數(shù)據(jù)通信技術第1課PPT

第1課數(shù)據(jù)通信基本概念11、消息消息是通信系統(tǒng)中傳輸?shù)木唧w對象。消息的形式是多樣的，它包括數(shù)字、文字、語音、圖像、視頻等。也就是說，消息可以用多媒體表現(xiàn)。消息分為兩大類：模擬消息和數(shù)字消息。模擬消息是指時間上連續(xù)變化的消息。如由人發(fā)出的聲波語言，由傳感器指示出的溫度、壓力、流量等，這些都是連續(xù)變化的量。數(shù)字消息是指由數(shù)碼表達的、不連續(xù)變化的消息。例如由鍵盤打出來的字母、由文字或數(shù)字記錄的各種量值和內容、工業(yè)過程控制中的開關量等。22、信息信息是消息中所包含的內容。消息有可能包含甚為豐富的信息，但也可能信息甚少，若這種信息并未給人們帶來新的知識的話，那么這種消息所包含的信息實際等于0。33、數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)是指以二進制或多進制代碼形式表示的各種消息，無論原始消息是什么形式（文字、聲音、圖像等），只要經(jīng)過處理后變成二進制或多進制序列，就可認為是數(shù)據(jù)。44、信號（1）4.1信號的基本概念信號是為了消息的傳播而用來表達消息的一種載體（一種隨時間變化的波形）。電（光）通信中，消息的自然形式必須被轉換成電（光）信號形式才能進行傳遞和識別。平常用的最多的是電信號。所謂電信號一般是指隨時間變化的電流或電壓。54、信號（2）4.2模擬信號和數(shù)字信號信號可分為模擬信號和數(shù)字信號。模擬信號也叫連續(xù)信號，它是時間的函數(shù)，對于任意時間點都可給出確定的函數(shù)值。數(shù)字信號也叫離散信號，離散信號在時間上是離散的，代表離散信號的時間函數(shù)只在某些不連續(xù)的時間點上給定函數(shù)值，在其他時間沒有意義。64、信號（3）74、信號（4）84、信號（5）聲音轉成電信號（碳粒電話原理）話筒內有一堆碳粉，碳粉內埋一導線。碳粉上蓋一張振膜。人發(fā)出聲音，產(chǎn)生聲波，聲波傳到話筒內的振膜，導致振膜振動，聲音越大，聲波的振幅越大，振膜振動的幅度也就越大，由此轉成了強弱不同的電流（振膜對碳粒造成忽緊忽松的壓力引起其電阻的變化，從而導致電流發(fā)生變化）。電信號傳到對方聽筒，聽筒內有一電磁鐵隨電流大小而磁性不同，它對埋有金屬絲的薄膜時吸時放，薄膜便發(fā)出了人說話的聲音。94、信號（6）4.3周期信號和非周期信號不管是連續(xù)信號還是離散信號，若相同的信號形式能周期性地重復則稱為周期信號。用時間函數(shù)表示的周期信號滿足：

s(t+T)=s(t)，T為信號的周期。非周期信號如不滿足s(t+T)=s(t)則該信號為非周期信號。104、信號（7）114、信號（8）4.4模擬信號為什么需要數(shù)字化？模擬信號在傳輸過程中，由于受到外界干擾，總能量會損失慘重，那么信號本身也會發(fā)生畸變和衰減，所以模擬傳輸時，每隔一定距離就要通過放大器來放大信號的強度，但與此同時，由噪聲引起的信號失真也隨之放大。124、信號（9）4.4模擬信號為什么需要數(shù)字化？數(shù)字信號在傳輸過程中只有兩種狀態(tài)：高電壓和低電壓，高于某個值（A1）的電壓就是1，低于某個值（A2）的電壓就是0，而A1與A2之間還有較大的差值。信號依然會發(fā)生衰減和畸變。在傳輸一段距離之后，加入一個再生器，只要和A1、A2進行比較，即可判斷出傳送的是0還是1，接著再生器將重新生成信號并傳送下去。重新產(chǎn)生的新的電信號消除了前一段電路對信號的影響，這樣多級的再生不會累積噪聲引起的失真。135、通信系統(tǒng)（1）5.1模擬通信系統(tǒng)信道中傳輸模擬信號的系統(tǒng)稱為模擬通信系統(tǒng).它包含兩種重要變換，一是把原始消息變?yōu)殡娦盘?，二是把原始的電信號轉成適合信道傳輸?shù)男盘?；同時兩種變換在收端都要經(jīng)過反變換。信源調制器信宿噪聲信道解調器發(fā)送器接收器非電/電變換器電/非電變換器145、通信系統(tǒng)（2）信源調制器信宿噪聲信道解調器差錯控制編碼模數(shù)變換數(shù)模變換電/非電變換器5.2數(shù)字通信系統(tǒng)信道中傳輸數(shù)字信號的系統(tǒng)稱為數(shù)字通信系統(tǒng)。

非電/電變換器加密器差錯控制解碼解密器155、通信系統(tǒng)（3）數(shù)字通信系統(tǒng)的特點優(yōu)點抗噪聲性能好:信號的取值只有兩個,容易判別和處理。差錯可控:通信中出現(xiàn)的差錯可通過糾錯編碼技術來控制。保密性好:與模擬信號相比更容易加密和解密。易于與現(xiàn)代技術相結合。缺點頻帶利用率不高，數(shù)字信號占用的頻帶寬。需要嚴格的同步系統(tǒng)，故設備復雜、成本高、體積較大。166、通信方式的分類（1）通信方式：描述確定了信號具體如何在通信設備間進行傳輸。根據(jù)一次傳輸數(shù)據(jù)的多少分為：串行傳輸、并行傳輸根據(jù)數(shù)據(jù)在通信線路上的傳輸方向及與時間的關系分為：單工、半雙工、全雙工傳輸根據(jù)在接收端獲取同步信號方法的不同，分為：同步傳輸和異步傳輸176、通信方式的分類（2）6.1并行傳輸與串行傳輸根據(jù)一次傳輸數(shù)據(jù)的多少可將數(shù)據(jù)傳輸方式分為串行和并行。186、通信方式的分類（3）6.1.1并行傳輸(1)多個數(shù)據(jù)位同時在多條通道上傳輸，并且每個位都占用一條專用的傳輸通道；(2)用于短距離設備間的通訊設備內部通信方式。196、通信方式的分類（4）6.1.2串行傳輸(1)一位一位按順序的在一條通道上傳輸；(2)適合遠距離設備間的通訊，但傳輸速率較慢。206、通信方式的分類（5）計算機內部是并行傳輸，要在網(wǎng)絡上傳輸，需要轉成串行傳輸。由網(wǎng)卡的發(fā)送移位寄存器完成并/串轉換。信號發(fā)送到對方計算機后，由網(wǎng)卡的接收移位寄存器完成串/并轉換。216、通信方式的分類（6）6.2單工、半雙工和全雙工根據(jù)通信在通信線路上的傳輸方向及其與時間的關系，通信可分為三種方式：單工/半雙工/全雙工方式。226、通信方式的分類（7）6.2.1單工傳輸：數(shù)據(jù)始終只能在一個方向上傳輸，任何時間不能進行反向傳輸。如廣播電視。236、通信方式的分類（8）6.2.2半雙工傳輸：數(shù)據(jù)允許在兩個方向上傳輸，但在某一時刻數(shù)據(jù)只允許在一個方向傳輸(分時傳輸)。如對講機。246、通信方式的分類（9）6.2.3全雙工傳輸：允許數(shù)據(jù)同時在兩個方向上傳輸，稱為全雙工。特點:提高傳輸速率，但增加一條傳輸通道。電話系統(tǒng)、計算機網(wǎng)絡等大多數(shù)通信系統(tǒng)都是全雙工方式。256、通信方式的分類（10）6.3同步傳輸與異步傳輸串行通信過程中，數(shù)據(jù)是一位一位依次傳輸?shù)?，而每位?shù)據(jù)的發(fā)送和接收均需要時鐘脈沖的控制。發(fā)送端通過發(fā)送時鐘確定數(shù)據(jù)位的起始和結束。而接收端為了能正確識別數(shù)據(jù)，則需要以適當?shù)臅r間間隔在適當?shù)臅r刻對數(shù)據(jù)流進行采樣。也就是說，接收方必須和發(fā)送方保持步調一致，否則會出現(xiàn)漂移現(xiàn)象，最終使數(shù)據(jù)傳輸出現(xiàn)差錯。目前，通常采用兩種方法解決：異步傳輸和同步傳輸。266、通信方式的分類（11）6.3.1同步傳輸以數(shù)據(jù)塊（包括多個字符）為傳輸單位。為使接收雙方能判別數(shù)據(jù)塊的開始和結束，需要在每個數(shù)據(jù)塊的開始處和結束處各加一個幀頭和一個幀尾，加有幀頭、幀尾的數(shù)據(jù)稱為一幀。同步方式下，發(fā)送方除了發(fā)送數(shù)據(jù)，還要傳輸同步時鐘信號，信息傳輸?shù)碾p方用同一個時鐘信號確定傳輸過程中每1位的位置。276、通信方式的分類（12）6.3.2異步傳輸一次只傳輸一個字符。每個字符用起始位引導、停止位結束。在沒有數(shù)據(jù)發(fā)送時，發(fā)送方可發(fā)送連續(xù)的停止位(高電平)。接收方根據(jù)“1”至“0”的跳變來判斷一個新字符的開始，然后接收字符中的所有位。異步傳輸方式的每一個字符的發(fā)送都是獨立和隨機的，以不均勻的速率傳輸，傳輸方式簡單，但需要額外附加代價。286、通信方式的分類（13）6.3.3異步傳輸與同步傳輸?shù)谋容^異步傳輸方法簡單，除了收、發(fā)信道外，不需要另外的信道傳送定時同步信號，也不需要從收到的信號中提取定時信號，但每個字符有2到3位的附加位，所以傳輸效率低。異步傳輸常用于低速設備。在傳輸率相同時，同步通信方式下的信息有效率要比異步方式下的高，因為同步方式下的非數(shù)據(jù)信息比例比較小.同步傳輸更適用于高速數(shù)據(jù)傳輸。

計算機與鍵盤之間的通信就是異步方式。計算機與計算機之間的通信是同步方式。297、性能相關術語（1）帶寬帶寬是衡量信道通信能力的大小的指標信號帶寬：指信號所占據(jù)的頻帶寬度。信道帶寬：對于模擬信道，指能有效通過該信道的信號的最大頻帶寬度。（單位是Hz或赫茲）對于數(shù)字信道，指單位時間內信道能夠通過的數(shù)據(jù)量，也就是指該信道的最大傳輸速率。（單位是bps或比特/秒）307、性能相關術語（2）從時域上分析，信號是時間的函數(shù)，可以清楚地看出信號隨時間變化的規(guī)律。例如正弦信號：正弦信號可以用三角正弦函數(shù)來表示。t317、性能相關術語（3）A表示最大振幅（強度）。為角頻率。表示為，T是這個信號的周期。如果頻率用表示，則也可以表示為。為信號的初始相位，即是在初始時刻的相位。327、性能相關術語（4）根據(jù)傅立葉分析原理，任何信號都可由不同頻率成分的正弦波組合而成。例如信號s(t)可以由以下頻率成分的正弦信號組合而成。tt337、性能相關術語（5）信號的帶寬，即是信號所包含的頻帶寬度，也就是最高頻率fh

與最低頻率fl之差（fh

-fl），前述信號s(f)的帶寬為5f0

–f0=4f0例如：模擬語音信號的帶寬是3.1kHZ(300HZ到3.4kHZ,即話音的主要成分的頻率范圍)。347、性能相關術語（6）模擬信道帶寬：信道可以不失真地傳輸信號的頻率范圍，即信道能夠傳輸?shù)男盘柕淖罡哳l率和最低頻率的差值。信道帶寬若小于被傳送的信號的帶寬，傳送的信號就會出現(xiàn)失真。357、性能相關術語（7）數(shù)字信道的帶寬，也就是該信道的最大信息傳輸速率。通常指單位時間內信道上最大能通過的數(shù)據(jù)量，也就是每秒能傳送的二進制位數(shù)（單位是bps或者比特/秒）。例如：2M（即2Mb/s）注意：1kb/s=103b/s1Mb/s=106b/s367、性能相關術語（8）傳輸速率傳輸速率有兩種表示方法：碼元傳輸速率RB和信息傳輸速率Rb

碼元傳輸速率RB簡稱傳碼率，又稱符號速率、信號速率、調制速率等。它表示每秒內傳輸碼元的數(shù)目，或者是每秒內電平變化的次數(shù)。單位是波特（Baud），記為B信息傳輸速率Rb簡稱傳信率，又稱比特率等。它是指系統(tǒng)每秒鐘傳送的信息量，單位是比特/秒，常用符號“bit/s”表示377、性能相關術語（9）時延：定義了數(shù)據(jù)第一個位從源端開始發(fā)出到整個數(shù)據(jù)完全到達目標所經(jīng)歷的時間。時延由四個部分組成：傳播時延、傳輸時延、排隊時延和處理時延。

時延=傳播時延+傳輸時延+排隊時延+處理時延傳播時延：一個位從源端傳輸?shù)侥繕怂璧臅r間。

傳播時延=距離/傳播速度傳輸時延：從發(fā)送數(shù)據(jù)第一個位算起到該數(shù)據(jù)的最后一位發(fā)送完畢所需的時間。

傳輸時延=數(shù)據(jù)長度/信息傳輸速率387、性能相關術語（10）排隊時延：指數(shù)據(jù)傳到中間設備后需要排隊等待處理所花費的時間。處理時延：指中間設備對數(shù)據(jù)處理所花費的時間。397、性能相關術語（11）例1如果網(wǎng)絡的帶寬是1Gbps，那么2.5千字節(jié)的報文（一封電子郵件）的傳播時間和傳輸時間是多少？假定發(fā)送方和接收方之間的距離是12000km，電信號的傳播速度是2.4*108m/s。解：傳播時間=12000*103/2.4*108=50ms

傳輸時間=2500*8/109=0.02ms

在這個例子中，主導因素是傳播時間而不是傳輸時間，傳輸時間可以忽略不計。407、性能相關術語（12）例2如果網(wǎng)絡的帶寬是1Mbps，那么5M字節(jié)的報文（一幅圖像）的傳播時間和傳輸時間是多少？假定發(fā)送方和接收方之間的距離是12000km，電信號的傳播速度是2.4*108m/s。解：傳播時間=12000*103/2.4*108=50ms

傳輸時間=5*1024*1024*8/106=41s

在這個例子中，主導因素是傳輸時間而不是傳播時間，傳播時間可以忽略不計。417、性能相關術語（13）碼元傳輸速率：它表示單位每秒內傳輸碼元的數(shù)目假設數(shù)據(jù)是101011000110,如果直接傳送，則每個碼元所攜帶的信息量是1bit?，F(xiàn)將信號中的每3個比特編為一個組，即101

011

000110，然后通過調幅方法進行調制，選擇8種振幅的載波進行調制，這樣原來的12個碼元的信號就轉換為由4個碼元組成的信號，101011000110=a0a1a2a3這樣，若以同樣的速率來發(fā)送碼元，則同樣時間所傳送的信息量就提高了3倍42一個二進制碼元的信息量為1bit。M進制碼元傳輸中,每個碼元包含log2Mbit的信息，因此有：7、性能相關術語（14）437、性能相關術語（15）問題：數(shù)字信道的帶寬與以hz為單位的帶寬有什么關系？奈奎斯特準則指出：頻帶寬度為B（赫茲）的無噪聲低通數(shù)字信道，所能傳輸?shù)男盘柕淖罡咝畔⑺俾士捎上率酱_定：