數(shù)據(jù)通信技術(shù)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(duì)象。消息的形式是多樣的，它包括數(shù)字、文字、語(yǔ)音、圖像、視頻等。也就是說(shuō)，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(shí)間上連續(xù)變化的消息。如由人發(fā)出的聲波語(yǔ)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(dá)的、不連續(xù)變化的消息。例如由鍵盤打出來(lái)的字母、由文字或數(shù)字記錄的各種量值和內(nèi)容、工業(yè)過(guò)程控制中的開(kāi)關(guān)量等。22、信息信息是消息中所包含的內(nèi)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(lái)新的知識(shí)的話，那么這種消息所包含的信息實(shí)際等于0。33、數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)是指以二進(jìn)制或多進(jìn)制代碼形式表示的各種消息，無(wú)論原始消息是什么形式（文字、聲音、圖像等），只要經(jīng)過(guò)處理后變成二進(jìn)制或多進(jìn)制序列，就可認(rèn)為是數(shù)據(jù)。44、信號(hào)（1）4.1信號(hào)的基本概念信號(hào)是為了消息的傳播而用來(lái)表達(dá)消息的一種載體（一種隨時(shí)間變化的波形）。電（光）通信中，消息的自然形式必須被轉(zhuǎn)換成電（光）信號(hào)形式才能進(jìn)行傳遞和識(shí)別。平常用的最多的是電信號(hào)。所謂電信號(hào)一般是指隨時(shí)間變化的電流或電壓。54、信號(hào)（2）4.2模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)信號(hào)可分為模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)。模擬信號(hào)也叫連續(xù)信號(hào)，它是時(shí)間的函數(shù)，對(duì)于任意時(shí)間點(diǎn)都可給出確定的函數(shù)值。數(shù)字信號(hào)也叫離散信號(hào)，離散信號(hào)在時(shí)間上是離散的，代表離散信號(hào)的時(shí)間函數(shù)只在某些不連續(xù)的時(shí)間點(diǎn)上給定函數(shù)值，在其他時(shí)間沒(méi)有意義。64、信號(hào)（3）74、信號(hào)（4）84、信號(hào)（5）聲音轉(zhuǎn)成電信號(hào)（碳粒電話原理）話筒內(nèi)有一堆碳粉，碳粉內(nèi)埋一導(dǎo)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(nèi)的振膜，導(dǎo)致振膜振動(dòng)，聲音越大，聲波的振幅越大，振膜振動(dòng)的幅度也就越大，由此轉(zhuǎn)成了強(qiáng)弱不同的電流（振膜對(duì)碳粒造成忽緊忽松的壓力引起其電阻的變化，從而導(dǎo)致電流發(fā)生變化）。電信號(hào)傳到對(duì)方聽(tīng)筒，聽(tīng)筒內(nèi)有一電磁鐵隨電流大小而磁性不同，它對(duì)埋有金屬絲的薄膜時(shí)吸時(shí)放，薄膜便發(fā)出了人說(shuō)話的聲音。94、信號(hào)（6）4.3周期信號(hào)和非周期信號(hào)不管是連續(xù)信號(hào)還是離散信號(hào)，若相同的信號(hào)形式能周期性地重復(fù)則稱為周期信號(hào)。用時(shí)間函數(shù)表示的周期信號(hào)滿足：

s(t+T)=s(t)，T為信號(hào)的周期。非周期信號(hào)如不滿足s(t+T)=s(t)則該信號(hào)為非周期信號(hào)。104、信號(hào)（7）114、信號(hào)（8）4.4模擬信號(hào)為什么需要數(shù)字化？模擬信號(hào)在傳輸過(guò)程中，由于受到外界干擾，總能量會(huì)損失慘重，那么信號(hào)本身也會(huì)發(fā)生畸變和衰減，所以模擬傳輸時(shí)，每隔一定距離就要通過(guò)放大器來(lái)放大信號(hào)的強(qiáng)度，但與此同時(shí)，由噪聲引起的信號(hào)失真也隨之放大。124、信號(hào)（9）4.4模擬信號(hào)為什么需要數(shù)字化？數(shù)字信號(hào)在傳輸過(guò)程中只有兩種狀態(tài)：高電壓和低電壓，高于某個(gè)值（A1）的電壓就是1，低于某個(gè)值（A2）的電壓就是0，而A1與A2之間還有較大的差值。信號(hào)依然會(huì)發(fā)生衰減和畸變。在傳輸一段距離之后，加入一個(gè)再生器，只要和A1、A2進(jìn)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(hào)并傳送下去。重新產(chǎn)生的新的電信號(hào)消除了前一段電路對(duì)信號(hào)的影響，這樣多級(jí)的再生不會(huì)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(hào)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?hào)，二是把原始的電信號(hào)轉(zhuǎn)成適合信道傳輸?shù)男盘?hào)；同時(shí)兩種變換在收端都要經(jīng)過(guò)反變換。信源調(diào)制器信宿噪聲信道解調(diào)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(diào)制器信宿噪聲信道解調(diào)器差錯(cuò)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(hào)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(cuò)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(diǎn)優(yōu)點(diǎn)抗噪聲性能好:信號(hào)的取值只有兩個(gè),容易判別和處理。差錯(cuò)可控:通信中出現(xiàn)的差錯(cuò)可通過(guò)糾錯(cuò)編碼技術(shù)來(lái)控制。保密性好:與模擬信號(hào)相比更容易加密和解密。易于與現(xiàn)代技術(shù)相結(jié)合。缺點(diǎn)頻帶利用率不高，數(shù)字信號(hào)占用的頻帶寬。需要嚴(yán)格的同步系統(tǒng)，故設(shè)備復(fù)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(hào)具體如何在通信設(shè)備間進(jìn)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(shí)間的關(guān)系分為：?jiǎn)喂ぁ腚p工、全雙工傳輸根據(jù)在接收端獲取同步信號(hào)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(gè)數(shù)據(jù)位同時(shí)在多條通道上傳輸，并且每個(gè)位都占用一條專用的傳輸通道；(2)用于短距離設(shè)備間的通訊設(shè)備內(nèi)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(yuǎn)距離設(shè)備間的通訊，但傳輸速率較慢。206、通信方式的分類（5）計(jì)算機(jī)內(nèi)部是并行傳輸，要在網(wǎng)絡(luò)上傳輸，需要轉(zhuǎn)成串行傳輸。由網(wǎng)卡的發(fā)送移位寄存器完成并/串轉(zhuǎn)換。信號(hào)發(fā)送到對(duì)方計(jì)算機(jī)后，由網(wǎng)卡的接收移位寄存器完成串/并轉(zhuǎn)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(shí)間的關(guān)系，通信可分為三種方式：?jiǎn)喂?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(gè)方向上傳輸，任何時(shí)間不能進(jìn)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(gè)方向上傳輸，但在某一時(shí)刻數(shù)據(jù)只允許在一個(gè)方向傳輸(分時(shí)傳輸)。如對(duì)講機(jī)。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(shí)在兩個(gè)方向上傳輸，稱為全雙工。特點(diǎn):提高傳輸速率，但增加一條傳輸通道。電話系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)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(guò)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(shí)鐘脈沖的控制。發(fā)送端通過(guò)發(fā)送時(shí)鐘確定數(shù)據(jù)位的起始和結(jié)束。而接收端為了能正確識(shí)別數(shù)據(jù)，則需要以適當(dāng)?shù)臅r(shí)間間隔在適當(dāng)?shù)臅r(shí)刻對(duì)數(shù)據(jù)流進(jìn)行采樣。也就是說(shuō)，接收方必須和發(fā)送方保持步調(diào)一致，否則會(huì)出現(xiàn)漂移現(xiàn)象，最終使數(shù)據(jù)傳輸出現(xiàn)差錯(cuò)。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(gè)字符）為傳輸單位。為使接收雙方能判別數(shù)據(jù)塊的開(kāi)始和結(jié)束，需要在每個(gè)數(shù)據(jù)塊的開(kāi)始處和結(jié)束處各加一個(gè)幀頭和一個(gè)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(shí)鐘信號(hào)，信息傳輸?shù)碾p方用同一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)確定傳輸過(guò)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(gè)字符。每個(gè)字符用起始位引導(dǎo)、停止位結(jié)束。在沒(méi)有數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，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(lái)判斷一個(gè)新字符的開(kāi)始，然后接收字符中的所有位。異步傳輸方式的每一個(gè)字符的發(fā)送都是獨(dú)立和隨機(jī)的，以不均勻的速率傳輸，傳輸方式簡(jiǎn)單，但需要額外附加代價(jià)。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(jiǎn)單，除了收、發(fā)信道外，不需要另外的信道傳送定時(shí)同步信號(hào)，也不需要從收到的信號(hào)中提取定時(shí)信號(hào)，但每個(gè)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(shè)備。在傳輸率相同時(shí)，同步通信方式下的信息有效率要比異步方式下的高，因?yàn)橥椒绞较碌姆菙?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(jì)算機(jī)與鍵盤之間的通信就是異步方式。計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)之間的通信是同步方式。297、性能相關(guān)術(shù)語(yǔ)（1）帶寬帶寬是衡量信道通信能力的大小的指標(biāo)信號(hào)帶寬：指信號(hào)所占據(jù)的頻帶寬度。信道帶寬：對(duì)于模擬信道，指能有效通過(guò)該信道的信號(hào)的最大頻帶寬度。（單位是Hz或赫茲）對(duì)于數(shù)字信道，指單位時(shí)間內(nèi)信道能夠通過(guò)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(guān)術(shù)語(yǔ)（2）從時(shí)域上分析，信號(hào)是時(shí)間的函數(shù)，可以清楚地看出信號(hào)隨時(shí)間變化的規(guī)律。例如正弦信號(hào)：正弦信號(hào)可以用三角正弦函數(shù)來(lái)表示。t317、性能相關(guān)術(shù)語(yǔ)（3）A表示最大振幅（強(qiáng)度）。為角頻率。表示為，T是這個(gè)信號(hào)的周期。如果頻率用表示，則也可以表示為。為信號(hào)的初始相位，即是在初始時(shí)刻的相位。327、性能相關(guān)術(shù)語(yǔ)（4）根據(jù)傅立葉分析原理，任何信號(hào)都可由不同頻率成分的正弦波組合而成。例如信號(hào)s(t)可以由以下頻率成分的正弦信號(hào)組合而成。tt337、性能相關(guān)術(shù)語(yǔ)（5）信號(hào)的帶寬，即是信號(hào)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(hào)s(f)的帶寬為5f0

–f0=4f0例如：模擬語(yǔ)音信號(hào)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(guān)術(shù)語(yǔ)（6）模擬信道帶寬：信道可以不失真地傳輸信號(hào)的頻率范圍，即信道能夠傳輸?shù)男盘?hào)的最高頻率和最低頻率的差值。信道帶寬若小于被傳送的信號(hào)的帶寬，傳送的信號(hào)就會(huì)出現(xiàn)失真。357、性能相關(guān)術(shù)語(yǔ)（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(shí)間內(nèi)信道上最大能通過(guò)的數(shù)據(jù)量，也就是每秒能傳送的二進(jìn)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(guān)術(shù)語(yǔ)（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(jiǎn)稱傳碼率，又稱符號(hào)速率、信號(hào)速率、調(diào)制速率等。它表示每秒內(nèi)傳輸碼元的數(shù)目，或者是每秒內(nèi)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(jiǎn)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(hào)“bit/s”表示377、性能相關(guān)術(shù)語(yǔ)（9）時(shí)延：定義了數(shù)據(jù)第一個(gè)位從源端開(kāi)始發(fā)出到整個(gè)數(shù)據(jù)完全到達(dá)目標(biāo)所經(jīng)歷的時(shí)間。時(shí)延由四個(gè)部分組成：傳播時(shí)延、傳輸時(shí)延、排隊(duì)時(shí)延和處理時(shí)延。

時(shí)延=傳播時(shí)延+傳輸時(shí)延+排隊(duì)時(shí)延+處理時(shí)延傳播時(shí)延：一個(gè)位從源端傳輸?shù)侥繕?biāo)所需的時(shí)間。

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

傳輸時(shí)延=數(shù)據(jù)長(zhǎng)度/信息傳輸速率387、性能相關(guān)術(shù)語(yǔ)（10）排隊(duì)時(shí)延：指數(shù)據(jù)傳到中間設(shè)備后需要排隊(duì)等待處理所花費(fèi)的時(shí)間。處理時(shí)延：指中間設(shè)備對(duì)數(shù)據(jù)處理所花費(fèi)的時(shí)間。397、性能相關(guān)術(shù)語(yǔ)（11）例1如果網(wǎng)絡(luò)的帶寬是1Gbps，那么2.5千字節(jié)的報(bào)文（一封電子郵件）的傳播時(shí)間和傳輸時(shí)間是多少？假定發(fā)送方和接收方之間的距離是12000km，電信號(hào)的傳播速度是2.4*108m/s。解：傳播時(shí)間=12000*103/2.4*108=50ms

傳輸時(shí)間=2500*8/109=0.02ms

在這個(gè)例子中，主導(dǎo)因素是傳播時(shí)間而不是傳輸時(shí)間，傳輸時(shí)間可以忽略不計(jì)。407、性能相關(guān)術(shù)語(yǔ)（12）例2如果網(wǎng)絡(luò)的帶寬是1Mbps，那么5M字節(jié)的報(bào)文（一幅圖像）的傳播時(shí)間和傳輸時(shí)間是多少？假定發(fā)送方和接收方之間的距離是12000km，電信號(hào)的傳播速度是2.4*108m/s。解：傳播時(shí)間=12000*103/2.4*108=50ms

傳輸時(shí)間=5*1024*1024*8/106=41s

在這個(gè)例子中，主導(dǎo)因素是傳輸時(shí)間而不是傳播時(shí)間，傳播時(shí)間可以忽略不計(jì)。417、性能相關(guān)術(shù)語(yǔ)（13）碼元傳輸速率：它表示單位每秒內(nèi)傳輸碼元的數(shù)目假設(shè)數(shù)據(jù)是101011000110,如果直接傳送，則每個(gè)碼元所攜帶的信息量是1bit。現(xiàn)將信號(hào)中的每3個(gè)比特編為一個(gè)組，即101

011

000110，然后通過(guò)調(diào)幅方法進(jìn)行調(diào)制，選擇8種振幅的載波進(jìn)行調(diào)制，這樣原來(lái)的12個(gè)碼元的信號(hào)就轉(zhuǎn)換為由4個(gè)碼元組成的信號(hào)，101011000110=a0a1a2a3這樣，若以同樣的速率來(lái)發(fā)送碼元，則同樣時(shí)間所傳送的信息量就提高了3倍42一個(gè)二進(jìn)制碼元的信息量為1bit。M進(jìn)制碼元傳輸中,每個(gè)碼元包含log2Mbit的信息，因此有：7、性能相關(guān)術(shù)語(yǔ)（14）437、性能相關(guān)術(shù)語(yǔ)（15）問(wèn)題：數(shù)字信道的帶寬與以hz為單位的帶寬有什么關(guān)系？奈奎斯特準(zhǔn)則指出：頻帶寬度為B（赫茲）的無(wú)噪聲低通數(shù)字信道，所能傳輸?shù)男盘?hào)的最高信息速率可由下式確定：