數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)知識(shí)ppt課件

.,1,數(shù)據(jù)通信與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)（第3版）課件楊心強(qiáng)陳國(guó)友編著電子工業(yè)出版社2007年6月,.,2,1、在OSI的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中，對(duì)等實(shí)體之間傳輸?shù)男畔⒔M成是_。A.接口控制信息B協(xié)議控制信息C接口數(shù)據(jù)單元D協(xié)議數(shù)據(jù)單元2、下面的協(xié)議中，_是屬于TCP/IP協(xié)議簇中的高層協(xié)議，并且主要用途為完成傳輸電子郵件作用的。AMHSBHTMLCSMTPDSNM3、在網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中，上下層之間的信息交換是依靠傳輸服務(wù)數(shù)據(jù)單元（SDU）進(jìn)行的。（）4、在OSI的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中，數(shù)據(jù)的加密和壓縮等功能是在表示層實(shí)現(xiàn)的。（）,.,3,數(shù)據(jù)通信與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)第2章數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)知識(shí),.,4,第2章數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)知識(shí),教學(xué)目的通過本章學(xué)習(xí)，要求掌握數(shù)據(jù)通信的必備知識(shí)和常用術(shù)語,學(xué)習(xí)內(nèi)容信息、數(shù)據(jù)和信號(hào)功率譜密度和信號(hào)帶寬傳輸方式和傳輸速率傳輸質(zhì)量通信編碼,.,5,第2章：內(nèi)容提綱,2.1信息、數(shù)據(jù)和信號(hào)2.2功率譜密度和信號(hào)帶寬2.3傳輸方式和傳輸速率2.4傳輸質(zhì)量2.5通信編碼,.,6,2.1信息、數(shù)據(jù)和信號(hào)2.1.1信息,1975年有人曾對(duì)信息的定義做過統(tǒng)計(jì)，共有39種。當(dāng)時(shí)并沒有公認(rèn)、完整、統(tǒng)一的定義。通信是在源點(diǎn)與終點(diǎn)之間傳遞信息。信息和消息是兩個(gè)不同概念的名詞。消息是指能向人們表達(dá)客觀物質(zhì)運(yùn)動(dòng)和主觀思維活動(dòng)的文字、符號(hào)、數(shù)據(jù)、語音和圖像等。它具有兩個(gè)特點(diǎn)為：能被通信雙方所理解；可以相互傳遞。信息是指包含在消息中對(duì)通信者有意義的內(nèi)容。消息是信息的載體，消息中可能包含有信息。,.,7,2.1.1信息(續(xù)1),如何衡量消息中所包含的信息呢？消息中包含信息量與接收者在收到此消息前對(duì)某事件存在的不確定性有關(guān)。1948年，香農(nóng)在通信的數(shù)學(xué)理論論文中給出了關(guān)于信息的度量公式，他把信息定義為熵的減少，即“用來消除不確定性的東西”。根據(jù)香農(nóng)理論，一條消息包含信息的多少稱為信息量。信息量的大小與消息所描述事件的出現(xiàn)概率有關(guān)。如消息表示的事件是必然事件(概率為1)，則該消息不含有任何信息量；如消息表示的事件根本不可能發(fā)生(概率為0)，則該消息含有無窮的信息量。,.,8,2.1.1信息(續(xù)2),香農(nóng)規(guī)定，一條消息所荷載的信息量等于它所表示的事件發(fā)生的概率P的倒數(shù)的對(duì)數(shù)。,(2-1),對(duì)于一條含有m個(gè)符號(hào)的消息，每個(gè)符號(hào)出現(xiàn)的概率不同。當(dāng)m很大，共出現(xiàn)了n次，則它具有的信息量是,.,9,2.1.1信息(續(xù)3),整條消息所具有的信息量是所有這樣的信息量在不同的i值時(shí)之總和。,(2-2),每個(gè)符號(hào)包含的平均信息量是,(2-4),平均信息量是每個(gè)符號(hào)所含信息量的統(tǒng)計(jì)平均值，其單位為比特/符號(hào)。平均信息量又稱為熵。,.,10,2.1.2數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)是對(duì)某一事實(shí)的不經(jīng)解釋并賦予一定含義的數(shù)字、字母、文字等符號(hào)及其組合的原始表達(dá)。是消息的一種表示形式，是傳達(dá)某種意義或信息的實(shí)體。當(dāng)信息被表示為數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)中就包含了信息。因此，信息可以通過解釋數(shù)據(jù)來產(chǎn)生。信息強(qiáng)調(diào)“處理”和“使用”兩個(gè)方面，尤其是“使用”。數(shù)據(jù)分為模擬數(shù)據(jù)和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。模擬數(shù)據(jù)在一段時(shí)間內(nèi)具有連續(xù)的值(如聲音等)，而數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)則具有離散的值(如文本等)。,.,11,2.1.3信號(hào),1、信號(hào)的分類信號(hào)是數(shù)據(jù)的具體表示形式。目前常用的是電信號(hào)。對(duì)數(shù)據(jù)通信有用的幾種分類：(1)連續(xù)信號(hào)與離散信號(hào)(2)隨機(jī)信號(hào)與確定信號(hào)(3)周期信號(hào)與非周期信號(hào),.,12,2.1.3信號(hào)(續(xù)1),2、信號(hào)的特性信號(hào)的特性表現(xiàn)在時(shí)間特性和頻率特性兩個(gè)方面。時(shí)間特性主要指信號(hào)隨時(shí)間變化的特性。信號(hào)隨時(shí)間變化的表現(xiàn)包含了信號(hào)的全部信息量。頻率特性是指信號(hào)可用頻譜函數(shù)來表示的特性。頻譜函數(shù)表征信號(hào)的各頻率成分，以及各頻率成分的振幅和相位。,.,13,2.1.3信號(hào)(續(xù)2),3、信號(hào)的分析一個(gè)通信系統(tǒng)的輸入信號(hào)，稱為激勵(lì)；而輸出信號(hào)，稱為響應(yīng)。通信系統(tǒng)的功能和特性是通過怎樣的激勱而產(chǎn)生怎樣的響應(yīng)來體現(xiàn)的。分析通信系統(tǒng)有兩種方法：時(shí)域分析法是利用信號(hào)的時(shí)間特性，把激勵(lì)和響應(yīng)看成是時(shí)間函數(shù)的分析方法。頻域分析法是利用信號(hào)的頻率特性，把激勵(lì)和響應(yīng)經(jīng)過傅立葉變換，將時(shí)間變量變換為頻率變量進(jìn)行分析的分析方法。,.,14,2.1.3信號(hào)(續(xù)3),4、數(shù)據(jù)與信號(hào)通信系統(tǒng)中的電信號(hào)有模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)，而數(shù)據(jù)又有模擬數(shù)據(jù)和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。無論是模擬數(shù)據(jù)還是數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)都能編碼成模擬信號(hào)或數(shù)字信號(hào)。選擇何種編碼方式取決于需滿足的要求和可能提供的傳輸媒體和通信設(shè)施。數(shù)據(jù)和信號(hào)的四種組合：(1)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，數(shù)字信號(hào)(如0/1高低電平)(2)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，模擬信號(hào)(如ASK、FSK和PSK)(3)模擬數(shù)據(jù)，數(shù)字信號(hào)(如話音信號(hào)的PCM調(diào)制)(4)模擬數(shù)據(jù)，模擬信號(hào)(如AM、FM和PM),.,15,第2章：內(nèi)容提綱,2.1信息、數(shù)據(jù)和信號(hào)2.2功率譜密度和信號(hào)帶寬2.3傳輸方式和傳輸速率2.4傳輸質(zhì)量2.5通信編碼,.,16,2.2功率譜密度和信號(hào)的帶寬2.1.1功率譜密度,對(duì)于任何一個(gè)有限時(shí)間的信號(hào)，它的頻譜寬度卻是無限的，然而信號(hào)的大部分功率是集中在某個(gè)有限的頻譜寬度內(nèi)的。因此，把包含信號(hào)大部分功率的那部分頻譜寬度，稱為信號(hào)的有效帶寬。功率譜密度,(2-21),功率譜密度的物理意義：以為中心的單位頻譜寬度內(nèi)，信號(hào)f(t)的頻率分量對(duì)功率的貢獻(xiàn)。,.,17,2.2.2信號(hào)的帶寬,絕對(duì)帶寬B指信號(hào)頻譜正頻譜非零部分所對(duì)應(yīng)的頻率范圍。零點(diǎn)帶寬指信號(hào)在0的頻率范圍。,.,18,2.2.2信號(hào)的帶寬(續(xù)1),百分比帶寬指在給定頻率范圍0內(nèi)，信號(hào)功率占總功率的比值為%，定義0為百分比帶寬。通常取%為90%、96%和99%等。半功率帶寬設(shè)信號(hào)頻譜在處為最大值，而，且，定義的頻率范圍為半功率帶寬。注意：信號(hào)的帶寬與傳輸系統(tǒng)的帶寬是兩個(gè)概念。傳輸系統(tǒng)的帶寬通常是指系統(tǒng)的頻率響應(yīng)曲線保持在中心處取值的0.707倍以內(nèi)的頻率區(qū)間。,.,19,第2章：內(nèi)容提綱,2.1信息、數(shù)據(jù)和信號(hào)2.2功率譜密度和信號(hào)帶寬2.3傳輸方式和傳輸速率2.4傳輸質(zhì)量2.5通信編碼,.,20,2.3傳輸方式和傳輸速率2.3.1傳輸方式,1、基帶傳輸和頻帶傳輸按照傳輸系統(tǒng)在傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)過程中是否搬移其頻譜，傳輸方式可分兩類：基帶傳輸指不搬移信號(hào)頻譜的傳輸體制。頻帶傳輸指利用調(diào)制解調(diào)器搬移信號(hào)頻譜的傳輸體制。之所以搬移頻譜是為了適應(yīng)信道的頻率特性。,.,21,2.3.1傳輸方式(續(xù)1),2、串行傳輸和并行傳輸按照傳輸數(shù)據(jù)的時(shí)空順序，傳輸方式可分為兩類：串行傳輸指數(shù)據(jù)在一個(gè)信道上按位依次傳輸?shù)姆绞健Ｆ涮攸c(diǎn)是：所需線路數(shù)少，投資省，線路利用率高；在發(fā)送和接收端需要分別進(jìn)行并/串和串/并轉(zhuǎn)換；收發(fā)之間必須實(shí)施同步。適用于遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸。并行傳輸指數(shù)據(jù)在多個(gè)信道上同時(shí)傳輸?shù)姆绞健Ｆ涮攸c(diǎn)是：在終端裝置和線路之間不需要對(duì)傳輸代碼作時(shí)序變換；需要n條信道的傳輸設(shè)施，故其成本較高。適用于要求傳輸速率高的短距離數(shù)據(jù)傳輸。,.,22,2.3.1傳輸方式(續(xù)2),.,23,2.3.1傳輸方式(續(xù)3),3、異步傳輸和同步傳輸在串行傳輸時(shí)，發(fā)收雙方必須實(shí)現(xiàn)的同步有三種，即比特同步、字符同步和塊(或幀)同步。其實(shí)現(xiàn)方法可分為兩類：異步傳輸,.,24,2.3.1傳輸方式(續(xù)4),同步傳輸,異步/同步傳輸?shù)膮^(qū)別是：異步傳輸?shù)陌l(fā)送器的接收器的時(shí)鐘是不同步的，而同步傳輸兩者的時(shí)鐘是同步的。,.,25,2.3.1傳輸方式(續(xù)5),4、單工、半雙工和全雙工按照數(shù)據(jù)信號(hào)在信道上的傳送方向與時(shí)間的關(guān)系，傳輸方式可分為三類：?jiǎn)喂ぶ竷蓚€(gè)站之間只能沿一個(gè)指定的方向傳送數(shù)據(jù)信號(hào)。半雙工指兩個(gè)站之間可以在兩個(gè)方向上傳送數(shù)據(jù)信號(hào)，但不能同時(shí)進(jìn)行。又稱“雙向交替”模式。全雙工指兩個(gè)站之間可以在兩個(gè)方向上同時(shí)傳送數(shù)據(jù)信號(hào)。,.,26,2.3.1傳輸方式(續(xù)6),單工、半雙工和全雙工,.,27,2.3.2傳輸速率,傳輸速率指單位時(shí)間內(nèi)傳送的信息量，是衡量數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)傳輸能力的一個(gè)重要指標(biāo)。常用的有三種傳輸速率：調(diào)制速率(或波特率、碼元速率)指單位時(shí)間內(nèi)調(diào)制信號(hào)波形的變換次數(shù)。其單位是波特。數(shù)據(jù)信號(hào)速率(或傳信率、比特率)指單位時(shí)間內(nèi)通過信道的信息量。其單位是比特/秒。,.,28,2.3.2傳輸速率(續(xù)1),注意：(1)上式中，m為并行傳輸?shù)耐窋?shù)；Ti為第i路單位調(diào)制信號(hào)波的時(shí)間長(zhǎng)度(秒)；Ni為第i路調(diào)制信號(hào)波的狀態(tài)數(shù)。(2)常用的數(shù)據(jù)信號(hào)速率的單位還有1kb/s1000b/s，1Mb/s1000kb/s，1Gb/s1000Mb/s，1Tb/s1000Gb/s。調(diào)制速率與數(shù)據(jù)信號(hào)速率的關(guān)系：,.,29,2.3.2傳輸速率(續(xù)2),數(shù)據(jù)傳輸速率指單位時(shí)間傳送的數(shù)據(jù)量。其數(shù)據(jù)單位可以是比特、字符、碼組等，而時(shí)間單位可以是秒、分、小時(shí)等。通常采用字符/分。注意：數(shù)據(jù)傳輸速率和數(shù)據(jù)信號(hào)速率之間的關(guān)系需考慮用多少位(比特)來表示一個(gè)字符。另外，如果是起止同步方式傳輸?shù)脑?，還需要考慮在數(shù)據(jù)以外附加傳輸?shù)谋忍財(cái)?shù)。,.,30,第2章：內(nèi)容提綱,2.1信息、數(shù)據(jù)和信號(hào)2.2功率譜密度和信號(hào)帶寬2.3傳輸方式和傳輸速率2.4傳輸質(zhì)量2.5通信編碼,.,31,2.4傳輸質(zhì)量2.4.1衰減和增益,衰減當(dāng)信號(hào)沿傳輸媒體傳播時(shí)，其部分能量轉(zhuǎn)換成熱能或被傳輸媒體所吸收，而導(dǎo)致信號(hào)強(qiáng)度不斷減弱的現(xiàn)象。,（dB）,注意：分貝是相對(duì)差別的度量。系統(tǒng)中某些點(diǎn)的功率電平可用絕對(duì)功率來表示，其單位是dBm。M表示以1mW為參考的功率單位。信號(hào)功率電平也可用相對(duì)于某個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)的電平來表示，其單位是dBr。R表示相對(duì)的意思。,.,32,2.4.2失真,信號(hào)通過傳輸系統(tǒng)時(shí)，其波形可能發(fā)生畸變的現(xiàn)象稱為失真。衰減失真(或振幅失真)由衰減隨頻率的變化而引起的失真。衰減失真來源于電纜及系統(tǒng)中的濾波器。相位失真(或群延時(shí)失真)由線路的相位-頻率特性的非線性或不同頻率分量的傳播速度不一致所引起的失真。上述失真對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹饕绊懯鞘沟么a元信號(hào)波形展寬，從而引起碼間串?dāng)_現(xiàn)象。,.,33,2.4.3噪聲,噪聲在數(shù)據(jù)信號(hào)的傳輸過程中，所引入的一些額外的非期望信號(hào)。噪聲有四種類型：(1)熱噪聲由帶電粒子在導(dǎo)電媒體中的布朗運(yùn)動(dòng)引起的噪聲。在Hz帶寬內(nèi)，從熱噪聲源所得的噪聲功率稱為噪聲密度。,若認(rèn)為噪聲與頻率無關(guān)，在系統(tǒng)帶寬(Hz)內(nèi)，熱噪聲功率可表示為,.,34,2.4.3噪聲(續(xù)1),(2)交調(diào)噪聲由多個(gè)不同頻率的輸入信號(hào)共用同一傳輸媒體，而引起輸入信號(hào)的頻率和或差，以及這些頻率的多倍數(shù)的組合的信號(hào)。交調(diào)噪聲源于通信系統(tǒng)的非線性。(3)串音一條信號(hào)通路中的信號(hào)在另一條信號(hào)通路上產(chǎn)生的干擾信號(hào)。串音是由通信線路之間存在耦合現(xiàn)象所致。(4)脈沖噪聲一種突發(fā)的振幅很大且持續(xù)時(shí)間很短，被耦合到信號(hào)通路中的非連續(xù)的尖峰脈沖引起的干擾信號(hào)。脈沖噪聲來源于各種自然的和人為的電火花。脈沖噪聲對(duì)話音通信的危害并不十分顯著，然而它卻是數(shù)據(jù)通信差錯(cuò)的主要根源。,.,35,2.4.3噪聲(續(xù)2),噪聲對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?.,36,2.4.4信噪比,在信號(hào)傳輸過程中，可用信噪比描述信號(hào)受到噪聲影響程度的度量。信噪比指信號(hào)通路某一點(diǎn)上的信號(hào)功率與混在信號(hào)中的噪聲功率之比值。,(dB)(2-37),信噪比一般是在接收端測(cè)量。,.,37,2.4.5畸變,衰減和失真是引起信號(hào)波形畸變的主要原因。數(shù)據(jù)信號(hào)的畸變有兩種：規(guī)則畸變和不規(guī)則畸變。規(guī)則畸變信號(hào)波形按一定的法則有規(guī)律地發(fā)生代碼畸變。偏畸變正偏使“1”時(shí)間伸長(zhǎng)，而“0”時(shí)間縮短。負(fù)偏使“1”時(shí)間縮短，而“0”時(shí)間伸長(zhǎng)。特性畸變正特性畸變使短“1”和短“0”兩者都伸長(zhǎng)。負(fù)特性畸變使短“1”和短“0”兩者都縮短。不規(guī)則畸變信號(hào)波形無規(guī)律地發(fā)生代碼畸變。,.,38,2.4.5畸變(續(xù)1),各種類型畸變的圖示,.,39,2.4.6差錯(cuò)率,差錯(cuò)率是衡量數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)可靠性的重要指標(biāo)。誤碼率指接收到的出錯(cuò)碼元占總碼元數(shù)中的比例。,誤碼率反映了某段時(shí)間內(nèi)的平均誤碼率。其測(cè)量結(jié)果隨測(cè)量時(shí)間的分布和長(zhǎng)短有關(guān)。ITU規(guī)定的測(cè)試時(shí)間為15分鐘。對(duì)于二進(jìn)制傳輸而言，因碼元與比特等價(jià)，所以誤碼率又稱誤比特率。但多進(jìn)制傳輸時(shí)，兩者不等。,.,40,2.4.6差錯(cuò)率(續(xù)1),誤字率指接收到的出錯(cuò)字?jǐn)?shù)占總字?jǐn)?shù)中的比例。,誤字率常用于電報(bào)通信中，作為評(píng)價(jià)電報(bào)傳輸?shù)馁|(zhì)量。由于表示一個(gè)字符的代碼的比特?cái)?shù)不同，用誤字率來評(píng)價(jià)傳輸質(zhì)量并不確切。誤組率指接收到的出錯(cuò)碼組數(shù)占總碼組數(shù)中的比例。,.,41,2.4.7頻帶利用率,頻帶利用率指單位傳輸帶寬所能實(shí)現(xiàn)的傳輸速率。,頻帶利用率是描述數(shù)據(jù)傳輸速率與帶寬之間關(guān)系的一個(gè)指標(biāo)。在衡量數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的效率時(shí)，既要考慮到傳輸速率，又要考慮到傳輸信號(hào)所占用頻帶寬度。,.,42,2.5通信編碼,通信編碼指數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的內(nèi)部信息(二進(jìn)制數(shù))與各種圖形字符、操作控制字符以及識(shí)別報(bào)文組成和格式控制字符等的外部信息之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系所作的統(tǒng)一規(guī)定。常用的通信編碼：國(guó)際5號(hào)碼IA5(即ASCII碼)、EBCDIC碼和國(guó)際電報(bào)2號(hào)碼ITA2。國(guó)際5號(hào)碼是7單位通信編碼，詳見表2-3。,.,43,第2章：內(nèi)容提綱,2.1信息、數(shù)據(jù)和信號(hào)2.2功率譜密度和信號(hào)帶寬2.3傳輸方式和傳輸速率2.4傳輸質(zhì)量2.5通信