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1、第2章数据通信基础 目录 2 1数据通信的基础知识2 1 0基本概念2 1 1通信系统的模型2 2信道特性2 2 1信道带宽与数据传输速率的关系2 2 2带宽与傅立叶分析2 2 3信道的最大数据速率2 2 4信道时延2 3物理传输介质2 3 1双绞线2 3 2同轴电缆2 3 3光纤2 3 4无线信道 2 4数据传输方式2 5数据编码2 6数字调制技术2 7脉码调制2 8数据通信的交换方式2 9多路复用技术2 10差错控制 数据 Data 信息 Information 信号 Signal 2 1数据通信的基础知识 2 1 0基本概念 数据是对客观事实进行描述的物理符号 是一种能够传递信息的载体
2、信息是数据中包含的意义 或者说对数据的进一步解释 是数据按有意义的关联排列的结果 另教材P31 香农的定义 信号是数据在传输过程中的表现形式 即信号是数据的电编码或电磁编码 模拟信号 时间和幅度的取值都是连续的 如温度 压力 流量等 数字信号 时间上离散 幅度上量化 一般是由0 1的二进制代码组成的数字序列 信源 发出信号的电子设备变换器 将原始信号变换为适合信道传输的信号类型信道 信息的通道 用于信号传输的媒介及相关设备反变换器 将信道上的信号转换成信宿可接收的信号类型信宿 信号的接收设备 2 1数据通信的基础知识 2 1 1通信系统的模型 现实例子 教材P1 现实生活中的通信系统 2 1
3、1通信系统的模型 模拟信道和数字信道信号 连续变化 模拟 analog 信号离散变化 数字 digital 信号信道 模拟信道 传输模拟信号数字信道 传输数字信号 对于长距离传输 数字信号具有优越性 教材P38 39 按数据在信道上的传输方向将通信方式分类 单工通信系统 双工通信系统 全双工 半双工 教材P43 P56 2 2信道特性 2 2 1信道带宽与数据传输速率的关系数据传输速率 通信节点每秒钟发送的bit数 单位为b s bps 教材P16 带宽 bandwidth 指的是传输介质所能够传输的信号的频率范围 最高数据传输速率 单位是Hz bps 超出此范围信号会有较大的失真而导致信号无
4、法正确接收 教材P16 信道的带宽是由传输媒体的性质决定的 二者之间的关系 信道带宽越大则其上允许的最大数据传输速率越高 2 2 2带宽与傅立叶分析 一个具有有限持续时间T的数字信号 可以看作为一个以此有限持续时间T为周期的周期阶梯函数F t 此函数可展开成傅里叶级数 这里 f 1 T 是基波频率 c是直流分量 an和bn分别是n次谐波的正弦和余弦振幅值 谐波次数越高 则其频率也越高 信道可通过的谐波越多 叠加出来的波形与原始信号f t 越近似 即失真越小 但同时谐波的频率就越高 教材P36 随着项的个数的增多 叠加出来的曲线更加接近于原方波 随着项的个数的增多 通过的谐波频率就越高 2 2
5、2带宽与傅立叶分析 续1 若数据通信速率恒定 信道带宽越宽 意味着它可以传输更高频率的谐波信号 数据失真越小 信道带宽固定 数据速率越高 失真越大 举例 信道带宽为3kHz 数据传输速率为9600b s 发送一个字节的数据 8bits 需要时间T T 8 9600 0 83ms基波频率f 1 T 1 2kHz对于3kHz的带宽 仅能通过两次谐波 数据失真很大 若数据信号传输速率为2400b s 基波频率f 基波频率f 300Hz对于3kHz的带宽 可通过10次谐波 数据失真较小 2 2 2带宽与傅立叶分析 续2 信道的最大传输速率与信道带宽有关 信道带宽越大 则信道上的最大数据传输速率就越高
6、在给定的信道环境下 尽可能提高信息传输速率 是否存在上限值 两位学者对带宽和数据传输速率两者关系这个问题进行了研究 给出了两个著名结论 奈奎斯特准则香农定理 2 2 3信道的最大数据速率 预备概念1 两种传输率及关系 数据速率 比特率 每秒钟传输的比特数 单位为b s 码元速率 波特率 每秒钟传送的电信号个数 码元数 1码元可携带nbits的信息量 与其编码有关 单位为 波特 Baud 简写为B 波特率与比特率的关系 C Blog2MC 比特率B 波特率M 信号可能取的离散值个数 码元状态数 例 如图 求波特率 比特率 B 4 0 001 4000波特C 8000b s 教材P43 44 教材
7、P16 P44 额外混进的非期望信号称为噪声 类型 热噪声 正态 高斯 白噪声由带电粒子在导电媒体中的布朗运动引起 交调噪声多个不同频率的信号共用同一传输媒体可能产生 是输入信号的频率和或差及这些频率的多倍数的组合 串音 串扰一条信号通路中的信号在另一条信号通路上产生的干扰信号 脉冲噪声突发出现的离散脉冲 是数据通信差错的主要根源 预备概念2 噪声 教材P48 49 信噪比 信号功率与噪声功率的比值Ps Pn 常用分贝 db 来表示信道的信噪比 10log10 Ps Pn 教材P50 预备概念3 误码率 误码产生噪声干扰传输速度过高导致信号失真误码率 衡量信道传输质量 计算机通信网络中 误码率
8、要求低于10 6 教材P51 在二进制传输时 码元与比特等价 误码率又称误比特率 在多进制传输时 两者不相等 回到问题上来 在给定的信道环境下 尽可能提高信息传输速率 是否存在上限值 在给定的信道环境下 在误码率任意趋近于零的情况下 单位时间内所能传输信息的最大速率 即信道容量 单位b s说明 如果信源的信息传输速率R 信道容量C 则理论上可使信源输出以任意小误码率通过信道进行传输 如果R C 则无差错传输在理论上是不可能的 教材P57 2 2 3信道的最大数据速率 1 奈奎斯特公式 无热噪声情况下 举例 传输介质的带宽为4kHz 可能的电平取值为4种 则最大数据速率C C 2 4 log24
9、 16kbps 奈奎斯特公式 C 最大数据传输速率 信道容量 M 信号可能取的离散值个数W 信道带宽 教材P58 B 波特率 推论 2 2 3信道的最大数据速率 2 香农公式 有高斯白噪声干扰的信道情况 举例 信噪比为30分贝 带宽为4000Hz的信道最大速率C S N 1030 10 1000C 4000 log2 1 1000 40kbps 教材P57 练习题 源自全国计算机等级考试题库 1 常用的数据传输率单位有kbps Mbps Gbps 如果局域网的传输速率100Mbps 那么发送1bits数据需要的时间是 2006 09 A1 10 6 sB1 10 7 sC1 10 8 sD1
10、10 9 s答案 C 练习题 源自全国计算机等级考试题库 2 误码率是指二进制码元在数据传输系统中被传错的 2006 09 A比特数B字节数C概率D速度答案 C 练习题 源自全国计算机等级考试题库 3 对于一个实际的数据传输系统 在数据传输速率确定后 如果要求误码率越低 那么传输系统设备的 2006 09 造价越高 结构越复杂 线路带宽越大 拓扑结构越简单 A 和 B 和 C 和 D 和 答案 A 练习题 源自全国计算机等级考试题库 4 奈奎斯特准则从定量角度描述了 与速率的关系 2005 04 答案 带宽或信道带宽 练习题 源自全国计算机等级考试题库 5 香农定理描述了信道带宽与哪些参数之间
11、的关系 2005 04 最大传输速率 信号功率 功率噪声 A 和 B仅 和 C仅 和 D仅 和 答案 A 2 2 4信道时延 delay 定义 信号在信道中传播 从原端到宿端所需要的时间 相邻站点传送数据的总时延主要是由以下几部分组成 传播时延这是电磁波在信道中传播所需要的时间 与距离和电磁波速度有关 发送时延 传输时延 这是发送数据所需要的时间 与计算机发送速率有关 处理时延网络节点处理分组花费的时间 排队时延与网络的通信量有关 重发时延实际的信道误码造成重新传送 因而增加了总的数据传输时间 对于广域网而言 信道时延难以估算 教材P16 2 2 4信道时延 delay 续 时延带宽积时延带宽
12、积 传播时延 带宽利用率信道利用率网络利用率 教材P16 17 2 3物理传输介质 介质 处于OSI体系结构的最低层 用于传送比特信号 教材P20认为用于传送信号的物理媒体并不属于物理层 而是在物理层之下 因此有人把它当做第0层 有线双绞线同轴电缆光纤无线微波无线电波红外线 教材P59 81 2 3物理传输介质 教材P59 81 2 3 1双绞线 TP TwistedPairwire 最常用的物理传输媒体价格便宜 易于安装由两根绝缘铜线互相绞在一起 用于降低传输信号之间的干扰一般由多对双绞线一起包在一个绝缘电缆套管内 分类 屏蔽双绞线非屏蔽双绞线 教材P59 最常用 3类双绞线 CAT3 和5
13、类双绞线 CAT5 CAT3 带宽 10M 最长传输距离 100m每英尺旋绞3 4次CAT5 带宽 100M 最长传输距离 100m每英寸旋绞3 4次 UTP 非屏蔽双绞线 教材P60 61 STP 屏蔽双绞线 教材P60 61 STP 屏蔽双绞线 结构 每对双绞线外有一个屏蔽层 4对双绞线外还有一个屏蔽层 优点 减少内部传输信号之间的干扰和外部噪声对内部传输信号的干扰 缺点 价格昂贵 安装相对困难 教材P60 61 双绞线的接口及连线 UTP的RJ 45接头 UTP的RJ 45接头接线 4 5 7 8用于电话连接 数据通信中使用1 2 3 6四根连线 1 2 发送数据3 6 接收数据 双绞线
14、的接口及连线 续 两种连接方法 平行线 11用于 计算机 集线器 HUB 22集线器uplink口连接3366交叉线 11用于 计算机 计算机22不经过集线器连接3366 2 3 2同轴电缆 结构 分类 1 50欧 用于数字基带编码通信如曼彻斯特编码等 传送的是数字信号 用高低电平分别代表0 1 常用于以太网的连接 教材P61 62 2 3 2同轴电缆 2 75欧 用于宽带数据网 传输的是经调制后的模拟信号 传输的是连续的波形信号 带宽300 400MHz 传输距离可达100km 常用于CATV网传输 教材P61 62 2 3 3光纤 光纤通信就是利用光导纤维 以下简称为光纤 传递光脉冲来进行
15、通信 a 单根光纤 b 光缆 教材P62 64 光纤的传输方式 光纤的传输方式多模 发光二极管 距离短通过包层对光信号的反射向前传播可同时传递多个相位不同的光信号单模 激光二极管 距离长光信号沿着光纤轴心向前传播减少光能量在反射过程中的损耗可传输更长距离 达到更高速率体积更小 重量更轻只能传输一路光信号 教材P62 64 2 3 3光纤 优点 体积小 重量轻低衰减 大容量电磁隔离缺点 切割 安装困难价格昂贵用途较少用于局域网 短距离传输 普遍应用于主干网络的铺设 教材P62 64 2 3 4无线信道 常用的无线传输介质微波红外线卫星 教材P66 81 微波 微波 Microwave 沿直线传播
16、可穿越障碍物 但不可穿越金属 两种主要的通信方式 即地面微波接力通信卫星通信 教材P69 教材P76 教材P69 红外线 红外线不可穿固体越障碍物经济实惠 制作简单应用 遥控器 便携电脑的红外通信口 教材P79 80 教材P81 卫星通信 同步卫星通信卫星在离地表36000Km的轨道上运行 周期接近24小时 可与地球形成同步 缺点 信道延迟较长延时与通信两端的距离无关 适合长距离通信 教材P77 79 练习题 源自全国计算机等级考试题库 城域网的主干网采用的传输介质主要是 2006 09 A同轴电缆B光纤C屏蔽双绞线D无线通道 2 4数据传输方式 根据传输方向分类 单工双工 全双工 半双工 2 根据数据在信道中如何传播分类 并行传输串行传输同步传输异步传输3 根据数据在信道中传输时频带如何占用分类 基带传输频带传输 教材P43 56 2 4数据传输方式 2 根据数据在信道中如何传播分类 并行传输 将待发送数据的各个比特位使用多个信道同时发出 2 4数据传输方式 2 根据数据在信道中如何传播分类 并行传输 将待发送数据的各个比特位使用多个信道同时发出 必须有并行通道 往往受设备或实施条件
