《数据通信原理》复习资料

《数据通信原理》复习资料授课老师：凌建华复习资料说明：1、复习资料主要讲解《数据通信原理》第二、三、四章的内容。其它章节的考点，学员可以参照《综合练习习题与解答》中的习题进行复习，其中打“*”号的作业题为重点。2、标有“”的内容为重点内容3、在复习资料中，部分知识点与《综合练习习题与解答》中的习题相对应。请学员们在复习时要注意结合起来。第二章概论第二节数据通信系统的构成一、数据通信系统的概念数据通信系统是通过数据电路将分布在远端的数据终端设备与计算机系统连接起来，实现数据传输、交换、存储和处理的系统。二、数据通信系统的构成（参见教材P39图2-1）（要求能画出这个图）典型的数据通信系统主要由三部分构成：·数据终端设备·数据电路·中央计算机系统1、数据终端设备（DTE）·数据输入、输出设备——数据数据信号·传输控制器——主要执行与通信网络之间的通信过程控制（即传输控制），包括差错控制、终端的接续控制、传输顺序控制和切断控制等（完成这些控制要遵照通信协议）。2、数据电路·传输信道——为数据通信提供传输通道·数据电路终接设备（DCE）（《综合练习习题与解答》简答题第2题）——是DTE与传输信道之间的接口设备，其主要作用是将来自DTE的数据信号进行变换，使之适合信道传输。当传输信道为模拟信道时，DCE是调制解调器（MODEM），发送方将DTE送来的数据信号进行调制，将其频带搬移到话音频带上（同时变成模拟信号）再送往信道上传，收端进行相反的变换。当传输信道是数字信道时，DCE是数字接口适配器，其中包含数据服务单元与信道服务单元。前者执行码型和电平转换、定时、信号再生和同步等功能；后者则执行信道均衡、信号整形等功能。3、中央计算机系统主机——进行数据处理通信控制器（又称前置处理机）——用于管理与数据终端相连接的所有通信线路,其作用与传输控制器相同。数据电路与数据链路的关系——数据链路由数据电路及两端的传输控制器组成。只有建立了数据链路通信双方才能有效、可靠地进行数据通信。第三节传输代码常用的传输代码有：·国际5号码IA5（7单位代码）——ASCII码（常在后面加1位奇偶校验码）·国际电报2号码ITA2（5单位代码）·EBCDIC码（8单位代码）·信息交换用汉字代码（7单位代码）第四节数据通信系统的主要性能指标一、工作速率——衡量数据通信系统通信能力1．调制速率（又称符号速率或码元速率）BdN（或sf）定义——每秒传输信号码元的个数，单位为波特（Bd）。公式：TNBd1（T为符号间隔）[注：《数据通信原理》中习惯用T表示符号间隔；而在《数字通信原理》中的T则为抽样周期。请不要混淆。]2．数据传信速率（简称传信率）R（或bf）（《综合练习习题与解答》计算题第1题）定义——每秒传输的信息量（即比特个数或二进制码元的个数），单位为bit／s等。数据传信速率与调制速率之间的关系为MNRBd2log例：设信号码元时间长度为s610833，当采用4电平传输时，求数据传信速率和调制速率。解：调制速率为BdTNBd120010833116数据传信速率为sbitMNRBd/24004log1200log223．数据传送速率定义——单位时间内在数据传输系统的相应设备之间实际传送的平均数据量，又称有效数据传输速率。单位为比特／秒（bit／s）、字符／秒或码组／秒。实际的有效数据传送速率是小于数据传信速率的。二、有效性指标——频带利用率定义——＝系统的传输速率／系统的频带宽度（B）（2-3）即BNBdHzBd/BR)/(Hzsbit三、可靠性指标——传输的差错率常用的有误码率、误字符率、误码组率等。它们的定义分别为：误码率＝接收出现差错的比特数／总的发送比特数（2-1）误字符（码组）率=接收出现差错的字符（码组）数／总的发送字符（码组）数（2-2）例：某数据通信系统调制速率为1200Bd，采用8电平传输，假设100秒误了1个比特，①求误码率。②设系统的带宽为600Hz,求频带利用率为多少Hzsbit/。解：①数据传信速率为sbitMNRBd/36008log1200log22误码率＝接收出现差错的比特数／总的发送比特数6108.236001001②HzsbitBR/66003600第五节数据传输方式一、并行传输与串行传输（按代码传输的顺序分）1、并行传输概念——并行传输指的是数据以成组的方式，在多条并行信道上同时进行传输。优缺点优点——不需要额外的措施来实现收发双方的字符同步。缺点——必须有多条并行信道，成本比较高，不适宜远距离传输。适用场合——计算机等设备内部或两个设备之间距离比较近时的外线上采用。2、串行传输概念——串行传输指的是组成字符的若干位二进制码排列成数据流以串行的方式在一条信道上传输。优缺点优点——只需要一条传输信道，易于实现。缺点——要采取措施实现字符同步。适用场合——是目前外线上主要采用的一种传输方式。二、异步传输和同步传输（按同步方式分）（《综合练习习题与解答》简答题第3题）1、异步传输概念——异步传输方式一般以字符为单位传输，每个字符的起始时刻可以是任意的。为了正确地区分一个个字符，不论字符所采用的代码为多少位，在发送每一个字符时，都要在前面加上一个起始位，长度为一个码元长度，极性为“0”，表示一个字符的开始；后面加上一个终止位，长度为1，1．5或2个码元长度，极性为“1”，表示一个字符的结束。参见教材P46图2-6（a）以国际5号码为例：1×××××××1∽2（起始位）（信息码）(终止位）优缺点优点——实现字符同步比较简单，收发双方的时钟信号不需要严格同步。缺点——对每个字符都需加入起始位和终止位，因而信息传输效率低。例：如字符采用国际5号码，终止位为1位，并采用1位奇偶校验位，求传输效率。解：传输效率为7／（7＋1＋1＋1）＝70％。2、同步传输概念——同步传输是以固定的时钟节拍来发送数据信号的，因此在一个串行数据流中，各信号码元之间的相对位置是固定的（即同步）。优缺点优点——传输效率较高。缺点——接收方为了从接收到的数据流中正确地区分一个个信号码元，必须建立准确的时钟同步等，实现起来比较复杂。三、单工、半双工和全双工传输（按数据电路的传输能力分）1、单工传输——传输系统的两端数据只能沿单一方向发送和接收。2、半双工传输——系统两端可以在两个方向上进行双向数据传输，但两个方向的传输不能同时进行，当其中一端发送时，另一端只能接收，反之亦然。3、全双工传输——系统两端可以在两个方向上同时进行数据传输，即两端都可以同时发送和接收数据。参见教材P46图2-7第三章数据信号传输第一节数据信号传输的基本概念一、数据信号及特性描述1、数据序列的电信号表示参见教材P48图3-1（注：图（f）中的差分信号是“1”——电平改变，“0”——电平不变，其规则也可以相反。）例1：已知二进制数据序列为1010110，以矩形脉冲为例，画出双极性归零信号的波形图（设τ=T/2）。解：例2：已知二进制数据序列为1100101，以矩形脉冲为例，画出差分信号的波形图（假设“1”——电平改变，“0”——电平不变；初始电平为0）解：二、传输信道及数据信号的基本传输方法·基带传输·频带传输（或称调制传输）·数字数据传输三、信道容量（《综合练习习题与解答》计算题第2题）定义——指信道在单位时间内所能传送的最大信息量，即指信道的最大传信速率。1、模拟信道的信道容量模拟信道的信道容量可以根据香农（Shannon）定理来计算。香农定理指出：在信号平均功率受限的加性高斯白噪声信道中，信道的极限信息传输速率即信道容量为)1(log2NSBC（bit/s）（3-7）式中，B为信道带宽，NS/信号功率与噪声功率之比。加性高斯白噪声（噪声的相关内容可参见本书第一章）·高斯噪声——噪声的任意n维概率密度函数都服从高斯分布（正态分布）·白噪声——噪声的功率谱密度在整个频率范围内均为常数。·高斯白噪声——当噪声既是高斯噪声，又是白噪声则称为高斯白噪声。·加性噪声——可直接叠加（相加）在信号上。NSNSdBlg10)()(dB例1：有一个经调制解调器传输数据信号的电话网信道，该信道带宽为Hz3000，信道噪声为加性高斯白噪声，其信噪比为dB20，求该信道的信道容量。解：dBNSNSdB20)/(lg10)/(10010/2NSsbitNSBC/19975)1001(log3000)/1(log22例2：已知仅存在加性高斯白噪声的信道容量为33.6skbit/，其信号噪声功率比为30dB，求此模拟信道的带宽为多少？解：dBNS30lg101000103NSskbitBNSBC/6.33)1001(log)1(log22HzkHzB3371371.31001log6.3322、数字信道的信道容量根据奈奎斯特（Nyquist）准则，带宽为B的信道所能传送的信号最高码元速率为2B波特。因此，无噪声数字信道容量为MBC2log2（sbit/）（3-8）其中，M为进制数。例：假设一个传四进制数据信号的无噪声数字信道，带宽为3000Hz，求其信道容量。解：sbitMBC/120004log30002log222第二节数据信号的基带传输基带传输——不搬移基带数据信号频谱的传输方式称为基带传输。一、基带传输系统构成模型（能画出下图）波形形成——信号从1点到2点的过程叫波形形成。各部分的作用：发送滤波器——限制信号频带并起波形形成作用；信道——是信号的传输媒介，可以是各种形式的电缆；接收滤波器——用来滤除带外噪声和干扰，并起波形形成作用；均衡器——用来均衡信道特性的不理想。网孔均衡——用来消除“1”与)(t的误差。二、理想低通形成网络1、理想低通形成网络特性)()()(fjefHfH)(fH——幅度特性，)(f——相位特性)(fHdftje21Nff（3-10）0Nff式中，Nf为截止频率，dt为固定时延。)(fH图参见教材P54图3-9)(th)(2)(2sin2dNdNNttfttff（3-11）设0dt，)(th波形如教材P55图3-10所示。理想低通冲激响应)(th的特点是：①零点的位置......3,2,1,2)(kfkttNd②波形“尾巴”（即波形的前导和后尾）以t/1的速度衰减。2、无符号间干扰的条件)(kTh1（归一化值）0k（本码判决点）00k（非本码判决点）3、奈氏第一准则（《综合练习习题与解答》简答题第4题）奈氏第一准则用文字详细表述是：如系统等效网络具有理想低通特性，且截止频率为Nf时，则该系统中允许的最高码元（符号）速率为2Nf，这时系统输出波形在峰值点上不产生前后符号间干扰。奈氏第一准则的三个重要参量：Nf——奈氏频带（NfB）HzBdffBfNNs/22（极限）Nsff2——奈氏速率NfT2/1——奈氏间隔例1：在比特速率相同下，采用多电平传输的符号速率要___________，从而使码元间隔T_______________，最后导致奈氏带宽Nf_______________。答：（MNRBd2log）下降增大下降例2：一个理想基带传输系统，若奈氏带宽Nf不变，采用8电平传输时的传信速率8R与4电平传输时的传信速率4R的关系为（)答：奈氏带宽Nf不变符号速率NBdfN2则不变8log4log2824BdBdNRNR所以4823RR理想低通形成网络的特点：满足奈氏第一准则（无符号间干扰）。频带利用率达到HzBd/2的极限。波形“尾巴”衰减较慢对定时脉冲的精度要求较高。物理上不可实现。三、具有幅度滚降特性的低通形成网络——滚降低通1、滚降低通特性滚降低通特性参见教材P56图3-11滚降系数10,/Nff（0时是理想低通）NfB)1()/(12)1(2HzBdffBfNNs滚降低通形成网络是否满足无符号间干扰的条件？结论：若滚降低