1,第二章 数据通信基础,2.1 数据通信模型 2.2 数据通信的基本概念 2.3 调制技术和调制解调器 2.4 脉码调制 2.5 传输介质 2.6 通信的方式 2.7 多路复用 2.8 交换技术,2,模拟通信，数字通信，数据通信概念 信道和信道基本参数 信道连接和通信方式：单工，半/全双工 数据信息的编码方式,3,数据信息传输形式：基带，宽带 异步传输和同步传输 串行传输和并行传输 多路复用技术基本概念 电路交换与存储转发,4,2.1 数据通信系统概论,作用 组成：信源、传输信道、信宿,5,2.1 数据通信模型,数据通信：实现在计算机网络中任意两个节点A和B之间传递有用的信息,6,2.1 数据通信模型,数据通信系统的组成： DTE（Data Terminal Equipment）：数据终端设备。主机、终端、通信控制机或其他发送接收设备 DCE（ Data Circuit- terminating Equipment ）：与传输介质直接相连的设备。MODEM、ACE DTE/DCE接口：指DTE和DCE之间如何有效的物理连接起来，实现它们之间传输信息的同步。输出输入电路、连接器和电缆 传输线路：双绞线、光纤、同轴电缆、无线通信等,7,2.2 数据通信的基本概念,一、物理信道连接与信息传输方向 1、物理信道连接 点到点 点到多点 集中式 2、信息传输方式,8,单工通信：单向传输。如广播、电视 半双工：双方都可以发送或接收，但不能同时，即当一方发送时，另一方接收 全双工：双方同时可以发送和接收信息 全双工则需要两条信道,9,二、通信术语,1、信号是数据的表示形式，或称数据的电磁或电子编码。它使数据能以适当的形式在介质上传输,信号有模拟信号和数字信号两种基本形式 信道也有模拟信道和数字信道之分,10,2、模拟通信和数字通信,模拟信号通过模拟信道传输 数字信号通过数字信道传输,信号的衰减、畸变和干扰问题,11,模拟信号,模拟信号是指电信号的参量是连续取值的。模拟信号的特点是幅度连续。常见的模拟信号有电话、传真和电视信号等。,12,数字信号,数字信号的特点是幅度被限制在有限个数值之内，是离散的。常见的数字信号为电报符号、数字数据等。,13,从模拟到数字,14,2.2 数据通信的基本概念,信号： 任何正常的周期的信号都可以分解为由无限个正弦波和余弦波的组合。（傅立叶级数的理论）,数字信号的矩形波（模拟信号）也可以表示为为由无限个正弦波和余弦波的组合。,15,3、信道,信道是指信号传输的媒体及转换器 信道包括物理信道及逻辑信道 信道分类： 按介质分：有线、无线等 信号传输类型：模拟、数字 信道使用权：专用、公用,16,信道容量与信息传输速率,信道容量是指信道传输信息的最大极限速率，表征了一个信道传输数字信号的能力。它只由信道本身的特征（带宽和信噪比）决定，与具体的通信手段无关。 信息传输速率R是单位时间所传输的信息量，若已知每个符号的平均信息H和每秒传输符号的个数r，则R=rH比特/秒。 信道容量与数据传输速率的区别是，前者表示信道的最大数据传输速率，是信道传输数据能力的极限，而后者是实际的数据传输速率。,17,信道参数和名称解释,数据传输速率、带宽 信号传播速率 载波频率 采样频率 量化 噪声、信噪比,18,数据传输速率,数据传输速率是指每秒能传输的二进制信息位数，位/秒 S=1/T*log2N T为信号周期 信号传输速率 B=1/T S=B* log2N,19,信道容量：Nyquist定理,在无噪声信道中，当带宽为H Hz，信号电平为V级，则： 数据传输速率 = 2Hlog2V b/s （信号电平为V级，在二进制中，仅为0、1两级） 即：以每秒高于2H次的速率对线路采样是无意义的，因为高频分量已被滤波器虑掉无法再恢复。,20,Shannon定理,在噪声信道中，当带宽为H Hz，信噪比为S/N，则： 最大数据传输速率(b/s) = Hlog2(1+S/N) 很多情况下噪声用分贝(dB) 表示 噪声（dB）= 10log10S/N 如：噪声为30dB，则信噪比为S/N=1000,21,举例：噪声信道中的传输速率,在噪声信道中，当带宽为3k Hz，信噪比为30dB（较为真实的电话信道），则： 最大数据传输速率(b/s) = Hlog2(1+S/N) = 3000log2(1+1000) = 30000 (b/s) 最大数据传输速率为30k b/s，这是在噪声信道中的传输速率极限，实际上是不可能达到的,22,举例（续）,如需达到此传输速率，根据Nyquist定理计算： 30000 = 2 x 3000 x log2V log2V = 5 V = 32 即必须要把采样信号量化为32个等级，这在模拟电话信道中是不可能的，因为此时的信号变化已“ 湮没”在噪声中,23,2.2 数据通信的基本概念,4. 传输介质的有限带宽 指传输介质的物理特性决定介质一般使得某一频率范围的信号容易通过，其他频率范围不容易通过（衰减很快）。,带宽：使信号容易通过的频率范围。（界于fa 和fb之间的频率范围）,分解信号的频率尽量分布在介质的带宽内。,24,通信系统的有效性,通信系统的有效性是指消息传输的效率和消息传输速率，通常采用以下评价指标： 码元速率RB 信息速率Rb 系统的频带利用率,25,通信系统的可靠性,由于在数字通信系统中（尤其是信道）存在噪声干扰，接收到的数字码元可能会发生错误，使通信的可靠性受到影响，所以通信系统中还采用以下指标来衡量其可靠性。 误码率Pe，是指通信过程中系统传错码元的数目与所传输总码元数目之比，即传错码元的个数。 误比特率Pb，是指传输信息的比特数目与所传送的总信息比特数之比。,26,2.2 数据通信的基本概念,5. 基带传输与频带传输,基带传输： 基带：电信号所固有的频率。 基带传输：在信道中直接传输基带信号。即终端设备（计算机）必修先将计算机的数字信号（0、1信息）转为电信号，才能送到信道上进行传输。 频带传输 频带传输：在模拟信道上传输模拟信号，称为频带传输。采用同轴电缆作为传输介质，带宽很宽时（大于300MHz），称为宽带传输。,27,数据传输,数字数据的模拟传输 数字数据的数字传输 模拟数据的数字传输,28,数字数据的模拟传输,将数字数据调制成模拟信号进行传输。通常有三种方式： 1) 调幅ASK(Amplitude Shift Keying) 2) 调频FSK(Freequency Shift Keying) 3) 调相PSK(Phase Shift Keying),29,调幅ASK (Amplitude Shift Keying),用载波的两个不同的振幅来表示两个二进制值。 如用无信号表示0，有信号表示1。,30,调频FSK (Freequency Shift Keying),用载波附近的两个不同的频率来表示两个二进制值 如用信号频率为2f表示0，信号频率为f表示1。,31,调相PSK (Phase Shift Keying),用载波的相位移动来表示二进制值。如用信号相位角为0表示0，相位角为表示1,32,数字数据的调制举例,基带信号 调幅 调频 调相,0 1 0 0 1 1 1 0 0,33,数字数据的数字传输,最普通的方法是用两个不同的电压值来表示两个二进制值0和1。 常用的数字信号编码有：,不归零编码 曼切斯特编码 差分曼切斯特编码。,34,不归零编码 NRZ （nonreturn-to zero）,正电平表示1，0电平表示0，并且在表示完一个码元后，电压无须回到0,35,曼切斯特编码 （manchester encoding）,bit中间有信号低-高跳变为0,bit中间有信号高-低跳变为1,36,差分曼彻斯特编码 （differential manchester encoding）,bit中间有信号跳变，bit与bit之间也有相位跳变，表示下一个bit为0,bit中间有信号跳变， bit与bit之间无相位跳变，表示下一个bit为1,37,编码举例,bit流 二进制编码 曼切斯特编码 差分曼切斯特编码,bit与bit之间有跳变，下一个bit为0,bit与bit之间无跳变，下一个bit为1,38,模拟数据的数字传输,采用脉冲编码调制PCM技术 （Pulse Code Modulation） PCM以采样定理为基础,采样定理：如果在规定的时间间隔内，以有效信号f(t)最高频率的二倍或二倍以上的速率对该信号进行采样，则这些采样值中包含了全部原始信号信息,39,采样,采样定理：若以Ts1/2fs的时间间隔对频带限于（0，fm）内的时间连续信号f(t)进行等间隔抽样，则f(t)将由所得到的抽样值f(kTs)完全确定。也就是说，当抽样速率大于或等于信号带宽的两倍时，f(t)的全部信息都包含在所有抽样值中而不会丢失，并保证不产生信号的混叠。 从信息传输的角度来看，数字通信系统的主要评价指标集中在有效性和可靠性上。,40,量化,量化是将抽样后一个范围内变化的无限个样值，用不连续变化的有限个值来替代的过程，分层单位称为量化节或量化台阶，用表示。其作用是将时间域上幅值连续的样值序列变换为时间域上幅度离散的样值序列信号。 量化可以划分为： 均匀量化：在整个量化范围内，量化间隔都相等 非均匀量化：根据不同区间来确定量化间隔v，对信号取值小的区间，量化间隔小，反之，量化间隔大；,41,编码,将量化后的所有量化级，按其量化电平的大小次序排列，列出各自对应的码字，用二进制（或多进制）代码表示，这就是编码。 PCM编码可划分为： 线性编码 非线性编码,42,采样和量化,43,话音信道,话音数据的最高频率通常为3400Hz。如果以8000Hz的采样频率对话音信号进行采样的话，则在采样值中包含了话音信号的完整特征。由此而还原出的话音是完全可理解和可识别的,44,话音信道的数据传输速率,对于每一个采样值还需要用一个二进制代码来表示，二进制代码的位数代表了采样值的量化精度。在主干上，对每一路话音信号通常采用8位二进制代码来表示一个采样值。这样，对话音信号进行PCM编码后所要求的数据传输速率为：,8 bit8000 次采样/秒64k b/s,45,基带传输,将数字信号0、1直接用两种不同的电压表示，然后送到线路上去传输。即数字传输,用于数字传输：局域网，50 ，通常传输距离为185 M（细缆）、500 M（粗缆）,46,宽带传输,将基带信号进行调制后形成模拟信号，然后采用频分复用技术实现宽带传输,有线电视网：带宽可达300 MHz 450 MHz，由于以模拟信号传输，所以传输距离可达100 km 宽带系统可分为多个信道，所以模拟和数字信号可混合使用。但通常需解决数据双向传输的问题 在混合光缆HFC（Hybrid Fiber Coax）中，450 550MHZ是电视信号。550-750MHZ是数字信号,47,异步传输与同步传输,在数字数据通信中，一个最基本的要求是发送端和接收端之间以某种方式保持同步，只有保证了位同步才可能保证帧同步。所以接收端必须对它所接收的数据流中每一位进行正确的采样，才能确保数据接收的正确性。为此，通信双方必须遵循同一通信规程，使用相同的同步方式进行数据传输。根据通信规程所定义的同步方式，可分为异步传输和同步传输两大类,48,异步传输,异步传输是以字符为单位的数据传输。每个字符都要附加1位起始位和1位停止位，以标记字符的开始和结束。此外，还要附加1位奇偶校验位,49,同步传输,同步传输是以数据块为单位的数据传输。每个数据块的头部和尾部都要附加1个或多个特殊的字符或比特序列，标记一个数据块的开始和结束 根据同步通信规程，同步传输又分为面向字符的同步传输和面向bit流的同步传输,50,面向字符的同步传输,在面向字符的同步传输中，每个数据块的头部用一个或两个同步字符SYN来标记数据块的开始；尾部用另一个唯一的字符