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数据通信基础

适用班级：

网络工程师

主讲：

刘琳芳

网络工程师考4-10分（早上试题）

贵州·贵阳

目录

1.1基本概念1

1.1.1模拟和数字信号1

1.1.2数据通信的主要性能指标2

1.1.3传输模式2

1.1.4数据通信方式2

1.2数据通信理论基础4

1.2.1信道的容量4

1.2.2尼奎斯特定理4

1.2.3香农公式4

1.3传输介质4

1.3.1有线介质4

1.3.2无线介质5

1.3.3信道延迟5

1.4编码6

1.4.1数字—数字编码6

1.4.2数字—模拟编码9

1.4.3模拟—数字编码11

1.4.4模拟—模拟编码13

1.5传输技术13

1.5.1信道复用技术13

1.6差错控制技术15

1.6.1奇偶校验码15

1.6.2海明码15

1.6.3CRC码（循环冗余校验码）16

1.7物理层接口协议17

1.8历年试题18

1.1基本概念

数据通信系统的模型

图1-1数据通信系统的模型

⏹数据（data）——运送消息的实体。

⏹信号（signal）——数据的电气的或电磁的表现。

1.1.1模拟和数字信号

1.模拟信号：

是一种随时间推移而平滑变化的连续波形式，由三个要素来描述：

振幅、周期（或频率）和相位。

图模拟信号的三要素

振幅A：

波形上的点到达水平轴的最大距离。

反映了信号的强弱。

周期T：

信号完成一个完整波形重复所经历的时间，与频率f互为倒数。

相位：

用于描述起始信号时间点相对于时间轴零点的位置，不同的相位反映了波信号在时间轴上移动的距离。

2.数字信号：

是离散的物理量，只包含有限数目的固定值，从一个值到另一个值的变化是瞬时发生的。

图数字信号的表现形式

如图，高电平表示1，低电平表示0，垂直线表示信号从一个值到另一个值的瞬时变化。

1.1.2数据通信的主要性能指标

1.带宽

信道带宽：

或称介质带宽，传输介质在传送信号时能够传送电磁波的有效频率范围，单位是HZ，是介质的物理特性；

信号带宽：

某一信号所占据的频率范围；

基带信号：

来自信源的信号，通常分布在低频段（通常包含直流电）且未通过调制的信号。

带通信号：

使用调制方式把基带信号的频率范围搬移到较高的频段，以便在信道中传输的信号，即仅在一段频率范围内能够通过信道的信号。

2.信号传播速度

指信号在信道上每秒钟传送的距离，光在空气中的速度为3*108m/s，电缆中电信号的传播速度为光速的77%，约为2*108m/s；

3.码元：

在数字信号中，一个数字脉冲称为一个码元，一次脉冲的持续时间称为码元的宽度，在模拟信号中为一个完整的波形。

4.码元速率：

单位时间内信号波形的最大变换次数，即单位时间内通过信道的码元个数，单位叫波特，所以码元速率也叫波特率，单位B/S.

5.比特率：

单位时间内在信道上传送的数据量（即位数），其单位为bps或b/s。

一个码元如果有两种状态或两种离散值，则它可以表示0，1这两个数，即它可以携带1个比特，因为1个比特也只有这两种可能，0和1；一个码元如果有四种状态或四种离散值，则它可以表示00，01，10，11这四个数，即它可以携带2个比特，因为2个比特也只有这四种可能，00，01，10，11。

图1-4每码元携带1bit数据图

由此可以推出：

一码元携带比特数＝LOG2（状态数或离散数）

当一码元携带一比特时：

比特率＝波特率

当一码元携带n比特时：

比特率＝n×波特率

图1-5每码元携带2bit数据示意图

1.1.3传输模式

1.单向通信：

又称单工通信，即只能向一个方向的通信而没有反方向的交互。

2.双向交替通信：

又称半双工通信，通信双方都可以发送信息，但不能同时发送或接收，

3.双向同时通信：

全双工通信，即通信的双方可以同时发送和接收信息。

1.1.4数据通信方式

1．串行通信

串行通信是指将表示一定信息的数字信号序列按信号变化的时间顺序一位接一位地从信源经过信道传输到信宿。

如图1-6（a），串行传送数字信号10111010.。

优点：

只需要一条信道，通信线路简单、成本低，用于较长距离通信，

2．并行通信

是指将表示一定信息的数字信号序列按码元数分成n路（n通常为一个字长，比如8路、16路等），同时在n路并行信道中传输，信源一次可以将n位数据传送到信宿。

如图1-6（b），并行传送数字信号10111010.

并行通信特点是需要多条信道、通信线路负载、成本高，但是传输速率快且不需要外加同步措施就可以实现通信双方的码组或字符同步，多用于短距离通信，如计算机和打印机之间通过并行接口通信。

3．异步串行通信与同步串行通信

信源与信宿之间的同步是指，信宿收到一串信息后，要让信宿知道哪些是数据信息的起始位，哪些是信息的结束位，以便正确的恢复数据所携带的信息。

为使通信双方实现两点间的同步，在实际通信中处于OSI模型中的数据链路层会要求通信硬件或软件在给实际数据加上一些同步信息，使得通信双方的硬件是同保持一致，从而保证信宿正确的识别信源发过来的信息。

根据同步信息添加的方法不同，串行通信分为异步串行通信和同步串行通信两种。

1）异步串行通信

是指在以字符为通信单位的串行通信中，由硬件加在每一个字符的数据帧上几位数据位，作为同步信息，通常由起始位、数据位、校验位和停止位四部分组成，这些同步信息和原始字符的数据位一起构成一个数据帧进行传输。

（1）起始位：

当通信线路从空闲的标志状态（逻辑1）变为逻辑0电平，并保持一个位时长后，表示起始位到来，作用是唤醒接受设备准备接受数据。

（2）数据位：

有n个代表信息的二进制（多进制）码元（数据位）组成，n是一个字符的宽度，其长度取决于数据所采用的字符集，如ASCII码为7位，汉字码则为8位。

（3）校验位：

在数据位后面，用0或1表示，作用是对收到的数据是否出现差错进行检测。

不是必需的，可关闭或为空。

（4）停止位：

位于数据帧的尾部，其作用是表示一个字符传输完毕，对应于二进制数的1，用高电平表示，占用一到二个数据位，以确保数据线处于标志状态，等待下一个起始位的到来。

如图1-7（a），异步传ASCII码中A字符的数据帧格式（A是1000001表示，加入一位偶校验位）

2）同步串行通信

是指以数据块（即多个字符或二进制位串组成的数据）为传输单位并对其进行同步。

每个数据块的头部和尾部都要加一个特殊的字符或比特序列，分为面向字符和面向数据流两种传输方式：

在面向字符的方式中，每个数据块的头部用一个多个同步字符SYN来表示数据块的开始；而尾部用另一个字符ETX代办数据块的结束，如图1-7（b）。

在面向数据流的方式中，每个数据块的头部和尾部都用一个特殊的比特序列（如01111110）来标记数据块的开始和结束，如图1-7（c），在计算机局域网的通信中都采用面向位流的同步传输方式。

同步串行通信的优点是开销少、效率高，适合于较高速率的数据传输；缺点是整个数据块一旦有一位误传，就必须重传整个数据块。

1.2数据通信理论基础

1.2.1信道的容量

图数字信号通过实际的信道：

（a）有失真但可以识别（b）是失真大无法识别

限制码元在信道上的传输速率因素有以下两个：

（1）信道能够通过的频率范围

具体的信道所能通过的频率范围总是有限的，信号中一些高频分类往往不能通过信道，如上图（b），发送端的信号是一种典型的含有丰富高频分量的方波，在接收端收到的波形前沿和后沿变得不那么陡峭了，每一个码元所占的时间也变得模糊，这种现象叫码间串扰。

（2）信噪比：

即信号的平均功率和噪声的平均功率之比。

1.2.2尼奎斯特定理

尼奎斯特定理是指为了避免码间串扰，理想条件下（即无噪声）有限带宽信道的极限波特率。

若模拟信道的带宽为W，单位为HZ，若数字信道的带宽W：

bps，则奈奎斯特定理指出的最大码元速率为：

B=2W（Baud）

1.2.3香农公式

香农公式非理想条件下的公式,即有噪声信道的无差错的极限数据速率计算方法。

信道的极限信息传输速率C可表达为：

C=Wlog2（1+S/N）b/s

W为信道的带宽（以Hz为单位）；S为信道内所传信号的平均功率；N为信道内部的噪声平均功率。

S/N叫做信噪比，由于实际信噪比值较大，常用分贝数来表示，分贝与信噪比的关系为：

当S/N=（10）1/10时，1dB（分贝）＝10log10（S/N）

例子：

一个带宽为3KHZ、信噪比为30dB的信道，能够达到的极限数据传输率为__（7）__。

（7）：

A．12Kbps　　B．30Kbps　　C．56Kbps　　D．10Mbps

计算过程：

（1）计算信噪比：

30=10log10（S/N），得log10（S/N）=3，S/N=103=1000

（2）计算C。

c=Wlog2（1+S/N）=3000*log2（1+1000）≈3000*10=30Kbps

1.3传输介质

1.3.1有线介质

1.同轴电缆：

图同轴电缆结构模型

75欧同轴缆用于有线电视网络，为宽带同轴电缆，用于传输模拟信号。

50欧同轴缆用于局域网的数字信号传输，为基带同轴电缆，粗缆适合大型局域网，传输距离长，可靠性高。

造价高，安装难度大。

细缆安装简单，造价低。

2.双绞线

图双绞线结构模型

表几种不同的双绞线

类型

带宽

典型应用

3类

16MHZ

低速网络，模拟电话

4类

20MHZ

短距离的10BASE-T以太网

5类

100MHZ

10BASE-T以太网；某些100BASE-T快速以太网

超5类

100MHZ

100BASE-T快速以太网；某些1000BASE-T吉比特以太网

6类

250MHZ

1000BASE-T吉比特以太网，ATM

7类

600MHZ

可能用于今后的10吉比特以太网

3.光纤

光纤的纤芯是一种能传播光的石英玻璃或特制塑料拉成的柔软细丝。

包层是涂在纤芯外的一层折射率比光纤纤芯低的材料。

图光纤结构图

“模”是指光线的入射角。

多模光纤：

光线能从多种角度入射，通过不同光路传播，常见的有62.5/125μm和50/125μm两种，其中后面的数值125μm是指光纤的包层直径，前面的数值50μm和62.5μm是指光纤的纤芯直径，一般使用波长为850nm或1310nm的激光，以波长为850nm的激光最为常见。

单模光纤：

纤芯直径比多模光纤要小的多，常见规格是9/125μm，一般采用波长为1310nm或1550nm的激光，传播的光线基本是水平的。

单模光纤与多模光纤相比：

单模光纤有较高的传输率、较长的传输距离、较高的成本，较细的纤芯。

且单模光纤的光源采用激光光源，多模的可以采用二极管作光源。

1.3.2无线介质

1.无线电传输2.微波传输3.卫星传输4.红外线传输5.激光传输

1.3.3信道延迟

1、发送时延指主机或路由器发送数据帧所需要的时间，也就是从发送数据帧的第一个比特算起，到该帧的最后一个比特发送完毕所需要的时间。

2、传播时延指电磁波在实际信道中传播一定距离需要的时间，时间长短和两端距离有关，也与具体信道中的信号传播速度有关。

光在空气中的速度为3*108m/s，电缆中电信号的传播速度为光速的77%，约为2*108m/s，即500m同轴电缆的传播时延大约是2.5μm，而卫星信道的时延大约为270ms，这与源端和目的端的距离无关。

例题：

在相隔2000km的两地间通过电缆以4800b/s的速率传送3000比特长的数据包，从开始发送到接收完数据需要的时间是（19）。

如果用50kb/s的卫星信道传送，则需要的时间是（20）。

（19）A．480msB．645msC．630msD．635ms

（20）A．70msB．330msC．500msD．600ms

1.4编码

在进行数据通信时，必须将数据进行编码，转化为数字信号或模拟信号，以便在信道上传输。

图编码的分类

1.4.1数字—数字编码

图数字-数字编码的三类方法

1.单极性编码

脉冲的极性用电压的正负来表示，单极性编码只使用了电压的一极。

通常用正电压或负电压表示1，而用0电压来表示数据0.图中对应的数字数据是1010，1用高电压表示，0用零电压表示。

图单极性编码类型

优点：

实现简单

缺点：

直流分量不能通过某些不具备传输直流信号的载体，如微波；当信号不发生改变时，接收方无法知道每位的开始和结束。

2.极化编码

极化编码采用两个电压值：

正电压和负电压，减轻了单极性编码的直流分量问题。

图极化编码类型

1）非归零编码（NonReturn-to-Zero，NRZ）

在这种编码方式中，信号的电压值或正或负，若线路空闲则表示没有信号传输。

常见的的非归零编码有两种：

●非归零电平编码（NonReturn-to-Zero-Level，NRZ-L）

正电压代表位1，负电压代表位0。

图非归零电平编码

●非归零反相编码（NonReturn-to-Zero-Invert，NRZ-I）

信号电平的一次翻转代表位1，没有电平变化代表位0.

图非归零反相编码

NRZ-I相对NRZ-L的优点在于，每遇到1发生跳变，是一种同步机制。

但遇到多个连续0时，不能同步。

2）归零编码（Return-Zero，RZ）

归零编码使用三个电平，正电平，负电平和0电平。

正电平代表位1，负电平代表位0，在任何位中间，信号都归零。

图归零编码

优点：

有很好的同步机制。

缺点：

由于每位数据需要两次信号变化，因此编码的效率只有50%，即比特率是波特率的一半。

3）双相位编码

每位编码间隙发生改变，转向相反的极性，具有自同步功能，同时也有检错功能，若某一位中间没有翻转，则视为违例信号。

●曼彻斯特编码

一般情况下高电平到低电平的跳变代表0，低电平到高电平代表1.

图曼彻斯特编码

●差分曼彻斯特编码

位隙中间的跳变仅用于携带同步信息，不同位是通过在位起始位置是否有跳变来表示，位开始有跳变表示位0，无跳变表示位1。

图差分曼彻斯特编码

优点：

曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码都有很好的同步机制，也能解决直流分量问题。

缺点：

两种编码由于每位数据需要两次信号变化，因此编码的效率只有50%，即比特率是波特率的一半。

3.双极性编码

像归零编码一样，也是用三个电平值：

正电平、负电平和0.但与归零编码不同的是，0电平代表位0（或1），用正负电平交替代表另一位。

●伪3进制编码：

零电平代表位1，正负电平交替代表位0.

图伪3进制编码

●AMI（信号交替反转码），与伪3进制编码的规定刚好相反，零电平代表二进制0，正负电平交替代表位1.

图AMI进制码

虽然上述两种编码都提供了一定程度的同步能力，但是没有完全解决同步问题，只适于低速率的传输。

只需要一次电平变换就可以传输一个比特，编码效率达到100%。

4.mB/nB编码

mB/nB编码（moutofn，m

比较著名的有4B/5B编码、8B/10B编码等。

4B/5B编码在局域网中得到广泛应用。

4B/5B编码是将要发送的数据流每4位作为一个组，然后按照一定规则将其转换为相应的5位编码。

5位编码共有32种组合，只采用其中的16种数据码对应4位码，其他16中或不用，或作为控制码用于表示帧的开始和结束等。

4B/5B编码是在NRZ-I的基础上实现的。

表4B/5B编码部分码元对照表

代表符号

4B

5B

0

0000

11110

1

0001

01001

2

0010

10100

3

0011

10101

4

0100

01010

mB/nB的编码效率计算公式为m/n*100%。

由于m

如4B/5B编码和8B/10B编码效率均为80%。

1.4.2数字—模拟编码

数字—模拟编码是用模拟信号来表示数字数据。

如通过电话系统实现两个计算机之间的通信。

模拟信号如正弦波三要素振幅、频率和相位，当其中任一要素改变时，其波形就发生改变，即可以用原波形表示1，改变后的波形表示0，反之亦然。

在模拟传输中，发送设备产生一个高频信号作为基波来承载信号，这个基波称为载波信号或载波频率，接收设备调整自己的接收频率与载波信号一致。

数字信息通过改变载波信号的一个或多个要素被调制到载波信号上，载波信号的波形改变称为移动键控，调制后的信息信号称为调制信号。

图数字—模拟编码类型

1.幅移键控

ASK（AmplitudeShiftKeying，幅移键控）是通过改变振幅的大小来表示位0和1，而频率和相位不变。

一般用大振幅表示1，小振幅表示0

图幅移键控

该编码实现简单，但振幅易受干扰，抗干扰性差。

2.频移键控

FSK（FrequencyShiftKeying，频移键控）是通过改变信号的频率来表示位0和1，而幅度和相位不变。

该编码收到介质带宽的影响。

图频移键控

3.相移键控

PSK（PhaseShiftKeying，相移键控）是通过改变信号的相位来表示位0和1，而频率和振幅不变。

图二相位相移键控

为便于识别，PSK还可以使用星座表和星座图进行表示。

如图1-27（a）显示了相位值与位值的对于关系，也可称为星座表；图1-27（b）称为星座图或相位状态图。

（a）星座表（b）星座图

（a）4-PSK相移键控波形图

（b）星座表（c）星座图

图1-284-PSK（QPSK）相移键控

图1-298-PSK相移键控星座表与星座图

该PSK使用固定的基准相位，故称为绝对PSK，但由于它使用固定定基准相位作为参考，通信的过程中可能由于通信延时或线路干扰，造成接收方的参考相位发生变化（0相位变为π相位或π相位变为0相位），则恢复的数字信息就会发生改变，造成错误，这种现象叫“倒π”。

（2）DPSK（DifferentialPhaseShiftKeying差分相移键控）

与绝对PSK不同的是，DPSK同一个相位不一定代表相同的数字信号，是根据前后码元的相对相位来确定传输的数据。

假设与前一码元相位相同表示“1”，与前一码元相位差“π”来表示该码元为“0”。

图二相差分相移键控

4.正交调幅

QAM（正交调幅）编码是将ASK和PSK结合起来的一种编码方式。

如果相位上有m种变化，在振幅上有n种变化，则总共有m*n中信号模型。

图2振幅、2相位的4-QAM波形图

1.4.3模拟—数字编码

1.脉码调制PCM体制

模拟—数字编码是用数字信号来传输模拟数据，即模拟数据数字化。

如用计算机的录音软件录制声音，最后用数字信号的方式将模拟信号存储在硬盘中。

最常见的技术PCM（脉冲编码调制）技术。

包括三个独立过程：

采样、量化和二进制编码。

图a模拟数据图bPAM技术进行采样

图量化结果编程PCM单元图对PAM采样结果进行量化

如上图，量化后，如果有N个量化级，则可以编制为log2N位的二进制码，该码字为一个PCM编码单元。

模拟电话信号转变为数字信号时，根据采样定理，只有采样频率不低于电话信号的2倍，就可以从采样中无失真的恢复出原来的电话信号，标准电话信号的最高频率为3.4KHz，采样频率为方便定为8KHz，即采样周期T=125μm，采样后每秒8000个离散值，为了有效利用传输线路，通常将多路的PCM信号用时分复用方法将量化数据装成帧传输。

由于历史原因，PCM有两个互不兼容的标准：

E1：

欧洲的30路PCM

利用时分复用的方法，将一个帧划分为32相等的时隙，每个时隙传送8bit，因此整个一帧共有256bit，每秒8000帧，因此PCM的一次群E1的数据率就是256*8000=2.048Mb/s。

在32个时隙中，30个时隙用于通话，即CH1-CH15、CH17-CH31用来传送通话，两个时隙用来传输帧同步和信令等信息，CH0和CH16。

图E1线路帧格式

T1：

北美的24路PCM

利用时分复用的方法，将一个帧划分为24相等的时隙，传输24个话路，每个话路的采样用7bit表示，然后再加上1位信令码元，因此一个话路占用8bit。

帧同步码是在24路的编码之后加上1bit，这样每帧共有193bit，每秒8000帧，因此PCM的一次群T1的数据率就是193*8000=1.544Mb/s。

图T1线路帧格式

表PCM数字传输系统的高次群的话路数和数据率

系统类型

一次群

二次群

三次群

四次群

五次群

欧洲体制

符号

E1

E2

E3

E4

E5

话路数

30

120

480

1920

7680

数据率（Mb/s）

2.048

8.448

34.368

139.264

565.148

北美体制

符号

T1

T2

T3

T4

T5

话路数

24

96

672

4032

数据率（Mb/s）

1.544

6.312

44.736

274.176

2.同步光纤网SONET和同步数字系列SDH

在数字通信系统中，传输的信号都是数字化的脉冲序列，这些数字信号流在数字交换设备之间传输时，其速率必须完全一致，才能保证信息传输准确无误。

但PCM数字传输系统是从电话传输系统而来的，而电话系统存在两大缺点：

（1）速率标准不统一，如上述E1和T1传输速率不一。

（2）不是同步传输：

即通信网中每个节点上都设置了高精度的时钟，使得时钟信号都有统一的速率，但总是存在有误差，使得信息传送时达不到真正的同步，这种工作方式叫准同步数字系列（PDH）。

为了解决上述问题，美国在1988年首先推出了一个数字传输标准，叫做同步光纤网SONET（SynchronousOpticalNetwork）,整个网了的同步都用一个非常精确的主时钟。

SONET为光纤传输系统定义了同步传输的线路速率等级结构，其传输速率以51.84Mb/s为基础，大约对应于T3/E3的传输速率，此速率对电信号称为第1级同步传送信号，即STS-1；对光信号则称为第1级光载波（OpticalCarrier），即OC-1,现已定义了从51.84Mb/s（即OC-1）一直到9953.280Mb/s（即OC-192/STS-192）的标准。

ITU-T（电信标准化部门）以美国标准为基础，制定出国际标准同步数字系列SDH（SynchronousDigitalHierarchy）。

一般认为SDH与SONET是同义词。

但主要不同点是：

SDH的基本速率为155.52Mb/s，称为第1级同步传递模块（SynchronousTransferModule），即STM-1，相当于SONET体系的OC-3速率，。

SDH/SONET定义了标准光信号，规定了波长为1310nm和1550nm的激光源。

1.4.4模拟—模拟编码

模拟—模拟编码是用模拟信号传输模拟数据。

主要调制技术有：

AM调幅，FM调频，PM调相。

1.5传输技术

1.5.1信道复用技术

信道复用是为有效利用传输系统，把多个信