数据通信原理第一章.

数据通信原理第1章绪论绪论•1.1数据通信的基本概念•1.2数据通信系统•1.3数据传输方式•1.4多路复用•1.5数据通信网与计算机通信网•1.6数据通信系统的主要性能指标•1.7数据通信系统的应用与发展第1章绪论•通信发展史•(1)古代通信：利用自然界的基本规律和人的基础感官（视觉，听觉等）可达性建立通信系统，是人类基于需求的最原始通信方式。•如：“烽火传讯”、“信鸽传书”、“击鼓传声”、“风筝传讯”、“天灯”、“旗语”、“信件（周朝已经有驿站出现，传递公文）”。•特点：这些通信方式，或者是广播式，或者是可视化的、没有连接的，但是都不满足现代通信信息传递的要求，或者一对一，或者一对多、多对一。1661年英国亨利·比绍普创制和使用第一个有日期的邮戳；•（2）近代通信：以电磁技术为起始，是电磁通信和数字时代的开始。•19世纪中叶以后，随着电报、电话的发有，电磁波的发现，人类通信领域产生了根本性的巨大变革。•如：1835年，莫尔斯研制出世界上第一台电磁式（有线）电报机，用莫尔斯电码作为通信信息载体。•1875年，苏格兰青年亚历山大.贝尔（A.G.Bell）发明了世界上第一台电话。•1892年由美国人A.B.史端乔(AlmonB.Strowger)发明世界上第一部自动交换机，这是一台步进式IPM电话交换机；•1901年，意大利工程师马可尼发明火花隙无线电发报机，成功发射穿越大西洋的长波无线电线号。•········································1835年，莫尔斯研制出世界上第一台电磁式（有线）电报机1875年，苏格兰青年亚历山大.贝尔（A.G.Bell）发明了世界上第一台电话1946年，美国宾夕法尼亚大学的埃克特和莫希里研制出世界上第一台电子计算机ENIAC。1892年由美国人A.B.史端乔(AlmonB.Strowger)发明世界上第一部自动交换机。第一个蜂窝移动电话丘吉尔使用大哥大•（3）当代通信：移动通信和互联网通信时代。•1982年，发明了第二代蜂窝移动通信系统，分别是欧洲标准的GSM，美国标准的D-AMPS和日本标准的D-NTT。•1983年，TCP/IP协议成为ARPAnet的唯一正式协议，伯克利大学提出内涵TCP/IP的UNIX软件协议；•20年代90年代爆发的互联网，更是彻底改变了人的工作方式和生活习惯：•1992年，GSM被选为欧洲900MHz系统的商标——“全球移动通信系统”；•2000年，提出第三代多媒体蜂窝移动通信系统标准，其中包括欧洲的WCDMA、美国的CDMA2000和中国的TD-SCDMA，中国的第一次电信体质改革完成。•802.11a/b/g技术为代表的无线局域网技术。•2007年，ITU将WIMAX补选为第三代移动通信标准。•我们现在就处于当代通信的时代，只要你打开电脑、手机、PDA、车载GPS，很容易就实现彼此之间的联系，人们生活更加便利。•（4）未来通信：大融合时代•1996年，专家们提出了全球信息基础设施总体构思方法，电信网络发展进入网络融合发展的历程，随后，以思科为代表的设备制造商推出了“统一通信”的理念，未来的通信可能沿着融合2G、3G以及4G和WLAN，宽带网络的方向发展，但是不管如何，绝不会脱离现在科学技术的发展，依照其内在规律来发展，期待着未来移动与宽带等的统一、融合以及演进，可以说“一切，皆有可能”。1.1.1消息、信号、信息和数据•消息定义：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。•消息的分类：离散消息、连续消息。•离散消息（数字消息）：消息的状态是可数的或离散型的。如：符号、文字和数据等。•连续消息（模拟消息）：消息的状态是连续变化的。如语音、图像等。•消息的特点:能够被通信双方理解可以传递•信号定义：把消息转换成适合于信道传输的物理量。信号携带着消息，它是消息的运载工具。实际通信中的信号有电信号和光信号两种。•信号的分类:从不同的角度，可以把信号分为类型，其中最重要的分类：模拟信号和数字信号。•模拟信号：也称连续信号，连续是指信号的某一参量可以连续变化，或者说在某一取值范围内可以取无穷多个值。而不一定在时间上连续。tx(t)(a)时间连续的模拟信号tx(t)(b)时间离散的模拟信号•数字信号:也称离散信号，离散是指某一参量是离散变化的，而不一定在时间上也离散。如计算机终端输出的二进制信号。1011001t(a)二进制数字信号x(t)t0123(b)多进制数字信号x(t)•模拟信号与数字信号的联系：•模拟信号与数字信号之间可以相互转换。•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。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。•信息：信息就是包含在消息中对通信方有意义的那部分内容。假如一条消息是人人皆知的话，这条消息就不存在任何意义，也就是说其信息量为零。•信息的度量：度量信息多少的程度就称为信息量I。•信息量的计算：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•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=-log21/2=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：•平均信息量（信息熵）H：102logMjPjjPH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：jPjI2log可以证明上式中，当P0=P1=…=PM-1时，取最大值MMMHMj2102log1log1•例1.1如果在不知道今天是星期几的情况下问同学“明天是星期几？”，则答案中含有的信息量是多少特？•例1.2某信源有8种相互独立的状态，其发生的概率分别是1/8、1/8、0、1/4、0、0、0、1/2,则信源传递给信宿的平均信息量是多少？•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。比如说数字1、2、3、4、5、6、7、8、9，字母a、b、c、d等，让它们事先约定具有某种含义，就都成为数据。数据通信就是用来传输这些数据。•数据的分类：模拟数据、数字数据。•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)。1.12传输代码•传输代码：在数据通信中，数据常用代码表示。所谓代码是利用数字的一种组合来表示某一种基本数据单元。例如：“0110101”表示5,字母A用1000001表示等。•1.博多码:又称电传码，是第一个固定长度的字符代码。用5比特来表示一个字符或字母。•2.国际5号码：又称ASCII码，用7位二进制编码，可以表示128个字符。•3.EBCDIC码：是IBM开发的一种扩展的二—十进制交换码，有28或256种组合，是最强大的字符集，但只选用其中的一部分使用。•4.条形码：超市商品上粘贴的黑白条状的纸带。1.13模拟通信、数字通信和数据通信•通信的概念：就是信息的传输与交换，是把消息从一地传输到另一地。通信中，传输的具体对象是消息，目的是传递信息，信道则是信号的传输媒介，如电缆、光缆、双绞线、微波等。•通信系统的组成：发送端、接收端和介于两之间的信道。•信源:首先把消息转换为原始电信号。•发送设备：把原始电信号转换为其频道适合信道传输的信号。•接收设备：功能与发送设备相反，把接收到的信号恢复成相应的原始电信号。•受信者：将原始的电信号转换成消息。•噪声源：信号在信道中传递，难免会受到噪声源的干扰。•模拟通信：信源和信道上的信号都是模拟信号。•调制器：将原始电信号（基带信号）变换成其频带适合信道传输的信号（频带信号）。•解调器：把频带信号转换成基带信号（原始电信号特别说明：除调制和解调两种变换外，可能还存在滤波、放大、无线辐射与接收、控制等过程。这些过程对信号只是进行放大和改善，作用不如调制和解调。•数字通信：信源是模拟信号，信道上传输的是数字信号，可见相对于模拟通信系统，在数字通信系统中，发送端需要一个模/数转换装置，在接收端需要一个数/模转换装置。•1.信源编码与译码：信源编码有两个基本功能：一是提高信息传输的有效性，二是完成模/数(A/D)转换,信源编码是信源译码的逆过程.•2.信道编码与译码:信道编码的目的是增强数字信号的抗干扰能力.接收端的信道译码器按相应的逆规则进行解码，从中发现错误或纠正错误，提高通信系统的可靠性。•3.加密与解密:在需要事先保密通信的场合,为了保证所传信息的拿权,人为地将被传输的数字序列扰乱,即加上密码,这种处理过程叫加密.在接收端利用与发送端相同的密码复制品对收到的数字学列进行解密,恢复原来的信息.•4.数字调制与解调:数字调制就是把数字基带信号的频谱搬移到高频处,形成适合在信道中那个传输的带通信号.在接收端可以利用相干解调或非相干解调还原数字基带信号.•5.同步:同步是使收发两端的信号在时间上保持步调一致,是保证数字通信系统有序/准确/可靠工作的前提条件.•6.信道:信道是通信传输信号的通道，是通信系统的重要组成部分。其基本特点是发送信号随机地受到各种可能噪声的干扰。•数字基带传输系统：无调制器/解调器的数字通信系统。•基带信号形成器：包括编码器、加密器、以及波形变换等。•接收滤波器:包括译码器、解密器等。（第4章再作详细学习）•数字通信的优点：•1.抗干扰能力强（数字信号可多次再生，自动检错、纠错信道），可消除噪声积累。2.差错可控，传输性能好。可采用信道编码技术使误码率降低，提高传输的可靠性。3.便于与各种数字终端接口，用现代计算技术对信号进行处理、加工、变换、存储，从而形成智能网。4.各种消息都可以变成统一的数字信号进行传输。•5.便于加密处理，且保密强度高。•数字通信的缺点：比模拟通信占据更多的带宽。例如：一路模拟电话通常只占据4KHZ带宽，而一路传输质量相同的数字电话则可能要占用数十千赫的带宽。•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。•数据通信和数字通信的区别：•1，数字通信需要进行模/数转换后变成数字信号进行传输。在数据通信中，在数据终端产生的直接就是数字形式的信号。•2，传输所用的设备不同。1.14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）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。•（3）需要建立通信控制规程，也就是要制定严格的通信协议和标准。•（4）数据传输的可靠性要求高，即误码率要求低。•（5）数据通信的业务量呈突发性，即数据通信速率的平均值和高峰值差异较大。•（6）数据通信具有灵活的接口能力。•（7）不同的数据通信业务对通信时延的要求不同，且时延要求变化范围大。•（8）数据通信每次呼叫平均持续时间短，数据通信要求接续和传输响应时间快。•（9）容易加密，且加密技术、加密手段优于传统通信方式。•（10）数据通信从面向终端发展到今天的面向网络，