chap2-数据通信技术

计算机控制工程计算机控制工程第二章第二章 数据通信技术数据通信技术 数据交换技术数据交换技术4 数据通信技术数据通信技术3 数据通信基础数据通信基础1 数据传输介质数据传输介质2 电话系统示例电话系统示例52021/8/10信息、数据和信号信息、数据和信号一第一节第一节 数据通信基础知识数据通信基础知识数据通信是控制系统基础，目的是交换信息。数据通信是控制系统基础，目的是交换信息。信信息息（InformationInformation）:载载体体是是数数字字、文文字字、语语音音、图图形形和和图图像像，计计算算机机终终端端产产生生的的信信息息一一般般是是字字母母、数数字、符号的组合。字、符号的组合。数数据据 （DataData）：为为传传送送信信息息，首首先先要要将将每每一一个个字字母母、数数字字或或符符号号用用二二进进制制表表示示。被被传传输输的的进进位位制制代代码码称称为为数据（数据（Data)Data)（如何表示问题如何表示问题？）？）信信号号（SignalSignal）：数数据据在在传传输输过过程程中中电电磁磁波波、光光波波等等表示形式。有数字和模拟信号两种表示。表示形式。有数字和模拟信号两种表示。(如何传输如何传输)2021/8/101 1、数据通信系统一般结构、数据通信系统一般结构数据通信系统结构数据通信系统结构二第一节第一节 数据通信基础知识数据通信基础知识数数据据通通信信系系统统是是以以计计算算机机为为中中心心，用用通通信信线线与与分分布布在在远远地地的的数数据据终终端端设设备备连连接接起起来来，执执行行数数据据通通信信的的系系统统。由由主主计计算算机机、终终端端设设备备、通通信信线线路路和和信信号号变变换器换器组成。组成。计算机计算机信号变换器信号变换器通信线路2021/8/10第一节第一节 数据通信基础知识数据通信基础知识信信号号变变换换器器：计计算算机机及及外外围围设设备备产产生生交交换换信信息息多多为为二二进进制制代代码码信信息息，表表现现为为系系列列脉脉冲冲信信号号。通通信信线线路路多多采采用用电电话话线线，在在远远距距离离传传输输中中采采用用模模拟拟交交流流信信号号。数字信号和模拟信号之间转换需要信号变换器。数字信号和模拟信号之间转换需要信号变换器。数字信号数字信号-模拟信号：调制器模拟信号：调制器模拟信号模拟信号-数字信号：解调器数字信号：解调器数数据据传传输输多多是是双双向向的的，任任一一端端即即可可以以发发送送数数据据也也可可以以接接受受数数据据，故故通通信信线线路路两两端端都都应应有有调调制制器器和和解解调调器，总称调制解调器器，总称调制解调器MODEMMODEM。2021/8/10第一节第一节 数据通信基础知识数据通信基础知识数数字字通通信信系系统统:数数据据终终端端设设备备DTEDTE和和数数据据通通信信设设备备DCEDCE：DTEDTE：计计算算机机系系统统和和终终端端设设备备。它它们们都都是是数数据据信信息息的的源源和和目目的的地地。DTEDTE能能进进行行一一般般数数据据输输入入输输出出外外，还还应应该有纠错控制功能；该有纠错控制功能；DCEDCE：通通信信线线路路上上的的设设备备如如MODEMMODEM和和其其它它一一些些中中间间设设备备称为数据通信设备，是网络设备的总称。称为数据通信设备，是网络设备的总称。2021/8/102 2、通信线路的连接方式、通信线路的连接方式第一节第一节 数据通信基础知识数据通信基础知识 点点点点连连接接：终终端端和和计计算算机机之之间间直直接接通通过过调调制制解解调调器器连连接接，连连接接的的线线路路可可以以是是专专用用线线路路或或租租用用线线路路，适用通信量较大场合。适用通信量较大场合。终终端端计计算算机机MODEMMODEM2021/8/10第一节第一节 数据通信基础知识数据通信基础知识 分分支支式式：通通过过主主线线路路与与计计算算机机连连接接方方式式。计计算算机机为为控控制制站站，负负责责对对各各终终端端信信息息进进行行发发送送控控制制和和接接受受控控制制。各各终终端端为为从从站站。控控制制站站可可采采用用轮轮询询方方式式对对接接受受和和发发送送进进行行控控制制，该该方方式式充充分分利利用用线线路路，线线路路利利用率高。用率高。计计算算机机MODEMMODEM终端终端MODEM终端终端主线路主线路2021/8/10第一节第一节 数据通信基础知识数据通信基础知识 集集线线式式：当当多多个个终终端端设设备备都都要要与与距距离离较较远远的的计计算算机机通通信信时时，可可把把终终端端先先经经过过集集中中器器集集中中起起来来，再再用用一频带较高线路与计算机连接一频带较高线路与计算机连接计计算算机机终端终端低速线路低速线路集集中中器器终端终端2021/8/103 3、单向和双向通信、单向和双向通信第一节第一节 数据通信基础知识数据通信基础知识 单单向向通通信信：通通信信线线上上的的数数据据始始终终按按一一个个方方向向创创送送，为为保保证证数数据据传传送送正正确确，接接受受端端要要对对接接受受的的数数据据进进行行校校验验，若若校校验验出出错错，接接受受端端请请求求重重发发原原信信息息。请请求求重重发发信信号号是是检检测测信信号号，其其方方向向与与数数据据信信息息方方向向相相反反。这这样样，单单工工通通信信的的线线路路一一般般采采用用两两个个信信道道，分分别别传传送数据和控制信号，简称二线制。送数据和控制信号，简称二线制。终终端端计计算算机机A数据信号数据信号B检测信号检测信号2021/8/10第一节第一节 数据通信基础知识数据通信基础知识 双双向向不不同同时时通通信信：数数据据信信息息可可以以双双向向传传送送，但但同同一一时时刻刻一一个个信信道道只只允允许许单单方方向向传传送送，要要求求A A、B B两两端端都都有有发发送送装装置置和和接接受受装装置置。半半双双工工方方式式适适用用于于终终端端之之间间回回话话式式通通信信，但但是是由由于于通通信信中中要要频频繁繁调调换换信信道道方向，故效率低。方向，故效率低。K1发送装发送装置置接受装接受装置置接受装接受装置置发送装发送装置置K2数据信道数据信道检测信号检测信号2021/8/10第一节第一节 数据通信基础知识数据通信基础知识 双双向向同同时时通通信信：数数据据信信息息能能同同时时两两个个方方向向进进行行通通信信，即即有有两两个个信信道道，可可同同时时向向两两个个方方向向传传输输信信息息。它它相相当当于于把把两两个个相相反反方方向向的的单单工工通通信信方方式式组组合合起起来来，因因此此一一般般采采用用四四线线制制。全全双双工工通通信信效效率率高高，控控制制简简单，但组成系统造价高，适于计算机之间通信。单，但组成系统造价高，适于计算机之间通信。发送装发送装置置接受装接受装置置接受装接受装置置发送装发送装置置数据信道数据信道监测信号监测信号数据信道数据信道监测信号监测信号2021/8/101 1、傅立叶分析、傅立叶分析数据通信理论基础数据通信理论基础三第一节第一节 数据通信基础知识数据通信基础知识1919世世纪纪初初期期，法法国国数数学学家家傅傅立立叶叶证证明明：任任何何正正常常的的周周期期为为T T的的函函数数g g(t t),),都都可可以以由由无无限限个个正正弦弦和和余余弦弦函函数合成：数合成：其中：其中：是基频；是基频；是正弦和余弦函数是正弦和余弦函数n n次谐波的振幅；次谐波的振幅；2021/8/10第一节第一节 数据通信基础知识数据通信基础知识通通过过傅傅立立叶叶级级数数可可以以重重新新合合成成原原始始函函数数，即即已已经经知知道周期道周期T T和振幅能够得到时间函数和振幅能够得到时间函数g(t)g(t)。对于任意给定的对于任意给定的g(t)g(t)，通过数学分析可得到：通过数学分析可得到：思考：傅立叶变换与数据通信的关系。思考：傅立叶变换与数据通信的关系。2021/8/10第一节第一节 数据通信基础知识数据通信基础知识例例：传传输输8 8比比特特字字节节编编码码的的ASCIIASCII字字符符“b b”，待待传传输的位模式为输的位模式为0110001001100010。0101011000解：对此信号进行傅立叶变换：解：对此信号进行傅立叶变换：Tt/us2021/8/10第一节第一节 数据通信基础知识数据通信基础知识同理：同理：2021/8/10第一节第一节 数据通信基础知识数据通信基础知识低次谐波的幅度的平方根低次谐波的幅度的平方根 物理意义：物理意义：相应频率相应频率nf处所传输的能量成正比。处所传输的能量成正比。所所有有传传输输设设备备信信号号传传输输过过程程中中都都会会损损失失能能量量，然然而而不不同同的的傅傅立立叶叶分分量量的的衰衰减减程程度度不不同同，因因而而输输出出信信号号发发生生畸畸变变。通通常常在在截截止止频频率率fc（HzHz）以以上上的的所所有谐波衰减极大。（传输介质物理特性、滤波器）有谐波衰减极大。（传输介质物理特性、滤波器）思思考考：如如果果带带宽宽仅仅允允许许最最低低几几次次谐谐波波通通过过，那那么么 接受信号将呈现什么样的形状？接受信号将呈现什么样的形状？2021/8/10第一节第一节 数据通信基础知识数据通信基础知识变变好好2021/8/10第一节第一节 数据通信基础知识数据通信基础知识假设比特率为每秒假设比特率为每秒 b b 发送发送8 8比特信息所需要的时间为：比特信息所需要的时间为：8/8/b b秒秒，一次谐波的频率为：一次谐波的频率为：b/8Hzb/8Hz，普通语音级线路（电话线）截止频率普通语音级线路（电话线）截止频率 3000Hz 3000Hz，那么允许通过的最高谐波次数则为：那么允许通过的最高谐波次数则为：24000/b 24000/b次次结论：限制带宽就是限制数据传输速率结论：限制带宽就是限制数据传输速率结论：限制带宽就是限制数据传输速率结论：限制带宽就是限制数据传输速率2021/8/10第一节第一节 数据通信基础知识数据通信基础知识说明说明 （截止频率（截止频率fc为为30003000HzHz）2021/8/10第一节第一节 数据通信基础知识数据通信基础知识2 2、奈奎斯特（、奈奎斯特（NyquistNyquist）定理（有限带宽无噪声信道）定理（有限带宽无噪声信道）如如果果一一个个任任意意信信号号通通过过带带宽宽为为H的的低低通通滤滤波波器器，那那么么每每秒秒采采样样2H就就能能完完整整的的重重现现被被滤滤波波的的信信号号，以以每每秒秒高高于于2H的的速速度度采采样样是是无无意意义义的的。若若被被传传信信号号电电平平分为分为V V级，则最大数据传输率为：级，则最大数据传输率为：NyquistNyquist公公式式为为估估算算已已知知带带宽宽信信道道的的最最高高数数据据传传输输速速率提供了依据。率提供了依据。例例 如如：一一 个个 无无 噪噪 音音 的的30003000HzHz信信 道道 不不 能能 高高 于于60006000b/sb/s的的速速率率传传输输二二进进制制信号。信号。V 最大数据率(C)2 6200 bps 4 12400 bps 8 18600 bps16 24800 bps32 31000 bps2021/8/10第一节第一节 数据通信基础知识数据通信基础知识如果是非理想信道情况又会如何？如果是非理想信道情况又会如何？实际的信道上存在损耗、延迟、噪声。实际的信道上存在损耗、延迟、噪声。损耗引起信号强度减弱，导致信噪比损耗引起信号强度减弱，导致信噪比S/NS/N降低。降低。延迟会使接收端的信号产生畸变。延迟会使接收端的信号产生畸变。噪声会破坏信号，产生误码。噪声会破坏信号，产生误码。如如：持持续续时时间间0.010.01s s的的干干扰扰会会破破坏坏约约560560个个比比特特(56(56Kbit/s)Kbit/s)2021/8/10第一节第一节 数据通信基础知识数据通信基础知识3 3、香农、香农（ShanonSha