2-第二章-数据通信基础课件

测控仪器联网技术第二章数据通信基础一.通信系统的基本组成1.通信的三要素：信源：信息的发送者（人、机器等）信宿：信息的接受者（人、机器等）载体：传递信息的媒体（信道）信源变换器信道反变换器信宿噪声源二.信道信道是信息传输的途径，是传送信号的一条通路（包括传输媒体和中继通信设施）根据传输媒体的类型不同有线信道：双绞线、基带同轴电缆、宽带同轴电缆、光缆无线信道：微波通信、地面微波通信、卫星微波通信根据传输方式的不同模拟信道：以连续模拟信号形式传输数据的信道。数字信道：以数字脉冲形式（离散信号）传输数据的信道。1.模拟信号和数字信号模拟信号：时间上连续，包含无穷多个值数字信号：时间上离散，仅包含有限数目的 预定值tta)模拟信号b)数字信号2.与信道相关的几个概念信道带宽：信道可以不失真地传输信号的频率范围信道容量（波特率）：信道在单位时间内可以传输的最大信号量。数据传输速率（位速率，比特率）：信道容量和信道带宽成正比：带宽大－>容量大局域网带宽：10Mbps,100Mbps,1000Mbps广域网带宽：64kbps,2Mbps,155Mbps,622Mbps,2.5Gbps数据：被定义为有意义的实体，数据涉及到事物的表示形式，是信息的载体。数据有模拟数据和数字数据之分。

信号：是数据在传输过程中的电信号的表示形式，或称数据的电磁或电子编码。信号分为模拟信号和数字信号。信息：是对数据的解释，数据只有经过处理并经过解释才有意义，才能成为信息。信息的载体可以是数字、文字、语音、图形或图象。信息的度量关于信息的科学定义，到目前为止，国内外已有不下百余种流行的说法，它们都是从不同的侧面和不同的层次来揭示信息的本质的。

1948年，香农（C.E.Shannon）

发表了一篇著名的论文，“通信的数学理论”。他从研究通信系统传输的实质出发，对信息作了科学的定义，并进行了定性和定量的描述。信息是事物运动状态或存在方式的不确定性的描述。

信息的度量是从信息量与不确定性的关系来精确地刻划信息，简言之是用数字的方法来对信息进行分析。信息的多少可以用通信中消除掉的不确定性来度量。香农定义信息为熵的减少。熵是不确定性的度量，熵的减少就是不确定的减少。选择符号ai作为消息的概率----P(ai)自信息：ai本身携带的信息量

差错率/误码率由于噪声的影响和信道带宽的限制，信号可能发生失真。差错率/误码率：传输比特总数与其中出错比特数的比值。Pe=出错比特数/比特总数例：传输10000比特，有2比特错Pe=2/10000差错率越高表示信道质量越差,信道差错率与信号的传输速率或传输距离成正比3.信道的分类

在通信系统中，各种信号都要通过信道才能从一个端点传至另一个端点。它一般由传输线路和传输设备组成。物理信道：是指用来传送信号或数据的物理通路，它由传输设备和有关的通信设备组成。逻辑信道：在信号的发送和接收之间不仅存在一条物理信道；并且在一条物理信道上还可以实现其它“连接”，通常把这些连接称为逻辑信道。ABACDEBB三.调制与解调模拟传输系统（电话网、X.25分组交换网等）数字传输系统（宽带ISDN等）1.通信系统模型编码器：数据->适合传输的信号——便于识别、纠错调制器：信号->适合传输的形式——按频率、幅度、相位解码器：传输信号->原始数据解调器：接收波形->数字信号序列噪声信源编码调制信道解调解码信宿2.调制/解调调制/解调：利用模拟信号支持数据信息传输的技术调制：数字->模拟解调：模拟->数字调制/解调器：具有调制解调功能的设备模拟信号三要素：幅度，频率，相位对应调制方法：调幅，调频，调相载波S(t)=Acos(t+)S(t)的参量包括：幅度A、频率、相位调制就是要使这三个参量随数字基带信号的变化而变化3.调制方法移幅键控法ASK移频键控法FSK移相键控法PSKAASK：用载波的两个不同振幅表示0(0v)和1(+5v)FFSK：用载波的两个不同频率表示0(1.2KHz)和1(2.4KHz)PPSK：用载波的起始相位的变化表示0(同相)和1(反相)00110100010ASK调幅FSK调频PSK调相4.调制/解调器的选择和应用性能：速率，功能等用途：使用的场合符合相关标准符合当地有关部门的入网规定注意，modem需成对使用，所有通信双方的modem一定要匹配。一台主呼，另一台被呼。用户方一般为主呼。被呼PC1PC2ISP服务器电话网主呼主呼四.传输编码1.字符编码利用0和1比特的特定组合来表示字符。BCD码，EBCDIC码，IA5码ASCII码图形字符控制字符传输控制字符格式控制字符信息分隔字符2.通信编码利用特定电平信号表示0和1比特值通过计算机或者其他通信设备的输入/输出端口传递（1）RS-232编码利用不同的电平表示不同的二进制值正电平（+15V）表示“0”负电平（-15V）表示“1”PC机的RS232串行通信接口

0101000101a）RS232编码方案＋15V－15V（2）不归0交替编码(NRZI)比特间隔发生电平变化表示“1”比特间隔不发生电平变化表示“0”缺点：不具备自同步机制，必须使用外同步。

0101000101b）NRZI编码方案＋15V－15V误差积累发送/接收设备的时钟略有差异时，可能造成误差积累,造成取样脉冲的偏移，出现差错。发送脉冲接收取样脉冲图2-7收发设备的误差积累（3）曼彻斯特编码(Manchestercode)用电压的变化表示0和1。规定在每个码元的中间发生跳变：高→低的跳变——0，低→高的跳变——1缺点：需要双倍的传输带宽（即信号速率是数据速率的2倍）。

0100110100自同步∵每个码元中间都要发生跳变，接收端可将此变化提取出来作为同步信号，使接收端的时钟与发送设备的时钟保持一致。∴曼彻斯特编码也称为自同步码（Self-SynchronizingCode）。它具有自同步机制，无需外同步信号。(3)(4)编码中含有同步信息(每个比特中部的电平跃变信号)，接收方可以根据该同步信息及时调整接收脉冲的产生，可以支持较大数据块的传输，要求发送/接收设备支持较高频率的发/收脉冲（4）差分曼彻斯特编码(DifferentialManchestercode)

与曼彻斯特编码相同，在每个码元的中间，信号都会发生跳变；不同之处在于：用在码元开始处有无跳变来表示0和1：码元开始处有跳变——0码元开始处无跳变——1

0100110100（5）4b/5b码（光纤应用，降低成本）用5位（5b）的编码表示4位（4b）的信息采用不归0交替编码（NRZI）表示这5位符号通信编码信息输入1111

（高位在先）4b/5b10111NRZI发往信道10111码转换01001100011时钟RS232Manchester差分Manchester三种传输编码的波形图五.传输方式1.并行传输字符编码的各个比特同时传输特点：一个比特的时间内可以传输一个字符，传输速度快；每个比特传输要求一个单独的信道支持，通信成本高；远距离传输时，可靠性较低。信道01011100010111002.串行传输将组成字符的各个比特串行的发往线路特点：传输速度慢，一次一个比特；通信成本 低，传输只要求一个单独的信道支持3.同步技术同步技术的定义

在通信过程中，接收端根据发送端的起止时间和重复频率校正自己的基准时间与重复频率的过程称为同步过程，这种统一收端和发端的措施称为同步技术。常用的方式有两种：同步传输方式和异步传输方式。

同步技术并不是同步传输时才使用的技术，如异步传输中就使用了外同步法目的：保证接收方在时间上与发送方取得同步，以便能够正确地识别和接收发送方发来的数据。同步技术需要解决的主要问题有：

何时开始发送数据；发送过程中的数据传输速率；持续时间的长短；发送时间间隔的大小。当发送端以某一速率，在一定的起始时间内发送数据时，接收端也必须以同一速率在相同的起始时间内接收数据。否则接收端与发送端就会产生微小误差，随着时间的增加，误差将逐渐积累，并造成收发的失步（不同步），从而出现错误。同步传输

特点：以多个字符或者多个比特组合成的数据块为单位进行传输，利用独特的同步模式来限定数据块，达到同步接收的目的发送：同步符号（起始字符）＋数据块＋同步符号（结束字符）接收：遇到同步符号，开始接收数据，直到结束符号为止。同步符号：标识数据块的开始和结束可能问题：假同步现象—数据块中含有与同步符号相同的内容解决方法：增加匹配同步符号的难度

SYN,SYN,G,H,…,B,A,SYN,D,E,SYN,SYN传输方向异步传输特点：字符内部的各个比特采用固定的时间模式，每个字符独立传输，字符之间间隔任意，用独特的起始位和终止位来限定每个字符。传输效率较低。起终始止位11101010位

线路空闲

线路空闲起始位一个字符下一字符六.传输形式单工传输半双工传输全双工传输单工、半双工、全双工图解

单工（单向车道）

半双工（交通管制的双向车道）全双工（无交通管制的双向车道）

七.传输中的差错处理目的：保证信息传输的正确性传输过程中的噪声导致差错是不可避免的缺乏差错处理能力的系统是不可用的系统方法：反馈重传法1.反馈重传法发送方发送具有检测错误能力的代码（称为检错码）接收方根据代码的编码规则验证接受到的数据代码，并将结果反馈给发送方（正确接收/接收有错）发送方根据反馈结果决定是否执行重传动作，如果接收方未正确接收，则重传规定时间内，未能收到反馈结果（称为超时）则执行重传动作2.停-等协议内容：发送一块数据块后，就停止发送工作，开始记时，等待接收方的反馈结果。仅当收到正确接收的确认之后、才继续发送后继数据块。如果接到否定确认或记时器超时，重新传输本数据块。收发双方以半双工方式进行工作特点：控制简单，易于实现，但工作效率低。3.滑动窗口协议(1)发送方一次连续发送多块数据（称为窗口寸）(2)接收方对每块数据进行差错分析，如果发现错误，立即反馈发送方(3)接收方可对接收到的多个正确的数据快进行一次性确认(4)发送方根据反馈的结果，重发指定的数据块，或重发指定数据块及其之后的所有数据块特点：效率高，控制复杂，全双工方式接收方发送方发(1)Ack发(2)Ack发(3)NAK重发(3)重发(3)超时Ack发(4)接收方假设窗口＝4发送方发(1)重发(2)发(3)发(4)Ack1发(5)NAK2发(2)发(8)Ack4发(6)发(7)等待等待八.常用检错码检错码的定义检错码=信息字段+校验字段校验字段越长，编码的检错能力越强，编/解码设备越复杂，附加的冗余信息在整个编码中所占的比例越大，传输的有效成分越少传输顺序：信息字段在前，校验字段在后1.奇/偶校验码水平奇/偶校验码垂直奇/偶校验码（组校验）水平垂直奇/偶校验码在水平校验的基础上实施垂直校验奇/偶校验码具有纠一位错的能力如信息分组P行Q列，编码效率为QP/(Q+1)(P+1)垂直奇偶校验C10101010101

C20011001100

C30000111100

C40000000011

C51111111111

C61111111111

C70000000000

偶0110100110

奇1001011001

水平奇偶校验位\数字0123456789偶校验

C101010101011

C200110011000

C300001111000

C400000000110

C511111111111

C611111111111

C700000000000

水平垂直奇偶校验位\数字0123456789校验码字

C101010101011

C200110011000

C300001111000

C400000000110

C511111111111

C611111111111

C700000000000

C801101001101

2.正反码常用于较短信息的传输特征：校验字段与信息字段占相同位数信息字段中‘1’的个数为奇数时，校验字段取值等同于信息字段信息字段中‘1’的个数为偶数时，校验字段取值等同于信息字段的反码例：01011（奇）=>0101101011 10010（偶）=>1001001101正反码检验过程（接收方）信息字段和校验字段按位加，形成合成码组若信息字段中‘1’的个数为奇数时，合成码组保持不变，视为校验码组。 若信息字段中‘1’的个数为偶数时，合成码组取反码，视为校验码组。校验码组全为‘0’，结果无差错 校验码组只有一个‘0’，则信息字段中对应校验码组为‘0’的信息位出错 校验码组只有一个‘1’，则校验字段中对应校验码组为‘1’的校验位出错 其他结果表明有两位或两位以上出错正反码具有纠一位错的能力，编码效率50%例如：

接收码字

合成码组

奇/偶

校验码组

结果

原信息字段

0101101011

00000

奇

00000

正确

01011

1001001101

11111

偶

00000

正确

10010

0111101011

00100

偶

11011

信息位3错

01011

1001001001

11011

偶

00100

校验位3错

10010

由此可见，正反码具有纠一位的错的能力。3.循环校验码最常用的差错校验码特征：信息字段和校验字段长度任选CRC生成的基本原理(1)任意一个由二进制位串组成的代码都可以和一个系数仅为‘0’和‘1’取值的多项式P一一对应。例：对应P=X6+X4+X2+X+1(2)选定生成多项式G，例：G=X5+X4+X2+1(3)用模2除法计算P/G，将P和余式一起传输；(4)接收方将接收到的信息