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第 3章 数据通信技术西北工业大学管理学院 MBA中心田庆锋
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3.1 数据通信与数据通信系统
数据 (Data):对客观事实的描述与记载的符号。数据可以是数字、文字、声音、图形、
图像等形式。
信息 (Information):数据的集合、含义和解释。
信号 (Signal):数据的电磁波表示或称电子编码。
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3.1.1 模拟通信与数字通信的基本概念
模拟数据:连续的,以连续变化的电磁波形式传输,用幅度、频率等表示要传送的信息。
数字数据:离散的,一系列的电脉冲,用不同的电平表示二进制的,1”,,0”。
模拟信号只能在模拟信道上传送,数字信号只能在数字信道上传送,而数字数据可以数模变换在模拟信道上传输,模拟数据可以经过模数变换在数字信道上传输。
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3.1.2数据通信模型
通信系统的基本作用是在两个实体间交换数据,通信模型一般包含以下几个主要部分:
源 (产生要发送数据的设备 )
发送器 (对信号进行处理 (如转换或重新编码以便在介质中能传输,如数据信号转换成模拟信号,电信号转换成磁信号或光信号 )的设备 )
传输系统 (连接源或目的地的传输线或复杂的网络 )
接收器 (与发送器相对应,从传输系统中接收信号并转换成目的站设备能处理的信号 )
目的站 (从接收器输入数据并进行处理,为最终目的地。 )
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3.1.2数据通信模型
源系统 目的系统
因为有时源 /目的站和发送器 /接收器的作用是同时具备的,所以图中的箭头是双向的。
一个简单的例子就是普通用户利用 PC通过
Modem进行相互的通信。
源 发送器传输系统接收器目的站
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3.2 数据通信方式
数据通信就是利用一定的介质进行数据的传输,数据通信技术的不断发展使得对现有线路的利用更加充分。
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3.2.1 并行与串行
并行数据传送
是指对于一个二进制数据的各个位,用不同的信道同时进行传送。就象划分了许多车道的公路一样,同时让车辆在不同的车道上行驶。典型的例子如 PC机与打印机之间的连接就是用的并行,如有 8个二进制数,用 8根铜导线同时从一个设备传送到另一个设备。
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3.2.1 并行与串行
并行的优点:传送速度快
并行的缺点:占用线路太多,不便于长距离传送计算机
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打印机
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3.2.1 并行与串行
串行数据传送
是指对一个二进制数据的各个位,用同一个信道按先后顺序一位一位的进行传送,从低位到高位按顺序一位跟着一位在同一根导线上传送
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3.2.1 并行与串行
串行传送的优点:节省设备,适于长距离传送
串行传送的缺点:速度比并行慢,而且在接收端要把串行还原为并行发送设备
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接收设备
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3.2.2 单工、半双工、全双工在串行通信中,按照数据流的方向,可以分为三种工作方式:
单工通信 (只允许单方向传送 )
半双工 (可以双向传送,但在某一时刻只允许往一个方向传送 )
全双工 (可以同时进行双向传送 )
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3.2.3 异步通信与同步通信
异步通信,指的是以不规则数据段进行传送为特点的串行数据传送。是面向每一个字符的。
异步通信的数据结构:
启始位 (一个低电平,0”位,宣布开始传送新的字符 )
数据位 (一般为 7-8位,所传送字符的代码 )
奇偶位 (是为了检验错误而增加的一个校验位。
又有奇校验和偶校验 )
停止位 (又称为空闲位,是一个高电平,1”。
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3.2.3 异步通信与同步通信
同步通信
它是面向一批字符块或数据块,不象异步通信那样有额外的开销,同步通信速度比较快。
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3.2.3 异步通信与同步通信
广播式、点 -点式、点 -多点式通信,从一个通信实体到其他通信实体之间同时建立通信关系的情况看,可以分为以下三种通信方式:
广播式 (发送者将信号发送到通信群体中所以接收者所在的位置,并不理会接收者的情况。
如电台、电视等。
点 -点通信 (仅发生在两个通信实体之间,这是通信中最经常发生的情况,如两个人通电话,两台 PC之间交流信息。 )
点 -多点通信 (一个实体与多个实体同时进行通信,比较适合于协同工作,如视频会议等。 )
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3.3.1 带宽与传输速率
模拟通信领域的带宽,也叫频宽,在模拟通信领域中是指频率范围所占的宽度,单位为赫兹 (Hz)。
信号的宽度是指信号所占用的频率的宽度。
如声音的频率范围是 20~ 20000Hz,即声音的带宽幼为 20K。
有些介质 (如有线电视用的同轴电缆 )的带宽很宽,为了有效的加以利用就划分为几十个中心频率不同的频道 (子信道 ),就象一条公路划分出不同的车道一样,即后面讲的频分多路复用技术。
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3.3.1 带宽与传输速率
数据通信领域的带宽与传输率
数字通信中带宽指的是数字信号的传输速率,即每秒钟传送的比特 (bit)数,简称位率或比特率,单位是 b/s或 bps(bit per
second)。比如我们常见的网卡说是
10M/100M自适应的,某台 PC上网的带宽是多少。
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3.3.1 带宽与传输速率
谱效率 — 数据率与频宽的关系
从以上可以看出,数字通信领域的带宽 (即数据率 )与模拟通信领域的带宽 (频宽宽度 )
是两个不同的概念,在数值上也不一定相等。我们把 bps数与 Hz数的比值称为谱效率,即每 Hz的 bps数。
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2.3.2 常用的通信通道
现在数字通信的通道,有借助于以前模拟信号通信通道的,
也有专门的数字通信通道。
电话网 (以前单一的模拟,现在可数据,如 ISDN,ADSL技术等 )
无线通信网 (一般是利用微波,通过卫星或地面上的基站进行转接。
有线电视网 (主干采用光纤,末端采用同轴电缆,称为
HFC(混合光纤同轴网络 ),如现在用的机顶盒、电缆调制解调器等。 )
数字通信专用网 (如电信部门建的 X.25(分组交换网 )、
DDN(digital data network 数字数据网 ),ISDN(综合业务数字网 ),FR(frame relay 帧中继 )等。 )
光纤通信网 (并不是单独提供某一服务的网络,而是各种服务性网络的骨干网都是采用光纤,传输率高达 10— 350Gb/s。
而且还可以采用波分多路复用技术。 )
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3.4 调制解调技术 (modulate
demodulate)
调制与解调技术应用比较广泛,并不只是我们平常所说的调制解调器 (猫,modem)。
通信领域常遇到这样的情况:希望传到远方的信号难于直接在期望的介质中传播。
如声音的传播,从而借助于频率很高的射频信号 (radio frequency),即经过调制和解调的过程。
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3.4 调制解调技术 (modulate
demodulate)
对高频正弦信号的幅度进行调制叫调幅
(amplitude modulation AM)广播,对频率进行调制叫调频 (frequency modulation
FM)广播。
数字信号的调制有三种:
幅度调制或幅移键控 ( amplitude-shift keying
ASK)
频率调制或频移键控 ( frequency-shift keying
FSK)
相位调制或相移键控 ( phase-shift keying
PSK)
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3.5多路复用技术
概念:即用一根介质传送多路信号。
这是基于对如何充分利用传输介质的通信容量的考虑而发展的一种技术,从而节省了昂贵的铺设线路的费用。
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3.5.1 频分多路复用 (frequency-
division multiplexing FDM)
利用介质的宽频带特性,传输许多路较窄频带的信号,每一路信号的中心频率都不同,而且在频率坐标上都相隔一定的距离,
所以不很相互干扰。就象高速公路上的车道一样。一般适合于传送模拟信号。如要传送数字信号也要先调制成模拟信号再传送。常用的设备如电话线调制解调器和有线电视上用的电缆调制解调器 (cable
modem)
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频分多路复用技术频道 4
频道 3
频道 2
频道 1 t
f
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3.5.2 时分多路复用 (time-
division multiplexing)
多台设备分时占用传输线路。分给每一个设备的是一个很短的时间间隔,以保证公平。这样每一路要传送的数据都分成一小块,到目的地以后再拼接还原。比较适合传送数字信号。
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时分多路复用信道
1
2 23 4 1 3 4
f
t
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3.5.3波分多路复用 (wave-
division multiplexing WDM)
是在光纤中应用的复用技术,就是在一根光纤中同时传送许多束不同波长互不干扰的激光,以获得数十倍增长的网络传输速率。类似于频分多路复用,只不过强调的是波长。
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2.6 交换技术
在通信中,特别是在数字通信中,广泛采用了交换技术,使数字数据能更加高速和准确的传送到目的地。
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3.6.1 线路交换 (circuit switching)
专线连接:从一个设备到另一个设备专门建立一条通信线路。线路太多。
线路交换:将设备通过线路与一台交换机相连。
A
B D
C A
B
C
D
E
F
专线连接 通过线路交换机连接
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3.6.1 线路交换 (circuit switching)
线路交换的三步骤:
线路的建立
数据的传送
线路的撤消
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3.6.1 线路交换 (circuit switching)
线路交换的特点:
独占性 (为通信双方建立的专用的传输通路 )
全程占用 (为整个通信期间占用,可以连续传送数据,但即使有空闲也无法建立其他通路 )
固定的传输带宽
高可靠性
常见设备如专用电话交换机 (private
branch exchange PBX)。也可以用于建立
ISDN传送数字信号。
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3.6.2 分组交换 (packet switching)
又叫包交换,是适用于长距离数字数据传输的一种方法,特点是将用户数据分成一个个小的数据块进行传输。较长的数据称为报文,分成的数据块称为小数据包,有时也称为分组、数据帧 (frame),更小的称为信元 (cell)。
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3.6.2 分组交换 (packet switching)
分组交换的原理
线路交换的不足:
数据连接的效率较低
限制了数据率不同的设备的互联通信 (因为线路交换网络中,连接所提供的数据速率是固定的,连接通信的前提是各设备必须使用相同的数据率。
分组交换中,数据被分为几个分组 (分组的长度上限是 1000字节 )。每一分组中都含有对数据的控制信息,如目的地等。
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3.6.2 分组交换 (packet switching)
分组交换的优点 (和线路交换相比 ):
线路的利用率提高 (多个分组以排队的形式动态的共享结点间的链路,这样就减少的线路的空闲 )
能适应不同数据率的传送
分组总是被接收 (线路交换中呼叫有可能被拒绝,分组交换中总是被接收,负载重时仅增加传输延迟。 )
优先权的使用 (在队列中排队的分组可以有不同的优先权,从而延迟的程度不同。 )
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3.6.2 分组交换 (packet switching)
虚电路分组交换方式 (virtual circuit)
长的报文被分成短的数据包之后,它们如何在通信网络中传送,如何管理这些分组?有两种方式:虚电路方法和数据报方法。
在发送任何分组之前,需要建立一条逻辑连接,它是通过先发送一个呼叫,来建立站与站之间的一条路径。虚电路一旦建立,本次通信的所有分组就按顺序在该虚电路上传送,
而不需要再进行路径的选择。这一点上有点象线路交换,但其他分组也可以在该路径上传送。线路交换也不需要缓冲,不需排队而直接传输。
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3.6.2 分组交换 (packet switching)
虚电路的特点:
数据传送之前建立一条临时路径 (即虚电路,
它是面向一种连接的服务 )
各分组都沿该路径进行传送,并且按顺序到达目的地。
各分组在站点上需要缓冲,并进行等待输出的排队。
应用于两个站间在一段时间内连续交换数据的情况。
X,25分组交换网就是典型的虚电路服务的例子。
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3.6.2 分组交换 (packet switching)
数据报分组交换方式
并不事先建立通路,而是直接把数据包推进至网络之中。每个分组都独立处理,称之为数据报。
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3.6.2 分组交换 (packet switching)
数据报的特点:
速度快 (不需要事先建立通路,直接把数据包推进至网络中,如 Internet)
每个数据包独立进行处理 (各个结点需要判断所接收到数据包的目标地址,进而选择合适的路径 )
数据包的传送是零乱的 (每个数据包的路径可能不同,到达目的地时也可能是不按次序的。 )
传递方法可靠 (如果一个网络结点丢失数据包,
则被安排另外的替代路径进行传递,不至于丢失 )
Internet就是采用的这种无连接的简单的数据报传送方式。
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3.6.2 分组交换 (packet switching)
A 1 6
4 5
32
C
B
C2,C1
B2,B3
C3 B1
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3.6.2 分组交换 (packet switching)
线路交换 虚电路交换 数据报分组交换是否专用 专用的通路 不专用 不专用通路 为整个对话建立 路径 为整个对话建立路径 不建立专门路径接通 接通过程延迟 接通过程延迟 无接通过程传输 传输基本不延迟 分组传输延迟 分组传输延迟带宽 固定的传输带宽 动态利用带宽 动态利用带宽缓冲和代码 无需缓冲和代码 转换 要缓冲和代码转换 要缓冲和代码转换三种方式的比较