第2章 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)知識

1數(shù)據(jù)通信與計算機網(wǎng)絡(luò)

（第3版）

課件

楊心強陳國友編著

電子工業(yè)出版社

2007年6月2數(shù)據(jù)通信與計算機網(wǎng)絡(luò)

第2章數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)知識3第2章數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)知識教學(xué)目的通過本章學(xué)習(xí)，要求掌握數(shù)據(jù)通信的必備知識和常用術(shù)語學(xué)習(xí)內(nèi)容信息、數(shù)據(jù)和信號功率譜密度和信號帶寬傳輸方式和傳輸速率傳輸質(zhì)量通信編碼4第2

章：內(nèi)容提綱2.1信息、數(shù)據(jù)和信號2.2功率譜密度和信號帶寬2.3傳輸方式和傳輸速率2.4傳輸質(zhì)量2.5通信編碼52.1

信息、數(shù)據(jù)和信號

2.1.1信息通信是在源點與終點之間傳遞信息。信息是指包含在消息中對通信者有意義的內(nèi)容。消息是指能向人們表達客觀物質(zhì)運動和主觀思維活動的文字、符號、數(shù)據(jù)、語音和圖像等。它具有兩個特點為：①能被通信雙方所理解；②可以相互傳遞。消息是信息的載體，消息中可能包含有信息。62.1.1信息(續(xù)1)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”。熵：不確定性的度量。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。72.1.1信息(續(xù)2)定義：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)的對數(shù)。（比特）(2-1)若一條消息有m個符號，第i個符號出現(xiàn)的概率是Pi，則每個符號包含的平均信息量是（比特/符號）平均信息量是每個符號所含信息量的統(tǒng)計平均值，平均信息量又稱為信息熵。(2-2)8補充：數(shù)學(xué)期望9總結(jié)信息量：1）任何事情的信息量大于0；2）不可能發(fā)生的事情發(fā)生了，其信息量無窮大；3）一定發(fā)生的事情，信息量為0信息熵：信息的一種數(shù)量化的衡量尺度,系統(tǒng)有序化程度的度量。一個系統(tǒng)越是有序，信息熵越低；越是混亂，信息熵越高。10例1：若謝軍在一次國際象棋賽中獲得冠軍的概率為0.1（記為事件A）,而在另一次國際象棋賽中奪冠的概率為0.9(記為事件B)。試分別計算當(dāng)你得知謝軍獲得冠軍時，從這兩個事件中獲得的信息量各為多少？

I(A)=-log20.1≈3.32(比特)

I(B)=-log20.9≈0.152(比特)11例2設(shè)某條消息由A,B,C,D,E五個符號組成，且分別以概率1/2,1/4,1/8,1/16,1/16傳送，每一符號的出現(xiàn)是相互獨立的。試計算其平均信息量（信息熵）？(2-2)122.1.2數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)是對某一事實的不經(jīng)解釋并賦予一定含義的數(shù)字、字母、文字等符號及其組合的原始表達。是消息的一種表示形式，是傳達某種意義或信息的實體。當(dāng)信息被表示為數(shù)據(jù)時，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。信息強調(diào)“處理”和“使用”兩個方面，尤其是“使用”。數(shù)據(jù)分為模擬數(shù)據(jù)和數(shù)字數(shù)據(jù)。模擬數(shù)據(jù)在一段時間內(nèi)具有連續(xù)的值(如聲音等)，而數(shù)字數(shù)據(jù)則具有離散的值(如文本等)。132.1.3信號1、信號的分類信號是數(shù)據(jù)的具體表示形式。目前常用的是電信號。對數(shù)據(jù)通信有用的幾種分類：

(1)連續(xù)信號與離散信號

(2)隨機信號與確定信號

(3)周期信號與非周期信號142.1.3信號(續(xù)1)2、信號的特性信號的特性表現(xiàn)在時間特性和頻率特性兩個方面。時間特性主要指信號隨時間變化的特性。信號隨時間變化的表現(xiàn)包含了信號的全部信息量。頻率特性是指信號可用頻譜函數(shù)來表示的特性。頻譜函數(shù)表征信號的各頻率成分，以及各頻率成分的振幅和相位。152.1.3信號(續(xù)2)3、信號的分析一個通信系統(tǒng)的輸入信號，稱為激勵；而輸出信號，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：時域分析法是利用信號的時間特性，把激勵和響應(yīng)看成是時間函數(shù)的分析方法。頻域分析法是利用信號的頻率特性，把激勵和響應(yīng)經(jīng)過傅立葉變換，將時間變量變換為頻率變量進行分析的分析方法。16（1）時域分析法1、基本概念①輸入端：激勵②輸出端：響應(yīng)2、基本思路①把外加激勵信號在時域中分解成一系列單元激勵信號②分別計算各單元信號通過系統(tǒng)的響應(yīng)③在輸出段疊加得到總響應(yīng)17單位脈沖單位脈沖響應(yīng)：h（t）預(yù)備知識：對任意輸入e(t),有

18其中一個脈沖函數(shù)的響應(yīng)：取和：取極限，得到卷積公式：（2）頻域分析法頻域分析的基本思想：利用傅里葉變換，將信號分解為不同頻率的等幅正弦波，求出各正弦波激勵所產(chǎn)生的響應(yīng)，再利用傅里葉反變換將響應(yīng)疊加為輸出的總響應(yīng)。20傅立葉變換：任何信號都可以表示為各種頻率成分的正弦波之和。①周期信號f(t)（定義在(t1,t1+T)）,可以表示為(三角傅里葉變換)②非周期信號f(t)，可以表示為212.1.3信號(續(xù)3)4、數(shù)據(jù)與信號通信系統(tǒng)中的電信號有模擬信號和數(shù)字信號，而數(shù)據(jù)又有模擬數(shù)據(jù)和數(shù)字數(shù)據(jù)。無論是模擬數(shù)據(jù)還是數(shù)字數(shù)據(jù)都能編碼成模擬信號或數(shù)字信號。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)和信號的四種組合：

(1)數(shù)字數(shù)據(jù)，數(shù)字信號(如0/1→高低電平)(2)數(shù)字數(shù)據(jù)，模擬信號(如ASK、FSK和PSK)(3)模擬數(shù)據(jù)，數(shù)字信號(如話音信號的PCM調(diào)制)(4)模擬數(shù)據(jù)，模擬信號(如AM、FM和PM)22已知周期f(t)如圖所示：（1）寫出一個周期內(nèi)f(t)的三角傅立葉變換表達式（T=2Pi）；23第2

章：內(nèi)容提綱2.1信息、數(shù)據(jù)和信號2.2功率譜密度和信號帶寬2.3傳輸方式和傳輸速率2.4傳輸質(zhì)量2.5通信編碼242.2

功率譜密度和信號的帶寬

2.1.1功率譜密度對于任何一個有限時間的信號，它的頻譜寬度卻是無限的，然而信號的大部分功率是集中在某個有限的頻譜寬度內(nèi)的。因此，把包含信號大部分功率的那部分頻譜寬度，稱為信號的有效帶寬。25從功率和能量的角度看，信號可以分為功率信號和能量信號。在歸一化電阻（1歐姆）上，信號s(t)的瞬時功率為則其在（-T/2，T/2）內(nèi)的平均功率是若T趨于無窮時，P存在，為一定值，則稱s(t)為功率信號。功率譜密度(2-21)272.2.2信號的帶寬絕對帶寬B——指信號頻譜正頻譜非零部分所對應(yīng)的頻率范圍。零點帶寬——指信號在0～的頻率范圍。fbP(f)f0-fbBP(f)f0

fb282.2.2信號的帶寬(續(xù)1)百分比帶寬——指在給定頻率范圍0～內(nèi)，信號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)信號頻譜在f0處為最大值，而，且，定義～的頻率范圍為半功率帶寬。注意：信號的帶寬與傳輸系統(tǒng)的帶寬是兩個概念。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。29第2

章：內(nèi)容提綱2.1信息、數(shù)據(jù)和信號2.2功率譜密度和信號帶寬2.3傳輸方式和傳輸速率2.4傳輸質(zhì)量2.5通信編碼302.3

數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的

傳輸方式和傳輸速率

回顧：數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的組成終端設(shè)備子系統(tǒng)由數(shù)據(jù)終端設(shè)備及有關(guān)的傳輸控制設(shè)備組成。數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)由傳輸信道和兩端的數(shù)據(jù)電路終接設(shè)備組成。數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)指包括通信控制器在內(nèi)的電子計算機。312.3.1

傳輸方式1、基帶傳輸和頻帶傳輸基帶：信息源發(fā)出的未經(jīng)調(diào)制（頻譜搬移和變換）的原始電信號所固有的頻帶，稱為基本頻帶，簡稱基帶頻帶：對基帶信號調(diào)制之后所占用的頻率帶寬。就是信道允許傳送的信號的最高頻率與最低頻率這之間的頻率范圍。調(diào)制：把基帶信號變換成傳輸信號的技術(shù)。

32回顧帶寬：某信號所具有的頻帶寬度,表征信道傳送信號的能力。

1模擬信號Hz2數(shù)字信號b/s33按照傳輸系統(tǒng)在傳輸數(shù)據(jù)信號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。342.3.1

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)的時空順序，傳輸方式可分為兩類：串行傳輸指數(shù)據(jù)在一個信道上按位、依次傳輸?shù)姆绞?。按位：一位一位地進行傳輸，每一位數(shù)據(jù)都占據(jù)一個固定的時間長度。例：鍵盤、鼠標器與主機間采用的就是串行數(shù)據(jù)傳送。

35其特點：①所需線路數(shù)少，投資省，線路利用率高；②在發(fā)送和接收端需要分別進行并/串和串/并轉(zhuǎn)換；③收發(fā)之間必須實施同步。適用于遠距離數(shù)據(jù)傳輸。串行通信時的數(shù)據(jù)、控制和狀態(tài)信息都使用同一根信號線傳送，收發(fā)雙方必須遵守共同的通信協(xié)議（通信規(guī)程），才能解決傳送速率、信息格式、位同步、字符同步、數(shù)據(jù)校驗等問題。36并行傳輸指數(shù)據(jù)在多個信道上同時傳輸?shù)姆绞?。其特點是：①在終端裝置和線路之間不需要對傳輸代碼作時序變換；②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。例：計算機內(nèi)的總線結(jié)構(gòu)就是并行通信的例子。372.3.1

傳輸方式(續(xù)2)串行傳輸

接收端

發(fā)送端01001010并/串轉(zhuǎn)換串/并轉(zhuǎn)換01001100并行傳輸發(fā)送端接收端383、串行傳輸?shù)漠惒絺鬏敽屯絺鬏斣诖袀鬏敃r，發(fā)收雙方必須實現(xiàn)同步：（1）每一位的時間寬度----位同步（2）每一個字符或字節(jié)的起始和結(jié)束----字符同步（2）每一個完整的信息塊的起始和結(jié)束----幀同步其實現(xiàn)方法可分為兩類：

異步傳輸和同步傳輸無雞鴨也可無魚肉也可青菜豆腐不可少不得一文錢39402.3.1

傳輸方式(續(xù)3)異步傳輸在發(fā)送字符時，每個字符都附加一個起始位和停止位，且二者極性不同。01010010起始位停止位線路空閑1個字符傳送方向設(shè)有一個10000字符的文件，采用異步傳輸，以2400b/s速率進行傳輸，1）設(shè)每一個字符包含一個起始比特，8位數(shù)據(jù)比特和一個停止比特，試問：額外的開銷是多少？2）設(shè)數(shù)據(jù)以幀的方式傳播，每個幀包含了1000個字符，以及48控制比特，試問：額外的開銷是多少？41422.3.1

傳輸方式(續(xù)4)同步傳輸

通信雙方雙方的時鐘要調(diào)整到同一個頻率。收發(fā)雙方不停地發(fā)送和接收連續(xù)的同步比特流。┅同步標志幀信息傳送方向幀信息同步標志┅43異步/同步傳輸?shù)膮^(qū)別是：異步傳輸?shù)陌l(fā)送器的接收器的時鐘是不同步的，而同步傳輸兩者的時鐘是同步的，雙方的時鐘要調(diào)整到同一個頻率。442.3.1

傳輸方式(續(xù)5)4、單工、半雙工和全雙工按照數(shù)據(jù)信號在信道上的傳送方向與時間的關(guān)系，傳輸方式可分為三類：單工指兩個站之間只能沿一個指定的方向傳送數(shù)據(jù)信號。半雙工指兩個站之間可以在兩個方向上傳送數(shù)據(jù)信號，但不能同時進行。又稱“雙向交替”模式。全雙工指兩個站之間可以在兩個方向上同時傳送數(shù)據(jù)信號。452.3.1

傳輸方式(續(xù)6)單工、半雙工和全雙工

(a)單工(b)半雙工(c)全雙工A站A站A站B站B站B站462.3.2

傳輸速率傳輸速率指單位時間內(nèi)傳送的信息量，是衡量數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)傳輸能力的一個重要指標。常用的有三種傳輸速率：1）調(diào)制速率(或波特率、碼元速率)指單位時間內(nèi)調(diào)制信號波形的變換次數(shù)。其單位是波特。T(s):單位調(diào)制信號波的時間長度(Baud)47例：一個‘0’獲‘1’狀態(tài)的最短時間長度為試求其調(diào)制速率。482.3.2

傳輸速率2）數(shù)據(jù)信號速率(或傳信率、比特率)指單位時間內(nèi)通過信道的信息量。其單位是比特/秒。其中n為并行傳輸?shù)耐窋?shù)，Ti為第i路一個單位調(diào)制信號波的時間長度(s),Mi為第i路調(diào)制信號波的狀態(tài)數(shù)。(b/s)492.3.2

傳輸速率(續(xù)1)調(diào)制速率與數(shù)據(jù)信號速率的關(guān)系：

50例：8路并行傳輸，每路一個單位調(diào)制信號的時間長度為Ti=0.013s,采用二相調(diào)制，求數(shù)據(jù)信號率和調(diào)制速率各為多少？51第2

章：內(nèi)容提綱2.1信息、數(shù)據(jù)和信號2.2功率譜密度和信號帶寬2.3傳輸方式和傳輸速率2.4傳輸質(zhì)量2.5通信編碼522.4

傳輸質(zhì)量

2.4.1衰減和增益衰減當(dāng)信號沿傳輸媒體傳播時，其部分能量轉(zhuǎn)換成熱能或被傳輸媒體所吸收，而導(dǎo)致信號強度不斷減弱的現(xiàn)象。（dB）注意：分貝是相對差別的度量。系統(tǒng)中某些點的功率電平可用絕對功率來表示，其單位是dBm。M表示以1mW為參考的功率單位。信號功率電平也可用相對于某個基準點的電平來表示，其單位是dBr。R表示相對的意思。如果一個放大器的增益為30dB，試求這個放大器的電壓放大倍數(shù)。53542.4.2失真信號通過傳輸系統(tǒng)時，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。上述失真對數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹饕绊懯鞘沟么a元信號波形展寬，從而引起碼間串?dāng)_現(xiàn)象。552.4.3噪聲噪聲在數(shù)據(jù)信號的傳輸過程中，所混入的一些額外的非期望信號。四種類型：

(1)熱噪聲由帶電粒子在導(dǎo)電媒體中的布朗運動引起的噪聲。是由導(dǎo)體中電子的熱震動引起的，它存在于所有電子器件和傳輸介質(zhì)中。它是溫度變化的結(jié)果，但不受頻率變化的影響。熱噪聲是不能夠消除的。在１Hz帶寬內(nèi)，從熱噪聲源所得的噪聲功率稱為噪聲密度（W/Hz）。

k為波爾滋曼常數(shù)，T為絕對溫度。T與人們慣用的攝氏溫度t的關(guān)系是T＝t＋273.15。(2-32)56若認為噪聲與頻率無關(guān)，在系統(tǒng)帶寬B(Hz)內(nèi)，熱噪聲功率可表示為例：設(shè)接收器的有效噪聲溫度為300K,系統(tǒng)帶寬為10MHz,試求該接受器輸出端的熱噪聲功率。(W)(2-33)(dBW)(2-34)572.4.3噪聲(續(xù)1)(2)交調(diào)噪聲由多個不同頻率的輸入信號共用同一傳輸媒體，而引起輸入信號的頻率和或差，以及這些頻率的多倍數(shù)的組合的信號。交調(diào)噪聲源于通信系統(tǒng)的非線性。

(3)串音一條信號通路中的信號在另一條信號通路上產(chǎn)生的干擾信號。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)時間很短，被耦合到信號通路中的非連續(xù)的尖峰脈沖引起的干擾信號。脈沖噪聲來源于各種自然的和人為的電火花。脈沖噪聲對話音通信的危害并不十分顯著，然而它卻是數(shù)據(jù)通信差錯的主要根源。582.4.3噪聲(續(xù)2)噪聲對數(shù)據(jù)信號傳輸?shù)挠绊?/p>

592.4.4信噪比

在信號傳輸過程中，可用信噪比描述信號受到噪聲影響程度的度量。信噪比指信號通路某一點上的信號功率與混在信號中的噪聲功率之比值。(dB)(2-37)信噪比一般是在接收端測量。602.4.5畸變衰減和失真是引起信號波形畸變的主要原因。數(shù)據(jù)信號的畸變有兩種：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”時間伸長，而“0”時間縮短。負偏—使“1”時間縮短，而“0”時間伸長。特性畸變正特性畸變—使短“1”和短“0”兩者都伸長。負特性畸變—使短“1”和短“0”兩者都縮短。不規(guī)則畸變信號波形無規(guī)律地發(fā)生代碼畸變。612.4.5畸變(續(xù)1)各種類型畸變的圖示622.4.6差錯率差錯率是衡量數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)可靠性的重要指標。誤碼率指接收到的出錯碼元占總碼元數(shù)中的比例。誤碼率反映了某段時間內(nèi)的平均誤碼率。其測量結(jié)果隨測量時間的分布和長短有關(guān)。ITU規(guī)定的測試時間為15分鐘。對于二進制傳輸而言，因碼元與比特等價，所以誤碼率又稱誤比特率。但多進制傳輸時，兩者不等。632.4.6差錯率(續(xù)1)誤字率指接收到的出錯字數(shù)占總字數(shù)中的比例。誤字率常用于電報通信中，作為評價電報傳輸?shù)馁|(zhì)量。由于表示一個字符的代碼的比特數(shù)不同，用誤字率來評價傳輸質(zhì)量并不確切。誤組率指接收到的出錯碼組數(shù)占總碼組數(shù)中的比例。642.4.7頻帶利用率頻帶利用率指單位傳輸帶寬所能實現(xiàn)的傳輸速率。(Bd/Hz)(bps/Hz)