数据通信与计算机网络技术..

数据通信基础1数据通信基础2第2章数据通信基础主要学习内容：2.1数据通信系统组成2.2数据通信的基本概念2.3数据编码技术2.4数据通信的基本方式2.5多路复用技术2.6数据交换方式2.7差错检验和控制数据通信基础32.1数据通信的基本概念2.1.1数据、信息信息是人对现实世界事物存在方式或运动状态的某种认识;数据是把事件的某些属性规范化后的表现形式;信号是数据的具体的物理表现。数据通信基础42.1数据通信的基本概念雪六角形凉白色信息数据信号例子数据通信基础52.1数据通信的基本概念•信息：人对雪花和马的认识•数据：文字，二进制数，十进制数•信号：电压，光，磁场强度数据通信基础6数据通信系统的模型传输系统输入信息输入数据发送的信号接收的信号输出数据源点终点发送器接收器调制解调器PC机公用电话网调制解调器数字比特流数字比特流模拟信号模拟信号正文正文数据通信系统源系统目的系统传输系统输出信息PC机数据通信基础72.1数据通信的基本概念两种不同类型的量：A.时间、温度、电波、声音B.字符，二进制数，电脉冲信号中没有断开或不连续的的地方；信号仅取一些有限数目的值；2.1.2信号与信号传输数据通信基础82.1数据通信的基本概念模拟：波动性；持续变化；反映事物的本质；在电信业已经被广泛使用超过100年；数字：离散性；跃变性；设备性能先进，较为便宜；模拟与数字的特点数据通信基础92.1数据通信的基本概念（a）模拟信号（b）数字信号1011100数据通信基础10模拟的和数字的数据、信号模拟数据模拟信号放大器调制器模拟数据数字信号PCM编码器数字数据模拟信号调制器数字数据数字信号数字发送器数据通信基础112.1数据通信的基本概念2.1.3基本概念和术语数据传输速率——bps(bitpersecond)用C表示信号传输速率——波特（Baud）用B表示两者关系——C=B×log2nn是调制电平数数据通信基础12信道(Channel)：传送信息的线路（或通路）。比特率(BitRate)：数据传输速率(bps，b/s)。码元(CodeCell)：时间轴上的一个信号编码单元t码元1码元2码元3码元4码元5信号同步脉冲同步脉冲：用于码元的同步定时，识别码元的开始数据通信基础13波特率(Baud)：每秒传送的码元数(即信号传送速率)。1Baud=（1/log2M）bps其中M是信号的编码级数。也可以写成Rbit=Rbaudlog2M例如：4级编码一个信号往往可以携带多个二进制位，所以在固定的信息传输速率下，比特率往往大于波特率。换句话说，一个码元中可以传送多个比特（bit）。数据通信基础14误码率(Biterrorrate)：信道传输可靠性指标P=错误的位数/传输的总位数信息编码：将信息用二进制数表示的方法。数据编码：将数据用物理量表示的规则。例如：字母‘A’的ASCII编码为01000001，其数据编码可能为01000001t数据通信基础15基带(baseband)信号和宽带(broadband)信号•基带信号就是将数字信号1或0直接用两种不同的电压来表示，然后送到线路上去传输。•宽带信号则是将基带信号进行调制后形成的频分复用模拟信号。数据通信基础16数字信号通过实际的信道•失真不严重•失真严重实际的信道（带宽受限、有噪声、干扰和失真）输入信号波形输出信号波形(失真不严重)输入信号波形实际的信道（带宽受限、有噪声、干扰和失真）输出信号波形(失真严重)数据通信基础17信道的极限信息传输速率•香农(Shannon)用信息论的理论推导出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限、无差错的信息传输速率。•信道的极限信息传输速率C可表达为•C=Wlog2(1+S/N)b/s–W为信道的带宽（以Hz为单位）；–S为信道内所传信号的平均功率；–N为信道内部的高斯噪声功率。数据通信基础18香农公式表明•信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高。•只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定可以找到某种办法来实现无差错的传输。•若信道带宽W或信噪比S/N没有上限（当然实际信道不可能是这样的），则信道的极限信息传输速率C也就没有上限。•实际信道上能够达到的信息传输速率要比香农的极限传输速率低不少。数据通信基础192.1数据通信的基本概念带宽(Bandwidth)：信号或信道占据的频率范围信道容量(Channelcapacity)：信道的最大数据率数据通信基础202.2数据通信系统构成噪声数据通信系统模型数据通信基础212.3数据编码技术1.数字信道和模拟信道数字信道：以数字脉冲形式（离散信号）传输数据的信道。模拟信道：以连续模拟信号形式传输数据的信道。数据通信基础222.模拟信号和数字信号模拟信号：时间上连续，包含无穷多个值，用幅度、相位和频率等表示要传送的信息。传输过程中会衰减。数字信号：时间上离散，仅包含有限数目的预定值tta)模拟信号b)数字信号数据通信基础232.3数据编码数据：模拟数据、数字数据信号：模拟信号、数字信号信道：模拟信道、数字信道不同类型的信号在不同类型的信道上传输有4种组合，每一种相应地需要进行不同的编码处理。数据通信基础24•模拟传输和数字传输话音模拟传输模拟数字模拟模拟CODEC数字数字数字编码数字模拟数据，模拟信号数字数据，模拟信号数字数据，数字信号模拟数据，数字信号10101010Modem数据通信基础25EncoderDecoderModulatorDemodulator数字或模拟数字或模拟数字信号模拟信号g(t)m(t)px(t)s(t)g(t)m(t)数字或模拟数字或模拟P—调制参数编码调制•编码和调制用数字信号承载数字或模拟数据——编码用模拟信号承载数字或模拟数据——调制数据通信基础262.3数据编码技术–不归零编码NRZ(Non-Return-Zero)–曼彻斯特编码(ManchesterEncoding)–差（微）分曼彻斯特编码（DifferentialManchesterEncoding）2.3.1数字数据用数字信号表示数据通信基础271.数字数据的数字信号编码不归零制(NRZ，Non-ReturntoZero)二进制数字0、1分别用两种电平来表示。常用－5V表示1，＋5V表示0。缺点：存在直流分量，传输中不能使用变压器；不具备自同步机制，必须使用外同步。曼彻斯特编码(Manchestercode)用电压的变化表示0和1。数据通信基础28规定在每个码元的中间发生跳变：高→低的跳变——0，低→高的跳变——1∵每个码元中间都要发生跳变，接收端可将此变化提取出来作为同步信号，使接收端的时钟与发送设备的时钟保持一致。∴曼彻斯特编码也称为自同步码（Self-SynchronizingCode）。它具有自同步机制，无需外同步信号。数据通信基础29差分曼彻斯特编码(DifferentialManchestercode)与曼彻斯特编码相同，在每个码元的中间，信号都会发生跳变；不同之处在于：用在码元开始处有无跳变来表示0和1：码元开始处有跳变——0码元开始处无跳变——1数据通信基础302.3数据编码技术01001100011时钟NRZManchester差分Manchester数据通信基础312.数字数据用模拟信号表示三种常用的调制技术：1）幅移键控ASK(AmplitudeShiftKeying)，调幅2）频移键控FSK(FrequencyShiftKeying)，调频3）相移键控PSK(PhaseShiftKeying)，调相基本原理：用数字信号对载波的不同参量进行调制。载波S(t)=Acos(t+)S(t)的参量包括：幅度A、频率、相位调制就是要使这三个参量随数字基带信号的变化而变化数据通信基础3200110100010ASK调幅FSK调频PSK调相PSK：用载波的两个不同振幅表示0(0v)和1(+5v)FSK：用载波的两个不同频率表示0(1.2KHz)和1(2.4KHz)PSK：用载波的起始相位的变化表示0(同相)和1(反相)数据通信基础332.3数据编码技术数据通信基础342.3数据编码技术2.3.1模拟数据用数字信号表示0.20.40.60.81.01.21.41.6D7=0.13≈0.1D6=0.92≈0.9D5=1.52≈1.5D4=1.08≈1.1D3=0.56≈0.6D2=0.28≈0.3D1=0.27≈0.312Bt(a)取样并取整脉冲编码调制（PCM）数据通信基础353.模拟数据的数字信号编码奈奎斯特定理（采样定理）：如果连续变化的模拟信号最高频率为F，若以2F的采样频率对其采样，则采样得到的离散信号序列就能完整地恢复出原始信号。语音信号要在数字线路上传输，必须将语音信号转换成数字信号。这需要经过三个步骤：1）采样——按一定间隔对语音信号进行采样2）量化——对每个样本舍入到量化级别上3）编码——对每个舍入后的样本进行编码数据通信基础36模拟话音采样时钟PAM信号PCM信号采样电路量化和编码数字化声音--话音信道带宽4KHz--采样时钟频率：8KHz(2倍话音最大频率)--量化级数：256级(8位二进制码表示)--数据率：8000次/s*8bit=64Kb/s∴每路PCM信号的速率=64000bps编码后的信号称为PCM（PulseCodedModulation）信号（脉码调制信号）数据通信基础37PCM转换过程举例3.23.92.83.41.24.2343314011100011011001100原始信号PAM脉冲PCM脉冲（有量化误差）011100011011001100PCM输出数据通信基础38PCM转换波形图BACDABCD模拟话音采样时钟PAM信号PCM信号采样电路量化和编码数字化声音数据通信基础392.3数据编码技术增量调制（DM）5101501011111100000000111样本间隔时间被发送的位串数字化线连续的样本总是相差±1信号变化太快，以至编码不能表示信号的变化数据通信基础402.4数据通信的基本方式2.4.1数据通信的操作方式(传输模式或数据流动方向)发送机发送机发送机接收机发送机接收机接收机接收机接收机发送机数据应答数据应答数据应答数据应答（a）单工通信（b）半双工通信（c）全双工通信数据通信基础41•单工：数据单向传输（无线电广播）•半双工：数据可以双向传输，但不能在同一时刻双向传输（对讲机）•全双工：数据可同时双向传输（电话）两个方向的信号共享链路带宽：1）链路具有两条物理上独立的传输线路，或2）将带宽一分为二，分别用于不同方向的信号传输数据通信基础422.4数据通信的基本方式2.4.2同步和异步传输（a）单同步格式同步字符数据1数据2…数据n校验字符CRC1校验字符CRC2同步字符一帧下一帧数据场同步字符数据1数据2…数据n校验字符CRC1校验字符CRC2同步字符一帧下一帧同步字符（b）双同步格式数据通信基础432.4数据通信的基本方式0/10/10/10/10/10/10/10/1起始位停止位空闲位第5—8个数据位第n个字符第n+1个字符异步通信格式：数据通信基础44通信系统的例子——电话系统公用电话交换网PSTN(PublicSwitchedTelephoneNetwork)-端到端的数据传输率：104b/s-干线的数据传输率：1010b/s-总体误码率：10-5-通信干线采用光纤或微波数字传输系统。优点：出错率低、可传输语音/数据/图像、速率高、成本低、维护容易数据通信基础45构成：本地回路、交换局、干线端局端局长途局中心局长途局本地回路准长途干线高带宽长途干线准长途干线本地回路光纤、微波、同轴双绞线双绞线数据通信基础46本地回路编码解码器Codec编码解码器Codec用户设备用户设备ModemModem端局端局长途局数字干线模拟线路（本地回路）模拟线路（本地回路）●绝大多数为模拟线路●计算机间传输：以模拟为主，所以信号要经过多次变换：数字→模拟→数字→模拟→数字数据通信基础47•长途干线最初采用频分复用