第3章

數(shù)據(jù)通信

技術(shù)基礎(chǔ)

本章學(xué)習(xí)內(nèi)容及要求

熟悉數(shù)據(jù)通信的基本概念掌握信道復(fù)用技術(shù)、編碼技術(shù)、交換技術(shù)和差錯(cuò)控制技術(shù)的原理和實(shí)現(xiàn)方法掌握網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延計(jì)算方法以及網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)的選用方法3.1.1信息、數(shù)據(jù)與信號(hào)信息是在人們之間傳遞的知識(shí)，數(shù)據(jù)是信息的具體表現(xiàn)形式，其本身是各種各樣的物理符號(hào)或它們的組合信息涉及到數(shù)據(jù)的內(nèi)容和解釋信號(hào)是數(shù)據(jù)的電子或電磁編碼，數(shù)據(jù)必須經(jīng)過編碼轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后才能在傳輸介質(zhì)中傳輸數(shù)據(jù)和信號(hào)都有兩種不同的形式一種稱為模擬數(shù)據(jù)和信號(hào)另一種稱為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)和信號(hào)“模擬的”(analogous)：代表信號(hào)參數(shù)取值是連續(xù)的?！皵?shù)字的”(digital)：代表信號(hào)參數(shù)取值是離散的。兩種數(shù)據(jù)、兩種信號(hào)有四種類型的編碼組合:即數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)分別編碼成數(shù)字信號(hào)或模擬信號(hào)模擬數(shù)據(jù)分別編碼成模擬信號(hào)或數(shù)字信號(hào)

3.1.2通信的基本要求通信的雙方完成一次通信需要滿足三個(gè)基本要求：一是雙方有通信的愿望二是通信的雙方之間有信息傳遞的信道，也即是說通信要經(jīng)過傳輸介質(zhì)以及有關(guān)的傳輸設(shè)備三是通信雙方要遵循通信的規(guī)則和約定，即通信雙方按照通信協(xié)議傳輸信息，并能理解這些通信協(xié)議

信道信道與電路并不等同，信道表示信號(hào)的通路，一般是用來表示向某一個(gè)方向傳輸信息的媒體一條通信電路往往包含一條發(fā)送信道和一條接收信道信道與傳輸介質(zhì)也是有區(qū)別的傳輸介質(zhì)是指用于連接兩個(gè)或多個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的物理傳輸線路

通信信道建立在傳輸介質(zhì)之上包括傳輸介質(zhì)和通信設(shè)備按信道中傳輸?shù)氖悄M信號(hào)還是數(shù)字信號(hào)，把信道分為模擬信道和數(shù)字信道。

3.1.6基帶傳輸和頻帶傳輸把基本頻率分量對(duì)應(yīng)的矩形脈沖信號(hào)稱為基本頻帶，簡(jiǎn)稱為基帶，對(duì)應(yīng)的矩形脈沖信號(hào)稱為基帶信號(hào)(即基本頻帶信號(hào)baseband)。像計(jì)算機(jī)輸出的代表各種文字或圖像文件的數(shù)據(jù)信號(hào)都屬于基帶信號(hào)。基帶傳輸就是在數(shù)字信道上直接傳送基帶信號(hào)頻帶傳輸是利用模擬信道傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)，例如把計(jì)算機(jī)設(shè)備輸出的信號(hào)進(jìn)行調(diào)制以后再放在傳輸介質(zhì)上傳輸。頻帶傳輸有時(shí)也稱為寬帶傳輸頻帶傳輸?shù)哪康氖?，把基帶信?hào)經(jīng)過載波調(diào)制后，將信號(hào)的頻率范圍搬移到較高的頻段以便在信道中傳輸。信道的帶寬帶寬(broadwidth)與信道可以允許通過的信號(hào)的最高頻率與最低頻率有關(guān)，一個(gè)信道允許的信號(hào)的最大頻率和最低頻率的差值，稱為該信道的帶寬。3.1.3數(shù)據(jù)通信傳輸系統(tǒng)模型一個(gè)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)由源系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)、目的系統(tǒng)三部分組成

調(diào)制解調(diào)器主機(jī)A公用電話網(wǎng)調(diào)制解調(diào)器數(shù)字比特流數(shù)字比特流模擬信號(hào)模擬信號(hào)輸入漢字輸出漢字主機(jī)B3.1.4計(jì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中的的速率計(jì)算機(jī)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中信信號(hào)的速速率涉及及三種：：傳播速率率；調(diào)制制速率；；數(shù)據(jù)傳傳輸率信號(hào)的傳傳播速率率是常量量傳播速率率，是一一個(gè)常量量，與光光速聯(lián)系系調(diào)制速率率也稱為為碼元速速率、波波形速率率或信號(hào)號(hào)速率指的是每每秒種發(fā)發(fā)送信號(hào)號(hào)的數(shù)目目，單位位為波特特(baud)數(shù)據(jù)傳輸輸率為每每秒種發(fā)發(fā)送的二二進(jìn)制位位數(shù)，單單位為bps，讀作每每秒位。。調(diào)制速率率與數(shù)據(jù)據(jù)傳輸率率之間的的關(guān)系調(diào)制速率率與數(shù)據(jù)據(jù)傳輸率率之間的的關(guān)系為為：C=Blog2L(bps)其中：C為數(shù)據(jù)傳傳輸率；；B為調(diào)制速速率；L為一個(gè)信信號(hào)可能能取值的的個(gè)數(shù)每個(gè)信號(hào)號(hào)有4種種電平（（狀態(tài)））的情況況信號(hào)可能能的取值值個(gè)數(shù)L=4，，則調(diào)制制速率B與數(shù)據(jù)據(jù)率C之之間的關(guān)關(guān)系為：：C=2B3.1.4信道的最最大容量量任何實(shí)際際的信道道都不是是理想的的，在傳傳輸信號(hào)號(hào)時(shí)會(huì)產(chǎn)產(chǎn)生各種種失真以以及帶來來多種干干擾。碼元傳輸輸?shù)乃俾事试礁?，，或信?hào)號(hào)傳輸?shù)牡木嚯x越越遠(yuǎn)，在在信道的的輸出端端的波形形的失真真就越嚴(yán)嚴(yán)重。數(shù)字信號(hào)號(hào)通過實(shí)實(shí)際的信信道有失真，，但可識(shí)識(shí)別失真大，，無法識(shí)識(shí)別實(shí)際的信信道（帶寬受受限、有有噪聲、、干擾和和失真））發(fā)送信號(hào)號(hào)波形接收信號(hào)號(hào)波形發(fā)送信號(hào)波形實(shí)際的信道（帶寬受限、有噪聲、干擾和失真）接收信號(hào)波形信道傳輸輸數(shù)據(jù)的的能力是是受到限限制的，，信道的的最大容容量與信信道的帶帶寬有關(guān)關(guān)。在任何信信道中，，碼元傳傳輸?shù)乃偎俾适怯杏猩舷薜牡模駝t則就會(huì)出出現(xiàn)碼間串?dāng)_擾的問題，，使接收收端對(duì)碼碼元的判判決（即即識(shí)別））成為不不可能。。如果信道道的頻帶帶越寬，，也就是是能夠通通過的信信號(hào)高頻頻分量越越多，那那么就可可以用更更高的速速率傳送送碼元而而不出現(xiàn)現(xiàn)碼間串串?dāng)_。1924年年，，奈奈奎奎斯斯特特(Nyquist)就就推推導(dǎo)導(dǎo)出出了了著著名名的的奈氏氏準(zhǔn)準(zhǔn)則則。他他給給出出了了在在假假定定的的理理想想條條件件下下，，為為了了避避免免碼碼間間串串?dāng)_擾，，碼碼元元的的傳傳輸輸速速率率的的上上限限值值。。理想想低低通通信信道道的的最最高高碼碼元元傳傳輸輸速速率率=2HBaudH是理理想想低通通信信道道的帶帶寬寬，，單單位位為為赫赫(Hz)奈氏氏(Nyquist)準(zhǔn)準(zhǔn)則則不能通過能通過0頻率(Hz)H(Hz)將調(diào)調(diào)制制速速率率與與數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)率率的的關(guān)關(guān)系系帶帶入入，，可可得得奈奈奎奎斯斯特特定定理理的的公公式式為為（（理理想想信信道道））：：C=2Hlog2L(bps)例：：假定定一一條條線線路路每每秒秒采采樣樣16次次，，傳傳輸輸信信號(hào)號(hào)共共有有16種種狀狀態(tài)態(tài)，，則則傳傳輸輸速速率率是是A、、16bit/sB、、48bit/sC、、64bit/sD、、256bit/s練習(xí)習(xí)一個(gè)個(gè)帶帶寬寬為為3k的的理理想想低低通通信信道道，，其其最最高高碼碼元元傳傳輸輸速速率率是是多多少少？？若若一一個(gè)個(gè)碼碼元元能能攜攜帶帶3bit信信息息，，則則其其最最高高傳傳輸輸率率是是多多少少？？設(shè)信信號(hào)號(hào)的的脈脈沖沖周周期期為為0.002s，，脈脈沖沖信信號(hào)號(hào)有有效效值值狀狀態(tài)態(tài)個(gè)個(gè)數(shù)數(shù)為為8，，問問如果果用用二二進(jìn)進(jìn)制制代代碼碼表表示示上上述述信信號(hào)號(hào)，，一一個(gè)個(gè)脈脈沖沖信信號(hào)號(hào)需需要要用用幾幾位位二二進(jìn)進(jìn)制制代代碼碼表表示示用二二進(jìn)進(jìn)制制代代碼碼表表示示上上述述信信號(hào)號(hào)，，其其數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)率率是是多多少少？？信噪噪比比噪聲聲存存在在于于所所有有的的電電子子設(shè)設(shè)備備中中，，它它可可以以影影響響接接收收端端對(duì)對(duì)碼碼元元的的判判決決。。如如果果信信號(hào)號(hào)較較強(qiáng)強(qiáng)則則噪噪聲聲的的影影響響就就相相對(duì)對(duì)較較小小。。信噪噪比比就就是是信信號(hào)號(hào)的的平平均均功功率率與與噪噪聲聲的的平平均均功功率率之之比比，，記記為為S/N。。S為信信道道內(nèi)內(nèi)所所傳傳信信號(hào)號(hào)的的平平均均功功率率；；N為信信道道內(nèi)內(nèi)部部的的高高斯斯噪噪聲聲功功率率。。信噪噪比比的的度度量量單單位位是是分分貝貝（（dB）），，其其定定義義為為：：信噪噪比比（（dB））=10log10(S/N)（（dB））例如如，，S/N=1000時(shí)時(shí)，，信信噪噪比比為為30dB。。香農(nóng)農(nóng)定定理理香農(nóng)農(nóng)(Shannon)用用信信息息論論的的理理論論推推導(dǎo)導(dǎo)出出了了帶帶寬寬受受限限且且有有高高斯斯白白噪噪聲聲干干擾擾的的信信道道的的極限限、、無無差差錯(cuò)錯(cuò)的的信息息傳傳輸輸速速率率。。信道道的的極極限限信信息息傳傳輸輸速速率率C可表表達(dá)達(dá)為為C=Hlog2(1+S/N)b/sH為信信道道的的帶帶寬寬（（以以Hz為為單單位位））；；香農(nóng)農(nóng)公公式式表表明明信道道的的帶帶寬寬或或信信道道中中的的信信噪噪比比越越大大，，則則信信息息的的極極限限傳傳輸輸速速率率就就越越高高。。只要要信信息息傳傳輸輸速速率率低低于于信信道道的的極極限限信信息息傳傳輸輸速速率率，，就就一一定定可可以以找找到到某某種種辦辦法法來來實(shí)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)無無差差錯(cuò)錯(cuò)的的傳傳輸輸。。若信信道道帶帶寬寬W或信信噪噪比比S/N沒有有上上限限（（當(dāng)當(dāng)然然實(shí)實(shí)際際信信道道不不可可能能是是這這樣樣的的）），，則則信信道道的的極極限限信信息息傳傳輸輸速速率率C也就就沒沒有有上上限限。。實(shí)際際信信道道上上能能夠夠達(dá)達(dá)到到的的信信息息傳傳輸輸速速率率要要比比香香農(nóng)農(nóng)的的極極限限傳傳輸輸速速率率低低不不少少。。問題題對(duì)于于頻頻帶帶寬寬度度已已確確定定的的信信道道，，如如果果信信噪噪比比不不能能再再提提高高了了，，并并且且碼碼元元傳傳輸輸速速率率也也達(dá)達(dá)到到了了上上限限值值（（但但數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)率率未未達(dá)達(dá)到到香香農(nóng)農(nóng)公公式式得得到到的的上上限限）），，那那么么還還有有辦辦法法提提高高信信息息的的傳傳輸輸速速率率嗎嗎？？答案案：：用用編編碼碼的的方方法法讓讓每每一一個(gè)個(gè)碼碼元元攜攜帶帶更更多多比比特特的的信信息息量量。。也就就是是增增加加碼碼元元的的狀狀態(tài)態(tài)數(shù)數(shù)。。例：：一個(gè)個(gè)帶帶寬寬為為的的3kHz信信道道，，其其信信噪噪比比為為20dB，，則則可可以以獲獲得得的的最最大大數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)率率是是（（））A、、6kbit/sB、、6.66kbit/sC、、19.8kbit/sD、、20kbit/s3.1.7通信信雙雙方方信信息息交交互互的的方方式式依據(jù)據(jù)通通信信的的方方向向討討論論，，通通信信雙雙方方信信息息交交互互的的方方式式有有三三種種基基本本方方式式單向向通通信信，，只只能能有有一一個(gè)個(gè)方方向向上上的的通通信信，，即即A只能能傳傳給給B雙向向交交替替通通信信，，通通信信的的雙雙方方都都可可以以發(fā)發(fā)送送信信息息，，但但不不能能同同時(shí)時(shí)發(fā)發(fā)送送，，在在某某一一個(gè)個(gè)時(shí)時(shí)刻刻僅僅存存在在一一個(gè)個(gè)方方向向上上的的通通信信雙向向同同時(shí)時(shí)通通信信，，通通信信的的雙雙方方可可以以同同時(shí)時(shí)發(fā)發(fā)送送和和接接收收信信息息這里需要指指明的是上述三個(gè)基基本方式是是規(guī)范的術(shù)術(shù)語，分別別對(duì)應(yīng)以前前的單工、、半雙工、、全雙工3.1.8異步傳輸和和同步傳輸輸在計(jì)算機(jī)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)和通信信網(wǎng)絡(luò)中都都是采用串串行傳輸，這是由于于遠(yuǎn)距離傳傳輸要考慮慮到技術(shù)實(shí)實(shí)現(xiàn)上的要要求和傳輸輸線路的費(fèi)費(fèi)用串行傳輸在在具體應(yīng)用用中，又分分為異步和和同步傳輸輸異步和同步步傳輸都要要考慮收發(fā)發(fā)雙方的同同