数据通信基本概念

,*,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,Click to edit Master title style,19,第1章 数据通信基本概念,数据通信,是指在两点或多点之间通过通信系统以某种数据形式进行信息交换的过程，它可以把信息从某一处安全可靠地传送到另一处。数据通信是伴随着计算机技术和通信技术的发展以及两者之间的相互渗透与结合而发展起来的一种,新的通信方式,，它是,计算机技术与通信技术相结合的产物,，数据通信有着广泛的应用领域以及广阔的发展前景。,1,.,1,通信基本概念,1,.,1,.,1,消息、信息、信息量、数据与信号,通信,就是对消息或信息进行传输。,消息,是对于客观世界发生变化的描述或报道。,如，某地发生地震，世界气候在变暖，人的平均寿命在增加等，这就是消息。对客观世界的变化，人类常用语言、文字、相片、图像、数字来进行描述。因此，语言、文字、相片、图像、数字等就成为消息的表现形式。,信息,就是表达消息中的内容，是对客观物质的反映。,第1章 数据通信基本概念,一条消息中信息的大小用,信息量,来度量，它用该消息中所含内容发生的可能性(即发生概率,P),的倒数的对数表达，即,I=log,(1/P),信息量,I,的单位有两种，最常用的单位是在上面的公式中对数取2作为底，这时信息量,I,的单位为比特(,bit)(,不同于二进制的位)；当在上面的公式中对数取,e,作为底时，则信息量的单位为奈特(,nat)，,这种单位比较少用。,从公式中可知：,事件发生的概率越高，则信息量越少。,第1章 数据通信基本概念,数据,是一种承载信息的实体，它涉及到事物的具体形式，是任何描述物体、概念、情况、形式的事实、数字、字母和符号。数据可分为,模拟数据,和,数字数据,两种形式,。,信号,是消息或者说是信息的携带者，是数据的具体表现形式。信号在形式上是一种具有变化的物理现象。,在通信技术中，一般使用电、光信号来传输信息。根据利用不同的电、光信号来作为信号实现的通信方法，就形成了不同的通信系统。通信系统中传递的是携带消息或信息的电、光信号。,所以说信号是数据的表现形式，或称数据的电磁或电子编码，它能使数据以适当的形式在介质上传输。,第1章 数据通信基本概念,1,.,1,.,2,信号的分类,信号根据载体的不同，可以是电、磁、声、光、热等的各种信号。对于同一种信号，又可以从不同角度进行分类。,连续时间信号和离散时间信号,：如果信号的时间变量是连续的，则称为,连续时间信号,，若幅度也是连续的，则称为,模拟信号,，如图1.1所示；如果时间变量是离散数值，则称为,离散时间信号,，若幅度也是离散的，则称为,数字信号,，见图1.2所示。,第1章 数据通信基本概念,图1.1 模拟信号图 图1.2 数字信号,(1) 确定信号和随机信号,：如果信号在任意时刻的取值都能够确定，则称为,确定信号,，即给定某个时间值，就可以确定相应的函数值；如果信号的取值是随机的，在某个时刻，它的取值是不确定的，则称为,随机信号,。,(2) 周期信号和非周期信号,：如果信号满足,x(t)=x(t+kT)，,其中，,T,为信号周期，,k,为正整数，则称为周期信号；否则是非周期信号。,(3) 一维信号和多维信号,：信号的变量可以是时间、频率或其他物理量，如果信号是一个变量(如时间)的函数，则称为一维信号；若信号是两个变量的函数，则称为二维信号；如果信号是多个变量的函数，则称为多维变量。,第1章 数据通信基本概念,1.2 数据通信系统,1.2.1 通信系统模型,通过任何媒体将信息从一地传送到另一地都称之为,通信,，,通信系统,由信源、发信终端、传输媒介、收信终端和信宿组成。图1.3为,通信系统模型,组成框图。,第1章 数据通信基本概念,图1.3 通信系统模型,信源提供的语音、数据、图像等待传递信息由发信终端设备变换成适合于在传输媒介上传送的通信信号发送到传输媒介上传输，当该信号经传输媒介进行传输时，被叠加上了各种噪声干扰，收信终端将收到的信号经解调等逆变换，恢复成信宿适用的信息形式，这一过程就是对通信系统工作原理的简单描述。,通信系统,分为,模拟通信,和,数字通信,，以模拟信号来传送信息的通信方式称为模拟通信，以数字信号传送信息的通信方式称为数字通信。,第1章 数据通信基本概念,1. 模拟通信系统,模拟通信系统模型如图1.4所示，模拟通信中，信源输出的模拟信号经调制器进行频谱搬移，使其适合传输媒体的特性，再送入传输信道传输。在接收端，解调器对收到的信号进行解调，使其恢复成调制前的信号形式，传送给信宿。模拟通信的传输信号的频带占用比较窄，信道的利用率较高。但是模拟通信的缺点也很突出，如抗干扰能力差、保密性差、设备不易大规模集成，不适应计算机通信的需要。,第1章 数据通信基本概念,图1,.,4,模拟通信系统模型框图,2,.,数字通信系统,图1.5所示为数字通信系统组成框图，图中信源编码器的作用是将信源发出的模拟信号变换为数字信号，称为模/数(,A/D),转换，经过,A/D,转换后的数字信号称为,信源码,。信源编码器的另一个功能是实现压缩编码，使信源码占用的信道带宽尽量小。信源码不适于在信道中直接传输，因此要经过信道编码器进行码型变换，形成,信道码,，以提高传输的有效性及可靠性。在接收端，信道译码器对收到的信号进行纠错，消除信道编码器插入的多余码元，信源译码器把得到的数字信号还原为原始的模拟信号称为数/模(,D/A),转换，提供给信宿使用。当然数字信号也可采取频带传输方式，这时需用调制器和解调器对数字信号进行调制，将其频带搬移到光波或微波频段上，利用光纤、微波、卫星等信道进行传输。,第1章 数据通信基本概念,图1,.,5,数字通信系统模型框图,数字通信系统相对模拟通信系统具有以下,特点,：,(1) 抗干扰能力强、无噪声积累。,在模拟通信中，为了提高信噪比，需要在信号传输过程中及时对衰减的传输信号进行放大，信号在传输过程中不可避免地叠加上的噪声也被同时放大，随着传输距离的增加，噪声累积越来越多，以致使传输质量严重恶化。,对于数字通信，由于数字信号的幅值为有限个离散值(通常取两个幅值)，在传输过程中虽然也受到噪声的干扰，但在适当的距离采用判决再生的方法，可将叠加了噪声和干扰的信道码再生成没有噪声干扰的和原发送端一样的数字信号，所以可实现高质量的传输。,(2) 便于加密处理。,信息传输的安全性和保密性越来越重要，数字通信的加密处理比模拟通信容易得多，以话音信号为例，经过数字变换后的信号可用简单的数字逻辑运算进行加密、解密处理。,(3) 便于存储、处理和交换。,数字通信的信号形式和计算机所用信号一致，都是二进制代码，因此便于与计算机联网，也便于用计算机对数字信号进行存储、处理和交换，可使通信网的管理和维护实现自动化、智能化。,第1章 数据通信基本概念,(4) 设备便于集成化、微型化。,数字通信采用时分多路复用，不需要体积较大的滤波器。设备中的大部分电路是数字电路，可用大规模和超大规模集成电路实现，因此体积小、重量轻、功耗低。,(5) 便于构成综合数字网和综合业务数字网。,采用数字传输方式，可以通过程控数字交换设备进行数字交换，以实现传输和交换的综合。另外，电话业务和各种非话业务都可以实现数字化，构成综合业务数字网。,(6) 数字通信占用信道频带较宽，信道利用率低。,但随着宽频带信道(光缆、数字微波)的大量使用(一对光缆可以开通几千路电话)以及数字信号处理技术的发展，带宽问题已不是主要问题了。,第1章 数据通信基本概念,1,.,2,.,2,数据通信系统,数据通信,是指依据通信协议，利用数据传输技术(模拟传输或数字传输)在两个功能单元之间传递信息。数据通信离不开计算机技术，从某种意义上说，数据通信可以看成是数字通信的特例。,研究数据通信系统包括两方面内容,：一方面研究信道的组成、连接、控制及其使用； 另一方面研究信号如何在信道上传输和控制。,数据通信系统,都是由,数据终端子系统,、,数据传输子系统,和,数据处理子系统,三部分组成,的。图1.6是数据通信系统的基本构成。,第1章 数据通信基本概念,图1,.,6,数据通信系统结构,数据通信领域经常用到的一些设备名词,数据终端设备,DTE,(Data Terminating Equipment)：,能生成并向数据通信网络发送和接收数据信息的设备，起着实现人与数据通信网之间的联系的作用，是人机之间的接口，在数据通信网络中，如果是信息的发出者称为,信源,如果是信息的接收者称为,信宿,。常见的,DTE,有终端机、,POS,机(电子收款机)、,PC,机等。,数据电路终端设备,DCE,(Data Circuit-Terminating Equipment)：,连接数据终端设备与传输信道，将原始数据信号转换成特殊的电信号使其适合于在信道上进行传输的设备。它提供信号的变换和编码，建立、保持和释放线路连接等功能。,通信控制器,：完成中央处理机与数据通信组网设备之间进行数据交换所必需的通信控制功能，如数据缓冲、速度匹配、串/并转换等任务。,第1章 数据通信基本概念,传输信道类型(根据不同角度分类),模拟信道与数字信道,专用线路和交换线路,有线信道和无线信道,频分信道和时分信道,数据电路终端设备,DCE,的作用,对于模拟信道：,DCE,的作用是将,DTE,送来的数据信号变换为模拟信号再送往信道，或者反过来，将信道送来的模拟信号变换成数据信号再送到,DTE。,对于数字信道,：,DCE,的作用是实现信号码型与电平的转换、信道特性的均衡、收发时钟的形成与供给，以及线路接续控制等。,第1章 数据通信基本概念,数据链路(,Data Link),数据链路=数据电路+传输控制规程,目的：保证数据可靠传输,第1章 数据通信基本概念,1,.,3,信号的时域分析与频域分析,1,.,3,.,1,信号的时域分析,在信号分析过程中，如果不经过任何变换，所涉及的变量都是时间，这种分析方法称为,时域分析法,。,1,.,3,.,2,信号的频域分析,傅立叶分析证明：,信号可以看成是频率的函数，满足一定条件的周期函数,f(t)，,在区间(,t1,t1+T),内可以表示成若干频率的正弦或余弦函数之和。 将信号由时域变量变换为频域变量进行分析，称为,频域分析法,。,n,信号的频谱概念,组成一个非正弦信号的所有频率分量的集合称为该信号的“,频谱,”，其占据的频率空间称为“,频带宽度,”，简称“,带宽,”。,为了能够既简单又清楚的表示一个信号函数包含哪些频率分量以及各分量所占比重，可以采用频谱图的方法。,频谱图,是由一系列按频率高低排列起来的线段组成的，线段的长度表示各次谐波的振幅(见示意图1.7)。,第1章 数据通信基本概念,图1,.,7,频谱图,由频谱图可看出：信号的频谱是由不连续的线条组成的，称为,离散频谱,；每条谱线只出现在基波及各次谐波频率上，即频谱中不可能存在频率为基波频率非整数倍的分量；各条谱线的长度（振幅）随着谐波次数的增大而逐渐减小(,一般能量主要集中于低频分量,)。,傅里叶变换可以很直观地表示信号的频率成分，为信号的研究工作提供了一种更加有效的手段。,第1章 数据通信基本概念,n,“,基带”与“基带信号”：,“,基本频带,”（“,基带,”）：未经处理的原始信号所占据的频率范围（固有的）。这种原始信号称为“,基带信号,”,“,基带传输,”：,在信道中,直接,传输“基带信号”（未作处理的原始信号）称为“,基带传输,”,“基带传输”的,优点,：信道简单，成本低。,缺点,：基带传输占据信道的全部带宽，任何时候只能传输一路基带信号，信道利用率低。,n,“宽带传输”,：,通过调制技术将多路基带信号迁移到不同频带，从而使信道同时传送多路信号。这样,的通信称为“,宽带传输,”。,第1章 数据通信基本概念,