数据通信技术与应用

1、数据通信技术与应用第一章第一章 绪论绪论OUTLINE1.1 通信系统的基本概念通信系统的基本概念1.2 数据通信及系统组成数据通信及系统组成1.3 数据通信系统中的主要性能指标数据通信系统中的主要性能指标1.1 通信系统的基本概念p通信的目的：传递通信的目的：传递消息消息中所包含的中所包含的信息信息。消息：物质或精神状态的一种反映，如：语音、文字、消息：物质或精神状态的一种反映，如：语音、文字、音乐、数据、图片或活动图像等。音乐、数据、图片或活动图像等。信息：消息中包含的有效内容。信息：消息中包含的有效内容。信息化信息化p通信：信息的传输和交换，或是信息的有效传输通信：信息的传输和交换，或是

2、信息的有效传输p通信手段：通信手段：非电的：如旌旗、烽火台非电的：如旌旗、烽火台电的：如电报、电话、广播、电视、遥控、遥测、因特电的：如电报、电话、广播、电视、遥控、遥测、因特网和计算机通信等网和计算机通信等通信的定义p利用电子技术等手段，借助利用电子技术等手段，借助电信号电信号（含光信号）含光信号）实现从一地向另一地进行信息的有效传递和交换实现从一地向另一地进行信息的有效传递和交换称为称为通信通信。p在电通信系统中，消息的传递是通过电信号来实在电通信系统中，消息的传递是通过电信号来实现的。现的。p电信发明史：电信发明史：1837年，莫尔斯发明有线电报年，莫尔斯发明有线电报1876年，贝尔发明

3、有线电话年，贝尔发明有线电话1918年，调幅无线电广播、超外差接收机问世年，调幅无线电广播、超外差接收机问世1936年，商业电视广播开播年，商业电视广播开播电通信电通信通信系统的组成（1）p通信系统的一般模型通信系统的一般模型p信源：信息的发出者，作用是把各种信息转换信源：信息的发出者，作用是把各种信息转换为原始电信号。为原始电信号。模拟信源、数字信源（离散信源）模拟信源、数字信源（离散信源）一切信息理论上都可以变换成离散信号，这是数一切信息理论上都可以变换成离散信号，这是数字通信技术得到迅速发展的一个重要原因。字通信技术得到迅速发展的一个重要原因。通信系统的组成（2）p发送设备发送设备 将信

4、源和传输介质连接起来，将信源输出的信将信源和传输介质连接起来，将信源输出的信号变换为适合于介质输出的信号形式。号变换为适合于介质输出的信号形式。p传输介质传输介质 又称又称信道信道，将来自发送设备的信号传送到接受，将来自发送设备的信号传送到接受设备的物理介质。设备的物理介质。 分为有线信道和无线信道。分为有线信道和无线信道。通信系统的组成（3）p噪声源噪声源 集中表示信道中的噪声及分散在通信系统中其他集中表示信道中的噪声及分散在通信系统中其他各处的噪声。各处的噪声。p接受设备接受设备 从受到减损的接收信号中正确恢复出原始电信号从受到减损的接收信号中正确恢复出原始电信号p信宿信宿:把原始电信号还

5、愿成相应的消息把原始电信号还愿成相应的消息通信系统的分类（1）（1）按通信业务分类）按通信业务分类（2）按调制方式分类）按调制方式分类（3）按信号特征分类（）按信号特征分类（ ）（4）按传输介质分类）按传输介质分类（5）按工作波段分类）按工作波段分类（6）按信号复用方式分类）按信号复用方式分类通信系统的分类(2)（1）按通信业务分类）按通信业务分类 电话通信系统电话通信系统 数据通信系统数据通信系统 图像通信系统。图像通信系统。（2）按调制方式分类）按调制方式分类p基带传输基带传输 将未经调制的信号直接发送将未经调制的信号直接发送p频带传输（调制传输）频带传输（调制传输） 将各种信号调制后传输

6、，常见调制方式将各种信号调制后传输，常见调制方式P5 表表1-1通信系统的分类(3)（3）按信号特征分类（）按信号特征分类（ ）（4）按传输介质分类）按传输介质分类p 有线通信系统有线通信系统 导线、双绞线、同轴电缆、光纤导线、双绞线、同轴电缆、光纤p 无线通信系统无线通信系统 电磁波（短波电离层传播、微波视距传播、卫星中继）电磁波（短波电离层传播、微波视距传播、卫星中继）（5）按工作波段分类）按工作波段分类p 长波通信长波通信p 中波通信中波通信p 短波通信短波通信p 微波通信微波通信p 远红外线通信远红外线通信 工作波长与频率的关系工作波长与频率的关系: =c/f=3*108/fP6 表表

7、1-2 通信波段与常用传输媒介通信波段与常用传输媒介光速（光速（m/s）通信系统的分类(4)（6）按信号复用方式分类）按信号复用方式分类p 频分复用（频分复用（FDMA） 不同信号占用不同频率范围，传统的模拟通信不同信号占用不同频率范围，传统的模拟通信p时分复用（时分复用（TDMA） 不同信号占据不同的时间区间不同信号占据不同的时间区间p码分复用（码分复用（CDMA） 使用正交脉冲序列分别携带不同信号使用正交脉冲序列分别携带不同信号 移动通信，空间通信移动通信，空间通信p波分复用（波分复用（WDMA） 将不同将不同 波长的激光用不同的数据流调制，再将调波长的激光用不同的数据流调制，再将调制后的

8、光波叠加在一起，用一条光纤传输。制后的光波叠加在一起，用一条光纤传输。通信系统的分类(5)（3）按信号特征分类（）按信号特征分类（ ）p模拟信号和数字信号模拟信号和数字信号 模拟信号：模拟信号：代表消息的信号参量取值连续，如麦克风电压代表消息的信号参量取值连续，如麦克风电压 图：模拟信号图：模拟信号p数字信号：代表消息的信号参量取值为有限个，例如电数字信号：代表消息的信号参量取值为有限个，例如电报信号、计算机输入输出信号报信号、计算机输入输出信号通信系统的分类(6)p数字信号数字信号 图图 数字信号数字信号按照信道中传输的是模拟信号还是数字信号，相应地把按照信道中传输的是模拟信号还是数字信号，

9、相应地把通信系统分为：通信系统分为：p模拟通信系统模拟通信系统 利用连续的模拟信号来传递信息的通信系统。利用连续的模拟信号来传递信息的通信系统。 p数字通信系统数字通信系统通信系统的分类(7)p模拟通信系统模拟通信系统 利用连续的模拟信号来传递信息的通信系统。利用连续的模拟信号来传递信息的通信系统。 两种变换两种变换模拟消息模拟消息 原始电信号（基带信号）原始电信号（基带信号）基带信号基带信号 已调信号（带通信号）已调信号（带通信号）模拟通信系统的模拟通信系统的优缺点优缺点优点：通过信道的信号频谱比较窄，因此信道利用优点：通过信道的信号频谱比较窄，因此信道利用率高率高缺点：抗干扰能力差，不易保

10、密，设备是模拟电路缺点：抗干扰能力差，不易保密，设备是模拟电路不易大规模集成化，不适用于计算机通信的要求不易大规模集成化，不适用于计算机通信的要求通信系统的分类(8)p数字通信系统数字通信系统 。 信源编码信源编码信道编码信道编码信源译码信源译码信道译码信道译码通信系统的分类(8)p数字通信系统数字通信系统 信源编码与译码目的：信源编码与译码目的： 提高信息传输的有效性提高信息传输的有效性 完成模数转换完成模数转换信道编码与译码目的信道编码与译码目的：增强抗干扰能力：增强抗干扰能力加密与解密目的：加密与解密目的：保证所传信息安全保证所传信息安全数字调制与解调目的：数字调制与解调目的：形成适合在

11、信道中传输的带通信形成适合在信道中传输的带通信号号通信系统的分类(8)p数字通信系统数字通信系统 的特点的特点n优点优点抗干扰能力强，且噪声不累积抗干扰能力强，且噪声不累积可靠性高（二次编码，即差错控制编码）可靠性高（二次编码，即差错控制编码）远距离控制远距离控制组建现代数字通信网组建现代数字通信网保密性好保密性好易于集成，使通信设备微型化，重量轻易于集成，使通信设备微型化，重量轻n缺点缺点 需要较大的传输带宽需要较大的传输带宽对同步要求高对同步要求高第一章第一章 绪论绪论OUTLINE1.1 通信系统的基本概念通信系统的基本概念1.2 数据通信及系统组成数据通信及系统组成1.3 数据通信系统

12、中的主要性能指标数据通信系统中的主要性能指标1.2 数据通信及系统组成p数据通信数据通信 主要内容是主要内容是计算机通信计算机通信，是计算机技术和通信技术，是计算机技术和通信技术的结合的结合p组成组成硬件部分：硬件部分：数据传输设备、数据交换设备、通信线路数据传输设备、数据交换设备、通信线路软件部分软件部分支持硬件的网络协议支持硬件的网络协议数据通信的产生20世纪世纪40年代，电子计算机的出现改变了人们年代，电子计算机的出现改变了人们加工处理数据和信息的方式。加工处理数据和信息的方式。计算机通信提高了计算机的利用率，扩大计算计算机通信提高了计算机的利用率，扩大计算机的应用范围。机的应用范围。计

13、算机和通信技术相结合，大大发挥通信的作计算机和通信技术相结合，大大发挥通信的作用，促进通信技术的发展和变革。用，促进通信技术的发展和变革。数据通信的发展（1）4个阶段个阶段（1）具有通信功能的单机联机终端系统具有通信功能的单机联机终端系统（2）具有通信功能的多处理机联机终端系统具有通信功能的多处理机联机终端系统（3）计算机通信网计算机通信网（4）计算机网络计算机网络数据通信的发展（2）（1）具有通信功能的单机联机终端系统）具有通信功能的单机联机终端系统20世纪世纪60年代中期以前，计算机主机昂贵，而通信年代中期以前，计算机主机昂贵，而通信线路和通信设备相对便宜。线路和通信设备相对便宜。单计算机

14、联机终端系统的特点：单计算机联机终端系统的特点：（1）主机负荷重、效率低（通信）主机负荷重、效率低（通信+数据处理）数据处理）（2）通信线路的利用率低）通信线路的利用率低（3）属于集中控制方式，可靠性低）属于集中控制方式，可靠性低数据通信的发展（3）单机联机终端系统的改进：单机联机终端系统的改进：设置前端处理机设置前端处理机处理与终端的通信处理与终端的通信数据通信的发展（4）（2）具有通信功能的多处理机联机终端系统）具有通信功能的多处理机联机终端系统 20世纪世纪60年代中期到年代中期到70年代中期年代中期数据处理数据处理+通信通信数据通信的发展（5）（3）计算机通信网）计算机通信网 通信控制

15、处理器通信控制处理器（Communication Control Processor，CCP）数据通信的发展（6）公用数据通信网公用数据通信网数据通信的发展（7）（4）计算机网络）计算机网络 计算机通信网计算机通信网和和计算机网络计算机网络的关键区别：的关键区别：n在计算机通信网中，用户要参与管理计算机资源在计算机通信网中，用户要参与管理计算机资源n在计算机网络中，其资源是由网络操作系统自动进在计算机网络中，其资源是由网络操作系统自动进行管理行管理数据通信的应用p城市智能交通管理系统城市智能交通管理系统p气象预报系统气象预报系统p军事指挥自动化系统军事指挥自动化系统p其他系统（农业生产、动力工

16、程、地质勘探、其他系统（农业生产、动力工程、地质勘探、灾情预报及控制等）灾情预报及控制等）数据通信系统的组成（1）以校园网为例以校园网为例数据通信系统的组成（2）p路由器和交换机路由器和交换机 Catalyst 5000,Catalyst4000,Cisco 7010,Cisco 2511,集线器集线器p网络服务器网络服务器Internet服务器，数据库服务器，文件服务器服务器，数据库服务器，文件服务器p网络通信协议网络通信协议高层网络协议高层网络协议TCP/IP低层传输协议低层传输协议IEEE802.3主干线标准：主干线标准：SONET/SOH的的OC/STM标准标准路由器支持协议路由器支持

17、协议PPP, Frame Relay，X.25, ISDN数据通信系统的组成（3）p连网技术连网技术主干网：交换式主干网：交换式1000M以太网连网技术，全连接拓扑以太网连网技术，全连接拓扑楼内局域网：快速交换式以太网（楼内局域网：快速交换式以太网（10/100M）,星型拓星型拓扑扑第一章第一章 绪论绪论OUTLINE1.1 通信系统的基本概念通信系统的基本概念1.2 数据通信及系统组成数据通信及系统组成1.3 数据通信系统中的主要性能指标数据通信系统中的主要性能指标1.3 数据通信系统中的主要性能指标p有效性指标有效性指标 数据的传输速率数据的传输速率p可靠性指标可靠性指标数据在传输过程中出

18、现的差错率数据在传输过程中出现的差错率p抗干扰能力指标抗干扰能力指标信噪比信噪比有效性指标(1)用用传输速率传输速率和和频带利用率频带利用率来衡量来衡量码元传输速率码元传输速率RB:单位时间（秒，单位时间（秒，s）传送码元的数）传送码元的数目，单位为波特（目，单位为波特（Baud）,简记为简记为B。RB= （B） 其中其中T - 码元的持续时间（秒）码元的持续时间（秒） 信息传输速率信息传输速率Rb :单位时间（秒，单位时间（秒，s）传送的平均信）传送的平均信息量或比特数，单位为比特息量或比特数，单位为比特/秒，记为秒，记为b/s,或或bps。 1 T有效性指标(2)码元传输速率码元传输速率R

19、B和和信息传输速率信息传输速率Rb之间的关系之间的关系 Rb = RB log2M（b/s）或或 Rb = （B）对于二进制数字信号：对于二进制数字信号：M=2，码元传输速率和信息，码元传输速率和信息传输速率在数量上相等。传输速率在数量上相等。对于多进制，如对于多进制，如8进制（进制（M=8），如码元传输速率为），如码元传输速率为1200B,则信息传输速率为则信息传输速率为3600b/s。 RB log2M有效性指标(2)频带利用率：单位带宽（频带利用率：单位带宽（1赫兹）内的传输速率赫兹）内的传输速率 = （B/Hz）或或 b = b/sHz RB B Rb B可靠性指标常用常用误码率误码率

20、和和误信率（误比特率）误信率（误比特率）表示表示误码率误码率 Pe=误信率误信率 Pb= 在二进制中，在二进制中， Pe= Pb 传错码元的个数传错码元的个数 传输码元的总数传输码元的总数 传错的比特数传错的比特数 传输的总比特数传输的总比特数抗干扰能力指标使用使用信噪比信噪比来表示来表示信噪比信噪比：信号平均功率与噪声的平均功率之比。：信号平均功率与噪声的平均功率之比。 S/N=Ps/Pn 其中Ps - 信号的平均功率 Pn - 噪声的平均功率为了使用方便，采用为了使用方便，采用分贝（分贝（dB）为单位来表示信为单位来表示信噪比，转换公式为噪比，转换公式为 （S/N）dB=10lg(Ps/P

21、n)=10lg(S/N)本章小结基本概念基本概念计算计算 码元速率，信息速率，频带利用率的计算码元速率，信息速率，频带利用率的计算分贝p分贝-形容声音大小的物理量 p分贝（decibel）dB 分贝是以美国发明家亚历山大格雷厄姆贝尔命名的，他因发明电话而闻名于世。因为贝尔的单位太粗略而不能充分用来描述我们对声音的感觉，因此前面加了“分”字，代表十分之一。一贝尔等于十分贝。声学领域中，分贝的定义是声源功率与基准声功率比值的对数乘以10的数值。用于形容声音的响度。分贝pdecibel;dBp表示一种单位，即两种电或声功率之比或两种电压或电流值或类似声量之比；p定义： 以两功率或两个场量之比的常用对

22、数再乘以10的形式表示该比的单位p分贝还是一种测量声音相对响度的单位。p大约等于人耳通常可觉察响度差别的最小值；人耳对响度差别能察觉的范围，大约包括以最微弱的可闻声为1而开始的标度上的130分贝对频率的定义分贝p响亮度是声音或噪音的另一个特性。强的噪音通常有较大的压力变化，弱的噪音压力变化则较小。压力和压力变化的量度单位为帕斯卡，缩写为Pa。其定义为牛顿/平方米 ( N/m2)。人类的耳朵能感应声压的范围很大。正常的人耳能够听到最微弱的声音叫作听觉阈，为20个微巴斯卡 (缩写为Pa) 的压力变化，即20 x10-6 Pa (“百万分之二十巴斯卡”)。另一方面，非常噪吵的情况能产生很大的压力变化

23、，例如一架太空穿梭机在发出最大马力时能在近距离产生大约 2,000 Pa或2 x 109Pa的噪音。分贝p如用巴斯卡(Pa)来表达声音或噪音，须处理小至20，大至2,000,000,000的数字。p较简单的做法是用一个对数标度(logarithmic scale)来表达声音或噪音的响亮度，以10作为基数。为避免以巴斯卡(Pa)来表达声音或噪音（以防处理难以操纵的数字），故使用分贝(dB)这个标度。该标度以听觉阈，20 Pa 或20 x 10-6 Pa作为参考声压值，并定义这声压水平为0分贝(dB)。声压级，缩写通常为SPL或者Lp，其单位为分贝(dB)，可经由以下算式求得： pSPL=10LOG(10)p(e)/p(ref) p p(e)为待测声压有效值，p(ref)为参考声压。 分贝p用对数标度来表达声音和噪音还有另一优点：用对数标度来表达声音和噪音还有另一优点：人类的听觉反应是基于声音的相对变化而非绝人类的听觉反应是基于声音的相对变化而非绝对的变化。对数标度正