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1、数据通信基础 主讲：杨勇 版权所有：比特培训中心一 概念：1 数据通信系统的模型 n 数据(data)运送消息的实体。n 信号(signal)数据的电气的或电磁的表现。 n DTE-数据终端设备 n DCE数据连接（通信）设备2 传输方式基带传输：传输基带信号，基带信号多数是数字信号。如：LAN传输方式频带传输：将数字信号转换为频率表示的模拟信号传输。如：使用MODEM上网宽带传输：将信道分成几个子信道传输模拟信号。如：ADSL3 码元与比特（1）一个码元可以携带一个或多个比特：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，
2、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。由此可以推出：一码元携带比特数LOG2（状态数或离散数）（2）码元的传输速率：波特率（BAUD） 比特的传输速率：比特率(b/s，bps)也叫数据率，带宽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波特率有关马元的计算：例：已知使用QPSK（正交相移调制）或QAM（正交振幅调制）调制及波特率，求数据率：QPSK:1码元带2比特16QAM：1码元带4比特32QAM: 1码元带5比特4 奈奎斯特定理-理想条件下的定理
3、【模拟信道的带宽单位：HZ 数字信道的带宽单位：bps】n 1924 年，奈奎斯特(Nyquist)就推导出了著名的奈氏准则。他给出了在假定的理想条件下，为了避免码间串扰，码元的传输速率的上限值。n 在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，否则就会出现码间串扰的问题，使接收端对码元的判决（即识别）成为不可能。n 如果信道的频带越宽，也就是能够通过的信号高频分量越多，那么就可以用更高的速率传送码元而不出现码间串扰。 有关奈奎斯特定理的计算：例：已知无噪声（或理想）信道带宽为w Hz，求该信道能提供的极限波特率为多少？解：对于无噪声信道，使用奈奎斯特定理B=2W （baud/s）B是该信道能提供的
4、极限波特率5 香农公式-非理想条件下的公式n 香农(Shannon)用信息论的理论推导出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限、无差错的信息传输速率。n 信道的极限信息传输速率 C 可表达为n C = W log2(1+S/N) b/s n W 为信道的带宽（以 Hz 为单位）；n S 为信道内所传信号的平均功率；n N 为信道内部的高斯噪声功率。 香农公式表明：n 信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高。 n 只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定可以找到某种办法来实现无差错的传输。 n 若信道带宽 W 或信噪比 S/N 没有上限（当然实际信道不可能是这样的
5、），则信道的极限信息传输速率 C 也就没有上限。n 实际信道上能够达到的信息传输速率要比香农的极限传输速率低不少。 有关香农公式的计算：例1：已知信噪比为x分贝，传输模拟信道带宽为w HZ，求该信道的极限数据率。解：对于有噪声信道，使用香农公式C=W*LOG2(1+S/N)S/N是信噪比，即信号功率/噪声功率由于通常情况下S/N很大，常用分贝表示，它们的关系如下：1dB（分贝）10log10（S/N）如：若某信道信噪比为30dB，求信噪比的值解：30dB（分贝）10log10（S/N）则S/N103真题：在一个带宽为 3KHZ、没有噪声的信道，传输二进制信号时能够达到的极限数据传输率为_(6)
6、_。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)_。上述结果表明，_(8)_。(6)：A3Kbps B6Kbps C56Kbps D10Mbps(7)：A12Kbps B30Kbps C56Kbps D10Mbps(8)：A. 有噪声信道比无噪声信道具有更大的带宽 B有噪声信道比无噪声信道可达到更高的极限数据传输率 C有噪声信道与无噪声信道没有可比性 D上述值都为极限值，条件不同，不能进行直接的比较二 传输介质：1 双绞线：UTP分为以下几个类型：类型带宽Mb/s3类164类205类100超5类1556类200STP分为以下几个类型：类型带宽Mb/s3类
7、165类1002 同轴电缆：75欧同轴缆用于有线电视网络。50欧同轴缆用于计算机网络的数字信号传输。3 光纤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。三 编码，调制，复用1 数字信号要在数字信道上传输，需经过编码，常见的编码有不归零编码，曼彻斯特编码，差分曼彻斯特编码，4B/5B,8B/10B编码。（图）（1）曼码，差分曼码曼码特点：1）规定了每位中间有脉冲且1和0的脉冲方向相反，但是不规定1是向上还是向下脉冲，同样，也不规定0是向上还是向下脉冲；2）相邻两个相位边缘有翻转。编码效率50，常
8、用于10BASE-T,10BASE-F差分曼码特点：规定每位中间有脉冲，0的位起始边缘有翻转。编码效率50，常用于令牌环网。（2）4B/5B ，用5位的编码代表4位的有效数据，编码效率80。2 模拟信号要在数字信道上传输，需经过脉冲编码（用编码译码器实现）常用的编码是：“脉冲编码调制PCM”（图）PCM过程：取样量化编码若取样频率大于模拟信号最高带宽的2倍，则可以达到不失真取样。量化主要是为采样的标本用数字表示出来，如16级量化就是用16个大小不同的数字来表示标本的值。编码是把量化结果用2进制表示出来。3数字信号要在模拟信道上传输，需调制（使用调制解调器）常用的调制方法有ASK（辐移键控）,F
9、SK（频移键控）,PSK（相移键控）,QPSK（正交相移调制）,QAM（正交幅移调制）ASK: FSK:PSK:4 复用技术（使用多路复用器实现复用）：多个信号复用到一条线路传输，常用的复用技术有：FDM,TDM,STDM,WDM,CDMA（码分多址）,SDMA（空分多址） 5 T1,E1载波（数字传输系统中常用的多路复用技术）（1）T1载波：24路话音按TDM复用在一条1.544Mbps的高速信道上，对4kHz的话音按8kHz的速率采样，128（7位二进制可表示128）级量化， 24（71（信令位）1921（帧同步位）193bit是T1帧长。T2叫做二次群速率4T1,T3=7T2, T4=6
10、T3（2）E1载波：将32路64kbps信号按TDM复用到一条信道上传输，其中2个64Kbps信道用于信令控制，另30路是话音信号。E1=2.048Mbps E2=4E1 E3=4E2 E4=4E3（图）(3)光纤上的多路复用：SONET同步光纤网 SDH同步数字系列一般可认为 SDH 与 SONET 是同义词。n SONET中：第 1 级同步传送信号 STS-1 (Synchronous Transport Signal)的传输速率是 51.84 Mb/s。光信号则称为第 1 级光载波 OC-1，OC 表示Optical Carrier。 n SDH 的基本速率为 155.52 Mb/s，称
11、为第 1 级同步传递模块 (Synchronous Transfer Module)，即 STM-1，相当于 SONET 体系中的 OC-3 速率。 四 通信方式和交换方式1 通信方式：单工，半双工，全双工2 传输方式：（1）异步传输：在字符前插入起始位0，字符末尾插入停止位1，以便接收方确认开始和终止。 1 7 1 10数据校验1开销：2030（2）同步传输：发送数据块之前先发一段同步字符SYNC，告诉接收方同步信息，例如：SYNC=“01111110”，接收方若连续收到2个SYNC，则进入同步状态，双方就会以相同频率工作，直到遇到结束字符，结束字符也是SYNC。在传输大段数据时，其传输效率
12、比异步传输要高。3 交换方式：（1）电路交换：和打电话一样，需要经过建立连接，保持连接和释放连接三个阶段，且连接保持时不可以有其他信号共用信道。他的效率可以很高也可以很低。（2）报文交换：把要传输的数据称为报文，报文中指明目的地的地址，由交换节点负责寻找路径转发出去，要求节点有较大的缓存空间，优点是：不使用专用信道，健壮性好 缺点：时延比较大。（3）分组交换：把要传输的数据切割成固定长度的分组，该分组比报文要短，具有更高的灵活性，对交换节点缓存的要求不是很大，时延比报文交换的小，健壮性更好。分组交换分为2大类：数据报和虚电路数据报：每分组独立选择路径，到达目的要重新排序。交换网把进网的任一个分
13、组都当作单独的“小报文”来处理，被称为数据报(datagram)。虚电路两个用户的终端设备在开始互相发送和接收数据之前需要通过通信网络建立逻辑上的连接，旦这种连接建立，直至用户不需要发送和接收数据时清除这种连接所有分组都必须沿着事先建立的虚电路传输，存在一个虚呼叫建立阶段和拆除阶段(清除阶段)虚电路与数据报方式的比较:1）在传输方式上，虚电路服务在源、目的主机通信之前，应先建立一条虚电路，然后才能进行通信，通信结束应将虚电路拆除。而数据报服务，网络层从运输层接收报文，将其装上报头（源、目的地址等信息）后，作为一个独立的信息单位传送，不需建立和释放连接，目标结点收到数据后也不需发送确认，因而是一
14、种开销较小的通信方式。但发方不能确切地知道对方是否准备好接收，是否正在忙碌，因而数据报服务的可靠性不是很高。 2）关于IP地址：虚电路服务仅在源主机发出呼叫分组中需要填上源和目的主机的IP地址，在数据传输阶段，都只需填上虚电路号。而数据报服务，由于每个数据报都单独传送，因此，在每个数据报中都必须具有源和目的主机的IP地址，以便网络结点根据所带地址向目的主机转发，这对频繁的人机交互通信每次都附上源、目的主机的IP地址不仅累赘，也降低了信道利用率。 3）关于路由选择：虚电路服务沿途各结点只在呼叫请求分组在网中传输时，进行路径选择，以后便不需要了。可是在数据报服务时，每个数据每经过一个网络结点都要进行一次路由选择。当有一个很长的报文需要传输时，必须先把它分成若干个具有定长的分组，若采用数据报服务，势必增加网络开销。 4）关于分组顺序：对虚电路服务，由于从源主机发出的所有分组都是通过事先建立好的一条虚电路进行传输，所以能保证分组按发送顺序到达目的主机。但是，当把一份长报文分成若干个短的数据报时，由于它们被独立传送，可能各自通过不同的路径到达目的主机，因而数据报服务不能保证这些数据报按序列到达目的主机。 5）可靠性与适应性：虚电路服务
