吴静-第二章 数据通信基础知识(完)

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1、 第二章 数据通信基础知识 本章内容 n2.1 数据通信系统 n2.2 数据通信方式 n2.3 数据传输技术 n2.4 数据交换技术 n2.5 流量控制 n2.6 差错检测编码 n2.7 传输介质 n2.8 物理层接口及标准 n2.9 宽带接入技术 2.1 数据通信系统 n2.1.1 数据通信系统模型 n2.1.2 数据通信的基本概念 n2.1.3 数据通信的主要技术指标 2.1.1 数据通信系统模型 信源变换器信道反变换器信宿 发送端 噪声源 接收端 简单的数据通信系统模型 数据通信系统 定义：指以计算机为中心，用通信线路连接分布在各 地的 而执行数据传输功能的系统 基本作用：在两个实体之间

2、交换数据 基本组成三要素：信源、信道、信宿 计算机 或终端 数据终端设备 n信源：信息发送端 n信宿：信息接收端 n信道：传输信息的通道 有线信道、无线信道 数字信道、模拟信道 n变换器 作用是将信源发出的信息变换成适合在信道 上传输的信号。 变换器一般有编码器或调制器 n反变换器 作用是将接收到的信号恢复成发送端原来的 信号，是变换器的反向功能。 反变换器一般有译码器或解调器 n噪声源 n模拟数据和数字数据都可以转换为模拟信号 或数字信号。 编码：把数据变换为数字信号的过程 译码：把数字信号变换为数据的过程 调制：把数据变换为模拟信号的过程 解调：把模拟信号变换为数据的过程 2.1.2 数据

3、通信的基本概念 数据： 由数字、字符和符号等组成，是信息的载体 数据没有实际含义 信息： 按一定要求以一定格式组织起来的、具有一定意义 的数据 信息有具体含义 信号： 信号是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。 电磁信号一般有模拟信号和数字信号两种形式 数字信号： 随时间离散变化的信号， 如脉冲信号等 模拟信号： 随时间连续变化的信号， 如正弦波信号等 1011100 n码元：代表不同离散数值(状态)的基本波形 n码元代表的离散数值可以是多进制的，也可以是二 进制的 如：当使用二进制编码时，只有两种不同的码元， 分别代表0状态和1状态 码元代表的离散数值是多进制的情况

4、 如：传送“101011000110111010” 方法一：直接传送 每个码元携带1bit 码元代表的离散值是二进制的，两种码元 方法二：分组：“101,011,000,110,111,010” 每个码元携带3bit 码元代表离散值是07(八进制)，八种码元 可用8种不同的振幅、频率、相位进行调制 n数据通信： 定义：指信源和信宿之间传送数据信号的 通信方式。 狭义：指数字信号 广义：包括数字信号和模拟信号 n数字通信： 在通信信道中传送数字信号的通信方式 n模拟通信： 在通信信道中传输模拟信号的通信方式 数据通信与数字 通信的区别？ 信 源 编 码 器 信 宿 译 码 器 信 源 编 码 器

5、 信 宿 译 码 器 信 源 调 制 器 信 宿 解 调 器 数字信道 数字信道 模拟信道 信 源 调 制 器 信 宿 解 调 器 模拟信道 2.1.3 数据通信的主要技术指标 n数据通信的主要技术指标： 衡量数据传输的有效性和可靠性的参数 衡量有效性的指标: 信道带宽和信道容量 传输速率(数据传输速率、码元速率) 传输延迟 衡量可靠性的指标: 误码率 (1)信道带宽和信道容量 n信道带宽：信道具有的一定频率范围(频带宽 度) n按信道频率范围不同，可分为三类： 窄带信道带宽为0300Hz 音频信道带宽为3003400Hz 宽带信道带宽为3400Hz以上 带宽分配？ 无线电微波红外线 可见光紫

6、外线 X射线 射线 双绞线 同轴电缆 卫星 地面微波 调幅 无线电 调频 无线电 海事 无线电 光纤 电视 (Hz)f (Hz)f LFMFHFVHF UHF SHFEHFTHF 波段 104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016 100 102 104 106 108 1010 1012 1014 1016 1018 1020 1022 1024 移动 无线电 电信领域使用的电磁波的频谱 n信道容量 定义：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。 表示方式： a) 以码元速率表示：指信道在单位时间内

7、 可传输的最大码元数，单位“波特” b) 以数据传输速率表示：指单位时间内最 多可传输的二进制数的位数，单位“bit/s” n信道容量和信道带宽的关系 一般情况下，信道带宽越宽，一定时间内信道上传输 的信息量就越多，则信道容量就越大，传输效率就越 高。 香农定理：在带宽受限、有高斯白噪声干扰的条件下 ： C信道容量，bit/s W信道带宽，Hz N噪声功率 S信号功率 S/N信噪比，一般用分贝(dB)作为度量单位 C = W log2(1+S/N) 信噪比(dB)=10log10(S/N)(dB) 奈奎斯特准则：在带宽受限、无噪声干扰的条件下： C信道容量，bit/s W信道带宽，Hz N信道

8、上传输信号可取离散值的个数(状态数) log2N信号所表示的二进制数据的位数 数据传输速率R和码元速率B的关系 最大码元速率Bmax C = 2Wlog2N R = Blog2N 因为Rmax=C，所以Bmax=2W Rmax=Bmaxlog2N 由题意知：10log10(S/N) = 30 可得出：S/N = 1000 根据香农公式： 最大数据传输率=3000log2(1+S/N) 30K(bit/s) 例1:电话系统的典型参数是信道带宽为3000Hz， 信噪比为30dB，则该系统的最大数据传输速率是 多少？ 例2：对于某带宽为4000Hz的低通信道，采用16种不同 的状态来表示数据。 (1

9、)按照奈奎斯特定理，信道的最大码元速率是多少？ 最大传输速率是多少？ (2)如果信道的信噪比为30dB，按照香农定理，信道的 最大传输速率是多少？ (1)最大码元速率Bmax=2W=24000=8000(波特) 最大传输速率=Bmaxlog2N=8000log216=32K(bit/s) (2)由题知：10log10(S/N) = 30 可得出：S/N=1000 最大传输速率 = Wlog2(1+S/N) = 4000log2(1+1000) 40K(bit/s) 2.2 数据通信方式 n2.2.1 并行通信与串行通信 n2.2.2 单工通信、半双工通信和全双工通信 n2.2.3 异步传输与同

10、步传输 2.2.1 并行通信与串行通信 n并行通信 定义：指利用多根传输线将多 位数据同时进行传送。 特点：线路多、成本高 适用场合：距离短、数据量大 n串行通信 定义：指利用一条传输线将数 据一位一位地按顺序（由低位 到高位）分时传输 特点：线路少、成本低 适用场合：距离远、距离近且 速度不高 源目的 01001100 并行数据 T 源目的 串行数据 8T 01001100 2.2.2 单工通信、半双工通信和全双工通信 全双工 站A站B 站A站B 站A站B 半双工 单工 单向 分时、双向 同时、双向 2.2.3 异步传输与同步传输 n异步传输 异步是指发送端和接收端不使用共同的时 钟，也不在

11、数据中传输同步信号 发送端和接收端必须约定数据帧格式和比 特率 n起始位(1个)每个数据帧开始传送的 标志；低电平。 数据帧格式 数据位(58个)紧跟着起始位传送 ；低位前，高位后。表示一个字符 校验位(1个)用于校验是否传送正确 ；可选。 停止位(1.5/2个)表示该数据帧传送 结束；高电平。 空闲位传送数据帧之间的间隔；高 电平。 起始位校验位停止位 空闲位数据位 低位高位 数据帧 0/1 0/10/10/110111 空闲位 下一个 数据帧 n同步传输 以一个数据帧为传输单位，每个数据帧附 加起始和结束标志 同步通信的数据传输效率和传输速率较高 ，但硬件电路比较复杂 两种形式： 面向字符

12、的同步传输、面向比特的同步传输 起始标志 数据 数据数据 结束标志 例:设数据帧为1个起始位、7个数据位、1 个奇偶校验位和1个停止位，如果比特率为 1200bps。用7位数据位代表一个字符，求每 秒能传送的最多字符数是多少？ 不存在空闲位时，可传送的字符数最多 1200/（1+7+1+1）120个 2.3 数据传输技术 n2.3.1 基带传输、频带传输和宽带传输 n2.3.2 数据编码与调制技术 n2.3.3 多路复用技术 2.3.1 基带传输、频带传输和宽带传输 1)基带传输 n基带信号：来自信源的电脉冲信号 n基带传输：在信道中直接传输基带信号的传输 方式 n基带信号往往包含有较多的低频

13、成分或直流成 分，仅适合近距离传输。 n通常在进行远距离传输的模拟信道中，必须对 基带信号进行调制(modulation)。 2)频带传输 n频带信号：将基带信号变换(调制)成便于在模 拟信道中传输的、具有较高频率范围(300 3400Hz)的信号 n频带传输：将频带信号在信道中传输的方式。 n频带传输实际上就是模拟传输 n频带传输的基础是载波 频率恒定的 模拟信号 3)宽带传输 n宽带：包括大部分电磁波频谱 n宽带传输： 将宽带信号在信道中传输的方式。 2.3.2 数据编码与调制技术 n编码与调制的原因： 数据在传输中容易产生误码 编码和调制技术可使系统具有纠错能力和 抗干扰能力 可极大地避

14、免码流传送中误码的发生 n编码与调制的任务： 提高数据传输效率 降低误码率 n信号是数据的具体表现形式 n数据与信号之间的四种组合： 数字数据模拟信号 数字数据数字信号 模拟数据数字信号 模拟数据模拟信号 （一）数字数据调制为模拟信号 n数字数据可以由多种不同形式的电脉冲信号 的波形来表示。 n要将基带信号(即数字数据)进行远程传输， 必须先将其变换(调制)为频带信号(即模拟信 号)，才能在模拟信道上传输。 n上述变换就是将数字数据调制为模拟信号的 过程 三种调制方法： 1) 幅度调制（AM） 载波的振幅随基带数字信号而变化，简称调幅 2) 频率调制（FM） 载波的频率随基带数字信号而变化，简

15、称调频 3)相位调制（PM） 载波的初始相位随基带数字信号而变化，简称调相 010011100 基带信号 调幅 调频 调相 对基带信号的三种调制波形 （二） 数字数据编码为数字信号 n数字数据可以由多种不同形式的电脉冲信号的 波形来表示。 n数字信号是离散的电压或电流的脉冲序列，由 若干个码元组成 n表示数字数据的码元形式不同，则相应产生不 同的编码方法 (1)双极性码 n在一个码元时间间隔内: 发正电流表示二进制的“1” 发负电流表示“0” 正向幅度与负向幅度相等 n 有归零型和不归零型之分 (2)曼彻斯特编码 n在每一个码元时间间隔内: 当发“0”时，在间隔的中间时刻 电平 从低向高跃变 当发“1”时，在间隔的中间时刻 电平 从高向低跃变 注意：也可采用相反的规定！ 曼彻斯特编码的波形图 t A (3)差分曼彻斯特编码 n在每一个码元时间间隔内: 无论发“0”或发“1”，在间隔的中间 都有电平的跃变。 发“0”时，间隔开始时刻有跃变 发“1”时，间隔开始时刻不跃变 差分曼彻斯特编码的波形图 t A 例1：画出比特流01101100的双极性不归零 码波形图、曼彻斯特编码波形图（码元1是先 高后低）、差分曼彻斯特编码波形图 A t 双极性不归零码波形图 A t 曼彻斯特编码波形图 A t 差分曼彻斯特编码波形图 作业： n如图