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1、数据通信基础数据通信基础数据通信基础数据通信基础1本章要求本章要求:1.掌握数据通信的基本概念和通信系统的基本组成。2. 了解数据通信的工作过程及应用。3.了解数据通信中的编码技术、调制解调技术、多路复用技术和同步技术的工作原理及应用。24.了解数据通信的主要技术指标和通信方式。5.了解数据交换的工作过程、工作原理与 应用。6.了解差错及差错控制的概念、差错控制方法、信道编码及其应用。7.了解常用的网络传输介质类型、特点与应用。3数据通信的基本概念数据通信的基本概念1. 数据、信息和信号数据、信息和信号2. 数据通信系统模型数据通信系统模型3. 数据通信、数字通信和模拟通信数据通信、数字通信和
2、模拟通信4. 数据通信的主要技术指标数据通信的主要技术指标5. 数据通信方式数据通信方式6. 数据通信过程数据通信过程41. 数据、信息和信号数据、信息和信号数据：数据：由数字、字符和符号等组成，是信息的载体。它没有实际含义，总是和一定的形式相联系。信息：信息：是数据的具体内涵和解释，有具体含义。信息是数据经过加工处理(说明或解释)后得到的，即信息是按一定要求以一定格式组织起来的、具有一定意义的数据。 5严格地讲，数据和信息是有区别的。数据是独立的，是尚未组织起来的事实的集合；而信息是按一定要求以一定格式组织起来的、具有一定意义的数据。数数据是信息的表示形式，信息是数据形式据是信息的表示形式，
3、信息是数据形式的内涵。的内涵。6广义的数据：广义的数据：由于现在信息的多媒体化，数据的含义也广义化了，即数据不仅包括离散变化的数据，也包括连续变化的数据。 因此,数据可分为模模拟拟数数据据和和数数字字数数据据两种。前者取连续值，如表示声音、图像、电压、电流等的数据；后者取离散值，如自然数、字符文本的取值等。 7信信号号：数据的具体物理表示，具有确定的物理描述，如电压、磁场强度等。在电路中，信号就具体表示数据的电磁编码。在数据通信系统中，要进行数据传输，总是要借助于一定的物理信号物理信号来完成，如电信号或光信号。 电磁信号一般有模模拟拟信信号号和数数字字信信号号两种形式。8模拟信号：模拟信号：随
4、时间连续变化的信号。数数字字信信号号：随时间离散变化的信号，它可以用有限个数位来表示连续变化的物理量。 模拟数据或数字数据都可以通过编码形成两种信号(模拟信号和数字信号)中的任何一种信号。92. 数据通信系统数据通信系统通信系统组成通信系统组成三要素三要素：信源、信宿和信道信源、信宿和信道简单的数据通信系统模型简单的数据通信系统模型 噪声源噪声源 信信 道道信源信源信宿信宿信号变换器信号变换器信号变换器信号变换器10信信源源: : 信源就是信息的发送端，是发出待传送信息的人或设备信宿信宿: : 信宿就是信息的接收端，是接收所传送信息的人或设备 大部分信源和信宿设备都是计算机或其他数据终端设备1
5、1信道信道- - -传输信息的通道。传输信息的通道。它是由通信线路为基础的、能够传输数据的通道。 有线信道：有线信道：由有线传输介质构成的信道 无线信道：无线信道：由无线传输介质构成的信道 数字信道：数字信道：可直接传输二进制信号或经过编码的二进制数据的信道 模拟信道：模拟信道：可传输连续变化的信号或二进制数据经过调制后得到的模拟信号的信道12信信号号变变换换器器：作用是将信源发出的信息变换成适合在信道上可靠传输的信号。对应不同的信源和信道,信号变换器有不同的组成和变换功能。发送端的信号变换器可以是编编码码器器或调调制制器器，接收端的信号变换器相对应的就是译码器译码器或解调器解调器。13 编码
6、器：编码器：把输入的信号作相应的变换，以便于在信道中传输或在接收端正确识别信号。 调制器：调制器：把信源或编码器输出的二进制脉冲信号变换成模拟信号，以便在模拟信道上进行远距离传输。 译码器译码器和解调器解调器分别相应地做编码器和调制器的逆向工作。14 数据通信中有两类编码：信源编码和信道编码。 信源编码：信源编码：目的是将来自信源的信号作相应的编码变换后，便于在信到上传输。 信道编码：信道编码：目的是将要传输到信道上的信号编码变换后降低误码率，提高传输质量。15噪噪声声源源：一个通信系统客观上是不可避免地存在着噪噪声声干干扰扰的，而这些干扰分布在数据传输过程的各个部分。为分析或研究问题方便，通
7、常把它们等效为一个作用于信道上的噪声源噪声源。163.数据通信、数字通信与模拟通信数据通信、数字通信与模拟通信 数据通信：数据通信：指信源和信宿之间传送数据的通信形式。 数据通信数据通信就是利用通信系统对各种数据信号进行变换、处理和传输的过程。因此，计算机与计算机、计算机与终端之间的通信及计算机网络中的通信主要是数据通信。17数字通信：数字通信：信道中传送数字信号的通信形式模拟通信：模拟通信：信道中传输模拟信号的通信形式 两种通信强调的是信道中传输的信号形式，也即强调的是信道的形式。前者是数字信道，后者是模拟信道。至于信源发出和信宿接收的信号可以是数字信号、模拟信号或其他形式的信号。 18 由
8、此可见，数字通信数字通信和数据通信数据通信是两个不同的概念。前者强调的是信道的形式或信道中传输的信号的形式，而后者强调的是信源与信宿之间传输的信息形式。 数字信号并非一定要用数字通信系统来传输，数字信号经D/A转换后，即可在模拟通信系统传输。19 数字通信和模拟通信数字通信和模拟通信(a)数字信道信源编码器编码器信宿(c)模拟信道信源调制器解调器信宿(b)数字信道信源编码器编码器信宿20数字通信系统比模拟通信系统有突出的特点特点:1.便于差错控制：由编码/译码器进行信道编码；2.便于保密通信：对基带信号进行加密，接收端解密，用于保密通信；3.便于同步：数字信号按节拍传输，容易做到时钟同步；21
9、4.便于信号再生重传：远距离传输时，中继器可将数字信号再生恢复成“0”和“1”标准电平后，继续重传；5.增强抗干扰能力：离散的数字信号容易使小的噪声和干扰信号不起作用，有效地抑制干扰信号，增强抗干扰能力。 但数字通信的这些优点都是以牺牲带宽为代价换取的。224.数据通信的主要技术指标数据通信的主要技术指标 数据通信的主要技术指标有数据传输速率、传输延迟、信道带宽、信道容量、数据传输的误码率等，这些指标是衡量数据传输的有有效效性性和和可可靠靠性性的参数。 有有效效性性主要由数据传输速率、传输延迟、信道带宽和信道容量等指标来衡量。 可靠性可靠性一般用数据传输的误码率指标来衡量。23(1) 数据传输
10、速率数据传输速率 数据传输速率是指单位时间内传输信息量的多少。它是衡量数据传输有效性的主要指标。 数据传输速率通常用波特率波特率和比特率比特率来表示。 24波特率波特率: 是指单位时间内传输码元的个数，单位为波特(Baud)。每个码元表示一个波形或一个电平。波特率又叫调制速率、码元速率。调制速率是指信号经过调制后的传输速率，表示调制后信号每秒钟变化的次数。若用T(秒)表示调制周期，则波特率为：Rs1/T (Baud)可见，1 波特表示每秒钟传送一个码元25比特率：比特率：指单位时间内传输二进制码的位数(记为b/s或bps)，也叫信息速率。 比特率公式： Rb(1/T)log2N (bps) 式
11、中T为传输的脉冲信号周期，N为脉冲信号所有可能的状态数，Rb为比特率。 26 当信号的状态数N2时，则每个电信号脉冲只传送1位二进制数据，此时比特率与波特率相同，为： Rb1/T (bps) 由以上分析知，比特率和波特率比特率和波特率的关系为： Rb Rslog2N (bps) 在数值上“比特”单位等于“波特”的log2N倍。27 例1在传输语音或图象信息的64Kbps 的数字信道上，若传真机将每英寸数字化为300个像素，每个像素用4比特表示，问该信道以传真方式传输一幅810英寸的图像需要多少时间？ t=8 10 300 4/64k28误误码码率率：二进制码在传输过程中出现错误的概率。它是衡量
12、通信系统在正常情况下传输可靠性的指标。 误码率计算公式为： Pe Ne/N式中Ne表示被传错的码元数，N表示传输的二进制总码元数，Pe为误码率，即错误接收的码元数在所传输的总码元数中所占的比例。29传传输输延延迟迟：是指由于各种原因的影响，而使系统信息在传输过程中存在着不同程度的延误或滞后的现象。 信息的传输延迟时间包括发送和接收处理时间、电信号响应时间、中间转发时间和信道传输时间等。30传输时延：传输时延：发送一组信息所用的时间，该时间与信息传输速率和信息格式有关。传播时延：传播时延：信号在物理媒体中传输一定距离所用的时间，它与信号传播速度和距离有关。(电磁波在光纤、微波信道中的传播速度为每
13、秒300,000km，而在一般电缆中的速度约为光速的2/3)31 例2在相隔1000km的两地间传输3kbits的数据，可以通过电缆以20kbps的速率传输或通过卫星信道以60kbps的速率传输，问用那种方式从发送方开始发送到接收方接收完全部数据的时间最短? (假定信息在电缆中传输速度是200,000km/s，而在卫星信道中的传输速度是300,000km/s) 32传输时延：传输时延：电缆 3/20=150ms 卫星 3/60=50ms传播时延：传播时延：电缆 1000/(2105)=5ms 卫星 360002/(3105)=240ms使用电缆的总时延：150+5=155ms使用卫星的总时延：
14、50+240=290ms 33(2) 信道带宽和信道容量信道带宽和信道容量 信道带宽信道带宽是指通信系统传输信息的信道的最大频率范围。 信道容量信道容量是指单位时间内信道所能传输的最大信息量，它表征信道的传输能力。 信道容量有时也表示为单位时间内最多可传输的二进制数的位数(b/s)34 一般情况下，信道带宽越宽，则信道容量就越大，单位时间内信道上传输的信息量就越多，传输效率也就越高。信号传输速率受信道带宽的限制。 以下两个定理，分别从不同角度描述了这种限制：35 奈奎斯特准则奈奎斯特准则 在理想信道情况下，信道的容量为： C2 F log2N式中F为信道带宽，N为信号的状态个数，C为信道容量(
15、最大传输速率)，即每秒所能传输的最大比特数为： C2 F log2N (bps)36 香农定理：香农定理： 在随机噪声(高斯白噪声)干扰的信道中传输数字信号，信道容量为： CF log2(1S/N) 香农定理描述了在有限带宽、随机噪声分布的信道中，最大的数据传输速率与信道带宽的关系。37 奈奎斯特定理和香农定理给出的是信道容量，即信道的最大传输速率的极限值，实际上很难达到该值。 例3电视信道带宽为6MHZ，理想情况下，如果数字信号取4种离散值，那么可获得的最大传输速率是多少？ C= 26Mlog24=24Mbps38 例例4带宽为4KHZ，如果有8种不同的物理状态表示数据，信噪比为30dB。那
16、么按奈氏准则和香农定理计算，分别计算其最大限制的数据传输速率。 C2 F log2N=24Klog28=24Kbps 分贝（dB）的计算是：10lgS/N 即 本题为：10lgS/N=30 则：S/N=103 CF log2(1S/N)= 4 log21001=40Kbps39(1)单单工工通通信信、半半双双工工通通信信和和全全双双工工通通信信数据在通信线路上传输是有方向的。根据数据在线路上的传输方向和特点，有单工通信、半双工通信和全双工通信三种通信方式。5. 数据通信方式数据通信方式40单单工工通通信信：在通信线路上，数据只可按一个固定的方向传送而不能进行相反方向传送的通信方式。例如广播、遥
17、控通信。半双工通信：半双工通信：数据可以双向传输，但不能同时进行，在任一时刻只允许在一个方向上传输主信息的通信方式。全双工通信：全双工通信：可同时双向传输数据的通信方式。41发送设备发送设备数据流(a)单工通信发送设备数据流(b)半双工通信接收设备发送设备接收设备数据流发送设备(c)全双工通信接收设备接收设备发送设备数据流 信息传输方向不同的三种通信方式信息传输方向不同的三种通信方式数据流42在计算机内部各部件之间、计算机与各种外部设备之间、计算机与计算机之间，按信息传输的时空顺序不同存在两种通信方式：并行通信和串行通信。并行通信：并行通信：通常用于计算机内部各部件之间或近距离设备之间的数据传
18、输。串行通信：串行通信：常用于计算机与计算机或计算机与终端之间远距离的数据传输。 (2) 并行通信和串行通信并行通信和串行通信43 并行通信并行通信 串行通信串行通信 发 送 设 备接收设备01101001011010010110100101101001接收设备发送设 备44在数据通信系统中，根据发送端和接收端的连接方式及信息传输信道区分，相应地有点到点通信和广播式通信的通信方式。 (3) 点到点通信和广播式通信点到点通信和广播式通信45点到点通信：点到点通信：是由一条通信线路把两个 DTE连接起来构成的通信方式，也叫端到端式通信。广播式通信：广播式通信：是指系统中多个端点共享一个通信信道，一个端点发出信息，其他端点接收信息的通信方式。该通信方式中的信息是单向传输的。466. 数据通信过程数据通信过程 通信线路的建立阶段通信线路的建立阶段 数据传输链路的建立阶段数据传输链路的建立阶段 数据及控制信息的传输阶段数据及控制信息的传输阶段 数据传输链路的拆除阶段数据传输链路的拆除阶段 通信线路的拆除阶段通信线路的拆除阶段47
