数据通信的基础知识2

第3章

数据通信

技术基础

本章学习内容及要求

熟悉数据通信的基本概念掌握信道复用技术、编码技术、交换技术和差错控制技术的原理和实现方法掌握网络传输时延计算方法以及网络传输介质的选用方法3.1.1信息、数据与信号信息是在人们之间传递的知识，数据是信息的具体表现形式，其本身是各种各样的物理符号或它们的组合信息涉及到数据的内容和解释信号是数据的电子或电磁编码，数据必须经过编码转换为电信号后才能在传输介质中传输数据和信号都有两种不同的形式一种称为模拟数据和信号另一种称为数字数据和信号“模拟的”(analogous)：代表信号参数取值是连续的。“数字的”(digital)：代表信号参数取值是离散的。两种数据、两种信号有四种类型的编码组合:即数字数据分别编码成数字信号或模拟信号模拟数据分别编码成模拟信号或数字信号

3.1.2通信的基本要求通信的双方完成一次通信需要满足三个基本要求：一是双方有通信的愿望二是通信的双方之间有信息传递的信道，也即是说通信要经过传输介质以及有关的传输设备三是通信双方要遵循通信的规则和约定，即通信双方按照通信协议传输信息，并能理解这些通信协议

信道信道与电路并不等同，信道表示信号的通路，一般是用来表示向某一个方向传输信息的媒体一条通信电路往往包含一条发送信道和一条接收信道信道与传输介质也是有区别的传输介质是指用于连接两个或多个网络节点的物理传输线路

通信信道建立在传输介质之上包括传输介质和通信设备按信道中传输的是模拟信号还是数字信号，把信道分为模拟信道和数字信道。

3.1.6基带传输和频带传输把基本频率分量对应的矩形脉冲信号称为基本频带，简称为基带，对应的矩形脉冲信号称为基带信号(即基本频带信号baseband)。像计算机输出的代表各种文字或图像文件的数据信号都属于基带信号。基带传输就是在数字信道上直接传送基带信号频带传输是利用模拟信道传输数据信号，例如把计算机设备输出的信号进行调制以后再放在传输介质上传输。频带传输有时也称为宽带传输频带传输的目的是，把基带信号经过载波调制后，将信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输。信道的带宽带宽(broadwidth)与信道可以允许通过的信号的最高频率与最低频率有关，一个信道允许的信号的最大频率和最低频率的差值，称为该信道的带宽。3.1.3数据通信传输系统模型一个数据通信系统由源系统、传输系统、目的系统三部分组成

调制解调器主机A公用电话网调制解调器数字比特流数字比特流模拟信号模拟信号输入汉字输出汉字主机B3.1.4计计算机网网络中的的速率计算机网网络中信信号的速速率涉及及三种：：传播速率率；调制制速率；；数据传传输率信号的传传播速率率是常量量传播速率率，是一一个常量量，与光光速联系系调制速率率也称为为码元速速率、波波形速率率或信号号速率指的是每每秒种发发送信号号的数目目，单位位为波特特(baud)数据传输输率为每每秒种发发送的二二进制位位数，单单位为bps，读作每每秒位。。调制速率率与数据据传输率率之间的的关系调制速率率与数据据传输率率之间的的关系为为：C=Blog2L(bps)其中：C为数据传传输率；；B为调制速速率；L为一个信信号可能能取值的的个数每个信号号有4种种电平（（状态））的情况况信号可能能的取值值个数L=4，，则调制制速率B与数据据率C之之间的关关系为：：C=2B3.1.4信道的最最大容量量任何实际际的信道道都不是是理想的的，在传传输信号号时会产产生各种种失真以以及带来来多种干干扰。码元传输输的速率率越高，，或信号号传输的的距离越越远，在在信道的的输出端端的波形形的失真真就越严严重。数字信号号通过实实际的信信道有失真，，但可识识别失真大，，无法识识别实际的信信道（带宽受受限、有有噪声、、干扰和和失真））发送信号号波形接收信号号波形发送信号波形实际的信道（带宽受限、有噪声、干扰和失真）接收信号波形信道传输输数据的的能力是是受到限限制的，，信道的的最大容容量与信信道的带带宽有关关。在任何信信道中，，码元传传输的速速率是有有上限的的，否则则就会出出现码间串扰扰的问题，，使接收收端对码码元的判判决（即即识别））成为不不可能。。如果信道道的频带带越宽，，也就是是能够通通过的信信号高频频分量越越多，那那么就可可以用更更高的速速率传送送码元而而不出现现码间串串扰。1924年年，，奈奈奎奎斯斯特特(Nyquist)就就推推导导出出了了著著名名的的奈氏氏准准则则。他他给给出出了了在在假假定定的的理理想想条条件件下下，，为为了了避避免免码码间间串串扰扰，，码码元元的的传传输输速速率率的的上上限限值值。。理想想低低通通信信道道的的最最高高码码元元传传输输速速率率=2HBaudH是理理想想低通通信信道道的带带宽宽，，单单位位为为赫赫(Hz)奈氏氏(Nyquist)准准则则不能通过能通过0频率(Hz)H(Hz)将调调制制速速率率与与数数据据率率的的关关系系带带入入，，可可得得奈奈奎奎斯斯特特定定理理的的公公式式为为（（理理想想信信道道））：：C=2Hlog2L(bps)例：：假定定一一条条线线路路每每秒秒采采样样16次次，，传传输输信信号号共共有有16种种状状态态，，则则传传输输速速率率是是A、、16bit/sB、、48bit/sC、、64bit/sD、、256bit/s练习习一个个带带宽宽为为3k的的理理想想低低通通信信道道，，其其最最高高码码元元传传输输速速率率是是多多少少？？若若一一个个码码元元能能携携带带3bit信信息息，，则则其其最最高高传传输输率率是是多多少少？？设信信号号的的脉脉冲冲周周期期为为0.002s，，脉脉冲冲信信号号有有效效值值状状态态个个数数为为8，，问问如果果用用二二进进制制代代码码表表示示上上述述信信号号，，一一个个脉脉冲冲信信号号需需要要用用几几位位二二进进制制代代码码表表示示用二二进进制制代代码码表表示示上上述述信信号号，，其其数数据据率率是是多多少少？？信噪噪比比噪声声存存在在于于所所有有的的电电子子设设备备中中，，它它可可以以影影响响接接收收端端对对码码元元的的判判决决。。如如果果信信号号较较强强则则噪噪声声的的影影响响就就相相对对较较小小。。信噪噪比比就就是是信信号号的的平平均均功功率率与与噪噪声声的的平平均均功功率率之之比比，，记记为为S/N。。S为信信道道内内所所传传信信号号的的平平均均功功率率；；N为信信道道内内部部的的高高斯斯噪噪声声功功率率。。信噪噪比比的的度度量量单单位位是是分分贝贝（（dB）），，其其定定义义为为：：信噪噪比比（（dB））=10log10(S/N)（（dB））例如如，，S/N=1000时时，，信信噪噪比比为为30dB。。香农农定定理理香农农(Shannon)用用信信息息论论的的理理论论推推导导出出了了带带宽宽受受限限且且有有高高斯斯白白噪噪声声干干扰扰的的信信道道的的极限限、、无无差差错错的的信息息传传输输速速率率。。信道道的的极极限限信信息息传传输输速速率率C可表表达达为为C=Hlog2(1+S/N)b/sH为信信道道的的带带宽宽（（以以Hz为为单单位位））；；香农农公公式式表表明明信道道的的带带宽宽或或信信道道中中的的信信噪噪比比越越大大，，则则信信息息的的极极限限传传输输速速率率就就越越高高。。只要要信信息息传传输输速速率率低低于于信信道道的的极极限限信信息息传传输输速速率率，，就就一一定定可可以以找找到到某某种种办办法法来来实实现现无无差差错错的的传传输输。。若信信道道带带宽宽W或信信噪噪比比S/N没有有上上限限（（当当然然实实际际信信道道不不可可能能是是这这样样的的）），，则则信信道道的的极极限限信信息息传传输输速速率率C也就就没没有有上上限限。。实际际信信道道上上能能够够达达到到的的信信息息传传输输速速率率要要比比香香农农的的极极限限传传输输速速率率低低不不少少。。问题题对于于频频带带宽宽度度已已确确定定的的信信道道，，如如果果信信噪噪比比不不能能再再提提高高了了，，并并且且码码元元传传输输速速率率也也达达到到了了上上限限值值（（但但数数据据率率未未达达到到香香农农公公式式得得到到的的上上限限）），，那那么么还还有有办办法法提提高高信信息息的的传传输输速速率率吗吗？？答案案：：用用编编码码的的方方法法让让每每一一个个码码元元携携带带更更多多比比特特的的信信息息量量。。也就就是是增增加加码码元元的的状状态态数数。。例：：一个个带带宽宽为为的的3kHz信信道道，，其其信信噪噪比比为为20dB，，则则可可以以获获得得的的最最大大数数据据率率是是（（））A、、6kbit/sB、、6.66kbit/sC、、19.8kbit/sD、、20kbit/s3.1.7通信信双双方方信信息息交交互互的的方方式式依据据通通信信的的方方向向讨讨论论，，通通信信双双方方信信息息交交互互的的方方式式有有三三种种基基本本方方式式单向向通通信信，，只只能能有有一一个个方方向向上上的的通通信信，，即即A只能能传传给给B双向向交交替替通通信信，，通通信信的的双双方方都都可可以以发发送送信信息息，，但但不不能能同同时时发发送送，，在在某某一一个个时时刻刻仅仅存存在在一一个个方方向向上上的的通通信信双向向同同时时通通信信，，通通信信的的双双方方可可以以同同时时发发送送和和接接收收信信息息这里需要指指明的是上述三个基基本方式是是规范的术术语，分别别对应以前前的单工、、半双工、、全双工3.1.8异步传输和和同步传输输在计算机网网络和通信信网络中都都是采用串串行传输，这是由于于远距离传传输要考虑虑到技术实实现上的要要求和传输输线路的费费用串行传输在在具体应用用中，又分分为异步和和同步传输输异步和同步步传输都要要考虑收发发双方的同同