计算机控制-数据通信基础-1

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1、 数据通信是为了实现计算机与计算机、 计算机与终端之间信息交互而产生的一种通 信技术，是计算机与通信相结合的产物。 第2 章 数据通信技术基础 比如，计算机系统关心的是信息所采用的编码体制（如用 ASCII还是EBDIC来表达字母和数字，采用GIF还是BMP表达图 像等）或数据形式；而数据通信系统则关注如何将表示数据的二 进制比特序列转换成适合于通信系统传送的信号，包括数据如何 用电信号表示以及如何传输信号。 数据通信是完成数据编码、传输、转换、存储、处理等的过 程。 数据通信着重于数据的传输，不涉及数据所表示的原始信息 ，而计算机通信则着重于信息的交互。 2.1数据通信概述 2.1.1 几个

2、基本概念 1、信息（information）：人对世界事物存在方式、运动状态的 某种认识。信息就是解释。通信的目的就是交换信息。 2、数据（data）：信息的值或信息的表示形式，把事物的某些 属性规范化后的表现形式，可以是数字、文字、字符、声音、 图形、图像等。 3、信号（signal）：数据在传输过程中的表现形式，数据通信 系统中的信号是指数据的电磁或电子编码。常用来传输数据的 信号有电信号（电压、电流、电磁波）、光信号（可见光、激 光）、声波等。 信息：NETWORK 数据：（用ASCII码表示） 1001110 1000101 1010100 1010111 1001111 101001

3、0 1001011 信号： t 1 0 0 1 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 1 0 1 0 1 0 0 模拟数据 数字数据 信息数据 模拟信号 数字信号 在某个区间产生连续的值 产生离散的值 电磁 、电编码 是一种连续变化的电磁波 是一系列的电压脉冲 信号 数据、信息和信号数据、信息和信号 数字 、文字、字符等 模拟数据模拟信号 放大器 调制器 模拟数据数字信号 PCM 编码器 数字数据模拟信号调制器 数字数据数字信号 数字 发送器 注：脉冲编码调制（pulse code modulation，PCM ）；调制：数字信号模拟信号； 解调：模拟信号数字信号。 电磁 、电编码 4、数据

4、传输方式（按使用的信道数） 并行传输并行传输：表示数据的二进制码，在多条并行信道上同时 进行传输。速度快、成本高、距离短。 串行传输串行传输：表示数据的二进制码，在一条信道上逐位顺序 传输。速度慢、费用低、距离远。 信道：传输介质、信号转换及处理设备等。 查阅相关资料，回答下述问题： n从并行、串行数据传输原理分析，并行传输方式在传输速度 、传输质量等均优于串行传输方式，但是为何从现如今的技术 发展来看，串行方式大有取代并行传输方式的势头（如USB取 代IEEE1284，SATA取代PATA，PCI Express取代PCI等）？ 数据传输方式（按方向、时间分） 5、多路复用技术 n信道复用技

5、术：一条传输信道中传输多路信号。在数据通信 系统中，传输信道的资源是有限的，当传输信道的带宽较大， 而所传输的信号只需部分带宽，则可以在信道中同时传输多路 信号，每路信号占用部分带宽，以提高传输信道的利用率。 DEMUX 复用器解复用器 共享信道 MUX n为何复用？线路成本。 n有频分复用、时分复用、码分复用、波分复用等 （1 1）频分复用（）频分复用（FDMFDM， Frequency Division Multiplexing ） n频分复用：按频率划分不同的子信道，每个子信道占用不同 的频率范围。采用调制技术，将信号搬移到信道相应的频段上 。 n常用于载波电话系统、电视、无线电广播等。

6、 频率1 频率3 频率2 频率4 时间 频率 T4 T3 T2 T1T1 T2 T3 T4 多路复用器多路分配器器 1、信道被分成N个 互不重叠的频带； 2、每个信号占有一 个频带； 3、复用器把N条输入线输入的数据组合； 4、接收端根据每条频带的频率将各路信号分离出来，恢复为原来的信号。 上图说明如下： 1、语音信号经过低通滤波滤掉4kHz以上的频率信号； 2、对滤波器输出的语音信号进行调制（把语音信号调制为高频 模拟信号，使每路的音频均被调制到不同的频谱中）； 3、调制后的高频模拟信号通过带通滤波器，滤掉该语音频率以 外的所有频率； 4、接收12个子信道的信息，并将它们作为一个信号在一条传

7、输 介质上发送出去。 （2 2）时分复用（）时分复用（TDMTDM， Time Division Multiplexing ） n时分复用：采用时间分片方式来实现传输信道的多路复用， 即每一路信号传输都使用信道的全部带宽，但只能使用其中某 个时隙（时间片内的某小段时间）。 n工作原理： n每个将时间分割成多个时间片 n每个时间片为一帧，一帧内各路信号各占一个时隙 互不重叠地排列 频率 时间 B C DB C DB C DB C DAAAA A在 TDM 帧的位置不变 TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧 TDM 帧 频率 时间 C DC DC DC DAAAA TDM 帧TDM 帧TDM

8、帧TDM 帧 TDM 帧 BBBB B在 TDM 帧的 位置不变 （3 3）码分复用（）码分复用（CDMCDM，Code Division MultiplexingCode Division Multiplexing） n码分复用：蜂窝移动通信中迅速发展的一种信号处理方式。 常用的是码分多址 CDMA (Code Division Multiple Access)。 n工作原理： n每一个比特时间划分为 m 个短的间隔，称为码片 (chip)。 n每个站被指派一个惟一的 m bit 码片序列。 n如发送比特 1，则发送自己的 m bit 码片序列；发送比 特 0，则发送该码片序列二进制反码。

9、n例如，S 站的 8 bit 码片序列是 00011011。发送比特 1 时，就发送序列 00011011，发送比特 0 时，就发送序列 11100100。此时，S站的码片向量为（-1-1-1+1+1-1+1+1） n每个站分配的码片序列不仅必须各不相同，并且还必须互相 正交(orthogonal)。在实用的系统中是使用伪随机码序列。 令向量 S 表示站 S 的码片向量，令 T 表示其他任何站的码 片向量。 两个不同站的码片序列正交，就是向量 S 和T 的规 格化内积(inner product)是 0： n 令向量 S 为(1 1 1 +1 +1 1 +1 +1) 向量 T 为(1 1 +1

10、 1 +1 +1 +1 1) 把向量 S 和 T 的各分量值代入公式就可看出这两个码片序 列是正交的： n任何一个码片向量和该码片向量自己的规格化内积都是1 。 n一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是 1。 码分复用码分复用 S 站的码片序列 S 110 t t t t t t m 个码片 tS 站发送的信号 Sx T 站发送的信号 Tx 总的发送信号 Sx + Tx 规格化内积 S Sx 规格化内积 S Tx 数据码元比特 发 送 端 接 收 端 （4 4）波分复用（）波分复用（WDMWDM， Wave Division Multiplexing ） n波分复用：光的频分复用，即将

11、波长作为分割对象，通过棱 镜或光栅将不同波长的光信号进行复合、分割，达到在一根光 纤上传输多路光信号的目的。 n波分复用技术可以进一步提高光纤的传输容量，满足通信需 求量的迅速增长和多媒体通信。 1550 nm 0 1551 nm 1 1552 nm 2 1553 nm 3 1554 nm 4 1555 nm 5 1556 nm 6 1557 nm 7 0 1550 nm 1 1551 nm 2 1552 nm 3 1553 nm 4 1554 nm 5 1555 nm 6 1556 nm 7 1557 nm 8 2.5 Gb/s 1310 nm 20 Gb/s 复 用 器 分 用 器 EDF

12、A 120 km 将8路波长均为1310nm的光信号分别调制为不同的波长，波长范围为1550- 1557nm，每个光载波的间隔为1nm； 经过复用器，一根光纤复用为8路光载波信号。若一根单模光纤可实现 2.5Gb/s的数据传输率，复用为8路信号，光纤的传输速率提高到8*2.5Gb/s。 信号每35km加一信号放大器，若是使用掺铒光纤放大器EDFA，距离可达 120km。图中使用3个掺铒放大器，光复用器和光分用器之间的距离可达480km。 2.1.2 2.1.2 数据通信系统数据通信系统 数据通信系统：以计算机为中心，通过数据传输通道，将分布 在各处的数据终端设备连接起来，以实现数据通信为目的的

13、系统。 数据通信系统的模型如下图所示，由发送、传输和接收系统三大部 分组成。 信源：信息的发送端，是发出待传送信息的设备； 信宿：信息的接收端，是接收所传送信息的设备。 信号转换设备：将信源发出的信息转换成适合于在信道上传输的 信号或将信号流恢复成发送端的数据流。 传输信道：为收发两地的数据流而提供的信号传输通道，通常是 指传输介质，有线介质：双绞线、同轴电缆、光纤等，无线介质 ：空气。 传输 系统 输 入 信 息 输 入 数 据 发送 的信号 接收 的信号 输 出 数 据 源点终点发送器接收器 调制解调器 PC 机 公用电话网 调制解调器 数字比特流数字比特流模拟信号模拟信号 正文 正文 数

14、据通信系统 源系统目的系统传输系统 输 出 信 息 PC 机 数据通信系统举例 电信交换机房 (b) 局域网用户通过Internet上网通信 令牌环网 路由器 2.1.3 2.1.3 数据通信系统的质量指标数据通信系统的质量指标 n传码速率：又称波特率，是指每秒钟传输信号码元 脉冲的个数，单位是波特（Baud），记作RB。 n传信速率：又称比特率，是指每秒钟传输的二进制 信息量，单位是比特/秒（bit/s），记作Rb 。 n两者的关系：假设系统采用m元码，则 Rb = RBlog2m，其中m2 （1） 数据传输速率 码元：信号的一个最小单位，一个脉冲就是一个码元。 二元码：只有两种可区分的码元

15、。如图a，有两种电平（2 种码元）：-3V、+3V，分别表示0、1。二元码的一个码元1 位二进制， Rb = RB 多元码：有多于两种可区分的码元。如图b，有四种电平 （4种码元）：+3V、+6V、-3V、-6V，分别表示00、01、10、 11。四元码的一个码元 2位二进制，Rb = 2RB 。 m元码的一个码元含有多少位二进制？ 图a 图b n例若信号码元持续时间为110-4秒，试问传送8电平信号，则传码速率 和传信速率各是多少？ 解：信号码元脉冲的持续时间T=110-4秒，则 传码速率RB=1/T=10000波特 （T/1个码元=1s/RBRB=1/T） 传送的信号是8电平，即八元码，m

16、=8（用三位二进制才可以表达八种电平，因此， 八元码的一个码元 3位二进制），则 传信速率Rb = RBlog2 m =30000bit/s （2）可靠性质量指标 n1）码元差错率（或码元误码率）：发生差错的码元数与传 输的码元总数之比。 n2）比特差错率：发生差错的比特数与传输的总比特数之比 。 两者均为统计值。人们更习惯于用比特差错率。对于不同 类型的数据传输系统，其比特差错率的要求也不一样，例如， 对于电报系统允许的比特差错率位10-410-5；对于计算机数据 通信，则要求小于10-810-9。 n3）可靠性：可用系统正常工作时间与系统总工作时间来衡 量。可靠性的统计时间比较长，一般以月、季度或年为单位。 （3）有效性质量指标 n保证数据传输系统快速、可靠地传输数据的同时，还应要求 系统有比较