第2章数据通信剖析

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1、1,第二章 数据通信基础,2.1 数据通信系统 2.2 数据编码 2.3 数据传输 2.4 数据交换技术 2.5 传输媒体,2,第一节 数据通信系统,2.1.1 数据和信号 2.1.2 数据通信系统的基本构成 2.1.3 信道特性,3,2.1.1 数据和信号,概念： 数据：是传递信息的实体(信息的载体)，它是容观事实、概念或图象等用于通信的一种形式化的表现。数据可分为模拟数据和数字数据两种形式。 模拟数据：是在某个区间内连续的值，例如，声音和视频是强度连续改变的波形,例如传感器采集温度、压力，以及目前在电话、无线电和电视广播中的声音和图像。 数字数据：是离散的值。例如文本信息和整数。再例如在计

2、算机中用二进制代码表示的字符、图形、音频与视频数据.,信息,是数据的内容或解释。,4,2.1.1 数据和信号,信号：是数据的电磁或电子的编码。 在通信中，我们把数据变成可在传输介质上传送的信号来发送，它也可以有两种形式：模拟信号和数字信号。 模拟信号：是连续变化的电磁波，它是用电信号模拟原有信息。(时间上连续，包含无穷多个值),时间上连续,5,2.1.1 数据和信号,使用可变电压以产生连续波。 模拟信号的一个优点是它能对细节进行表示，但是噪声、或来自其他源的干扰，会严重地影响模拟信号，比数字信号更易于出错，因此模拟信号对于数据发送并不是最佳选择。 数字信号：是一系列的电脉冲，直接用二种电平表示

3、二进制的和。(时间上离散，仅包含有限数目的预定值),6,2.1.1 数据和信号,由脉冲值为1 或0 的精确电压组成，如同在任何二进制系统中用1 和0 组合来对信息进行编码一样，在数字信号中每个脉冲被称为一个二进制数或位。一个位只能有两种可能值：1或0 。连续8位组成1个字节，个字节携带一个信息片。,时间上离散,7,数字通信的优点: 抗噪声（干扰）能力强(只需识别脉冲的有无) 无噪声积累。 在模拟通信中，为了提高信噪比，需要在信号传输过程中及时对衰减的传输信号进行放大，信号在传输过程中不可避免地叠加上的噪声也被同时放大，随着传输距离的增加，噪声累积越来越多，以致使传输质量严重恶化。 对于数字通信

4、，由于数字信号的幅值为有限个离散值(通常取两个幅值)，在传输过程中虽然也受到噪声的干扰，但当信噪比恶化到一定程度时，即在适当的距离采用信号再生的方法 ，再生成没有噪声干扰的和原发送端一样的数字信号，所以可实现长距离高质量的传输。,8,可以控制差错，提高了传输质量(由于在传输过程中可通过再生中继器将失真了的脉冲再生为完整的脉冲，故失真不致沿线积累，传输距离远) 便于用计算机进行处理 易于加密、保密性强 可以传输语音、数据、影像，通用、灵活 仅在不得已的情况下，才会采用模拟通信。如用modem通过拨号线路传输数字信号。,数字通信的优点:,9,2.1.1 数据和信号,信号的衰减：随着信号的传播，信号

5、能量会逐渐减少，这就是信号的衰减。模拟信号和数字信号都存在着衰减。为了补偿衰减，要经常对数字信号和模拟信号进行转发，也即使将信号重新放大，以使它们传播得更远。 模拟信号的转发：在模拟信号转发过程中会出现这样的问题当它被转发时信号幅度将增强，同时伴随的被累积的噪声幅度也将增强，这种杂乱无章的增强将使得模拟信号变形更加严重。下图显示了因噪声而变形并在随后又被放大的模拟信号的波形。,10,2.1.1 数据和信号,数字信号的转发：相对于模拟信号，数字信号被转发时，实际上是将原始信号以不变形的、并且无噪声的放大形式重新发送，该过程也被称之为波形再生。再生一个数字信号的设备被称之为中继器。,11,2.1.

6、1 数据和信号,因噪声而变形的数字信号进而被转发,网络仅仅收发由精确脉冲所表示的1和0两种模式，因为数字传输要比依靠可变电压的模拟传输可靠得多，并且数字发送几乎不受噪声影响。所以大部分网络仅限于使用数字传输。,12,2.1.1 数据和信号,也有使用模拟信号传输数据的情况：比如使用调制解调器连接两个系统。在发送端，调制解调器将数字信号调制成模拟信号，通过传输模拟信号的电话线传输；在接收端，调制解调器将数字信号解调成模拟信号。Modem (调制解调器)是Modulator(调制)Demodulator(解调)。这个词反映了该设备的功能。,13,2.1.1 数据和信号,模拟信号和数字信号都可以有周期

7、和非周期两种形式。 周期信号：如果一个信号在一段可测量的时间内完成一种模式，并且在随后同样长的时段内不断重复这种模式，这个信号就是周期信号。完成一个完整模式所需要的时间称作一个周期，通用T表示。对于一个给定的周期信号，其周期是固定的，如正弦波就是周期信号。,14,2.1.2 数据通信系统的基本构成,相关概念： 数据通信：是把数据从一个地方传送到另一个地方的过程。 数据通信系统：用来实现数据通信过程的系统被称为数据通信系统。 信道：是传输数据经过的路径，是连接两个DTE的线路，包括传输介质和有关设备 数据通信系统的三个基本要素：信源、信息传输媒体和信宿。 信源：是数据信息产生和出现的发源地。 信

8、息传输媒体：是数据信息传输过程中承载数据信息的媒体。 信宿：是接收数据信息的目的地。,15,2.1.2 数据通信系统的基本构成,计 算 机,发送器,通信媒体,接收器,终端 设备,信源,信宿,噪声,信源,编码,调制,信道,解调,解码,信宿,编码器：数据适合传输的信号便于识别、纠错 调制器：信号适合传输的形式按频率、幅度、相位 解调器：接收波形数字信号序列 解码器：传输信号原始数据,16,通信系统的构成,数据传输系统： 1）传输线路（包括传输介质和中继设备） 2）传输设备：调制解调器、多路复用器、交换机、路由器等 数据处理系统：主要是指计算机。,通信基本过程包含两项内容：数据传输和通信控制,建立物

9、理连接建立逻辑连接数据传送断开逻辑连接断开物理连接（对比：打电话的过程）,17,2.1.2 数据通信系统的基本构成,信道分类 按物理逻辑性: 物理信道：用来传送信号的一种物理通路，由传输介质及有关设备组成。网络中两个节点之间的物理通路也称为通信链路，简称链路。 逻辑信道：是一种能传输信号的通路，但在信号的发送端和接收端之间，并不直接对应一条物理上的传输介质，而是在物理通路的基础上，通过节点设备内部的连接来实现的。,18,2.1.2 数据通信系统的基本构成,传输信号类型 数字信道：以数字脉冲形式（离散信号）传输数据的信道。 模拟信道：以连续模拟信号形式传输数据的信道。 传输介质 有线信道 无线信

10、道 使用权限 专用信道 公用信道,19,2.1.3 信道特性,相关概念： 信道带宽：指信道频率响应曲线上幅度取其频带中心处值的12倍的两个频率之间的宽度。带宽W=f2-f1，其中f1是信道能通过的最低频率，f2是信道能通过的最高频率，两者都是由信道的物理特性决定的。 码元：一个数字脉冲（时间轴上的一个信号编码单元）,20,2.1.3 信道特性,同步脉冲：用于码元的同步定时，识别码元的开始。 即在发送数据之前，发送端先向接收端发出一串同步时钟脉冲，接收端按照这一时钟脉冲频率和时序锁定接收端的接收频率，以便在接收数据的过程中始终与发送端保持同步。,21,2.1.3 信道特性,码元速率（波特率）：单

11、位时间内信号波形的变换次数，即单位时间内通过信道传输的码元个数.B=1/T 数据速率：单位时间内在信道上传送的信息量（比特数）,注意码元速率与数据速率的区别： 码元速率是单问时间内波形的变化次数，单位是Baud;而数据速率是单位时间内在信道上传送的数据率。单位是b/s,22,信息编码：将信息用二进制数表示的方法。 数据编码：将数据用物理量表示的规则。 例如：字母A的ASCII编码为01000001，其数据编码可能为,23,信号码元携带的信息量由码元取的离散值个数即码元的种类数决定。若码元取两个离散值，则一个码元携带1bit信息；若码元可取4种离散值，则一个码元携带两个bit的信息。,信道极限波

12、特率,Nyquist定理：用于有限带宽无噪声信道的极限波特率,B =,2W,B =最大码元速率，单位Baud W = 带宽，单位Hz,n =,log2 N,n =一个码元携带的数据量 N =码元的种类数,24,信道最大数据传输率,N 最大数据率 (R) 2 6000 bps 4 12000 bps 8 18000 bps 16 24000 bps 32 30000 bps 64 36000 bps,R =,2W log2 N,R =数据速率，单位b/s或bps W = 带宽，单位Hz N = 信号电平级数（码元的种类数）,例如： 话音级线路(3000 Hz) 的信道容量计算，如右图所示。,Ny

13、quist公式为估算已知带宽信道的最高速率提供了依据。,Nyquist 公式：用于有限带宽无噪声信道,25,非理想信道 实际的信道上存在三类损耗：衰减、延迟、噪声。 a）衰减 信道的损耗引起信号强度减弱，导致信噪比S/N降低。 (S为信号的平均功率，N为噪声的平均功率) b）延迟 信号中的各种频率成分在信道上的延迟时间各不相同，在接收端会产生信号畸变。 c）噪声 热噪声：由导体内的热扰动引起，又称为白噪声。 串扰：信道间产生的不必要的耦合。例：多对双绞线 脉冲噪声：非连续、随机、振幅较大。多由外部电磁干扰造成（闪电、大功率电机启动等）。 噪声将破坏信号，产生误码。持续时间0.01s的干扰可以破

14、坏约560个比特（56Kbps）。,26,Shannel公式：高斯噪声干扰信道,S/NdB 信噪比（dB分贝）的定义,C =,W log2 (1+,S N,),S/NdB = 10 log10 S/N,例：信道带宽W=3KHz，信噪比为30dB，则 C=3000*log2(1+1000) 30Kbps,C = 噪声信道的极限数据速率，单位b/s W = 带宽，单位Hz S = 信号的平均功率 N = 噪声的平均功率,即：,S/N=?,27,Nyquist公式和Shannel公式的比较, R = 2W log2N 此公式说明数据传输率R随信号编码级数增加而增加。 C = W log2(1+S/N

15、) 无论采样频率多高，信号编码分多少级，此公式给出了信道能达到的最高传输速率。 原因：噪声的存在将使编码级数不可能无限 增加。,28,2.1.3 信道特性,两种带宽的概念: 在模拟信道:带宽按照公式W=f2-f1计算，例如CATV电缆的带宽为600MHz； 数字信道:带宽为信道能够达到的最大数据速率，例如以太网的带宽为10Mb/s，两者可通过Shannon定理互相转换。,29,2.1.3 信道特性,误码率: 在有噪声的信道中(实际中的信道都是有噪声的)，数据速率的增加意味着传输中出现差错的概率增加。我们用误码率来表示传输二进制位时出现差错的概率。误码率以接收码元中错误码元占传输总码元数的比例来

16、衡量。在计算机网络通信系统中，通常要求误码率应低于10-6。,30,2.1.3 信道特性,信道延迟: 信号在信道中传播时，从源端到达宿端需要一定的时间。这个时间与源端和宿端的距离有关，也与具体信道中的信号传播速度有关。我们以后考虑的信号主要是电信号(虽然在某些情况下可能会用到红外或激光)，这种信号一般以接近光速的速度(300m/s)传播，但随传输介质的不同而略有差别，例如在电缆中的传播速度一般为光速的77，即200ms左右。,31,第二节 数据编码,2.2.1 模拟数据在模拟信道上传输、调制与编码 2.2.2 数字数据在模拟信道上传输、调制与编码 2.2.3 模拟数据在数字信道上传输与编码 2.2.4 数字数据在数字信道上传输、调制与编码,32,2.2.1 模拟数据在模拟信道上传输、调制与编码,数据：模拟数据、数字数据 信号：模拟信号、数字信号 信道：模拟信道、数字信道,