数据通信及计算机网络技术.ppt

1,数据通信与计算机网络技术,2,第2章 数据通信基础,主要学习内容 ： 2.1 数据通信系统组成 2.2 数据通信的基本概念 2.3 数据编码技术 2.4 数据通信的基本方式 2.5 多路复用技术 2.6 数据交换方式 2.7 差错检验和控制,3,2.1 数据通信的基本概念,2.1.1 数据、信息,信息是人对现实世界事物存在方式或运动状态的某种认识; 数据是把事件的某些属性规范化后的表现形式; 信号是数据的具体的物理表现4,2.1 数据通信的基本概念,雪 六角形 凉 白色,,,,信息,数据,信号,例子,5,2.1 数据通信的基本概念,信息：人对雪花和马的认识 数据：文字，二进制数，十进制数 信号：电压，光，磁场强度,6,数据通信系统的模型,,,调制解调器,,PC 机,公用网,调制解调器,,数字比特流,数字比特流,模拟信号,模拟信号,正文,正文,,PC 机,7,2.1 数据通信的基本概念,两种不同类型的量：,A.时间、温度、电波、声音,B.字符，二进制数，电脉冲,信号中没有断开或不连续的的地方；,信号仅取一些有限数目的值；,2.1.2 信号与信号传输,8,2.1 数据通信的基本概念,模拟： 波动性； 持续变化； 反映事物的本质； 在电信业已经被广泛 使用超过100年；,数字： 离散性； 跃变性； 设备性能先进， 较为便宜；,模拟与数字的特点,9,2.1 数据通信的基本概念,（a）模拟信号 （b）数字信号,10,模拟的和数字的数据、信号,11,2.1 数据通信的基本概念,2.1.3 基本概念和术语,,,数据传输速率—— bps(bit per second) 用C表示,信号传输速率——波特（Baud） 用B表示,两者关系——C=B×log2n n是调制电平数,12,信道(Channel)：传送信息的线路（或通路）。

比特率(Bit Rate)：数据传输速率 (bps，b/s) 码元(Code Cell)：时间轴上的一个信号编码单元,同步脉冲：用于码元的同步定时，识别码元的开始,13,波特率(Baud)：每秒传送的码元数(即信号传送速率) 1 Baud = （ 1/log2M） bps 其中M是信号的编码级数也可以写成 Rbit = Rbaud log2M 例如：4级编码 一个信号往往可以携带多个二进制位，所以在固定的信息传输速率下，比特率往往大于波特率 换句话说，一个码元中可以传送多个比特（bit）14, 误码率(Bit error rate)：信道传输可靠性指标 P= 错误的位数 / 传输的总位数,信息编码：将信息用二进制数表示的方法 数据编码：将数据用物理量表示的规则 例如：字母‘A’的ASCII编码为01000001，其数据编码可能为,15,基带(baseband)信号和宽带(broadband)信号,基带信号就是将数字信号 1 或 0 直接用两种不同的电压来表示，然后送到线路上去传输 宽带信号则是将基带信号进行调制后形成的频分复用模拟信号16,数字信号通过实际的信道,失真不严重 失真严重,,,,,,,实际的信道 （带宽受限、有噪声、干扰和失真）,输入信号波形,输出信号波形 (失真不严重),17,信道的极限信息传输速率,香农(Shannon)用信息论的理论推导出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限、无差错的信息传输速率。

信道的极限信息传输速率 C 可表达为 C = W log2(1+S/N) b/s W 为信道的带宽（以 Hz 为单位）； S 为信道内所传信号的平均功率； N 为信道内部的高斯噪声功率18,香农公式表明,信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高 只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定可以找到某种办法来实现无差错的传输 若信道带宽 W 或信噪比 S/N 没有上限（当然实际信道不可能是这样的），则信道的极限信息传输速率 C 也就没有上限 实际信道上能够达到的信息传输速率要比香农的极限传输速率低不少19,2.1 数据通信的基本概念,,,带宽(Bandwidth)：信号或信道占据的频率范围 信道容量(Channel capacity)：信道的最大数据率,20,2.2 数据通信系统构成,,,噪声,,数据通信系统模型,21,2.3 数据编码技术,1.数字信道和模拟信道,数字信道：以数字脉冲形式（离散信号）传输数据的信道 模拟信道：以连续模拟信号形式传输数据的信道22,2.模拟信号和数字信号,模拟信号：时间上连续，包含无穷多个值，用幅度、相位和频率等表示要传送的信息。

传输过程中会衰减 数字信号：时间上离散，仅包含有限数目的预定值,,,,t,,,t,a) 模拟信号,b) 数字信号,23,2.3 数据编码,数据：模拟数据、数字数据 信号：模拟信号、数字信号 信道：模拟信道、数字信道,,,,,,,不同类型的信号在不同类型的信道上传输有4种组合， 每一种相应地需要进行不同的编码处理24,模拟传输和数字传输,Modem,25,Encoder,Decoder,Modulator,Demodulator,,,,,数字或 模拟,数字或 模拟,数字信号,模拟信号,,,g(t),m(t),,p,x(t),s(t),,g(t),m(t),数字或 模拟,数字或 模拟,P—调制参数,编码,调制,编码和调制,,用数字信号承载数字或模拟数据——编码 用模拟信号承载数字或模拟数据——调制,26,2.3 数据编码技术,,,不归零编码NRZ(Non-Return-Zero) 曼彻斯特编码(Manchester Encoding) 差（微）分曼彻斯特编码（Differential Manchester Encoding）,2.3.1 数字数据用数字信号表示,27,1. 数字数据的数字信号编码,不归零制(NRZ，Non-Return to Zero) 二进制数字0、1分别用两种电平来表示。

常用－5V表示1，＋5V表示0 缺点：存在直流分量，传输中不能使用变压器； 不具备自同步机制，必须使用外同步 曼彻斯特编码(Manchester code) 用电压的变化表示0和128,规定在每个码元的中间发生跳变： 高 →低的跳变——0，低→高的跳变——1 ∵每个码元中间都要发生跳变，接收端可将此变化提取出来作为同步信号，使接收端的时钟与发送设备的时钟保持一致 ∴曼彻斯特编码也称为自同步码（Self-Synchronizing Code）它具有自同步机制，无需外同步信号29,差分曼彻斯特编码(Differential Manchester code) 与曼彻斯特编码相同，在每个码元的中间，信号都会发生跳变；不同之处在于： 用在码元开始处有无跳变来表示0和1 ： 码元开始处有跳变——0 码元开始处无跳变——1,30,2.3 数据编码技术,,,31,2.数字数据用模拟信号表示,三种常用的调制技术： 1） 幅移键控ASK(Amplitude Shift Keying)，调幅 2） 频移键控FSK(Frequency Shift Keying)，调频 3） 相移键控PSK(Phase Shift Keying) ，调相 基本原理：用数字信号对载波的不同参量进行调制。

载波 S(t) = A cos (t+) S(t)的参量包括： 幅度A、频率 、相位 调制就是要使这三个参量随数字基带信号的变化而变化,32,,0,0,1,1,0,1,0,0,0,1,0,ASK调幅,FSK调频,PSK调相,PSK：用载波的两个不同振幅表示0(0v)和1(+5v) FSK：用载波的两个不同频率表示0(1.2KHz)和1(2.4KHz) PSK：用载波的起始相位的变化表示0 (同相)和1(反相),,,,,,,,,,,33,2.3 数据编码技术,,,34,2.3 数据编码技术,,,2.3.1模拟数据用数字信号表示,脉冲编码调制（PCM ）,35,3. 模拟数据的数字信号编码,奈奎斯特定理（采样定理）： 如果连续变化的模拟信号最高频率为F，若以2F的采样频率对其采样，则采样得到的离散信号序列就能完整地恢复出原始信号语音信号要在数字线路上传输，必须将语音信号转换成数字信号这需要经过三个步骤： 1）采样——按一定间隔对语音信号进行采样 2）量化——对每个样本舍入到量化级别上 3）编码——对每个舍入后的样本进行编码,36,,,,,,,模拟话音,采样时钟,PAM 信号,PCM 信号,采样电路,量化和编码,数字化声音,--话音信道带宽 2倍话音最大频率) --量化级数：256级 (8位二进制码表示) --数据率：8000次/s*8bit = 64Kb/s ∴每路PCM信号的速率 = 64000bps,编码后的信号称为PCM（Pulse Coded Modulation）信号（脉码调制信号）,37,PCM转换过程举例,,,,,,,,,,,,,3.2,3.9,2.8,3.4,1.2,4.2,3,4,3,3,1,4,011,100,011,011,001,100,原始信号,PAM脉冲,PCM 脉冲 （有量化误差）,011100011011001100,PCM 输出,,,,,,38,PCM 转换波形图,B,A,C,D,,,,,,,模拟话音,采样时钟,PAM 信号,PCM 信号,采样电路,量化和编码,数字化声音,39,2.3 数据编码技术,,,增量调制（DM ）,,40,2.4 数据通信的基本方式,,,2.4.1 数据通信的操作方式( 传输模式或数据流动方向),41,• 单工：数据单向传输（无线电广播） • 半双工：数据可以双向传输，但不能在同一时刻双向传输（对讲机） • 全双工：数据可同时双向传输（） 两个方向的信号共享链路带宽： 1）链路具有两条物理上独立的传输线路，或 2）将带宽一分为二，分别用于不同方向的信号传输,42,2.4 数据通信的基本方式,,,2.4.2 同步和异步传输,,,（a）单同步格式,（b）双同步格式,43,2.4 数据通信的基本方式,,,,,异步通信格式 ：,44,通信系统的例子——系统,公用交换网PSTN(Public Switched Telephone Network) -端到端的数据传输率：104 b/s -干线的数据传输率：1010 b/s -总体误码率：10-5 -通信干线采用光纤或微波数字传输系统。

优点：出错率低、可传输语音/数据/图像、速率高、成本低、维护容易,45,构成：本地回路、交换局、干线,46,本地回路,,,,,,,,,,,,,,,,编码解码器Codec,编码解码器Codec,,,Modem,Modem,端局,端局,长途局,数字干线,,,模拟线路 （本地回路）,,模拟线路 （本地回路）,,●绝大多数为模拟线路 ●计算机间传输：以模拟为主，所以信号要经过多次变换：数字→模拟→数字→模拟→数字,47,长途干线最初采用频分复用 FDM 的传输方式 FDM (Frequency Division Multiplexing) 目前我国长途通信线路已实现了数字化，因而现在的模拟通信电路就只剩下从用户机到市话交换机之间的这一段几公里长的用户线上48,调制解调器,数据经过模拟传输系统后可能会出现差错49,调制解调器的作用,调制解调器(modem)包括： 调制器(MOdulator)：把要发送的数字信号转换为频率范围在 300~3400 Hz 之间的模拟信号，以便在用户线上传送 解调器(DEModulator)：把用户线上传送来的模拟信号转换为数字信号 本书中的调制解调器是指使用在标准的二线模拟话路（3.1 kHz 的标准话路带宽）上的调制解调器。

50,调制解调器的作用（续）,调制器的主要作用就是个波形变换器，它把基带数字信号的波形变换成适合于模拟信道传输的波形 解调器的作用就是个波形识别器，它将经过调制器变换过的模拟信号恢复成原来的数字信号 若识别不正确。