数据通信技术基础知识

1、数据通信技术基础知识2.1 数据通信技术2.1.1 模拟数据通信和数字数据通信1 .几个术语的解释1）数据-定义为有意义的实体。数据可分为模拟数据和数字数据。模拟数据是在某区间内连续变化的值；数字数据是离散的值。2）信号-是数据的电子或电磁编码。信号可分为模拟信号和数字信号。模拟信号是随时间连续变化的电流、电压或电磁波；数字信号则是一系列离散的电脉冲。可选择适当的参 量来表示要传输的数据。3）信息一是数据的内容和解释。4）信源-通信过程中产生和发送信息的设备或计算机。5）信宿-通信过程中接收和处理信息的设备或计算机。6）信道信源和信宿之间的通信线路。2 .模拟信号和数字信号的表示模拟信号和数字

2、信号可通过参量（幅度）来表示：图2.1模拟信号、数字信号的表示3 .模拟数据和数字数据的表示模拟数据和数字数据都可以用模拟信号或数字信号来表示，因而无论信源产生的是模 拟数据还是数字数据，在传输过程中都可以用适合于信道传输的某种信号形式来传输。1）模拟数据可以用模拟信号来表示。模拟数据是时间的函数，并占有一定的频率范围, 即频带。这种数据可以直接用占有相同频带的电信号，即对应的模拟信号来表示。模拟电 话通信是它的一个应用模型。2）数字数据可以用模拟彳t号来表示。如Modem可以把数字数据调制成模拟信号；也可以把模拟信号解调成数字数据。用Modem拨号上网是它的一个应用模型。3）模拟数据也可以用

3、数字信号来表示。对于声音数据来说，完成模拟数据和数字信号转换功能的设施是编码解码器 CODEC。它将直接表示声音数据的模拟信号，编码转换成二进制流近似表示的数字信号；而在线路另一端的 CODEC,则将二进制流码恢复成原来的模拟数 据。数字电话通信是它的一个应用模型。4）数字数据可以用数字信号来表示。数字数据可直接用二进制数字脉冲信号来表示，但为了改善其传播特性，一般先要对二进制数据进行编码。数字数据专线网 DDN网络通信是4 .数据通信的长距离传输及信号衰减的克服1）模拟信号和数字信号都可以在合适的传输媒体上进行传输（如图2.2）;模拟r.据声泮苜波收字数据投；4；模拟信号 载波物率模拟数K

4、鼓不坡据模拟八图2.2模拟数据、数字数据的模拟信号、数字信号的传输表示2)模拟信号无论表示模拟数据还是数字数据，在传输一定距离后都会衰减。克服的办法是用放大器来增强信号的能量，但噪音分量也会增强，以至引起信号畸变。3)数字信号长距离传输也会衰减，克服的办法是使用中继器，把数字信号恢复为0、1”的标准电平后继续传输。2.1.2 数据通信中的主要技术指标1 .数据传输速率1)数据传车速率-每秒传输二进制信息的位数，单位为位/秒，记作bps或b/s。计算公式:S=1/T*log2N(bps) 式中T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；N为一个码元所取的离散值个数。通常N=

5、2K , K为二进制信息的位数，K=log2N。N=2时，S=1/T ,表示数据传输速率等于码元脉冲的重复频率。2)信号传车速率-单位时间内通过信道传输的码元数，单位为波特，记作Baud。计算公式：B=1/T (Baud)式中T为信号码元的宽度，单位为秒.信号传军速率，也称码元速率、调制速率或波特率。由、式得： S=B*log2N (bps)或 B=S/log2N (Baud)(4)例1采用四相调制方式，即 N=4,且T=833x10-6秒，则S=1/T*log2N=1/(833x10-6)*log24=2400 (bps)B=1/T=1/(833x10-6)=1200 (Baud)2 .信道

6、容量1)信道容量表示一个信道的最大数据传输速率，单位:位/秒(bps)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。像公路上的最大限速与汽车实际速度的 关系一样。2)离散的信道容量奈奎斯特(Nyquist)无噪声下的码元速率极限值B与信道带宽H的关系：B=2*H (Baud).奈奎斯特公式-无噪信道传输能力公式：C=2*H*log2N (bps).式中H为信道的带宽，即信道传输上、下限频率的差值，单位为 Hz;N为一个码元所取的离散值个数。例2普通电话线路带宽约3kHz,则码元速率极限值B=2*H=2*3k=6kBaud

7、;若码元的离散值个数 N=16 ,则最大数据传输速率C=2*3k*log216=24kbps 。3)连续的信道容量香农公式-带噪信道容量公式：C=H*log2(1+S/N) (bps) .式中S为信号功率，N为噪声功率，S/N为信噪比，通常把信噪比表示成101g(S/N)分贝(dB)。例3已知信噪比为30dB,带宽为3kHz,求信道的最大数据传输速率。101g(S/N)=30S/N=1030/10=1000C=3k1og2(1+1000) =30k bps3 .误码率-二进制数据位传输时出错的概率。它是衡量数据通信系统在正常工作情况下的传输可靠性的指标。在计算机网络中，一般要求误码率低于 10

8、-6,若误码率达不到这个指标，可通过差错控制方法检错和纠错。误码率公式：Pe=Ne/N式中Ne为其中出错的位数；N为传输的数据总数。2.1.3通信方式1 .并行通信方式并行通信传输中有多个数据位，同时在两个设备之间传输。发送设备将这些数据位通 过对应的数据线传送给接收设备，还可附加一位数据校验位。接收设备可同时接收到这些 数据，不需要做任何变换就可直接使用。并行方式主要用于近距离通信。计算机内的总线 结构就是并行通信的例子。这种方法的优点是传输速度快，处理简单。2 .串行通信方式串行数据传输时，数据是一位一位地在通信线上传输的，先由具有几位总线的计算机内的发送设备，将几位并行数据经并-串转换硬

9、件转换成串行方式,再逐位经传输线到达接收站的设备中，并在接收端将数据从串行方式重新转换成并行方式，以供接收方使用。串行数据传输的速度要比并行传输慢得多，但对于覆盖面极其广阔的公用电话系统来说具有 更大的现实意义。图2.4串行数据传输3.串行通信的方向性结构串行数据通信的方向性结构有三种，即单工、半双工和全双工。发送设备二接收设荏r 通信连接 i单工峻收设拈|发送设备发送设备一二 痴诵函二（C）全双工图2.5单工、半双工、全双工单工数据传输只支持数据在一个方向上传输;半双工数据传输允许数据在两个方向上传输,但是，在某一时刻，只允许数据在一个 方向上传输，它实际上是一种切换方向的单工通信；全双工数

10、据通信允许数据同时在两个方向上传输，因此,全双工通信是两个单工通信 方式的结合，它要求发送设备和接收设备都有独立的接收和发送能力。2.2数据编码技术和时钟同步2.2.1 数字数据的模拟信号编码为了利用廉价的公共电话交换网实现计算机之间的远程通信，必须将发送端的数字信 号变换成能够在公共电话网上传输的音频信号，经传输后再在接收端将音频信号逆变换成 对应的数字信号。实现数字信号与模拟信号互换的设备称作调制解调器（Modem）。数字信号模拟信号数字信号-TLTL-TLTLT作站tfojeniK公用电话可而画一叵丽图2.6远程系统中的调制解调器模拟信号传输的基础是载波，载波具有三大要素：幅度、频率和相

11、位，数字数据可以针对载波的不同要素或它们的组合进行调制。1 .数字调制的基本形式数字调制的三种基本形式：移幅键控法ASK、移频键控法 FSK、移相键控法 PSK。I 1 0 I 1 I 1 (J () 1 I 0 =n+1 或 2r=k+r+1海明码的编码效率为：R=k/(k+r)式 中 k 为信息位位数 r 为增加冗余位位数2.海明码的生成与接收方法一： (按教科书)1) 海明码的生成。例 1. 已知：信息码为：0010 。海明码的监督关系式为：S2=a2+a4+a5+a6S1=a1+a3+a5+a6S0=a0+a3+a4+a6求：海明码码字。解：1)由监督关系式知冗余码为a2a1a0。2)

12、冗余码与信息码合成的海明码是：0010a2a1a0 。设 S2=S1=S0=0, 由监督关系式得：a2=a4+a5+a6=1a1=a3+a5+a6=0a0=a3+a4+a6=1因此，海明码码字为： 00101012)海明码的接收。例 2. 已知：海明码的监督关系式为：S2=a2+a4+a5+a6S1=a1+a3+a5+a6S0=a0+a3+a4+a6接收码字为： 0011101（n=7）求：发送端的信息码。解：1）由海明码的监督关系式计算得S2S1S0=011。2）由监督关系式可构造出下面错码位置关系表：S2S1S0000001010100011101110111错码位置无错a0a1a2a3a

13、4a5a63）由 S2S1S0=011 查表得知错码位置是a3。4）纠错对码字的a3位取反得正确码字：0 0 1 0 1 0 15）把冗余码a2a1a0删除得发送端的信息码：0010方法二：（不用查表，方便编程）1） 海明码的生成（顺序生成法）。例 3.已知：信息码为： 1 1 0 0 1 1 0 0 （k=8）求：海明码码字。解：1）把冗余码A、B、C、，顺序插入信息码中，得海明码码字 : A B 1 C 1 0 0 D 1 1 0 0 码位 : 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12其中A,B,C,D分别插于2k位（k=0,1,2,3）。码位分别为1,2,4,8。2）冗余码A

14、, B,C,D 的线性码位是：（相当于监督关系式）A-1,3,5,7,9,11 ；B-2,3,6,7,10,11；C-4,5,6,7,12 ； （注 5=4+1 ； 6=4+2； 7=4+2+1 ； 12=8+4）D-8,9,10,11,12。3）把线性码位的值的偶校验作为冗余码的值（设冗余码初值为0） ：A应（0,1,1,0,1,0）=1B =E（0,1,0,0,1,0）=0C=E （0,1,0,0,0）=1D=E （0,1,1,0,0）=04）海明码为:1 0 1 1 1 0 0 0 1 1 0 02)海明码的接收。例 4.已知：接收的码字为： 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1 0 0(k=8) 求：发送端的信息码。解：1)设错误累加器(err)初值=02) 求出冗余码的偶校验和，并按码位累加到err 中 ：A=E (1,0,1,0,1,0)=1er