数据通信基础讲义

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1、1,第2章 数据通信基础,2,第2章 数据通信基础,学习目标 掌握数据通信的基本概念和常用术语 掌握数据通信的主要技术指标和通信方式 掌握常用传输介质的类型和特性 了解数据通信中的编码方法与传输技术 掌握多路复用技术的概念、了解实现方法 掌握数据交换技术的概念、了解实现方法 了解差错控制的概念、原理与方法,3,第2章 数据通信基础,教学内容 2.1 相关基本概念 2.2 数据传输介质 2.3 数据编码与传输技术 2.4 多路复用技术 2.5 数据交换技术 2.6 差错控制技术 2.7 本章要点小结,4,2.1 相关基本概念,2.1.1 数据通信系统的模型 2.1.2 数据通信的常用术语 2.1

2、.3 数据通信方式 2.1.4 数据通信中的同步方式 2.1.5 数据通信中的主要技术指标,5,2.1.1 数据通信系统的模型,数据通信是依照通信协议，利用数据传输技术在两个功能单元之间传递数据信息。,6,2.1.1 通信系统模型,信源指信息的来源或发送者，信宿指信息的归宿或接收者。 信道是传输信号的通路，由传输线路及相应的附属设备组成,7,2.1.1 噪声,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：来自通信系统内部，例如：随机热噪声是由导体中电子的热扰动引起的，它存在于所有电子器件和传输线路中，引起的差错是随机差错 外部噪声：来自通信系统外部，例如：冲击噪声是由外界

3、特定的短暂原因（如，电火花等）所造成的，引起的差错是突发差错。,8,2.1.2 数据通信常用术语,数据是指描述物体的数字、字母或符号，有模拟数据和数字数据之分。 信号是数据在传输过程中的表示形式，是用于传输的电子、光或电磁编码，有模拟信号和数字信号之分。 数据是信息的载体，信息是数据的内容和解释，而信号是数据的编码。,9,2.1.2 模拟信号与数字信号,10,2.1.2 信道和带宽,信道是传输信号的通路，一条传输线路上可以存在多个信道。 信号带宽指信号的频率范围，而信道带宽是信道上能够传输信号的最大频率范围,11,2.1.3 数据通信方式 串行通信,将待传送的每个字符的二进制代码按由低到高位的

4、顺序，依次发送。 特点是：成本低，利用率高，速度慢，需串/并转换，适合长距离的传输。,12,2.1.3 数据通信方式 并行通信,将表示一个字节的二进制代码同时通过8条并行的通信信道发送出去，即每次发送一个字节 特点是：成本高，速度快，不需串/并转换；但是信道的利用率低。,13,2.1.3 单工、半双工和全双工通信,单工通信 只支持数据在一个方向上传输（正向或反向），任何时候不能改变信号的传输方向。 半双工通信 允许信号在两个方向上传输，但某一时刻只允许信号在一个信道上单向传输 全双工通信 允许数据同时在两个方向上传输（即允许双向传输，并且可以同时进行）。,14,2.1.4 数据通信中的同步方式

5、,同步，就是要求通信的收发双方在时间基准上保持一致。 两种同步方式 异步传输 同步传输,15,2.1.4 异步传输,在异步传输中 比特被划分成小组（通常是字符）独立进行传输 异步传输中比特小组一般以字符为单位，具体组成如下： 起始位 、 数据位 、校验位 、停止位,16,2.1.4 异步传输,无数据传输时，停止位（逻辑“0”） 有数据传输时，检测起始位（逻辑“1”） 按收、发双方约定的时钟频率对约定的字符比特数（58bit）进行接收 差错控制，完成一个字符的传输。 特点：数据传输额外开销大，主要用于低速设备，例如键盘、某些打印机等。,17,2.1.4 同步传输,在同步传输方式下，比特被划分成大

6、组（通常是数据帧）独立进行传输。 同步传输比特组成 同步字符 地址字段 控制字段 数据字段 检验字段 帧结束字段,18,2.1.4 同步传输原理,在无数据传输时，发送空闲信息 有数据传输时，检测同步字符（SYN） 按收、发双方约定的时钟频率对约定的数据进行接收 差错控制，完成一个数据帧的传输。 同步传输的特点是：数据传输额外开销小，但实现复杂，常用于高速数据传输 。,19,2.1.5 数据通信中的主要技术指标,数据传输速率 误码率 信道容量 三个指标之间的关系,20,2.1.5 数据传输速率,数据传输速率又称比特率，指单位时间内所传送的二进制位的个数 单位为比特每秒，表示为bps或b/s。S

7、表示比特率 T 表示脉冲宽度 N 表示一个脉冲所表示的有效状态数，即调制电平数，通常为2的整数倍。,21,2.1.5 例,若一连续信号，f = 1200Hz，每个信号可表示4个不同的状态，则波特率为1200 数据传输速率（比特率）为2400bps。,22,2.1.5 信号传输速率,信号传输速率又称波特率或调制速率，指单位时间内所传送的信号的个数， 单位为baud（波特） B = 1 / T B 波特率 T 信号周期。例：若f = 1200Hz的一连续信号， 则 B = 1/T = 1200（波特）,23,2.1.5 波特率和比特率之间关系,比特率针对的是二进制位数传输，波特率针对信号波形的传输

8、 N为 一个脉冲所表示的有效状态数，即调制电平数,24,2.1.5 误码率,误码率主要用于衡量数据传输的质量。 定义为：二进制数据位在传输中出错的概率。 Pe = Ne / N Pe 误码率 Ne 出错的位数 N 传输的总位数,25,2.1.5 信道容量,信道容量指信道所能承受的最大数据传输速率（受信道的带宽限制） 单位为bps或b/s。 两种衡量的方法 有限带宽无噪声信道（奈奎斯特公式） 有限带宽随机噪声信道（香农公式）,26,2.1.5 奈奎斯特公式,其中：C 最大数据速率（信道容量）H 信道的带宽（Hz）N 一个脉冲所表示的有效状态数，即调制电平数奈奎斯特公式表明，对某一有限带宽无噪声信

9、道，带宽固定，则调制速率也固定，但可以通过提高信号能表示的不同的状态数，以提高信道容量。,27,2.1.5 例,若某信道带宽为4kHz，任何时刻信号可取0、1、2和3四种电平之一，则为:,28,2.1.5 香农公式,H 信道的带宽（Hz） C 信道内信号的功率 N 信道内服从高斯分布的噪声的功率 S/N是信噪比，通常用 表示 单位： dB、分贝,29,2.1.5 例,信噪比为30dB，带宽为4kHz的信道最大的数据速率为多少？ S/N=1000 表示无论采用何种调制技术，信噪比为30dB，带宽为4kHz的信道最大的数据速率约为40kbps。,30,2.1.5 三个指标之间的关系,数据速率是信道

10、的实际数据传输速率 信道容量是信道的最大数据传输速率 误码率用于衡量信道传输数据的可靠性。,31,2.1.5 例,在数字传输系统中，调制速率为1200波特，数据传输速率为3600bps，则每个信号可有几种不同状态？如要使调制速率和数据传输速率相等，则每个信号应有几种不同状态？,已知数据传输速率S=3600bps，调制速率B=1200波特，代入公式S=Blog2N中，求的N=8，即每个信号可有8种不同状态。 由公式S=Blog2N可知，要使S=B，N应为2，即每个信号应有2种不同状态。,32,2.1.5 例,在电话系统中，一路电话的带宽是3KHz，典型的信噪比是35dB，请计算电话线上可以取得的

11、理论上最大的数据传输速率？ 先求解S/N：35dB=10log10S/N，所以S/N3162，利用香农公式求解信道容量：C=Hlog2（1+S/N）=3KHzlog2（1+3162）34880bps，即35Kbps左右的比特率将是常规调制解调器的上限,33,2.2 数据传输介质,2.2.1 传输介质基本概念 2.2.2 双绞线 2.2.3 同轴电缆 2.2.4 光纤 2.2.5 无线介质,34,2.2.1 传输介质基本概念,传输介质是网络中连接收发双方的物理通路，也是通信中实际传送信息的载体。 类型双绞线、同轴电缆、光纤、无线 信道、卫星通信信道 特性 物理、传输、连通、地理范围、抗干扰、相对

12、价格,35,2.2.2 双绞线,双绞线由螺旋状扭在一起的两根绝缘导线组成，把两条导线按一定密度对扭在一起可以减少相互间的电磁干扰。 双绞线芯一般是铜质的，能提供良好的传导率。双绞线一般分为非屏蔽双绞线（UTP）和屏蔽双绞线（FTP、STP、）。,36,2.2.2 非屏蔽双绞线 UTP,UTP Unshielded Twisted Pair 是 将一对或多对双绞线线对（常用4对）放入一个绝缘套管，外面没有屏蔽层。,37,2.2.2 屏蔽双绞线 FTP、STP,屏蔽双绞线是在一对或多对双绞线线对的外面加上一个用金属丝编织成的屏蔽层，然后再放入一个绝缘套管。 按屏蔽层设置的不同分成外层屏蔽双绞线（F

13、TP，Floated Twisted Pair），全屏蔽双绞线（STP，Shielded Twisted Pair） 屏蔽双绞线的抗干扰性能（尤其是线对间抗干扰性能）要远高于非屏蔽双绞线（UTP），价格也比非屏蔽双绞线高,38,2.2.2 FTP STP,39,2.2.2 双绞线的特性,传输特性 用于传输模拟信号，也可用于传输数字信号。 连通性 双绞线可常用于点到点连接，也可用于多点连接。 地理范围 双绞线可以很容易地在15公里或更大范围内提供数据传输。 抗干扰性 在低频传输时，抗干扰性高于同轴电缆；而在10100KHz时，则低于同轴电缆。 价格 双绞线的相对价格最便宜,40,2.2.3 同轴

14、电缆,内芯金属导体，用于传输数据 绝缘层用于内芯与屏蔽层间的绝缘 屏蔽层金属导体，用于屏蔽外部的干扰 塑料外套 用于保护电缆,41,2.2.3 同轴电缆特性,同轴电缆内芯一般是铜质的，能提供良好的传导率。 同轴电缆分为基带同轴电缆和宽带同轴电缆两类。 基带同轴电缆 用于传输数字信号 宽带同轴电缆 既可以传输模拟信号，也可以传输数字信号，通常用于传输电视信号。 可用于点到点连接和多点连接 抗干扰性通常高于双绞线 高于双绞线，低于光纤,42,2.2.4 光纤,传输速率高达几百Mbps、误码率极低，是网络传输介质中性能最好、应用前途最广泛的一种。,43,2.2.4 光纤,直径50-150m导光介质。

15、 由纤芯、包层、外保护层组成。 分室外、室内、桌面型。单模光纤、多模光纤。,44,2.2.4 单模光纤与多模光纤,单模光纤光纤上光信号单角度（轴线）、单光线传输纤芯小、性能好 多模光纤光纤上光信号多角度、多光线传输纤芯大、性能不如单模光纤,45,2.2.4 光纤的特性,传输特性： 要实现双向通信就必须成对使用。 连通性 只用于点到点连接。 地理范围 适用于长距离信号传输 抗干扰性 具有良好的抗干扰性，不受任何强电磁的影响，安全性也好。 价格 价格比较昂贵。在有线介质中，光纤的价格最高,46,2.2.5 无线介质,频带范围：低频-特高频传输方式：地波、天波、空间波 缺点：易受天气等因素影响，信号

16、幅度变化较大 优点：技术成熟、应用广泛、发射功率要求小 适用：长、中、短波，电视,47,2.2.5 微波通信,频带范围：100M-10G 传输方式：空间波直线传播 缺点：只能视距传播、架高天线 优点：微波能量集中，发射功率要求小，适合点到点接力传播。 适用：调频、电视、移动、定向通信,48,2.2.5 卫星通信,特点：通信距离远、覆盖面积大、不受地理条件限制、费用与距离无关、信道带宽宽、可多址通信和移动通信 卫星、地球站 转发器使用不同频率接受、放大和 发送信号 上行链路 Uplink 下行链路 Downlink,49,2.3 多路复用技术,Multiplexing 在一条物理线路上建立多条通信信道的技术 研究原因与目的通信线路建设费用昂贵，需要充分利用线路容量实际传输介质容量已超过单一信道通信量,