数据通信原理1

参考《通信原理》或《数字通信原理》《计算机网络》或《计算机通信网》《纠错编码技术》或《信息论与编码》《高频电子线路》《数据通信技术基础》或《数据通信与计算机网络》第一章概述1.1数据通信的概念1.1.1数据与数据信号数据：烽火，甲骨文，竹简、纸书、模拟、数字信号等有意义的实体数据：以任何格式表示的信息，该格式由创建和使用数据的双方均已达成共识数据的概念：数据是预先约定的、具有某种含义的任何一个数字或一个字母(符号)以及它们的组合。如“1”,“0”表示开、关数据信号----表示数据的电信号以数据“0”和“1”为例,要传输它们,必须以一定波形的电信号（数据信号）来表示。例如用一定时间长度的正电压代表数字“1”,用负电压代表数字“0”,如图1-1所示。二电平信号多电平信号数据分为模拟数据(连续)和数字数据(离散)数据信号分为：模拟信号(连续变化的)和数字信号(0、1电压脉冲)模拟信号和数字信号模拟信号时间上连续，包含无穷多个信号值模拟信号能在数字信道上传输吗？数字信号时间上离散，仅包含有限数目的信号值。最常见的是二值信号数字信号能在模拟信道上传输吗？ta）模拟信号tb）数字信号1.1.2数据通信（datacommunication）

的概念以传输数据即代码为业务的通信是在两台设备之间通过诸如线缆的某种形式的传输介质进行的数据交换数据通信：依照通信协议，利用数据传输技术在两个功能单元之间传递数据消息，它可实现计算机与计算机、计算机与终端、以及终端与终端之间的数据信息传递。数据信号的基本传输方式：基带、频带、数字数据传输1.1.3传输代码-----表示各种数据数据是由数字、字母(符号)等组成的,要用许多不同形状的电压来表示它们是不现实的。解决办法是采用传输代码。如用“1000001”表示A，用“1011010”表示Z.这里所说的传输代码就是二进制的组合,即二进制代码。目前,常用的二进制代码有国际5号码(IA5)、EBCDIC码和国际电报2号码(ITA2)等。(一)国际5号码（部分）国际5号码国际5号码是一种7位二进制码，1963年美国标准协会提出，又叫美国信息交换用标准代码（americanstandardcodeforinformationinterchange）共有2的7次方=128种组合，可表示128个不同的字母（大小写26个）、数字（10个）、图形符号33，控制符号32个，以及一个del删除符号。国际5号码我国于1980年公布的国家标准总局“信息处理用7位编码字符表”与它的区别只在位置2列4行上，把国际通用货币符号＄改为我国货币（人民币）的标志表中第1列和第2列的字符作控制字符用，只产生控制作用，不能被显示或打印。其中NUL表示“空白”；FE0到FE5是页面的格式化控制字符；DC1至DC4是控制外围设备的字符；IS2至IS4是分隔信息用的分隔字符；TC1至TC10是传输控制字符。国际5号码代码在传输过程中以b1作为第1位，b7作为最后一位。为提高传输的可靠性，CCITTV.4建议规定，在b7之后加第8位b8码位作为奇偶校验位。（2）EBCDIC码

extendedbinarycodeddecimalinterchangecode是一种扩展了的二一十进制交换码，EBCDIC码是一种8单位代码。但它的第8位（b8）码不是奇偶校验位，是用来扩展功能。这种码只能作为计算机内部的代码来使用，尤其不能用于远距离传输。InternationaltelegraphalphabetNo.2（3）国际电报2号码（ITA2）ITA2国际电报2号码又叫做波多码，是一种5单位代码，也就是用5单位二进制码来表示一个字母、数字或符号。是起止式电传电报通信中常采用的标准信息代码，也应用在一些低速数据通信系统。1.2数据通信系统的构成数据通信系统是指利用数据电路把分布在各处的数据终端设备（DataTerminalEquipment，DTE）、计算机系统等连接起来，以便实现数据传输、交换、存储和处理的系统。

如图，数据通信系统通常由三部分构成：•（1）中央计算机系统、•（2）数据终端设备、•（3）数据电路等。图1-2数据通信系统的基本构成（一）数据终端设备（DTE）相当于人和机器(计算机)之间的接口。由以下设备组成（1）产生数据的数据源—数据输入设备，（2）接收数据的数据宿—数据输出设备，（3）以及传输控制器组成。（二）数据电路

1、数据电路：由传输信道以及信道两端的数据电路终接设备（DataCircuitTerminatingEquipment，DCE）组成。•由通信线路和通信设备组成，•通信线路由传输媒介组成，可以简称为传输路径或信道。•传输媒介又可以分为有线媒介和无线媒介两大类：（1）有线媒介主要有：明线，各种电缆、光缆等；（2）无线媒介主要有：微波中继电路，通信卫星，无线通信，移动通信等。2．传输信道3.DCE一般安装在用户处，是在DTE接口和信道之间进行信号变换或编解码DCE的功能：要依据传输媒介或通信网是模拟的还是数字的而定。•①如果传输媒介或通信网（即信道）是模拟的，

DCE的作用是：•a.在DTE接口和信道之间进行信号变换，也 就是把DTE送来的数据信号调制成模拟信号的形式再送往信道；•b.或者反过来把信道送来的已调制的模拟信号 解调出数据信号，再送往DTE。也就是说， 这时的DCE就是常见的Modem－调制解调 器。Modem可以使来自发方DTE的基带数据信号调制载频信号，实现频谱搬移。收方的DCE则实现与发方相反的功能。•②如果传输媒介或通信网是数字的，DCE就改换成数据服务单元（DataServiceUnit，DSU）。这时DCE的作用是：•a.完成对信号的码型和电平进行转换;•b.消除原数据信号内的直流分量；•c.收发时钟的形成与供给，防止数数据信号中出现长连“l”码或长连“0”码，使得无法提取位定时信号，造成收、发双方的失步。•（三）中央计算机系统——由主机、通信控制器以及外围设备等两部分组成。（1）主机及外部设备•①主机又叫做中央处理机，主要功能是进行数据处理。•②由中央处理单元（CPU）、主存储器、 输入输出设备以及其他外围设备等组成。（2）通信控制器实现差错控制、终端的接续控制、确认控制、传输顺序控制和切断，及并/串、串/并变换等通信控制功能。

（四）数据链路•1．由控制装置（传输控制器和通信控制器）和数据电路所组成。•2．数据通信中是没有人直接进行参与的。但数据通信中也必须解决呼叫、建立线路、拆除线路以及差错控制等，才能实现有效通信。这些工作由装有传输控制规程的传输控制器和通信控制器来完成。•3．数据电路添加了传输控制规程后构成了 数据链路，才能进行有效的数据通信。由 于数据链路遵循了较完善的传输控制协议， 数据链路提供的传输质量要比数据电路提 供的质量高得多。因为数据链路可以达到 的平均误码率为10-8～10-10；而数据电路 却只能达到10-4～10-5。调制/解调：利用模拟信道支持数据信息传输的技术调制：将数据信息变换成适合于模拟信道上传输的电磁波（称为载波）信号，（数字-->模拟）解调：将从模拟信道上收取的载波信号还原成数据信息。（模拟-->数字）调制解调器：具有调制/解调功能的通信设备。调制：用模拟信号承载（数字或模拟）数据数字或模拟数据ModulatorDemodulator数字或模拟数据模拟信号g(t)s(t)g(t)载波模拟信道发送方接收方调制解调编码/解码(COdingandDECoding)编码：将模拟信息转换为数字信号的过程解码：将数字信号还原为模拟信息的逆过程EncoderDecoder数字或模拟数据数字信号x(t)g(t)数字或模拟数据数字信道发送方接收方g(t)编码解码脉码调制技术（PCM）采样：通过某种频率的取样脉冲将模拟信息的值取出，变连续的模拟信息为离散信号。量化：量化的目的是确定采样出的模拟信号的数值。通过规定一定的量化级，对取样的离散值进行“取整”量化，得到离散信号的具体数值。编码：将量化后的值编码成一定位数的二进制值。通过编码/解码技术，可以保证计算机之间以数字信号的方式进行通信

011000100110111101001010a)信号的量化b)采样信号幅度的量化图

脉码调制（PCM）的原理1.3数据通信传输信道

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。计算机网络中主要采用数字信道进行数据传输ADSL、ISDN、DDN、ATM、局域网模拟信道：以连续模拟信号形式传输数据的信道。CATV、无线电广播、电话拨号线路按传输方式：根据传输的信号形式分为

目前数据通信系统中的信道主要有三种类型:物理实线传输媒介信道,如双绞线电缆、同轴电缆等；电话网传输信道；数字数据传输信道。1．物理实线传输信道(1)双绞线电缆

结构

螺旋绞合的双导线通信距离几~几十千米传输信号模拟、数字传输特性低通传输速率100~155MHz（短距离）内导体芯线绝缘内屏蔽外屏蔽外套(2)同轴电缆结构内导体为单股或多股铜质芯线，外导体使用时接地传输特性低通，频带比双绞线的宽传输速率基带10Mbit/s（2.5km），宽带300~450MHz(100km)（加多级放大器）应用:局域网；电话网中局端设备之间的连接；有线电视系统的信号传输线；射频信号传输线光纤（OpticalFiber）依靠光波承载数据，光脉冲在玻璃纤维中传播优缺点：传输带宽高：仅受光电转换器件的限制（＞100Gb/s）传输损耗小，适合长距离传输抗干扰性能极好、误码率低，保密性好轻便价格较高需要光电转换纤芯材料：塑料二氧化硅

（高纯玻璃）光纤传输原理——光的反射光从折射率高的介质入射到折射率低的介质时会产生折射。折射量取决于两种介质的折射率。当入射角≥临界值时产生全反射，不会泄漏。纤芯-折射率高，玻璃包层-折射率低亮度调制：有光脉冲-1，无光脉冲-0光传输系统：光源、介质、光检测光源：850nm/1300nm/1500nm，发光二极管/激光二极管光检测器：光电二极管/雪崩二极管单向传输，双向需两根光纤应用领域：局域网主干、电信网络、服务器连接多模光纤(MMF)单模光纤(SMF)：光纤的直径接近一个光波波长多束光线以不同的反射角传播激光器包层，折射率低纤芯，折射率高亮度调制光检波器激光器光检波器多束光线沿直线传播典型的光缆单芯光缆多芯光缆玻璃封套塑料外套玻璃内芯玻璃内芯塑料外套玻璃封套外壳常见规格：纤芯——50um缓变型-MMF62.5um缓变型/增强型-MMF8.3um突变型-SMF

包层——125um2.电话网传输信道所谓电话网传输信道是指通过用于传输话音信号的电话网络传输数据信号。电话网络的连接示意图如图1-4所示。图1-4电话网络传输数据信号的连接示意图(a)发送端原理方框图4.3~7.4kHz8.3~11.4kHz4kHz12kHz8kHz多路信号输出相乘带通低通话音输入1f1相乘带通低通话音输入2f2相乘带通低通话音输入3f3300~3400Hz300~3,400Hz300~3,400Hz频分复用电话通信系统原理14kHz8kHz12kHz基带语音信号300–3,400Hz4.3–7.4kHz8.3–11.4kHz12.3–15.4kHzf0多路信号输入(b)接收端原理方框图话音输出1话音输出2话音输出3相乘低通带通f1相乘低通带通f1相乘低通带通f14.3~7.4kHz8.3~11.4kHz12.3~15.4kHz3400Hz3400Hz3400Hz8kHz12kHz4kHz频分复用电话通信系统原理23．数字数据传输信道数字数据传输信道连接示意图如图1-5所示。图1-8数字数据传输信道连接示意图ch0ch1ch2ch3ch30ch312.048Mbps传输线路ch0ch1ch2ch3ch30ch31tch0ch1ch2ch3ch15ch16ch17ch3115个话路15个话路同步传送信令T(125us)时分复用帧E1系统复用与解复用电话终端产生的话音模拟信号首先在发送端进行A/D变换，即经过抽样、量化和编码三个步骤变换为数字信号，8bit表示一根话音信号的抽样值的幅度大小，由于话音信号以8kHz频率抽样，因此在传输中丢失或搞错少量抽样值，在接收端仍能利用低通滤波器，把数字信号还原为模拟信号30/32路PCM体系:基群速率(30路):32*64=2048kbit/s----120路,8448kbit/s1.3.3噪声与干扰信道内噪声的来源是很多的,它们表现的形式也多种多样。根据它们的来源不同,可以粗略地分为3类。1.工业噪声2.天电噪声3.内部噪声1.3.4信噪比信噪比就是用来描述信号传输过程所受到损耗和噪声干扰程度的量。信噪比是指某一点上的信号功率与噪声功率之比，可表示为

(1-5)信噪比通常是以分贝（dB）来表示的，其公式为(1-6)脉冲干扰起伏噪声、随机噪声高斯噪声白噪声1.4数据传输方式1.4.1并行传输与串行传输并行传输是将数据以成组的方式在两条以上的并行信道上同时传输。串行传输是组成字符的若干位二进制码排列成数据码流以串行方式在一条信道上传输。在串行传输时数据传输有异步传输和同步传输两种方式。异步传输中,每次传送一个字符或一个信息传输单元。即在发送每一个字符代码的前面均加上一个“起”信号,其长度规定为一个码元,极性为“0”,后面均加一个“止”信号。即：每个字符的传输需要：1个起始位、5～8个数据位、1、1.5或2个停止位采用这种异步方式的通信也称“异步通信”。起止式的优缺点：频率的漂移不会积累，每个字符开始时都会重新获得同步；每两个字符之间的间隔时间不固定；增加了辅助位，所以传输效率低；例如，采用1个起始位、8个数据位、2个停止位时，其传输效率为8/11≈73％应用：1200bps以下低速数据传输1.4.2异步传输起始位数据位停止位字符间隔不固定1个字符时间逻辑“0”逻辑“1”1010111000tdT终止信号起始信号理解1010111000tdT当接收时钟与发送时钟产生偏差，其后果如何？同步传输T原理：整个传输过程以固定的时钟节拍来发送数据信号。数据的发送以组或帧为单位，在每组的开头与结尾处加入特定的字符，作为开始和结束的标志。,接收端要从收到的数据码流中正确区分发送的字符,必须建立位定时同步和帧同步。实现位同步的方法有两种：外同步法和自同步法应用：2400bps及以上较高速率的传输优缺点DTEDCE局域网用户通过Internet上网通信数据线、定时（时钟）线曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码收、发双方如何保持位（比特）同步？实现同步的方法：外同步法和自同步法

同步信号的获取（1）外同步法 由发送端发送专门的同步信息，接收端把这个专门的同步信息检测出来作为同步信号的方法，称为外同步法。（2）自同步法 发送端不发送专门的同步信息，接收端设法从收到的信号中提取同步信息的方法，称为自同步法。帧同步：帧（Frame）：数据链路中的传输单位——包含数据和控制信息的数据块以同步字符（SYN，16H）来标识一个帧的开始，适用于数据为字符类型的帧（也叫字符同步）以特殊位序列（7EH，即01111110）来标识一个帧的开始，适用于任意数据类型的帧帧起始控制信息数据帧结束校验和0–nbit8bit8bit8-32m7EH7EH（1）异步通信8，N，1U=有效传信比特（8）/总传输比特（8+2）=80%（2）同步通信设：LAN帧结构的帧头/尾开销为6字节， 而承载1500字节信息，则U=1500/（1500+6）=99.6%效率1.4.3单工、半双工和全双工数据传输

根据实际需要数据通信可采用单工、半双工和全双工数据传输。通信一般总是双向的,有来有往,这里所谓单工、双工等,指的是数据传输的方向。

单工数据传输是两数据站之间只能沿一个指定的方向进行数据传输。半双工数据传输是两数据站之间可以在两个方向上进行数据传输,但不能同时进行。全双工数据传输是在两数据站之间,可以在两个方向上同时进行传输。发送器接收器发送器/接收器发送器/接收器发送器/接收器发送器/接收器单工方式半双工方式全双工方式A站B站可同时不可同时小结：全双工数据传输往往采用四线线路来实现。单工或半双工数据传输往往两线线路来实现。两线线路也可实现全双工数据传输，但此时往往需要采用频率复用、时分复用或回波抵消技术等较为复杂的技术。1.5数据通信系统的主要性能指标1.5.1有效性指标1.调制速率调制速率的定义是每秒传输信号码元的个数,又称波特率,单位为波特(Bd)。2.数据传信速率是每秒钟传输二进制码元的个数,又称比特率,单位为比特/秒(bit/s,或bps),有时用千比特/秒(kbit/s)、兆比特/秒(Mbit/s),或kbps和Mbps。3.数据传信速率与调制速率的关系数据传信速率(bit/s)和数据调制速率(Bd)之间存在一定关系。当信号为M电平,即M进制时,传信速率与调制速率关系为(bit/s)(1-8)•2.例：图（a）为在一个信号码元中有两种状 态的二电平信号。图（b）为四电平信号， 也就是说一个码元T可以取四种不同的值（状态）；±3和±1，因此每个信号码元可以代表四种情况之一。所以它可以表示2个 传输代码的4（22=4）种组合。图（a），（b）均属于基带信号。图（c）为调频已调信号波形，以f0表示代码“0”，f1表示代码“l”。如果这三种数据信号码元时间T相等，T=417×10—6秒，则它们的调制速率相等。 即调制速率为：NBd=RB=1/T=1/417×10－6≈2400波恃4.数据传送速率定义是