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数据通信基础本节学习要求：1.了解计算机通信中信息、数据与信号的基本概念，以及数据通信系统的基本结构；2.掌握串行与并行通信，单工、半双工与全双工通信，模拟通信、数字通信的特点；3.了解基带传输的定义与主要特点，掌握数据传输速率的定义；4.了解频带传输和宽带传输的定义，掌握调制解调器的基本工作原理；5.掌握异步传输与同步传输方式的主要特点；6.掌握模拟数据编码方法与数字数据编码的基本原理与主要特点；7.了解多路复用技术的分类，掌握FDM、WDM、TDM的基本工作原理；8.了解数据通信中差错产生的原因与差错类型，掌握误码率的定义与循环冗余编码CRC的基本工作原理；一.基本概念本章关键术语:信道(channel)双工/半双工/全双工 基带(baseband)宽带(broadband)模拟信号(analogsignal)码元数字信号(digitalsignal)并行通信/串行通信非屏蔽双绞线UTP（UnshieldedTwsitedPair）国际电信联盟ITU（InternationalTelecommunicationUnion）电气与电子工程师学会IEEE（InstituteofElectricalandElectronicsEngneering）单模光纤(single-modefiber)/多模光纤(multimodefiber)复用技术(multiplexing)频分多路复用FDM/时分多路复用TDM移幅键控法ASK/移频键控法FSK/移相键控法PSK调制解调器（modem）曼彻斯特编码现代数据通信系统实际上是一个计算机网络，由数据传输系统和数据处理系统两部分组成。通信系统模型：信息源发信机传输介质收信机受信者噪声源信息源发信机传输介质收信机受信者噪声源数据通信系统概述数据通信的基本概念数据通信的基本概念通信的目的是交换信息(Information)；信息：数据的内容和解析。l信息的载体可以是数字、文字、语音、图形或图像；l计算机产生的信息一般是字母、数字、符号、图形或图像的组合；l数据：载荷信息的物理符号或有意义的实体。l数据通信是指在不同计算机之间传送表示字母、数字、符号或图形、图像的二进制代码0、1比特序列的过程；数据通信的特点数据通信的特点数据通信和电报、电话通信相比，数据通信有如下特点：(1)数据通信是人机或机机通信，计算机直接参与通信是数据通信的重要特征；(2)数据传输的准确性和可靠性要求高；(3)传输速率高，要求接续和传输响应时间快；(4)通信持续时间差异大。数据的两种分类：数据的两种分类：数据可分为模拟数据与数字数据两种。模拟数据：如果数据在某个时间取连续值,则称为模拟数据.例如温度和压力。数字数据：若数据取离散值，则称数字数据。例如文本信息、整数、二进制数字等。信号：是数据的电磁波或电编码。是数据的具体表示形式。电话线上传送的按照声音的强弱幅度连续变化的电信号称为模拟信号(analog signal)；模拟信号的信号电平是连续变化的；模拟信号数字信号l计算机所产生的电信号是用两种不同的电平去表示0、1比特序列的电压脉冲信号，这种电信号称为数字信号(dligital signal）；信道信源信源信宿信宿信道信道 信道：传输信息的必经之路称为“信道”。也称为传送电信号的一条道路。按照信道中传输的信号分类，可把信道分为模拟信道和数字信道。在计算机中有所谓物理信道和逻辑信道之分。物理信道是指用来传送信号或数据的物理通路，网络中两个结点之间的物理通路称为通信链路，物理信道由传输介质及有关设备组成。逻辑信道也是一种通路但在信号收、发点之间并不存在一条物理上的传输介质、而是在物理信道基础上，由结点内部的边来实现。数据传输的基本形式基带传输：基带传输：所谓基带，就是指电信号所固有的基本频带，所谓基带，就是指电信号所固有的基本频带，简称基带。数字信号的基本频带是从简称基带。数字信号的基本频带是从0至若至若干兆赫，由传输速率决定。干兆赫，由传输速率决定。当利用数据传输系统直接传送基带信号，不当利用数据传输系统直接传送基带信号，不经频谱搬移时，则称之为基带传输经频谱搬移时，则称之为基带传输。数据传输的基本形式2所谓频带传输，就是把二进制信号所谓频带传输，就是把二进制信号(数字信号数字信号)进行调制交换，成为能在公用电话网中传输进行调制交换，成为能在公用电话网中传输的的 音频信号音频信号(模拟信号模拟信号)，将音频信号在传输，将音频信号在传输介质中传送到接收端后，再由调制解调器将介质中传送到接收端后，再由调制解调器将该音该音 频信号解调变换成原来的二进制电信号。频信号解调变换成原来的二进制电信号。这种把数据信号经过调制后再传送，到接收这种把数据信号经过调制后再传送，到接收端后又端后又 经过解调还原成原来信号的传输，称经过解调还原成原来信号的传输，称为频带传输。为频带传输。数据传输的基本形式3宽带是指比音频带宽更宽的频带，指传输介质宽带是指比音频带宽更宽的频带，指传输介质的频带宽度较宽的信息传输，一般在的频带宽度较宽的信息传输，一般在300-400MHz左右。使用这种宽频带传输的系统，左右。使用这种宽频带传输的系统，称为宽带传输系统。它可以容纳全部广播，并称为宽带传输系统。它可以容纳全部广播，并可进行高速数据传输。宽带传输系统多是模拟可进行高速数据传输。宽带传输系统多是模拟信号传输系统。信号传输系统。宽带传输的优点宽带传输的优点一般说，宽带传输与基带传输相比有以下优一般说，宽带传输与基带传输相比有以下优点：点：(1)能在一个信道中传输声音、图像和数据信能在一个信道中传输声音、图像和数据信息，使系统具有多种用途；息，使系统具有多种用途；(2)一条宽带信道能划分为多条逻辑基带信道，一条宽带信道能划分为多条逻辑基带信道，实现多路复用，因此信道的容量大大增加；实现多路复用，因此信道的容量大大增加；(3)宽带传输的距离比基带远，因基带直接传宽带传输的距离比基带远，因基带直接传送数字，传输的速率愈高，传输的距离愈短。送数字，传输的速率愈高，传输的距离愈短。通信操作方式根据信号传输方向与时间的关系，可以分为：方式方式 单工方式单工方式 半双工方式半双工方式 全双工方式全双工方式 描述描述 只支持数据的单向流动。支持数据双向分时流动，线路只有一条，两个方向须分时使用信道。支持数据双向同时流动，线路有两条或四条。通信方式（3）单工、半双工和全双工发方发方收方收方A方方A方方B方方B方方串行传输串行传输 与并行传输与并行传输 串行传输：指一位一位地传送数据，从发送端到接收端只要一根传输线即可。优点是节省设备,降低费用；缺点是传速慢，网络中多采用这种传输方式。并行传输：一次可以传送一个字节(8位)，发端到收端用8根线。目前，计算机内部操作多用并行传输，当采用串行传输时，发端通过并/串转换设备将并行数据流变为串行数据流，在接收端又通过串/并行设备，还原为8位并行数据。一）串行传输与并行传输串串行行传传输输:数据在一个信道上一位一位依次传输。数据线数目与与传输数据无关特点：1.通信线路数小，线路利用率高适合于远距离传输。2.在发送端和接收端需要并/串转换和串/并转换。3.需要实施同步措施，以确保不产生错字。串行串行通信方式串行传输与并行传输并并行行传传输输:数据在多个信道上同时传输。数据线数目与与传输数据相同并可能多一校验线特点：1.不需要对传输代码进行时序转换2.需要数据线数目多。3.传输速率高。并行并行通信方式（2）带宽带宽:l“带宽带宽”是指在信道上（或一段链路上）能够是指在信道上（或一段链路上）能够传送的数字信号的速率，即数据率或比特率传送的数字信号的速率，即数据率或比特率。l带宽的单位就是比特每秒（带宽的单位就是比特每秒（bit/s），而更常用的带宽单位是千比特每秒kbit/s、兆比特每秒 Mbit/S（106bit/s）、吉比特每秒 Gbit/s（109bit/s）或太比特 Tbit/S（1012bit/s）。二.信道特性信号在时间轴上的宽度就随着带宽的增大而变窄。例如，当信号为1和0相间的脉冲时，在带宽为1Mbit/S链路上，每一个比特在时间轴上的宽度为 lus，但在带宽为4Mbit/s的链路上，每一个比特在时间轴上的宽度就减小到原来的四分之一，即只有025 us。带宽带宽2工作速率工作速率符号速率又叫信号速率，记为符号速率又叫信号速率，记为N。它表示单位时间内。它表示单位时间内(每每秒秒)信道上实际传输的符号个数或信道上实际传输的符号个数或 脉冲个数脉冲个数(可以是多进可以是多进制制)。符号速率的单位是波特，即每秒的符号个数。符号速率的单位是波特，即每秒的符号个数。信息传输速率，简称传信率，通常记为信息传输速率，简称传信率，通常记为R。它表示单位时。它表示单位时间内系统传输间内系统传输(或信源发出或信源发出)的信息量，即二进制码元数。的信息量，即二进制码元数。在二进制通信系统中，信息传输速率在二进制通信系统中，信息传输速率R(比特秒比特秒)等于信等于信号速率。对于多进制两者不相等。例如四进制中符号速率号速率。对于多进制两者不相等。例如四进制中符号速率为为2400波特，其信息速率为波特，其信息速率为4800bits；而八进制的信息；而八进制的信息速率为速率为7200bits等等。它们的关系为式中等等。它们的关系为式中m为符号的进为符号的进制数制数。频带利用率频带利用率在比较不同通信系统的效率时，单看它们的信息传输速率是不够的，或者说，即使两个系统 的信息速率相同，它们的效率也可能不同，所以还要看传输这样的信息所占的频带。通信系 统占用的频带愈宽，传输信息的能力应该愈大。在通常情况下，可以认为二者成比例。用单位频带内的符号速率描述系统的传输效率，即每赫的波特数：=符号速率 波特率（baud）和比特率（bit）的关系：波特率：信号每秒钟变化的次数，也称调制速率。比特率：每秒钟传送的二进制位数。波特率与比特率的关系取决于信号值与比特位的关系。例：每个信号值可表示位，则比特率是波特率的倍；每个信号值可表示位，则比特率和波特率相同。对于比特率为bps的信道，发送位所需的时间为8/B秒，若位为一个周期，则一次谐波的频率是：f1=B/8Hz能通过信道的最高次谐波数目为：N=fc/f1音频线路的截止频率为3000HzN=fc/f1=3000/(B/8)=24000/B结论结论：即使对于完善的信道，有限的带宽限制了数据的传输速率。数据传输速率数据传输速率 指通信线上传输信息的速度。有两种表示方法，即信号速率和调制速率。信号速率S：指单位时间内所传送的二制位代码的有效位数，以每秒多少比特数计，即bit/s、b/p、位/秒。信号速率的高低，由每位所占的时间决定，若一位数据所占的时间越小，则信号速率越高。设T为传输的电脉冲信号的宽度或周期，N为电脉冲信号所有可能的状态数，则信号速率为S=1/Tlog2N（bps）调制速率B：是脉冲信号经过调制后的传输速率，以波特（BAUD）为单位，通常用于表示调制器之间传输信号的速率。表示每分钟传送多少电信号单元，若T（秒）表示调制周期，则调制速率为：B=1/T 通信容量与带宽成正比Nyquist公式：S=2Blog2 L Shannon定理：C=Blog2（1+S/N）理想信道情况，奈奎斯特（Nyquist）准则：理想信道的最高码元传输速率理想信道的最高码元传输速率B=2WBaudW带宽，单位为赫兹；Band波特，码元传输速率的单位，1波特为每秒传送1个码元。1924年，奈魁斯特（H.Nyquist）推导出无噪声有限带宽信无噪声有限带宽信道道的最大数据传输率公式：最大数据传输率R=2Wlog2N(bps)任意信号通过一个带宽为W的低通滤波器，则每秒采样W次就能完整地重现该信号，信号电平分为N级。例如：某信道带宽为4kHz，任何时刻数字信号取0、1、2、3四种电平之一，则最大数据速率为：2X4kHzXlog24=16kbps1948年，香农（C.Shannon）把奈魁斯特的工作扩大到信道受到随机（热）噪声随机（热）噪声干扰的情况。热噪声出现的大小用信噪比（信号功率与噪声功率之比）来衡量。：信号功率，：噪声功率10log10S/N单位：分贝（db）香农的主要结论是：带宽为H赫兹，信噪比为S/N的任意信道的最大数据传输率为最大数据传输率=Hlog2(1+S/N)(bps)电话系统的典型信噪比为30db;此式是利用信息论得出的，具有普遍意义；与信号电平级数、采样速度无关；此式仅是上限，难以达到。二.信道特性码元码元：构成信息编码的最小单位，二进制编码的码元为1位二进制数，即1个比特。一个A字符的ASCII码01000001B就是由8个码元构成。一个码元携带的信息量由码元取的离散的状态值个数决定。若码元取0和1两个离散状态值，则一个码元携带1比特(bit)信息。若码元可取4个离散状态值(如四进制，4个离散状态值为3、2、1、0)，则一个码元携带2比特信息。码元携带的信息量n(比特)与码元取的离散值个数N有如下关系n=log2N数据传输速率信号速率信号速率：也称为数据传输速率。单位时间内在信道上传送的信息量（二进制比特数）。单位为b/s，或bps。调制速率调制速率：也称为码元速率。信号经调制后信号状态变化的次数，单位为波特Band。二者之间的关系为：S=Blog2NS信号速率；B调制速率；N一个脉冲代表的有效状态数。实际信道不理想：信道带宽有限；失真；多种干扰进入信道。码元传输速率有上限。误码率Pe=误传的码元总数误传的码元总数/传送的码元总数传送的码元总数可靠性与差错校正可靠性与差错校正可靠性：可靠性：可用差错率来表示。常用的差错率指标有平均误码率、平均误字率、平均误码组率等。误码(码组，字符)=接收出现差错的比特(字符、码组)数差错率是一个统计平均值，因此在测试或统计时，总的发送比特(字符、码组)数应达到一定的数量，否则得出的结果将失去意义。误码率：误码率：指信息传输的错误率，是衡量系统可靠性的指标。它以接收信息中比特数占总传输比特数的比例来度量，通常应低于10-6。差错校正：差错校正：字符代码在传输、接收过程中，难免发生错误，如何及时自动检测差错并进一步自动校正，也是数字通信系统研究的重要课题，通常的解决办法采用抗干扰编码或纠错编码，目前常采用的有奇偶校验码、方块码、循环冗余码等。信道延迟时延（时延（delay或或latency）是指一个报文或分组从是指一个报文或分组从一个网络（或一条链路）的一端传送到另一端所一个网络（或一条链路）的一端传送到另一端所需的时间。需的时间。传播时延是电磁波在信道中传播所需要的时间传播时延是电磁波在信道中传播所需要的时间。传播时延的计算公式是：传播时延传播时延=信道长度信道长度/电磁波在信道上的传播速率电磁波在信道上的传播速率电磁波在自由空间的传播速率是光速，即3.0*105km/s。电磁波在介质中的传播速率比在自由空间要略低一些，在电缆中的传播速率约为2.3*105km/s，在光纤中的传播速率约为2.0*105km/s。例如，1000km长的光纤线路带来的传播时延大约为5ms。发送时延与排队时延发送时延与排队时延发送时延：是是发发送送数数据据所所需需要要的的时时间间。发送时延的计算公式是：发送时延=数据块长度/信道带宽 信道带宽就是数据在信道上的发送速率，它也常称为数据在信道上的传输速率。信号传输速率和电磁波在信道上的传播速率是两个完全不同的概念 排队时延是数据在交换结点等候发送在缓存的队列中排队所经历的时延。这种时延的大小主要取决于网络中当时的通信量。当网络的通信量很大时，还会发生队列溢出，使数据丢失，这相当于排队时延为无穷大 数据经历的总时延就是以上三种时延之和：总时延=传播时延十发送时延十排队时延 三.传输介质传输介质在网络的最低层次上，所有计算机通信都在网络的最低层次上，所有计算机通信都以某种能量形式对数据进行编码，并将这以某种能量形式对数据进行编码，并将这些能量通过传输介质发送出去。例如，电些能量通过传输介质发送出去。例如，电流可用来在导线上传输数据，而无线电波流可用来在导线上传输数据，而无线电波可用来在空中传输数据。可用来在空中传输数据。传输介质双绞线双绞线双绞线（TP，TwistedPair）由两根互相绝缘的铜导线并排或相互缠绕而成。缠绕是为了减少相邻导线的电磁干扰。一对或多对（4对）双绞线安置在一个护套种变成了双绞线电缆。双绞线分为屏蔽双绞线（STP，ScreenedTwsitedPair）和非屏蔽双绞线UTP（UnscreenedTwsitedPair）。由于非屏蔽双绞线价格相对便宜，因而多用。电子工业协会（EIA）为计算机用非屏蔽双绞线的不同质量推行了一种分类方法。CAT3类双绞线适用于10Mbps的计算机网络，CAT5类双绞线适用于100Mbps左右的计算机网络。特点：高速传输、便宜；抗电磁干扰能力差、不适宜远距离传输。双绞线双绞线双绞线示意图每根线的绝缘层用于隔离两根导线，绞在一起可减少干扰 绞在一起限制了电磁能量的发射，并有助于防止双绞线中的电流发射能量干扰其他导线。其次，绞在一起也使双绞线本身不易被电磁能量所干扰，有助于防止其他导线中的信号干扰这两根导线。双绞线双绞线2传输介质传输介质同轴电缆同轴电缆分基带和宽带两类。分基带和宽带两类。常见的有常见的有:1)RG-58A/u细缆细缆阻抗阻抗50，直径，直径0.18英寸。传基带信号。英寸。传基带信号。2)RG-11粗缆粗缆阻抗阻抗50，直径，直径0.4英寸。传基带信号。英寸。传基带信号。3)RG-59u阻抗阻抗75，直径，直径0.25英寸。常用于英寸。常用于CATV，也可作为宽带数据，也可作为宽带数据传输线。传输线。同轴电缆网络中使用的第二种导线是同轴电缆，和有线电视所用的电缆一样。同轴电缆较双绞线有更好的抗干扰作用。与双绞线绞在一起以限制干扰不同，同轴电缆由一根为金属屏蔽层所包围的导线组成，如图所示。同轴电缆2光纤的优点光纤的优点1.传输的形式是光，所以光纤不会引起电磁干扰也不会被干扰。2.因为玻璃纤维可以被制成能反射光纤内绝大多数的光，所以光纤传输信号的距离比导线所能传输的距离要远得多。3.因为较之电信号，光可以对更多的信息进行编码，所以光纤可在单位时间内传输比导线更多的信息。4.与电流总是需要二根导线形成回路不同，光仅需一根光纤即可从一台计算机传输数据到另一台计算机。传输介质传输介质光导纤维（光导纤维（opticalfiber）结构：结构：单模光纤：细（单模光纤：细（=n+1或2r=k+r+1其中n=k+r海明码的编码效率为：R=k/(k+r)式中k为信息位位数r为增加冗余位位数海明码可以在任意长度的数据单元上应用。海明码的每一位自前至后编号，自前至后依次为第1位、第2位、第3位、。凡编号为2的乘幂的位（1，2，4，8，16，）是冗余位，称他们为r1,r2,r4,r8,r16，其余位是数据位。所有的数据位放在2n和2n+1位之间（不包括2n和2n+1位）。2.海明码的生成与接收1)海明码的生成。例.已知：信息码为：0010。海明码的监督关系式为：S2=a2+a4+a5+a6S1=a1+a3+a5+a6S0=a0+a3+a4+a6求：海明码码字。解：1)由监督关系式知冗余码为a2a1a0。2)冗余码与信息码合成的海明码是：0010a2a1a0。设S2=S1=S0=0,由监督关系式得：a2=a4+a5+a6=1a1=a3+a5+a6=0a0=a3+a4+a6=1因此，海明码码字为：00101012)海明码的接收。例2.已知：海明码的监督关系式为：S2=a2+a4+a5+a6S1=a1+a3+a5+a6S0=a0+a3+a4+a6接收码字为：0011101(n=7)求：发送端的信息码。解：1)由海明码的监督关系式计算得S2S1S0=011。2)由监督关系式可构造出下面错码位置关系表：3)由S2S1S0=011查表得知错码位置是a3。4)纠错-对码字的a3位取反得正确码字：00101015)把冗余码a2a1a0删除得发送端的信息码：0010S2S1S0错码位置000无错001a0010a1100a2011a3101a4110a5111a6错误检测与纠正错误检测与纠正接收方接收到一个海明码后，对每一个冗余位及其相关的数据位进行偶校验，然后将新的校验位的值按照冗余比特位置(r8r4r2r1)排成一个二进制数。如果该二进制数位0，则无错误。如果该二进制数不为零，该二进制数的值就指出了错误的位置。一旦确定了错误的位置，接收方就可以将该比特取反，并纠正该错误。循环冗余码循环冗余码(CRC)前提:发送方和接受方必须事先商定一个二进制数G(x)(生成多项式),发送端:计算校验和,将校验和加在数据末尾,使这个带校验和的数据能被G(x)除尽.接收端:收到带校验和的数据后,用G(x)去除它,如果有余数,则传输出错实现:用简单的硬件(移位寄存器电路)即可2.7 差错检验和控制差错检验和控制数据=1101011011G(x)(生成多项式)=10011循环冗余码循环冗余码(CRC)例子：例子：传输码元=数据（移位后）+余数 11010110111110