第二章节数据通信的基础知识

21世纪计算机基础教育系列教材1第2章数据通信的基础知识本章要点l信息、数据和信号的概念l数据通信的技术指标l数据传输的同步技术l数据的编码和调制技术l数据交换技术l传输媒体的类型与特点l信道复用技术l差错控制技术本章难点l数据的编码和调制技术l差错控制技术21世纪计算机基础教育系列教材22.1基本概念2.1.1信息、数据和信号数据：可定义为有意义的实体，可以以多种形式存在。计算机中的数据一般指具有一定含义的数值、文字、声音、图形、图像和动画等。数据可分为模拟数据和数字数据两大类。模拟数据：模拟数据是在某个区间内连续变化的值。数字数据：数字数据是离散的值。信息：信息是数据的内含，数据是信息的载体。信息需要通过数据表示出来。21世纪计算机基础教育系列教材3信号的两种类型：0V(t)t0V(t)t•模拟信号波型数字信号波型21世纪计算机基础教育系列教材4信号、信源、信宿信号：信号是数据的电、磁、光形式的编码。信源：信源是指在通信的过程中产生和发送信号的设备或计算机。信宿：信宿是指在通信的过程中接收和处理信息的设备或计算机。21世纪计算机基础教育系列教材5信道信道：信道是指信源和信宿之间的传输线路和传输设备。信道可分为物理信道和逻辑信道：物理信道：是指用来传送信号或数据的物理通路，它由传输介质及有关通信设备组成。逻辑信道也是网络上的一种通路，在信号的接收和发送之间不仅存在一条物理上的传输介质，而且在此物理信道的基础上，还可以存在着多条逻辑信道。同一物理信道上可以提供多条逻辑信道；而每一逻辑信道上只允许一路信号通过。21世纪计算机基础教育系列教材62.1.2数据通信系统的基本结构图2.1典型计算机通信系统21世纪计算机基础教育系列教材72.1.3通信信道的分类1.物理信道和逻辑信道物理信道是指用来传送信号或数据的物理通路，它由传输介质及有关通信设备组成。同一物理信道上可以提供多条逻辑信道；而每一逻辑信道上只允许一路信号通过。21世纪计算机基础教育系列教材82.有线信道和无线信道根据传输介质是否有形，物理信道可以分为有线信道和无线信道。有线信道包括电话线、双绞线、同轴电缆、光缆等有形传输介质。无线信道包括无线电、微波、卫星通信信道、激光和红外线等无形传输介质。21世纪计算机基础教育系列教材93.模拟信道和数字信道按照信道中传输数据信号类型的不同来分，物理信道又可以分为模拟信道和数字信道。模拟信道中传输的是模拟信号，而在数字信道中直接传输的是二进制数字脉冲信号。模拟信道只能传输模拟信号？？？数字信道只能传输数字信号？？？21世纪计算机基础教育系列教材104.专用信道和公共交换信道按照信道的使用方式来分，又可以分为专用信道和公共交换信道。专用信道又称专线，这是一种连接用户之间设备的固定线路，它可以是自行架设的专门线路，也可以是向电信部门租用的专线。专用线路一般用在距离较短或数据传输量较大的场合。公共交换信道是一种通过公共交换机转接，为大量用户提供服务的信道。顾名思义，采用公共交换信道时，用户与用户之间的通信，通过公共交换机到交换机之间的线路转接。公共电话交换网就属于公共交换信道。21世纪计算机基础教育系列教材112.1.4数据通信的技术指标1.数据传输速率S(比特率)单位时间内所传送的二进制代码的有效位(bit)数。S用每秒比特数(bit/s或bps)2.信号传输速率B(波特率)指在有效带宽上，单位时间内所传送的波形单元数。一个波形单元也称为一个码元。信号传输速率也叫码元速率。信号传输速率的单位为波特(Baud）。21世纪计算机基础教育系列教材12比特率Ｓ与波特率Ｂ的关系Ｓ＝Ｂ·log2ＮＮ为一个码元所取的有效离散值的个数，也称为调制电平数，Ｎ一般取２的整数次方值。若一个码元仅可取0和1两种离散值，即Ｎ为２（如图2.2），则一个码元只能携带一位（一个bit）二进制数据（0或1），此时，Ｓ＝Ｂ；若一个码元仅可取00、01、10、11四种离散值，即Ｎ为４（如图2.3）,则一个码元就可携带二位（二个bit）二进制数据（00、01、10或11），此时，Ｓ＝Ｂ·log2４，即Ｓ＝２Ｂ；以此类推，若一个码元可取000、001、010、011、100、110、111八种离散值，即Ｎ为８，则一个码元可携带三位二进制数据，此时，Ｓ＝Ｂ·log2８，即Ｓ＝３Ｂ。21世纪计算机基础教育系列教材13比特率Ｓ与波特率Ｂ的关系B=10BaudS=10b/s１个码元1秒1秒B=10BaudS=20b/s图2.2N=2时S=B图2.3N=4时S=2B0001101110110100100121世纪计算机基础教育系列教材143.带宽F带宽是指物理信道的频带宽度，即信道允许的最高频率和最低频率之差，单位为赫兹(Hz)。通常所说的带宽是指有效带宽，有效带宽是指单位大小的信号通过信道时，幅度衰减至原信号的根号２分之１（即0.707）倍时，最高频率和最低频率之差21世纪计算机基础教育系列教材15带宽F信道允许的最高频率和最低频率之差，单位为赫兹(Hz)。10.707带宽Hz图2.4带宽Ｆ21世纪计算机基础教育系列教材164.信道容量C信道容量一般是指物理信道上能够传输数据的最大能力。它表征一个信道传输数据的能力，单位也用位／秒（bit/s）表示奈奎斯特(Nyquist)首先给出了无噪声情况下码元速率的极限值与信道带宽的关系：Ｂmax=2·F单位(Baud)由此可推出表征信道数据传输能力的奈奎斯特公式为：Ｃmax=2F·log2N单位(bps)21世纪计算机基础教育系列教材17香农定理香农（Shannon）则进一步研究了受随机噪声干扰的信道的情况，如果信号值与噪声值的比值（信噪比）用S/N表示，则信道容量为：Cmax=F·log2(1+S/N)单位(bit/s)①F：信道带宽，单位为赫兹(Hz)。②S/N：信噪比（无单位）。③S：信道上所传信号的平均功率，单位为瓦特。④N：信道内部的噪声功率，单位为瓦特。在实际应用中信噪比(可测量得到）常用下列公式表示：S/N信噪比（db）=10·lg(S/N)单位（分贝：dB）例如，信噪比为30dB，带宽为3kHz的信道，求信道容量：首先，根据30=10·lg(S/N)求出S/N=1000，结果代入公式C=F·log2(1+S/N)求出C约为30kbps。21世纪计算机基础教育系列教材185.误码率Pe二进制码元在数据传输中被传错的概率，因此，也称为“出错率”。设传输的二进制数据总数为Ｎ位，其中出错的位数为Ｎe位，则误码率表示为：Ｐe=Ne/N其中，N为传输的二进制比特总数；Ne为被传错的比特数。Ｐe10-621世纪计算机基础教育系列教材196.吞吐量单位时间的数据平均的流入量或流出量就叫吞吐量.平均数据的流入量应等于平均数据的流出量，不相等则出现阻塞现象。21世纪计算机基础教育系列教材207.网络负荷量网络负荷量是指单位面积中数据在网络中的分布量，即数据在网络中分布密度。21世纪计算机基础教育系列教材212.2数据的传输2.2.1串/并行通信1.串行传输串行传输是一位一位地传送，从发送端到接收端只要一根传输线.21世纪计算机基础教育系列教材22串行传输图2.5串行数据传输21世纪计算机基础教育系列教材232.并行传输并行传输的速率高，并行传输可以一次同时传输若干比特的数据，从发送端到接收端的信道需要用相应的若干根传输线.21世纪计算机基础教育系列教材24并行传输图2.6并行数据传输21世纪计算机基础教育系列教材252.2.2信道的通信方式串行数据通信又有3种不同方式：即单工通信、半双工通信和全双工通信。21世纪计算机基础教育系列教材263种串行数据通信方式发送接收单向通道双向通道双向通道(a)(b)(c)发送接收发送接收接收发送接收发送21世纪计算机基础教育系列教材272.2.3信号的传输方式根据传输的信号是数字信号还是模拟信号可将传输方式分为基带传输和频带传输；根据信号传输时的同步方式的不同又可将传输方式分为异步传输和同步传输。21世纪计算机基础教育系列教材281.基带传输与频带传输:数字信号也被称为“数字基带信号”，简称为“基带信号”。如果在线路上直接传输基带信号，就称为“数字信号基带传输”，简称为“基带传输”。利用模拟信道实现数字信号传输的方法称为“频带传输”。21世纪计算机基础教育系列教材292.异步传输与同步传输同步是指接收端如何从一串串的比特流中区别出那里是数据单元的开始和那里是数据单元的结束。在被传送的字符前后加起止位，实现定时的传输方式，被称为异步传输方式(也称起止式)。21世纪计算机基础教育系列教材302.2.4数据传输的同步技术同步:接收端按照发送端所发送的每个码元的重复频率及起止时间来接收数据，在接收过程中还要不断校准时间和频率，这一过程称为同步过程。同步方法有位同步法和群同步法两种21世纪计算机基础教育系列教材311.位同步法要使接收端对每一位数据都要和发送端保持同步，通常就叫同步传输。实现位同步的方法可分为外同步法和自同步法两种。在外同步法中，接收端的同步信号事先由发送端送来，而不是自己产生也不是从信号中提取出来。即在发送数据之前，发送端先向接收端发出一串同步时钟脉冲，接收端按照这一时钟脉冲频率和时序锁定接收端的接收频率，以便在接收数据的过程中始终与发送端保持同步.自同步法是指能从数据信号波形中提取同步信号的方法。21世纪计算机基础教育系列教材32自带同步时钟的编码图2.8曼彻斯特编码21世纪计算机基础教育系列教材332.群同步法（异步传输）“群”，实际上就是指由若干比特组成的一个字符，在每个字符前后冠以起始位、终止位，从而组成了一个字符序列。群同步是靠起始和停止位来实现字符定界及字符内比特同步的。群同步实际上就是异步传输.21世纪计算机基础教育系列教材34群同步法（异步传输）图2.9群同步的字符格式21世纪计算机基础教育系列教材352.3数据的编码和调制技术数据编码方法模拟数据编码数字数据编码振幅键控ASK移频键控FSK移相键控PSK非归零码NRZ曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码21世纪计算机基础教育系列教材36编码、解码数据的编码:就是将数据转换成信号或将一种数据形式转换为另一种数据形式的过程；解码:就是将信号还原成数据或将数据形式还原的过程。而调制和解调是最常用的一种编码与解码方法。21世纪计算机基础教育系列教材372.3.1数字数据的模拟信号编码数字数据调制的三种基本形式：移幅键控法ASK、移频键控法FSK、移相键控法PSK。在调制过程中，选择音频范围内的某一角频率ω的正（余）弦信号作为载波，该正（余）弦信号可以写为：u（t）=um·sin（ωt+φ0）三种调制法是对三个参数的控制3个可以改变的电参量：—振幅um—角频率ω—相位φ可以通过变化3个电参量，来实现模拟数据信号编码的目的。21世纪计算机基础教育系列教材381.振幅键控（amplitudeshiftkeying,ASK）um·sin（ω1t+φ0）数字1u（t）=0数字0振幅键控ASK信号实现容易，技术简单，但抗干扰能力较差。21世纪计算机基础教育系列教材392.移频键控（frequency-shiftkeying，FSK）um·sin（ω1t+φ0）数字1u（t）=um·sin（ω2t+φ0）数字0移频键控FSK信号实现容易，技术简单，抗干扰能力较强，是目前最常用的调制方法之一。21世纪计算机基础教育系列教材403.移相键控（phase-shiftkeying，PSK）绝对调相um·sin（ωt+0）数字1u（t）=um·sin（ωt+π）数字0移相键控可以分为：绝对调相相对调相二相调相多相调相21世纪计算机基础教育系列教材41三种调制法010010ωωπ0πππ0+0+π+0+0+0ω2ω1ω2+π数据(a)ASK(b)FSK(c)PSK(绝对)(d)PSK(相对)ω1ω2ω121世纪计算机基础教育系列教材42数字信号在模拟信道上传输图2.10远程系统中的调制解调器21世纪计算机基础教育系列教材432.3.2数字数据的数字信号编码数字