《计算机网络与通信》PPT课件.ppt

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1、第二章数据通信基础第二章数据通信基础本章主要介绍数据通信的基本概念、数据传输技术、多路复用技术、数据交换技术及差错控制技术2.1 数据通信的基本概念数据通信的基本概念数据通信系统的基本组成数据通信的几个基本概念模拟传输和数字传输数据通信系统的质量指标2.1.1 数据通信系统的基本组成数据通信系统的基本组成l1、通信系统的基本模型信息源信息源和输入和输入转换器转换器发送发送设备设备接收接收设备设备信道信道输出转输出转换器和换器和受信者受信者噪声噪声2.1.1 数据通信系统的基本组成数据通信系统的基本组成l2、数据通信系统的组成数据数据输入输入输出输出设备设备传输信道传输信道主主机机数据终端设备数

2、据终端设备DTE传传输输控控制制器器数据数据电路电路终接终接设备设备数据数据电路电路终接终接设备设备传传输输控控制制器器计算机系统计算机系统接接口口接接口口数据电路数据链路DCEDCE2.1.2 数据通信的几个基本概念数据通信的几个基本概念1、信号频带及频谱分析（1）周期信号l信号的周期就是信号完成一个循环所需要的时信号的周期就是信号完成一个循环所需要的时间。间。l信号周期信号周期=p=pl信号的频率信号的频率=f =f 信号每秒振荡的周期数。其信号每秒振荡的周期数。其量度单位是周期每秒，即赫兹量度单位是周期每秒，即赫兹(Hz)(Hz)。l频率和周期的关系式是：频率和周期的关系式是：f=1/p

3、f=1/p2.1.2 数据通信的几个基本概念数据通信的几个基本概念1、信号频带及频谱分析（2）周期性非正弦信号的傅氏级数及频谱特性现在给出一个数学描述。假设现在给出一个数学描述。假设s(t)s(t)是一个周期为是一个周期为P P的周期函数。的周期函数。依据傅立叶变换的其中一种形式：依据傅立叶变换的其中一种形式：2.1.2 数据通信的几个基本概念数据通信的几个基本概念1、信号频带及频谱分析（2）周期性非正弦信号的傅氏级数及频谱特性（还有其他的形式，但这种更适合我们这里的需要。）（还有其他的形式，但这种更适合我们这里的需要。）其中的系数其中的系数a ai i和和b bi i被定义为被定义为:2.1

4、.2 数据通信的几个基本概念数据通信的几个基本概念傅立叶变换傅立叶变换:能解释各种不同的通信媒体的局限性能解释各种不同的通信媒体的局限性。每一个周期信号都是具有不同的频率和振幅的每一个周期信号都是具有不同的频率和振幅的模拟信号的叠加模拟信号的叠加。由傅立叶变换得出一个结论：由傅立叶变换得出一个结论：媒体媒体发送和分解发送和分解一个模拟信号的能力取决于它一个模拟信号的能力取决于它能够处理的频率的范围（带宽）能够处理的频率的范围（带宽）。我们来看一个列子，令我们来看一个列子，令s(t)s(t)为为:这是一个周期为这是一个周期为2 2的方波。的方波。t ts(t)s(t)1 1-1-12 2p3 3

5、p4 4pp6 6p5 5p7 7p8 8p2.4.2 模拟信号因为它是一个周期函数（周期为因为它是一个周期函数（周期为2 2p），所以可以把它写成一个傅立叶级数。所以可以把它写成一个傅立叶级数。在这里，所有的常量在这里，所有的常量a ai i(i0)(i0)都为都为0 0。常量。常量b bi i定义为定义为我们用微积分算出这些结果。由它可以把周期函数写成我们用微积分算出这些结果。由它可以把周期函数写成右图分别给出右图分别给出了具有了具有1 1、3 3、5 5、1111和和2121个个项的近似值的项的近似值的曲线图。如图曲线图。如图所示，只有几所示，只有几个项的近似值个项的近似值与原函数相差与

6、原函数相差很远。但随着很远。但随着项的个数的增项的个数的增多，每个时间多，每个时间间隔内的曲线间隔内的曲线将更加平滑，将更加平滑，在在1 1和和-1-1之间之间的跳变也更加的跳变也更加快速。快速。傅立叶变换是学习通信的基础。傅立叶变换是学习通信的基础。在一个带宽有限的媒体上传送一个复在一个带宽有限的媒体上传送一个复杂的模拟信号就和用傅立叶级数来近杂的模拟信号就和用傅立叶级数来近似一个函数一样。似一个函数一样。高保真音响高保真音响30Hz30Hz到到200002000030000Hz30000Hz普通电话机普通电话机300Hz300Hz3300Hz3300Hz30Hz30Hz300Hz300Hz

7、3300Hz3300Hz30000Hz30000Hz傅立叶变换也可以应用于硬件的设计。傅立叶变换也可以应用于硬件的设计。比如，一个滤波器（比如，一个滤波器（FilterFilter）可以挡住某一）可以挡住某一频率，而让其他的频率通过。它有非常广泛频率，而让其他的频率通过。它有非常广泛的应用。的应用。1 1K K 2 2K K 3 3K K 4 4K K 5 5K K 6 6K K 7 7K K 8 8K K 9 9K K 1 10 0K K 1 11 1K K 1 12 2K K 1 13 3K K 1 14 4K K 1 15 5K K 1 16 6K K 1 17 7K K2.1.2 数据

8、通信的几个基本概念数据通信的几个基本概念1、信号频带及频谱分析（3）非周期性信号的频谱特性非周期性信号可以看成是非周期性信号可以看成是P P周期信号：频谱无限密集，其频周期信号：频谱无限密集，其频谱变为连续频谱。谱变为连续频谱。2.1.2 数据通信的几个基本概念数据通信的几个基本概念1、信号频带及频谱分析（4）信号的频带由于谐波振幅具有收敛性，所以次数过高的谐波分量非常小，由于谐波振幅具有收敛性，所以次数过高的谐波分量非常小，对于一个信号并没有什么意义。对于一个信号，从零频开始到对于一个信号并没有什么意义。对于一个信号，从零频开始到需要考虑的最高频率分量之间的频率范围称为信号的带宽。需要考虑的

9、最高频率分量之间的频率范围称为信号的带宽。2.1.2 数据通信的几个基本概念数据通信的几个基本概念1、信号频带及频谱分析（5）二进制数字信号的频谱特性信号带宽信号带宽=1/信号代码宽度信号代码宽度2.1.2 数据通信的几个基本概念数据通信的几个基本概念1、信号频带及频谱分析（6）信号时间特性和频率特性间的关系信号周期信号周期T减小，谱线间隔就会变大，谱线占有频率范围变减小，谱线间隔就会变大，谱线占有频率范围变大，信号频带就会增加，反之亦然。大，信号频带就会增加，反之亦然。2.1.2 数据通信的几个基本概念数据通信的几个基本概念2、数据信号（1）模拟数据与数字数据模拟数据：数据的状态是连续变化和

10、不可数的。模拟数据：数据的状态是连续变化和不可数的。数字数据数字数据：数据的状态是离散和可数的。：数据的状态是离散和可数的。2.1.2 数据通信的几个基本概念数据通信的几个基本概念2、数据信号（2）模拟信号与数字信号模拟信号：电信号的参量对应于模拟数据而取连续值。模拟信号：电信号的参量对应于模拟数据而取连续值。数字信号数字信号：电信号的参量对应于数字数据而取离散值电信号的参量对应于数字数据而取离散值。2.1.2 数据通信的几个基本概念数据通信的几个基本概念2、数据信号（3）模拟通信与数字通信模拟信号：传输模拟信号的通信方式。模拟信号：传输模拟信号的通信方式。数字信号数字信号：传输数字信号的通信

11、方式。：传输数字信号的通信方式。数字通信相对于模拟通信有如下优点：抗干扰能力强、差数字通信相对于模拟通信有如下优点：抗干扰能力强、差错可以控制、易于实现保密通信。错可以控制、易于实现保密通信。2.1.3 模拟传输和数字传输模拟传输和数字传输l在将数据从信源送到信宿的过程中，必须对数据的性质和用来传输数据的信号进行区分。数据的性质模拟数据模拟数据数字数据数字数据信号的传播方式数字信号数字信号模拟信号模拟信号模拟数据模拟数据数字数据数字数据模拟信道模拟信道基带或调制编码调制编码数字信道数字信道脉冲调制编码数字信号编码2.1.3 模拟传输和数字传输模拟传输和数字传输l1、模拟数据的模拟数据的模拟信号

12、模拟信号传输传输 一般使用基带传输或调制后用频带传输的方一般使用基带传输或调制后用频带传输的方式。式。例子：普通电话。例子：普通电话。2.1.3 模拟传输和数字传输模拟传输和数字传输l2、数字数据的数字数据的模拟信号模拟信号传输传输 调制后传输。通常有三种基本的模式：调制后传输。通常有三种基本的模式：移幅键控（移幅键控（Amplitude Shift Keying,ASK）移频键控（移频键控（Frequency Shift Keying,FSK）移相键控（移相键控（Phase Shift Keying,PSK）移幅键控（移幅键控（Amplitude Shift Keying,ASKAmplit

13、ude Shift Keying,ASK），也叫调幅（），也叫调幅（Amplitude Amplitude Modulation,AMModulation,AM）。正如你可能猜到的一样，区别只在于这里的每一个比特组）。正如你可能猜到的一样，区别只在于这里的每一个比特组对应于一个给定大小的模拟信号。和对应于一个给定大小的模拟信号。和FSKFSK一样，每个比特组可以包含一个或多一样，每个比特组可以包含一个或多个比特位，这将决定比特率和波特率之间的关系。个比特位，这将决定比特率和波特率之间的关系。为了说明问题，假设设为了说明问题，假设设定四个大小级别：定四个大小级别：A1A1，A2A2，A3A3和和

14、A4A4。这些。这些大小级别和两个比特位大小级别和两个比特位的对应关系如表所示。的对应关系如表所示。右图给出了比特串右图给出了比特串0011011000110110所对应的模拟所对应的模拟信号。在这里，比特率信号。在这里，比特率是波特率的两倍。两个是波特率的两倍。两个比特位的每一个组合比特位的每一个组合（从左向右）对应一个（从左向右）对应一个适当大小的信号。同频适当大小的信号。同频移键控一样，每个信号移键控一样，每个信号的持续周期是固定不变的持续周期是固定不变的。的。比特值比特值产生的信号产生的信号的振幅的振幅0000A1A10101A2A21010A3A31111A4A4第一种方法称为频移键

15、控（第一种方法称为频移键控（Frequency Shift Keying,FSKFrequency Shift Keying,FSK），也叫频率调），也叫频率调制（制（Frequency Modulation,FMFrequency Modulation,FM），它给数字），它给数字0 0和和1 1分别分配一个模拟信号分别分配一个模拟信号频率。比如，假设频率。比如，假设0 0对应一个较高的频率，而对应一个较高的频率，而1 1对应一个较低的频率，那么对应一个较低的频率，那么比特串比特串0 1 0 0 10 1 0 0 1所对应的模拟信号如图所示。调制解调器在一个指定的时所对应的模拟信号如图所示。

16、调制解调器在一个指定的时间周期内传输一个适当频率的信号。间周期内传输一个适当频率的信号。只使用两个频率意味着信号每变化一次，就发送一个比特位的数据。只使用两个频率意味着信号每变化一次，就发送一个比特位的数据。这是波特率（信号改变的频率）和比特率相等的一个特例。频率调制也可这是波特率（信号改变的频率）和比特率相等的一个特例。频率调制也可以使用更多的频率。比如说，因为两个比特位就有四个可能的组合，所以以使用更多的频率。比如说，因为两个比特位就有四个可能的组合，所以可以为这四个组合分别分配一个频率。这样，每个频率变化将传送两个比可以为这四个组合分别分配一个频率。这样，每个频率变化将传送两个比特位的数

17、据；也就是说，比特率将是波特率的两倍。特位的数据；也就是说，比特率将是波特率的两倍。一般而言，一般而言，n n个比特位可以有个比特位可以有2 2n 个组合，每一个组合可以对应个组合，每一个组合可以对应2 2n个频率中的个频率中的一个。这样的话，比特率就是波特率的一个。这样的话，比特率就是波特率的n n倍。倍。频移键控频移键控(两种频率两种频率)，每波特一比特，每波特一比特相移键控（相移键控（Phase Shift Keying,PSKPhase Shift Keying,PSK），也叫相位调制（），也叫相位调制（Phase Phase Modulation,PMModulation,PM），也

18、是和前面类似的一种技术。信号的差异在于相移，而），也是和前面类似的一种技术。信号的差异在于相移，而不是频率或振幅。通常，一个信号的相移是相对于前一个信号而言的。因此，不是频率或振幅。通常，一个信号的相移是相对于前一个信号而言的。因此，它也经常被人们称为差分相移键控（它也经常被人们称为差分相移键控（Differential Phase Shift Differential Phase Shift Keying,DPSKKeying,DPSK）。如前所述，）。如前所述，n n个比特位的每一个组合可以对应于个比特位的每一个组合可以对应于2 2n n个相移中个相移中的一个，从而使比特率的一个，从而使比

19、特率n n倍于波特率。倍于波特率。为了说明问题，为了说明问题，假设设定四个假设设定四个大小级别的相大小级别的相移：移：K1K1，K2K2，K3K3和和K4K4。这些大小。这些大小级别和两个比级别和两个比特位的对应关特位的对应关系如表所示。系如表所示。比特比特值值产产生生的的相相移移0000K1K10101K2K21010K3K31111K4K42.1.3 模拟传输和数字传输模拟传输和数字传输l3、数字数据的数字信号传输单极性编码双极性编码曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码2.1.3 模拟传输和数字传输模拟传输和数字传输l3、数字数据的数字信号传输（1）、单极性编码0电平=0高电平=1a)单极性不归零

20、：b)单极性归零：每一个1之后用零电平来分隔2.1.3 模拟传输和数字传输模拟传输和数字传输l3、数字数据的数字信号传输（2）、双极性编码负电平=1高电平=0a)双极性不归零：非负即正，不会出现0电平。b)双极性归零：正电平和负电平之间用零电平来分隔。2.1.3 模拟传输和数字传输模拟传输和数字传输l3、数字数据的数字信号传输（3）曼彻斯特编码与差分曼彻斯特编码曼彻斯特编码（曼彻斯特编码（Manchester CodeManchester Code）用信号的变化来保持发送设备）用信号的变化来保持发送设备和接收设备之间的同步。也有人称之为自同步码（和接收设备之间的同步。也有人称之为自同步码（Se

21、lf-Self-Synchronizing CodeSynchronizing Code）。它用电压的变化来分辨）。它用电压的变化来分辨0 0和和1 1。它明确规。它明确规定，从定，从高电平到低电平的跳变代表高电平到低电平的跳变代表0 0，而，而从低电平到高电平的跳变从低电平到高电平的跳变代表代表1 1。0 1 0 1 1 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 差分曼彻斯特编码（差分曼彻斯特编码（Differential Manchester Encoding）。和曼彻斯特编码一样，）。和曼彻斯特编码一样，在每个比特时间间隔的中间，信号都会发生跳变。区别在于每个时间间隔的开始处。在每个比

22、特时间间隔的中间，信号都会发生跳变。区别在于每个时间间隔的开始处。1 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0 传输开始时的电平信号T：1比特的持续时间T：1比特的持续时间高电平高电平低电平低电平时间2.1.3 模拟传输和数字传输模拟传输和数字传输l4、模拟信号的数字信号传输脉冲幅度调制脉冲幅度调制:Pulse Amplitude Modulation,PAM脉码调制脉码调制:Pulse Code Modulation,PCM使脉冲真正数字化的一种方法是为采样信号分配一个预先确定使脉冲真正数字化的一种方法是为采样信号分配一个预先确定的振幅。这种处理方法称为脉码调制（的振幅。这

23、种处理方法称为脉码调制（Pulse Code Pulse Code Modulation,PCMModulation,PCM）。举例来说，假设将整个振幅范围划分成）。举例来说，假设将整个振幅范围划分成2 2n n个振幅，并让每一个振幅对应一个个振幅，并让每一个振幅对应一个n n比特的二进制数。比特的二进制数。下图给出下图给出了划分成八个值时的结果（了划分成八个值时的结果（n=3n=3）2.1.3 一项应用是光盘（一项应用是光盘（CDCD）技术。）技术。CDCD上的音乐是应用上的音乐是应用PCMPCM光学编码成数字格式的。光学编码成数字格式的。然而，为了保留高品质的音响效果，然而，为了保留高品质

24、的音响效果，PCMPCM编码必须采用较高的频率，并为每编码必须采用较高的频率，并为每个脉冲分配较多的比特位。实际的数值随具体的设备而定。比如，翻阅一台个脉冲分配较多的比特位。实际的数值随具体的设备而定。比如，翻阅一台CDCD播放器的用户手册，可以找到下面的技术参数：播放器的用户手册，可以找到下面的技术参数：采样频率：采样频率：D-A D-A转换：转换：1616比特线性比特线性正如你可能想到的一样，所谓的正如你可能想到的一样，所谓的D-AD-A即数字到模拟。即数字到模拟。1616个比特允许大约个比特允许大约2 21616=65536=64K=65536=64K个采样振幅。每秒采样个采样振幅。每秒

25、采样4400044000次左右，是次左右，是2Hz2Hz到到22000Hz22000Hz的频率的频率响应范围的两倍多一点。术语线性指脉冲振幅是均匀分布的。响应范围的两倍多一点。术语线性指脉冲振幅是均匀分布的。（某些情况下，振幅并不是均匀分布的。脉冲的振幅集中分布在取值出现的可能性较大的区域。这种称为压缩扩展的不均匀分布能够在不增加每个采样的比特位的情况下提高语音质量。）2.1.4 数据通信系统的质量指标数据通信系统的质量指标l有效性：消息的传输速度；l可靠性：消息的传输质量；l适应性：环境使用条件；l标准性：通信元件的标准互换性；l经济性：成本高低；l使用维修：是否方便。2.1.4 数据通信系

26、统的质量指标数据通信系统的质量指标1、有效性指标（1）码元速率：每单位时间秒内信号码元变化的次数。单位：波特率2.1.4 数据通信系统的质量指标数据通信系统的质量指标1、有效性指标（2）信息速率：每单位时间秒内传输的数据信号量。单位：比特率（bit/s)信息速率=码元速率*log2N(bit/s)其中：N为码元个数。2.1.4 数据通信系统的质量指标数据通信系统的质量指标1、有效性指标（3）功率利用率：在保证系统传输质量的条件下，系统所需要的最低归一化信噪比定义为系统的功率利用率。2.1.4 数据通信系统的质量指标数据通信系统的质量指标2、可靠性指标（1）误码率：Pe=limne/nnn:系统

27、在一定时间内传输的总的码元数；ne:在相同时间内产生的差错码元数。2.1.4 数据通信系统的质量指标数据通信系统的质量指标2、可靠性指标（2）误比特率：Pb=limnb/nnn:系统在一定时间内传输的总的比特数；nb:在相同时间内产生的差错比特数。2.2 数据传输技术数据传输技术传输介质与信道容量数据信号的传输方式数据信号的通信方式2.2.1 传输介质与信道容量传输介质与信道容量l1、传输介质l共有三种类型的传输媒体，每一种类型都有许多品种。共有三种类型的传输媒体，每一种类型都有许多品种。l第一种媒体是铜、铁等金属导体。我们将介绍如何利第一种媒体是铜、铁等金属导体。我们将介绍如何利用导线电流传

28、输数据。用导线电流传输数据。l第二种媒体是透明玻璃或塑胶绳，它们可以通过光波第二种媒体是透明玻璃或塑胶绳，它们可以通过光波实现数据传送。实现数据传送。l第三种类型的媒体根本不需要物理连接，而是依靠电第三种类型的媒体根本不需要物理连接，而是依靠电磁波，正如无线电视和无线电广播一样。磁波，正如无线电视和无线电广播一样。2.2.1 传输介质与信道容量传输介质与信道容量l1、传输介质l（1 1）双绞线）双绞线:按传输质量分：1、2、3、4、5、6类按对数：2对到1800对之间；传送距离：语音：公里数字：100米速度：日前在100M左右，超五类和六类双绞线可达1000M2.2.1 传输介质与信道容量传输

29、介质与信道容量l双绞线通常用于传输平衡信号。也就是说，每条导线都带有电流，但它们分别携带双绞线通常用于传输平衡信号。也就是说，每条导线都带有电流，但它们分别携带的信号的相位相差的信号的相位相差180180度。度。V Vt t2.2.1 传输介质与信道容量传输介质与信道容量l1、传输介质l（2 2）同轴电缆）同轴电缆:按型号分：RG-8或RG-11（50欧）-粗缆RG-58-59/U或C/U（50欧）-细缆RG-59（75欧）-CATV电缆RG-62（93欧）-ARCnet与IBM3279系统使用传送距离：细缆：无中继180m，有中继925m粗缆：无中继承500m，有中继2500m速度：标准10

30、M，理论上可达600M。2.2.1 传输介质与信道容量传输介质与信道容量l1、传输介质l（3 3）光纤）光纤:一、用光线来传传输信号一、用光线来传传输信号 二、光纤不受电子噪音的干扰，并具有巨大的二、光纤不受电子噪音的干扰，并具有巨大的信息传输容量。信息传输容量。三、光纤很细（三、光纤很细（0.85um,1.3um,1.55um)0.85um,1.3um,1.55um)2.2.1 传输介质与信道容量传输介质与信道容量l1、传输介质l（3 3）光纤）光纤:（一）按照制造光纤所用的材料分：石英系（一）按照制造光纤所用的材料分：石英系光纤、多组分玻璃光纤、塑料包层石英芯光纤、光纤、多组分玻璃光纤、塑

31、料包层石英芯光纤、全塑料光纤和氟化物光纤。全塑料光纤和氟化物光纤。（二）按光在光纤中的传输模式分：单模光纤（二）按光在光纤中的传输模式分：单模光纤和多模光纤。和多模光纤。（三）按最佳传输频率窗口分：常规型单模（三）按最佳传输频率窗口分：常规型单模光纤和色散位移型单模光纤。光纤和色散位移型单模光纤。2.2.1 传输介质与信道容量传输介质与信道容量l1、传输介质l（3 3）光纤）光纤:（四）按折射率分布情况分：阶跃型和渐变（四）按折射率分布情况分：阶跃型和渐变型光纤。型光纤。（五）按光纤的工作波长分：短波长光纤、（五）按光纤的工作波长分：短波长光纤、长波长光纤和超长波长光纤。长波长光纤和超长波长光

32、纤。短波长光纤是指的光纤；长波长光纤是指的光纤；而超长波长光纤则是指2m以上的光纤。2.2.1 传输介质与信道容量传输介质与信道容量l1、传输介质l（4 4）微波）微波:无线电波：频率在1GHz到20GHz之间无中继传输距离：30KM到50KM之间速度：标准10M，理论上可达600M。2.2.1 传输介质与信道容量传输介质与信道容量l1、传输介质l（4 4）卫星）卫星:同步卫星：赤道上空36000公里。低轨道卫星：地球上空400公里以上。远距离传输较微波传输有优势。2.2.1 传输介质与信道容量传输介质与信道容量l2、信道噪声l（1 1）噪声分类）噪声分类:（按来源分）（按来源分）自然噪声：雷

33、电、宇宙中的星体幅射自然噪声：雷电、宇宙中的星体幅射人为噪声：各邻近的电气设备的干扰人为噪声：各邻近的电气设备的干扰电路噪声：半导体器件内部的散弹噪声和电阻内电路噪声：半导体器件内部的散弹噪声和电阻内 的热噪声等。的热噪声等。2.2.1 传输介质与信道容量传输介质与信道容量l2、信道噪声l（1 1）噪声分类）噪声分类:（按噪声的持续时间长短分）（按噪声的持续时间长短分）脉冲型噪声：如雷电的瞬间干扰；脉冲型噪声：如雷电的瞬间干扰；连续型噪声：如电阻内的热噪声。连续型噪声：如电阻内的热噪声。2.2.1 传输介质与信道容量传输介质与信道容量l2、信道噪声l（1 1）噪声分类）噪声分类:（按噪声功率谱

34、密度分）（按噪声功率谱密度分）白噪声：功率谱密度在无穷的频谱范围内为常数白噪声：功率谱密度在无穷的频谱范围内为常数有色噪声：功率的谱密度不为常数。有色噪声：功率的谱密度不为常数。2.2.1 传输介质与信道容量传输介质与信道容量l2、信道噪声l（1 1）噪声分类）噪声分类:（按噪声对信号的作用方式分）（按噪声对信号的作用方式分）加性噪声：噪声效果加性噪声：噪声效果=S(t)+N(t)=S(t)+N(t)乘性噪声：噪声效果乘性噪声：噪声效果=S(t)*N(t)=S(t)*N(t)2.2.1 传输介质与信道容量传输介质与信道容量l2、信道噪声l（1 1）噪声分类）噪声分类:（按噪声瞬时幅度值的概率分

35、（按噪声瞬时幅度值的概率分布分）布分）高斯噪声：噪声瞬时幅度值服从高斯概率分布；高斯噪声：噪声瞬时幅度值服从高斯概率分布；瑞利噪声：噪声瞬时幅度值服从瑞利概率分布；瑞利噪声：噪声瞬时幅度值服从瑞利概率分布；2.2.1 传输介质与信道容量传输介质与信道容量l2、信道噪声l（2 2）起伏噪声）起伏噪声起伏噪声有散弹噪声、热噪声和宇宙噪声。起伏噪声有散弹噪声、热噪声和宇宙噪声。2.2.1 传输介质与信道容量传输介质与信道容量l3、信道容量信道容量是一个理想的极限值，它指对一个给定的信道，在传输差错率趋于零情况下，信道在单位时间内可能传输的最大信息量。2.2.1 传输介质与信道容量传输介质与信道容量l

36、3、信道容量（1）奈奎斯特定理奈奎斯特定理 C=2W C=2W（波特率）（波特率）=2Wlog=2Wlog2 2N(bit/s)N(bit/s)W:W:信道带宽；信道带宽；N:N:码元个数。码元个数。2.2.1 传输介质与信道容量传输介质与信道容量l3、信道容量（2）香农公式香农公式2020世纪世纪4040年代，年代，Claude ShannonClaude Shannon超越了尼奎斯特的理论，对超越了尼奎斯特的理论，对噪声通道作了深入的研究。他把最大的数据速率和频率，以噪声通道作了深入的研究。他把最大的数据速率和频率，以及信噪比联系在一起。他明确地指出及信噪比联系在一起。他明确地指出:比特率

37、比特率（理论上的最大数据传送率）（理论上的最大数据传送率）=带宽带宽loglog2 2（1 1S/NS/N）bpsbps这一公式表明带宽和信噪比越大，比特率就越高。但如果噪这一公式表明带宽和信噪比越大，比特率就越高。但如果噪声的功率增大的话，允许的比特率将下降。这一关系式意味声的功率增大的话，允许的比特率将下降。这一关系式意味着如果信噪比太小的话，噪声将导致两个不同的信号无法被着如果信噪比太小的话，噪声将导致两个不同的信号无法被分辨出来。分辨出来。电子工程学用一个称为信噪比（电子工程学用一个称为信噪比（Signal-to-Noise RatioSignal-to-Noise Ratio）的）的

38、参数来量化信号中存在的噪声。我们把它定义为参数来量化信号中存在的噪声。我们把它定义为S/NS/N，这里的，这里的S S代表信号能量，而代表信号能量，而N N则代表噪声能量。信噪比大意味着信号清则代表噪声能量。信噪比大意味着信号清楚；而信噪比小则意味着畸变比较严重。在高保真设备中，高楚；而信噪比小则意味着畸变比较严重。在高保真设备中，高信噪比意味着音质的提高。由于信噪比意味着音质的提高。由于S S通常要比通常要比N N大得多，所以信噪大得多，所以信噪比一般采用较大的单位，它表示为：比一般采用较大的单位，它表示为：B=log B=log1010(S/N(S/N）贝尔）贝尔 (这里，贝尔是量度单位。

39、这里，贝尔是量度单位。)因此，如果因此，如果S S为为N N的十倍（的十倍（S=10NS=10N），则），则B=logB=log1010(10N/N)=1(10N/N)=1贝贝尔。尔。类似地，类似地，S=100NS=100N时为时为2 2贝尔，贝尔，S=1000NS=1000N时为时为3 3贝尔，依此类贝尔，依此类推。推。再举一个例子来说明在电话线上传送数据的实际上限。电话系再举一个例子来说明在电话线上传送数据的实际上限。电话系统的带宽将近统的带宽将近3000Hz3000Hz，信噪比大约为，信噪比大约为35dB35dB，即贝尔。由此可得，即贝尔。由此可得3.5=log3.5=log1010(S

40、/N)(S/N)，即，即S=10N3162NS=10N3162N。将这些值代入香农定理：。将这些值代入香农定理：比特率比特率=带宽带宽log2(1+S/N)=3000log2(1+3162)bpslog2(1+S/N)=3000log2(1+3162)bps 300011.63bps34880bps 300011.63bps34880bps作为最后的注释，必须强调一点：这并不是一个对网络用户和消费者意义不作为最后的注释，必须强调一点：这并不是一个对网络用户和消费者意义不大的纯理论的定理。特别是对于使用调制解调器的用户，它有着实际的意义。大的纯理论的定理。特别是对于使用调制解调器的用户，它有着实

41、际的意义。在上世纪在上世纪8080年代，年代，2400bps2400bps和和9600bps9600bps的调制解调器被广泛地使用，更高速率的调制解调器被广泛地使用，更高速率的调制解调器不是没有，但价格昂贵。到了上世纪的调制解调器不是没有，但价格昂贵。到了上世纪9090年代，调制解调器的速年代，调制解调器的速率达到了率达到了28.8 kbps28.8 kbps和。但根据香农定理，和。但根据香农定理，35000bps35000bps左右的比特率将是常规调左右的比特率将是常规调制解调器的上限。制解调器的上限。2.2.2 数据信号的传输方式数据信号的传输方式传输方式（传输方式（Transmissio

42、n ModeTransmission Mode）定义了比特组合从）定义了比特组合从一个设备传到另一个设备的方式。一个设备传到另一个设备的方式。l串行传输和并行传输l异步传输和同步传输l基带传输和频带传输2.2.2 数据信号的传输方式数据信号的传输方式l1、串行传输和并行传输(1):串行传输设设备备1 1设设备备2 20 00 01 11 10 01 11 10 02.2.2 数据信号的传输方式数据信号的传输方式l1、串行传输和并行传输(2):并行传输局限性局限性l1 1：成本因素：成本因素l2 2：工程因素：工程因素l3 3：同步因素：同步因素设备设备1 1设备设备2 20 00 01 11

43、10 01 11 10 02.2.2 数据信号的传输方式数据信号的传输方式l2、异步传输和同步传输 有两种提供串行通信的方法：异步传输和同步传有两种提供串行通信的方法：异步传输和同步传输。输。2.2.2 数据信号的传输方式数据信号的传输方式l2、异步传输和同步传输（1 1）异步传输（）异步传输（Asynchronous Transmission)Asynchronous Transmission)：指比特被划分成小组独立传送。发送方可以在任指比特被划分成小组独立传送。发送方可以在任何时刻发送这些比特组，而接收方从不知道它们何时刻发送这些比特组，而接收方从不知道它们会在什么时候到达。会在什么时候

44、到达。2.2.2 数据信号的传输方式数据信号的传输方式l2、异步传输和同步传输（1 1）异步传输（）异步传输（Asynchronous Transmission)Asynchronous Transmission)：指比特被划分成小组独立传送。发送方可以在任何时刻发送这些比特组，而接指比特被划分成小组独立传送。发送方可以在任何时刻发送这些比特组，而接收方从不知道它们会在什么时候到达。收方从不知道它们会在什么时候到达。设设备备1 1设设备备2 20 00 0 1 11 10 01 11 1 0 0 x xy y1 11 1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 00 01 10 0

45、 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 00 01 11 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 00 0停止位停止位停止位停止位停止位停止位开始位开始位开始位开始位开始位开始位数字数字1 1数字数字2 2数字数字3 3两次传输的时间间隔两次传输的时间间隔0011000100110001对应数字对应数字1 10011001000110010对应数字对应数字2 20011001100110011对应数字对应数字3 3l异步传输被设计用于低速设备，比如键盘和某些打印机等。另异步传输被设计用于低速设备，比如键盘和某些打印机等。另外，它的开销也比较多。在上面的例子中，每个

46、比特就多传外，它的开销也比较多。在上面的例子中，每个比特就多传送两个比特。这样，总的传输负载就增加送两个比特。这样，总的传输负载就增加25%25%。1 11 1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 00 01 10 0 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 00 01 11 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 00 0停止位停止位停止位停止位停止位停止位开始位开始位开始位开始位开始位开始位数字数字1 1数字数字2 2数字数字3 3两次传输的时间间隔两次传输的时间间隔2.2.2 数据信号的传输方式数据信号的传输方式l2、异步传输和同步传输（2 2

47、）同步传输（同步传输（Synchronous TransmissionSynchronous Transmission）的比特分组要大得多。它不是独立地发送每）的比特分组要大得多。它不是独立地发送每个字符，而是把它们组合起来一起发送。我们称这些组合为数据帧，或简称为帧。个字符，而是把它们组合起来一起发送。我们称这些组合为数据帧，或简称为帧。l数据帧的具体组织形式随协议而定，后面我们将进一步介绍。数据帧有许多公共的特征。数据帧的具体组织形式随协议而定，后面我们将进一步介绍。数据帧有许多公共的特征。下图显示了一个数据帧的一般组织形式。方向是从右向左下图显示了一个数据帧的一般组织形式。方向是从右向左

48、enderrordatacontrolsynsyn设备设备1 1发送方发送方设备设备2 2接收方接收方数据帧数据帧2.2.2 数据信号的传输方式数据信号的传输方式l2、异步传输和同步传输（2 2）同步传输同步传输l同步字符同步字符（SYN CharacterSYN Character）:它是一个独特的比特组合，用于通知接它是一个独特的比特组合，用于通知接收方一个帧已经到达。收方一个帧已经到达。l控制位控制位，可能包含下列这些元素可能包含下列这些元素：源地址源地址，指出数据帧从哪里来。，指出数据帧从哪里来。目标地址目标地址，指出数据帧到哪里去。，指出数据帧到哪里去。数据的实际字节数数据的实际字节

49、数。序列号序列号。它用于有很多帧被传送出去，但由于某种原因无法按顺序到。它用于有很多帧被传送出去，但由于某种原因无法按顺序到 达目的地的情况。接收方使用序列号对帧进行重组。达目的地的情况。接收方使用序列号对帧进行重组。帧类型帧类型，随协议而定。后面将对某些帧类型作详细的讨论，随协议而定。后面将对某些帧类型作详细的讨论。l数据位数据位:定义了要发送的信息。定义了要发送的信息。l错误检查位错误检查位:被用来检测或校正传输错误。被用来检测或校正传输错误。l帧结束标记帧结束标记。和。和SYNSYN字符一样，它是一个独特的比特串，用于表示没有字符一样，它是一个独特的比特串，用于表示没有别的即将到达的比特

50、了（至少在下一帧开始之前）别的即将到达的比特了（至少在下一帧开始之前）2.2.2 数据信号的传输方式数据信号的传输方式l2、基带传输和频带传输（1 1）基带传输）基带传输 基带传输是指在信道上直接传输基带信号的方式。所基带传输是指在信道上直接传输基带信号的方式。所谓基带信号是指由数据或消息直接转换成的原始电信号，谓基带信号是指由数据或消息直接转换成的原始电信号，基带传输主要用于短距离或有线电系统中。基带传输主要用于短距离或有线电系统中。基带信基带信号输入号输入信道信号信道信号形成器形成器滤波器滤波器信道信道抽抽样样判判决决器器噪声源噪声源基带基带信号信号输出输出2.2.2 数据信号的传输方式数