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1、数据通信基础适用班级：网络工程师主 讲：刘琳芳 网 址： E Mail： 分值说明：网络工程师考4-10分（早上试题）比特培训中心贵州贵阳目 录1.1 基本概念11.1.1 模拟和数字信号11.1.2数据通信的主要性能指标21.1.3传输模式21.1.4 数据通信方式21.2 数据通信理论基础41.2.1 信道的容量41.2.2尼奎斯特定理41.2.3 香农公式41.3传输介质41.3.1 有线介质41.3.2 无线介质51.3.3 信道延迟51.4 编码61.4.1 数字数字编码61.4.2 数字模拟编码91.4.3 模拟数字编码111.4.4 模拟模拟编码131.5 传输技术131.5.
2、1信道复用技术131.6 差错控制技术151.6.1 奇偶校验码151.6.2海明码151.6.3 CRC码（循环冗余校验码）161.7 物理层接口协议171.8历年试题18课程：数据通信基础 主讲：刘琳芳 版权所有：1.1 基本概念数据通信系统的模型 图1-1 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。 1.1.1 模拟和数字信号 1. 模拟信号：是一种随时间推移而平滑变化的连续波形式，由三个要素来描述：振幅、周期（或频率）和相位。图 模拟信号的三要素 振幅A：波形上的点到达水平轴的最大距离。反映了信号的强弱。 周期T：信号完成一
3、个完整波形重复所经历的时间，与频率f互为倒数。 相 位：用于描述起始信号时间点相对于时间轴零点的位置，不同的相位反映了波信号在时间轴上移动的距离。2. 数字信号：是离散的物理量，只包含有限数目的固定值，从一个值到另一个值的变化是瞬时发生的。图 数字信号的表现形式 如图，高电平表示1，低电平表示0，垂直线表示信号从一个值到另一个值的瞬时变化。1.1.2数据通信的主要性能指标1.带宽信道带宽：或称介质带宽，传输介质在传送信号时能够传送电磁波的有效频率范围，单位是HZ，是介质的物理特性；信号带宽：某一信号所占据的频率范围；基带信号：来自信源的信号，通常分布在低频段（通常包含直流电）且未通过调制的信号
4、。带通信号：使用调制方式把基带信号的频率范围搬移到较高的频段，以便在信道中传输的信号，即仅在一段频率范围内能够通过信道的信号。2.信号传播速度指信号在信道上每秒钟传送的距离，光在空气中的速度为3*108m/s，电缆中电信号的传播速度为光速的77%，约为2*108m/s；3.码 元： 在数字信号中，一个数字脉冲称为一个码元，一次脉冲的持续时间称为码元的宽度，在模拟信号中为一个完整的波形。4.码元速率：单位时间内信号波形的最大变换次数，即单位时间内通过信道的码元个数，单位叫波特，所以码元速率也叫波特率，单位B/S.5.比特率： 单位时间内在信道上传送的数据量（即位数），其单位为bps或b/s。一个
5、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，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。 图1-4 每码元携带1bit数据图由此可以推出： 一码元携带比特数LOG2（状态数或离散数）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 图1-5 每码元携带2bit数据示意图1.1.3传输模式1. 单向通信： 又称单工通信，即只能向一个方向的通信而没有反方向的交互。2. 双向交替通信：又称半双
6、工通信，通信双方都可以发送信息，但不能同时发送或接收，3. 双向同时通信：全双工通信，即通信的双方可以同时发送和接收信息。1.1.4 数据通信方式1串行通信串行通信是指将表示一定信息的数字信号序列按信号变化的时间顺序一位接一位地从信源经过信道传输到信宿。如图1-6（a），串行传送数字信号10111010.。优点：只需要一条信道，通信线路简单、成本低，用于较长距离通信，2并行通信是指将表示一定信息的数字信号序列按码元数分成n路（n通常为一个字长，比如8路、16路等），同时在n路并行信道中传输，信源一次可以将n位数据传送到信宿。如图1-6（b），并行传送数字信号10111010.并行通信特点是需要
7、多条信道、通信线路负载、成本高，但是传输速率快且不需要外加同步措施就可以实现通信双方的码组或字符同步，多用于短距离通信，如计算机和打印机之间通过并行接口通信。3异步串行通信与同步串行通信信源与信宿之间的同步是指，信宿收到一串信息后，要让信宿知道哪些是数据信息的起始位，哪些是信息的结束位，以便正确的恢复数据所携带的信息。为使通信双方实现两点间的同步，在实际通信中处于OSI模型中的数据链路层会要求通信硬件或软件在给实际数据加上一些同步信息，使得通信双方的硬件是同保持一致，从而保证信宿正确的识别信源发过来的信息。根据同步信息添加的方法不同，串行通信分为异步串行通信和同步串行通信两种。1）异步串行通信
8、是指在以字符为通信单位的串行通信中，由硬件加在每一个字符的数据帧上几位数据位，作为同步信息，通常由起始位、数据位、校验位和停止位四部分组成，这些同步信息和原始字符的数据位一起构成一个数据帧进行传输。（1）起始位：当通信线路从空闲的标志状态（逻辑1）变为逻辑0电平，并保持一个位时长后，表示起始位到来，作用是唤醒接受设备准备接受数据。（2）数据位：有n个代表信息的二进制（多进制）码元（数据位）组成，n是一个字符的宽度，其长度取决于数据所采用的字符集，如ASCII码为7位，汉字码则为8位。（3）校验位：在数据位后面，用0或1表示，作用是对收到的数据是否出现差错进行检测。不是必需的，可关闭或为空。（4
9、）停止位：位于数据帧的尾部，其作用是表示一个字符传输完毕，对应于二进制数的1，用高电平表示，占用一到二个数据位，以确保数据线处于标志状态，等待下一个起始位的到来。如图1-7（a），异步传ASCII码中A字符的数据帧格式（A是1000001表示，加入一位偶校验位）2）同步串行通信是指以数据块（即多个字符或二进制位串组成的数据）为传输单位并对其进行同步。每个数据块的头部和尾部都要加一个特殊的字符或比特序列，分为面向字符和面向数据流两种传输方式：在面向字符的方式中，每个数据块的头部用一个多个同步字符SYN来表示数据块的开始；而尾部用另一个字符ETX代办数据块的结束，如图1-7（b）。在面向数据流的方
10、式中，每个数据块的头部和尾部都用一个特殊的比特序列（如01111110）来标记数据块的开始和结束，如图1-7（c），在计算机局域网的通信中都采用面向位流的同步传输方式。同步串行通信的优点是开销少、效率高，适合于较高速率的数据传输；缺点是整个数据块一旦有一位误传，就必须重传整个数据块。1.2 数据通信理论基础1.2.1 信道的容量图 数字信号通过实际的信道：（a）有失真但可以识别 （b）是失真大无法识别限制码元在信道上的传输速率因素有以下两个：（1）信道能够通过的频率范围具体的信道所能通过的频率范围总是有限的，信号中一些高频分类往往不能通过信道，如上图(b)，发送端的信号是一种典型的含有丰富高频
11、分量的方波，在接收端收到的波形前沿和后沿变得不那么陡峭了，每一个码元所占的时间也变得模糊，这种现象叫码间串扰。 （2）信噪比：即信号的平均功率和噪声的平均功率之比。1.2.2尼奎斯特定理尼奎斯特定理是指为了避免码间串扰，理想条件下（即无噪声）有限带宽信道的极限波特率。若模拟信道的带宽为W，单位为HZ，若数字信道的带宽W：bps，则奈奎斯特定理指出的最大码元速率为：B=2W(Baud)1.2.3 香农公式香农公式非理想条件下的公式,即有噪声信道的无差错的极限数据速率计算方法。信道的极限信息传输速率 C 可表达为：C = W log2(1+S/N) b/sW 为信道的带宽（以 Hz 为单位）；S
12、为信道内所传信号的平均功率；N 为信道内部的噪声平均功率。 S/N 叫做信噪比，由于实际信噪比值较大，常用分贝数来表示，分贝与信噪比的关系为：1dB（分贝）10log10（S/N）例子：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)_。(7)：A12Kbps B30Kbps C56Kbps D10Mbps计算过程：（1）计算信噪比：30=10 log10（S/N），得log10（S/N）=3， S/N=103=1000（2）计算C。c= W log2(1+S/N)=3000* log2(1+1000)3000*10=30Kbps1.3传输介质1.3.1 有
13、线介质1.同轴电缆：图 同轴电缆结构模型75欧同轴缆用于有线电视网络，为宽带同轴电缆，用于传输模拟信号。50欧同轴缆用于局域网的数字信号传输，为基带同轴电缆，粗缆适合大型局域网，传输距离长，可靠性高。造价高，安装难度大。细缆安装简单，造价低。2.双绞线图 双绞线结构模型表 几种不同的双绞线类型带宽典型应用3类16MHZ低速网络，模拟电话4类20MHZ短距离的10BASE-T以太网5类100MHZ10BASE-T以太网；某些100BASE-T快速以太网超5类100MHZ100BASE-T快速以太网；某些1000BASE-T吉比特以太网6类250MHZ1000BASE-T吉比特以太网，ATM7类6
14、00MHZ可能用于今后的10吉比特以太网3.光纤 光纤的纤芯是一种能传播光的石英玻璃或特制塑料拉成的柔软细丝。包层是涂在纤芯外的一层折射率比光纤纤芯低的材料。图 光纤结构图“模”是指光线的入射角。多模光纤：光线能从多种角度入射，通过不同光路传播，常见的有62.5/125m和50/125m两种，其中后面的数值125m是指光纤的包层直径，前面的数值50m和62.5m是指光纤的纤芯直径，一般使用波长为850nm或1310nm的激光，以波长为850nm的激光最为常见。单模光纤：纤芯直径比多模光纤要小的多，常见规格是9/125m，一般采用波长为1310nm或1550nm的激光，传播的光线基本是水平的。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。1.3.2 无线介质1. 无线电传输 2. 微波传输 3. 卫星传输 4. 红外线传输 5. 激光传输1.3.3 信道延迟1、发送时延 指主机或路由器发送数据帧所需要的时间，也就是从发送数据帧的第一个比特算起，到该帧的最
