计算机网络技术基础教程第三讲.ppt
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1、1,第 3 讲,数据通信基础,2,主要内容,数据通信的基本概念数据传输模式数据编码技术多路复用技术数据交换技术差错控制,3,学习要求,理解信息、数据与信号的概念 掌握数据通信系统的模型及其性能指标 理解并能区分三种不同的通信方式 掌握并行传输和串行传输两种基本的传输方式 掌握异步传输和同步传输两种同步方式 掌握数字数据的数字信号编码方案 掌握常用的调制解调技术 理解脉冲编码调制的原理及过程 理解并掌握几种常用的多路复用技术 理解并掌握几种常用的数据交换技术 掌握差错控制的原理及方式 了解几种常用的检纠错码,4,2.1 数据通信的基本概念,信息、数据与信号的概念数据通信系统的模型数据通信系统的性
2、能指标,5,通信的目的是交换信息。信息的载体可以是数字、文字、语音、图形或图像等。而数据是信息的表现形式,在计算机内信息用二进制代码数据(0或1)来表示。反过来,信息则是数据的具体内容和解释,有具体的含义。信息涉及数据所表现的内涵,而数据涉及信息的表现形式。而数据是通过信号进行传输的。信号是数据在传输过程中的具体物理表现形式,通常的表示形式是电磁波信号。信号可分为模拟信号和数字信号两种。,3.1.1 信息、数据和信号,6,模拟信号:是指信号的幅度随时间呈连续变化的信号,即在时间特性上幅度(信号强度)的取值是连续的,一般用连续变化的电压表示。比如:语音信号、电视图像信号、温度压力传感器的输出信号
3、以及许多遥感遥测信号都是模拟信号。,7,数字信号:是在时间上不连续的、离散的信号,即在时间特性上幅度的取值是有限的离散值,一般用脉冲电压来表示。最简单也是最常用的数字是二进制数字0和1,分别表示脉冲电压的低电平和高电平两个状态信号。比如:电报、计算机数据、数字电话信号和数字电视信号等都是数字信号。模拟信号与数字信号,在传输过程中都会受到干扰导致信号的变形。但数字信号的可靠性比模拟信号要高。模拟信号和数字信号是可以相互转换的。模拟信号通过模数转换变为数字信号,数字信号通过数模转换变为模拟信号。,8,数据通信是计算机与计算机或计算机与其他数据终端之间传输数据的过程。数据通信技术是计算机技术和通信技
4、术相结合的产物。下图给出了一个通信系统的基本模型,通信系统由源系统、目的系统和传输系统组成。,2.1.2 数据通信系统的模型,传输系统,9,源系统:一般由信源和转换器组成。信源是发出待传送数据的设备。信源设备产生要传输的数据,转换器将信源产生的数据编码为能在传输系统中传输的信号。目的系统:由信宿和反转换器组成。信宿是接收所传送数据的设备。其中反转换器负责接收传输系统传过来的信号,并将其转换为能够被信宿设备处理的数据,信宿设备接收从反转换器传来的数据并进行处理。传输系统:也称为信道,它是源系统和目标系统间传输数据信号的通路。,10,信道是通信双方 以传输介质为基础的传输数据的通道,是建立在通信线
5、路上的。一条传输介质构成的通信线路上可以包含多条信道。信道可分为模拟信道和数字信道。用以传输模拟信号的信道叫做模拟信道;用以传输数字信号的信道叫做数字信道。信道还可按传输介质的物理类型,分为有线 信道和无线信道。有线信道就是由有线传输介质(如双绞线、同轴电缆、光缆等)构成的通信信道;无线信道就是由无线传输介质(如微波、卫星)构成的通信信道。,11,根据传输信号的不同,数据通信系统可分为模拟通信系统和数字通信系统。数字通信系统是用数字信号传输数据的通信系统。模拟通信系统是用摸拟信号传输数据的通信系统。,12,两台计算机通过调制解调器,经由公用电话网进行通信。,数据通信系统的实例,13,数据通信系
6、统的主要任务是及时准确地把数据从信源传递到信宿。评价一个数据通信系统的性能时,可从如下两个方面考虑:数据传输的有效性:数据传输速率、信道带宽、传输延迟数据传输的可靠性:误码率,2.1.3 数据通信系统的性能指标,14,信道的带宽:指在该信道上能够不失真地传送信号的频率范围,通常取信道频率响应曲线上幅度频带中心处值的0.707倍的两个频率之间的宽度作为信道的带宽。图中,带宽B=f2-f1,其中f1和f2分别是信道能通过的最低频率和最高频率,它们是由信道的物理特性决定的。,1.信道带宽,15,2.数据传输速率,数据传输速率也称为比特率,是指信道每秒所能传输的二进制比特数,单位为bps。数据传输速率
7、的高低,由每位数据所占用的时间决定。码元传输速率:单位时间内通过信道传输的码元个数(一个数字脉冲称为一个码元)。若信号码元宽度为T秒,则码元传输速率RB=1/T。码元速率的单位为波特(Baud),所以码元传输速率也称为波特率。,16,3.信道容量,信道的容量是指信道传输数据速率的上限,即信道的最大传输速率,一般表示为单位时间内最多可传输的二进制数据的位数。奈奎斯特定理给出了有限带宽、无噪声离散信道的信道容量。香农定理给出了有噪声信道的信道容量与带宽的关系。,17,奈奎斯特定理,奈奎斯特定理(无噪声有限带宽信道的最大码元传输速率的公式):若信道带宽为B,则最大码元传输速率为RB=2B信号码元携带
8、的信息量由码元所取离散值的个数决定。若码元只取两个离散值,则一个码元携带1比特(bit)信息;若码元可取4种离散值,则一个码元携带2比特信息。,18,一般地,一个码元携带的信息量I与码元所 取离散值的个数V之间存在如下关系:I=log2V 无噪声有限带宽信道的最大数据传输速率:即单位时间内在信道上传送的信息量:Rb=RBlog2V=2Blog2V Rb表示数据传输速率,它的单位是比特每秒(bits per second),简写为bps或b/s。,19,例:对于普通电话线路,带宽为3000 Hz,其最高码元传输速率为6000 Baud,而最高数据传输速率可随编码方式的不同取不同的值,如果1个码元
9、能够携带3 bit的信息量,则最高数据传输速率为18000 bps。,20,按奈奎斯特定理给出的是无噪声的理想情况下的极限值。实际上,信道会受到各种噪声的干扰,因而远远达不到按奈奎斯特定理计算出的数据传输速率。1948年,香农给出了有限带宽且有噪声干扰的信道的最大数据传输速率计算公式:C=Blog2(1+S/N)这个公式称为香农定理,其中,C为最大数据传输速率,B为信道的带宽,S为信道内所传信号的平均功率,N为信道内部的噪声功率,S/N叫做信噪比。,香农定理,21,误码率:表示传输数据时出现差错的概率定义为:Pe=出现错误的码元数/传输的总码元数特别地,在二进制系统中 Pb=出现错误的比特数/
10、传输的总比特数Pb和Pe之间存在着一定的换算关系,但它与译码方法和选用的码型有很大关系,较为复杂。在一般情况下有Pb Pe,并且当且仅当在二进制系统中才有Pb=Pe。,4.误码率,22,5.信道延迟,信号沿信道传输需要一定的时间,这就是信道延迟。信道延迟发送和接收处理时间传输介质的延迟时间发送和接收设备的响应时间通信设备转发时间信道的延迟是产生信号失真的重要原因之一。,23,6.信道的利用率,吞吐量是信道在单位时间内成功传输的信息量。单位为 bps。例如某信道在10分钟内成功传输了8.4Mb的数据,则该信道的吞吐量为8.4Mb/600s=14Kbps.利用率是吞吐量与最大数据传输率之比。,24
11、,3.2 数据传输模式,数据传输模式定义了比特组合从一个设备传输到另一个设备的方式,它包括:通信方式传输方式同步方式,25,3.2.1 通信方式,在通信线路上,数据只可按一个固定的方向传送而不能进行相反方向传送的通信方式,称为单工通信。,1.单工通信,数据可以双向传输,但不能同时进行,采用分时间段传输,在任一时刻只允许在一个方向上传输信息,这种通信方式称为半双工通信。,2.半双工通信,可同时双向传输数据的通信方式称为全双工通信。,3.全双工通信,26,27,数据信号在通信信道中的基本传输方式分为:并行传输:同时传输一组比特;串行传输:逐个地传输所有的比特,3.2.2 传输方式,28,并行传输优
12、点:传送速率高,收发双方之间不存在字符同步的问题缺点:需要多个并行信道,增加了设备的成本不适合用于长距离通信的场合串行传输优点:只使用一条信道,降低了设备的成本,且易于实现缺点:效率较低,需要解决同步问题常用于长距离的数据传输,29,对于串行传输,在传输过程中,发送方和接收方必须在时间上保持同步,才能准确地传送信息。目前所采用的同步方式有两种:异步传输方式同步传输方式,3.2.3 同步方式,30,在异步传输方式中,各个字符分开传输,每一字符的起始时刻可以为任意,字符之间插入同步信息。优点:简单,不需要在线路两端设置专门的同步设备;缺点:每发送一个字符就要填加一对起止信号,降低了传输的效率。,1
13、.异步传输方式,31,同步传输方式是以固定的时钟节拍来串行传输数据的一种方法。在传输的数据流中,各码元的宽度相同且字符间无间隙。为使接收方能够从连续不断的数据流中正确区分出每个比特,首先必须建立收发双方的同步时钟。效率更高,实现起来较为复杂。,2.同步传输方式,32,3.2.4通信线路的连接方式,通信线路的连接方式可分为点对点连接和多点连接方式。点对点的连接就是在发送端和接收端之间采用一条线路连接,使用的线路可以是专用线路、租用线路或交换线路。使用租用或交换线路的连接方式,适合于在地理上比较分散的站点之间传输数据,比如通过公用电话交换网,实现点-点的连接。,33,多点线路连接是指各个站点通过一
14、条公共通信线路连接。在多点线路连接方式中,一条线路被所有的站点共享,若所有的站点可以同时发送数据,则这条线路在空间上是共享的,通常采用频分复用或波分复用技术传输数据;若所有的站点只能轮流使用线路发送数据时,那么它在时间上是共享的,通常采用时分复用技术传输数据。,34,3.2.5 基带传输和频带传输,数据信号的传输方法有基带传输和频带传输两种。基带传输是指在数字信道上传输数字信号的方法。频带传输是指利用模拟信道传输数字信号的方法。,35,基带传输,在数据通信中,二进制比特序列0和1的数字信号是典型的矩形脉冲信号。基带:矩形脉冲信号的固有频带基带信号:矩形脉冲信号基带传输:在数据通信信道上直接传输
15、数据的基带信号的通信方式基带传输是一种最简单最基本的传输方式基带传输的优点:在不改变数字信号波形的情况下直接传输数字信号,具有速率高和误码率低等优点。基带传输适合于近距离(几公里以内)传输,基带信号不适合远距离传输,36,频带传输,频带传输方式是将数字信号调制成模拟音频信号后再发送和传输,到达接收端时再把音频信号解调成原来的数字信号。在采用频带传输方式时,要求在发送端安装调制器,在接收端安装解调器。在实现全双工通信时,则要求收发两端都安装调制解调器。频带传输不仅可以利用电话系统传输数字信号,而且可以实现多路复用,提高信道的利用率。频带传输既适合于近距离(几公里以内)传输,也适合远距离传输,37
16、,3.3 数据编码,数字数据的数字信号编码数字数据的模拟信号编码模拟数据的数字信号编码,38,利用数字通信信道直接传输数字数据信号的方法称为数字信号的基带传输。数字数据在传输之前,需要进行数字编码。常用的数字数据的编码方式有三种:1.不归零编码2.曼彻斯特编码3.差分曼彻斯特编码。,3.3.1 数字数据的数字信号编码,39,不归零编码(Non-Return to Zero,NRZ)规定可用负电平表示逻辑“0”,用正电平表示逻辑“1”缺点:(1)难以决定一位的结束和另一位的开始,需要使用某种方法使发送器和接收器之间进行定时和同步。(2)脉冲序列含有直流分量,特别是出现多个1或0信号时,直流分量会
17、积累。,1.不归零编码,40,曼彻斯特编码:其编码规则是信号电平在每个码元内有一个跃变,从高电平跃变到低电平表示二进制数据“1”,而从低电平跃变到高电平表示数据“0”。优缺点:自含时钟编码 不含直流分量编码效率比较低,曼彻斯特编码,41,3.差分曼彻斯特编码,该编码方案与曼彻斯特编码相同的是信号电平在每个码元内有一个跃变,但不同的是,这种码元中间的电平跃变只作为同步信号,而不表示数据。数据的表示在于每一个码元开始处是否有电平转换,无电平转换表示二进制数据“1”,有电平转换表示“0”。差分曼彻斯特编码比曼彻斯特编码的变化要少,因此更适合于传输高速的信息,被广泛用于宽带高速网中。,42,43,在模
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