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1、数据通信与计算机网络（第 3 版）课 件杨心强 陈国友编著电子工业出版社 2007 年6 月1数据通信与计算机网络第 2 章数据通信基础知识2第 2 章 数据通信基础知识教学目的q通过本章学习，要求掌握数据通信的必备知识和常用术语学习内容q信息、数据和信号q功率谱密度和信号带宽q传输方式和传输速率q传输质量q通信编码3第 2 章：内容提纲2.1 信息、数据和信号2.2 功率谱密度和信号带宽2.3 传输方式和传输速率2.4 传输质量2.5 通信编码42.1 信息、数据和信号2.1.1 信息q1975年有人曾对信息的定义做过统计，共有39种。当时并没有公认、完整、统一的定义。q通信是在源点与终点之
2、间传递信息。信息和消息是两个不同概念的名词。q消息是指能向人们表达客观物质运动和主观思维活动的文字、符号、数据、语音和图像等。它具有两个特点为：能被通信双方所理解； 可以相互传递。q信息是指包含在消息中对通信者有意义的内容。消息是信息的载体，消息中可能包含有信息。52.1.1 信息(续1)q如何衡量消息中所包含的信息呢？消息中包含信息量与接收者在收到此消息前对某事件存在的不确定性有关。q1948年，香农在通信的数学理论论文中给出了关于信息的度量公式，他把信息定义为熵的减少，即“用来消除不确定性的东西”。q根据香农理论，一条消息包含信息的多少称为信息量。信息量的大小与消息所描述事件的出现概率有关
3、。如消息表示的事件是必然事件(概率为1)，则该消息不含有任何信息量；如消息表示的事件根本不可能发生(概率为0) ，则该消息含有无穷的信息量。62.1.1 信息(续2)q香农规定，一条消息所荷载的信息量等于它所表示的事件发生的概率P的倒数的对数。(2-1)q对于一条含有m个符号的消息，每个符号出现的概率不同。当m很大，共出现了n次，则它具有的信息量是72.1.1 信息(续3)q整条消息所具有的信息量是所有这样的信息量在不同的 i 值时之总和。(2-2)q每个符号包含的平均信息量是(2-4)q平均信息量是每个符号所含信息量的统计平均值，其单位为比特/符号。平均信息量又称为熵。82.1.2 数据q数
4、据是对某一事实的不经解释并赋予一定含义的数字、字母、文字等符号及其组合的原始表达。是消息的一种表示形式，是传达某种意义或信息的实体。q当信息被表示为数据时，数据中就包含了信息。因此，信息可以通过解释数据来产生。q信息强调“处理”和“使用”两个方面，尤其是“使用”。q数据分为模拟数据和数字数据。模拟数据在一段时间内具有连续的值(如声音等)，而数字数据则具有离散的值(如文本等)。92.1.3 信号1、信号的分类q信号是数据的具体表示形式。目前常用的是电信号。q对数据通信有用的几种分类： (1)连续信号与离散信号 (2)随机信号与确定信号 (3)周期信号与非周期信号102.1.3 信号(续1)2、信
5、号的特性q信号的特性表现在时间特性和频率特性两个方面。q时间特性主要指信号随时间变化的特性。信号随时间变化的表现包含了信号的全部信息量。q频率特性是指信号可用频谱函数来表示的特性。频谱函数表征信号的各频率成分，以及各频率成分的振幅和相位。112.1.3 信号(续2)3、信号的分析q一个通信系统的输入信号，称为激励；而输出信号，称为响应。通信系统的功能和特性是通过怎样的激劢而产生怎样的响应来体现的。q分析通信系统有两种方法：q时域分析法是利用信号的时间特性，把激励和响应看成是时间函数的分析方法。q频域分析法是利用信号的频率特性，把激励和响应经过傅立叶变换，将时间变量变换为频率变量进行分析的分析方
6、法。122.1.3 信号(续3)4、数据与信号q通信系统中的电信号有模拟信号和数字信号，而数据又有模拟数据和数字数据。q无论是模拟数据还是数字数据都能编码成模拟信号或数字信号。选择何种编码方式取决于需满足的要求和可能提供的传输媒体和通信设施。q数据和信号的四种组合： (1)数字数据，数字信号(如0/1高低电平) (2)数字数据，模拟信号(如ASK、FSK和PSK) (3)模拟数据，数字信号(如话音信号的PCM调制) (4)模拟数据，模拟信号(如AM、FM和PM)13第 2 章：内容提纲2.1 信息、数据和信号2.2 功率谱密度和信号带宽2.3 传输方式和传输速率2.4 传输质量2.5 通信编码
7、142.2 功率谱密度和信号的带宽2.1.1 功率谱密度q对于任何一个有限时间的信号，它的频谱宽度却是无限的，然而信号的大部分功率是集中在某个有限的频谱宽度内的。因此，把包含信号大部分功率的那部分频谱宽度，称为信号的有效带宽。q功率谱密度(2-21)q功率谱密度的物理意义：以为中心的单位频谱宽度内，信号f(t) 的频率分量对功率的贡献。152.2.2 信号的带宽q绝对带宽B指信号频谱正频谱非零部分所对应的频率范围。q零点带宽指信号在0 的频率范围。fbP(f)f0- fbBP(f)f0 fb162.2.2 信号的带宽(续1)q百分比带宽指在给定频率范围0 内，信号功率占总功率的比值为 %，定义
8、0 为百分比带宽。通常取 %为90%、96%和99%等。q半功率带宽设信号频谱在 处为最大值，而 ，且 ，定义 的频率范围为半功率带宽。注意：信号的带宽与传输系统的带宽是两个概念。传输系统的带宽通常是指系统的频率响应曲线保持在中心处取值的0.707倍以内的频率区间。17第 2 章：内容提纲2.1 信息、数据和信号2.2 功率谱密度和信号带宽2.3 传输方式和传输速率2.4 传输质量2.5 通信编码182.3 传输方式和传输速率2.3.1 传输方式1、基带传输和频带传输q按照传输系统在传输数据信号过程中是否搬移其频谱，传输方式可分两类：q基带传输 指不搬移信号频谱的传输体制。q频带传输 指利用调
9、制解调器搬移信号频谱的传输体制。之所以搬移频谱是为了适应信道的频率特性。192.3.1 传输方式(续1)2、串行传输和并行传输q按照传输数据的时空顺序，传输方式可分为两类：q串行传输 指数据在一个信道上按位依次传输的方式。其特点是： 所需线路数少，投资省，线路利用率高； 在发送和接收端需要分别进行并/串和串/并转换； 收发之间必须实施同步。适用于远距离数据传输。 q并行传输 指数据在多个信道上同时传输的方式。其特点是： 在终端装置和线路之间不需要对传输代码作时序变换； 需要n条信道的传输设施，故其成本较高。适用于要求传输速率高的短距离数据传输。 202.3.1 传输方式(续2)串行传输接收端发
10、送端01001010并/串转换串/并转换01001100并行传输发送端接收端212.3.1 传输方式(续3)3、异步传输和同步传输q在串行传输时，发收双方必须实现的同步有三种，即比特同步、字符同步和块(或帧)同步。其实现方法可分为两类：q异步传输01010010起始位停止位线路空闲1个字符传送方向222.3.1 传输方式(续4)q同步传输同步标志帧信息传送方向帧信息同步标志q异步/同步传输的区别是：异步传输的发送器的接收器的时钟是不同步的，而同步传输两者的时钟是同步的。232.3.1 传输方式(续5)4、单工、半双工和全双工q按照数据信号在信道上的传送方向与时间的关系，传输方式可分为三类：q单
11、工 指两个站之间只能沿一个指定的方向传送数据信号。q半双工 指两个站之间可以在两个方向上传送数据信号，但不能同时进行。又称“双向交替”模式。q全双工 指两个站之间可以在两个方向上同时传送数据信号。242.3.1 传输方式(续6)q单工、半双工和全双工(a)单工(b)半双工(c)全双工A站A站A站B站B站B站252.3.2 传输速率q传输速率指单位时间内传送的信息量，是衡量数据通信系统传输能力的一个重要指标。常用的有三种传输速率：q调制速率(或波特率、码元速率) 指单位时间内调制信号波形的变换次数。其单位是波特。q数据信号速率(或传信率、比特率) 指单位时间内通过信道的信息量。其单位是比特/秒。
12、(b/s)(Baud)262.3.2 传输速率(续1)q注意： (1)上式中， m 为并行传输的通路数；Ti为第 i 路单位调制信号波的时间长度(秒)；Ni为第 i 路调制信号波的状态数。 (2)常用的数据信号速率的单位还有 1 kb/s1000b/s，1Mb/s1000kb/s， 1Gb/s1000Mb/s，1Tb/s1000Gb/s。 q调制速率与数据信号速率的关系： 272.3.2 传输速率(续2)q数据传输速率 指单位时间传送的数据量。其数据单位可以是比特、字符、码组等，而时间单位可以是秒、分、小时等。通常采用字符/分。q注意：数据传输速率和数据信号速率之间的关系需考虑用多少位(比特)
13、来表示一个字符。另外，如果是起止同步方式传输的话，还需要考虑在数据以外附加传输的比特数。 28第 2 章：内容提纲2.1 信息、数据和信号2.2 功率谱密度和信号带宽2.3 传输方式和传输速率2.4 传输质量2.5 通信编码292.4 传输质量2.4.1 衰减和增益q衰减 当信号沿传输媒体传播时，其部分能量转换成热能或被传输媒体所吸收，而导致信号强度不断减弱的现象。（dB）q注意：分贝是相对差别的度量。q系统中某些点的功率电平可用绝对功率来表示，其单位是dBm。M表示以1mW为参考的功率单位。q信号功率电平也可用相对于某个基准点的电平来表示，其单位是dBr。R表示相对的意思。302.4.2 失
14、真q信号通过传输系统时，其波形可能发生畸变的现象称为失真。q衰减失真(或振幅失真) 由衰减随频率的变化而引起的失真。衰减失真来源于电缆及系统中的滤波器。 q相位失真(或群延时失真) 由线路的相位-频率特性的非线性或不同频率分量的传播速度不一致所引起的失真。q上述失真对数据传输的主要影响是使得码元信号波形展宽，从而引起码间串扰现象。312.4.3 噪声q噪声 在数据信号的传输过程中，所引入的一些额外的非期望信号。噪声有四种类型： (1)热噪声 由带电粒子在导电媒体中的布朗运 动引起的噪声。 在Hz带宽内，从热噪声源所得的噪声功率称为噪声密度。 若认为噪声与频率无关，在系统带宽(Hz)内，热噪声功
15、率可表示为 (2-32)(W) (2-33)(dBW) (2-34)322.4.3 噪声(续1) (2)交调噪声 由多个不同频率的输入信号共用同一传输媒体，而引起输入信号的频率和或差，以及这些频率的多倍数的组合的信号。交调噪声源于通信系统的非线性。 (3)串音 一条信号通路中的信号在另一条信号通路上产生的干扰信号。串音是由通信线路之间存在耦合现象所致。 (4)脉冲噪声 一种突发的振幅很大且持续时间很短，被耦合到信号通路中的非连续的尖峰脉冲引起的干扰信号。脉冲噪声来源于各种自然的和人为的电火花。脉冲噪声对话音通信的危害并不十分显著，然而它却是数据通信差错的主要根源。332.4.3 噪声(续2)噪
16、声对数据信号传输的影响 342.4.4 信噪比 在信号传输过程中，可用信噪比描述信号受到噪声影响程度的度量。q信噪比 指信号通路某一点上的信号功率与混在信号中的噪声功率之比值。(dB) (2-37)q信噪比一般是在接收端测量。352.4.5 畸变q衰减和失真是引起信号波形畸变的主要原因。数据信号的畸变有两种：规则畸变和不规则畸变。q规则畸变 信号波形按一定的法则有规律地发生代码畸变。q偏畸变 正偏使“1”时间伸长，而“0”时间缩短。 负偏使“1”时间缩短，而“0”时间伸长。q特性畸变 正特性畸变使短“1”和短“0”两者都伸长。 负特性畸变使短“1”和短“0”两者都缩短。q不规则畸变 信号波形无
17、规律地发生代码畸变。362.4.5 畸变(续1)各种类型畸变的图示372.4.6 差错率q差错率是衡量数据传输系统可靠性的重要指标。q误码率 指接收到的出错码元占总码元数中的比例。q误码率反映了某段时间内的平均误码率。其测量结果随测量时间的分布和长短有关。ITU规定的测试时间为15分钟。q对于二进制传输而言，因码元与比特等价，所以误码率又称误比特率。但多进制传输时，两者不等。382.4.6 差错率(续1)q误字率 指接收到的出错字数占总字数中的比例。q误字率常用于电报通信中，作为评价电报传输的质量。q由于表示一个字符的代码的比特数不同，用误字率来评价传输质量并不确切。q误组率 指接收到的出错码
18、组数占总码组数中的比例。392.4.7 频带利用率q频带利用率 指单位传输带宽所能实现的传输速率。(Bd/Hz)(bps/Hz)或q频带利用率是描述数据传输速率与带宽之间关系的一个指标。在衡量数据通信系统的效率时，既要考虑到传输速率，又要考虑到传输信号所占用频带宽度。402.5 通信编码q通信编码 指数据通信系统的内部信息(二进制数)与各种图形字符、操作控制字符以及识别报文组成和格式控制字符等的外部信息之间的对应关系所作的统一规定。q常用的通信编码：国际5号码IA5(即ASCII码)、EBCDIC码和国际电报2号码ITA2。q国际5号码是7单位通信编码，详见表2-3。41第 2 章：内容提纲2
19、.1 信息、数据和信号2.2 功率谱密度和信号带宽2.3 传输方式和传输速率2.4 传输质量2.5 通信编码422.5 通信编码(续1)q我国汉字编码的国家标准是“信息交换用汉字编码字符集(基本集GB2312-80）”。它用两个字节来表示一个汉字。汉字转换成二进制编码的实现是先把汉字转换成字符编码（外码），再将外码转换成二进制代码(内码）。外码用于终端与操作者之间的交互，内码用于机内存储、处理。外码与汉字输入方式有关。内码一般由两个字节表示，通常是把两个字节的最高位b8置成1，以便区别于ASC码。43第 2 章：内容提纲2.1 信息、数据和信号2.2 功率谱密度和信号带宽2.3 传输方式和传输速率2.4 传输质量2.5 通信编码44谢谢大家Any Question?45
