3.1数据通信的基础知识(1)

第3章 数据通信技术基础 本章学习内容及要求 v熟悉数据通信的基本概念v掌握信道复用技术、编码技术、交换技术和差错控制技术的原理和实现方法v掌握网络传输时延计算方法以及网络传输介质的选用方法 3.1.1 信息、数据与信号v信息是在人们之间传递的知识，数据是信息的具体表现形式，其本身是各种各样的物理符号或它们的组合信息涉及到数据的内容和解释v信号是数据的电子或电磁编码，数据必须经过编码转换为电信号后才能在传输介质中传输v数据和信号都有两种不同的形式一种称为模拟数据和信号另一种称为数字数据和信号“模拟的”(analogous)：代表信号参数取值是连续的。“数字的”(digital)：代表信号参数取值是离散的。v两种数据、两种信号有四种类型的编码组合:即数字数据分别编码成数字信号或模拟信号模拟数据分别编码成模拟信号或数字信号 3.1.2 通信的基本要求 v通信的双方完成一次通信需要满足三个基本要求：一是双方有通信的愿望二是通信的双方之间有信息传递的信道，也即是说通信要经过传输介质以及有关的传输设备三是通信双方要遵循通信的规则和约定，即通信双方按照通信协议传输信息，并能理解这些通信协议 信道v信道与电路并不等同，信道表示信号的通路，一般是用来表示向某一个方向传输信息的媒体一条通信电路往往包含一条发送信道和一条接收信道v信道与传输介质也是有区别的传输介质是指用于连接两个或多个网络节点的物理传输线路 v通信信道建立在传输介质之上包括传输介质和通信设备v按信道中传输的是模拟信号还是数字信号，把信道分为模拟信道和数字信道。3.1.6 基带传输和频带传输 v把基本频率分量对应的矩形脉冲信号称为基本频带，简称为基带，对应的矩形脉冲信号称为基带信号(即基本频带信号baseband)。v像计算机输出的代表各种文字或图像文件的数据信号都属于基带信号。v基带传输就是在数字信道上直接传送基带信号v频带传输是利用模拟信道传输数据信号，例如把计算机设备输出的信号进行调制以后再放在传输介质上传输。频带传输有时也称为宽带传输v频带传输的目的是，把基带信号经过载波调制后，将信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输。信道的带宽带宽带宽(broad width)与信道可以允许通过的信号的最高频与信道可以允许通过的信号的最高频率与最低频率有关，一个信道允许的信号的最大频率和最率与最低频率有关，一个信道允许的信号的最大频率和最低频率的差值，称为该信道的带宽。低频率的差值，称为该信道的带宽。3.1.3 数据通信传输系统模型 v一个数据通信系统由源系统、传输系统、目的系统三部分组成 调制解调器调制解调器 主机主机A A公用电话网公用电话网调制解调器调制解调器数字比特流数字比特流数字比特流数字比特流模拟信号模拟信号模拟信号模拟信号 输入输入汉字汉字输出输出汉字汉字主机主机B B3.1.4 计算机网络中的速率 v计算机网络中信号的速率涉及三种：传播速率；调制速率；数据传输率v信号的传播速率是常量 传播速率，是一个常量，与光速联系v调制速率也称为码元速率、波形速率或信号速率指的是每秒种发送信号的数目，单位为波特(baud)v数据传输率为每秒种发送的二进制位数，单位为bps，读作每秒位。调制速率与数据传输率之间的关系v调制速率与数据传输率之间的关系为：C=B log2 L(bps)其中：C为数据传输率；B为调制速率；L为一个信号可能取值的个数 每个信号有4种电平（状态）的情况 信号可能的取值个数L=4，则调制速率B与数据率C之间的关系为：C=2B3.1.4 信道的最大容量 v任何实际的信道都不是理想的，在传输信号时会产生各种失真以及带来多种干扰。v码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远，在信道的输出端的波形的失真就越严重。数字信号通过实际的信道 v有失真，但可识别v失真大，无法识别 实际的信道（带宽受限、有噪声、干扰和失真）发送信号波形接收信号波形发送信号波形实际的信道（带宽受限、有噪声、干扰和失真）接收信号波形v信道传输数据的能力是受到限制的，信道的最大容量与信道的带宽有关。在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，否则就会出现码间串扰的问题，使接收端对码元的判决（即识别）成为不可能。如果信道的频带越宽，也就是能够通过的信号高频分量越多，那么就可以用更高的速率传送码元而不出现码间串扰。v1924 年，奈奎斯特(Nyquist)就推导出了著名的奈氏准则。他给出了在假定的理想条件下，为了避免码间串扰，码元的传输速率的上限值。理想低通信道的最高码元传输速率理想低通信道的最高码元传输速率=2H Baud H 是理想是理想低通信道低通信道的带宽，单位为赫的带宽，单位为赫(Hz)奈氏(Nyquist)准则 不能通过能通过0频率(Hz)H(Hz)v将调制速率与数据率的关系带入，可得奈奎斯特定理的公式为（理想信道）：C=2H log2 L(bps)例：v假定一条线路每秒采样16次，传输信号共有16种状态，则传输速率是A、16bit/sB、48bit/sC、64bit/sD、256bit/s练习v一个带宽为3k的理想低通信道，其最高码元传输速率是多少？若一个码元能携带3bit信息，则其最高传输率是多少？v设信号的脉冲周期为0.002s，脉冲信号有效值状态个数为8，问如果用二进制代码表示上述信号，一个脉冲信号需要用几位二进制代码表示用二进制代码表示上述信号，其数据率是多少？信噪比 v噪声存在于所有的电子设备中，它可以影响接收端对码元的判决。如果信号较强则噪声的影响就相对较小。v信噪比就是信号的平均功率与噪声的平均功率之比，记为S/N。S 为信道内所传信号的平均功率；N 为信道内部的高斯噪声功率。v信噪比的度量单位是分贝（dB），其定义为：信噪比（dB）=10 log10(S/N)（dB）例如，S/N=1000时，信噪比为30dB。香农定理 v香农(Shannon)用信息论的理论推导出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限、无差错的信息传输速率。v信道的极限信息传输速率 C 可表达为 C=H log2(1+S/N)b/s H 为信道的带宽（以 Hz 为单位）；香农公式表明v信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高。v只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定可以找到某种办法来实现无差错的传输。v若信道带宽 W 或信噪比 S/N 没有上限（当然实际信道不可能是这样的），则信道的极限信息传输速率 C 也就没有上限。v实际信道上能够达到的信息传输速率要比香农的极限传输速率低不少。问题 v对于频带宽度已确定的信道，如果信噪比不能再提高了，并且码元传输速率也达到了上限值（但数据率未达到香农公式得到的上限），那么还有办法提高信息的传输速率吗？答案：用编码的方法让每一个码元携带更多比特的信息量。答案：用编码的方法让每一个码元携带更多比特的信息量。也就是增加码元的状态数。也就是增加码元的状态数。例：v一个带宽为的3kHz信道，其信噪比为20dB，则可以获得的最大数据率是（）A、6kbit/sB、6.66kbit/sC、19.8kbit/sD、20kbit/s3.1.7 通信双方信息交互的方式 v依据通信的方向讨论，通信双方信息交互的方式有三种基本方式单向通信，只能有一个方向上的通信，即A只能传给B 双向交替通信，通信的双方都可以发送信息，但不能同时发送，在某一个时刻仅存在一个方向上的通信双向同时通信，通信的双方可以同时发送和接收信息v这里需要指明的是上述三个基本方式是规范的术语，分别对应以前的单工、半双工、全双工3.1.8 异步传输和同步传输 v在计算机网络和通信网络中都是采用串行传输，这是由于远距离传输要考虑到技术实现上的要求和传输线路的费用v串行传输在具体应用中，又分为异步和同步传输异步和同步传输都要考虑收发双方的同步，即接收方能够正确的区分所收到数据的每一位 v同步传输是一次传输一个数据块，数据块的内容可以是若干二进制位，也可以是若干字符，每一位与前一位之间的传输时间是确定的，即是可知的v异步传输是一次传输一个字符，字符之间有不确定的间隔，每个字符由1位起始位标识，起始位的值为0，字符由5-8位二进制数组成，例如采用ASCII编码的字符，后跟1-2位停止位，停止位的值为1 v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 起起 终终 始始 止止 位位 1 1 1 0 1 0 1 0 1 1 1 0 1 0 1 0 位位 线路空闲线路空闲 线路空闲线路空闲起起始始位位一个字符一个字符下一字符下一字符异步传输异步传输和同步传输 作业P62：3-1，3-7，3-8，3-27，3-28