第三章 数据通信基础1要点课件.ppt
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1、计算机控制网络与通信-数据通信基础,3.1数据通信的基本术语,3.1.1数据通信的基本概念,按照达成的协议,信息在人、地点、进程和机器之间进行的传送,通信(communication),信息:是事物的表征,它代表了事物的状态和形式。,是通信技术和计算机技术相结合而产生的一种新的通信方式。其特征是信息的载体是数据。,数据(data):是客观事物的符号表示。 或定义为数据是传递(携带)信息的载体,它是对客观事实进行描述与记载的物理符号。,数据通信:,信号:是数据的电磁波表示形式。 信号可分为:模拟信号和数字信号。,3.1.1数据通信的基本概念,信道:传送信息的线路(或通路)。和信号的这种分类相似,
2、信道也可以分成传送模拟信号的模拟信道和传送数字信号的数字信道两大类。注意:数字信号在经过数模变换后就可以在模拟信道上传送,而模拟信号在经过模数转换后也可以在数字信道上传送。,3.1.2 数据通信系统,3.1.2数据通信系统的一般模型,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,正文,正文,PC 机,3.1.2 数据通信系统,数据通信系统的一般模型实例,3.1.2 数据通信系统,3.1.2 数据通信系统,计算机网络中,数据通信系统的任务是:把数据源计算机所产生的数据迅速、可靠、准确地传输到数据宿(目的)计算机或专用外设。从计算机网络技术的组成部分来看
3、,一个完整的数据通信系统,一般有以下几个部分组成:数据终端设备,通信控制器,通信信道,信号变换器。定义:由数据终端设备,通信控制器,通信信道,信号变换器等设备所组成的,用于把数据源计算机所产生的数据迅速、可靠、准确地传输到数据宿(目的)计算机或专用外设的系统。,3.1.2 数据通信系统,固定电话通信系统,3.1.2 数据通信系统,卫星通信系统,3.1.2 数据通信系统,移动通信系统,3.1.2 数据通信系统,计算机网络通信系统,3.1.2 数据通信系统,3.1.3 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
4、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,3.1.4 发送与接收设备,光纤收发器,接收机,通信接收机,智能压差变送器,3.1.4 发送与接收设备,3.1.5 网络的传输介质,3.1.5 网络的传输介质,网络中发送方与接收方之间的物理通路,(1)机械特性。(2)电气特性。(3)功能特性。(4)规程特性。,需要确定与传输媒体接口的一些特性,接口的形状、尺寸、引线数目与排列,直流、交流、频率、电压、允许电流,信号的意义?,不同功能的各种不同事件的出现顺序,在数据通信系统中,为物理层。物理层协议 (procedure),1)双绞线,特点:布线容易、便宜直接传输距离有限,传
5、输速率不是很高,适用于:局域网布线,性能:传输速率:100Mbps传输距离:100m,2.1.5 网络的传输介质,2)同轴电缆,适用于:较大型的局域网,性能:传输速率:100Mbps传输距离:1000m,3.1.5 网络的传输介质,3)光缆,适用于:长距离,信息量大,要求高度安全的场合,性能:传输速率:100Mbps传输距离:10000m,铠装光缆,层绞非金属光缆,光缆,3.1.5 网络的传输介质,4)无线传输媒体,3.1.5 网络的传输介质,折射角,入射角,包层(低折射率的媒体),包层(低折射率的媒体),纤芯(高折射率的媒体),包层,纤芯,5)光纤,光纤通信基本原理,3.1.5 网络的传输介
6、质,高折射率(纤芯),低折射率(包层),光线在纤芯中传输的方式是不断地全反射,光纤的工作原理,3.1.5 网络的传输介质,光纤,昂贵的传输媒介(发展最为迅速)不受电信号的干扰使用于长距离、高速率的信号传输,3.1.5 网络的传输介质,电信领域使用的电磁波的频谱,3.1.5 网络的传输介质,电磁波,无线局域网使用的ISM频段,3.1.6 通信软件,报文:文本、命令、参数值、图片、声音等。通信协议:设备之间用于控制数据通信与理解通信数据意义的一组规则。,通信协议组成,3.2 数字信道的特性,信道:传送信息的线路(或通路)。,从通信的双方信息交互的方式来看,信道有以下三种基本方式,(1)单向通信:,
7、(2)双向交替通信:,(3)双向同时通信:,又称为单工通信,即只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。无线电广播或有线电广播以及电视广播就属于这种类型。,又称为半双工通信,即通信的双方都可以发送信息,但不能双方同时发送(当然也就不能同时接收)。这种通信方式是一方发送另一方接收,过一段时间后再反过来。,又称为全双工通信,即通信的双方可以同时发送和接收信息。,信道上传送的信号还可分为 基带(baseband)信号、宽带(broadband)信号,信道上传送的信号可分为,模拟信号,数字信号,模拟信道,数字信道,3.2 数字信道的特性,信源(信息源,也称发终端)发出的没有经过调制的原始电信号所固有的频
8、带(频率带宽),称为基本频带,简称基带。,带宽,即信道带宽,指信道可以不失真地传输信号的频率范围。即在固定的时间可传输的资料数量,亦即在传输管道中可以传递数据的能力。,宽带并没有很严格的定义。从一般的角度理解,它是能够满足人们感观所能感受到的各种媒体在网络上传输所需要的带宽,因此它也是一个动态的、发展的概念。,基带,带宽,宽带,数字信道的特性参数,3.2 数字信道的特性,信道带宽,(band width),又叫频宽,单位 Hz波特率、数据速率和信道容量误码率信道延迟,带宽,模拟信道的带宽 W=f2-f1 其中f1是信道能够通过的最低频率,f2是信道能够通过的最高频率,两者都是由信道的物理特性决
9、定的。,数字信道是一种离散信道,它只能传送离散值的数字信号,信道的带宽决定了信道中能不失真的传输脉序列的最高速率。,3.2 数字信道的特性,一个数字脉冲称为一个码元。码元携带的信息量由码元可能取的离散值的个数决定。一般的,一个码元携带的信息量n(比特,bit)与码元取的离散值个数N具有如下关系:,信息量,信息量是指从N个相等可能事件中选出一个事件所需要的信息度量或含量,也就是在辩识N个事件中特定的一个事件的过程中所需要提问是或否的最少次数.,在信息论中,认为信源输出的消息是随机的。即在未收到消息之前,是不能肯定信源到底发送什么样的消息。而通信的目的也就是要使接收者在接收到消息后,尽可能多的解除
10、接收者对信源所存在的疑义(不定度),因此这个被解除的不定度实际上就是在通信中所要传送的信息量。,164中任选一个数,提问多少次,可以猜出其值?,3.2 数字信道的特性,波特率 B 码元速率也叫波特率。它表示单位时间内信号波形的变换次数,即通过信道传输的码元个数。 若信号码元宽度为T秒,则码元速率 B=1/T ,单位叫波特(Baud) 。 1924年奈奎斯特推导出有限带宽无噪声信道的极限波特率,称为奈氏定理。若信道带宽为W,则奈氏定理的最大码元速率为: B=2W (Baud),波特率,有限带宽无噪声信道的极限波特率,3.2 数字信道的特性,数据传输速率(R)指单位时间内信道上传送的信息量(比特数
11、),亦即信道容量。在一定波特率下提高数据速率的途径是用一个码元表示更多的比特数。若把两比特编码为一码元,则数据速率可成倍提高,公式如下:,(bps),数据传输速率(R),3.2 数字信道的特性,数据速率R“比特/秒”与码元的传输速率B“波特”是两个不同的概念。两者在数量上由上述公式所描述的关系。若1个码元只携带1bit的信息量,则两者在数值上是相等的。但若使1个码元携带 n (bit)的信息量,则 M (Baud)的码元传输速率时的数据传输速率(R) 为 R = Mn (bps)。,数据传输速率(R),例如,有一个带宽为3kHz的理想低通信道,其码元传输速率为_baud。而最高数据速率可随编码
12、方式的不同而有不同的取值。若1个码元能携带3bit的信息量,则最高的数据速率为 _bps。这些都是不考虑噪声的理想情况下的极限值。至于有噪声影响的实际信道,则远远达不到这个极限值。,6000,18000,3.2 数字信道的特性,波特率(码元传输速率) B 与数据传输速率R,香农(shannon)公式,香农(shannon)提出有噪声信道的极限数据速率计算公式 式中,W为信道带宽,S为信号的平均功率,N为噪声平均功率, S/N叫信噪比。,3.2 数字信道的特性,我给你说话,声音就是信号,空间是信道,空气是介质,内容是信息,你猜不到我要说什么是信息量,其他人的交头接耳就是噪声声音的大小*说话的时间
13、=信号的能量声音的大小=信号的功率,形象解释,信号的平均功率,信号函数f(x)的平方在一个周期内的积分除时间,3.2 数字信道的特性,在有噪声的信道中,数据速率的增加意味着传输中出错的概率增加,用误码率来表示 Pe=Ne/N 式中Pe表示误码率,Ne表示出错位数,N为传送的总位数。计算机通信网络中,要求误码率低于10-6,即平均传送一百万位才允许错1位。当误码率高于一定数值时,可用差错控制进行检查和纠正。,误码率,3.2 数字信道的特性,对于数字信道,带宽是指在信道上能够传送的数字信号的速率,即数据传输速率或比特率。一个比特就是二进制数字中的一个1或0。在计算机网络中,带宽的单位就是比特每秒(
14、bit/s,bps)。,带宽,3.2 数字信道的特性,信道延迟 信号在信道中从源端到达宿端需要的时间即为信道延迟。总时延=转发时延 +发送时间+传播时延,信道延迟,A,B,A,B,宽带线路,窄带线路,在宽带线路上比特传播得快,在窄带线路上比特传播得慢,3.2 数字信道的特性,A,B,A,B,宽带线路,窄带线路,宽带线路:每秒有更多比特从计算机 注入到线路。宽带线路和窄带线路上比特的传播速率是一样的。,3.2 数字信道的特性,比喻:汽车行进,宽带和窄带线路:车速一样宽带线路:车距缩短,3.2 数字信道的特性,时延带宽乘积某一链路所能容纳的比特数时延带宽乘积=带宽传播时延例如,某链路的时延带宽乘积
15、为100万比特,这意味着第一个比特到达目的端时,源端已发送了100万比特。,3.2 数字信道的特性,3.3 信号和编码,1)模拟信号和数字信号,3.3.1 模拟数据编码,三种常用的调制技术:幅移键控ASK (Amplitude Shift Keying)频移键控FSK (Frequency Shift Keying)相移键控PSK (Phase Shift Keying)基本原理:用数字信号对载波的不同参量进行调制,及调幅、调频和调相。,ASK:用载波的两个不同振幅表示0和1FSK:用载波的两个不同频率表示0和1PSK:用载波的起始相位的变化表示0和1,0,1,0,0,1,1,1,0,0,基带
16、信号,ASK,FSK,PSK,数据编码-数字数据的模拟信号编码,数据编码-幅值键控,数据编码-数字数据的数字信号编码,2)信号变换,3)数据编码,4)调制与解调,调制:将数字信号转换成模拟信号。,解调:将模拟信号转换成数字信号。,应用举例-固定电话,应用举例-访问互联网络,应用举例-IP电话,3.4 数字传输,脉码调制 将模拟信号变换为数字信号的常用方法是脉码调制PCM(Pulse Code Modulation)。 为了将模拟信号转变为数字信号,必须对信号进行取样。即每隔一定的时间间隔,取模拟信号的当前值作为样本。 该样本代表了模拟信号在某一时刻的瞬时值。一系列连续的样本可用来代表模拟信号在
17、某一区间随时间变化的值。 取样的频率可根据奈氏取样定理确定。,PCM的基本原理,(a)模拟信号 (b)取样后的脉冲信号 (c)编码后的数字信号(d)解码后的脉冲信号 (e)恢复后的模拟信号,数字数据信号编码,1. 不归零编码 不归零编码(NRZ,Non-Return to Zero)。双极性NRZ码规定用负电平表示“0”,用正电平表示“1”。如果接收端无法确定每个比特从什么时候开始,什么时候结束,则还是不能从高低电平的矩形波中读出正确的比特串。,数字数据信号编码,2. 曼氏编码 曼氏编码(Manchester)自带同步信号。在曼氏编码中每个比特持续时间分为两半。在发送比特“0”时,前一半时间为
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