第 2 章数据通信基础知识本章主要内容：
数据通信系统的组成，数据通信的基本概念，数据通信方式和过程，数据传输技术及信源编码，调制解调技术，同步技术，多路复用技术，数据交换技术，
差错控制技术及信道编码。
本章要求,
1.掌握数据通信的基本概念和通信系统的基本组成 。
2,了解数据通信的工作过程及应用 。
3.了解数据通信中的编码技术,调制解调技术,多路复用技术和同步技术的工作原理及应用 。
4.了解数据通信的主要技术指标和通信方式 。
5.了解数据交换的工作过程,工作原理与应用 。
6.了解差错及差错控制的概念,差错控制方法,信道编码及其应用 。
本章分为五小节：
2,1 数据通信系统
2,2 通信方式
2,3 数据传输技术
2,4 数据交换技术
2,5 差错控制技术
2.1 数据通信系统
1。 通信系统模型通信系统组成三要素,信源,信宿和信道信 道噪声源简单的数据通信系统模型信源 信宿信号变换器 信号变换器信源,信源就是信息的发送端,是发出待传送信息的人或设备信宿,信宿就是信息的接收端，是接收所传送信息的人或设备大部分信源和信宿设备都是计算机或其他数据终端设备信道 - -传输信息的通道。 它是由通信线路为基础的、能够传输数据的通道。
有线信道,由有线传输介质构成的信道无线信道,由无线传输介质构成的信道数字信道,可直接传输二进制信号或经过编码的二进制数据的信道模拟信道,可传输连续变化的信号或二进制数据经过调制后得到的模拟信号的信道信号变换器,作用是将信源发出的信息变换成适合在信道上可靠传输的信号 。 对应不同的信源和信道,信号变换器有不同的组成和变换功能 。 发送端的信号变换器可以是 编码器 或 调制器,接收端的信号变换器相对应的就是 译码器 或 解调器 。
编码器,把输入的信号作相应的变换，以便于在信道中传输或在接收端正确识别信号。
调制器,把信源或编码器输出的二进制脉冲信号变换成模拟信号，以便在模拟信道上进行远距离传输。
译码器 和 解调器 分别相应地做编码器和调制器的逆向工作。
数据通信中有两类编码：信源编码和信道编码。
信源编码,目的是将来自信源的信号作相应的编码变换后，便于在信到上传输。
信道编码,目的是将要传输到信道上的信号编码变换后降低误码率，提高传输质量。
噪声源,一个通信系统客观上是不可避免地存在着 噪声干扰 的,而这些干扰分布在数据传输过程的各个部分 。 为分析或研究问题方便,通常把它们等效为一个作用于信道上的 噪声源 。
2 数据通信的基本概念
1,数据、信息和信号
2,数据通信,数字通信和模拟通信
4,数据通信的主要技术指标
5,数据通信方式
6,数据通信过程
（ 1）数据、信息和信号
数据,由数字、字符和符号等组成，是信息的载体。它没有实际含义，总是和一定的形式相联系。
信息,是数据的具体内涵和解释，有具体含义。 信息是数据经过加工处理 (说明或解释 )后得到的，即信息是按一定要求以一定格式组织起来的、具有一定意义的数据。
严格地讲，数据和信息是有区别的。数据是独立的，是尚未组织起来的事实的集合；而信息是按一定要求以一定格式组织起来的、具有一定意义的数据。 数据是信息的表示形式，信息是数据形式的内涵。
广义的数据,由于现在信息的多媒体化，
数据的含义也广义化了，即数据不仅包括离散变化的数据，也包括连续变化的数据。
因此,数据可分为 模拟数据 和 数字数据两种 。 前者取连续值,如表示声音,图像,
电压,电流等的数据；后者取离散值,如自然数,字符文本的取值等 。
信号,数据的具体物理表示,具有确定的物理描述,如电压,磁场强度等 。 在电路中,
信号就具体表示数据的电磁编码 。 在数据通信系统中,要进行数据传输,总是要借助于一定的 物理信号 来完成,如电信号或光信号 。
电磁信号一般有 模拟信号 和 数字信号 两种形式 。
模拟信号,随时间连续变化的信号 。
数字信号,随时间离散变化的信号,它可以用有限个数位来表示连续变化的物理量 。
模拟数据或数字数据都可以通过编码形成两种信号 (模拟信号和数字信号 )中的任何一种信号 。
（ 2） 数字通信和模拟通信数据通信,指信源和信宿之间传送数据的通信形式。
数据通信 就是利用通信系统对各种数据信号进行变换、处理和传输的过程。因此，计算机与计算机、计算机与终端之间的通信及计算机网络中的通信主要是数据通信。
数字通信,信道中传送数字信号的通信形式模拟通信,信道中传输模拟信号的通信形式两种通信强调的是信道中传输的信号形式,
也即强调的是信道的形式 。 前者是数字信道,
后者是模拟信道 。 至于信源发出和信宿接收的信号可以是数字信号,模拟信号或其他形式的信号 。
由此可见,数字通信 和 数据通信 是两个不同的概念。前者强调的是信道的形式或信道中传输的信号的形式，而后者强调的是信源与信宿之间传输的信息形式。
数字信号并非一定要用数字通信系统来传输，数字信号经 D/A转换后，即可在模拟通信系统传输。
数字通信和模拟通信
(a)
数字信道信源 编码器 编码器 信宿
(c)
模拟信道信源 调制器 解调器 信宿
(b)
数字信道信源 编码器 编码器 信宿数字通信系统比模拟通信系统有突出的 特点,
便于差错控制：由编码 /译码器进行信道编码；
便于保密通信：对基带信号进行加密，接收端解密，用于保密通信；
便于同步：数字信号按节拍传输，容易做到时钟同步；
便于信号再生重传：远距离传输时，中继器可将数字信号再生恢复成,0”和,1”标准电平后，继续重传；
增强抗干扰能力：离散的数字信号容易使小的噪声和干扰信号不起作用，有效地抑制干扰信号，增强抗干扰能力。
但数字通信的这些优点都是以牺牲带宽为代价换取的。
3.数据通信的主要技术指标数据通信的主要技术指标有数据传输速率,传输延迟,信道带宽,信道容量,数据传输的误码率等,这些指标是衡量数据传输的 有效性和可靠性 的参数 。
有效性 主要由数据传输速率,传输延迟,信道带宽和信道容量等指标来衡量 。
可靠性 一般用数据传输的误码率指标来衡量 。
(1) 数据传输速率数据传输速率是指单位时间内传输信息量的多少。它是衡量数据传输有效性的主要指标。
数据传输速率通常用 波特率 和 比特率 来表示。
波特率,是指单位时间内传输码元的个数，
单位为波特 (Baud)。每个码元表示一个波形或一个电平。波特率又叫调制速率、码元速率。调制速率是指信号经过调制后的传输速率，表示调制后信号每秒钟变化的次数。若用 T(秒 )表示调制周期，则波特率为：
Rs＝ 1/T (Baud)
可见,1 波特表示每秒钟传送一个码元比特率,指单位时间内传输二进制码的位数 (记为 b/s或 bps)，也叫信息速率。
比特率公式：
Rb＝ (1/T)log2N (bps)
式中 T为传输的脉冲信号周期,N为脉冲信号所有可能的状态数,Rb为比特率 。
当信号的状态数 N＝ 2时，则每个电信号脉冲只传送 1位二进制数据，此时比特率与波特率相同，为：
Rb＝ 1/T (bps)
由以上分析知,比特率和波特率 的关系为：
Rb＝ Rslog2N (bps)
在数值上“比特”单位等于“波特”的
log2N倍。
例 1,在传输语音或图象信息的 64Kbps
的数字信道上,若传真机将每英寸数字化为 300个像素,每个像素用 4比特表示,问该信道以传真方式传输一幅 8*10英寸的图像需要多少时间？
t=8*10*300*4/64k
误码率,二进制码在传输过程中出现错误的概率 。 它是衡量通信系统在正常情况下传输可靠性的指标 。
误码率计算公式为：
Pe＝ Ne/N
式中 Ne表示被传错的码元数,N表示传输的二进制总码元数,Pe为误码率,即错误接收的码元数在所传输的总码元数中所占的比例 。
传输延迟,是指由于各种原因的影响,而使系统信息在传输过程中存在着不同程度的延误或滞后的现象 。
信息的传输延迟时间包括发送和接收处理时间,电信号响应时间,中间转发时间和信道传输时间等 。
传输时延,发送一组信息所用的时间，
该时间与信息传输速率和信息格式有关。
传播时延,信号在物理媒体中传输一定距离所用的时间，它与信号传播速度和距离有关。 (电磁波在光纤、微波信道中的传播速度为每秒 300,000km，而在一般电缆中的速度约为光速的 2/3)
例 2．在相隔 1000km的两地间传输 3kbits的数据，可以通过电缆以 20kbps的速率传输或通过卫星信道以 60kbps的速率传输，问用那种方式从发送方开始发送到接收方接收完全部数据的时间最短? (假定信息在电缆中传输速度是 200,000km/s，而在卫星信道中的传输速度是 300,000km/s)
传输时延,电缆 3/20=150ms
卫星 3/60=50ms
传播时延,电缆 1000/(2*105)=5ms
卫星 36000*2/(3*105)=240ms
使用电缆的总时延,150+5=155ms
使用卫星的总时延,50+240=290ms
(2) 信道带宽和信道容量
① 信道带宽 是指通信系统传输信息的信道的最大频率范围。
② 信道容量 是指单位时间内信道所能传输的最大信息量，它表征信道的传输能力。
信道容量有时也表示为单位时间内最多可传输的二进制数的位数 (b/s)
一般情况下，信道带宽越宽，则信道容量就越大，单位时间内信道上传输的信息量就越多，传输效率也就越高。信号传输速率受信道带宽的限制。
以下两个定理，分别从不同角度描述了这种限制：
③ 奈奎斯特准则在理想信道情况下，信道的容量为：
C＝ 2 F log2N
式中 F为信道带宽,N为信号的状态个数,C
为信道容量 (最大传输速率 )，即每秒所能传输的最大比特数为：
C＝ 2 F log2N (bps)
④ 香农定理：
在随机噪声 (高斯白噪声 )干扰的信道中传输数字信号，信道容量为：
C＝ F log2(1＋ S/N)
香农定理描述了在有限带宽、随机噪声分布的信道中，最大的数据传输速率与信道带宽的关系。
奈奎斯特定理和香农定理给出的是信道容量，即信道的最大传输速率的极限值，实际上很难达到该值。
例 3．电视信道带宽为 6MHZ,理想情况下，
如果数字信号取 4种离散值，那么可获得的最大传输速率是多少？
C= 2*6M*log24=24Mbps
例 4,带宽为 4KHZ,如果有 8种不同的物理状态表示数据，信噪比为 30dB。那么按奈氏准则和香农定理计算，分别计算其最大限制的数据传输速率。
① C＝ 2 F log2N=2*4K*log28=24Kbps
② 分贝（ dB）的计算是,10lgS/N 即本题为,10lgS/N=30 则,S/N=103
C＝ F log2(1＋ S/N)= 4K*log21001=40Kbps
4,数据通信过程
① 通信线路的建立阶段
② 数据传输链路的建立阶段
③ 数据及控制信息的传输阶段
④ 数据传输链路的拆除阶段
⑤ 通信线路的拆除阶段
1 并行通信和串行通信
在计算机内部各部件之间,计算机与各种外部设备之间,计算机与计算机之间,
按信息传输的时空顺序不同存在两种通信方式,并行通信和串行通信 。
2。 2 通信方式
并行通信,通常用于计算机内部各部件之间或近距离设备之间的数据传输。
串行通信,常用于计算机与计算机或计算机与终端之间远距离的数据传输。
并行通信 串行通信发送设备接收设备
0
1
1
0
1
0
0
1
接收设备发送设备
01
1
0
1
0
0
1
01
1
0
1
0
0
1
01101001
2 单工通信,半双工通信和全双工通信
数据在通信线路上传输是有方向的 。 根据数据在线路上的传输方向和特点,有单工通信,半双工通信和全双工通信三种通信方式 。
单工通信,在通信线路上,数据只可按一个固定的方向传送而不能进行相反方向传送的通信方式 。 例如广播,遥控通信 。
半双工通信,数据可以双向传输，但不能同时进行，在任一时刻只允许在一个方向上传输主信息的通信方式。
全双工通信,可同时双向传输数据的通信方式。
发送设备 发送设备数据流
(a)单工通信发送设备 数据流
(b)半双工通信接收设备发送设备接收设备数据流发送设备
(c)全双工通信接收设备接收设备发送设备数据流信息传输方向不同的三种通信方式数据流
在数据通信系统中，根据发送端和接收端的连接方式及信息传输信道区分，
相应地有点到点通信和广播式通信的通信方式。
3 点到点通信和广播式通信
点到点通信,是由一条通信线路把两个
DTE连接起来构成的通信方式，也叫端到端式通信。
广播式通信,是指系统中多个端点共享一个通信信道，一个端点发出信息，其他端点接收信息的通信方式。该通信方式中的信息是单向传输的。
2。 3 数据传输技术
1,基带传输,频带传输和宽带传输
(1)基带传输
基带信号,由计算机或终端等数字设备产生的、未经调制的数字数据相对应的原始信号
(方波脉冲 )。基带信号通常呈矩形波形式，
它所占据的频率范围通常从直流到高频的频谱，范围宽。
基带,基带信号所占有的频率范围
基带信道,与基带信号频谱相适应的信道
基带传输,在基带信道中直接传输这种基带信号的传输方式。
基带传输的特点,基带通信是一种最简单、
最基本的传输方式，它适合于传输各种速率要求的数据。基带传输过程简单，设备费用低，适合于近距离传输。
(2) 频带传输：
频带信号,基带信号变换 (调制 )成的便于在模拟信道中传输的、具有较高频率的信道信号。
频带传输,在信道中传输频带信号的传输方式。
在远距离传输中通常不采用基带传输而采用频带传输方式。
(3) 宽带传输
宽带是指比音频带宽更宽的频带，它包括大部分电磁波频谱。利用宽带进行的传输称为宽带传输。
宽带传输系统可以是模拟或数字传输系统，它能够在同一信道上进行数字信息和模拟信息传输。宽带传输系统可容纳全部广播信号，并可进行高速数据传输。
在局域网中，存在基带传输和宽带传输两种方式。
基带传输的数据速率比宽带传输速率低。
一个宽带信道可以被划分为多个逻辑基带信道。
宽带传输能把声音、图像、数据等信息综合到一个物理信道上进行传输。宽带传输采用的是频带传输技术，但频带传输不一定是宽带传输。
2,信源编码技术
信源编码是把从信源或其他设备输出的数据作相应的变换，其目的就是使之便于在相应的信道上有效地传输。模拟数据可以用模拟信号载荷，也可以用数字信号载荷；
同样，数字数据可以用数据信号载荷，也可以用模拟信号载荷。
这样就构成了四种方式，所对应的四种数据信息编码为：
模拟数据的模拟信号编码
数字数据的模拟信号编码
数字数据的数字信号编码
模拟数据的数字信号编码
(1) 数字数据的模拟信号编码前面提到,在计算机网络的远程通信中通常采用频带传输 。 若要将基带信号进行远程传输,要先将其变换为频带信号 （ 即模拟信号 ）,再在模拟信道上传输 。 这个变换就是数字数据的模拟信号编码过程 （ 即调制过程 ） 。
调制,就是利用基带信号对模拟载波信号的某些参量进行控制,使这些参量随基带信号的变化而变化的过程 。
解调,调制的逆过程 (把从信道上接受到的模拟信号变换为数字数据 )。
调制后的信号叫已调信号,它包含了调制信号的所有信息 。
通常采用的调制方式有三种：
(1)幅度调制 AM(或幅移键控 ASK)
(2)频率调制 FM(或频移键控 FSK)
(3)相位调制 PM(或相移键控 PSK)
设载波信号为正弦交流信号 f(t)＝
Asin(?t+?)。此处 A是幅度,?是角频率，
是相位。
ASK（幅移键控）：就是利用基带脉冲信号对模拟载波信号的幅度进行控制，
使其随基带脉冲的变化而变化，频率和相位均不变。
其实现方法有：乘法器和键控开关。
ASK技术简单，实现容易，但抗干扰能力较差。
ASK
基带脉冲载波载波信号,基带脉冲及 ASK调制波形
FSK(频移键控 )：利用基带脉冲信号对模拟载波信号的频率进行控制，使其随基带脉冲的变化而变化 (通过改变载波信号的角频率来表示数字信号中的,1”和,0”)，幅度和相位均不变。
FSK由键控方法实现，利用数字信号控制开关对两个不同的独立载波频率源进行选通。
FSK技术较简单，实现较容易，抗干扰能力较强。是目前较常用的调制方法。
FSK
基带脉冲载波
1 0 1 1 0 0 1 0
载波信号,基带脉冲及频率调制波形
PSK(相移键控 )：利用基带脉冲信号对模拟载波信号的相位进行控制，使其随基带脉冲的变化而变化 (通过改变载波信号的相位值来表示数字信号中的,1”和,0”),幅度和频率均不变。相移键控又有绝对相移键控和相对相移键控，在模拟通信中，为了提高数据传输速率，常采用多相调制方法。
PSK
基带脉冲载波
1 0 1 1 0 0 1 0
载波信号,基带脉冲及相位调制波形
(2) 数字数据的数字信号编码
数字数据的数字信号编码问题就是要解决数字数据的数字信号表示问题。数字数据可以由多种不同形式的脉冲信号的波形来表示。主要形式有单极性全宽码和归零码、
双极性全宽码和归零码、曼彻斯特码和差分曼彻斯特码。
单极性全宽码和归零码判决门限 判决门限取样时间
(a)单极性全宽码取样时间
(b)单极性归零码单极性全宽码和归零码判决门限取样时间判决门限
(a) 双极性全宽码取样时间
(b) 双极性归零码双极性全宽码和归零码双极性全宽码和归零码曼彻斯特编码曼彻斯特编码 的规律是：在每一个码元时间间隔内，电平都有一次跃变：当发送信息,0”时，在间隔的中间时刻电平从高向低跃变；当发信息,1”时，在间隔的中间时刻电平从低向高跃变。该跃变既可作为时钟信号，又可作为数据信号。
1 0 1 0 0 1 1 0
曼彻斯特编码差分曼彻斯特码 的规律是：在每一个码元的中间时刻,电平都有一次跃变：发送信息,1”时,间隔开始时刻不跃变；
发送信息,0”时,间隔开始时刻有跃变 。
该跃变仅作为时钟信号 。
差分曼彻斯特编码
0 1 0 1 1 0 0 1
差分曼彻斯特编码
(3) 模拟数据的数字信号编码
模拟数据经过调制后可实现模拟信号的数字化传输。
常用的这种调制方法有脉冲编码调制
(PCM)和增量调制 (?M)。
利用 PCM对音频信号进行数字化编码,
一般包括三个过程：取样,量化和编码 。
取样,指在每隔固定长度的时间点上抽取模拟数据的瞬时值，作为模拟数据的代表值。这是把连续信号变为离散信号的关键一步。
取样要求符合取样定理：当取样的频率 F
大于或等于模拟信号的频率宽度 f 的两倍时 (F≥2f)，所得的离散信号可以无失真地代表被取样的模拟数据。
量化,是把取样得到的不同的离散幅值，
按照一定的量化级转换为对应的数据值，
并取整数，得到离散信号的具体数值。
量化级数一般为 2的整数次幂，如 64,128,
256等。量化级别越高，表示离散信号的精度越高。
编码,是将量化后的离散值转换为一定位数的二进制数值。
量化级别越高，需要二进制数码的位数越多。
PCM调制过程如下图：
011 000 001 010 101 111 110 100
PCM编码过程取样量化编码
3,多路复用技术
多路复用,利用一条物理信道同时传输多路信息的过程。这是 共享信道 的应用。
多路复用技术能把多个信源信号组合在一条物理信道上传输，使多个计算机或终端设备共享信道资源，提高信道的利用率。
多路复用技术包括复用、传输和分离三个过程。实现多路复用功能的设备叫 多路复用器 。复用器成对使用。
。。。
多路复用器
n
个输入
。。。
多路复用器
n
个输出
1 条线路多路复用原理图
n 个信道
多路复用技术应用在共享式信道上。
多路复用技术 通常有 频分多路复用、时分多路复用、波分多路复用 和 码分多路复用 等。
(1) 频分多路复用 (FDM)
频分多路复用,就是将具有一定带宽的信道分割为若干个有较小频带的子信道，每个子信道供一个用户使用。这样在信道中就可同时传送多个不同频率的信号。
频分多路复用实现的条件 是信道的带宽远远大于每个子信道的带宽
采用频分多路复用时数据在各子信道上是并行传输 的。由于各子信道相互独立，故一个信道发生故障时不会影响其他信道。
FDM信号是频带信号。
被复用的信号是模拟的，但信源信号可以是模拟的，也可以是数字的。不同的信号在进入频分复用信道前要做相应变换，使之成为模拟信号。
f
t
...
子信道 n fn
子信道 3 f3
子信道 2 f2
子信道 1 f1
警戒频带信道带宽频分多路复用
(2) 时分多路复用 (TDM)
时分多路复用,是将一条物理信道的传输时间分成若干个时隙，把这些时隙轮流地给多个信号源使用，每个时隙被复用的一路信号占用。这样，当多路信号准备传输时，一个信道就能在不同的时隙传输多路信号。
A B C D A B C D A BC D A B C D
f
t
子 信 道 A 的 间 隙信道带宽时分多路复用
时分多路复用实现的条件 是信道能达到的最高传输速率超过待传输的各路信号的传输速率之和。
时分多路复用又可分为 固定时分多路复用和统计时分多路复用,或叫同步时分多路复用 (STDM)和异步时分多路复用
(ATDM) 。
① 同步时分多路复用 (STDM)：
采用固定的时隙分配方式：即把信道中的各时隙以固定的方式分配各信源，每路信号固定占用每帧一个时隙。无论信源是否有数据传输，都要占用一个时隙。而有的信源有大的信息量要发送，也只能依次轮流分得时隙而不能利用其他的空闲时隙。
因此这种方式的效率较低。
② 异步时分多路复用 (ATDM)：
动态地分配时隙，它将每帧中的时隙只分配给那些需要发送数据的信源。对没有数据发送的信源，就不分配时隙。但因该方式的时隙序号与信道序号之间不存在一一对应关系，为此要求在发送数据中要加入信道号、双方地址等标识，以便达到同步要求。
(3) 码分多路复用 (CDM)
码分多路复用,是一种用于移动通信,
无线计算机网络以及移动性计算机联网的复用技术 。 笔记本电脑,掌上电脑,
手机等移动性设备的通信将会大量使用码分多路复用技术 。
CDM的复用原理是 基于码型分割信道 。每个用户分配有一个地址码，而这些码型互不重叠，以区分每个用户。信道的频率和时间资源均为各用户共享。因此，在频率和时间资源紧缺的情况下,CDM技术的优势突现,CDM已受到人们的普遍关注。
CDM的基础是移动通信中的 扩频技术 。
扩频就是利用扩频编码发生器产生的伪随机码对基带信号进行扩频调制，形成远大于原信号带宽的范围的码。在接收端，用相同的伪随机码所扩频解调，即压缩其频带，将信号恢复成原基带信号。
不同码型的用户得到不同的扩频编码，这些扩频编码就可以同时使用同一频率进行通信，互不干扰。
发送者可用不同的扩频编码分别向不同接收者发送数据，同样，接收者也可使用不同的扩频编码接收不同发送者的数据，实现多址通信。
码分多路复用技术具有抗干扰能力强和通信隐蔽性好等优点。
抗干扰能力强,信号带宽扩展多少倍，在相同干扰强度下，噪声功率也需扩展多少倍，这就相当于噪声功率不变时干扰强度只是原来的多少分之一。
隐蔽性好,信号频带变宽，单位频带内的信号功率变小，隐藏或淹没在噪声中，通信隐蔽。
(4) 波分多路复用 (WDM)
波分多路复用,是在一根光纤上能同时传送多个波长不同的光载波信号的复用技术。
通过 WDM，将光纤信道分为多个波段，
每个波段传输一种波长的光信号，这样在一根光纤上可同时传输多个不同波长的光信号。
光信号具有不同波长，波分多路复用利用了衍射光栅来实现不同光波的合成和分解。
发送端的波分复用设备叫合波器，它将不同信道的信号调制成不同波长的光，并复用到一条光纤信道上。接收端的波分复用设备叫分波器，它分离出不同波长的光信号,分送给不同的信道。
频分多路复用时分多路复用波分多路复用码分多路复用多路复用固定时分多路复用统计时分多路复用多路复用的类型
4,同步技术
同步,统一收发两端动作,保持收发步调一致的过程 。 接收方按照发送方发送信息的重复频率和起止时间来接受数据 。
数据通信系统能否可靠而有效地工作,
在很大程度上依赖于是否能很好实现同步 。
同步形式：位同步、字符同步和帧同步。
常用的数据传输的同步方式有异步式同步和同步式同步。两者的区别在于发送端和接收段的时钟是独立的还是同步的。
前者有位同步和字符同步形式，后者有位同步、字符同步和帧同步形式。
异步传输 是指同一个字符内相邻两位的间隔是固定的，而两个字符间的间隔是不固定的，即所谓字符内同步，字符间异步。
异步传输是面向字符的，每个字符独立传输。异步式同步方式又称起止式同步。
异步传输不需在发收两端间传输时钟信号，
实现简单，但传输效率较低。
0 1 0 0 0 0 0 1 0
起始位校验位停止位一个字符七位信息位异步方式的同步过程字符 1 字符 2 字符 3 字符 4
字符间隔
同步传输 可以面向字符，也可以面向比特。
面向字符时数据以字符为单位传输，多个字符构成一个字符组 (串 )，由一个或几个同步字符 (如 SYN)为组头和组尾做同步标识；接收方识别出 SYN后，即可接收数据组，直至组尾。
面向比特时，数据由任意比特组成数据块 (帧 )，在每个数据块的前后加上起始和结束标志序列 (0111110)，以固定时钟节拍串行发送数据。接收端要建立与发送端一样的时钟，才可便于实现同步。
同步传输时，发送端以固定的时钟信号频率串行发送数据，每比特与时钟严格对应；
因接收端有与之一样的时钟，接收端可从接收的数据中区分出每个比特，达到同步目的。
远距离传输时，接收端可从数据流中提取同步时钟，从而实现位同步，这就是内同步或自同步。
标志位 标志位任意组合的比特流
01111110 正 文 01111110
S S 字 字 字 S
Y Y 符 符 符 Y
N N 1 2 N N
… … …
(a) 字符同步
(b) 帧同步同步传输一组（串）字符
异步传输方式 不需要在发送端和接收端之间传输时钟信号,而是靠它的起始位和停止位来确定的 。 因此实现简单,控制容易,如果出现错误,只需重发一个字符即可,但传输效率较低,开销大 。
适于低速率场合 。
同步传输方式 的传输效率高,开销小,但收发双方需建立同步时钟,实现和控制比较复杂；在传输的数据中有一位出错,就必须重新传输整个数据块 。 同步传输方式适合于高速场合 。
按数据传输的时空顺序区分并行通信串行通信按线路上数据传输的方向区分单工通信半双工通信全双工通信按线路连接方式和信息方向区分点到点通信广播式通信按信道中传输的数据形式区分基带通信频带通信按数据传输所使用的同步方式区分同步通信异步通信数据通信方式
2,4 数据交换技术
1,数据交换的概念
数据交换 是指在任意拓扑结构的通信网络中，通过网络节点的某种转换方式实现任意两个或多个系统之间的连接。
数据交换 是多节点网络中实现数据传输的有效手段。
数据交换通过中间网络实现，这个中间网络只为数据从一个节点到另一个节点直至到达目的点提供交换的功能。这个中间网络也叫 交换网络,组成交换网络的节点叫交换节点，一般的交换网络都是通信子网。
按交换原理区分，数据交换有 线路交换,
存储交换 和 混合交换 。
而具体实现的交换技术有,线路交换,
报文交换,报文分组交换,ATM交换,帧中继交换 等。
2,线路交换
线路交换 是数据通信领域最早使用的交换方式,多用于电话网络交换 。 线路交换就是要通过中间交换节点在两个站点之间建立一条专用的通信线路 。
利用线路交换进行通信包括 建立线路,
传输数据和拆除线路 三个阶段 。
建立线路,源点向网络发送带目的点地址的请求连接信号 。 该信号先到达连接源点的第一个交换节点,该节点根据请求中的目的点地址,按一定的规则将请求传送到下一个节点；依此类推,直到目的点 。 目的点接到请求信号后,若同意通信,从刚才的来路返回一个应答信号,此时,源木节点之间的线路即已建成 。
传输数据,源点在已建立的线路上发送数据和控制信息,直至全部发送完毕 。
拆除线路,源点数据发送完毕,且目的点也正确接收完毕,就可由某一点提出拆线请求,拆除原来建立的线路 。
B
C
通信双方物理信道的建立
H1 H2
A D
线路交换方式的特点,用户就可以固定的速率传输数据,中间节点也不对数据进行其他缓冲和处理,数据不丢失,不乱序,
传输可靠,传输实时性好,透明性好 。 但该方式线路建立时间延迟较大,传输效率较低；线路建立后即为专用线路,线路利用率低；不具备数据存储和差错控制能力 。
3,存储交换
存储交换 的过程 (原理 )是：交换节点将输入的信息先在存储区暂存，并对存储的信息进行处理，待指定输出线空闲时，再分别将信息转发出去。交换设备可控制输入信息存入缓冲区等待出口的空闲，接通输出并传送信息。
输出输入缓冲存储信 息处 理和转 发 …
交换节点存储交换原理图
…
存储交换方式,具有均衡负荷,不需建立线路,线路利用率高,差错控制,速率匹配,灵活性好等优点 。 但其实时性不好,网络传输延迟大 。 适用于对一些实时性要求不高 (如计算机数据处理 )的场合 。
4,混合交换
近几年出现了综合线路交换和分组交换的高速交换方式，也叫混合交换。
混合交换 采用动态时分复用技术，将一部分带宽分配给线路交换用，而将另一部分带宽分配给分组交换用。这两种交换所占的带宽比例也是动态可调的,以便使这两种交换都能得到充分利用，提供多媒体传输服务 。
典型的 ATM(异步传输模式 )交换、
DQDB(分布式队列双总线 )交换等均属混合交换,帧中继 (FR)交换也是近年来发展起来的高速交换技术。
5,报文交换
报文交换过程,发方把待传送的正文信息再加上相应的控制信息形成一份份报文；再以报文为单位送到各节点；交换节点在接收报文后进行缓存和必要的处理；待指定输出端线路和下一节点空闲时，再将报文转发出去，
直到目的节点；目的节点将收到的各份报文中的正文信息交付给收端 DTE。
报文交换方式是 以报文为单位 交换信息。
每个报文包括三部分：报头、报文正文和报尾。报头通常由报文编号、发送端地址、
接收端地址及报文起始、数据起始和结束标志等控制信息组成。报尾通常包括差错控制信息等。
6,报文分组交换
报文分组交换 简称分组交换 (包交换 )。
报文分组交换方式是把信息正文再分成若干个正文组,每个组再加上相应的头部和尾部控制信息,就形成了报文分组,
在线路和节点上是以报文分组为单位进行存储,处理和转发的 。
在原理上，分组交换技术类似于报文交换，
只是它们的数据单位不同。报文分组交换中规定了分组的长度。通常分组的长度小于报文交换中报文的长度。如果站点的信息超过限定的分组长度，该信息必须被分为若干个分组。
与报文交换相比,报文分组交换 有如下特点：
① 利用节点主存进行存储转发，不需访问外存，处理速度加快，降低了传输延迟；
② 较短的信息分组，其下一节点和线路的响应时间也较短，可提高传输速率；
③ 短信息传输中出错的概率小，即使有差错重发的也只是一个分组，提高了传输效率；
④ 分组交换的数据报形式可使多个分组在网络的不同链路上并发传送，提高传输效率和线路利用率；
⑤ 可大大降低对节点存储容量的要求。
⑥ 分组交换要进行组包、拆包和重装过程，
增加了报文的加工处理时间。
报文分组交换 技术是由数据报分组和虚电路分组两种传输方式实现的。
数据报传输 是一种面向无连接的传输方式；
虚电路传输 是一种面向连接的传输方式。
数据报分组交换,数据报传输类似于邮政系统的信件投递。每个分组都携带完整的源、目的节点的地址信息，独立地传输。
每经过一个中间节点时，都要根据目标地址、网络流量及故障等网络当时的状态，
按一定路由选择算法选择一条最佳的输出线，直至传输到目的节点。
虚电路分组交换,虚电路传输是一种面向连接的交换服务。它将电路交换和数据报交换结合起来。在发送分组前，要先建立逻辑连接 —虚电路。但与电路交换不同处：一是虚电路交换建立的不是专用线路而是一个逻辑通路，其他分组仍可使用该通路上的各段链路；二是分组在各节点仍要存储转发，但不必做路由选择。
数据交换类型报文交换报文分组交换
ATM交换
DQDB交换
……
线路交换存储交换混合交换数据交换 数据报分组虚电路分组流向时间
A B C D
流向时间
A B C D A B C D
流向时间组 1
组 3
组 2 组 1
组 3
组 2 组 1
组 3
组 2
几种交换方式的比较
几种交换方式的比较：各种交换在数据传输阶段均有传输 时延和传播时延 。
电路交换时建立线路时有传输时延,传播时延和节点时延,但在数据传输阶段就不存在节点时延；
报文交换时节点时延较大；
数据报分组交换时,节点时延明显减少；
虚电路交换时,建立虚电路有传输时延,传播时延和节点时延,在数据传输阶段也存在节点时延 。
2,5 差错控制技术
1,差错及差错控制概念
差错,就是在通信接收端收到的数据与发送端实际发出的数据不一致的现象 。
差错产生的原因,信道频率特性不理想形成的码间串扰 --乘性干扰和系统中各种噪声引起的误码 --加性干扰 。
为了保证通信系统的传输质量,降低误码率,
要采取差错控制措施 。
差错控制,为防止由于各种因素引起的信息传输错误或将错误限制在所允许的范围内而采取的措施 。
噪声有两大类,随机噪声和冲击噪声 。 随机噪声引起 随机差错 ；冲击噪声引起 突发差错
随机噪声,是通信信道上固有的,持续存在的噪声,如线路本身电气特性随机产生的信号幅度,频率,相位的畸变和衰减,电气信号在线路上产生反射造成的回音效应,
相邻线路之间的串扰等 。
冲击噪声,是由外界某种原因突发产生的噪声,如大气中的闪电,电源开关的跳火,
外界强电磁干扰,电源的波动等 。
2,差错控制方法
(1) 检错重发方法反馈信道前向信道检错码编码器信源发送器接收器检错码译码器信宿噪声源
ARQ方法原理图重发控制反馈控制
(2) 前向纠错方法：
前向信道纠错码编码器信源发送器接收器纠错码译码器信宿噪声源
FEC方法原理图
(3) 反馈检错方法,接收端将收到的信息码原封不动地发回发送端，与发送端中的原发信息码相比较，如果有不一致，发送端重发。
(4) 混合纠错方法,将反馈重发检错和前向纠错两种方法结合结合在一起可进行混合纠错。
几种差错控制方法的特点
ARQ方法,容易实现，设备简单，但要有反馈信道，信道质量差时反馈次数增多，影响传输效率和信息的连续性。
FEC方法,优点是发送时不需存储，不要反馈信道，缺点是译码设备复杂，纠错码与信道干扰情况相关。
混合纠错方法,介于 ARQ和 FEC之间。
反馈检错方法,方法、原理和设备均简单，
但要有双向信道，且每个信息码均要至少发送两次，传输效率低。
实际中使用最多的还是 ARQ方法。
(1) 信道编码原理及类型
发送端利用信道编码器对信息序列进行某种变换 (常用方法是在原信息序列后增加一些相应的二进制码,称为冗余码或监督位 )，
使原来彼此独立的,没有相关性的信息码之间产生某种相关性,接收端据此来检查和纠正传输信息序列中的差错 。
3,信道编码
差错控制编码,以一定方式在信息码中加入冗余码的过程 。
差错控制编码包含监督位,具有一定冗余度,冗余度为零的编码无抗干扰能力 。
通常,信道编码有奇偶校验码,等比码,
正反码,汉明码和循环冗余校验码等
差错控制编码按抗干扰能力可分为 检错码和 纠错码 两类；按对信源输出的信息的处理方式分有 分组码 和 卷积码 两类；按信息码与冗余码之间的关系,可分为 线性码 和非线性码 两类 。
检错码 是能够自动发现错误的编码。
纠错码 是能够发现错误且又能自动纠正错误的编码。
① 奇偶校验码
奇偶校验码是一种最简单的检错码。其检验规则是：在原数据位后附加校验位
(冗余位 )，使得在附加后的整个数据码中的,1” 的个数成为奇数或偶数，就分别叫做奇校验或偶校验。
(2) 常用的差错控制编码
奇偶校验的过程 是首先将要传送的数据分组，一般都按字符分组，即一个字符或若干个字符构成一组，在每一组后增加一位或几位校验位，校验位的取值就根据对该组进行位,1”或位,0”的奇校验或是偶校验的要求而定。
信息比特编码字母 7 6 5 4 3 2 1
校验位
A 1 0 0 0 0 0 1 0
B 1 0 0 0 0 1 0 0
C 1 0 0 0 0 1 1 1
D 1 0 0 0 1 0 0 0
E 1 0 0 0 1 0 1 1
F 1 0 0 0 1 1 0 1
G 1 0 0 0 1 1 1 0
校验位 1 0 0 0 0 0 0 1
水平奇偶校验码表
奇偶校验 有水平奇偶校验、垂直奇偶校验、水平垂直奇偶校验和斜奇偶校验。
奇偶校验的特点,检错能力低，只能检测出奇数个码错，可以有部分纠错能力。
这种检错法所用设备简单，容易实现 (可以用硬件和软件方法实现 )。
② 正反码
正反码中信息位数目与冗余位数目相等。
当信息位有奇数个,1”时，冗余位与信息位相同；当信息位有偶数个,1”时，
冗余位与信息位相反。
编码过程,如正反码码长 n=10，其中信息位 k=5，监督位 r=5。若信息码为
10011，则监督码为 10011，所组成的正反码为 1001110011；若信息码为 10010，
则监督码为 01101，所组成的正反码为
1001001101。
译码过程：
① 将接收的 n位码用信息位和监督位按位进行异或,得到一个 k位的 合成码 ；
② 利用合成码产生一个 校验码 。 若信息位中有奇数个,1”,则合成码即为校验码；若信息位中有偶数个,1”,则合成码的反码为校验码；
③根据校验码中,1”的个数进行判决和纠错
校验码若为全,0”,则表示无差错；
校验码中若四个,1”,一个,0”,则说明信息位中有一位差错,其位置对应于校验码中,0”的位置；
校验码中若四个,0”,一个,1”,则说明冗余位中有一位差错,其位置对应于校验码中,1”的位置；
其它情况 时 说明差错在两位或两位以上。
如发送码为 1001110011,接收到的也是它,
则合成码为 10011⊕ 10011=00000；由于接收码中信息位有奇数个,1”,则校验码也为 00000,所以可确定接收无差错；若接收 码 变 为 1101110011,则 合 成 码 为
11011⊕ 10011=01000,由于接收码中信息位有偶数个,1”,则校验码为合成码的反码,
即 10111,由此可判断信息位的第 2位出错 。
若接收码错成 1010110011,则合成码为
10101⊕ 10011=00110,校验码也是 00110，
则可判断出有两位或两位以上码错 。
可见,这种码长为 10位的正反码具有纠正一位错码的能力和具有检测出全部两位及两位以上差错的能力 。 但 正反码的编码效率低,只适用于信息位较短的场合 。
③ 循环冗余校验码
循环冗余校验码 也叫 CRC码 。它是由要传送的 k 位信息后附加一个 r 位的校验序列构成，并以该循环码进行发送和传输。
CRC码有着严密的数学基础，是在多项式代数运算基础上建立起来的。
码多项式：
二进制码中的各位可看作是一个多项式的系数，如码 110101的对应多项式为：
1x5+1x4+0x3+1x2+0x+1= x5+ x4+ x2+1
应用 CRC码时，要进行码多项式运算。码多项式运算是按系数异或运算规则进行的。
设 K(x)为 k位信息码多项式,G(x)为 r阶 (r+1)
位生成码多项式,R(x)为 r位余式，就是校验码多项式。则最后得到的待传送的 CRC
码的 k+r位多项式 -- K(x)+ R(x)，其对应的二进制码即为 CRC码。
CRC校验码编码过程
取 k位信息码，再将其左移 r位，得到 k+r
位二进制码；
用生成码去模 2除 (异或 )该二进制码，得到 r为余数。该余数即为所得校验码；
将该校验码加在原信息码后，就构成待传输的 k+r位 CRC码 (信息码加校验码 )。
CRC码的译码过程
接收端译码要求有两个：检错和纠错 。
检错：原理和操作都很简单 。 以生成多项式 G(x)对应的代码去模 2除收到的代码,
即 T’(x)对应的代码,若余数为 0,则说明传输过程无差错,否则有差错 。
纠错：收端的纠错操作也不复杂 。 如果有差错,要先确定一个差错模式 e(x),则有：
T(x)=T’(x)+e(x)
T(x)和 T’(x)分别为发送码和接收码的多项式 。
e(x)即为 T’(x)/G(x),求得 e(x),即可知道差错,进而就可以纠错了 。
CRC编、译码实例
若待传输的信息序列为 1001001,生成多项式为 G(x)＝ x3+x2+1,求 CRC码的检 验 序 列 码,并 验 证 收 到 的 码 字
1001001111的正确性 。
编码,信息序列 1001001对应的 码多项式为 K(x)＝ x6+x3+1
xr.K(x) ＝ x9+x6+x3,对应的代码为
1001001000 (相当于信息码左移 3位 )
生成多项式 G(x)＝ x3+x2+1 对应的代码为
1101
1 0 0 1 0 0 1 0 0 01 1 0 1 1 1 0 1
1 0 0 01 1 0 1
1 0 1 01 1 0 1
1 1 1 11 1 0 1
1 0 0 01 1 0 1
1 0 1 01 1 0 1
1 1 1
1 1 1 1 0 1 1
编码结果,得到检验序列 111。 因此传输的代码序列为 1001001111,码多项式为 T(x)。
译码,如收到的代码为 1001001111,则用其除以生成多项式对应的代码 1101,得余数为 0(读者自己验证 )。 说明信息在传输过程中没错,将最后的 r位校验位码,111”去掉,就得到信息码 1001001。
为,译码并纠错,若收到的 T’(x)代码为
1001001101,按原过程计算,将其除以生成多项式对应的代码 1101,得余数为 10(如下页 )。 这就说明传输有差错,差错 e(x)=x，
其代码为 10。
将其纠正 1001001101+10=1001001111
1 0 0 1 0 0 1 1 0 11 1 0 1 1 1 0 1
1 0 0 01 1 0 1
1 0 1 0
1 1 0 1
1 1 1 1
1 1 0 1
1 0 1 0
1 1 0 1
1 1 1 1
1 1 0 1
0 1 0
1 1 1 1 0 1 1
CRC码的特点
CRC码的编码和译码过程可由软件 实现,
也可由硬件方式实现,如可用移位寄存器和半加器来实现 。
理论证明,循环冗余检验码能够检验出：
全部奇数个错,全部偶数位错和全部小于,
等于冗余位数的突发性错误 。
由以上分析可知，只要选择足够的冗余位，
就可以使得漏检率减少到任意小的程度。
广泛使用的生成码多项式主要有以下四种
– CRC12＝ x12+x11+x3+x2 +x +1
– CRC16＝ x16+x15+x2+１ (IBM公司 )
– CRC16＝ x16 +x12+x5+１ (ITU-T)
– CRC32＝ 32+x26+x23+x22+x16++x11+x10+
x8+x7 +x5+x4+x2+x+1
数据通信系统的组成，数据通信的基本概念，数据通信方式和过程，数据传输技术及信源编码，调制解调技术，同步技术，多路复用技术，数据交换技术，
差错控制技术及信道编码。
本章要求,
1.掌握数据通信的基本概念和通信系统的基本组成 。
2,了解数据通信的工作过程及应用 。
3.了解数据通信中的编码技术,调制解调技术,多路复用技术和同步技术的工作原理及应用 。
4.了解数据通信的主要技术指标和通信方式 。
5.了解数据交换的工作过程,工作原理与应用 。
6.了解差错及差错控制的概念,差错控制方法,信道编码及其应用 。
本章分为五小节：
2,1 数据通信系统
2,2 通信方式
2,3 数据传输技术
2,4 数据交换技术
2,5 差错控制技术
2.1 数据通信系统
1。 通信系统模型通信系统组成三要素,信源,信宿和信道信 道噪声源简单的数据通信系统模型信源 信宿信号变换器 信号变换器信源,信源就是信息的发送端,是发出待传送信息的人或设备信宿,信宿就是信息的接收端，是接收所传送信息的人或设备大部分信源和信宿设备都是计算机或其他数据终端设备信道 - -传输信息的通道。 它是由通信线路为基础的、能够传输数据的通道。
有线信道,由有线传输介质构成的信道无线信道,由无线传输介质构成的信道数字信道,可直接传输二进制信号或经过编码的二进制数据的信道模拟信道,可传输连续变化的信号或二进制数据经过调制后得到的模拟信号的信道信号变换器,作用是将信源发出的信息变换成适合在信道上可靠传输的信号 。 对应不同的信源和信道,信号变换器有不同的组成和变换功能 。 发送端的信号变换器可以是 编码器 或 调制器,接收端的信号变换器相对应的就是 译码器 或 解调器 。
编码器,把输入的信号作相应的变换，以便于在信道中传输或在接收端正确识别信号。
调制器,把信源或编码器输出的二进制脉冲信号变换成模拟信号，以便在模拟信道上进行远距离传输。
译码器 和 解调器 分别相应地做编码器和调制器的逆向工作。
数据通信中有两类编码：信源编码和信道编码。
信源编码,目的是将来自信源的信号作相应的编码变换后，便于在信到上传输。
信道编码,目的是将要传输到信道上的信号编码变换后降低误码率，提高传输质量。
噪声源,一个通信系统客观上是不可避免地存在着 噪声干扰 的,而这些干扰分布在数据传输过程的各个部分 。 为分析或研究问题方便,通常把它们等效为一个作用于信道上的 噪声源 。
2 数据通信的基本概念
1,数据、信息和信号
2,数据通信,数字通信和模拟通信
4,数据通信的主要技术指标
5,数据通信方式
6,数据通信过程
（ 1）数据、信息和信号
数据,由数字、字符和符号等组成，是信息的载体。它没有实际含义，总是和一定的形式相联系。
信息,是数据的具体内涵和解释，有具体含义。 信息是数据经过加工处理 (说明或解释 )后得到的，即信息是按一定要求以一定格式组织起来的、具有一定意义的数据。
严格地讲，数据和信息是有区别的。数据是独立的，是尚未组织起来的事实的集合；而信息是按一定要求以一定格式组织起来的、具有一定意义的数据。 数据是信息的表示形式，信息是数据形式的内涵。
广义的数据,由于现在信息的多媒体化，
数据的含义也广义化了，即数据不仅包括离散变化的数据，也包括连续变化的数据。
因此,数据可分为 模拟数据 和 数字数据两种 。 前者取连续值,如表示声音,图像,
电压,电流等的数据；后者取离散值,如自然数,字符文本的取值等 。
信号,数据的具体物理表示,具有确定的物理描述,如电压,磁场强度等 。 在电路中,
信号就具体表示数据的电磁编码 。 在数据通信系统中,要进行数据传输,总是要借助于一定的 物理信号 来完成,如电信号或光信号 。
电磁信号一般有 模拟信号 和 数字信号 两种形式 。
模拟信号,随时间连续变化的信号 。
数字信号,随时间离散变化的信号,它可以用有限个数位来表示连续变化的物理量 。
模拟数据或数字数据都可以通过编码形成两种信号 (模拟信号和数字信号 )中的任何一种信号 。
（ 2） 数字通信和模拟通信数据通信,指信源和信宿之间传送数据的通信形式。
数据通信 就是利用通信系统对各种数据信号进行变换、处理和传输的过程。因此，计算机与计算机、计算机与终端之间的通信及计算机网络中的通信主要是数据通信。
数字通信,信道中传送数字信号的通信形式模拟通信,信道中传输模拟信号的通信形式两种通信强调的是信道中传输的信号形式,
也即强调的是信道的形式 。 前者是数字信道,
后者是模拟信道 。 至于信源发出和信宿接收的信号可以是数字信号,模拟信号或其他形式的信号 。
由此可见,数字通信 和 数据通信 是两个不同的概念。前者强调的是信道的形式或信道中传输的信号的形式，而后者强调的是信源与信宿之间传输的信息形式。
数字信号并非一定要用数字通信系统来传输，数字信号经 D/A转换后，即可在模拟通信系统传输。
数字通信和模拟通信
(a)
数字信道信源 编码器 编码器 信宿
(c)
模拟信道信源 调制器 解调器 信宿
(b)
数字信道信源 编码器 编码器 信宿数字通信系统比模拟通信系统有突出的 特点,
便于差错控制：由编码 /译码器进行信道编码；
便于保密通信：对基带信号进行加密，接收端解密，用于保密通信；
便于同步：数字信号按节拍传输，容易做到时钟同步；
便于信号再生重传：远距离传输时，中继器可将数字信号再生恢复成,0”和,1”标准电平后，继续重传；
增强抗干扰能力：离散的数字信号容易使小的噪声和干扰信号不起作用，有效地抑制干扰信号，增强抗干扰能力。
但数字通信的这些优点都是以牺牲带宽为代价换取的。
3.数据通信的主要技术指标数据通信的主要技术指标有数据传输速率,传输延迟,信道带宽,信道容量,数据传输的误码率等,这些指标是衡量数据传输的 有效性和可靠性 的参数 。
有效性 主要由数据传输速率,传输延迟,信道带宽和信道容量等指标来衡量 。
可靠性 一般用数据传输的误码率指标来衡量 。
(1) 数据传输速率数据传输速率是指单位时间内传输信息量的多少。它是衡量数据传输有效性的主要指标。
数据传输速率通常用 波特率 和 比特率 来表示。
波特率,是指单位时间内传输码元的个数，
单位为波特 (Baud)。每个码元表示一个波形或一个电平。波特率又叫调制速率、码元速率。调制速率是指信号经过调制后的传输速率，表示调制后信号每秒钟变化的次数。若用 T(秒 )表示调制周期，则波特率为：
Rs＝ 1/T (Baud)
可见,1 波特表示每秒钟传送一个码元比特率,指单位时间内传输二进制码的位数 (记为 b/s或 bps)，也叫信息速率。
比特率公式：
Rb＝ (1/T)log2N (bps)
式中 T为传输的脉冲信号周期,N为脉冲信号所有可能的状态数,Rb为比特率 。
当信号的状态数 N＝ 2时，则每个电信号脉冲只传送 1位二进制数据，此时比特率与波特率相同，为：
Rb＝ 1/T (bps)
由以上分析知,比特率和波特率 的关系为：
Rb＝ Rslog2N (bps)
在数值上“比特”单位等于“波特”的
log2N倍。
例 1,在传输语音或图象信息的 64Kbps
的数字信道上,若传真机将每英寸数字化为 300个像素,每个像素用 4比特表示,问该信道以传真方式传输一幅 8*10英寸的图像需要多少时间？
t=8*10*300*4/64k
误码率,二进制码在传输过程中出现错误的概率 。 它是衡量通信系统在正常情况下传输可靠性的指标 。
误码率计算公式为：
Pe＝ Ne/N
式中 Ne表示被传错的码元数,N表示传输的二进制总码元数,Pe为误码率,即错误接收的码元数在所传输的总码元数中所占的比例 。
传输延迟,是指由于各种原因的影响,而使系统信息在传输过程中存在着不同程度的延误或滞后的现象 。
信息的传输延迟时间包括发送和接收处理时间,电信号响应时间,中间转发时间和信道传输时间等 。
传输时延,发送一组信息所用的时间，
该时间与信息传输速率和信息格式有关。
传播时延,信号在物理媒体中传输一定距离所用的时间，它与信号传播速度和距离有关。 (电磁波在光纤、微波信道中的传播速度为每秒 300,000km，而在一般电缆中的速度约为光速的 2/3)
例 2．在相隔 1000km的两地间传输 3kbits的数据，可以通过电缆以 20kbps的速率传输或通过卫星信道以 60kbps的速率传输，问用那种方式从发送方开始发送到接收方接收完全部数据的时间最短? (假定信息在电缆中传输速度是 200,000km/s，而在卫星信道中的传输速度是 300,000km/s)
传输时延,电缆 3/20=150ms
卫星 3/60=50ms
传播时延,电缆 1000/(2*105)=5ms
卫星 36000*2/(3*105)=240ms
使用电缆的总时延,150+5=155ms
使用卫星的总时延,50+240=290ms
(2) 信道带宽和信道容量
① 信道带宽 是指通信系统传输信息的信道的最大频率范围。
② 信道容量 是指单位时间内信道所能传输的最大信息量，它表征信道的传输能力。
信道容量有时也表示为单位时间内最多可传输的二进制数的位数 (b/s)
一般情况下，信道带宽越宽，则信道容量就越大，单位时间内信道上传输的信息量就越多，传输效率也就越高。信号传输速率受信道带宽的限制。
以下两个定理，分别从不同角度描述了这种限制：
③ 奈奎斯特准则在理想信道情况下，信道的容量为：
C＝ 2 F log2N
式中 F为信道带宽,N为信号的状态个数,C
为信道容量 (最大传输速率 )，即每秒所能传输的最大比特数为：
C＝ 2 F log2N (bps)
④ 香农定理：
在随机噪声 (高斯白噪声 )干扰的信道中传输数字信号，信道容量为：
C＝ F log2(1＋ S/N)
香农定理描述了在有限带宽、随机噪声分布的信道中，最大的数据传输速率与信道带宽的关系。
奈奎斯特定理和香农定理给出的是信道容量，即信道的最大传输速率的极限值，实际上很难达到该值。
例 3．电视信道带宽为 6MHZ,理想情况下，
如果数字信号取 4种离散值，那么可获得的最大传输速率是多少？
C= 2*6M*log24=24Mbps
例 4,带宽为 4KHZ,如果有 8种不同的物理状态表示数据，信噪比为 30dB。那么按奈氏准则和香农定理计算，分别计算其最大限制的数据传输速率。
① C＝ 2 F log2N=2*4K*log28=24Kbps
② 分贝（ dB）的计算是,10lgS/N 即本题为,10lgS/N=30 则,S/N=103
C＝ F log2(1＋ S/N)= 4K*log21001=40Kbps
4,数据通信过程
① 通信线路的建立阶段
② 数据传输链路的建立阶段
③ 数据及控制信息的传输阶段
④ 数据传输链路的拆除阶段
⑤ 通信线路的拆除阶段
1 并行通信和串行通信
在计算机内部各部件之间,计算机与各种外部设备之间,计算机与计算机之间,
按信息传输的时空顺序不同存在两种通信方式,并行通信和串行通信 。
2。 2 通信方式
并行通信,通常用于计算机内部各部件之间或近距离设备之间的数据传输。
串行通信,常用于计算机与计算机或计算机与终端之间远距离的数据传输。
并行通信 串行通信发送设备接收设备
0
1
1
0
1
0
0
1
接收设备发送设备
01
1
0
1
0
0
1
01
1
0
1
0
0
1
01101001
2 单工通信,半双工通信和全双工通信
数据在通信线路上传输是有方向的 。 根据数据在线路上的传输方向和特点,有单工通信,半双工通信和全双工通信三种通信方式 。
单工通信,在通信线路上,数据只可按一个固定的方向传送而不能进行相反方向传送的通信方式 。 例如广播,遥控通信 。
半双工通信,数据可以双向传输，但不能同时进行，在任一时刻只允许在一个方向上传输主信息的通信方式。
全双工通信,可同时双向传输数据的通信方式。
发送设备 发送设备数据流
(a)单工通信发送设备 数据流
(b)半双工通信接收设备发送设备接收设备数据流发送设备
(c)全双工通信接收设备接收设备发送设备数据流信息传输方向不同的三种通信方式数据流
在数据通信系统中，根据发送端和接收端的连接方式及信息传输信道区分，
相应地有点到点通信和广播式通信的通信方式。
3 点到点通信和广播式通信
点到点通信,是由一条通信线路把两个
DTE连接起来构成的通信方式，也叫端到端式通信。
广播式通信,是指系统中多个端点共享一个通信信道，一个端点发出信息，其他端点接收信息的通信方式。该通信方式中的信息是单向传输的。
2。 3 数据传输技术
1,基带传输,频带传输和宽带传输
(1)基带传输
基带信号,由计算机或终端等数字设备产生的、未经调制的数字数据相对应的原始信号
(方波脉冲 )。基带信号通常呈矩形波形式，
它所占据的频率范围通常从直流到高频的频谱，范围宽。
基带,基带信号所占有的频率范围
基带信道,与基带信号频谱相适应的信道
基带传输,在基带信道中直接传输这种基带信号的传输方式。
基带传输的特点,基带通信是一种最简单、
最基本的传输方式，它适合于传输各种速率要求的数据。基带传输过程简单，设备费用低，适合于近距离传输。
(2) 频带传输：
频带信号,基带信号变换 (调制 )成的便于在模拟信道中传输的、具有较高频率的信道信号。
频带传输,在信道中传输频带信号的传输方式。
在远距离传输中通常不采用基带传输而采用频带传输方式。
(3) 宽带传输
宽带是指比音频带宽更宽的频带，它包括大部分电磁波频谱。利用宽带进行的传输称为宽带传输。
宽带传输系统可以是模拟或数字传输系统，它能够在同一信道上进行数字信息和模拟信息传输。宽带传输系统可容纳全部广播信号，并可进行高速数据传输。
在局域网中，存在基带传输和宽带传输两种方式。
基带传输的数据速率比宽带传输速率低。
一个宽带信道可以被划分为多个逻辑基带信道。
宽带传输能把声音、图像、数据等信息综合到一个物理信道上进行传输。宽带传输采用的是频带传输技术，但频带传输不一定是宽带传输。
2,信源编码技术
信源编码是把从信源或其他设备输出的数据作相应的变换，其目的就是使之便于在相应的信道上有效地传输。模拟数据可以用模拟信号载荷，也可以用数字信号载荷；
同样，数字数据可以用数据信号载荷，也可以用模拟信号载荷。
这样就构成了四种方式，所对应的四种数据信息编码为：
模拟数据的模拟信号编码
数字数据的模拟信号编码
数字数据的数字信号编码
模拟数据的数字信号编码
(1) 数字数据的模拟信号编码前面提到,在计算机网络的远程通信中通常采用频带传输 。 若要将基带信号进行远程传输,要先将其变换为频带信号 （ 即模拟信号 ）,再在模拟信道上传输 。 这个变换就是数字数据的模拟信号编码过程 （ 即调制过程 ） 。
调制,就是利用基带信号对模拟载波信号的某些参量进行控制,使这些参量随基带信号的变化而变化的过程 。
解调,调制的逆过程 (把从信道上接受到的模拟信号变换为数字数据 )。
调制后的信号叫已调信号,它包含了调制信号的所有信息 。
通常采用的调制方式有三种：
(1)幅度调制 AM(或幅移键控 ASK)
(2)频率调制 FM(或频移键控 FSK)
(3)相位调制 PM(或相移键控 PSK)
设载波信号为正弦交流信号 f(t)＝
Asin(?t+?)。此处 A是幅度,?是角频率，
是相位。
ASK（幅移键控）：就是利用基带脉冲信号对模拟载波信号的幅度进行控制，
使其随基带脉冲的变化而变化，频率和相位均不变。
其实现方法有：乘法器和键控开关。
ASK技术简单，实现容易，但抗干扰能力较差。
ASK
基带脉冲载波载波信号,基带脉冲及 ASK调制波形
FSK(频移键控 )：利用基带脉冲信号对模拟载波信号的频率进行控制，使其随基带脉冲的变化而变化 (通过改变载波信号的角频率来表示数字信号中的,1”和,0”)，幅度和相位均不变。
FSK由键控方法实现，利用数字信号控制开关对两个不同的独立载波频率源进行选通。
FSK技术较简单，实现较容易，抗干扰能力较强。是目前较常用的调制方法。
FSK
基带脉冲载波
1 0 1 1 0 0 1 0
载波信号,基带脉冲及频率调制波形
PSK(相移键控 )：利用基带脉冲信号对模拟载波信号的相位进行控制，使其随基带脉冲的变化而变化 (通过改变载波信号的相位值来表示数字信号中的,1”和,0”),幅度和频率均不变。相移键控又有绝对相移键控和相对相移键控，在模拟通信中，为了提高数据传输速率，常采用多相调制方法。
PSK
基带脉冲载波
1 0 1 1 0 0 1 0
载波信号,基带脉冲及相位调制波形
(2) 数字数据的数字信号编码
数字数据的数字信号编码问题就是要解决数字数据的数字信号表示问题。数字数据可以由多种不同形式的脉冲信号的波形来表示。主要形式有单极性全宽码和归零码、
双极性全宽码和归零码、曼彻斯特码和差分曼彻斯特码。
单极性全宽码和归零码判决门限 判决门限取样时间
(a)单极性全宽码取样时间
(b)单极性归零码单极性全宽码和归零码判决门限取样时间判决门限
(a) 双极性全宽码取样时间
(b) 双极性归零码双极性全宽码和归零码双极性全宽码和归零码曼彻斯特编码曼彻斯特编码 的规律是：在每一个码元时间间隔内，电平都有一次跃变：当发送信息,0”时，在间隔的中间时刻电平从高向低跃变；当发信息,1”时，在间隔的中间时刻电平从低向高跃变。该跃变既可作为时钟信号，又可作为数据信号。
1 0 1 0 0 1 1 0
曼彻斯特编码差分曼彻斯特码 的规律是：在每一个码元的中间时刻,电平都有一次跃变：发送信息,1”时,间隔开始时刻不跃变；
发送信息,0”时,间隔开始时刻有跃变 。
该跃变仅作为时钟信号 。
差分曼彻斯特编码
0 1 0 1 1 0 0 1
差分曼彻斯特编码
(3) 模拟数据的数字信号编码
模拟数据经过调制后可实现模拟信号的数字化传输。
常用的这种调制方法有脉冲编码调制
(PCM)和增量调制 (?M)。
利用 PCM对音频信号进行数字化编码,
一般包括三个过程：取样,量化和编码 。
取样,指在每隔固定长度的时间点上抽取模拟数据的瞬时值，作为模拟数据的代表值。这是把连续信号变为离散信号的关键一步。
取样要求符合取样定理：当取样的频率 F
大于或等于模拟信号的频率宽度 f 的两倍时 (F≥2f)，所得的离散信号可以无失真地代表被取样的模拟数据。
量化,是把取样得到的不同的离散幅值，
按照一定的量化级转换为对应的数据值，
并取整数，得到离散信号的具体数值。
量化级数一般为 2的整数次幂，如 64,128,
256等。量化级别越高，表示离散信号的精度越高。
编码,是将量化后的离散值转换为一定位数的二进制数值。
量化级别越高，需要二进制数码的位数越多。
PCM调制过程如下图：
011 000 001 010 101 111 110 100
PCM编码过程取样量化编码
3,多路复用技术
多路复用,利用一条物理信道同时传输多路信息的过程。这是 共享信道 的应用。
多路复用技术能把多个信源信号组合在一条物理信道上传输，使多个计算机或终端设备共享信道资源，提高信道的利用率。
多路复用技术包括复用、传输和分离三个过程。实现多路复用功能的设备叫 多路复用器 。复用器成对使用。
。。。
多路复用器
n
个输入
。。。
多路复用器
n
个输出
1 条线路多路复用原理图
n 个信道
多路复用技术应用在共享式信道上。
多路复用技术 通常有 频分多路复用、时分多路复用、波分多路复用 和 码分多路复用 等。
(1) 频分多路复用 (FDM)
频分多路复用,就是将具有一定带宽的信道分割为若干个有较小频带的子信道，每个子信道供一个用户使用。这样在信道中就可同时传送多个不同频率的信号。
频分多路复用实现的条件 是信道的带宽远远大于每个子信道的带宽
采用频分多路复用时数据在各子信道上是并行传输 的。由于各子信道相互独立，故一个信道发生故障时不会影响其他信道。
FDM信号是频带信号。
被复用的信号是模拟的，但信源信号可以是模拟的，也可以是数字的。不同的信号在进入频分复用信道前要做相应变换，使之成为模拟信号。
f
t
...
子信道 n fn
子信道 3 f3
子信道 2 f2
子信道 1 f1
警戒频带信道带宽频分多路复用
(2) 时分多路复用 (TDM)
时分多路复用,是将一条物理信道的传输时间分成若干个时隙，把这些时隙轮流地给多个信号源使用，每个时隙被复用的一路信号占用。这样，当多路信号准备传输时，一个信道就能在不同的时隙传输多路信号。
A B C D A B C D A BC D A B C D
f
t
子 信 道 A 的 间 隙信道带宽时分多路复用
时分多路复用实现的条件 是信道能达到的最高传输速率超过待传输的各路信号的传输速率之和。
时分多路复用又可分为 固定时分多路复用和统计时分多路复用,或叫同步时分多路复用 (STDM)和异步时分多路复用
(ATDM) 。
① 同步时分多路复用 (STDM)：
采用固定的时隙分配方式：即把信道中的各时隙以固定的方式分配各信源，每路信号固定占用每帧一个时隙。无论信源是否有数据传输，都要占用一个时隙。而有的信源有大的信息量要发送，也只能依次轮流分得时隙而不能利用其他的空闲时隙。
因此这种方式的效率较低。
② 异步时分多路复用 (ATDM)：
动态地分配时隙，它将每帧中的时隙只分配给那些需要发送数据的信源。对没有数据发送的信源，就不分配时隙。但因该方式的时隙序号与信道序号之间不存在一一对应关系，为此要求在发送数据中要加入信道号、双方地址等标识，以便达到同步要求。
(3) 码分多路复用 (CDM)
码分多路复用,是一种用于移动通信,
无线计算机网络以及移动性计算机联网的复用技术 。 笔记本电脑,掌上电脑,
手机等移动性设备的通信将会大量使用码分多路复用技术 。
CDM的复用原理是 基于码型分割信道 。每个用户分配有一个地址码，而这些码型互不重叠，以区分每个用户。信道的频率和时间资源均为各用户共享。因此，在频率和时间资源紧缺的情况下,CDM技术的优势突现,CDM已受到人们的普遍关注。
CDM的基础是移动通信中的 扩频技术 。
扩频就是利用扩频编码发生器产生的伪随机码对基带信号进行扩频调制，形成远大于原信号带宽的范围的码。在接收端，用相同的伪随机码所扩频解调，即压缩其频带，将信号恢复成原基带信号。
不同码型的用户得到不同的扩频编码，这些扩频编码就可以同时使用同一频率进行通信，互不干扰。
发送者可用不同的扩频编码分别向不同接收者发送数据，同样，接收者也可使用不同的扩频编码接收不同发送者的数据，实现多址通信。
码分多路复用技术具有抗干扰能力强和通信隐蔽性好等优点。
抗干扰能力强,信号带宽扩展多少倍，在相同干扰强度下，噪声功率也需扩展多少倍，这就相当于噪声功率不变时干扰强度只是原来的多少分之一。
隐蔽性好,信号频带变宽，单位频带内的信号功率变小，隐藏或淹没在噪声中，通信隐蔽。
(4) 波分多路复用 (WDM)
波分多路复用,是在一根光纤上能同时传送多个波长不同的光载波信号的复用技术。
通过 WDM，将光纤信道分为多个波段，
每个波段传输一种波长的光信号，这样在一根光纤上可同时传输多个不同波长的光信号。
光信号具有不同波长，波分多路复用利用了衍射光栅来实现不同光波的合成和分解。
发送端的波分复用设备叫合波器，它将不同信道的信号调制成不同波长的光，并复用到一条光纤信道上。接收端的波分复用设备叫分波器，它分离出不同波长的光信号,分送给不同的信道。
频分多路复用时分多路复用波分多路复用码分多路复用多路复用固定时分多路复用统计时分多路复用多路复用的类型
4,同步技术
同步,统一收发两端动作,保持收发步调一致的过程 。 接收方按照发送方发送信息的重复频率和起止时间来接受数据 。
数据通信系统能否可靠而有效地工作,
在很大程度上依赖于是否能很好实现同步 。
同步形式：位同步、字符同步和帧同步。
常用的数据传输的同步方式有异步式同步和同步式同步。两者的区别在于发送端和接收段的时钟是独立的还是同步的。
前者有位同步和字符同步形式，后者有位同步、字符同步和帧同步形式。
异步传输 是指同一个字符内相邻两位的间隔是固定的，而两个字符间的间隔是不固定的，即所谓字符内同步，字符间异步。
异步传输是面向字符的，每个字符独立传输。异步式同步方式又称起止式同步。
异步传输不需在发收两端间传输时钟信号，
实现简单，但传输效率较低。
0 1 0 0 0 0 0 1 0
起始位校验位停止位一个字符七位信息位异步方式的同步过程字符 1 字符 2 字符 3 字符 4
字符间隔
同步传输 可以面向字符，也可以面向比特。
面向字符时数据以字符为单位传输，多个字符构成一个字符组 (串 )，由一个或几个同步字符 (如 SYN)为组头和组尾做同步标识；接收方识别出 SYN后，即可接收数据组，直至组尾。
面向比特时，数据由任意比特组成数据块 (帧 )，在每个数据块的前后加上起始和结束标志序列 (0111110)，以固定时钟节拍串行发送数据。接收端要建立与发送端一样的时钟，才可便于实现同步。
同步传输时，发送端以固定的时钟信号频率串行发送数据，每比特与时钟严格对应；
因接收端有与之一样的时钟，接收端可从接收的数据中区分出每个比特，达到同步目的。
远距离传输时，接收端可从数据流中提取同步时钟，从而实现位同步，这就是内同步或自同步。
标志位 标志位任意组合的比特流
01111110 正 文 01111110
S S 字 字 字 S
Y Y 符 符 符 Y
N N 1 2 N N
… … …
(a) 字符同步
(b) 帧同步同步传输一组（串）字符
异步传输方式 不需要在发送端和接收端之间传输时钟信号,而是靠它的起始位和停止位来确定的 。 因此实现简单,控制容易,如果出现错误,只需重发一个字符即可,但传输效率较低,开销大 。
适于低速率场合 。
同步传输方式 的传输效率高,开销小,但收发双方需建立同步时钟,实现和控制比较复杂；在传输的数据中有一位出错,就必须重新传输整个数据块 。 同步传输方式适合于高速场合 。
按数据传输的时空顺序区分并行通信串行通信按线路上数据传输的方向区分单工通信半双工通信全双工通信按线路连接方式和信息方向区分点到点通信广播式通信按信道中传输的数据形式区分基带通信频带通信按数据传输所使用的同步方式区分同步通信异步通信数据通信方式
2,4 数据交换技术
1,数据交换的概念
数据交换 是指在任意拓扑结构的通信网络中，通过网络节点的某种转换方式实现任意两个或多个系统之间的连接。
数据交换 是多节点网络中实现数据传输的有效手段。
数据交换通过中间网络实现，这个中间网络只为数据从一个节点到另一个节点直至到达目的点提供交换的功能。这个中间网络也叫 交换网络,组成交换网络的节点叫交换节点，一般的交换网络都是通信子网。
按交换原理区分，数据交换有 线路交换,
存储交换 和 混合交换 。
而具体实现的交换技术有,线路交换,
报文交换,报文分组交换,ATM交换,帧中继交换 等。
2,线路交换
线路交换 是数据通信领域最早使用的交换方式,多用于电话网络交换 。 线路交换就是要通过中间交换节点在两个站点之间建立一条专用的通信线路 。
利用线路交换进行通信包括 建立线路,
传输数据和拆除线路 三个阶段 。
建立线路,源点向网络发送带目的点地址的请求连接信号 。 该信号先到达连接源点的第一个交换节点,该节点根据请求中的目的点地址,按一定的规则将请求传送到下一个节点；依此类推,直到目的点 。 目的点接到请求信号后,若同意通信,从刚才的来路返回一个应答信号,此时,源木节点之间的线路即已建成 。
传输数据,源点在已建立的线路上发送数据和控制信息,直至全部发送完毕 。
拆除线路,源点数据发送完毕,且目的点也正确接收完毕,就可由某一点提出拆线请求,拆除原来建立的线路 。
B
C
通信双方物理信道的建立
H1 H2
A D
线路交换方式的特点,用户就可以固定的速率传输数据,中间节点也不对数据进行其他缓冲和处理,数据不丢失,不乱序,
传输可靠,传输实时性好,透明性好 。 但该方式线路建立时间延迟较大,传输效率较低；线路建立后即为专用线路,线路利用率低；不具备数据存储和差错控制能力 。
3,存储交换
存储交换 的过程 (原理 )是：交换节点将输入的信息先在存储区暂存，并对存储的信息进行处理，待指定输出线空闲时，再分别将信息转发出去。交换设备可控制输入信息存入缓冲区等待出口的空闲，接通输出并传送信息。
输出输入缓冲存储信 息处 理和转 发 …
交换节点存储交换原理图
…
存储交换方式,具有均衡负荷,不需建立线路,线路利用率高,差错控制,速率匹配,灵活性好等优点 。 但其实时性不好,网络传输延迟大 。 适用于对一些实时性要求不高 (如计算机数据处理 )的场合 。
4,混合交换
近几年出现了综合线路交换和分组交换的高速交换方式，也叫混合交换。
混合交换 采用动态时分复用技术，将一部分带宽分配给线路交换用，而将另一部分带宽分配给分组交换用。这两种交换所占的带宽比例也是动态可调的,以便使这两种交换都能得到充分利用，提供多媒体传输服务 。
典型的 ATM(异步传输模式 )交换、
DQDB(分布式队列双总线 )交换等均属混合交换,帧中继 (FR)交换也是近年来发展起来的高速交换技术。
5,报文交换
报文交换过程,发方把待传送的正文信息再加上相应的控制信息形成一份份报文；再以报文为单位送到各节点；交换节点在接收报文后进行缓存和必要的处理；待指定输出端线路和下一节点空闲时，再将报文转发出去，
直到目的节点；目的节点将收到的各份报文中的正文信息交付给收端 DTE。
报文交换方式是 以报文为单位 交换信息。
每个报文包括三部分：报头、报文正文和报尾。报头通常由报文编号、发送端地址、
接收端地址及报文起始、数据起始和结束标志等控制信息组成。报尾通常包括差错控制信息等。
6,报文分组交换
报文分组交换 简称分组交换 (包交换 )。
报文分组交换方式是把信息正文再分成若干个正文组,每个组再加上相应的头部和尾部控制信息,就形成了报文分组,
在线路和节点上是以报文分组为单位进行存储,处理和转发的 。
在原理上，分组交换技术类似于报文交换，
只是它们的数据单位不同。报文分组交换中规定了分组的长度。通常分组的长度小于报文交换中报文的长度。如果站点的信息超过限定的分组长度，该信息必须被分为若干个分组。
与报文交换相比,报文分组交换 有如下特点：
① 利用节点主存进行存储转发，不需访问外存，处理速度加快，降低了传输延迟；
② 较短的信息分组，其下一节点和线路的响应时间也较短，可提高传输速率；
③ 短信息传输中出错的概率小，即使有差错重发的也只是一个分组，提高了传输效率；
④ 分组交换的数据报形式可使多个分组在网络的不同链路上并发传送，提高传输效率和线路利用率；
⑤ 可大大降低对节点存储容量的要求。
⑥ 分组交换要进行组包、拆包和重装过程，
增加了报文的加工处理时间。
报文分组交换 技术是由数据报分组和虚电路分组两种传输方式实现的。
数据报传输 是一种面向无连接的传输方式；
虚电路传输 是一种面向连接的传输方式。
数据报分组交换,数据报传输类似于邮政系统的信件投递。每个分组都携带完整的源、目的节点的地址信息，独立地传输。
每经过一个中间节点时，都要根据目标地址、网络流量及故障等网络当时的状态，
按一定路由选择算法选择一条最佳的输出线，直至传输到目的节点。
虚电路分组交换,虚电路传输是一种面向连接的交换服务。它将电路交换和数据报交换结合起来。在发送分组前，要先建立逻辑连接 —虚电路。但与电路交换不同处：一是虚电路交换建立的不是专用线路而是一个逻辑通路，其他分组仍可使用该通路上的各段链路；二是分组在各节点仍要存储转发，但不必做路由选择。
数据交换类型报文交换报文分组交换
ATM交换
DQDB交换
……
线路交换存储交换混合交换数据交换 数据报分组虚电路分组流向时间
A B C D
流向时间
A B C D A B C D
流向时间组 1
组 3
组 2 组 1
组 3
组 2 组 1
组 3
组 2
几种交换方式的比较
几种交换方式的比较：各种交换在数据传输阶段均有传输 时延和传播时延 。
电路交换时建立线路时有传输时延,传播时延和节点时延,但在数据传输阶段就不存在节点时延；
报文交换时节点时延较大；
数据报分组交换时,节点时延明显减少；
虚电路交换时,建立虚电路有传输时延,传播时延和节点时延,在数据传输阶段也存在节点时延 。
2,5 差错控制技术
1,差错及差错控制概念
差错,就是在通信接收端收到的数据与发送端实际发出的数据不一致的现象 。
差错产生的原因,信道频率特性不理想形成的码间串扰 --乘性干扰和系统中各种噪声引起的误码 --加性干扰 。
为了保证通信系统的传输质量,降低误码率,
要采取差错控制措施 。
差错控制,为防止由于各种因素引起的信息传输错误或将错误限制在所允许的范围内而采取的措施 。
噪声有两大类,随机噪声和冲击噪声 。 随机噪声引起 随机差错 ；冲击噪声引起 突发差错
随机噪声,是通信信道上固有的,持续存在的噪声,如线路本身电气特性随机产生的信号幅度,频率,相位的畸变和衰减,电气信号在线路上产生反射造成的回音效应,
相邻线路之间的串扰等 。
冲击噪声,是由外界某种原因突发产生的噪声,如大气中的闪电,电源开关的跳火,
外界强电磁干扰,电源的波动等 。
2,差错控制方法
(1) 检错重发方法反馈信道前向信道检错码编码器信源发送器接收器检错码译码器信宿噪声源
ARQ方法原理图重发控制反馈控制
(2) 前向纠错方法：
前向信道纠错码编码器信源发送器接收器纠错码译码器信宿噪声源
FEC方法原理图
(3) 反馈检错方法,接收端将收到的信息码原封不动地发回发送端，与发送端中的原发信息码相比较，如果有不一致，发送端重发。
(4) 混合纠错方法,将反馈重发检错和前向纠错两种方法结合结合在一起可进行混合纠错。
几种差错控制方法的特点
ARQ方法,容易实现，设备简单，但要有反馈信道，信道质量差时反馈次数增多，影响传输效率和信息的连续性。
FEC方法,优点是发送时不需存储，不要反馈信道，缺点是译码设备复杂，纠错码与信道干扰情况相关。
混合纠错方法,介于 ARQ和 FEC之间。
反馈检错方法,方法、原理和设备均简单，
但要有双向信道，且每个信息码均要至少发送两次，传输效率低。
实际中使用最多的还是 ARQ方法。
(1) 信道编码原理及类型
发送端利用信道编码器对信息序列进行某种变换 (常用方法是在原信息序列后增加一些相应的二进制码,称为冗余码或监督位 )，
使原来彼此独立的,没有相关性的信息码之间产生某种相关性,接收端据此来检查和纠正传输信息序列中的差错 。
3,信道编码
差错控制编码,以一定方式在信息码中加入冗余码的过程 。
差错控制编码包含监督位,具有一定冗余度,冗余度为零的编码无抗干扰能力 。
通常,信道编码有奇偶校验码,等比码,
正反码,汉明码和循环冗余校验码等
差错控制编码按抗干扰能力可分为 检错码和 纠错码 两类；按对信源输出的信息的处理方式分有 分组码 和 卷积码 两类；按信息码与冗余码之间的关系,可分为 线性码 和非线性码 两类 。
检错码 是能够自动发现错误的编码。
纠错码 是能够发现错误且又能自动纠正错误的编码。
① 奇偶校验码
奇偶校验码是一种最简单的检错码。其检验规则是：在原数据位后附加校验位
(冗余位 )，使得在附加后的整个数据码中的,1” 的个数成为奇数或偶数，就分别叫做奇校验或偶校验。
(2) 常用的差错控制编码
奇偶校验的过程 是首先将要传送的数据分组，一般都按字符分组，即一个字符或若干个字符构成一组，在每一组后增加一位或几位校验位，校验位的取值就根据对该组进行位,1”或位,0”的奇校验或是偶校验的要求而定。
信息比特编码字母 7 6 5 4 3 2 1
校验位
A 1 0 0 0 0 0 1 0
B 1 0 0 0 0 1 0 0
C 1 0 0 0 0 1 1 1
D 1 0 0 0 1 0 0 0
E 1 0 0 0 1 0 1 1
F 1 0 0 0 1 1 0 1
G 1 0 0 0 1 1 1 0
校验位 1 0 0 0 0 0 0 1
水平奇偶校验码表
奇偶校验 有水平奇偶校验、垂直奇偶校验、水平垂直奇偶校验和斜奇偶校验。
奇偶校验的特点,检错能力低，只能检测出奇数个码错，可以有部分纠错能力。
这种检错法所用设备简单，容易实现 (可以用硬件和软件方法实现 )。
② 正反码
正反码中信息位数目与冗余位数目相等。
当信息位有奇数个,1”时，冗余位与信息位相同；当信息位有偶数个,1”时，
冗余位与信息位相反。
编码过程,如正反码码长 n=10，其中信息位 k=5，监督位 r=5。若信息码为
10011，则监督码为 10011，所组成的正反码为 1001110011；若信息码为 10010，
则监督码为 01101，所组成的正反码为
1001001101。
译码过程：
① 将接收的 n位码用信息位和监督位按位进行异或,得到一个 k位的 合成码 ；
② 利用合成码产生一个 校验码 。 若信息位中有奇数个,1”,则合成码即为校验码；若信息位中有偶数个,1”,则合成码的反码为校验码；
③根据校验码中,1”的个数进行判决和纠错
校验码若为全,0”,则表示无差错；
校验码中若四个,1”,一个,0”,则说明信息位中有一位差错,其位置对应于校验码中,0”的位置；
校验码中若四个,0”,一个,1”,则说明冗余位中有一位差错,其位置对应于校验码中,1”的位置；
其它情况 时 说明差错在两位或两位以上。
如发送码为 1001110011,接收到的也是它,
则合成码为 10011⊕ 10011=00000；由于接收码中信息位有奇数个,1”,则校验码也为 00000,所以可确定接收无差错；若接收 码 变 为 1101110011,则 合 成 码 为
11011⊕ 10011=01000,由于接收码中信息位有偶数个,1”,则校验码为合成码的反码,
即 10111,由此可判断信息位的第 2位出错 。
若接收码错成 1010110011,则合成码为
10101⊕ 10011=00110,校验码也是 00110，
则可判断出有两位或两位以上码错 。
可见,这种码长为 10位的正反码具有纠正一位错码的能力和具有检测出全部两位及两位以上差错的能力 。 但 正反码的编码效率低,只适用于信息位较短的场合 。
③ 循环冗余校验码
循环冗余校验码 也叫 CRC码 。它是由要传送的 k 位信息后附加一个 r 位的校验序列构成，并以该循环码进行发送和传输。
CRC码有着严密的数学基础，是在多项式代数运算基础上建立起来的。
码多项式：
二进制码中的各位可看作是一个多项式的系数，如码 110101的对应多项式为：
1x5+1x4+0x3+1x2+0x+1= x5+ x4+ x2+1
应用 CRC码时，要进行码多项式运算。码多项式运算是按系数异或运算规则进行的。
设 K(x)为 k位信息码多项式,G(x)为 r阶 (r+1)
位生成码多项式,R(x)为 r位余式，就是校验码多项式。则最后得到的待传送的 CRC
码的 k+r位多项式 -- K(x)+ R(x)，其对应的二进制码即为 CRC码。
CRC校验码编码过程
取 k位信息码，再将其左移 r位，得到 k+r
位二进制码；
用生成码去模 2除 (异或 )该二进制码，得到 r为余数。该余数即为所得校验码；
将该校验码加在原信息码后，就构成待传输的 k+r位 CRC码 (信息码加校验码 )。
CRC码的译码过程
接收端译码要求有两个：检错和纠错 。
检错：原理和操作都很简单 。 以生成多项式 G(x)对应的代码去模 2除收到的代码,
即 T’(x)对应的代码,若余数为 0,则说明传输过程无差错,否则有差错 。
纠错：收端的纠错操作也不复杂 。 如果有差错,要先确定一个差错模式 e(x),则有：
T(x)=T’(x)+e(x)
T(x)和 T’(x)分别为发送码和接收码的多项式 。
e(x)即为 T’(x)/G(x),求得 e(x),即可知道差错,进而就可以纠错了 。
CRC编、译码实例
若待传输的信息序列为 1001001,生成多项式为 G(x)＝ x3+x2+1,求 CRC码的检 验 序 列 码,并 验 证 收 到 的 码 字
1001001111的正确性 。
编码,信息序列 1001001对应的 码多项式为 K(x)＝ x6+x3+1
xr.K(x) ＝ x9+x6+x3,对应的代码为
1001001000 (相当于信息码左移 3位 )
生成多项式 G(x)＝ x3+x2+1 对应的代码为
1101
1 0 0 1 0 0 1 0 0 01 1 0 1 1 1 0 1
1 0 0 01 1 0 1
1 0 1 01 1 0 1
1 1 1 11 1 0 1
1 0 0 01 1 0 1
1 0 1 01 1 0 1
1 1 1
1 1 1 1 0 1 1
编码结果,得到检验序列 111。 因此传输的代码序列为 1001001111,码多项式为 T(x)。
译码,如收到的代码为 1001001111,则用其除以生成多项式对应的代码 1101,得余数为 0(读者自己验证 )。 说明信息在传输过程中没错,将最后的 r位校验位码,111”去掉,就得到信息码 1001001。
为,译码并纠错,若收到的 T’(x)代码为
1001001101,按原过程计算,将其除以生成多项式对应的代码 1101,得余数为 10(如下页 )。 这就说明传输有差错,差错 e(x)=x，
其代码为 10。
将其纠正 1001001101+10=1001001111
1 0 0 1 0 0 1 1 0 11 1 0 1 1 1 0 1
1 0 0 01 1 0 1
1 0 1 0
1 1 0 1
1 1 1 1
1 1 0 1
1 0 1 0
1 1 0 1
1 1 1 1
1 1 0 1
0 1 0
1 1 1 1 0 1 1
CRC码的特点
CRC码的编码和译码过程可由软件 实现,
也可由硬件方式实现,如可用移位寄存器和半加器来实现 。
理论证明,循环冗余检验码能够检验出：
全部奇数个错,全部偶数位错和全部小于,
等于冗余位数的突发性错误 。
由以上分析可知，只要选择足够的冗余位，
就可以使得漏检率减少到任意小的程度。
广泛使用的生成码多项式主要有以下四种
– CRC12＝ x12+x11+x3+x2 +x +1
– CRC16＝ x16+x15+x2+１ (IBM公司 )
– CRC16＝ x16 +x12+x5+１ (ITU-T)
– CRC32＝ 32+x26+x23+x22+x16++x11+x10+
x8+x7 +x5+x4+x2+x+1
