第2章數(shù)據(jù)通信技術(shù)基礎(chǔ)1本章學(xué)習(xí)要求：掌握：物理層與物理層協(xié)議的基本概念掌握：數(shù)據(jù)通信的基本概念掌握：數(shù)據(jù)通信技術(shù)理解：數(shù)據(jù)的通信方式掌握：數(shù)據(jù)編碼的類型和基本方法掌握：多路復(fù)用的分類與特點(diǎn)掌握：數(shù)據(jù)交換技術(shù)理解：同步數(shù)字體系SDH的基本概念23.2數(shù)據(jù)通信的基本概念

3.2.1信息、數(shù)據(jù)與信號(hào)

在研究網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的信息交換過程時(shí)，首先要了解信息、數(shù)據(jù)與信號(hào)這三個(gè)最基本和最常用的術(shù)語之間的聯(lián)系與區(qū)別。

通信的目的是交換信息，為了傳送這些信息，首先要將信息的表征形式（字母、數(shù)字、語音、圖形或圖像）用二進(jìn)制代碼的數(shù)據(jù)來表示；為了傳輸二進(jìn)制代碼的數(shù)據(jù)，必須將它們用模擬或數(shù)字信號(hào)編碼的方式表示。

數(shù)據(jù)通信是指在不同計(jì)算機(jī)之間傳送表示字母、數(shù)字、符號(hào)的二進(jìn)制代碼0、1比特序列的模擬或數(shù)字信號(hào)的過程。

31.數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)[Data：傳遞(攜帶)信息的實(shí)體]

數(shù)據(jù)（data）是對(duì)客觀事物的符號(hào)表示，是用于表示客觀事物的未經(jīng)加工的原始素材，如圖形符號(hào)、數(shù)字、字母等。數(shù)據(jù)可分為模擬數(shù)據(jù)和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)兩類。模擬數(shù)據(jù)指在某個(gè)區(qū)間連續(xù)變化的物理量，例如聲音的大小和溫度的變化等。數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)指離散的不連續(xù)的量，例如文本信息，字符串（不容易被處理和傳輸）ASCII碼：64~90十進(jìn)制數(shù)表示A~Z，41~5A十六進(jìn)制數(shù)表示A~Z；在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)通常被理解為二進(jìn)制數(shù)字編碼。42.信息的基本概念信息[Information：是數(shù)據(jù)的內(nèi)容或解釋]信息是人腦對(duì)客觀物質(zhì)的反映。既可以是對(duì)物質(zhì)的形態(tài)、大小、結(jié)構(gòu)、性能等部分或全部特性的描述，也可以是物質(zhì)與外部的聯(lián)系；信息有各種存在形式。

信息的載體可以是數(shù)字、文字、語音、圖形或圖像，計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的信息一般是字母、數(shù)字、語音、圖形或圖像的組合；信息量53.信號(hào)的概念

信號(hào)[Signal：數(shù)據(jù)的物理量編碼，數(shù)據(jù)是以信號(hào)的形式傳播的]數(shù)據(jù)通信中的“信號(hào)”是指數(shù)據(jù)的電磁編碼或電編碼，信號(hào)是數(shù)據(jù)在傳輸過程中電信號(hào)的表現(xiàn)形式。信號(hào)可分為模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)兩種；模擬信號(hào)（analogsignal）是隨時(shí)間連續(xù)變化的電流、電壓或電磁波。數(shù)字信號(hào)（digitalsignal）是一系列離散的電脈沖、光脈沖等。數(shù)字信號(hào)是用兩種不同的電平去表示0、1比特序列的電壓脈沖信號(hào)表示；按照在傳輸介質(zhì)上傳輸?shù)男盘?hào)類型，通信系統(tǒng)分為模擬通信系統(tǒng)與數(shù)字通信系統(tǒng)兩種。

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模擬信號(hào)波型數(shù)字信號(hào)波型注意：數(shù)據(jù)必須轉(zhuǎn)換成信號(hào)，才能在傳輸介質(zhì)上傳輸。7模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)可以混合應(yīng)用，使用模/數(shù)轉(zhuǎn)換裝置可以將模擬信號(hào)變換成數(shù)字信號(hào),數(shù)字信號(hào)也可相互轉(zhuǎn)化為模擬信號(hào)。模擬數(shù)據(jù)在模擬信道上傳輸，數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)在模擬信道上傳輸如圖2-2所示。圖2-2數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)在模擬信道上傳輸84.信道信道(informationchannels)是信號(hào)在通信系統(tǒng)中傳輸?shù)耐ǖ?，是信?hào)從發(fā)射端傳輸?shù)浇邮斩怂?jīng)過的傳輸介質(zhì)。一條傳輸媒介上可以有多條信道（多路復(fù)用），如圖2-3所示。傳輸媒介信道圖2-3多條信道9物理信道的分類方法⑴按傳輸介質(zhì)的不同可分為:◆有線信道

◆無線信道⑵按傳輸信號(hào)的不同可分為:◆數(shù)字信道◆模擬信道10數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的模型數(shù)據(jù)通信：把數(shù)據(jù)以信號(hào)的形式從一處(源發(fā)出端)傳送到另一處(接收端)，并在接收端還原成原來的數(shù)據(jù)。信源:通信過程中產(chǎn)生和發(fā)送信息的設(shè)備或計(jì)算機(jī)。信宿:通信過程中接收和處理信息的設(shè)備或計(jì)算機(jī)。信道:是信源和信宿之間的通信線路,由傳輸介質(zhì)及相應(yīng)的附屬設(shè)備組成。119.碼元和碼字在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中傳送的每一位二進(jìn)制數(shù)被稱為“碼元”或“碼位”，由7個(gè)碼元組成的二進(jìn)制序列被稱為“碼字”例如：二進(jìn)數(shù)“1000001”就是一個(gè)碼字，在7位的ASII的數(shù)據(jù)通信中，這個(gè)碼字就代表ASII碼“A”碼元：一個(gè)數(shù)字脈沖稱為一個(gè)碼元。碼元攜帶的信息量由碼元取的離散值個(gè)數(shù)決定。12碼元與比特的比較13圖2-4數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)組成2.1.2數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)1.數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)組成14圖2-6數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的模型2.數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的模型15

2.1.3．?dāng)?shù)據(jù)通信中的主要技術(shù)指標(biāo)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)主要從數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量和數(shù)量來體現(xiàn)。質(zhì)量指信息傳輸?shù)目煽啃裕话阌谜`碼率來衡量。而數(shù)量指標(biāo)包括兩方面：一是信道的傳輸能力，用信道容量來衡量；另一方面指信道上傳輸信息的速度，相應(yīng)的指標(biāo)是數(shù)據(jù)傳輸速率。161.數(shù)據(jù)傳輸速率數(shù)據(jù)傳輸率是指單位時(shí)間內(nèi)傳輸?shù)男畔⒘?⑴比特率比特率又稱為信息速率，反映一個(gè)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)每秒所傳輸?shù)亩M(jìn)制位數(shù)，單位是每秒比特(位/秒)，以b/s或bps表示。17數(shù)據(jù)傳輸速率的計(jì)算公式如下:S=1/Tlog2N（b/s）（2-1）式中:T為一個(gè)數(shù)字脈沖信號(hào)的寬度（全寬碼）或重復(fù)周期（歸零碼），單位為秒；N為一個(gè)碼元所取的離散值個(gè)數(shù)。18⑵波特率波特率指數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中，線路上每秒傳送的波形個(gè)數(shù)。波特率又稱為波形速率或碼元速率，單位為波特，記作Baud。若每個(gè)碼元所含的信息量為1比特，則波特率等于比特率。計(jì)算公式：B=1/T（Baud）（2-2）式中:T為信號(hào)碼元的寬度，單位為秒。19在計(jì)算機(jī)通信中，常將“比特率”稱為“波特率”，即：1波特（B）=1比特（bit）=1位/秒（b/s）例2-1：電傳打字機(jī)最快傳輸率為每秒10個(gè)字符/秒，每個(gè)字符包含11個(gè)二進(jìn)制位，則數(shù)據(jù)傳輸率為：11位/字符×10個(gè)字符/秒=110位/秒=110波特（Baud）。20兩者關(guān)系S=Blog2N(其中，M為采用的進(jìn)制數(shù),也是碼元的編碼級(jí)數(shù)。M=2，即二進(jìn)制時(shí)，波特率=比特率)一個(gè)信號(hào)往往可以攜帶多個(gè)二進(jìn)制位，所以在固定的信息傳輸速率下，比特率往往大于波特率。換句話說，一個(gè)碼元中可以傳送多個(gè)比特。212.信道帶寬信道帶寬（Bandwidth簡(jiǎn)稱帶寬）又叫頻寬是指信道所能傳送的信號(hào)的頻率寬度，也就是可傳送信號(hào)的最高頻率與最低頻率之差。單位：赫茲。22

⑴“帶寬”（bandwidth）有以下兩種不同的意義：◆指信號(hào)的帶寬。信號(hào)的帶寬是指該信號(hào)所包含的各種不同頻率成分所占據(jù)的頻率范圍。

◆在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中，帶寬用來表示網(wǎng)絡(luò)的通信線路所能傳送數(shù)據(jù)的能力，因此網(wǎng)絡(luò)帶寬表示在單位時(shí)間內(nèi)從網(wǎng)絡(luò)中的某一點(diǎn)到另一點(diǎn)所能通過的“最高數(shù)據(jù)率”。23⑵常用的數(shù)據(jù)傳輸速率單位：千比每秒，即kb/s（103

b/s）兆比每秒，即Mb/s（106

b/s）吉比每秒，即Gb/s（109

b/s）太比每秒，即Tb/s（1012b/s）請(qǐng)注意：在計(jì)算機(jī)界，K=210=1024，M=220,G=230,T=240。243.信道容量信道容量是衡量一個(gè)信道傳輸數(shù)字信號(hào)的重要參數(shù)，信道容量是指單位時(shí)間內(nèi)信道上所能傳輸數(shù)據(jù)的最大容量，單位是b/s(bps)。

25◆奈奎斯特定理早在1924年，奈奎斯特（Nyquist）推導(dǎo)出無噪聲有限帶寬信道的最大數(shù)據(jù)傳輸率公式，該公式指出了如果是離散的信道容量，則無噪聲下的碼元速率極限值B與信道帶寬W的關(guān)系為：B=2W（Baud）；無噪信道傳輸能力公式為：

C=2Wlog2N（b/s）（2-4）式中的：C為理想低通信道下的極限數(shù)據(jù)率。W為信道的帶寬，即信道傳輸上、下限頻率的差值，單位為Hz。N為一個(gè)碼元所取的離散值個(gè)數(shù)。26例2-2:若某信道帶寬為4kHz，任何時(shí)刻數(shù)字信號(hào)可取0、1、2、3四種電平之一，則最大數(shù)據(jù)速率為：

C=2×4×log24=16kb/s274.誤碼率誤碼率（BER：biterror）：二進(jìn)制數(shù)據(jù)位傳輸時(shí)出錯(cuò)的概率。誤碼率計(jì)算公式為：

Pe=Ne/N（2-5）式中的Ne為其中出錯(cuò)的碼元數(shù)(二進(jìn)制時(shí)等同于比特?cái)?shù))，N為傳輸?shù)臄?shù)據(jù)總碼元數(shù)(二進(jìn)制時(shí)等同于比特?cái)?shù)比特?cái)?shù))。28◆香農(nóng)定理1948年，香農(nóng)（C.Shannon）把奈奎斯特的工作擴(kuò)大到信道受到隨機(jī)（熱）噪聲干擾的情況,如圖2-7所示。

29圖2-7數(shù)字信號(hào)通過實(shí)際的信道30可以嚴(yán)格地證明；在被高斯白噪聲干擾的信道中，傳送的最大信息速率C由下述公式確定：C=W*log2(1+S/N)（2-6）公式中的W是信道帶寬（赫），S是信號(hào)功率（瓦），N是噪聲功率（瓦）。312.2數(shù)據(jù)通信技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)中兩臺(tái)計(jì)算機(jī)通信的過程

32網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中要解決的幾個(gè)基本問題：數(shù)據(jù)傳輸類型模擬通信數(shù)字通信

信道的通信方式單工通信半雙工全雙工通信數(shù)據(jù)傳輸方式串行通信并行通信同步方式同步通信異步通信33信道的通信方式：?jiǎn)喂?、半雙工與全雙工通信

按照信號(hào)傳送方向與時(shí)間的關(guān)系，數(shù)據(jù)通信分為3種：?jiǎn)喂ねㄐ拧腚p工通信、全雙工通信。34信道通信方式的特征單工通信半雙工通信全雙工通信發(fā)收發(fā)收半雙工通信發(fā)收發(fā)收全雙工通信發(fā)送站接收站信息流向單工通信35數(shù)據(jù)傳輸方式：串行通信與并行通信

36串行通信特征串行通信把每個(gè)二進(jìn)制位按順序排列成串，形成比特流，8個(gè)比特逐位順序在一條信道上傳送。計(jì)算機(jī)進(jìn)行串行通信時(shí)，需要完成串/并轉(zhuǎn)換。串行口，9針，是采用串行通信協(xié)議的擴(kuò)展接口。數(shù)據(jù)傳輸率是115kbps～230kbps。表示：COM1、COM2等，通常用來連接外置Modem和鼠標(biāo)。同步控制發(fā)送端接收端b0b1b2b3b4b5b6b7串行信道發(fā)送時(shí)鐘接收時(shí)鐘串行通信37并行通信特征并行通信多個(gè)比特以成組的方式在多個(gè)并行的信道上同時(shí)傳輸

,并行傳輸中,一次傳輸8個(gè)比特。速度快,但需要多個(gè)信道,適用于近距離和高速率。并行接口，是采用并行通信協(xié)議的擴(kuò)展接口，簡(jiǎn)稱并行口、并口，25針，并口的數(shù)據(jù)傳輸率比串口快8倍，標(biāo)準(zhǔn)并口的數(shù)據(jù)傳輸率為1Mbps。表示：LPT1、LPT2，一般用來連接打印機(jī)、掃描儀等。道信行并b0b7b6b5b4b3b2b1b0b7b6b5b4b3b2b1并行通信發(fā)送端接收端38同步技術(shù)同步是指要求通信的收發(fā)雙方在時(shí)間基準(zhǔn)上保持一致。實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐郊夹g(shù)有以下兩種：異步傳輸：又稱起止式傳輸。即指發(fā)送者和接收者之間不需要合作。同步傳輸：使接收