1、1,數據通信基礎,哈金專 計算機系,數據通信基礎,2,本章要求: 1.掌握數據通信的基本概念和通信系統(tǒng)的基本組成。 2. 了解數據通信的工作過程及應用。 3.了解數據通信中的編碼技術、調制解調技術、多路復用技術和同步技術的工作原理及應用。,3,4.了解數據通信的主要技術指標和通信方式。 5.了解數據交換的工作過程、工作原理與 應用。 6.了解差錯及差錯控制的概念、差錯控制方法、信道編碼及其應用。 7.了解常用的網絡傳輸介質類型、特點與應用。,4,數據通信的基本概念,1. 數據、信息和信號 2. 數據通信系統(tǒng)模型 3. 數據通信、數字通信和模擬通信 4. 數據通信的主要技術指標 5. 數據通信方

2、式 6. 數據通信過程,5,1. 數據、信息和信號,數據：由數字、字符和符號等組成，是信息的載體。它沒有實際含義，總是和一定的形式相聯系。 信息：是數據的具體內涵和解釋，有具體含義。信息是數據經過加工處理(說明或解釋)后得到的，即信息是按一定要求以一定格式組織起來的、具有一定意義的數據。,6,嚴格地講，數據和信息是有區(qū)別的。數據是獨立的，是尚未組織起來的事實的集合；而信息是按一定要求以一定格式組織起來的、具有一定意義的數據。數據是信息的表示形式，信息是數據形式的內涵。,7,廣義的數據：由于現在信息的多媒體化，數據的含義也廣義化了，即數據不僅包括離散變化的數據，也包括連續(xù)變化的數據。 因此,數據

3、可分為模擬數據和數字數據兩種。前者取連續(xù)值，如表示聲音、圖像、電壓、電流等的數據；后者取離散值，如自然數、字符文本的取值等。,8,信號：數據的具體物理表示，具有確定的物理描述，如電壓、磁場強度等。在電路中，信號就具體表示數據的電磁編碼。在數據通信系統(tǒng)中，要進行數據傳輸，總是要借助于一定的物理信號來完成，如電信號或光信號。 電磁信號一般有模擬信號和數字信號兩種形式。,9,模擬信號：隨時間連續(xù)變化的信號。 數字信號：隨時間離散變化的信號，它可以用有限個數位來表示連續(xù)變化的物理量。 模擬數據或數字數據都可以通過編碼形成兩種信號(模擬信號和數字信號)中的任何一種信號。,10,2. 數據通信系統(tǒng),通信系

4、統(tǒng)組成三要素：信源、信宿和信道,簡單的數據通信系統(tǒng)模型,11,信源: 信源就是信息的發(fā)送端，是發(fā)出待傳送信息的人或設備 信宿: 信宿就是信息的接收端，是接收所傳送信息的人或設備 大部分信源和信宿設備都是計算機或其他數據終端設備,12,信道- -傳輸信息的通道。它是由通信線路為基礎的、能夠傳輸數據的通道。 有線信道：由有線傳輸介質構成的信道 無線信道：由無線傳輸介質構成的信道 數字信道：可直接傳輸二進制信號或經過編碼的二進制數據的信道 模擬信道：可傳輸連續(xù)變化的信號或二進制數據經過調制后得到的模擬信號的信道,13,信號變換器：作用是將信源發(fā)出的信息變換成適合在信道上可靠傳輸的信號。對應不同的信源

5、和信道,信號變換器有不同的組成和變換功能。發(fā)送端的信號變換器可以是編碼器或調制器，接收端的信號變換器相對應的就是譯碼器或解調器。,14,編碼器：把輸入的信號作相應的變換，以便于在信道中傳輸或在接收端正確識別信號。 調制器：把信源或編碼器輸出的二進制脈沖信號變換成模擬信號，以便在模擬信道上進行遠距離傳輸。 譯碼器和解調器分別相應地做編碼器和調制器的逆向工作。,15,數據通信中有兩類編碼：信源編碼和信道編碼。 信源編碼：目的是將來自信源的信號作相應的編碼變換后，便于在信到上傳輸。 信道編碼：目的是將要傳輸到信道上的信號編碼變換后降低誤碼率，提高傳輸質量。,16,噪聲源：一個通信系統(tǒng)客觀上是不可避免

6、地存在著噪聲干擾的，而這些干擾分布在數據傳輸過程的各個部分。為分析或研究問題方便，通常把它們等效為一個作用于信道上的噪聲源。,17,3.數據通信、數字通信與模擬通信,數據通信：指信源和信宿之間傳送數據的通信形式。 數據通信就是利用通信系統(tǒng)對各種數據信號進行變換、處理和傳輸的過程。因此，計算機與計算機、計算機與終端之間的通信及計算機網絡中的通信主要是數據通信。,18,數字通信：信道中傳送數字信號的通信形式 模擬通信：信道中傳輸模擬信號的通信形式 兩種通信強調的是信道中傳輸的信號形式，也即強調的是信道的形式。前者是數字信道，后者是模擬信道。至于信源發(fā)出和信宿接收的信號可以是數字信號、模擬信號或其他

7、形式的信號。,19,由此可見，數字通信和數據通信是兩個不同的概念。前者強調的是信道的形式或信道中傳輸的信號的形式，而后者強調的是信源與信宿之間傳輸的信息形式。 數字信號并非一定要用數字通信系統(tǒng)來傳輸，數字信號經D/A轉換后，即可在模擬通信系統(tǒng)傳輸。,20,21,數字通信系統(tǒng)比模擬通信系統(tǒng)有突出的特點: 1.便于差錯控制：由編碼/譯碼器進行信道編碼； 2.便于保密通信：對基帶信號進行加密，接收端解密，用于保密通信； 3.便于同步：數字信號按節(jié)拍傳輸，容易做到時鐘同步；,22,4.便于信號再生重傳：遠距離傳輸時，中繼器可將數字信號再生恢復成“0”和“1”標準電平后，繼續(xù)重傳； 5.增強抗干擾能力：

8、離散的數字信號容易使小的噪聲和干擾信號不起作用，有效地抑制干擾信號，增強抗干擾能力。 但數字通信的這些優(yōu)點都是以犧牲帶寬為 代價換取的。,23,4.數據通信的主要技術指標,數據通信的主要技術指標有數據傳輸速率、傳輸延遲、信道帶寬、信道容量、數據傳輸的誤碼率等，這些指標是衡量數據傳輸的有效性和可靠性的參數。 有效性主要由數據傳輸速率、傳輸延遲、信道帶寬和信道容量等指標來衡量。 可靠性一般用數據傳輸的誤碼率指標來衡量。,24,(1) 數據傳輸速率,數據傳輸速率是指單位時間內傳輸信息量的多少。它是衡量數據傳輸有效性的主要指標。 數據傳輸速率通常用波特率和比特率來表示。,25,波特率: 是指單位時間內

9、傳輸碼元的個數，單位為波特(Baud)。每個碼元表示一個波形或一個電平。波特率又叫調制速率、碼元速率。調制速率是指信號經過調制后的傳輸速率，表示調制后信號每秒鐘變化的次數。若用T(秒)表示調制周期，則波特率為： Rs1/T (Baud) 可見，1 波特表示每秒鐘傳送一個碼元,26,比特率：指單位時間內傳輸二進制碼的位數(記為b/s或bps)，也叫信息速率。 比特率公式： Rb(1/T)log2N (bps) 式中T為傳輸的脈沖信號周期，N為脈沖信號所有可能的狀態(tài)數，Rb為比特率。,27,當信號的狀態(tài)數N2時，則每個電信號脈沖只傳送1位二進制數據，此時比特率與波特率相同，為： Rb1/T (bp

10、s) 由以上分析知，比特率和波特率的關系為： Rb Rslog2N (bps) 在數值上“比特”單位等于“波特”的log2N倍。,28,例1在傳輸語音或圖象信息的64Kbps 的數字信道上，若傳真機將每英寸數字化為300個像素，每個像素用4比特表示，問該信道以傳真方式傳輸一幅810英寸的圖像需要多少時間？ t=8 10 300 4/64k,29,誤碼率：二進制碼在傳輸過程中出現錯誤的概率。它是衡量通信系統(tǒng)在正常情況下傳輸可靠性的指標。 誤碼率計算公式為： Pe Ne/N 式中Ne表示被傳錯的碼元數，N表示傳輸的二進制總碼元數，Pe為誤碼率，即錯誤接收的碼元數在所傳輸的總碼元數中所占的比例。,3

11、0,傳輸延遲：是指由于各種原因的影響，而使系統(tǒng)信息在傳輸過程中存在著不同程度的延誤或滯后的現象。 信息的傳輸延遲時間包括發(fā)送和接收處理時間、電信號響應時間、中間轉發(fā)時間和信道傳輸時間等。,31,傳輸時延：發(fā)送一組信息所用的時間，該時間與信息傳輸速率和信息格式有關。 傳播時延：信號在物理媒體中傳輸一定距離所用的時間，它與信號傳播速度和距離有關。(電磁波在光纖、微波信道中的傳播速度為每秒300,000km，而在一般電纜中的速度約為光速的2/3),32,例2在相隔1000km的兩地間傳輸3kbits的數據，可以通過電纜以20kbps的速率傳輸或通過衛(wèi)星信道以60kbps的速率傳輸，問用那種方式從發(fā)送

12、方開始發(fā)送到接收方接收完全部數據的時間最短? (假定信息在電纜中傳輸速度是200,000km/s，而在衛(wèi)星信道中的傳輸速度是300,000km/s),33,傳輸時延：電纜 3/20=150ms 衛(wèi)星 3/60=50ms 傳播時延：電纜 1000/(2105)=5ms 衛(wèi)星 360002/(3105)=240ms 使用電纜的總時延：150+5=155ms 使用衛(wèi)星的總時延：50+240=290ms,34,(2) 信道帶寬和信道容量, 信道帶寬是指通信系統(tǒng)傳輸信息的信道的最大頻率范圍。 信道容量是指單位時間內信道所能傳輸的最大信息量，它表征信道的傳輸能力。 信道容量有時也表示為單位時間內最多可傳輸

13、的二進制數的位數(b/s),35,一般情況下，信道帶寬越寬，則信道容量就越大，單位時間內信道上傳輸的信息量就越多，傳輸效率也就越高。信號傳輸速率受信道帶寬的限制。 以下兩個定理，分別從不同角度描述了這種限制：,36, 奈奎斯特準則 在理想信道情況下，信道的容量為： C2 F log2N 式中F為信道帶寬，N為信號的狀態(tài)個數，C為信道容量(最大傳輸速率)，即每秒所能傳輸的最大比特數為： C2 F log2N (bps),37, 香農定理： 在隨機噪聲(高斯白噪聲)干擾的信道中傳輸數字信號，信道容量為： CF log2(1S/N) 香農定理描述了在有限帶寬、隨機噪聲分布的信道中，最大的數據傳輸速率

14、與信道帶寬的關系。,38,奈奎斯特定理和香農定理給出的是信道容量，即信道的最大傳輸速率的極限值，實際上很難達到該值。 例3電視信道帶寬為6MHZ，理想情況下，如果數字信號取4種離散值，那么可獲得的最大傳輸速率是多少？ C= 26Mlog24=24Mbps,39,例4帶寬為4KHZ，如果有8種不同的物理狀態(tài)表示數據，信噪比為30dB。那么按奈氏準則和香農定理計算，分別計算其最大限制的數據傳輸速率。 C2 F log2N=24Klog28=24Kbps 分貝（dB）的計算是：10lgS/N 即 本題為：10lgS/N=30 則：S/N=103 CF log2(1S/N)= 4 log21001=4

15、0Kbps,40,(1)單工通信、半雙工通信和全雙工通信 數據在通信線路上傳輸是有方向的。根據數據在線路上的傳輸方向和特點，有單工通信、半雙工通信和全雙工通信三種通信方式。,5. 數據通信方式,41,單工通信：在通信線路上，數據只可按一個固定的方向傳送而不能進行相反方向傳送的通信方式。例如廣播、遙控通信。 半雙工通信：數據可以雙向傳輸，但不能同時進行，在任一時刻只允許在一個方向上傳輸主信息的通信方式。 全雙工通信：可同時雙向傳輸數據的通信方式。,42,43,在計算機內部各部件之間、計算機與各種外部設備之間、計算機與計算機之間，按信息傳輸的時空順序不同存在兩種通信方式：并行通信和串行通信。 并行通信：通常用于計算機內部各部件之間或近距離設備之間的數據傳輸。 串行通信：常用于計算機與計算機或計算機與終端之間遠距離的數據傳輸。,(2) 并行通信和串行通信,44,并行通信 串行通信,01101001,01101001,01101001,45,在數據通信系統(tǒng)中，