第2章：数据通信技术基础a

1、计算机科学与工程系计算机科学与工程系计算机科学与工程系计算机科学与工程系计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层2本章学习要求本章学习要求： 掌握：物理层与物理层协议的基本概念掌握：物理层与物理层协议的基本概念 掌握掌握：数据通信的基本概念数据通信的基本概念 掌握：数据通信技术掌握：数据通信技术 理解：数据的通信方式理解：数据的通信方式 掌握：掌握：数据编码的类型和基本方法数据编码的类型和基本方法 掌握掌握：多路复用的分类与特点多路复用的分类与特点 掌握：数据交换技术掌握：数据交换技术 理解：同步数字体系理解：同步数字体系SDH的基本概念的基本概念计算机科学与工程系计算机科学与工程系计

2、算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层33.2 数据通信的基本概念数据通信的基本概念 3.2.1 信息、数据与信号信息、数据与信号 在研究网络环境中的信息交换过程时，首先要了在研究网络环境中的信息交换过程时，首先要了解信息、数据与信号这三个最基本和最常用的术语之解信息、数据与信号这三个最基本和最常用的术语之间的联系与区别。间的联系与区别。 通信的目的是交换信息通信的目的是交换信息，为了传送这些信息，首先，为了传送这些信息，首先要将信息的表征形式（字母、数字、语音、图形或图要将信息的表征形式（字母、数字、语音、图形或图像）用二进制代码的像）用二进制代码的数据数据来表示；来表示； 为了传输

3、二进制代为了传输二进制代码的数据，必须将它们用码的数据，必须将它们用模拟或数字信号模拟或数字信号编码的方式编码的方式表示。表示。 数据通信数据通信是指在不同计算机之间是指在不同计算机之间传送传送表示字母、数表示字母、数字、符号的二进制代码字、符号的二进制代码0、1比特序列的比特序列的模拟或数字信模拟或数字信号的过程号的过程。 计算机科学与工程系计算机科学与工程系计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层41. 数据数据数据数据 Data：传递：传递(携带携带)信息的实体信息的实体 数据（数据（data）是对客观事物的符号表示，是用于表）是对客观事物的符号表示，是用于表示客观事物的未经加工

4、的原始素材，如图形符号、数字、示客观事物的未经加工的原始素材，如图形符号、数字、字母等。字母等。数据可分为数据可分为模拟数据模拟数据和和数字数据数字数据两类。两类。模拟数据模拟数据 指在某个区间指在某个区间连续变化连续变化的物理量，例如声音的大小的物理量，例如声音的大小和温度的变化等。和温度的变化等。数字数据数字数据 指指离散的不连续离散的不连续的量，例如文本信息，字符串（不的量，例如文本信息，字符串（不容易被处理和传输）容易被处理和传输） ASCII码：码：6490十进制数表示十进制数表示AZ，415A十六进十六进制数表示制数表示AZ； 在计算机网络中，数据通常被理解为二进制数字编码。在计算

5、机网络中，数据通常被理解为二进制数字编码。计算机科学与工程系计算机科学与工程系计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层5 2. 信息的基本概念信息的基本概念 信息信息Information：是数据的内容或解释：是数据的内容或解释 信息是人脑对客观物质的反映信息是人脑对客观物质的反映。既可以是对物质的形态、大既可以是对物质的形态、大小、结构、性能等部分或全部特性的描述，也可以是物质与小、结构、性能等部分或全部特性的描述，也可以是物质与外部的联系；外部的联系； 信息有各种存在形式信息有各种存在形式。 信息的载体可以是数字、文字、语信息的载体可以是数字、文字、语音、图形或图像，计算机产生的信

6、息一般是字母、数字、语音、图形或图像，计算机产生的信息一般是字母、数字、语音、图形或图像的组合；音、图形或图像的组合； 信息量信息量计算机科学与工程系计算机科学与工程系计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层63. 信号的概念信号的概念 信号信号Signal：数据的物理量编码，数据是以信号：数据的物理量编码，数据是以信号的形式传播的的形式传播的 数据通信中的数据通信中的“信号信号”是指数据的电磁编码或电编码，是指数据的电磁编码或电编码，信信号是数据在传输过程中电信号的表现形式。号是数据在传输过程中电信号的表现形式。 信号可分为信号可分为模拟信号模拟信号和和数字信号数字信号两种两种 ；

7、模拟信号模拟信号（analog signal）是随时间连续变化的电流、电压是随时间连续变化的电流、电压或电磁波。或电磁波。 数字信号数字信号（digital signal）是一系列离散的电脉冲、光脉冲是一系列离散的电脉冲、光脉冲等。数字信号是用两种不同的电平去表示等。数字信号是用两种不同的电平去表示0、1比特序列的比特序列的电压脉冲信号表示；电压脉冲信号表示； 按照在传输介质上传输的信号类型，通信系统分为按照在传输介质上传输的信号类型，通信系统分为模拟通模拟通信系统信系统与与数字通信系统数字通信系统两种。两种。 计算机科学与工程系计算机科学与工程系计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理

8、层7 模拟信号波型模拟信号波型 数字信号波型数字信号波型0V(t)V(t)t t0V(t)V(t)t t注意：数据必须转换成信号，才能在传输介质上传输。注意：数据必须转换成信号，才能在传输介质上传输。计算机科学与工程系计算机科学与工程系计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层8 模拟信号与数字信号可以混合应用，使用模模拟信号与数字信号可以混合应用，使用模/ /数转数转换装置可以将模拟信号变换成数字信号换装置可以将模拟信号变换成数字信号, , 数字信号也可数字信号也可相互转化为模拟信号。模拟数据在模拟信道上传输，数相互转化为模拟信号。模拟数据在模拟信道上传输，数字数据在模拟信道上传输如图

9、字数据在模拟信道上传输如图2-22-2所示。所示。D/AD/AA/DA/D调制解调器调制解调器交换机交换机图图2-22-2数字数据在模拟信道上传输数字数据在模拟信道上传输 计算机科学与工程系计算机科学与工程系计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层9 4. 4.信道信道 信道信道(information channels)(information channels)是信号在通信系统中是信号在通信系统中传输的通道，是信号从发射端传输到接收端所经过的传输的通道，是信号从发射端传输到接收端所经过的传输介质。一条传输媒介上可以有多条信道（多路复传输介质。一条传输媒介上可以有多条信道（多路复用）

10、，如图用），如图2-32-3所示。所示。传输媒介信道图图2-3 2-3 多条信道多条信道 计算机科学与工程系计算机科学与工程系计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层10物理信道的分类方法物理信道的分类方法 按传输介质的不同可分为按传输介质的不同可分为: : 有线信道有线信道 无线信道无线信道 按传输信号的不同可分为按传输信号的不同可分为: : 数字信道数字信道 模拟信道模拟信道计算机科学与工程系计算机科学与工程系计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层11数据通信系统的模型数据通信系统的模型 数据通信数据通信：把数据以信号的形式从一处：把数据以信号的形式从一处(源发出端源发出

11、端)传送到传送到另一处另一处(接收端接收端) ，并在接收端还原成原来的数据。，并在接收端还原成原来的数据。 信源信源:通信过程中产生和发送信息的设备或计算机。通信过程中产生和发送信息的设备或计算机。 信宿信宿:通信过程中接收和处理信息的设备或计算机。通信过程中接收和处理信息的设备或计算机。 信道信道:是信源和信宿之间的通信线路是信源和信宿之间的通信线路,由传输介质及相应的由传输介质及相应的附属设备组成。附属设备组成。计算机科学与工程系计算机科学与工程系计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层12 9. 9. 码元和码字码元和码字 在计算机网络中传送的每一位二进制数被称为在计算机网络中传

12、送的每一位二进制数被称为“码元码元”或或“码位码位”，由，由7 7个码元组成的二进制序列被称为个码元组成的二进制序列被称为“码字码字” 例如：二进数例如：二进数“1000001”1000001”就是一个码字，在就是一个码字，在7 7位的位的ASIIASII的数据通信中，这个码字就代表的数据通信中，这个码字就代表ASIIASII码码“A”A”码元：一个数字脉冲称为一个码元。码元携带的信息量由码元：一个数字脉冲称为一个码元。码元携带的信息量由码元取的离散值个数决定。码元取的离散值个数决定。计算机科学与工程系计算机科学与工程系计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层13码元与比特的比较码元与

13、比特的比较计算机科学与工程系计算机科学与工程系计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层14图图2-4 2-4 数据通信系统组成数据通信系统组成 2.1.2 数据通信系统数据通信系统 1.数据通信系统组成数据通信系统组成计算机科学与工程系计算机科学与工程系计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层15输入汉字数 字 比 特 流模 拟 信 号模 拟 信 号公 用 电 话 网数 字 比 特 流PC调 制 解 调 器调 制 解 调 器显示汉字源 系 统传 输 系 统目 的 系 统源 点发 送 器传 输 系 统接 收 器终终点点输 入信 息发 送 的 信 号接 收 的 信 号输 入数 据输

14、 出数 据输 出信 息图图2-6 2-6 数据通信系统的模型数据通信系统的模型2.数据通信系统的模型数据通信系统的模型计算机科学与工程系计算机科学与工程系计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层16 2.1.32.1.3数据通信中的主要技术指标数据通信中的主要技术指标 数据通信系统的技术指标主要从数据传输的数据通信系统的技术指标主要从数据传输的质量质量和和数量数量来体现。质量指信息传输的可靠性，一般用来体现。质量指信息传输的可靠性，一般用误码率误码率来衡量。而数量指标包括两方面：一是信道的传输能力，来衡量。而数量指标包括两方面：一是信道的传输能力，用用信道容量信道容量来衡量；另一方面指

15、信道上传输信息的速度，来衡量；另一方面指信道上传输信息的速度，相应的指标是相应的指标是数据传输速率数据传输速率。 计算机科学与工程系计算机科学与工程系计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层17 1. 1. 数据传输速率数据传输速率 数据传输率是指单位时间内传输的信息量数据传输率是指单位时间内传输的信息量. . 比特率比特率 比特率又称为信息速率，反映一个数据通信系统每秒所比特率又称为信息速率，反映一个数据通信系统每秒所传输的二进制位数，单位是每秒比特传输的二进制位数，单位是每秒比特( (位位/ /秒秒) )，以，以b/sb/s或或bpsbps表示。表示。计算机科学与工程系计算机科学与

16、工程系计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层18 数据传输速率的计算公式如下数据传输速率的计算公式如下: : S=1/Tlog S=1/Tlog2 2N N（b/sb/s） （2-12-1） 式中式中: : T T为一个数字脉冲信号的宽度（全宽码）或重复周为一个数字脉冲信号的宽度（全宽码）或重复周期（归零码），单位为秒；期（归零码），单位为秒； N N为一个码元所取的离散值个数。为一个码元所取的离散值个数。计算机科学与工程系计算机科学与工程系计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层19 波特率波特率 波特率指数据通信系统中，线路上每秒传送的波形个波特率指数据通信系统中，线路上

17、每秒传送的波形个数。波特率又称为波形速率或码元速率，单位为波特，记数。波特率又称为波形速率或码元速率，单位为波特，记作作BaudBaud。若每个码元所含的信息量为。若每个码元所含的信息量为1 1比特，则波特率等比特，则波特率等于比特率。计算公式：于比特率。计算公式： B=1/T B=1/T（BaudBaud） （2-22-2） 式中式中:T:T为信号码元的宽度，单位为秒。为信号码元的宽度，单位为秒。计算机科学与工程系计算机科学与工程系计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层20在计算机通信中在计算机通信中，常将，常将“比特率比特率”称为称为“波特率波特率”，即：，即： 1 1波特（波特

18、（B B）= 1= 1比特（比特（bitbit）= 1= 1位位/ /秒（秒（b/sb/s）例例2-12-1：电传打字机最快传输率为每秒：电传打字机最快传输率为每秒1010个字符个字符/ /秒，每秒，每个字符包含个字符包含1111个二进制位，则数据传输率为：个二进制位，则数据传输率为：1111位位/ /字字符符1010个字符个字符/ /秒秒=110=110位位/ /秒秒=110=110波特（波特（BaudBaud）。）。计算机科学与工程系计算机科学与工程系计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层21 两者关系两者关系 S= Blog2N (其中，其中，M为采用的进制数为采用的进制数,也

19、是也是码元的编码级数。码元的编码级数。M=2，即二进制时，波特，即二进制时，波特率率=比特率比特率) 一个信号往往可以携带多个二进制位，所以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波特率。换句话说，一个码元中可以传送多个比特。个比特。 计算机科学与工程系计算机科学与工程系计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层22 2. 2.信道带宽信道带宽 信道带宽（信道带宽（BandwidthBandwidth简称带宽）又叫频宽是指信道简称带宽）又叫频宽是指信道所能传送的信号的频率宽度，

20、也就是可传送信号的最高频所能传送的信号的频率宽度，也就是可传送信号的最高频率与最低频率之差。单位：赫兹。率与最低频率之差。单位：赫兹。计算机科学与工程系计算机科学与工程系计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层23 在计算机网络中，带宽用来表示网络的通在计算机网络中，带宽用来表示网络的通信线路所能传送数据的能力，因此网络带宽表示在信线路所能传送数据的能力，因此网络带宽表示在单位时间内从网络中的某一点到另一点所能通过的单位时间内从网络中的某一点到另一点所能通过的“最高数据率最高数据率”。 计算机科学与工程系计算机科学与工程系计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层24 常用的数据

21、传输速率单位：常用的数据传输速率单位：千比每秒，即千比每秒，即 kb/s kb/s （10103 3 b/sb/s）兆比每秒，即兆比每秒，即 Mb/sMb/s（10106 6 b/sb/s）吉比每秒，即吉比每秒，即 Gb/sGb/s（10109 9 b/sb/s）太比每秒，即太比每秒，即 Tb/sTb/s（101012 12 b/sb/s）请注意：在计算机界，请注意：在计算机界，K = 2K = 210 10 = 1024= 1024，M = 2M = 22020, , G = 2 G = 23030, T = 2, T = 24040。计算机科学与工程系计算机科学与工程系计算机网络第计算机网

22、络第3 3章章 物理层物理层25 3. 3. 信道容量信道容量 信道容量是衡量一个信道传输数字信号的重要信道容量是衡量一个信道传输数字信号的重要参数，信道容量是指单位时间内信道上所能传输数参数，信道容量是指单位时间内信道上所能传输数据的最大容量，单位是据的最大容量，单位是b/s(bpsb/s(bps) )。 计算机科学与工程系计算机科学与工程系计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层26 奈奎斯特定理奈奎斯特定理 早在早在19241924年，奈奎斯特（年，奈奎斯特（NyquistNyquist）推导出）推导出无噪声无噪声有限有限带宽信道的带宽信道的最大数据传输率最大数据传输率公式，该公

23、式指出了如果是离公式，该公式指出了如果是离散的信道容量，则无噪声下的码元速率极限值散的信道容量，则无噪声下的码元速率极限值B B与信道带宽与信道带宽W W的关系为：的关系为：B=2WB=2W（BaudBaud）；无噪信道传输能力公式为：）；无噪信道传输能力公式为： C=2WlogC=2Wlog2 2N N（b/sb/s） （2-42-4） 式中的：式中的： C C为理想低通信道下的极限数据率。为理想低通信道下的极限数据率。 W W为信道的带宽，即信道传输上、下限频率的差值，单为信道的带宽，即信道传输上、下限频率的差值，单位为位为HzHz。 N N为一个码元所取的离散值个数。为一个码元所取的离散

24、值个数。 计算机科学与工程系计算机科学与工程系计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层27 例例2-2:2-2:若某信道带宽为若某信道带宽为4kHz4kHz，任何时刻数字信号可取，任何时刻数字信号可取0 0、1 1、2 2、3 3四种电平之一，则最大数据速率为：四种电平之一，则最大数据速率为： C = 2 C = 2 4 4 log log2 24 = 16kb/s4 = 16kb/s计算机科学与工程系计算机科学与工程系计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层284. 4. 误码率误码率 误码率（误码率（BERBER：biterrorbiterror）：二进制数据位传输时出错）

25、：二进制数据位传输时出错的概率。的概率。误码率计算公式为：误码率计算公式为： PePe= =NeNe/N /N （2-52-5） 式中的式中的NeNe为其中出错的码元数为其中出错的码元数( (二进制时等同于比特二进制时等同于比特数数) )，N N为传输的数据总码元数为传输的数据总码元数( (二进制时等同于比特数二进制时等同于比特数比特比特数数) )。计算机科学与工程系计算机科学与工程系计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层29 香农定理香农定理 1948 1948年，香农（年，香农（C.ShannonC.Shannon）把奈奎斯特的工作扩大）把奈奎斯特的工作扩大到信道受到随机（热）噪

26、声干扰的情况到信道受到随机（热）噪声干扰的情况, ,如图如图2-72-7所示。所示。 计算机科学与工程系计算机科学与工程系计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层30通信质量较好的信道（带宽受限、 有较少的噪声、 干扰和失真）输入信号波形输出信号波形(失真不严重)输入信号波形(a)(b)通信质量很差的信道（带宽受限、 有很大的噪声、 干扰和失真）输出信号波形( 失真很严重)图图2-7 2-7 数字信号通过实际的信道数字信号通过实际的信道计算机科学与工程系计算机科学与工程系计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层31 可以严格地证明；在被高斯白噪声干扰的信道中，可以严格地证明；在

27、被高斯白噪声干扰的信道中，传送的最大信息速率传送的最大信息速率C C由下述公式确定：由下述公式确定： C=W C=W* *loglog2 2(1+S/N) (1+S/N) （2-62-6） 公式中的公式中的W W是信道带宽（赫），是信道带宽（赫），S S是信号功率是信号功率（瓦），（瓦），N N是噪声功率（瓦）。是噪声功率（瓦）。 计算机科学与工程系计算机科学与工程系计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层322.2 数据通信技术数据通信技术 网络中两台计算机通信的过程网络中两台计算机通信的过程 计算机科学与工程系计算机科学与工程系计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层33网

28、络通信系统设计中要解决的几个基本问题网络通信系统设计中要解决的几个基本问题： 数据传输类型数据传输类型 模拟通信模拟通信 数字通信数字通信 信道的通信方式信道的通信方式单工通信单工通信半双工半双工全双工通信全双工通信 数据传输方式数据传输方式串行通信串行通信并行通信并行通信 同步方式同步方式同步通信同步通信异步通信异步通信计算机科学与工程系计算机科学与工程系计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层34信道的通信方式信道的通信方式：单工、半双工与全双工通信：单工、半双工与全双工通信 发送接收单向通道双向通道双向通道(a)(b)(c)发送接收发送接收接收发送接收发送按照信号传送方向与时间的

29、关系，数据通信分为按照信号传送方向与时间的关系，数据通信分为3种：单工通信、半双工种：单工通信、半双工通信、全双工通信。通信、全双工通信。计算机科学与工程系计算机科学与工程系计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层35信道通信方式的特征信道通信方式的特征 单工通信单工通信 半双工通信半双工通信 全双工通信全双工通信发发收收发发收收半双工通信半双工通信发发收收发发收收全双工通信全双工通信发送站发送站接收站接收站信息流向信息流向单工通信单工通信计算机科学与工程系计算机科学与工程系计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层36数据传输方式数据传输方式：串行通信与并行通信：串行通信与并行

30、通信 发送端接收端串行通信信道(a)发送端b0b1b2b3b4b5b6b7b7b6b5b4b3b2b1b0接收端b0b1b2b3b4b5b6b7并行通信信道(b)计算机科学与工程系计算机科学与工程系计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层37串行通信特征串行通信特征 串行通信串行通信 把每个二进制位按顺序排列成串，形成把每个二进制位按顺序排列成串，形成比特流比特流，8个比特逐位个比特逐位顺序顺序在一条信道在一条信道上传送。计算机进行串行通信时，需要完成串上传送。计算机进行串行通信时，需要完成串/并转换。并转换。 串行口，串行口，9针，是采用串行通信协议的扩展接口。数据传输率是针，是采用串行通信协议的扩展接口。数据传输率是115kbps230kbps。 表示：表示： COM1、COM2等，等，通常用来连接外置通常用来连接外置Modem和鼠标和鼠标 。同步控制同步控制发送端发送端接收端接收端b0b1b2b3b4b5b6b7串行信道串行信道发送时钟发送时钟接收时钟接收时钟串行通信串行通信计算机科学与工程系计算机科学与工程系计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层38并行通信特征并行通信特征 并行通信并行通信 多个比特以成组的方式多个比特以成组的方式在多个并行的信道上同时传输在多个