第三章 数据通信基础.ppt

1、第三章 数据通信基础,数据通信是指在两点或多点之间以二进制形式进行信息交换的过程。,数据能够被正确的传输， 主要取决于两个因素：,计算机通信与网络,计算机专业教研室,3.1 基本概念,1、信息与信息量 信息：按Shannon定义，信息就是“熵的减小”； 注意：信息与消息的区别；,不确定性的度量；,信息量：一个消息所包含的信息量（I）就是它所表示的事件发生概率（P）的倒数的对数。 信息量：I = log(1/p),计算机通信与网络,计算机专业教研室,P1 I0； P0 I；,以2为底， I的单位为：bit（比特）； 以e为底， I的单位为：nat（奈特）； 以10为底，I的单位为：hartly（

2、哈特莱）；,例：在二进制通信中，每位二进制数所携带的信息量为多大？, 一位二进制数通常称作一个比特，是指一位二进制数携带的信息量为一个比特。,计算机通信与网络,计算机专业教研室,2、数据与编码,数据：描述事物的符号，是信息的载体。 数据可以分为：模拟数据和数字数据；,编码：字符编码集,博多（Baudot）码 （IA2）,ASCII码 （IA5）,汉字区位码GB2312,计算机通信与网络,计算机专业教研室,3、信号： 在通信系统中所使用的信号指的是电信号，即随时间 变化的电压或电流，是数据的表现形式。,信号的分类,连续信号与离散信号； 模拟信号与数字信号； 周期信号与非周期信号； 随机信号与确认

3、信号 ；,计算机通信与网络,计算机专业教研室,信号的特性：,时间特性-时域法 主要用于模拟信号的分析； 频率特性-频域法 主要用于数字信号的分析。,计算机通信与网络,计算机专业教研室,信号的绝对带宽和有效带宽,信号带宽：是指信号的频谱宽度； 绝对带宽：指信号本身固有的带宽；,即是：,例如：,+.,波 形,计算机通信与网络,计算机专业教研室,设备有效带宽：一个绝对带宽为的信号，在通过一个有 限带宽的传输设备、介质时，所能通过的 最高频率与最低频率之差； 信号有效带宽：包含绝大多数信号能量的频带宽度； 设备容错能力：设备能够根据所接收到的失真信号还原出 信号本身的能力；,计算机通信与网络,计算机专

4、业教研室,数据传输速率与通信系统带宽,例：若一个通信网带宽为4MHZ ，传输信号为方波，当 基波频率为f01 MHZ 时，试请问数据的传输速率 是多少呢？,1,0,t,A,V=2f0,FAQ：是不是只要提高f0就能够提高数据的传输速率呢？,计算机通信与网络,计算机专业教研室, Sin(2kft), 1/3Sin(2(3f)t), + ,包含三个频率分量,返回 7,计算机通信与网络,计算机专业教研室,3.2 数据传输与处理,数据从源站到目的站的传输过程中，必须要考虑以下几个问题： 数据的特性； 用于传输数据的实际物理手段； 在传输过程中如何保证数据的正确性。,计算机通信与网络,计算机专业教研室,

5、1、数据的特性： 包括两类： 模拟数据：语音数据、音频、视频数据 数字数据：由0 、1 序列构成的数据,（1）、语音数据：,dB,3000,700,400,语音,声音,电话系统：3003400Hz 采样频率：8000Hz 量化系数：8bit 数据速率：64Kbps,Hz,计算机通信与网络,计算机专业教研室,IP电话： 比电话通信系统的语音质量差 数据速率：832Kbps 分组传输特性 受网络传输带宽影响 延时的抖动特性,（2）、视频数据 PAL制 NTSC制 基本属性：空间分辨率：768576 640480 色彩分辨率：24bit 时间分辨率：25Fbps 30Fbps,计算机通信与网络,计算

6、机专业教研室,数据速率： 7685762425 260Mbps,CIF规范： 3522888（5-10） 4Mbps 主要用于网络视频会议系统 QCIF规范： 1761448（5-10） 1Mbps 主要用于可视电话系统,（3）、数字数据： 由0、1构成的数字序列，应进行一定的编码才能有效地进行通信。,计算机通信与网络,计算机专业教研室,2、数据与信号： 信号是数据在传输过程中的电信号的表示形式，是通过一定的编码技术将数据转换成电编码的。,（1）模拟模拟编码： 调相制编码； 调幅制编码； 调频制编码；,返回,计算机通信与网络,计算机专业教研室,（2）、数字数字编码： 非归零编码（NRZ，Non

7、-Return to Zero） 曼彻斯特编码（Manchester） 差分曼彻斯特编码（Differential Manchester） 针对不同的介质、不同物理信道或不同用途有不同的编码方式，例如：4B/5B、8B/6T等等。,返回,计算机通信与网络,计算机专业教研室,0,1,1,0,1,NRZ,Manchester,Differential Manchester,计算机通信与网络,计算机专业教研室,（3）、模拟数字 编码： 脉冲振幅调制(PAM)； 脉冲编码调制(PCM) ；,（4）、数字模拟 编码： 幅移键控(ASK)； 相移键控(PSK) ； 频移键控(FSK) ； 正交调幅(QAM

8、)；,返回,返回,计算机通信与网络,计算机专业教研室,3、传输方式： Analog Data Analog Signal Digital Data Digital Signal 可以有四种数据传输形式， 也就形成了四类传输系统。,计算机通信与网络,计算机专业教研室,基带传输：信号未经频率变换直接在信道上进行传输。 即：数据与信号占用相同的频谱宽度。 宽带传输：对信号进行频率变换后才送上信道进行传输。 即：数据与信号占用不同的频谱宽度。,（1）、模拟数据以模拟信号方式传输 例如：目前的广播、电视通信系统。 Audio数据 直接以Audio信号传输 调制编码后传输：,调制方式,计算机通信与网络,计

9、算机专业教研室,（2）、模拟数据以数字信号方式传输 例如：声 卡 模拟语音PCM数字数据数字信号 视频卡 模拟视频采集编码数字化数字信号 Analog Data Digital Data Digital Signal,（3）、数字数据以模拟信号方式传输,编码方式,编码方式,计算机通信与网络,计算机专业教研室,（4）、数字数据以数字信号方式传输 编码转换成比特流即可。,编码方式,* 远程传输： 模拟信号： 放大器(Amplifier) 数字信号： 中继器（Repeater）,计算机通信与网络,计算机专业教研室,4、传输损耗： 主要有三种：衰减、延迟失真和噪声。,（1）、衰减：指信号强度随传输距离

10、的增加而减弱。 任何传输介质都存在衰减问题 。S/N下降。,解决办法：模拟信号放大器； 数字信号中继器；,计算机通信与网络,计算机专业教研室,（2）、延迟失真：因不同频率的信号在同一介质中传 输速率的不同而引起的。,Hz,ms,Hz,对模拟信号：可以不考虑； 对数字信号：码间干扰；,延迟均衡器,ms,计算机通信与网络,计算机专业教研室,（3）、噪声：凡引入的无用信号，均称为噪声。 主要有热噪声、交调噪声、串扰、脉冲噪声四种： 热噪声：传输设备、介质中的电子做布朗运动 所产生的噪声。,任何绝对零度以上的系统都有热噪声； 热噪声是均匀分布的； 难以被克服；,热噪声的功率密度：NoKT（w/Hz）；

11、T：Kelvin温度； K:Boltzmanns=1.38031023 J/K 在WHz带宽内（不考虑信号频率f）：NKTW ；（上限）,计算机通信与网络,计算机专业教研室, 交调噪声：多个不同频率的信号共存于同一介质或 信道时信号之间相互调制所产生的噪声；,f1、f2、f3 f1 f2 f1 f2 f1 f2,如果f3,相互影响, 串扰：信号之间的有害耦合；,双绞线：,计算机通信与网络,计算机专业教研室, 脉冲噪声； 来源：雷电、电磁干扰、设计上的不合理； 特点：持续时间短、幅度大且不连续； 对模拟信号影响较小； 对数字信号影响较大；,0.01s,模拟,如果：数字信号速率：64Kbps 则有

12、：640bit错误,计算机通信与网络,计算机专业教研室,3.3 信道及其容量,1、信道：由传输设备和传输介质一起所构成的信号传输通道。,（1）、信号传输的方向与时间：,单工； 半双工； 双工；,（2）、信号类型：,模拟信道； 数字信道；,（3）、介质类型：,有线信道； 无线信道；,（4）、使用方法：,专用信道； 公共信道；,计算机通信与网络,计算机专业教研室,2、信噪比（Signal/Noise）：在通信信道上某点信号与 噪声的功率比。 S/N1010（Ps/Pn）(dB) 3、信道容量：在给定条件下（带宽、S/N、差错率、可靠 性、可用性），信道的最大数据传输速率。 注意：通常所说的网络带宽

13、为2M，实际指的是容量。,计算机通信与网络,计算机专业教研室,4、数字信道的信道容量,（1）、码元的传输速率：单位时间内传递的码元个数. 波特率（Band）,（2）、数据传输速率：单位时间内传递的比特的个数。 比特率（bps或bit/s） 两者关系： RbRBlog2L,计算机通信与网络,计算机专业教研室,计算机通信与网络,计算机专业教研室,（3）、奈奎斯特（Nyquist）准则 ： 在带宽为B的信道中，能够传输的最大波特率为2B,因此，无噪声的数字信道的容量为： C2Blog2L,例：一数字信道的带宽为：5MHz，若传输二进制编码的数字信号，则：信道的最大数据传输速率是多少？,C = 25M

14、Hzlog22 = 10Mbps,5、模拟信道的信道容量,香农（Shannon）定理 :在带宽为B，且只有白噪声存 在的模拟信道中，其最大的数 据传输速率为： C2Blog2（1S/N） （S/N：是指功率比） 例：基于MODEM的电话通信网络，电话语音频谱：3003400HZ，典型的信噪比：30dB，求最大数据速率是多少？,理论值,计算机通信与网络,计算机专业教研室,6、功率利用率与频带利用率,（1）、功率利用率：在误码率一定的情况下，传输每一 比特数据所需的最小信号平均功率。 S/N下降平均功率下降功率利用率上升； （2）、频带利用率：在单位带宽内，所允许传输的最大数 据速度。 B一定C增

15、大频带利用率上升； （3）、互换原则：,计算机通信与网络,计算机专业教研室,B一定C频带利用率,S/N功率利用率,L编码复杂功率利用率,卫星通信：注重功率利用率； 地面微波通信：注重频带利用率；,C2Blog2（1S/N）,C2Blog2L,计算机通信与网络,计算机专业教研室,3.4、传输介质,1、传输介质的特性： 网络带宽：传输介质所能承受的网络带宽 物理特性：对传输介质物理结构的描述 传输特征：包括频率特性和适用范围等。 传输损耗：传输介质中传输过程中的损耗。 连通特性：允许点-点或多点连接。 地理范围：传输介质的最大传输距离。 抗干扰性：防止噪声与电磁干扰对数据传输影响的能力。 相对价格

16、：包括器件、安装与维护费用。0,计算机通信与网络,计算机专业教研室,2、设计通信系统时，与介质相关的因素：,BandWidth； Transmissionimpairment； Interface； Number of Receiver；,3、介质分类：,导向（guided）性传输介质-规则介质 非导向(unguided)性传输介质-不规则介质,计算机通信与网络,计算机专业教研室,（1）、导向传输介质（双绞线、同轴电缆、光纤）,计算机通信与网络,计算机专业教研室,双绞线：也称双扭线，由两、四、八根相互绝缘的铜导线并排放在一起，然后用规则的方法两两绞合起来就构成了双绞线。,计算机通信与网络,计算

17、机专业教研室,通常我们使用的双绞线，不同生产商的产品标志可能不同，但一般包括以下一些信息： 双绞线类型 NEC/UL防火测试和级别 CSA防火测试 长度标志 生产日期 双绞线的生产商和产品号码 如：AVAYA-C SYSTEIMAX 1061C+ 4/24AWG CM VERIFIED UL 生产商 产品号 通信通用电缆，CM是NEC(美国 国家电气规程)中防火耐烟等级中 的一种。 VERIFIED UL：说明双绞线满足 UL(Underwriters Laboratories Inc.保险 业者实验室)的标准要求。,电话系统：一对； RJ11 网络系统：四对； RJ45,PC,PC,交叉,H

18、UB,平行,计算机通信与网络,计算机专业教研室,非屏蔽双绞线（UTP）,屏蔽双绞线（STP）,UTP3 (16M),UTP4 (20M),UTP5 (100M),语音级,数据级,三类线：绞距大，串扰大； 五类线：绞距小，串扰小；,绞距,计算机通信与网络,计算机专业教研室,同轴电缆,常用的同轴电缆有下述几种（无线电波管制级别RG）： RG-8和RG-11，通常用来实现粗缆Ethernet （75） RG-58，通常用来实现细缆Ethernet。（50） RG-75，通常用来实现电视传输，也可用于宽带数据网络。（ 75 ）,计算机通信与网络,计算机专业教研室, 细缆：50同轴电缆，是为数据通信传送

19、基带数字信号，故又称为基带同轴电缆。, 粗缆：相对于细缆而言，它的带宽更大，常用来传输频分复用的宽带信号 ，因此也称为宽带同轴电缆 。,计算机通信与网络,计算机专业教研室,主要技术特性: 温度范围: -65 +165 特征阻抗: 50，75 工作电压: 500V 频率范围: DC 4GHz 介质耐压：1500V 接触电阻：内导体: 5000 M 电压驻波比: 1.30 连接器耐久性：500次,NOTE： 一个网段上连接的计算机台数有限。 相邻两台计算机之间的距离有限。 细缆：0.5m；粗缆：2.5m；,HUB,100m,电话网（双绞线）：7.5Km,计算机通信与网络,计算机专业教研室,光纤：是

20、由玻璃成塑料制成的，线径为2125m并能 以光波形式传输信号的介质。,光纤按传输的类型可分为单模光纤与多模光纤两类；,计算机通信与网络,计算机专业教研室, 多模光纤：在光纤中可以有多条光信号同时传输。,阶跃式多模光纤：芯材的密度从中心到边沿都是一致的。,渐变式多模光纤：芯材的密度从中心到边沿逐渐减小。,计算机通信与网络,计算机专业教研室, 单模光纤：采用比多模光纤小得多的直径，且选用阶跃材质和高度集中的光源（激光器件），使得发出的光线限制在非常接近水平的很小范围内传播。 在这种情况下，所有光线几乎同时抵达目的地并且可以无扭曲地重组为完整的信号。,计算机通信与网络,计算机专业教研室,光纤的优缺点

21、： 抑制噪声； 更高的带宽； 更小的信号衰减； 费用较高； 单向传输； 安装/维护不便； 要求弯曲半径8cm,光纤易折断；,弯折处光信号有损失；,计算机通信与网络,计算机专业教研室,（2）、非导向性传输介质,以空气作为传输介质(无线传输),定向传输：聚集为波束； 点点,全向传输：立体扩散； 点多点,发送和接收都是通过天线实现的。,计算机通信与网络,计算机专业教研室,地面微波,微波的频率范围为300MHZ300GHZ，但主要是使用 240GHZ的频率范围。微波在空间是直线传播的。,d:天线之间的距离（Km）；h：天线高度（m）； K：调节系数，与地理表面情况有关，经验值K4/3；,由于地面微波传输距离较小，一般为50Km，如果需要进 行远距离传输，则需要微波中继站；,计算机通信与网络,计算机专业教研室,NEC PASOLINK系列,