信道:以数字脉冲形式(离散信号)传:以数字脉冲形式(离散信号)传输数据的信道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、局域网v模拟信道模拟信道:以连续模拟信号形式传输数据的:以连续模拟信号形式传输数据的信道信道CATV、无线电广播、电话拨号线路、无线电广播、电话拨号线路15v数字通信与模拟通信数字通信与模拟通信数字通信数字通信v在数字信道上实
9、现模拟信息或数字信息的传输在数字信道上实现模拟信息或数字信息的传输模拟通信模拟通信v在模拟信道上实现模拟信息或数字信息的传输在模拟信道上实现模拟信息或数字信息的传输v数字通信的优点数字通信的优点抗噪声(干扰)能力强抗噪声(干扰)能力强可以控制差错,提高了传输质量可以控制差错,提高了传输质量便于用计算机进行处理便于用计算机进行处理易于加密、保密性强易于加密、保密性强可以传输语音、数据、影像,通用、灵活可以传输语音、数据、影像,通用、灵活v计算机通信仅在不得已的情况下,才会采用模拟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。通信,如通过电话线拨号上网。161.2.3 通信
10、方式通信方式v单工单工数据单向传输数据单向传输(例:无线电广播)(例:无线电广播)v半双工半双工数据可以双向交替传输,但不能在同一时刻双向数据可以双向交替传输,但不能在同一时刻双向传输传输(例:对讲机)(例:对讲机)v全双工全双工数据可以双向同时传输数据可以双向同时传输(例:电话)(例:电话)需要具有两条物理上独立的传输线路;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。不同方向的信号传输。17发送器发送器接收器接收器发送器发送器/接收器接收器发送器发送器/接收器接收器发送器发送器/接收器接收器
11、发送器发送器/接收器接收器单工方式:单工方式:半双工方式:半双工方式:全双工方式:全双工方式:A站站B站站可同时不可同时18v基带传输基带传输:不需调制,编码后的数字脉冲:不需调制,编码后的数字脉冲信号直接在信道上传送。信号直接在信道上传送。例如:以太网(局域网)例如:以太网(局域网)v频带传输频带传输:数字信号调制成音频模拟信号:数字信号调制成音频模拟信号后再传送,接收方需要解调。后再传送,接收方需要解调。例如:通过电话网络传输数据例如:通过电话网络传输数据v宽带传输宽带传输:把信号调制成频带为几十:把信号调制成频带为几十MHZ到几百到几百MHZ的模拟信号后再传送,接收方的模拟信号后再传送,
12、接收方需要解调。需要解调。例如:闭路电视的信号传输例如:闭路电视的信号传输1.2.4 传输方式传输方式19第二节第二节 数据传输介质数据传输介质教学目标教学目标 v了解数据传输介质的概念及分类了解数据传输介质的概念及分类 v了解网络中常用的传输介质了解网络中常用的传输介质重点重点/难点:难点:v双绞线和光纤的特点及应用双绞线和光纤的特点及应用202.2 传输介质传输介质l磁介质磁介质高带宽、低费用、高带宽、低费用、高延时(小时)高延时(小时) 在通信中很少使在通信中很少使用用l金属导体金属导体双绞线、双绞线、 同轴电缆同轴电缆(粗、细粗、细)l光纤光纤l无线介质无线介质无线电、微波、卫星、红外
13、线无线电、微波、卫星、红外线21v同轴电缆同轴电缆(Coaxial Cable,CC)计算机网络中使用基带同轴电缆计算机网络中使用基带同轴电缆v阻抗50,有粗同轴和细同轴两种应用:总线局域网(以太网)应用:总线局域网(以太网)性能:性能:10Mb/s,500m/185m铜芯铜芯绝缘层绝缘层外导体外导体屏蔽层屏蔽层保护套保护套22v双绞线双绞线(Twist Pair,TP)螺旋绞合的双导线螺旋绞合的双导线每根每根4对、对、25对、对、1800对对典型连接距离典型连接距离100m(LAN)RJ45插座、插头插座、插头优缺点:优缺点: 成本低成本低 组装密度高、节省空间组装密度高、节省空间 安装容易
14、(综合布线系统)安装容易(综合布线系统) 平衡传输(高速率)平衡传输(高速率) 抗干扰性一般抗干扰性一般 连接距离短连接距离短应用领域:电话网络、计算机局域网应用领域:电话网络、计算机局域网内导体芯线内导体芯线绝缘绝缘内屏蔽内屏蔽外屏蔽外屏蔽外套外套23屏蔽双绞线屏蔽双绞线(STP) 非屏蔽双绞线非屏蔽双绞线(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:常用的双绞线:3类(类(16Mb/s) 和和5类(类(155Mb/s)两种)两种24v双绞线的连接标准色彩标记和连接方法:交叉线:交换机交换机、PC-PC、HUB-HUB(标准端口)直连线:PC/路由
15、器交换机/HUB、HUB-HUB(级连端口)线对线对色彩码色彩码1白蓝,蓝白蓝,蓝2白橙,橙白橙,橙3白绿,绿白绿,绿4白棕,棕白棕,棕12345678123456781234567812345678交叉线交叉线EIA-568B直连线直连线EIA-568A25v光纤光纤(Optical Fiber,OF)依靠光波承载数据,光脉冲在玻璃纤维中传播依靠光波承载数据,光脉冲在玻璃纤维中传播优缺点:优缺点:v传输带宽高:传输带宽高:仅受光电转换器件的限制(仅受光电转换器件的限制(100Gb/s)v传输损耗小,适合长距离传输传输损耗小,适合长距离传输v抗干扰性能极好、误码率低、保密性好抗干扰性能极好、误
16、码率低、保密性好v轻便轻便v价格较高价格较高v需要光电转换需要光电转换纤芯材料:纤芯材料:v塑料塑料v二氧化硅二氧化硅 (高纯玻璃)(高纯玻璃)26v多模光纤多模光纤(MMF)v单模光纤单模光纤(SMF):光纤的直径光纤的直径接近接近一个光波波长一个光波波长多束光线以不同的反射角传播多束光线以不同的反射角传播激光器包层,折射率低纤芯,折射率高亮度调制光检波器激光器光检波器单束光线沿直线传播单束光线沿直线传播27v无线介质无线介质(信号在大气或外层空间自由传播)信号在大气或外层空间自由传播)使用电磁波或光波携带信息使用电磁波或光波携带信息优缺点:优缺点:v无需物理连接v适用于长距离或不便布线的场
17、合v易受干扰v反射,为障碍物所阻隔主要类型主要类型:v无线电、地面微波v通信卫星v红外线28v微波通信微波通信通过地面站之间接力传送通过地面站之间接力传送接力站之间距离:接力站之间距离:50 100 km速率:每信道速率:每信道 45 Mb/s地面站之间的直视线路地面站之间的直视线路 微波传送塔微波传送塔29v地球同步卫星地球同步卫星与地面站相对固定位置使用三颗卫星即可覆盖全球传输延迟时间长(270ms)广播式传输应用领域:v电视传输v长途电话v专用网络v广域网35,784km地球地球30v激光将激光束调制成光脉冲传输数据 特点:v激光的频率更高,可获得更高的带宽v激光束的方向性好,不受电磁干
18、扰的影响,不怕偷听 v受天气影响v只能在短距离通信中使用 31v红外线红外线红外传输系统利用墙壁或屋顶反射红外线从而形成整个房间内的广播通信系统 v特点:红外通信的设备相对便宜,可获得较高的带宽传输距离有限,而且易受室内空气状态(例如有烟雾等)的影响 32v短波无线电短波无线电基站与终端之间通信采用无线链路应用领域:移动通信、无线局域网(WLAN)BS基站覆盖的无线电区域基站覆盖的无线电区域BS基站基站 用户计算机和终端用户计算机和终端33v常用传输常用传输介质介质的比较的比较传输介质传输介质传输方式传输方式速率速率/工作频带工作频带传输距离传输距离性能性能价格价格应用应用双绞线双绞线宽带宽带
19、基带基带1Gb/s模拟模拟: 10km数字数字: 500m较好较好低低模拟模拟/数字数字信号传输信号传输50同轴电缆同轴电缆基带基带10Mb/s3km较好较好较低较低基带数字信基带数字信号号75同轴电缆同轴电缆宽带宽带450MHz100km较好较好较低较低模拟电视、模拟电视、数据及音频数据及音频光纤光纤基带基带40Gb/s20km以上以上很好很好较高较高远距离高速远距离高速数据传输数据传输微波微波宽带宽带46GHz几百几百km好好中等中等远程通信远程通信卫星卫星宽带宽带110GHz18000km很好很好高高远程通信远程通信34第三节 数据编码与传输技术教学目标教学目标 v了解数据通信的编码与传
20、输方式了解数据通信的编码与传输方式v掌握数据通信的基本概念和常用术语、主要技术指标掌握数据通信的基本概念和常用术语、主要技术指标和通信方式和通信方式 重点重点/难点难点:v数据通信的常用术语和主要技术指标数据通信的常用术语和主要技术指标352.3数据编码数据编码v数字数据的数字信号编码数字数据的数字信号编码使数字数据能在数字信道上传输使数字数据能在数字信道上传输v数字数据的调制编码数字数据的调制编码使数字数据能在模拟信道上传输使数字数据能在模拟信道上传输v模拟信号的数字编码模拟信号的数字编码使模拟数据能在数字信道上传输使模拟数据能在数字信道上传输361. 数字数据的数字信号编码数字数据的数字信
21、号编码v不归零码(不归零码(Non-Return to Zero, NRZ )v曼彻斯特编码(曼彻斯特编码(Manchester Coding)用电压的变化表示用电压的变化表示0和和1。v规定在规定在每个码元的中间发生跳变每个码元的中间发生跳变v高高低的跳变代表低的跳变代表0,低,低高的跳变代表高的跳变代表1每个码元中间都要发生跳变,接收端可将此变化提取出来作为同每个码元中间都要发生跳变,接收端可将此变化提取出来作为同步信号。这种步信号。这种编码也称为自同步码(编码也称为自同步码(Self-Synchronizing Code)。)。缺点:需要双倍的传输带宽(即信号速率是数据速率的缺点:需要双
22、倍的传输带宽(即信号速率是数据速率的2倍)。倍)。v差分曼彻斯特编码(差分曼彻斯特编码(Differential Manchester Coding,DMC)每个码元的中间每个码元的中间仍要发生跳变。仍要发生跳变。用用码元开始处码元开始处有无跳变来表示有无跳变来表示0和和1 ,有跳变代表,有跳变代表0,无跳变代表,无跳变代表1。37v三种数字编码的波形图三种数字编码的波形图382. 数字数据的调制数字数据的调制v三种常用的调制技术三种常用的调制技术:幅移键控ASK (Amplitude Shift Keying)频移键控FSK (Frequency Shift Keying)相移键控PSK (
23、Phase Shift Keying)v原理:用数字信号对载波的不同参量进行调制。原理:用数字信号对载波的不同参量进行调制。 载波信号载波信号 S(t) = Acos( t+ ) vS(t)的参量包括:的参量包括: 幅度幅度A、频率频率 、初相位初相位 调制就是要使调制就是要使A、 或或 随数字基带信号的变化而变化随数字基带信号的变化而变化39ASK:用载波的两个不同振幅表示:用载波的两个不同振幅表示0和和1FSK:用载波的两个不同频率表示:用载波的两个不同频率表示0和和1PSK:用载波的起始相位的变化表示:用载波的起始相位的变化表示0和和1403. 模拟数据的数字信号编码模拟数据的数字信号编
24、码vPCM编码:编码:采样采样:按一定间隔对语音信号进行采样:按一定间隔对语音信号进行采样量化量化:把每个样本舍入到最接近的量化级别上:把每个样本舍入到最接近的量化级别上编码编码:对每个舍入后的样本进行编码:对每个舍入后的样本进行编码编码后的信号称为编码后的信号称为PCM信号(信号( Pulse Coded Modulation,脉码调制)。,脉码调制)。41PCM的工作原理v脉冲编码调制包括三部分:采样采样、量化量化和编码编码。采样v每隔一定的时间间隔,采集模拟信号的瞬时电平值做为样本,表示模拟数据在某一区间随时间变化的值。量化v量化是将取样样本幅度按量化级决定取值的过程。v量化级可以分为8
25、级、16级,或者更多的量化级,这取决于系统的精确度要求。编码v编码是用相应位数的二进制代码表示量化后的采样样本的量级。42PCM编码过程举例432.4 多路复用技术多路复用技术v多路复用多路复用:多个信息源共享一个公共信道:多个信息源共享一个公共信道v为何要复用?为何要复用?提高线路利用率提高线路利用率适用场合:当信道的传输能力大于每个信源的平均传适用场合:当信道的传输能力大于每个信源的平均传输需求时输需求时v类比:公共运输系统(铁路、海运、航空)类比:公共运输系统(铁路、海运、航空)DEMUX复用器复用器解复用器解复用器共享信道共享信道MUX信信源源信信宿宿44v复用的基本思想:复用的基本思
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