数据通信的基础知识

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1、第二章 数据通信的基础知识本章重点基本概念 多路复用信道 数据交换技术传输媒体 差错控制编码Date12.1 2.1 基本概念基本概念数据(Data)：传递（携带）信息的实体（描述物体的数字 、字母或符号），信息(Information)则是数据的内容或解释。-模拟(Analog)数据是指在某个区间内连续变化的值。例如：声音和视频数字(Digital)数据在某个区间内是离散的值。例如：文本和整数一些术语Date2信号(Signal)：数据的物理量编码（通常为电编码），数据 以信号的形式传播。 -模拟信号是随时间连续变化的电流、电压或电磁波。数字信号是指利用其某个参量（如幅度、频率或相位等）的变

2、化来表示数据结合你的生活经历请举例说明信息、数据、信号之间的关系Date3 信源:通信过程中产生和发送信息的设备 或计算机。 信宿:通信过程中接收和处理信息的设备 或计算机。 信道:信源和信宿之间的通信线路（或通 路）是传输信号的通路，由传输线路及相应 的附属设备组成。同一条传输线路上可以有 多个信道。例如：一条光缆可以同时供几千人通话，有 几千条电话信道。Date4信号带宽是指信号的频率范围； 信道带宽是指信道上能够传输信号的最大频率范 围。信号带宽不能大于信道带宽，否则无法实现 通信。实例：传输线路和信道之间的关系可以看作马路 与车道之间的关系，一条马路可以划分成一车道 ，也可以划分成多车

3、道；信号带宽和信道带宽之 间的关系可以看作汽车宽度与车道宽度之间的关 系，汽车宽度不能大于车道宽度，否则交通无法 实现。 Date5比特率(Bit Rate)：数据传输速率 (bps，b/s)是单 位时间内所传送的二进制位的个数，单位为bps或 b/s 。码元(Code Cell)：时间轴上的一个信号编码单元码字: 码元的有意义的序列称为码字。t码元1码元2码元3码元4码元5信号同步脉冲同步脉冲：用于码元的同步定时，识别码元的开始Date6波特率(Baud)：即信号传送速率是单位时间内所传送的信号的个数（码元数），单位为baud(波特) 。1 Baud = （log2M） bps其中M是信号的

4、编码级数，2N=M 。例如：4级编码,即每个信号可有4种不同状态00 01 10 11，则一个码元由两个比特位构成一个信号往往可以携带多个二进制位，所以在固定的信息传输速率下，比特率往往大于波特率。换句话说，一个码元中可以传送多个比特（bit）。t码元1码元2码元3码元4码元5信号同步脉冲Date7数据传输速率和信号传输速率之间的关系： 两者都是衡量信息在传输线路上传输快慢的 指标，但两者针对的对象不同，前者针对二 进制位，后者针对信号 Date8 带宽(Bandwidth)：信号或信道占据的频率范围 信道容量(Channel capacity)：信道的最大数据率 误码率(Bit error

5、rate)：信道传输可靠性指标P= 错误的位数 / 传输的总位数信息编码：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01000001tDate9通信系统模型通信的三个要素：信源、信宿和信道任何一个通信系统都可以抽象为以下模型：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、相位解码器：传输信号原始数据 解调器：接收波形数字信号序列Date10信息数据信号在介质上传输信号数据信息通信系统的任务信息通过通信系统传输把携带信息的数据用物理信号形式通过

6、介质传 送到目的地。信息和数据（0、1比特）不能直接在介质上传输。Date11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。Date12通信基本过程包含两项内容：数据传输和通信控制建立物理连接 拨号 数据传输链路建立阶段 确认对方 数据及控制信息的传输 通话阶段 数据传输链路拆除阶段 证实通话结束 通信线路拆除阶段 挂机Date13数据通信中的主要技术指标1.数据传输速率1)数据传输速率-每秒传输二进制信息的位数，单位 为位/秒，记作bps或b/s。计算公式: S=1/T log2M(bp

7、s) T为一个数字脉冲信号的宽度单位为秒；M为一个码元所取的离散值个数（信号状态数）。通常 M=2K，K为二进制信息的位数，K=log2M。M=2时，S=1/T，表示数据传输速率等于信号传输速 率。Date142)信号传输速率-单位时间内通过信道传输的码元数，单 位为波特，记作Baud。计算公式: B=1/T (Baud) 式中 T为信号码元的宽度，单位为秒信号传输速率,也称码元速率、调制速率或波特率。由、式得： S=B log2N (bps) 或 B=S/log2N (Baud) （3）、（4）式即为数据传输速率和信号传输速率的关系Date15信道容量1)信道容量表示一个信道的最大数据传输速

8、率，单位：位/秒(bps)信道容量与数据传输速率的区别是，前者表示信道的最大数据 传输速率，是信道传输数据能力的极限，而后者是实际的数据传输 速率。像公路上的最大限速与汽车实际速度的关系一样。2)离散的信道容量奈奎斯特(Nyquist)无噪声下的码元速率极限值B与信道带宽 H的关系：B=2 H (Baud) 奈奎斯特公式-无噪信道传输能力公式：C=2 H log2M (bps) 式中 H为信道的带宽，即信道传输上、下限频率的差值，单 位为Hz；M为一个码元所取的离散值个数（信号状态数） 。C为最大数据传输速率Date16M 最大数据率 (C) 2 6000 bps 4 12000 bps8 1

9、8000 bps 16 24000 bps 32 30000 bps 64 36000 bps 例如： 话音级线路(3000 Hz) 的信道容量计算，如右 图所示。C=2 H log2M (bps)Date17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。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。Date18c）噪声是指信号在传输过程中受到的干扰，按产生的 原因可分为内部噪声和外部噪声热噪声：由导体内的热扰动引起，又称为白噪声， 属于内部噪声，引起的差错是随机差错。串扰：信道间产生的不必要的耦合。

10、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），属于内部 噪声，引起的差错是突发差错。噪声将破坏信号，产生误码。持续时间0.01s的干 扰可以破坏约560个比特 （56Kbps）。Date193)连续的信道容量香农公式-带噪信道容量公式：C=H log2(1+S/N) (bps) 式中 S为信号功率，N为噪声功率，S/N为信噪比，通常把信噪比表示成10lg(S/N)分 贝(dB)。Date20S/NdB 信噪比（dB分贝）的定义S/NdB = 10 log10 S/N例：信道带宽W=3KHz，信噪比为30dB，则S/NdB=10lg S/N

11、C=3000*log2(1+1000) 30Kbps即：Date212.2 2.2 信道及其主要特征信道及其主要特征1.数字信道和模拟信道数字信道：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。Date222.模拟信号和数字信号模拟信号：时间上连续，包含无穷多个值数字信号：时间上离散，仅包含有限数目的预定值tta) 模拟信号b) 数字信号Date233.周期信号和非周期信号周期信号：信号由不断重复的固定模式组成（如正弦 波）非周期信号：信号没有固定的模式和波形循环（如语 音的音波信号），能被分解成无数个周期信号的叠加。ttTTTTTT 周期信号Dat

12、e24数字通信的优点 抗噪声（干扰）能力强 可以控制差错，提高了传输质量 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。Date252.3传输模式(通信方式)按照通信中字节使用的信道数，数据通信方式可 分为串行通信和并行通信。1并行传输方式采用并行传输方式，可以一次传输多位数据。相应地，从发送端到接收端的信道需要若干根传输线。 例如，计算机的并行口常用于连接打印机，每次并 行输出8位数据，如图所示。2串行传输方式串行传输是一位一位地传送的，从发送端到接收端只要一根传输线即可如图所示。

13、Date261 1、并行传输方式、并行传输方式Date272 2、串行传输方式、串行传输方式 注： 串行数据通信又有三种不同的方向性结构： 单工、半双工和全双工，如图所示。Date28 单工：数据单向传输（无线电广播）为保证正确传送数据信号，接收端要对接收的数据进行校验，若校验出 错，则通过监控信道发送请求重发的信号。 半双工：数据可以双向传输，但不能在同一 时刻双向传输（对讲机） 全双工：数据可同时双向传输（电话）两个方向的信号共享链路带宽：1）链路具有两条物理上独立的传输线路，或2）将带宽一分为二，分别用于不同方向的信号传输如图：Date29Date305.数字数据的传输方式 基带传输：不

14、调制，编码后的数字脉冲信号直接在信道上 传送。例如：以太网 频带传输：调制成模拟信号后再传送，接收方需要解调例如：通过电话模拟信道传输其中，发送端将数字信号转化为模拟信号称为调制。接收 端将模拟信号转化为数字信号，称为解 调。 宽带传输比音频带宽（2003400HZ）更宽的频带，包括大部分电 磁波频道。Date316.数据同步方式目的是使接收端与发送端在时间基准上 一致 (包括开始时间、位边界、重复频率等 )。有两种同步方法： 同步传输 异步传输Date32一、同步传输不是以字符为单位而是以数据块（一组字符） 为单位传输的。在每个数据块前后加上起始和结束 标志，使接收和发送建立同步。两种形式同

15、步传输：面向字符的同步传输 面向比特的同步传输Date33面向字符的同步传输是一次传送由若干字符组成的数据块，并规定十个 特殊字符作为数据块的起始和结束标志以及整个传 输过程的控制信息。SYNSYN数据块块校验ETB/ETXSOH标题STXSYN是同步字符一个SYN是单同步两个SYN是双同步SOH是序始字符，表示标题开始。标题包括信息源地址、目的地址和路由指示等STX叫文始字符标志传送文字的开始。正文很长，需分成若干个分数据块，ETB是组终字符加在每 个分数据块的后面，ETX文终字符加在最后的分数据块后。Date340111110地址场控制场和数据场0111110校验场0 - n位帧起始帧结束8-32位8位面向比特的同步传输所传的一帧数据是任意位，起止标志由约定的 位模式来标志。帧起始字段：表示数据帧的开始 地址字段：包括源地址（发送方地址）和目的地址 （接收方地址） 控制字段：用于控制信息（该部分对于不同数据帧