吴静-第二章数据通信基础知识(完)

第二章数据通信基础知识本章内容2.1数据通信系统2.2数据通信方式2.3数据传输技术2.4数据交换技术2.5流量控制2.6差错检测编码2.7传输介质2.8物理层接口及标准2.9宽带接入技术2.1数据通信系统2.1.1数据通信系统模型2.1.2数据通信的基本概念2.1.3数据通信的主要技术指标2.1.1数据通信系统模型信源变换器信道反变换器信宿发送端噪声源接收端简单的数据通信系统模型数据通信系统定义：指以计算机为中心，用通信线路连接分布在各地的而执行数据传输功能的系统基本作用：在两个实体之间交换数据基本组成三要素：信源、信道、信宿计算机或终端数据终端设备信源：信息发送端信宿：信息接收端信道：传输信息的通道有线信道、无线信道数字信道、模拟信道变换器作用是将信源发出的信息变换成适合在信道上传输的信号。变换器一般有编码器或调制器反变换器作用是将接收到的信号恢复成发送端原来的信号，是变换器的反向功能。反变换器一般有译码器或解调器噪声源模拟数据和数字数据都可以转换为模拟信号或数字信号。编码：把数据变换为数字信号的过程译码：把数字信号变换为数据的过程调制：把数据变换为模拟信号的过程解调：把模拟信号变换为数据的过程2.1.2数据通信的基本概念数据：由数字、字符和符号等组成，是信息的载体数据没有实际含义信息：按一定要求以一定格式组织起来的、具有一定意义的数据信息有具体含义信号：信号是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。电磁信号一般有模拟信号和数字信号两种形式数字信号：随时间离散变化的信号，如脉冲信号等模拟信号：随时间连续变化的信号，如正弦波信号等1011100码元：代表不同离散数值(状态)的基本波形码元代表的离散数值可以是多进制的，也可以是二进制的如：当使用二进制编码时，只有两种不同的码元，分别代表0状态和1状态码元代表的离散数值是多进制的情况如：传送“101011000110111010……”方法一：直接传送每个码元携带1bit码元代表的离散值是二进制的，两种码元方法二：分组：“101,011,000,110,111,010……”每个码元携带3bit码元代表离散值是0~7(八进制)，八种码元可用8种不同的振幅、频率、相位进行调制数据通信：定义：指信源和信宿之间传送数据信号的通信方式。狭义：指数字信号广义：包括数字信号和模拟信号数字通信：在通信信道中传送数字信号的通信方式模拟通信：在通信信道中传输模拟信号的通信方式数据通信与数字通信的区别？信源编码器信宿译码器信源编码器信宿译码器信源调制器信宿解调器数字信道数字信道模拟信道信源调制器信宿解调器模拟信道2.1.3数据通信的主要技术指标数据通信的主要技术指标：衡量数据传输的有效性和可靠性的参数衡量有效性的指标:信道带宽和信道容量传输速率(数据传输速率、码元速率)传输延迟衡量可靠性的指标:误码率(1)信道带宽和信道容量信道带宽：信道具有的一定频率范围(频带宽度)按信道频率范围不同，可分为三类：窄带信道——带宽为0~300Hz音频信道——带宽为300~3400Hz宽带信道——带宽为3400Hz以上带宽分配？无线电微波红外线可见光紫外线X射线射线双绞线同轴电缆卫星地面微波调幅无线电调频无线电海事无线电光纤电视(Hz)f(Hz)fLFMFHFVHFUHFSHFEHFTHF波段104105106107108109101010111012101310141015101610010210410610810101012101410161018102010221024移动无线电电信领域使用的电磁波的频谱信道容量定义：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。表示方式：a)以码元速率表示：指信道在单位时间内可传输的最大码元数，单位“波特”b)以数据传输速率表示：指单位时间内最多可传输的二进制数的位数，单位“bit/s”信道容量和信道带宽的关系一般情况下，信道带宽越宽，一定时间内信道上传输的信息量就越多，则信道容量就越大，传输效率就越高。香农定理：在带宽受限、有高斯白噪声干扰的条件下：C——信道容量，bit/sW——信道带宽，HzN——噪声功率S——信号功率S/N——信噪比，一般用分贝(dB)作为度量单位C=Wlog2(1+S/N)信噪比(dB)=10log10(S/N)(dB)奈奎斯特准则：在带宽受限、无噪声干扰的条件下：C——信道容量，bit/sW——信道带宽，HzN——信道上传输信号可取离散值的个数(状态数)log2N——信号所表示的二进制数据的位数数据传输速率R和码元速率B的关系最大码元速率BmaxC=2Wlog2NR=Blog2N因为Rmax=C，所以Bmax=2WRmax=Bmaxlog2N由题意知：10log10(S/N)=30可得出：S/N=1000根据香农公式：最大数据传输率=3000log2(1+S/N)≈30K(bit/s)例1:电话系统的典型参数是信道带宽为3000Hz，信噪比为30dB，则该系统的最大数据传输速率是多少？例2：对于某带宽为4000Hz的低通信道，采用16种不同的状态来表示数据。(1)按照奈奎斯特定理，信道的最大码元速率是多少？最大传输速率是多少？(2)如果信道的信噪比为30dB，按照香农定理，信道的最大传输速率是多少？(1)最大码元速率Bmax=2×W=2×4000=8000(波特)最大传输速率=Bmaxlog2N=8000log216=32K(bit/s)(2)由题知：10log10(S/N)=30可得出：S/N=1000最大传输速率=Wlog2(1+S/N)=4000log2(1+1000)≈40K(bit/s)2.2数据通信方式2.2.1并行通信与串行通信2.2.2单工通信、半双工通信和全双工通信2.2.3异步传输与同步传输2.2.1并行通信与串行通信并行通信定义：指利用多根传输线将多位数据同时进行传送。特点：线路多、成本高适用场合：距离短、数据量大串行通信定义：指利用一条传输线将数据一位一位地按顺序（由低位到高位）分时传输特点：线路少、成本低适用场合：距离远、距离近且速度不高源目的01001100并行数据T源目的串行数据8T010011002.2.2单工通信、半双工通信和全双工通信全双工站A站B站A站B站A站B半双工单工单向分时、双向同时、双向2.2.3异步传输与同步传输异步传输异步是指发送端和接收端不使用共同的时钟，也不在数据中传输同步信号发送端和接收端必须约定数据帧格式和比特率起始位(1个)——每个数据帧开始传送的标志；低电平。数据帧格式数据位(5～8个)——紧跟着起始位传送；低位前，高位后。表示一个字符校验位(1个)——用于校验是否传送正确；可选。停止位(1.5/2个)——表示该数据帧传送结束；高电平。空闲位——传送数据帧之间的间隔；高电平。起始位校验位停止位空闲位数据位低位高位数据帧0/10/10/10/110111…空闲位下一个数据帧同步传输以一个数据帧为传输单位，每个数据帧附加起始和结束标志同步通信的数据传输效率和传输速率较高，但硬件电路比较复杂两种形式：面向字符的同步传输、面向比特的同步传输~~~~起始标志数据数据数据结束标志例１:设数据帧为1个起始位、7个数据位、1个奇偶校验位和1个停止位，如果比特率为1200bps。用7位数据位代表一个字符，求每秒能传送的最多字符数是多少？不存在空闲位时，可传送的字符数最多1200/（1+7+1+1）＝120个2.3数据传输技术2.3.1基带传输、频带传输和宽带传输2.3.2数据编码与调制技术2.3.3多路复用技术2.3.1基带传输、频带传输和宽带传输1)基带传输基带信号：来自信源的电脉冲信号基带传输：在信道中直接传输基带信号的传输方式基带信号往往包含有较多的低频成分或直流成分，仅适合近距离传输。通常在进行远距离传输的模拟信道中，必须对基带信号进行调制(modulation)。2)频带传输频带信号：将基带信号变换(调制)成便于在模拟信道中传输的、具有较高频率范围(300～3400Hz)的信号频带传输：将频带信号在信道中传输的方式。频带传输实际上就是模拟传输频带传输的基础是载波频率恒定的模拟信号3)宽带传输宽带：包括大部分电磁波频谱宽带传输：将宽带信号在信道中传输的方式。2.3.2数据编码与调制技术编码与调制的原因：数据在传输中容易产生误码编码和调制技术可使系统具有纠错能力和抗干扰能力可极大地避免码流传送中误码的发生编码与调制的任务：提高数据传输效率降低误码率信号是数据的具体表现形式数据与信号之间的四种组合：数字数据模拟信号数字数据数字信号模拟数据数字信号模拟数据模拟信号（一）数字数据调制为模拟信号数字数据可以由多种不同形式的电脉冲信号的波形来表示。要将基带信号(即数字数据)进行远程传输，必须先将其变换(调制)为频带信号(即模拟信号)，才能在模拟信道上传输。上述变换就是将数字数据调制为模拟信号的过程三种调制方法：1)幅度调制（AM）载波的振幅随基带数字信号而变化，简称调幅2)频率调制（FM）载波的频率随基带数字信号而变化，简称调频3)相位调制（PM）载波的初始相位随基带数字信号而变化，简称调相010011100基带信号调幅调频调相对基带信号的三种调制波形（二）数字数据编码为数字信号数字数据可以由多种不同形式的电脉冲信号的波形来表示。数字信号是离散的电压或电流的脉冲序列，由若干个码元组成表示数字数据的码元形式不同，则相应产生不同的编码方法(1)双极性码在一个码元时间间隔内:发正电流表示二进制的“1”发负电流表示“0”正向幅度与负向幅度相等有归零型和不归零型之分(2)曼彻斯特编码在每一个码元时间间隔内:当发“0”时，在间隔的中间时刻电平从低向高跃变当发“1”时，在间隔的中间时刻电平从高向低跃变注意：也可采用相反的规定！曼彻斯特编码的波形图tA(3)差分曼彻斯特编码在每一个码元时间间隔内:无论发“0”或发“1”，在间隔的中间都有电平的跃变。发“0”时，间隔开始时刻有跃变发“1”时，间隔开始时刻不跃变差分曼彻斯特编码的波形图tA例1：画出比特流01101100的双极性不归零码波形图、曼彻斯特编码波形图（码元1是先高后低）、差分曼彻斯特编码波形图At双极性不归零码波形图At曼彻斯特编码波形图At差分曼彻斯特编码波形图作业：如图是二进制序列的曼彻斯特编码，码元１是前低后高，试画出该二进制序列的差分曼彻斯特编码。曼彻斯特编码波形图二进制序列Ｔ(三)模拟数据编码为数字信号常用方法：脉冲编码调制(PCM)、增量调制(IM)PCM过程的三个步骤：采样、量化、编码不考(1)采样定义把时间上连续的模拟数据转换成时间上离散信息，即在每隔固定长度的时间点上抽取模拟数据的瞬时值。采样定理当采样频率f≥2*模拟数据的频带宽度fmax时，离散信息可以无失真地代表被取样的模拟数据。(2)量化定义把采样得到的不同离散幅值，按照一定的量化级转换为对应的数值并取整数，得到离散信号的具体数值。量化级量化级即把离散幅值分为均匀的等级量化级是2的整数次幂，如分为128级、256级等量化等级越高，表示离散信号的精度越高(3)编码定义将量化后的离散值转换为一定位数的二进制数值。量化级为N时，对应的二进制位数为log2NPCM编码过程2.3.3多路复用技术信道共享和多路复用技术产生原因多路复用：利用一条物理信道同时传输多路信息的过程。信道A1A2B1B2C1C2信道信道共享信道A1A2B1B2C1C2复用分用(a)不使用复用技术(b)使用复用技术1)频分多路复用(FDM)FDM：就是将具有一定带宽的信道分割为若干个有较小频带的子信道，每个子信道供一个用户使用。FDM的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源FDM子信道示意图频率时间子信道