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1、SDCIT计算机网络基础软件工程系讲授：赵宪华第第2讲讲 数据通信系统（一）数据通信系统（一）本讲任务本讲任务n信息、数据与信号信息、数据与信号n数据编码数据编码n数据传输数据传输2024/7/222网络是信息传输与共享的平台。所传输的信息包括网络是信息传输与共享的平台。所传输的信息包括文字、图片、声音和视频等，这些信息作为我们所文字、图片、声音和视频等，这些信息作为我们所看到的内容并不是直接从网络的一端传到另一端的。看到的内容并不是直接从网络的一端传到另一端的。类似于计算机网络的电话网，类似于计算机网络的电话网，打电话的双方听到的打电话的双方听到的是对方的声音，但是声音并不能通过电话线直接从
2、是对方的声音，但是声音并不能通过电话线直接从一端传送到另一端，之所以能够听到对方的声音是一端传送到另一端，之所以能够听到对方的声音是因为电话系统将声音转换成了电信号才得以在电话因为电话系统将声音转换成了电信号才得以在电话线上传输，线上传输，这就涉及到如何把信息转换成能够在电这就涉及到如何把信息转换成能够在电话线上传输的电信号的问题，这就是话线上传输的电信号的问题，这就是数据编码数据编码的问的问题。题。数据通信系统概述数据通信系统概述2024/7/223当有了载有信息的电信号之后，如何传输这个电信当有了载有信息的电信号之后，如何传输这个电信号，比如说用几根线传输，信号是双向传输还是单号，比如说用
3、几根线传输，信号是双向传输还是单向传输（即打电话的双方是否能够同时说话）等诸向传输（即打电话的双方是否能够同时说话）等诸如此类有关实现终端信号传输的问题即为如此类有关实现终端信号传输的问题即为数据传输数据传输技术技术问题。问题。数据通信系统概述数据通信系统概述2024/7/224在任何打电话的双方之间建立一根直接的连线是不在任何打电话的双方之间建立一根直接的连线是不经济的经济的，电话是作为终端连接在一个庞大的电话网，电话是作为终端连接在一个庞大的电话网之中的，那么也就是说电信号需要在这个电话网中之中的，那么也就是说电信号需要在这个电话网中寻找一条道路传输到对方终端，而网络中的中间节寻找一条道路
4、传输到对方终端，而网络中的中间节点就像铁道网中的火车站一样，需要去调度在铁道点就像铁道网中的火车站一样，需要去调度在铁道上运行的众多上运行的众多“火车火车”。通过调度，不仅要防止混通过调度，不仅要防止混乱的发生，而且也要提高乱的发生，而且也要提高“火车火车”的通行速度。的通行速度。在在数据通信上，这个问题就是数据通信上，这个问题就是数据交换数据交换问题。问题。数据通信系统概述数据通信系统概述2024/7/225信息、数据与信号信息、数据与信号2024/7/226信息是现实世界在人们头脑中的反映。信息是现实世界在人们头脑中的反映。计算机网络计算机网络的主要特征是信息共享，所以对计算机网络来说，的
5、主要特征是信息共享，所以对计算机网络来说，如何实现信息的交换是主要的问题之一。如何实现信息的交换是主要的问题之一。实现信息交换的前提是我们需要用文字等符号把信实现信息交换的前提是我们需要用文字等符号把信息表示出来，因而符号成为信息的载体。比如说表息表示出来，因而符号成为信息的载体。比如说表示一个班有四十个学生这个信息，我们可以表示为示一个班有四十个学生这个信息，我们可以表示为“40”，也可以表示为，也可以表示为“四十四十”，又可以表示为，又可以表示为“forty”，即是说，同样的信息可以用不同的符，即是说，同样的信息可以用不同的符号来表述。号来表述。那么在计算机中用什么符合记载信息呢？是二进制
6、那么在计算机中用什么符合记载信息呢？是二进制数据。数据。数据是信息的载体，是把事件的某些属性规范化后数据是信息的载体，是把事件的某些属性规范化后得到的表现形式，它可以被识别，也可以被描述。得到的表现形式，它可以被识别，也可以被描述。信息与数据信息与数据2024/7/227数据可分为模拟数据与数字数据两种。数据可分为模拟数据与数字数据两种。模拟数据在时间上和幅度取值上都是连续的，其电模拟数据在时间上和幅度取值上都是连续的，其电平随时间连续变化。例如，语音是典型的模拟数据，平随时间连续变化。例如，语音是典型的模拟数据，其他由模拟传感器接收到的数据如温度、压力、流其他由模拟传感器接收到的数据如温度、
7、压力、流量等也是模拟数据。量等也是模拟数据。数字数据在时间上是离散的，在幅值上是经过量化数字数据在时间上是离散的，在幅值上是经过量化的，它一般是由的，它一般是由“0”和和“1”构成的二进制代码组构成的二进制代码组成的数字序列。成的数字序列。现代计算机所能处理的数据只能是现代计算机所能处理的数据只能是二进制数据。无论文字、数字，还是图像、声音、二进制数据。无论文字、数字，还是图像、声音、视频等，最终都要转化成二进制数据存储在计算机视频等，最终都要转化成二进制数据存储在计算机中，进而进行处理中，进而进行处理。所以无论何种信息，只要转化所以无论何种信息，只要转化成二进制数据且存在于计算机系统中了，都
8、称之为成二进制数据且存在于计算机系统中了，都称之为数据数据。模拟数据与数字数据模拟数据与数字数据2024/7/228信号是数据的载体，是数据的具体物理表现形式。信号是数据的载体，是数据的具体物理表现形式。对计算机设备来说，数据是抽象的，不能直接处理对计算机设备来说，数据是抽象的，不能直接处理的，的，它所处理的是代表二进制数据的信号。它所处理的是代表二进制数据的信号。在计算机内部，一般使用电信号来表示数据，比如在计算机内部，一般使用电信号来表示数据，比如说一个相对较高的电压代表二进制数据说一个相对较高的电压代表二进制数据“1”，一，一个相对较低的电压代表二进制数据个相对较低的电压代表二进制数据“
9、0”。当然，。当然，也可以用其他载体来承载数据，如在通信中，常使也可以用其他载体来承载数据，如在通信中，常使用光信号，无线电波信号等。用光信号，无线电波信号等。信号信号2024/7/229承载数据的信号有数字信号和模拟信号之分。承载数据的信号有数字信号和模拟信号之分。模拟信号是指在幅度和时间上连续变化的信号，如语音信模拟信号是指在幅度和时间上连续变化的信号，如语音信号、光信号、温度压力传感器的输出信号等，如图（号、光信号、温度压力传感器的输出信号等，如图（a）所示。所示。数字信号是指时间和幅度都用离散数字表示的信号，如图数字信号是指时间和幅度都用离散数字表示的信号，如图（b）所示。数字信号在通
10、信线路上传输时要借助电信号）所示。数字信号在通信线路上传输时要借助电信号的状态来表示二进制代码的值，电信号可呈现两种状态，的状态来表示二进制代码的值，电信号可呈现两种状态，分别表示分别表示“0”和和“1”。模拟信号与数字信号模拟信号与数字信号2024/7/2210虽然模拟信号与数字信号有着明显的差别，但在一虽然模拟信号与数字信号有着明显的差别，但在一定条件下它们是可以相互转化的。定条件下它们是可以相互转化的。模拟信号可以通过采样、编码等步骤变成数字信号。数字信号也可以通过信号调制技术转化为模拟信号。信号的第二种分类方法是将信号分为基带信号和宽信号的第二种分类方法是将信号分为基带信号和宽带信号。
11、带信号。基带信号就是将计算机发送的数字信号“0”或“1”用两种不同的电压表示后，直接送到线路上传输的信号。宽带信号是基带信号经过调制后形成的频分复用模拟信号。信号信号2024/7/2211数据编码数据编码2024/7/2212如何将数据转换成能够在信道中传输的信号呢？这如何将数据转换成能够在信道中传输的信号呢？这就要看数据是数字数据还是模拟数据，要传输的数就要看数据是数字数据还是模拟数据，要传输的数据是在模拟信道中传输还是在数字信道中传输。据是在模拟信道中传输还是在数字信道中传输。如果是数字数据在模拟信道中传输，需要把数字数据编制为模拟信号；如果是数字数据在数字信道中传输，需要把数据编制为数字
12、信号；如果是模拟数据要在数字信道中传输要把模拟数据转化为数字信号。数据编码数据编码2024/7/2213模拟信号编码技术模拟信号编码技术2024/7/22142024/7/2215调幅技术，又称幅移键控（调幅技术，又称幅移键控（ASK，Amplitude Shift Keying），），是利用波是利用波的振幅的大小来分别表示数字的振幅的大小来分别表示数字“0”和和“1”。在振幅调制中，频率和相位都是常量，振幅为变量，即载波的幅度随发在振幅调制中，频率和相位都是常量，振幅为变量，即载波的幅度随发送的数字信号的值而变化。例如表示数字送的数字信号的值而变化。例如表示数字“1”时可以用一个振幅较大的时
13、可以用一个振幅较大的波表示，表示数字波表示，表示数字“0”时用振幅较小的波表示，或者用振幅为时用振幅较小的波表示，或者用振幅为0的波表的波表示（即不输出波）。如图（示（即不输出波）。如图（a）所示。）所示。ASK的特点是信号容易实现，技术简单，但由于振幅是靠能量维持的，的特点是信号容易实现，技术简单，但由于振幅是靠能量维持的，随着波的能量的递减，可能会造成误码率的增加，抗干扰能力差，传输随着波的能量的递减，可能会造成误码率的增加，抗干扰能力差，传输距离较短。距离较短。2024/7/2216调频技术，又称频移键控（调频技术，又称频移键控（FSK，Frequency Shift Keying），）
14、，是通过改是通过改变载波信号的频率来表示数字数据信号变载波信号的频率来表示数字数据信号0或或1的调制技术。在频率调制中，的调制技术。在频率调制中，振幅和相位应当定为常量，频率为变量。例如表示数字振幅和相位应当定为常量，频率为变量。例如表示数字“1”时可以用一时可以用一个频率较大的波表示，表示数字个频率较大的波表示，表示数字“0”时用频率较小的波表示。如图时用频率较小的波表示。如图（b）所示。）所示。FSK的特点是信号容易实现，技术简单，只要能量存在，波的频率不会的特点是信号容易实现，技术简单，只要能量存在，波的频率不会因为能量的改变而发生变化，抗干扰能力较强，传输距离较长。因为能量的改变而发生
15、变化，抗干扰能力较强，传输距离较长。2024/7/2217调相技术，又称相移键控（调相技术，又称相移键控（PSK，Phase Shift Keying），），是利用波的初是利用波的初始相位的大小来分别表示数字始相位的大小来分别表示数字“0”和和“1”。在相位调制中，把振幅和。在相位调制中，把振幅和频率定为常量，初始相位为变量。例如用初始相位为频率定为常量，初始相位为变量。例如用初始相位为0表示数字表示数字“1”，用初始相位为用初始相位为表示数字表示数字“0”。如图（。如图（c）所示。）所示。PSK的特点是抗干扰能力较强，但信号实现的技术比较复杂，所以比以的特点是抗干扰能力较强，但信号实现的技术
16、比较复杂，所以比以上两种技术较少使用。上两种技术较少使用。在数据通信中将数字数据转化为数字信号的过程叫在数据通信中将数字数据转化为数字信号的过程叫数字编码数字编码，将数字信号还原为数字数据的过程叫，将数字信号还原为数字数据的过程叫数数字解码字解码。一般用电压的高低来编制数字信号，主要。一般用电压的高低来编制数字信号，主要有以下几种编码方法：有以下几种编码方法：（1）不归零编码NRZ（Non-Return-Zero）（2）曼彻斯特编码（Manchester Encoding）（3）差分曼彻斯特编码（Differential Manchester Encoding）数字信号编码技术数字信号编码技术
17、2024/7/22182024/7/2219不归零编码用电压的高低表示二进制的不归零编码用电压的高低表示二进制的0和和1，例如，例如用低电平表示二进制用低电平表示二进制0，用高电平表示二进制，用高电平表示二进制1。不。不归零编码的优点是易于实现，缺点是无法判断每一归零编码的优点是易于实现，缺点是无法判断每一位的开始与结束，收发双方不能保持同步。为保证位的开始与结束，收发双方不能保持同步。为保证收发双方同步，必须在发送收发双方同步，必须在发送NRZ码的同时，用另一码的同时，用另一个信道同时传送同步信号。如图个信道同时传送同步信号。如图0-5（a）所示。）所示。2024/7/2220曼彻斯特编码不
18、是用电压的高低表示二进制数曼彻斯特编码不是用电压的高低表示二进制数0和和1，而是，而是用电压的跳变来表示的。在曼彻斯特编码中，每一个数据用电压的跳变来表示的。在曼彻斯特编码中，每一个数据位的中间均有一个跳变，这个跳变既作为时钟信号，又作位的中间均有一个跳变，这个跳变既作为时钟信号，又作为数据信号。例如我们可以用电压从高到低的跳变表示二为数据信号。例如我们可以用电压从高到低的跳变表示二进制进制“1”，从低到高的跳变表示二进制，从低到高的跳变表示二进制“0”。曼彻斯特。曼彻斯特编码的优点是收发双方可以根据自带的时钟信号来保持同编码的优点是收发双方可以根据自带的时钟信号来保持同步，无须专门传递同步信
19、号，成本低，缺点是效率低，信步，无须专门传递同步信号，成本低，缺点是效率低，信号占用的频带较宽。如图号占用的频带较宽。如图0-5（b）所示。）所示。2024/7/2221差分曼彻斯特编码是对曼彻斯特编码的改进，每个差分曼彻斯特编码是对曼彻斯特编码的改进，每个数据比特位中间的电压跳变仅做同步之用，每比特数据比特位中间的电压跳变仅做同步之用，每比特位的值根据其开始边界是否发生跳变来决定。我们位的值根据其开始边界是否发生跳变来决定。我们用每比特位的开始无跳变表示二进制用每比特位的开始无跳变表示二进制“1”，有跳变，有跳变表示二进制表示二进制“0”。差分曼彻斯特编码的优点是自带。差分曼彻斯特编码的优点
20、是自带同步时钟信号保持同步，成本低，抗干扰性能好，同步时钟信号保持同步，成本低，抗干扰性能好，缺点是实现技术复杂。如图缺点是实现技术复杂。如图0-5（c）所示。）所示。模拟数据可以基带传输，但必须转换成数字信号。模拟数据可以基带传输，但必须转换成数字信号。模拟数据是连续的，也就是说任何一段模拟数据都模拟数据是连续的，也就是说任何一段模拟数据都会包含无穷多的数据量，比如从波上截取的一段，会包含无穷多的数据量，比如从波上截取的一段，因而不可能将模拟数据上所有的量都转化成离散的因而不可能将模拟数据上所有的量都转化成离散的数据。数据。模拟数据转化成数字数据的过程，称之为模拟数据转化成数字数据的过程，称
21、之为数字化数字化。模拟数据数字化的过程必然伴随着数据的失真。模拟数据数字化的过程必然伴随着数据的失真。脉冲编码调制技术（脉冲编码调制技术（Pulse Code Modulation，PCM）是模拟数据采样编码的主要技术，它经过）是模拟数据采样编码的主要技术，它经过三步将模拟信号转变为数字信号，这三步是三步将模拟信号转变为数字信号，这三步是采样、采样、量化和编码量化和编码。模拟数据至数字信号的编码技术模拟数据至数字信号的编码技术2024/7/2222采样是指将模拟数据，例如波，用等时间间隔的时采样是指将模拟数据，例如波，用等时间间隔的时间序列划分成离散的模拟信号片段序列，也就是在间序列划分成离散
22、的模拟信号片段序列，也就是在时间上将模拟数据离散化。对同一个模拟数据来说，时间上将模拟数据离散化。对同一个模拟数据来说，划分的时间片段越短，离散化出来的数据量就越多，划分的时间片段越短，离散化出来的数据量就越多，数据的失真性就越小。数据的失真性就越小。采样采样2024/7/2223量化是对采样出来的每一个模拟数据片段用一个单量化是对采样出来的每一个模拟数据片段用一个单一的值来表示。对每一个抽样出来的模拟数据片段一的值来表示。对每一个抽样出来的模拟数据片段来说，它仍然含有无穷多个数据，我们需要用一个来说，它仍然含有无穷多个数据，我们需要用一个具有代表意义的数据来表示这一个片段。怎样的数具有代表意
23、义的数据来表示这一个片段。怎样的数据可以表示这一个片段呢？常用的数据有片段的最据可以表示这一个片段呢？常用的数据有片段的最大值、最小值和平均值。大值、最小值和平均值。量化量化2024/7/2224编码则是按照一定的规律，把量化后的值用二进制编码则是按照一定的规律，把量化后的值用二进制数字表示，然后转换成二进制信号流。这样就将模数字表示，然后转换成二进制信号流。这样就将模拟数据转化成了数字信号。拟数据转化成了数字信号。编码编码2024/7/2225数据传输数据传输数据传输就是实现通信设备之间的信息的数据传输就是实现通信设备之间的信息的传递。数据的传输过程涉及几个我们需要传递。数据的传输过程涉及几
24、个我们需要了解的概念。了解的概念。2024/7/2226传输信息（信号）的必经之路称为信道。传输信息（信号）的必经之路称为信道。要把信道和物理线路区分开来，因为一条物理线路要把信道和物理线路区分开来，因为一条物理线路可以使用多路复用技术划分出一到多条信道。可以使用多路复用技术划分出一到多条信道。根据通信介质的属性，还可以将信道分为根据通信介质的属性，还可以将信道分为数字信道数字信道和模拟信道和模拟信道。数字信道用来传输数字信号，模拟信。数字信道用来传输数字信号，模拟信道用来传输模拟信号。道用来传输模拟信号。信道信道2024/7/2227数据通信的方式有数据通信的方式有单工单工，半双工半双工和和
25、全双工全双工之分。之分。实现A、B两个设备之间的通信，如果只能实现从A到B，或者从B到A的单向通信，称之为单工通信；如果既能实现从A到B的通信，又能实现从B到A的通信，但是同时间内只能实现一个方向的通信，称之为半双工通信；如果同时既能实现从A到B，又能实现从B到A的双向通信，称之为全双工通信。目前大多数网络中的通信都实现了全双工通信。通信方式通信方式2024/7/2228对数据的传输，对数据的传输，如果在传输介质中传输数字信号，称为基带传输，如果传输模拟信号，称为频带传输，如果可以建立多个信道同时传输音频、视频和数字信号，称之为宽带传输。传输类型传输类型2024/7/2229数据的传输方式分为
26、并行传输和串行传输两种。数据的传输方式分为并行传输和串行传输两种。在传输过程中如果同时用多个信道进行传输，称之为并行传输，如果只用一个信道传输，称之为串行传输。对同样大小的数据量和相同的信道传输速率来说，对同样大小的数据量和相同的信道传输速率来说，八个信道同时传输（一次可以传输一个字节），和八个信道同时传输（一次可以传输一个字节），和同时只有一个信道传输（一次只能传输一个比特位）同时只有一个信道传输（一次只能传输一个比特位），其传输能力的强弱是相当可观的。但是从成本上，其传输能力的强弱是相当可观的。但是从成本上考虑，并行传输需要建立多个信道，成本较高，适考虑，并行传输需要建立多个信道，成本较高
27、，适合短距离传输，而串行传输只需建立一个信道，成合短距离传输，而串行传输只需建立一个信道，成本较低，适合长距离传输。本较低，适合长距离传输。传输方式传输方式2024/7/2230二进制数据表示信息，一般以一个字节为单位，比二进制数据表示信息，一般以一个字节为单位，比如如ASCII码中的一个字符用一个字节表示，所以在码中的一个字符用一个字节表示，所以在数据的传输中，接收方必须知道一个字节是从哪个数据的传输中，接收方必须知道一个字节是从哪个比特位开始的，如果字节的起始位弄错了，则接收比特位开始的，如果字节的起始位弄错了，则接收方对它所接收的信息的解析就是错的。这就是传输方对它所接收的信息的解析就是
28、错的。这就是传输的同步问题。的同步问题。根据解决串行传输同步问题的方法不同，将串行传根据解决串行传输同步问题的方法不同，将串行传输又分为输又分为异步传输异步传输和和同步传输同步传输。串行传输的同步问题。串行传输的同步问题。2024/7/2231异步传输一般以字符为单位（一个字符并不一定是异步传输一般以字符为单位（一个字符并不一定是一个字节，比如一个汉字字符需要两个字节），在一个字节，比如一个汉字字符需要两个字节），在发送每一字符代码时，前面均加上一个发送每一字符代码时，前面均加上一个“起起”信号，信号，字符代码后面均加上一个字符代码后面均加上一个“止止”信号。起止信号用信号。起止信号用一串不同
29、于其他符号的二进制串表示，且收发双方一串不同于其他符号的二进制串表示，且收发双方都知晓，如此数据的接收方测到起止信号就能知道都知晓，如此数据的接收方测到起止信号就能知道一个字符的开始与结束，也就是实现了串行传输收、一个字符的开始与结束，也就是实现了串行传输收、发双方字符的同步。发双方字符的同步。这种传输方式的优点是同步实现简单，收发双方的这种传输方式的优点是同步实现简单，收发双方的时钟信号不需要严格同步，传输速率可以不一致，时钟信号不需要严格同步，传输速率可以不一致，缺点是对每一字符都需加入缺点是对每一字符都需加入“起、止起、止”码元，使需码元，使需要传输的数据量膨胀，传输效率降低。要传输的数
30、据量膨胀，传输效率降低。异步传输异步传输2024/7/2232同步传输不是向数据流中添加起止符达到同步的目同步传输不是向数据流中添加起止符达到同步的目的，而是以同步的时钟节拍来发送数据信号的，因的，而是以同步的时钟节拍来发送数据信号的，因此在一个数据流中，各信号码元之间的相对位置都此在一个数据流中，各信号码元之间的相对位置都是固定的（即同步的）。是固定的（即同步的）。这种同步要求收发双方具有相同的传输速率，对设这种同步要求收发双方具有相同的传输速率，对设备的要求较高，但传输速率较快。备的要求较高，但传输速率较快。同步传输同步传输2024/7/2233比特率（比特率（bps）测量数据传输的单位是
31、比特率。比特率是指单位时间内所传送的二进制码元的有效位数，以每秒多少比特数计，即bps。波特率（波特率（Baud）波特率也是数据传输单位，波特率是脉冲信号经过调制后的传输速率，它是指单位时间（秒）内传输的码元数目，以波特（Baud）为单位，通常用于表示调制器之间传输信号的速率。这里的码元是对于网络中传送的进制数字中每一位的通称，也常称作“位”，可以是二进制的，也可以是多进制的。波特率N和比特率R的关系为R=Nlog2M，当码元为二进制时，M为2；码元为八进制时，M为8，依此类推。如果波特率为100Baud，在二进制时，比特率为100bps，在八进制时，比特率为300bps。传输速率传输速率2024/7/2234误码率指信息传输的错误率，是衡量系统可靠性的误码率指信息传输的错误率，是衡量系统可靠性的指标。它以接收信息中错误比特数占总传输比特数指标。它以接收信息中错误比特数占总传输比特数的比例来度量的。误码率越高，说明信道越不可信。的比例来度量的。误码率越高，说明信道越不可信。误码率误码率2024/7/2235谢谢谢谢！赵宪华2024/7/22
