计算机网络与通讯之数据通信基础

第2章数据通信基础1第一页，共六十三页。目录2.1数据通信的基础知识2.1.0基本概念2.1.1通信系统的模型2.2信道特性2.2.1信道带宽与数据传输速率的关系2.2.2带宽与傅立叶分析2.2.3信道的最大数据速率2.2.4信道时延2.3物理传输介质2.3.1双绞线2.3.2同轴电缆2.3.3光纤2.3.4无线信道2.4数据传输方式2.5数据编码2.6数字调制技术2.7脉码调制2.8数据通信的交换方式2.9多路复用技术2.10差错控制2第二页，共六十三页。数据：(Data)

信息：(Information)

信号：(Signal)

2.1数据通信的基础知识2.1.0基本概念数据是对客观事实进行描述的物理符号，是一种能够传递信息的载体。信息是数据中包含的意义，或者说对数据的进一步解释，是数据按有意义的关联排列的结果。（另教材P31：香农的定义）信号是数据在传输过程中的表现形式，即信号是数据的电编码或电磁编码。模拟信号：时间和幅度的取值都是连续的，如温度、压力、流量等；数字信号：时间上离散，幅度上量化，一般是由0，1的二进制代码组成的数字序列。3第三页，共六十三页。信源：发出信号的电子设备变换器：将原始信号变换为适合信道传输的信号类型信道：信息的通道，用于信号传输的媒介及相关设备反变换器：将信道上的信号转换成信宿可接收的信号类型信宿：信号的接收设备2.1数据通信的基础知识2.1.1通信系统的模型现实例子（教材P1）4第四页，共六十三页。现实生活中的通信系统公用电话网5第五页，共六十三页。2.1.1通信系统的模型模拟信道和数字信道信号：连续变化——模拟(analog)信号离散变化——数字(digital)信号信道：模拟信道——传输模拟信号数字信道——传输数字信号数字信道公共电话网（模拟信道）数字信道通过模拟信道进行的数据通信对于长距离传输，数字信号具有优越性。（教材P38-39）6第六页，共六十三页。按数据在信道上的传输方向将通信方式分类：单工通信系统双工通信系统公用电话网全双工、半双工（教材P43,P56）7第七页，共六十三页。2.2信道特性2.2.1信道带宽与数据传输速率的关系数据传输速率：通信节点每秒钟发送的bit数，单位为b/s(bps)。（教材P16）带宽(bandwidth)：指的是传输介质所能够传输的信号的频率范围/最高数据传输速率，单位是Hz/bps。超出此范围信号会有较大的失真而导致信号无法正确接收。（教材P16）信道的带宽是由传输媒体的性质决定的。二者之间的关系：信道带宽越大则其上允许的最大数据传输速率越高。

8第八页，共六十三页。2.2.2带宽与傅立叶分析一个具有有限持续时间T的数字信号，可以看作为一个以此有限持续时间T为周期的周期阶梯函数F(t)。此函数可展开成傅里叶级数。

这里，f=1/T,是基波频率。c是直流分量；an和bn分别是n次谐波的正弦和余弦振幅值。谐波次数越高，则其频率也越高。信道可通过的谐波越多，叠加出来的波形与原始信号f(t)越近似，即失真越小，但同时谐波的频率就越高。（教材P36）9第九页，共六十三页。随着项的个数的增多，叠加出来的曲线更加接近于原方波。随着项的个数的增多，通过的谐波频率就越高。2.2.2带宽与傅立叶分析（续1）10第十页，共六十三页。若数据通信速率恒定，信道带宽越宽，意味着它可以传输更高频率的谐波信号，数据失真越小。信道带宽固定，数据速率越高，失真越大。

举例：信道带宽为3kHz，数据传输速率为9600b/s，发送一个字节的数据（8bits）需要时间T：T=8/9600=0.83ms基波频率f＝1/T=1.2kHz对于3kHz的带宽，仅能通过两次谐波，数据失真很大。

若数据信号传输速率为2400b/s，基波频率f：基波频率f=300Hz对于3kHz的带宽，可通过10次谐波，数据失真较小。2.2.2带宽与傅立叶分析（续2）11第十一页，共六十三页。信道的最大传输速率与信道带宽有关：信道带宽越大，则信道上的最大数据传输速率就越高。在给定的信道环境下，尽可能提高信息传输速率，是否存在上限值？两位学者对带宽和数据传输速率两者关系这个问题进行了研究，给出了两个著名结论：奈奎斯特准则香农定理2.2.3信道的最大数据速率记住两个公式奈奎斯特公式香农公式12第十二页，共六十三页。预备概念1：两种传输率及关系数据速率（比特率）——每秒钟传输的比特数，单位为b/s。码元速率（波特率）——每秒钟传送的电信号个数（码元数，1码元可携带nbits的信息量，与其编码有关），单位为“波特（Baud），简写为B。波特率与比特率的关系：C＝Blog2MC——比特率B——波特率M——信号可能取的离散值个数 （码元状态数）例：如图，求波特率、比特率：B＝4/0.001=4000波特C＝8000b/s＋5＋3－3－51ms10000111电平V（教材P43-44）（教材P16，P44）13第十三页，共六十三页。额外混进的非期望信号称为噪声。类型：热噪声：正态（高斯）白噪声由带电粒子在导电媒体中的布朗运动引起。交调噪声多个不同频率的信号共用同一传输媒体可能产生，是输入信号的频率和或差及这些频率的多倍数的组合。串音：串扰一条信号通路中的信号在另一条信号通路上产生的干扰信号。脉冲噪声突发出现的离散脉冲，是数据通信差错的主要根源。预备概念2：噪声（教材P48-49）信噪比：信号功率与噪声功率的比值Ps/Pn。常用分贝(db)来表示信道的信噪比：10log10(Ps/Pn)（教材P50）14第十四页，共六十三页。预备概念3：误码率误码产生噪声干扰传输速度过高导致信号失真误码率——衡量信道传输质量计算机通信网络中，误码率要求低于10－6。（教材P51）在二进制传输时，码元与比特等价，误码率又称误比特率。在多进制传输时，两者不相等。15第十五页，共六十三页。回到问题上来：在给定的信道环境下，尽可能提高信息传输速率，是否存在上限值？在给定的信道环境下，在误码率任意趋近于零的情况下，单位时间内所能传输信息的最大速率，即信道容量，单位b/s说明：如果信源的信息传输速率R≤信道容量C，则理论上可使信源输出以任意小误码率通过信道进行传输；如果R≥C，则无差错传输在理论上是不可能的。（教材P57）16第十六页，共六十三页。2.2.3信道的最大数据速率（1.奈奎斯特公式）无热噪声情况下：举例：传输介质的带宽为4kHz，可能的电平取值为4种，则最大数据速率C： C＝2×4×log24=16kbps奈奎斯特公式：C——最大数据传输速率（信道容量）M——信号可能取的离散值个数W——信道带宽（教材P58）B——波特率推论17第十七页，共六十三页。2.2.3信道的最大数据速率（2.香农公式）有高斯白噪声干扰的信道情况：举例：信噪比为30分贝，带宽为4000Hz的信道最大速率C： S/N=1030/10=1000 C=4000×log2（1＋1000）＝40kbps香农公式:C——最大数据传输速率（信道容量）W——信道带宽S/N——信噪比一般使用分贝（db）来表示信道的信噪比：10log10(S/N)（教材P57）18第十八页，共六十三页。练习题（源自全国计算机等级考试题库）1、常用的数据传输率单位有kbps,Mbps,Gbps，如果局域网的传输速率100Mbps，那么发送1bits数据需要的时间是：（2006.09） A1×10（-6）s B1×10（-7）s C1×10（-8）s D1×10（-9）s答案：C19第十九页，共六十三页。练习题（源自全国计算机等级考试题库）2、误码率是指二进制码元在数据传输系统中被传错的____：（2006.09） A比特数 B字节数 C概率 D速度答案：C20第二十页，共六十三页。练习题（源自全国计算机等级考试题库）3、对于一个实际的数据传输系统，在数据传输速率确定后，如果要求误码率越低，那么传输系统设备的____：（2006.09） Ⅰ、造价越高； Ⅱ、结构越复杂； Ⅲ、线路带宽越大； Ⅳ、拓扑结构越简单。 AⅠ和Ⅱ； BⅠ和Ⅲ； CⅡ和Ⅳ； DⅢ和Ⅳ。答案：A21第二十一页，共六十三页。练习题（源自全国计算机等级考试题库）4、奈奎斯特准则从定量角度描述了____与速率的关系：（2005.04）

答案：带宽或信道带宽22第二十二页，共六十三页。练习题（源自全国计算机等级考试题库）5、香农定理描述了信道带宽与哪些参数之间的关系：（2005.04） Ⅰ、最大传输速率； Ⅱ、信号功率； Ⅲ、功率噪声； AⅠ、Ⅱ和Ⅲ； B仅Ⅰ和Ⅱ； C仅Ⅰ和Ⅲ； D仅Ⅱ和Ⅲ。答案：A23第二十三页，共六十三页。2.2.4信道时延(delay)定义：信号在信道中传播，从原端到宿端所需要的时间。相邻站点传送数据的总时延主要是由以下几部分组成：传播时延

这是电磁波在信道中传播所需要的时间，与距离和电磁波速度有关。发送时延(传输时延)

这是发送数据所需要的时间，与计算机发送速率有关。处理时延网络节点处理分组花费的时间。排队时延与网络的通信量有关。重发时延

实际的信道误码造成重新传送，因而增加了总的数据传输时间。

对于广域网而言，信道时延难以估算。（教材P16）24第二十四页，共六十三页。2.2.4信道时延(delay)（续）时延带宽积时延带宽积=传播时延*带宽利用率信道利用率网络利用率（教材P16-17）25第二十五页，共六十三页。2.3物理传输介质介质：处于OSI体系结构的最低层，用于传送比特信号。（教材P20认为用于传送信号的物理媒体并不属于物理层，而是在物理层之下，因此有人把它当做第0层）有线双绞线同轴电缆光纤无线微波无线电波红外线（教材P59-81）26第二十六页，共六十三页。2.3物理传输介质（教材P59-81）无线电微波红外线可见光紫外线X射线射线双绞线同轴电缆卫星地面微波调幅无线电调频无线电海事无线电光纤电视(Hz)f(Hz)fLFMFHFVHFUHFSHFEHFTHF波段104105106107108109101010111012101310141015101610010210410610810101012101410161018102010221024移动无线电电信领域使用的电磁波的频谱27第二十七页，共六十三页。2.3.1双绞线（TP:TwistedPairwire）最常用的物理传输媒体价格便宜、易于安装由两根绝缘铜线互相绞在一起，用于降低传输信号之间的干扰一般由多对双绞线一起包在一个绝缘电缆套管内。分类：屏蔽双绞线非屏蔽双绞线（教材P59）28第二十八页，共六十三页。最常用：3类双绞线（CAT3）和5类双绞线（CAT5）CAT3：

带宽：10M，最长传输距离：100m 每英尺旋绞3～4次 CAT5：带宽：100M，最长传输距离：100m 每英寸旋绞3～4次UTP（非屏蔽双绞线）（教材P60-61）29第二十九页，共六十三页。STP(屏蔽双绞线)（教材P60-61）30第三十页，共六十三页。STP(屏蔽双绞线)结构：每对双绞线外有一个屏蔽层，4对双绞线外还有一个屏蔽层。优点：减少内部传输信号之间的干扰和外部噪声对内部传输信号的干扰。缺点：价格昂贵，安装相对困难。（教材P60-61）31第三十一页，共六十三页。双绞线的接口及连线UTP的RJ-45接头UTP的RJ-45接头接线编号12345678颜色白绿绿白橙蓝白蓝橙白棕棕4，5，7，8用于电话连接。数据通信中使用1，2，3，6四根连线。1，2：发送数据3，6：接收数据32第三十二页，共六十三页。双绞线的接口及连线（续）两种连接方法：平行线：1 1 用于：计算机——集线器（HUB） 2 2 集线器uplink口连接 3 3 6 6交叉线:1 1 用于：计算机——计算机 2 2 不经过集线器连接 3 3 6 633第三十三页，共六十三页。2.3.2同轴电缆结构分类(1)50欧：

用于数字基带编码通信如曼彻斯特编码等,传送的是数字信号，用高低电平分别代表0、1，常用于以太网的连接。

终端电阻（教材P61-62）34第三十四页，共六十三页。2.3.2同轴电缆(2)75欧：

用于宽带数据网，传输的是经调制后的模拟信号。传输的是连续的波形信号。

带宽300-400MHz，传输距离可达100km。常用于CATV网传输。（教材P61-62）35第三十五页，共六十三页。2.3.3光纤光纤通信就是利用光导纤维（以下简称为光纤）传递光脉冲来进行通信。（a）单根光纤（b）光缆（教材P62-64）36第三十六页，共六十三页。光纤的传输方式光纤的传输方式多模，发光二极管，距离短通过包层对光信号的反射向前传播可同时传递多个相位不同的光信号单模，激光二极管，距离长光信号沿着光纤轴心向前传播减少光能量在反射过程中的损耗可传输更长距离、达到更高速率体积更小、重量更轻只能传输一路光信号（教材P62-64）37第三十七页，共六十三页。2.3.3光纤优点：体积小、重量轻低衰减、大容量电磁隔离缺点：切割、安装困难价格昂贵用途较少用于局域网、短距离传输，普遍应用于主干网络的铺设。（教材P62-64）38第三十八页，共六十三页。2.3.4无线信道常用的无线传输介质微波红外线卫星（教材P66-81）39第三十九页，共六十三页。微波微波（Microwave）沿直线传播可穿越障碍物，但不可穿越金属。两种主要的通信方式：即地面微波接力通信卫星通信（教材P69）（教材P76）（教材P69）40第四十页，共六十三页。红外线红外线不可穿固体越障碍物经济实惠、制作简单应用：遥控器、便携电脑的红外通信口（教材P79-80）（教材P81）41第四十一页，共六十三页。卫星通信同步卫星通信卫星在离地表36000Km的轨道上运行，周期接近24小时，可与地球形成同步。缺点：信道延迟较长延时与通信两端的距离无关，适合长距离通信。（教材P77-79）42第四十二页，共六十三页。练习题（源自全国计算机等级考试题库）城域网的主干网采用的传输介质主要是：（2006.09） A同轴电缆 B光纤 C屏蔽双绞线 D无线通道43第四十三页，共六十三页。2.4数据传输方式１.根据传输方向分类：单工双工（全双工、半双工）2.根据数据在信道中如何传播分类：并行传输串行传输同步传输异步传输3.根据数据在信道中传输时频带如何占用分类：基带传输频带传输（教材P43,56）44第四十四页，共六十三页。2.4数据传输方式2.根据数据在信道中如何传播分类：并行传输：将待发送数据的各个比特位使用多个信道同时发出。发送端b0b1b2b3b4b5b6b7接收端b0b1b2b3b4b5b6b7并行通信信道45第四十五页，共六十三页。2.4数据传输方式2.根据数据在信道中如何传播分类：并行传输：将待发送数据的各个比特位使用多个信道同时发出。（必须有并行通道，往往受设备或实施条件上的限制，常用于传输距离较短（几米到几十米）和数据传输率较高的场合）串行传输：将待发送数据的各个比特位，按一定顺序依次发送。（只需一条信道易于实现，是目前主要的传输方式，适合远距离的通信环境） 带来问题：接受方要校准自己的时间和接受频率，以便和发送方取得一致，即同步。发送端发送端b7b6b5b4b3b2b1b0串行通信信道46第四十六页，共六十三页。2.4数据传输方式串行传输中通常使用的同步技术有：异步传输：以字符为单位进行数据传输，每个字符前后各加一个起始位和一个停止位，实现字符同步。适用于慢速而又不固定频率的字符传输，如键盘与计算机之间的传输；应用广泛的RS-232C接口。起始位数据0停止位数据1数据2数据3数据4数据5数据6停止位校验位字符1字符2字符3任意间隔任意间隔47第四十七页，共六十三页。2.4数据传输方式串行传输中通常使用的同步技术有：异步传输：同步传输以称为帧(frame)的较大的数据块为单位进行传送。一个信息帧包含的位数很多。（不是对每个字符单独进行同步，而是对一组字符组成的数据块进行同步。）同步的方法不是加起始位和停止位，而是在数据块前加特殊模式的位组合，并通过位填充或字符填充技术，保证数据块中的数据不会与同步字符混淆开销小、效率高，适用于快速的和较大规模的信息传输。计算机网络通信采用同步传输方式。整个数据块一旦有一位传错，就必须重传整个数据块的内容。48第四十八页，共六十三页。2.4数据传输方式3.根据数据在信道中传输时频带如何占用分类：基带传输：基带(BaseBand)指未经调制（频率变换）的信号所占用的频带，即把数字数据转换为数字传输信号时它固有的频带。基带传输在数字数据传输前不需要调制，但要编码，转换成数字信号。计算机网络中一种最基本的传输方式，ＬＡＮ一般都采用基带传输；可利用时分复用（TDM）技术实现信道复用，提高信道的利用率；49第四十九页，共六十三页。2.4数据传输方式3.根据数据在信道中传输时频带如何占用分类：频带传输：解决利用已有模拟信道传输数字数据的问题。需要将数字数据模拟化，借助于模拟的正弦载波信号，用数字数据调制载波，将数字数据机声在载波的某个参数上，借助于模拟信道传输数字数据。模拟信道主要指电话传输系统。使用频带传输方式需要利用调制解调技术对数据进行转换。可利用频分复用（FDM）技术实现信道复用，提高信道的利用率。50第五十页，共六十三页。2.5数据编码数据编码——如何以电信号的形式传递数字信息（或将数据转换为信号的过程）。分类：编码过程：用数字信号承载数字数据或模拟数据；调制过程：用模拟信号承载数字数据或模拟数据。由于数据可分为数字数据、模拟数据，信号也相应分为数字信号、模拟信号，因此通信信道中传输数据有四种形式： 1.数字数据用数字信号传输 2.…………..模拟信号传输 3.模拟数据用数字信号传输 4.…………..模拟信号传输可直接通过信道发送需要编码后传递（教材P38）51第五十一页，共六十三页。2.5数据编码通信信道中传输数据有四种形式，其中三种需要数据编码： 传输形式 编码形式、技术 1.数字数据用数字信号传输 2.…………..模拟信号传输 3.模拟数据用数字信号传输

调制编码？（教材P38）脉冲代码调制52第五十二页，共六十三页。2.5数据编码数字数据的数字信号编码：解决数字数据的数字信号表示问题，即通过对数字信号进行编码来表示数据。数字信号编码的工作由网络上的硬件完成，常用的编码方法有以下三种：1.不归零码NRZ（non-returntozero）单极性不归零码双极性不归零码

2.归零码单极性归零码双极性归零码3.自同步码典型代表是曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码53第五十三页，共六十三页。2.5数据编码1.不归零码单极性不归零码：在每一码元时间内，无电压表示数字“0”，有恒定的正电压表示数字“1”。每个码元的中心是取样时间，即判决门限为0.5：0.5以下为“0”，0.5以上为“1”。双极性不归零码：在每一码元时间内，以恒定的负电压表示数字“0”，以恒定的正电压表示数字“1”。判决门限为零电平：0以下为“0”，0以上为“1”。54第五十四页，共六十三页。2.5数据编码1.不归零码（续）不归零码是指编码在发送“0”或“1”时，在一码元的时间内不会返回初始状态（零）。当连续发送“1”或者“0”时，上一码元与下一码元之间没有间隙，使接收方和发送方无法保持同步（同步困难）。为了保证收、发双方同步，往往在发送不归零码的同时，还要用另一个信道同时发送同步时钟信号（增加了连线数目）。计算机串口与调制解调器之间采用的是不归零码。

55第五十五页，共六十三页。2.5数据编码2.归零码指编码在发送“0”或“1”时，在一码元的时间内会返回初始状态（零）。单极性归零码：以无电压表示数字“0”，以恒定的正电压表示数字“1”。与单极性不归零码的区别是：“1”码发送的是窄脉冲，发完后归到零电平。双极性归零码：以恒定的负电压表示数字“0”，以恒定的正电压表示数字“1”。与双极性不归零码的区别是：两种信号波形发送的都是窄脉冲，发完后归到零电平。56第五十六页，共六十三页。2.5数据编码3.自同步码自同步码是指编码在传输信息的同时，将时钟同步信号一起传输过去。这样，在数据传输的同时就不必通过其它信道发送同步信号。局域网中的数据通信常使用自同