单元2 网络数据通信基础

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单元2 网络数据通信基础

2-1-1   数据通信的基本概念
信息( Information)是人们对现实世界事物存在方式或运动状态的某种认识，它反映了客观事物存在的形式和运动状态。
数据(Data)是把事件的某些属性规范化后的表现形式，一般可以理解为“信息的数字化形式”或“数字化的信息形式”。数据能被识别，也可以被描述。例如数字数据、文本数据、图像数据等。
信号(Signal)是数据的具体物理表现，具有确定的物理描述。
根据信号使用的特性参数的不同，信号可分为模拟信号和数字信号。　　
① 模拟信号：当通信中的数据用连续载波表示时，就称为模拟信号。
②数字信号：当通信中的数据用离散的电信号表示时，就称为数字信号。
 

 

 信息一般用数据表示而数据通常需要转换成信号传输

 

2-1-2    数据在网络通信中的形式

频带传输也称为模拟传输， 指将数字信号变换成一定频率范围内的模拟信号， 在频率为相应范围的信道内传送的方式。随着传输距离的延长， 多级放大器的串联引起失真的叠加，从而使信号的失真越来越严重，为保证传输质量，必须限制传输距离。

基带传输也称为数字传输，即传输信道上传输的是数字信号。

数字通信的主要优点如下:　

 

1.抗干扰能力强

2.便于加密，有利于实现保密通信。

 3.易于实现集成化，使通信设备体积小、功耗低。

4.数字信号便于存储、处理、交换等。

 

(1) 曼彻斯特编码

曼彻斯特编码技术常用于局域网传输，它的编码方式是将每个码元再分成两个相等的间隔。码元1是前一个间隔为高电平而后一个间隔为低电平。码元0 .则正好相反，从低电平到高电平变化。

（2）差分曼彻特编码

这种编码技术在每个码元持续时间的中间仍有一次电平的跳变，但这种跳变仅作为时钟信号。无跳变是1，有跳变是0

 数字信号与模拟信号之间的相互转化，是通过调制与解调的技术来实现的，调制是将数字信号转换为模拟信号的过程。调节是指从模拟信号道上接受的载波信号还原成数字信息。
最基本的数字信号到模拟信号的调制方式有以下三种:
1.幅移键控方式:载波的振幅随基带数字信号变化而变化。例如，零对应与无载波输出，一对应有载波输出。
2.频移键控方式:载波的频率随机带数字信号的变化而变化。例如，零对应与相对较低的频率，一对应相对较高的频率。
3.相移键控方式:载波的初始相位随基带数字信号的变化而变化。例如，零对应于相位零度而一对应于相位180度。

 2-1-3  数据通信的传输过程
1.通信数据模型
通信系统是用来实现通信过程的系统，其包括信源、信道、变换器、反变换器、信宿等基本部分

 其中信源、信道和信宿是该模型的三要素
信源是信息产生的发源地，既可以是人，也可以是计算机或其他终端设备
信道是信息传输过程中承载信息的传输媒体
信宿是接受信息的目的地
在计算机或者终端设备作为信源和信宿使用，通信线路和必要的通信转接设备则构成了通信信道
2.数据通信方式

 ①单工通信:无论什么时候，信号总是沿着一个方向传送，即信道传输方向是固定不变的

②半双工通信:在不同时刻，信号可以沿着相反的两个方向传送，但同一时刻只能沿着一个方向传送（对讲机，步话机）

③全双工通信:信号可同时沿着相反两个方向传送（电话机）

3.异步传输和同步传输

数据通信的基本方式可分为并行通信和串行通信两种

⒈并行通信:利用多条数据传输线将一个数据的多个位同时传送。特点是传输速度快，但通信线路复杂，成本高，适合短距离通信

⒉串行通信:利用一天数据线将数据一位位的顺序传送。特点是传输速度慢，但通信线路简单，成本低，适用于远距离通信

异步传输方式
发送端将每字节作为一个单元独立传输，字节与字节之间的传输间隔任意。为了标识字节的开始和结尾， 在每个字节的开始处加 1位起始位， 结尾处加1位、1.5位或2位停止位，构成一个个“字符”。这里的“字符”是指异步传输的数据单元， 不同于“字节”， 一般略大于一个字节。
因为发送一个字符的时间间隔是任意的，因此异步传输存在一个潜在的问题，即接收方并不知道数据会在什么时候到达。在它检测到数据并做出响应之前， 第一位已经过去了。

因此，每次异步传输的信息都以一个起始位开头，它通知接收方数据已经到达了，这就给了接收方响应、接收和缓存数据比特的时间；在传输结束时，停止位表示该次传输信息的终止。按照惯例，空闲(没有传送数据)的线路实际上总是携带着一个代表二进制 1的信号，异步传输的开始位使信号变成0，其他的位使信号随传输的数据信息而变化。最后，停止位使信号重新变回 1，该信号一直保持到下一个开始位到达。

⑵同步传输方式
同步传输不是对每个字符单独进行同步，而是对一个较长的数据块进行同步。同步的方法不是加一位起始/停止位，而是在数据块前面加特殊模式的位组合（如01111110，称为位同步）或同步字符（SYN，代码为0010110，称为字符同步）并且通过位填充或字符填充技术保证数据块中的数据不会与同步字符混淆

当不传送信息代码时，线路上传送的全是1信号或其他特定代码，在传输开始时，用同步位组合或同步字符是收发双方进入同步。接收端在搜索到两个或两个以上同步位组合或同步字符时就开始接收信息，在接收的过程中，同时检测是否出现带有结束标识的同步信息。

 

2.2 数据通信的性能和差错控制
2.2.1 数据通信的性能指标
1. 调制速率与信息传输速率
(1) 调制速率
调制速率也称为信号传输速率或波特率，指的是数字信号经过调制以后的传输速率， 或者说是调制过程中每秒钟信号状态变化的次数， 即单位时间内传输的波形数(或称每秒钟发送的码元数)， 单位为 Baud， 又称波特，简记为 B。波特率（码元速率：每秒传送的码元数 ）的计算公式为：B=1/T
其中，T 表示单位脉冲宽度。

一个离散值为一个码元
(2) 信息传输速率
信息传输速率又称为比特率，指每秒钟能传输多少位数据，它以位/秒为单位，简记为bit/s。信息传输速率的计算公式为
S = 1/T ( log₂N)
其中， N 表示数字信号有效状态个数。
由公式可以看出，信息传输速率与调制速率有一定的关系， 这种关系可通过码元与信息量的关系来描述。
(3) 码元和信息量
数字信号由码元组成，码元是承载信息的基本信号单位。例如， 利用脉冲言号表示数据时，一个单位脉冲就是一码元。
在数字传输中，通常利用码元的某些特征来携带数据信息，这些特征的不组合称为码元的不同状态，每种状态用来表示一个数。
一码元的信息量是由码元所能表示的数据有效状态值个数决定的，若一码元0、1 两种有效状态值， 则一码元能携带1比特的信息量， 此时，比特率S=波特率 B(是指其值相等); 若一码元有 00、01、10、11 四个有效状态值, 则一码元能携带2比特的信息量，此时，比特率＝2×波特率B（log₂N，“N”有效状态数）

 由于码元的传输速率受到限制，所以要提高信息的传输速率，就必须打印使每个码元能携带更多的信息量，这往往需要采用多元制的调制方法。例文采用16元制调制， 一码元就可携带4比特信息，S=4B
2.带宽和信道容量 （数字通信系统最大的信息速率）
带宽是指任何实际的模拟信道所能传输的信号频率都有一定的范围， 也以表示为在某个给定的时间内通过某个网络连接的信息量。
信道的带宽是有限的，无论采用何种传输介质组建网络，传输信息的网络容量都是有范围限制的。这是因为传输介质的物理特性和在介质上传输信息和使用的技术都限制了网络的带宽。
信道的最大数据传输速率要受信道带宽的制约，对于这个问题，奈奎斯特和香农先后展开了研究，并从不同角度在不同的条件下给出了两个著名的公式奈奎斯特公式和香农公式。
(1)奈奎斯特公式
奈奎斯特公式给出了信道上没有热噪声(热噪声是指由于信道中分子热运动引起的噪声）时信道带宽对最大数据传输速率（单位是bit/s）的限制，具体为：
最大数据传输速率C=2Hlog₂L
其中， H是信道带宽(单位是Hz)， 而L表示某给定时刻数字信号可能取的离散值的个数(即码元的有效状态值个数)。
(2) 香农公式
香农则主要研究了受热噪声干扰的信道情况，热噪声以信号功率与噪声功率之比来度量，这个比值叫作信噪比。如果用S表示信号功率， N表示噪声功率，则信噪比为S/N。通常人们并不直接使用信噪比本身这个指标，而是使用10log₁₀(S/N),其单位为分贝(dB)。
香农关于噪声信道的主要结论是： 任何带宽为H(Hz)， 信噪比为S/N的信道，其最大数据传输速率为
C=Hlog2⁡(1+S/N)bit/s
提示： 注意上面两个公式所计算的都只是理想情况下数据速率的上界，在实际应用中是不可能达到的

3.误码率和误比特率
(1)误码率
误码率是在通信系统中衡量系统传输可靠性的指标，它的定义是二进制码元在传输过程中被传错的概率。从统计的理论讲，当所传送的数字序列无限长时， 误码率为
Pe= Ne/N
其中， N 表示传输的二进制码元总数， Ne表示被传错的码元数。

要求误码率最大不能超过10⁻⁶,即1,000,000个出错。
(2)误比特率
又称误信率， Pb=错误的比特数/传输的总比特数。

2.2.2多路复用技术

1.频分多路复用

 若某模拟信道提供的可用带宽超过单个原始信号所需带宽，可将该物理信息道的总带宽分割成若干个带宽与传输单个信号带宽相同(或略宽)的子信，每个子信道用于传输一路信号，这就是频分多路复用技术。

多路原始信号在频分复用前，先要通过频谱搬移技术将各路信号的频，移到物理信道频谱的不同段上，使各信号的带宽相互不重叠，然后用不同率调制每一个信号，每个信号要以它的载波频率为中心， 占用一定的带宽带宽范围称为一个通道，各通道间通常用保护频带隔离，以保证各路信号带间不发生重叠；在接收端用适当的滤波器将多路信号分开，分别进行解终端处理,这就是频分多路复用(Frequency Division Multiplexing  FDM)

频分多路复用技术在无线电广播、有线电视系统中应用非常广泛

2.时分多路复用

时分多路复用( Time Division Multiplexing, TDM ), 是将一条物理信道按时间分成若干个时隙，轮流地分配给多个信号使用。从性质上看， 时分多路复用特别适合于数字信号的传输，划分出的每一时隙由复用的一个信号占用，这样就可以在一条物理信道上传输多路数字信号。
通过时分多路复用技术，多路低速数字信号可复用一条高数据速率的信道。例如，数据速率为 48kbit/s的信道可供5路速率为9600bit/s的信号时分复用，也可供20路速率为2400bit/s的信号时分多路复用。
TDM 是将传输时间划分为许多个短的、互不重叠的时隙，然后将若干个时隙组成时分复用帧，用每个时分复用帧中某一固定序号的时隙组成一个子信道，一个子信道只供一路信号使用，一个时分复用帧中包含多路信号。每个子信道所占用的带宽相同，每个时分复用帧所占的时间也是相同的。对于 TDM而言，时隙长度越短，则每个时分复用帧中所包含的时隙数就越多。在同步TDM中， 各路时隙的分配是预先确定的时间， 且各个信号源的传输定时是同步的。每一个子信道在时间上按预先确定的时间错开一位、一个字节或一块数据的时间， 以此来共享传输信道。

优点：控制简单
基本的时分多路复用技术原理是把每一个时隙以静态的、预先安排好的固定次序分配给各个信源，各信源按固定次序向一条线路上输出数据， 不论有无信息，都分配给一个时隙，即使有些时隙空闲， 其他信源也无法利用。因此也把以上技术称为同步时分多路复用( Synchronous Time DivisionMultiplexing)。

“对号入座”
同步时分多路复用无论信源有无信息发送， 在时分复用帧中都为之分配一出大个时隙，既浪费了信道时间，也无法支持突发性的业务要求。

为改善同步时分多路复用技术的性能，可以采用异步时分多路复用（ATDM），只有当某一路信号有数据要发送时才把时隙分给他，能够充分利用信道。“按需分配”

3.波分多路复用

光通信是一种很有发展前途的通信方式，已使用的越来越多，伴随而来的时波分多路复用技术。

波分多路复用实质就是在光通信上采用的一种频分多路技术的变种

 

2.2.3  差错控制

1.传输差错的特性和类型

噪声有两大类，一类是信道固有的，持续存在的随机噪声；另一类是由外界特定的短暂原因所造成的冲击噪声。

热噪声所引起的差错称为随机差错，他所引起的某位码元的差错是孤立的，与前后码元没有关系，他所导致的随机差错通常较少

冲击噪声呈突发状称为突发错误，冲击噪声随然持续到的时间较短，但在一定数据速率条件下热扔然会影响到一串码元。

2.差错控制的方法
最常用的差错控制方法是差错控制编码。数据信息位在向信道发送之前，先按照某种关系附加上一定的冗余位，构成一个码字后再发送， 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，从而检查传输过程中是否有差错发生， 这个过程称为差错检验过程。
差错控制编码可分为检错码和纠错码。
检错码：能自动发现差错的编码。
纠错码：不仅能发现差错而且能自动纠正差错的编码。
　　在数据通信中，利用编码方法进行差错控制的方式基本上有两类， 一类是自动请求重发(Automatic Repeat reQuest, ARQ), 另一类是前向纠错(Forward Error Correction, FEC)。
　　在 ARQ方式中，当接收端发现差错时，就设法通知发送端重发， 直到收到正确的码字为止。ARO方式只使用检错码即可， 但必须使用双向信道，同时发送方必须具备发送数据缓冲区，用于存放已经发送出去的数据， 以便出现差错时可以重新发送。
　　在FEC方式中，接收端不但能发现差错，而且能确定二进制码元发生错误的位置，从而加以纠正。FEC方式需要使用纠错码。
　　编码效率R是衡量编码性能好坏的一个重要参数，它是码字中信息位所占的比例。R 越大，编码效率越高， 信道中用来传送信息码元的有效利用率就越高。编码效率计算公式为
R=k/n=k/(k+r)
其中， k为码字中的信息位位数；r为编码时外加冗余位位数；n为编码后的码字长度。
　　一般来说，纠错码比检错码要使用更多的冗余位， 即编码效率更低，而且错的设备比检错的设备复杂得多，因而，除非在单向传输或实时性要求特别的场合需要使用FEC方式，数据通信中使用更多的还是ARQ差错控制方法。
　　最常用的差错控制编码有奇偶校验码和循环冗余码(CRC)，这两种都属ARQ方法。
3.奇偶校验码_
　　奇偶校验码是一种通过增加冗余位使得码字中“1”的个数为奇数或偶数)编码方法，它是一种检错码。在通信中使用时又可以分为垂直奇偶校验、水·奇偶校验和水平垂直奇偶校验。
(1) 垂直奇偶校验