数据通信基本概念xp兰背景修改.ppt

第2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，是计算机技术与通信技术相结合的产物，有着广泛的应用领域以及广阔的发展前景。,2.1 通信基本概念,通信：对消息或信息进行传输消息：对客观世界发生变化的描述和报道 语言、文字、相片、图像、数字等成为消息的表现形式。信息：表达消息中的内容，是对客观物质的反映 信息量：消息中信息的大小,事件发生的概率(P)越高，信息量越少,数据：承载信息的实体，它涉及到事物的具体形式，如统计数据、气象数据等。是把事件的某些属性规范化的表现形式，它能被识别，也可以被描述。-模拟(Analog)数据与数字(Digital)数据信号：是消息或是信息的携带者，是数据的具体表现形式。在通信技术中，一般使用电信号来传输信息。信号是数据的电磁或电子编码，它使数据能以适当的形式在介质上传输。,雪六角形凉白色,信息,数据,信号,Horse,信息：人对雪花和马的认识,数据：文字，二进制数，十进制数,信号：电，光，磁场强度,表达消息中的内容,把事件的某些属性规范化后的表现形式,数据的具体表现形式是数据的物理量编码,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。,连续时间信号：,离散时间信号：,模拟信号图,数字信号,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,对于同一种信号，又可以从不同角度进行分类。,(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。,2.2 数据通信系统,2.2.1 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。,在通信技术中，一般使用电信号来传输信息。根据利用不同的电信号进行通信就形成了不同的通信系统,通信系统模型,噪声,信源,发信终端,传输媒介,收信终端,信宿,信源：,发信终端：将信息变换成适合在传输媒介上传送的通信信号。,传输媒介：即信道。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,信宿：接收信息，并将其转换成各种信息。,提供语音、数据、图像等信息。,作用：信源产生的信息转换成电信号。,信息数据信号在介质上传输信号数据信息,通信系统的任务,把携带信息的数据用某种物理信号的形式通过介质传送到目的地。,通信系统可以分为模拟通信系统和数字通信系统,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。,模拟通信系统,噪声,信源,调制器,传输媒介,解调器,信宿,调制器：,频带占用较窄，信道利用率较高,发出信号调制适合媒介传输的形式,解调器：,接收信号解调恢复成调制前的信号,特点：,抗干扰能力差、保密性差、设备不易大规模集成，不适合计算机通信,数字通信系统,噪声,信源,信源编码,传输媒介,信宿,信道 编码,信道译码,信源译码,信源编码器：,信源译码器：,将数字信号还原为原始模拟信号（D/A）给信宿,信道译码器：,对接收信号进行纠错，消除信道编码器插入的多余码元；码型变换,对信源码进行码型变换，形成适于在信道中直接传输的信道码；进行纠错编码,信道编码器：,将信源发出的模拟信号变换为数字信号（A/D）转换为信源码；另一功能是压缩编码，使信源码占用的信道带宽减小。,抗干扰能力强 无噪声累加,数字通信的特点,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,干扰后信号,判决,原始信号,上限,下限,还原信号,数字信号的再生,易于加密、保密性强,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。,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。,便于计算机存储、处理和变换,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。,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。,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。,数字通信与模拟通信相比有许多优点,抗干扰能力强 无噪声累加,数据通信和传统的话音通信的重要区别是：电话通信必须有人直接参加，进行控制。而数据通信中要解决控制问题就必须对传输过程按一定的规程进行控制。以便双方能协调可靠地工作。,数据通信的工作包括：通信线路的连接；收发双方的同步；工作方式的选择；传输差错的检测与校正；数据流量的控制；数据交换过程中可能出现的异常情况的检测和恢复；这些都是按双方事先约定的传输控制规程来完成，具体由传输控制器和通信控制器完成。,2.2.2 数据通信系统,数据通信 依据通信协议，利用数据传输技术（模拟或数字传输）在两个功能单元之间传递信息。数据通信离不开计算机，数据通信是指两台或两台以上的计算机之间以二进制的形式进行信息传输与交换的过程，它的实质是相互传送数据。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。,数据通信系统由数据终端系统、数据传输系统和数据处理系统组成,调制解调器,PC 机,公用电话网,调制解调器,数字比特流,数字比特流,模拟信号,模拟信号,输入汉字,显示汉字,PC 机,数据通信系统,数据输入输出设备,传输控制器,数据电路终端设备,数据电路终端设备,信道,中央处理机,通信控制器,DCE,DCE,数据电路,数据链路,DTE,DTE,数据处理系统,数据传输系统,数据终端系统,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。,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。它实现信号的码型与电平的转换、信道特性的均衡、收发时钟的形成与供给，以及线路的接续控制。,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。,模拟信道、数据信道；专用信道、交换信道；有线信道、无线信道；频分信道、时分信道,数据电路有DCE和数据信道组成,数据电路+传输控制规程它提供的数据传输质量远高于数据电路提高的质量。,数据链路(Data Link),数据链路=数据电路+传输控制规程,通信双方要真正有效地进行数据传输，必须在建立数据链路之后才能进行。由于数据链路要遵循严格的传输控制规程，使得它保证了数据的可靠传输。,数据通信基本过程,包含两项内容：数据传输和通信控制 过程 与打电话的对比建立物理连接 拨号，拨通对方 建立逻辑连接 互相确认身份数据传送 互相通话断开逻辑连接 互相确认要结束通话断开物理连接 双方挂机,2.3数据传输系统质量指标,传输速率,信道带宽,信道容量,传输质量,在数据通信网络中，信号的传送是由数据传输系统来完成的，对传输系统的性能进行评价是一个重要的问题，通常用传输速率、信道容量、带宽以及可靠性等指标来对数据传输系统进行定量分析，包括,传输速率,传输速率：,1 数据信号速率（传信率，比特率）,T：一个数字脉冲信号的宽度(全宽码)或重复周期(归零码),单位为位/秒，bps或b/s,N：为一个码元所取的离散值个数。N=2K，K为二进制信息的位数 N=2 时，S=1/T，数据信号速率等于码元脉冲的重复频率,单位时间内传输信息单元的数量。它是衡量数据通信系统传输能力的重要指标，有两种表示方法：,单位时间内传送二进制代码的有效位数,码元：是承载信息的基本信号单位。如用脉冲信号表示的话，一个单位脉冲就是一个码元。一码元能承载的信息量多少，是由脉冲信号所能表示的数据有效值状态个数决定的。若一个码元仅可取0和1两种状态，说明该码元只能携带一位二进制信息。N=21（1bit信息）若一个码元可取00到11四种状态，说明该码元可携带两位二进制信息。N=22（2bit信息）,2 信号传输速率（码元速率、调制速率、波特率）,T：为信号码元的宽度，单位为秒,信号调制过程中，单位时间内通过信道传输的码元数，单位为波特(Baud)。通常用于表示调制器之间传输信号的速率,数据信号速率S与信号传输速率B的关系,在多进制调制方式时，N表示信号的有效状态位数，一个信号往往可以携带多个二进制位，N取值不同，相等的调制速率得到不同的数据信号速率。换句话说，一个码元可以传送多个比特,例：采用四相调制，N=4，T=833us 计算 B，S,N为一个脉冲所表示的有效状态，在二进制中，脉冲只有两种状态，0或1，即N=2,S=B,调制方式、调制速率、数据信号速率的关系,在有些情况下，还有一种表示传输速率的方法，就是单位时间内传送的数据量。可以是字符或码组，通常为：字符/分。这时与数据信号速率转换时，需注意剔除附加的传输比特数。,信道的带宽是由传输媒介和相关的附加设备及其电路的频率特性等综合确定的。信道的带宽限制了信道的传输能力，信道的带宽越宽，则其传输能力越强。如传输信道的带宽超过所传输信号的频带宽度，在传输过程中就不会引起信号失真。,带宽是描述信号的一个重要参数，同时也是描述传输系统的一个重要参数。,信号的带宽：,信号是由特定的电磁波来传输的，而电磁波都有一定的频率范围，信号的带宽是指信号含有的频带宽度，在实际应用中指信号能量比较集中的那个频率范围。,信道的带宽：,是指不失真传输的信号频率范围，是信道频率上界与下界之间的差。它反映了介质的传输能力。在传统的通信工程中通常以赫兹（Hz）为单位计量。,信道带宽,数字信号通过实际的信道,失真不严重失真严重,实际的信道（带宽受限、有噪声、干扰和失真）,输入信号波形,输出信号波形(失真不严重),信道容量,两个信道容量的计算公式：Nyquist（无噪声信道）、香农公式（有噪声信道）,表示一个信道的最大数据传输速率（bps），也就是信道传输信息的最大能力。,信道容量表示信道的最大数据传输速率，是信道传输数据能力的极限，而数据传输速率是实际的数据传输速率。实际应用中，信道容量应大于传输速率，否则高的传输速率无法充分发挥利用。,信道容量,信道容量与数据传输速率的区别：,1924年，奈奎斯特(Nyquist)推导出无噪声信道下的码元速率极限值与信道带宽的关系：B=2H BaudH：信道的带宽（Hz）,Nyquist公式,N 最大数据率(C)2 6000 bps 4 12000 bps 8 18000 bps16 24000 bps32 30000 bps64 36000 bps,奈奎斯特公式无噪信道传输能力（信道容量）信道最大的数据传输速率 C=2H log2 N(bps),H=信道带宽，单位HzN=一个码元所取离散值个数,例：话音级线路(3kHz)的信道容量计算,由于码元传输速率受奈氏准则的限制，要提高信道传输速率，必须设法使每个码元携带更多的信息量，就需要采用多进制的调制方法。,1948年，香农推导出带噪声信道的容量,H:信道带宽 S:信号功率 N:噪声功率 S/N:信噪比,Shannel公式,S/NdB 信噪比（dB分贝）：,S/NdB=10 log10 S/N,例：信道带宽H=3kHz，信噪比为30dB，则：C=3000*log2(1+1000)30kbps,香农公式表明：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越高,香农公式还指出：只要信息传输速率低于信道的极限信息速率，就一定可以找到某种方法来实现无差错的传输。,奈氏准则和香农公式在数据通信系统中的作用范围,源系统,传输系统,目的系统,传输系统,源点,终点,发送器,接收器,输入信息,输出信息,数据信号在传输过程中，接收到的信号常常和发送的信号不一样，这是由于在传输过程中信号的衰减、畸变、噪声及串音干扰等因素造成的。下面介绍几个相关的基本概念。,传输质量,衰减,增益,所谓衰减指信号电能经过传输系统传输后，系统输出的电功率小于输入端的电功率。模拟信道可以采用放大器对衰减的信号进行放大，数字信道可以用中继器对信号进行再生整形。,信号电能经过传输系统传输后，系统输出的电功率大于输入端的电功率。,失真,信号通过传输系统时，其波形可能发生畸变，波形的畸变称为失真。由衰减随频率的变化引起的失真称为衰减失真或振幅失真。由不同频率分量的传播速度不一致所引起的失真，称为相位失真或群延时失真。,噪声,是通信系统中存在的独立于有用信号，并且叠加在有用信号之上的无用成分，它对系统中的信号传输与处理起扰乱作用，但又不能完全控制。噪声可以从系统的各部分侵入，按其来源可分为通信系统外部噪声和系统内部噪声。,(1)外部噪声,(2)内部噪声,是指系统内部各级电路(包括天线在内的馈线)产生的噪声，包括热噪声(电阻、馈线等无源器件中因自由电子的布朗热运动所引起的噪声)、散粒噪声(半导体等有源器件中因电子发射不均匀产生的噪声)、其他噪声(因电路自激、电源交流声等引起的噪声)，又称随机噪声。这种噪声在时间上分布较平稳，频谱也比较均匀，可以用统计规律来描述。,是指有用信号在系统的传输过程中，由外界辐射引入的噪声，包括：自然噪声(雷暴产生的电磁辐射、宇宙星系产生的宇宙电磁辐射、核辐射等)、人为干扰(高压输电线、火花电弧、电动器具等电磁波源引起的干扰)。这一类噪声随机性很强，强度也很大，又称冲击噪声，它很难以某一统计规律来描述。,串音干扰,畸变 数据信号的畸变有两种类型：规则畸变、不规则畸变。规则畸变：主要由于信道特性、群延时失真引起。不规则畸变：没有规律，随机发生，主要由噪声、串扰等引起。,引起传输损害的还有串音干扰等因素，串音干扰是由于电磁耦合所引起的线对之间信号的相互串扰，称为串音干扰。串音干扰分为近端串扰和远端串扰。串音干扰与电缆质量、线对间位置以及信号频率等有关。实际工作中，在综合布线工程中有一项工作就是测试线缆的串音干扰指标。,数据传输质量用差错率来表示，它是数据传输质量的最终评价尺度。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。,差错率,误码率(Bit error rate)：P=Ne/N Ne:出错的位数 N:传输的总位数 衡量数据通信系统在正常工作情况下的传输可靠性指标。,误字率 在电报通信中，误字率指误字符率。误字率=收信误字数/传输的全部字数,误组率 误组率即误码组率。某些数据通信中，以码组为信息传输单元。误组率=收信误组数/传输的全部码组数,单位传输带宽所能实现的传输速率。通信系统占用的频带越宽，传输信息的能力越大，通常情况下，二者成比例。=R/BR：传输速率 B：频带宽度,频带利用率,1 对于带宽为3kHz的信道，若8种不同的物理状态来表示数据，信噪比为20dB。问按Nyquist定理和Shannon定理最大限制的数据速率是多少？2 若电视信道的带宽为6MHz，假定无噪声并使用4电平的数字信号，每秒钟能发送的比特数不会超过多少？,2.4 数据传输技术,内容数据传输的电平标准数据传输方式编码与调制信道复用传输介质,数据传输中常用的电平标准,CMOS电平标准-单极性电平标准 规定：电源电压VDD518V，低电平01/2VDD，高电平标准为1/2VDDVDD 特点：高低电平驱动能力相同，都大于10mA，且具有对称性。抗干扰能力较强，传输速率不高,电平标准是一种电信号法则，是国际标准化组织统一规定的规则，并且被强制推行。电平标准对数字信号的传输距离和抗干扰能力起决定性作用。,TTL电平-单极性电平标准 规定：电源电压5V，低电平00.8V 高电平1.4V5V 特点：信号传输过程中低电平电压范围窄，高电平带负载能力差，易衰减和干扰。由于外电路的电压干扰常常超过5V，易产生传输错误。所以只适合近距离传输。一般不超过1米。适用范围：计算机内部和实验室，在实际应用中很少使用。,RS-232C电平标准-双极性电平不归零电平标准规定：标准电压最大为15V，通常选用12V“1”：5V15V，“0”：5V15V 规定3V5V和3V5V范围为噪声容限，它表明一个系统的稳定裕度，即当外界噪声增加后，通信系统在保证不中断的前提下能够容忍信噪比的程度。噪声容限指标越大表示系统的稳定程度越高标准还规定电源布线长度不得大于15米，通信速度不得大于20Kbps。特点：采用负逻辑，增加噪声容限，抗干扰能力较强,RS-422A电平标准-双极性不归零电平标准为了弥补前面几种电平的不足，无参考地线，用两条传输线互为参考，是一种平衡标准。RS423、RS485与它相似。规定：“1”:正端电压比负端电压高200mV6V“0”:正端电压比负端电压低200mV6V 规定在传输线 长度12米时，最大传输速度为10Mbps,20mA电流环 它是一种电流标准，可以驱动线圈和继电器，有一定的输出功率，可以直接用于机械设备的控制。常用做电传打字机的传输接口。标准规定：有电流时为“1”，没电流时为“0”抗干扰能力比较强，在过程控制中使用较多。,数据的传输方式,基带和频带传输并行和串行传输单工和双工通信同步与异步传输,模拟传输方式,在数字传输方式中，传输的是电平编码，各电平之间的电位差较大，容易识别，也容易保持其性质不变。,数据传输方式,数据在传输通道中是以电信号的形式传输的，有两种基本形式。,在模拟传输方式中，需要注意的问题是保真，也就是保持波形不变，如电话、部分电视节目、音频传输设备等。,数字传输方式,优点：带宽较窄，只占用了部分带宽，适合于多路频分复用缺点：是由于噪声干扰和能量损耗信号容易失真，而且放大时也将噪声放大，不失真恢复信号较困难。,优点是信号抗干扰能力强，比模拟传输更容易保真；缺点是带宽大，占用了整个通道，不适合频分复用，这是由数字信号的特性决定的。,基带网和频带网,计算机网络依照它的传输信号的带宽分为两类：频带网和基带网两者的区别是在介质中传输带宽不同，相应的数据传输速率也不同。频带网被划分成几条逻辑信道分别使用，基带网只包含一条逻辑信道。数字信号的带宽非常大，所以不能在频带网上直接传输，只能将其转化为模拟信号后，才能实现在频带网中的传输。在频带网中传输的只能是模拟信号，而且可以复用。基带网只传输一路信号，对信号的种类无特殊要求，在这样的一条信道中既可以传输模拟信号，也可以传输数字信号。,基带 指原始信号所占用的基本频带,基带传输,基带传输 在信道上直接传输基带信号而不作任何处理 数字信号的基带传输：以原来的“0”和“1”的形式直接用数字信号在信道上传输。一般在计算机通信中采用如：以太网,频带传输：将数字信号变为模拟信号后传输，由一个或几个频率组成，占用了一个固有的频带原因：进行远距离数据传输时，要借用已有通信网络，数字基带信号无法直接进行传输。优点：适应公共信道要求；可实现多路复用例如：通过电话模拟信道传输,频带传输,在传输过程中，同一个字节数据中的各个位同时传输，也就是传输一个字节，在时间上是同时的。,B7B6B5B4B3B2B1B0,B7B6B5B4B3B2B1B0,并行传输,采用这种方法，一位数据占用一条数据线，根据数据位的不同，需要不同的数据通道，每一位有自己的传输线和发送、接收设备。速率高，但设备和线路多，适于距离较近的传输。（计算机内部、计算机与外设之间）,根据在传输介质中的存在状态和先后顺序，数字传输分为并行传输和串行传输,在传输过程中，同一个字节的各个不同的位按顺序先后发送，在同一个信道上传输。,B7B6B5B4B3B2B1B0,B7B6B5B4B3B2B1B0,B7,B6,B5,B4,B3,B2,B1,B0,串行传输,一个并行的数据被改造成一个二进制数据流。在相同时钟频率下，传输速率明显低于并行传输。但节省大量的数据通道，降低信道成本。此种方式适用于远距离通信，计算 机网络普遍采用。,单工通信与双工通信,单工通信发送设备和接收设备之间只有一个传输通道数据单向传输，方向不能改变简单，传输效率不高，适用于计算机与输出设备之间,发,收,在串行传输中，按数据传输方向及时间关系又可将通信方式分为：单工、半双工、全双工,控制较复杂，传输效率不高 适用于对话式终端或用于传输通道无足够带宽支持双向通道的场合,发,收,收,发,半双工通信,两设备间轮流双向传输数据，不能同时。,要求每一端都具有发送、接收设备和改变方向的控制器,可同时双向传输，具有两条物理上独立信道,全双工,传输速率高，控制简单，要求信道有足够带宽,