数据通信原理PPT课件(490页)-增加编码

闻兆海E-mail：[e-mail]中国地质大学机械与电子信息学院通信工程系下一页上一页一、课程介绍数据通信原理是在介绍了数据通信系统构成及有关基本概念的基础上，对数据信号的基带传输、频带传输和数字数据传输这三种基本传输方式从理论上进行了详细的论述，然后介绍了差错控制的基本理论及应用，接着讨论了数据通信的几种交换方式（如电路交换、报文交换、分组交换和帧方式），继而分析了通信协议，最后介绍了分组交换网、帧中继网、数字数据网（DDN）的基本构成及应用。下一页上一页数据通信原理是一门非常重要的专业课，通过对本课程的学习，能使同学们对数据通信的基本概念、数据通信网等有一个较全面的了解，并能掌握一定的数据通信基本理论和有关数据通信技术的一些应用技能。学好这门课对学习后继课程打下一个良好的基础，同时也会对从事通信和计算机等方面的工作有所帮助。二、教学目的下一页上一页数据通信的重要性：计算机之间的通信：数据通信通信网的发展趋势：电话网三网融合就是数据通信（可见它的重要性）计算机网有线电视网宽带IP网下一页上一页目录第1章绪论第2章数据通信基础知识第3章数据信号的基带传输第4章数据信号的频带传输第5章差错控制与信道编码第6章物理层接口与传输控制教程第7章数据交换技术下一页上一页目的要求本章介绍数据通信有关的重要概念和定义，要求理解数据通信系统的构成、数据传输速率、方式、质量和信道容量的基本内容。下一页上一页授课内容1.1数据通信及系统组成1.2数据通信传输方式1.3数据通信系统质量指标1.4数据通信网与计算机网络返回目录下一页上一页1.1数据通信及系统组成1.1.1消息、信息及数据的关系1.1.2数据通信系统组成1.1.3数据通信及其特点返回目录下一页上一页1.1数据通信及系统组成信息与网络的时代，几大互联网：CASNet、CERnet、CHINAGBN、Chinanet(163网)、UNInet、CNCNET、与其他网络物理隔离服务于军队的军网这几大网络为我国数据通信的应用和发展提供强大而多样的网络平台，而数据通信也为这些网络提供了可靠而坚实的技术基础。下一页上一页1.1.1消息、信息及数据的关系1、消息消息是指通信过程中传输的具体原始对象，如电话中语音，电视中图像，电报中电文，雷达中目标的距离、高度、方位，遥测系统中测量的数据等。这些消息在物理特征上各不相同，所以各种消息的组成亦不相同。特点：能够被通信双方理解可以传递下一页上一页2、信号把消息转换成适合于信道传输的物理量，就是信号。信号携带着消息，它是消息的运载工具。通信中的信号有电信号和光信号两种。信号可以分为模拟信号和数字信号。模拟信号是指信号的某一参量可以取无穷多个值，并且与原始消息直接对应的信号，如话音信号及其按照抽样定理所得的PAM样值信号等；tx(t)(a)时间连续的模拟信号tx(t)(b)时间离散的模拟信号下一页上一页数字信号是指信号的某一参量只能取有限多个值，且与原始消息不直接对应的信号，如计算机终端输出的二进制信号及其经过PSK、FSK等调制方式调制后所得的信号等1011001t(a)二进制数字信号x(t)t0123(b)多进制数字信号x(t)下一页上一页模拟信号与数字信号之间的相互转换：模拟信号一般通过PCM脉码调制(PulseCodeModulation)方法量化为数字信号，即让模拟信号的不同幅度分别对应不同的二进制值，例如采用8位编码可将模拟信号量化为2^8=256个量级，实用中常采取24位或30位编码；数字信号一般通过对载波进行移相(PhaseShift)的方法转换为模拟信号。计算机、计算机局域网与城域网中均使用二进制数字信号。下一页上一页讨论：（1）数字信号与模拟信号的区别就在于是根据幅度取值上是否离散而定的。（2）模拟信号与数字信号二者之间，在一定条件下是可以相互转换的。下一页上一页根据信道上传输的信号形式的不同，可以分为两类通信方式。模拟通信：以模拟信号的形式传递消息。采用频分复用实线多路通信（频分复用是利用各路信号在信道上占用不同的频率范围，同在一条信道上传输，并且互不干扰）。数字通信：以数字信号的形式传递消息。采用时分复用实线多路通信（时分复用是利用各路信号咋信道上占有不同的时间间隙，同在一条信道上传输，并且互不干扰）。下一页上一页3、信息香农认为：信息是有秩序的量度，是人们对事物了解的不确定性的消除或减少。信息是对组织程度的一种测度，信息能使物质系统有序性增强，减少破坏、混乱和噪音。根据香农的有关信息的定义，那么信息是如何度量的呢？显然，信息量与不确定性消除程度有关，量度信息多少的测度就是信息量。下一页上一页一则离散消息包含的信息量可表示为：PIalog其中P表示该消息发生的概率；底数a决定了信息量的单位，它可以任意取值，常取2、10、e：a=2I=-log2P单位为比特（bit）a=eI=-lnP单位为奈特（nat）a=10I=-lgP单位为哈（hartley）a=MI=-logMP单位为M进制信息单位下一页上一页数据通信中若数据采用二进制传输，此时将二进制的每个符号“0”或“1”称为码元。当两个码元等概出现时，每个码元包含的信息量为：I=log22=1bit因此通常常将二进制序列称为比特流，但若两个码元出现的概率不等，此时每个码元包含的信息量已不是1bit。更一般的情况，当采用M进制传输时，此时共有“0，1，…，M-1”个码元，且各码元出现的概率不相等，分别为P0，P1，…，PM-1，此时每个码元包含的信息量并不相等，分别为：jPjI2log下一页上一页因为上式与热力学和统计力学中系统熵的计算公式相似，故常将平均信息量称为信息熵。可以证明上式中，当P0=P1=…=PM-1时取最大值对上式求其期望，将其称作平均信息量H，表示平均每个码元包含信息的多少，单位为bit/符号如下式所示：102logMjPjjPHMMMHMj2102log1log1下一页上一页4、数据数据就是赋予一定含义的数字、字母、文字等符号及其组合，它是消息的一种表现形式。数据涉及到事物的形式，而信息涉及的是这些数据的内容。数据又分为模拟数据和数字数据。模拟数据和数字数据都可以用模拟信号和数字信号表示和传播.而模拟信号和数字信号都可以在合适的传输介质上传输.通常,将传输过程中使用模拟信号的传输方式称为模拟数据传输(可能需要调制解调器);将传输过程中使用数字信号的传输方式称为数字数据传输(可能需要编解码)。返回下一页上一页1.1.2数据通信系统组成1、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。下一页上一页2、数据通信系统的组成传输控制器通信控制器中央处理机传输信道DTEDTEDCEDCE数据电路数据链路接口接口数据输入输出设备数据电路终结设备数据电路终结设备数据通信系统由数据终端设备DTE、数据电路终结设备DCE以及传输信道三部分组成DTE：数据终端设备,指计算机、用户电报终端、可视图文终端、局域网设备等输入输出设备,其主要功能是完成数据的采集、存储及处理等功能，并提供人机接口,供操作人员访问通信系统或网络资源。DCE:数据电路终接设备，是DTE和信道的接口，使信道更有利于信道的传输。如调制解调器Modem。传输信道：根据不同的规则有不同的分类方法，例如可以分为模拟信道和数字信道、有线信道和无线信道、交换信道和专用信道等。数据电路：由DCE和传输线路构成.可视为广义信道。数据链路：具有通信协议功能的数据，传输更可靠，其误码率一般比数据电路下降10-4左右。下一页上一页数据通信过程：在模拟信道中，DCE是MODEM，数据终端先产生了数据，经过数据输入输出设备以后，用传输代码来表示变成数据信号，经过传输控制器完成各种传输控制功能，此时数据终端设备输出的是基带信号，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，同时也将信号变成模拟信号，接收端则进行相反的变换。在数字信道中，DCE是数字适配器，数据终端先产生了数据，经过数据输入输出设备以后，用传输代码来表示变成数据信号，经过传输控制器完成各种传输控制功能，此时数据终端设备输出的还是基带信号，数字适配器执行码型和电平转换、定时、信号再生和同步功能，信道服务单元主要是执行信道均衡、信号整形等功能。接收端则进行相反的变换。下一页上一页讨论：（1）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，对于只单独建立数据电路，是无法进行可靠有效地通信。（2）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。（3）一个中央计算机系统，实际上也就是数据终端设备DTE，是可以通过通信线路连接多个数据终端，实现主机之间资源共享。返回下一页上一页1.1.3数据通信及其特点1、数据通信的概念数据通信是依照通信协议，利用数据传输技术在两个功能单元之间来传递数据通信信息。（功能单元就是指数据终端）它可以实现计算机与计算机、计算机与终端或者终端与终端之间的数据信息传递。下一页上一页所谓通信协议就是通信双方事先约定好的双方都必须遵守的通信规则，它实际上是一些通信规则集。通信协议一般由语法、语义和时序组成：（1）语法（Syntax）：数据与控制信息的格式、数据编码等。（2）语义（Semantics）：控制信息的内容，需要做出的动作及响应。（3）时序（Timing）：事件先后顺序和速度匹配。下一页上一页2、数据通信的特点（1）计算机终端等机器作为主体直接参与通信（2）传输速率高，要求通信终端的响应速度快（3）DTE发出的数据是离散信号（数字信号），既可利用现有的PSTN，又可利用数据网络来完成。（4）具有差错控制能力（5）具有灵活的接口能力（6）每次呼叫平均时间短，要求接续和传输响应时间快（7）抗干扰能力强（8）容易加密，且加密技术、加密手段优于传统通信方式返回下一页上一页1.2数据通信传输方式1.2.1基带传输与频带传输1.2.2并行传输与串行传输1.2.3异步传输与同步传输1.2.4单工、半双工与双工传输返回目录下一页上一页1.2.1基带传输与频带传输1、基带传输基带传输就是将DTE经过码型变换、电平转换等必要处理后直接在信道上传输，常用于短距离的数据传输系统中。2、频带传输频带传输是在数据传输之前首先经过调制器，将基带信号变换成频带信号，然后在信道中传输。返回下一页上一页1.2.2并行传输与串行传输1、并行传输并行传输是指将数据符号编码后，在两条以上的并行信道上同时传输，一般一次传输一个字符；如：采用8单位代码组成的字符时，可以用8条信道并行传输。下一页上一页特点：（1）优点：对于每次只传输一个字符，因此它不需要额外的措施来实现收发双方的字符同步；（2）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，如计算机到打印机之间的数据传输。下一页上一页2、串行传输串行传输是指将数据编码按位或按码元依次在一条信道上传输。特点：（1）优点：只需要一条传输信道，花费的成本低，易于实现（2）缺点：是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，通常用于远距离通信。返回下一页上一页1.2.3异步传输与同步传输1、异步传输所谓异步传输是指只要DTE有数据需要发送，就可以在任何时刻向信道发送信号，而接收方通过检测信道上的电平变化与否就能自主判断何时接收数据。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。10011001信息位停止位起始位每次只传送由若干bit组成的一个字符的代码在每次发送的一个字符代码前面，都要加一个“起始”信号，“起始”信号极性规定为“0”，长度为一个码元该字符代码的后面，都要加一个“停止”信号，“停止”信号的极性为“1”，长度有两种：国际电报2号码的“停止”信号长度为1.5个码元，国际5号码或其他代码