第2章数据通信基础知识学生精选文档.ppt

第2章数据通信基础知识学生本讲稿第一页，共五十四页学习目标学习目标n 理解数据通信的基本概念n 掌握数据通信系统的传输方式n 掌握数据通信系统的主要性能指标本讲稿第二页，共五十四页2.1 概述概述（数据通信的发展数据通信的发展）1.数据通信的起源烽火台2.1838年莫尔斯发明了电报3.1870年贝尔发明了电话4.1946年计算机诞生5.在接下来的半个多世纪，数据通信得到了飞速的发展本讲稿第三页，共五十四页2.2 消息、信息和信号消息、信息和信号1.消息 消息是指能够向人们表达客观物质运动和主观思维活动的文字、符号、数据、语音、图像等等。消息的特点：(1)能够被通信双方理解 (2)可以传递 消息的分类：(1)离散消息 (2)连续消息本讲稿第四页，共五十四页2.信息 信息是指消息中包含的有效内容。消息与信息的关系：消息是信息的载体，信息是消息中内容的度量。相对于消息，信息更具有抽象性。本讲稿第五页，共五十四页3.信号 信号是指消息在通信系统中的具体表现形式。消息要在通信系统中传输，必须转换为适合信道传输的某种形式的物理量，可以是声音、光、烟、雾、电信号。“电通信”是将要传输的消息用某种电参量来描述，可以是幅度、频率、相位。“电通信”得到飞速发展的原因：(1)不受时间、地点、空间、距离的限制 (2)具有准确、迅速、可靠的特点本讲稿第六页，共五十四页4.如何用电信号来定义现代通信？现代通信是指利用电子技术手段，将消息转换为电信号(或光信号)，借助电信道(或光信道)实现从一地向另一地(或多地)的消息的传递和交换。信号是传输消息的手段 信号是消息的载体本讲稿第七页，共五十四页5.通信过程中，所关注的问题？在通信过程中，所关注的并不是接收消息的数量的多少，而是从接收消息中获得的信息量的多少。信息量是指消息中包含信息的多少。说明：(1)度量信息量的方法应与消息的类型无关 (2)同样的消息量中所包含的信息量可能不同本讲稿第八页，共五十四页规定：消息所描述事件的信息量的大小用该事件发生的概率来描述。对于确知的消息，发生的概率为1，其包含的信息量为0。对于不可能的消息，发生的概率为0，其包含的信息量为无穷大。本讲稿第九页，共五十四页6.如何度量一则消息中所包含的信息的多少呢？香农（Shannon）的信息理论：信息是对客观事物运动状态和人类主观思维活动的不确定性描述。信息量是指消息包含信息的多少，其大小与消息的不确定性因素有关。一则离散消息包含的信息量 I 可表示为：I=logaP其中：P 为该事件发生的概率，底数 a 决定了信息量的单位。a2 I 的单位为比特(bit)ae I 的单位为奈特(nat)a10 I 的单位为哈特莱(hartley)在使用中一般采用以2为底数，信息量以比特为单位，常记作：I log2P本讲稿第十页，共五十四页采用二进制传输消息时，信息量的度量：数据通信采用二进制的两个码元“1”和“0”组成传输的消息序列。当两个码元等概出现时，每个码元所包含的信息量为 I log2(1/2)1bit 本讲稿第十一页，共五十四页例2.1 已知离散信号源只有两种符号“1”和“0”，如果“1”出现的概率为1/3，求出现“1”和“0”的信息量。解：由于全概率为1，因此“0”出现的概率为2/3，由信息量的定义可知，出现“1”的信息量为 I(1)log21/31.585bit 出现“0”的信息量为 I(0)log22/30.585bit本讲稿第十二页，共五十四页采用 M 进制传输消息时，信息量的度量：当采用 M 进制传输时，消息序列中共有“0，1，2，3，M1”个码元，且每个码元出现的概率分别为P0，P1，P2，PM-1，则每个码元所包含的信息量为 Ij log2Pj (j0，1，2，M1)对于由一串符号构成的消息，假设各符号的出现是相互独立的，根据信息量相加的理论，整个消息的信息量为式中：nj为第 j 种符号出现的次数，Pj为第 j 种符号出现的概率，M为信息源的符号种类。本讲稿第十三页，共五十四页例2.2 某离散信源由0，1，2，3四种符号组成，其概率分别为：P(0)为1/4；P(1)为1/8；P(2)为1/8；P(3)为1/2，假设各符号的出现是相互独立的，求消息301 323 123 300 323 032 331 313 103 230 133 323 302 303 030 301 330 323 013 303的信息量。本讲稿第十四页，共五十四页例2.2 某离散信源由0，1，2，3四种符号组成，其概率分别为：P(0)为1/4；P(1)为1/8；P(2)为1/8；P(3)为1/2，假设各符号的出现是相互独立的，求消息301 323 123 300 323 032 331 313 103 230 133 323 302 303 030 301 330 323 013 303的信息量。解：此消息总长为60个符号，其中0出现14次，1出现8次，2出现8次，3出现30次，由上页公式可求得此消息的信息量本讲稿第十五页，共五十四页7.平均信息量（信息的熵）当消息的序列较长时，用上式计算消息的总体信息量是比较麻烦的，我们常用平均信息量 H 来计算。平均信息量是指每个符号所含信息量的统计平均值，单位为bit/symbol(比特/符号)，M 种符号的平均信息量为 本讲稿第十六页，共五十四页用上页公式重新计算例2.2中信源的平均信息量。解：由上页公式可得 我们用平均信息量重新计算上例中消息的信息量 I1.75bit/symbol60 symbol105bit本讲稿第十七页，共五十四页想一想为什么结果不一样？想一想何时平均信息量最大？如何证明？本讲稿第十八页，共五十四页证明本讲稿第十九页，共五十四页2.3 模拟通信与数字通信模拟通信与数字通信1.模拟信号 本讲稿第二十页，共五十四页2.数字信号 本讲稿第二十一页，共五十四页2.3.1 模拟通信模拟通信 本讲稿第二十二页，共五十四页2.3.2 数字通信数字通信 本讲稿第二十三页，共五十四页数字通信的优点：(1)抗干扰能力强。(2)便于加密，有利于实现保密通信。(3)有利于实现集成化，使通信设备体积小、功耗低。(4)数字通信便于和计算机连接，实现各种数字信号的处理。本讲稿第二十四页，共五十四页2.3.3 数据通信数据通信 数据通信是依照通信协议，利用数据传输技术在两个功能单元之间传递数据信息，它属于数字通信。数据通信可实现计算机与计算机之间、终端与计算机之间及终端与终端之间的数据信息传递。数据通信是计算机和通信相结合的产物，是实现数据传输、交换、处理等功能的通信技术。本讲稿第二十五页，共五十四页 数据通信的传输质量高，接收的误码率小于10-8。数据通信终端的响应速度快，通信终端的接口能力的灵活性高。数据通信要按照通信协议来完成。数据通信的特点数据通信的特点本讲稿第二十六页，共五十四页2.4 数据通信的传输方式数据通信的传输方式 数据通信的传输方式是指数据在信道中传送时，所采用的方式。依据不同的分类方法，传输方式可分为：按照数据传输中码元的传输顺序，可分为串行传输与并行传输。按照数据传输的同步方式，可分为同步传输与异步传输。按照数据传输的流向，可分为单工传输、半双工传输与全双工传输。本讲稿第二十七页，共五十四页2.4.1 串行传输与并行传输串行传输与并行传输1.串行传输 串行传输是指数据流的各个比特逐位在一条信道上传输。本讲稿第二十八页，共五十四页串行传输的优点和缺点串行传输的优点和缺点优点 只需要一条信道，设备成本低，易于实现 适用于长距离传输，计算机之间的远程传输缺点 需要解决收发双方保持码组同步或字符同步的问题 需要外加同步措施（加入同步比特）串行传输的效率较低本讲稿第二十九页，共五十四页2.并行传输 并行传输是指数字信号以成组的方式在多个并行信道上传输。本讲稿第三十页，共五十四页并行传输的优点和缺点并行传输的优点和缺点优点 传送速率高 收发双方不存在字符同步问题缺点 需要多个并行信道，设备的成本较高 并行线路间的电平会相互干扰，影响传输质量 适用于短距离间的设备通信，如计算机和打印机之间的数据传送本讲稿第三十一页，共五十四页2.4.2 异步传输与同步传输异步传输与同步传输 在串行传输中，要解决字符同步的问题。接收端要从串行码流中正确的区分出发送的每一个字符。解决方法：异步传输的方式；同步传输的方式。本讲稿第三十二页，共五十四页1.异步传输 异步传输是指传输中每一个字符的起始时刻可以为任意时刻的传输方式。异步传输又称起止式同步传输。基本原理 每次只传送一个字符 在每个字符前设置“起始”位，表示一个字符的开始，长度为1个码元长度，极性为“0”。在每个字符结尾处设置“停止”位，表示一个字符的结束，长度为12个码元长度，极性为“1”。本讲稿第三十三页，共五十四页异步传输的优缺点 优点是字符本身包含同步信息，不需要专门的同步设备，实现简单。缺点是增加了线路的附加开销，降低了传输效率。这种同步方式适用于传输速率=2400bit/s的传输。本讲稿第三十八页，共五十四页2.4.3 单工传输与双工传输单工传输与双工传输 如果只在点对点之间进行传输，按照信号传输的方向和时间，传输方式可分为：单工传输 半双工传输 全双工传输本讲稿第三十九页，共五十四页1.单工传输 在单工传输方式中，信号只能沿着一个方向传输。本讲稿第四十页，共五十四页2.半双工传输 在半双工传输方式中，信号可以进行双向传输，但是不能同时进行，只能交替使用。本讲稿第四十一页，共五十四页3.全双工传输 在全双工传输方式中，信号可以同时在两个方向上传输，信道是双向的。本讲稿第四十二页，共五十四页2.5 数据通信系统的主要性能指标数据通信系统的主要性能指标 通信系统的性能指标涉及通信系统的各个方面，如有效性、可靠性、适应性、标准性、经济性、维护性。本节介绍数据通信系统中的两个主要性能指标，即有效性和可靠性。本讲稿第四十三页，共五十四页2.5.1 有效性 有效性是指信道传输信息速度的快慢。在数据通信系统中，常用以下指标衡量：码元速率 信息速率 数据传输速率 频带利用率本讲稿第四十四页，共五十四页1.码元速率 RB 码元速率是指单位时间内传输的码元的个数。单位为码元/秒，又称为“波特(Baud)”，码元速率也成为波特率。本讲稿第四十五页，共五十四页2.信息速率Rb 信息速率是指单位时间内传输的信息量。单位为比特/秒(bit/s)，信息速率也称为比特率。当各码元等概率出现时 一个二进制码元的信息量是1bit，而一个 M 进制码元(等概率传输时)的信息量为log2 M bit。当以二进制传输时，码元速率与信息速率在数字上是相等的。当以 M 进制时，码元速率RB与信息速率Rb的关系是 Rb RBlog2 M bit/s RB baud当各码元不等概出现时 码元速率RB与信息速率Rb的则关系是 Rb RB H bit/s，H 为平均信息量本讲稿第四十六页，共五十四页 例：每秒钟传送1200个码元，则码元速率为1200 baud。若采用二进制传输，其信息速率为1200bit/s。若采用四进制传输，其信息速率为2400bit/s。本讲稿第四十七页，共五十四页例：某数据通信系统传输128个符号，其中有64个符号的出现概率分别为1/256，有32个符号出现的概率分别为1/128，另外32个符号的出现概率分别为1/64，且每个符号的持续时间为0.01s，求此时系统的信息速率。本讲稿第四十八页，共五十四页例：某数据通信系统传输128个符号，其中有64个符号的出现概率分别为1/256，有32个符号出现的概率分别为1/128，另外32个符号的出现概率分别为1/64，且每个符号的持续时间为0.01s，求此时系统的信息速率。解：由题意可知系统的码元速率为 RB 1/Tb=100 Baud 又因为各符号不等概出现，其平均信息量为 所以系统的信息速率 Rb RB H675bit/s本讲稿第四十九页，共五十四页3.数据传输速率 数据传输速率是指单位时间内传输的数据量。数据量的单位可以是比特、码组、字符，单位时间可以是秒、分钟、小时。这里的数据量通常是指数据终端设备之间实际传输的平均数据量。本讲稿第五十页，共五十四页4.频带利用率 频带利用率是指单位频带内的传输速率。上式中，B为系统的带宽，单位为Hz 频带利用率的大小与以下因素有关：信息量的大小 系统的调制方式 系统的编码方式本讲稿第五十一页，共五十四页2.5.2 可靠性1.误码率 误码率是指发生差错的码元数在传输总码元数中所占的比例。误码率是码元在传输系统中被传错的概率。本讲稿第五十二页，共五十四页2.误比特率 误比特率是指接收的错误比特数目与传输的总比特数目之比。本讲稿第五十三页，共五十四页2.6 小结 介绍了消息、信息、信号、模拟通信、数字通信等有关数据通信的基础知识 介绍了串行传输与并行传输、异步传输与同步传输、单工传输与双工传输 介绍了衡量数据通信系统的两个主要性能指标：有效性和可靠性本讲稿第五十四页，共五十四页