第一章數(shù)據(jù)通信的基本知識課件

第一章數(shù)據(jù)通信的基本知識課件課程內(nèi)容：

通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與通信技術(shù)的基本理論和基本原理，了解現(xiàn)代通信新技術(shù)的應(yīng)用，熟悉各種常用的網(wǎng)絡(luò)與通信協(xié)議，重點是TCP/IP協(xié)議。1.

謝希仁.計算機網(wǎng)絡(luò)教程.北京：人民郵電出版社，20022.

石碩編著.計算機網(wǎng)絡(luò)實驗技術(shù).北京：電子工業(yè)出版社，

2002

3.

朱艷琴，錢龍華等.計算機網(wǎng)絡(luò).北京：北京希望電子出版社，2002參考資料：考核方式：

1.44學(xué)時/3學(xué)分。

2.考查課。

3.平時成績占60%，期末考試成績（閉卷）占40%。

4.平時成績包括作業(yè)、提問、測驗、出勤情況。

5.平時成績加分因素。第1章數(shù)據(jù)通信的基本知識主要內(nèi)容：1.1數(shù)據(jù)通信的基本概念1.2數(shù)據(jù)傳輸與編碼1.3數(shù)據(jù)通信方式1.4差錯控制技術(shù)

1.1 數(shù)據(jù)通信的基本概念1.1.1通信系統(tǒng)的構(gòu)成圖1-1遠(yuǎn)程計算機之間通信

例：

將上面的計算機間傳輸文件的系統(tǒng)抽象化，就是數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)模型，如圖1-2所示。

1.1.1通信系統(tǒng)的構(gòu)成信息數(shù)據(jù)信號圖1-2通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型

1.1.1通信系統(tǒng)的構(gòu)成源系統(tǒng)一般包括以下兩部分：1.源站：輸入設(shè)備2.發(fā)送器：目的系統(tǒng)一般包括以下兩個部分：1.接收器：2.目的站：輸出設(shè)備，目的站設(shè)備從接收器獲取傳送來的信息。1.1.2信息、數(shù)據(jù)和信號1.信息不同領(lǐng)域?qū)π畔⒂懈鞣N不同的定義，一般認(rèn)為信息是人對現(xiàn)實世界事物存在方式或運動狀態(tài)的某種認(rèn)識。2.數(shù)據(jù)和信號數(shù)據(jù)(data)是運送信息的實體，而信號(signal)則是數(shù)據(jù)的電氣的或電磁的表現(xiàn)。1.1.2信息、數(shù)據(jù)和信號圖1-3信息、數(shù)據(jù)和信號

1.1.2信息、數(shù)據(jù)和信號圖1-4模擬信號和數(shù)字信號

信道(channel)是數(shù)據(jù)信號傳輸?shù)谋亟?jīng)之路，由相應(yīng)的傳輸線路和傳輸設(shè)備組成。信道的分類方法有很多:1.物理信道和邏輯信道2.有線信道和無線信道3.模擬信道和數(shù)字信道4.專用信道和公共交換信道

1.1.3信道及信道的分類1.1.4碼元和碼字及數(shù)據(jù)單元1.碼元和碼字在計算機網(wǎng)絡(luò)中傳送的每一位二進(jìn)制數(shù)字被稱為“碼元”。由7個碼元組成的二進(jìn)制序列被稱為“碼字”。2.數(shù)據(jù)包大多數(shù)計算機網(wǎng)絡(luò)都不能連續(xù)傳輸任意數(shù)量的數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)把數(shù)據(jù)分成小塊單獨發(fā)送，這種小塊稱作包(packet)。

1.1.4碼元和碼字及數(shù)據(jù)單元3.數(shù)據(jù)幀(frame)

盡管術(shù)語包指的是小數(shù)據(jù)塊的一般概念，但在確切的包格式方面沒有達(dá)成完全一致。相反，每種硬件技術(shù)都定義了能在該硬件上傳輸?shù)陌募?xì)節(jié)，并指明了包的位串是如何傳輸?shù)摹榱藥椭鷧^(qū)分包傳輸?shù)囊话愀拍钆c特定硬件技術(shù)所使用的包，我們用術(shù)語幀(frame)來定義在特定網(wǎng)絡(luò)類型中的包。

1.1.5通信系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)1.數(shù)據(jù)傳輸速率S(比特率)和波形調(diào)制速率B(波特率)(1)比特率S比特率是一種數(shù)字信號的傳輸速率，它是指在有效帶寬上，單位時間內(nèi)所傳送的二進(jìn)制代碼的有效位(bit)數(shù)。(2)波特率B波特率是一種調(diào)制速率，也稱波形速率。它是指數(shù)字信號經(jīng)過調(diào)制后的速率，即經(jīng)過調(diào)制后的模擬信號每秒鐘變化的次數(shù)。B=1/T(baud)1.1.5通信系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)

比特率與波特率之間有下列關(guān)系：S=Blog２N(b/s)注意：常在數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)變化成模擬信號傳輸時用到波特率的概念，也稱為調(diào)制速率。1.1.5通信系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)2.帶寬及與數(shù)據(jù)傳輸速率的關(guān)系帶寬是指物理信道的頻帶寬度，即信道允許傳送信號的最高頻率和最低頻率之差，單位為赫茲(Hz)。在許多資料上也借用帶寬這個詞來描述數(shù)字信道的容量，比如說某信道的帶寬為56KHz，此時和說該信道的數(shù)據(jù)為56Kbit/s含義是相同的。

注意：

任何信號都可以分解成多種不同頻率信號的和。信號的帶寬是指最高頻率與最低頻率的差，即頻率范圍。信號的帶寬應(yīng)取其主要頻率范圍。傳輸系統(tǒng)的帶寬要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于信號的帶寬。帶寬的單位為hz。數(shù)字傳輸系統(tǒng)中，帶寬用數(shù)據(jù)傳輸率表示。

那系統(tǒng)帶寬與數(shù)據(jù)傳輸率又如何的關(guān)系呢？

3.信道容量和Shannon定理

信道容量是一個極限參數(shù)，它一般是指在傳輸系統(tǒng)的給定帶寬上能夠傳輸?shù)淖畲髷?shù)據(jù)傳輸速率，信道容量C的單位是bit/s，它依賴于所傳送信號的能量和信道噪聲特性。Shannon把信道容量和帶寬聯(lián)系起來定義了著名通信定理——香農(nóng)定理：

（

（）式中S是信道中傳送的信號功率，N是信道帶寬內(nèi)總的噪聲功率，而S/N時信號和噪聲能量畢，即信噪比。W為帶寬。

香農(nóng)定理指出：(1)提高信噪比S/N能夠增加信道容量C。(2)當(dāng)噪聲功率N→0時，信道容量C→∞，既無干擾信道的容量為∞。(3)信道容量一定時，帶寬W與信噪比S/N之間可以互換，既提高信噪比與提高帶寬具有等價意義。

3.信道容量和Shannon定理4.誤碼率P(errorrate)

(1)誤碼率P定義誤碼率是衡量數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)在正常工作情況下傳輸可靠性的指標(biāo)，其定義是：二進(jìn)制碼元在傳輸系統(tǒng)中被傳錯的概率。Pe=Ne/N

Ne——其中出錯的位數(shù)；N——傳輸?shù)臄?shù)據(jù)總數(shù)。

(2)誤碼率的性質(zhì)、獲取與實用意義性質(zhì)：誤碼率是衡量數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)在正常工作情況下傳輸可靠性的指標(biāo)。獲?。涸趯嶋H數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中，人們通過對某種通信信道進(jìn)行大量重復(fù)測試，才能求出該信道的平均誤碼率。

4.誤碼率P(errorrate)1.2.1數(shù)據(jù)傳輸

1.2數(shù)據(jù)傳輸與編碼

數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)數(shù)字信號模擬數(shù)據(jù)模擬信號1.2.2基帶傳輸與信號編碼使用數(shù)字信號傳輸數(shù)據(jù)時，數(shù)字信號幾乎要占有整個頻帶，也就是終端設(shè)備把數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成脈沖電信號時，這個原始的電信號所固有的頻帶，稱為基本頻帶，簡稱基帶。在信道中直接傳送基帶信號(未作處理的原始信號)時，稱為基帶傳輸。基帶傳輸也就是把數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)變成數(shù)字信號傳輸。1.2.2基帶傳輸與信號編碼在基帶傳輸中，常采用以下3種編碼方法。如下圖所示。

1.2.2基帶傳輸與信號編碼1.不歸零NRZ編碼(Non-ReturntoZero)編碼規(guī)則：使用負(fù)電壓表示0，正電壓表示1。優(yōu)點：簡單、容易實現(xiàn)。缺點：難以確定一位的結(jié)束和另一位的開始，并且當(dāng)出現(xiàn)一長串連續(xù)的1或連續(xù)的0時，在接收端無法從收到的比特流中提取同步信號。所以為保證收發(fā)雙方同步，必須在發(fā)送NRZ碼的同時，用另一個信道同時發(fā)送同步時鐘信號。應(yīng)用：計算機串口與調(diào)制解調(diào)器之間使用的就是基帶傳輸中的不歸零編碼技術(shù)。

1.2.2基帶傳輸與信號編碼2.曼徹斯特編碼(Manchester)編碼規(guī)則：將每個碼元再分成兩個相等的間隔，在固定的每位中間變換電位。即1是由低至高電平轉(zhuǎn)換，其前半個碼元的電平為低電平，后半個碼元的電平為高電平。0正好相反，從高電平到低電平轉(zhuǎn)換，即其前半個碼元為高電平，后半個碼元為低電平。優(yōu)點：可以保證在每一個碼元的正中間出現(xiàn)一次電平的轉(zhuǎn)換，同時由每位中間調(diào)變提供了同步時鐘定時，這對接收端提取同步信號非常有利，是一種“自含時鐘”的編碼方式。缺點：效率較低。3.差分曼徹斯特編碼(DifferentialManchester)編碼規(guī)則：它與曼徹斯特編碼有個共同點，即在每一個碼元的位中間有一次電平的變換，1表示前半個碼元的電平與上一個碼元的后半個碼元的電平一致；0則為其前半個碼元的電平與上一個碼元的后半個碼元的電平相反，即用每位開始時有無電平的跳變來表示0或1

的編碼。優(yōu)點：是“自含時鐘”的編碼方式，可獲得較好的抗干擾性能。缺點：實現(xiàn)技術(shù)復(fù)雜。1.2.2基帶傳輸與信號編碼1.利用模擬信道實現(xiàn)數(shù)字信號傳輸?shù)姆椒ǚQ為頻帶傳輸。2.在發(fā)送端將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號的過程稱為“調(diào)制”，相應(yīng)的設(shè)備稱為“調(diào)制器”。在接收端將模擬信號還原成數(shù)字信號的過程稱為“解調(diào)”，相應(yīng)的設(shè)備稱為“解調(diào)器”。同時具備調(diào)制和解調(diào)功能的設(shè)備稱為“調(diào)制解調(diào)器”。

也就是把數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)變成模擬信號傳輸。1.2.3頻帶傳輸與調(diào)制1.振幅調(diào)制(amplitudemodulation)振幅調(diào)制又叫振幅鍵控(AmplitudeShiftKeying-ASK)它的調(diào)制方法是保持角頻率ω和相位φ不變，而只改變振幅A。當(dāng)傳輸?shù)幕鶐盘枮?時，振幅調(diào)制信號對應(yīng)于某個振幅值A(chǔ)；當(dāng)傳輸?shù)幕鶐盘枮?時，振幅調(diào)制信號的振幅為0。對應(yīng)于基帶信號0和1，在振幅調(diào)制中，相應(yīng)的載波信號可以表示為：U(t)=Asin(ωt+φ)數(shù)字“1”U(t)=0sin(ωt+φ)=0數(shù)字“0”波形圖如下圖所示。

1.2.3頻帶傳輸與調(diào)制2.頻率調(diào)制(FrequencyShiftKeying-FSK)頻率調(diào)制也叫頻率鍵控，它使用數(shù)字基帶信號控制載波信號的頻率。在頻率調(diào)制中，振幅和相位保持不變，角頻率隨基帶信號而改變，對應(yīng)于數(shù)字1，角頻率為ω1

，對應(yīng)于數(shù)字0，角頻率為ω2。相應(yīng)的頻率調(diào)制信號可以表示為：U(t)=Asin(ω1t+φ)數(shù)字“1”

U(t)=Asin(ω2t+φ)數(shù)字“0”波形圖如下圖所示。

1.2.3頻帶傳輸與調(diào)制1.2.3頻帶傳輸與調(diào)制3.相位調(diào)制((PhaseShiftKeying-PSK)相位調(diào)制也叫相位鍵控，在相位調(diào)制中，振幅A和頻率ω保持不變，初始相位為變量。相位調(diào)制又可分為絕對相位調(diào)制和相對相位調(diào)制。(1)絕對相位調(diào)制在絕對相位調(diào)制中，用相位的絕對值表示數(shù)字信號“0”、“1”。例如用初始相位為0表示數(shù)字“1”，初始相位為π表示數(shù)字“0”，相應(yīng)的調(diào)制信號可以表達(dá)為：U(t)=Asin(ωt+0)數(shù)字“1”U(t)=Asin(ωt+π)數(shù)字“0”波形圖如下圖所示。(2)相對相位調(diào)制在相對相位調(diào)制中，用當(dāng)前波形的初始相位相對于前一個波形的初始相位的偏移值來表示數(shù)字信號“0”、“1”。例如，用當(dāng)前波形的初始相位相對于前一個波形的初始相位的偏移值為0表示數(shù)字信號“0”；偏移值為π表示數(shù)字信號“1”。其對應(yīng)的相對相位調(diào)制波形圖如下圖所示。1.2.3頻帶傳輸與調(diào)制模擬信號編碼方法

補充1.模擬數(shù)據(jù)變成數(shù)字信號傳輸:

常用方法如PCM技術(shù)（脈沖編碼調(diào)制）（1）PCM技術(shù)分為三過程：采樣：每隔一段時間對信號進(jìn)行取樣量化：對信號取整并分級編碼：用若干位二進(jìn)制數(shù)表示量化級別待傳序列：0010011101……補充注意：采樣定理。f采＞＝2*信號的最高次頻率或

f采＞＝2*信道帶寬例題：某信道帶寬為4kHZ，傳輸模擬數(shù)據(jù)。采用128級量化，問編碼后的數(shù)據(jù)傳輸率為多少？解：每采樣一次得到7bit

8k*7bit=56kbps2.模擬數(shù)據(jù)變成模擬信號傳輸:

使傳輸更有效：AM、FM

例如：把慢速的模擬信號疊加在快速的載波（正弦波）上。

1.3數(shù)據(jù)通信方式1.3.1串行與并行通信1.并行通信并行通信中，一般有8個數(shù)據(jù)位同時在兩臺設(shè)備之間傳輸，如下圖所示。圖中，發(fā)送端和接收端有8條數(shù)據(jù)線相連，發(fā)送端同時發(fā)送8個數(shù)據(jù)位，接收端同時接收8個數(shù)據(jù)位，其中1位可以作為校驗位。典型的并行通信的例子是計算機和并行打印機之間的通信。

組成數(shù)據(jù)的各位被同時發(fā)送。

圖

并行數(shù)據(jù)傳輸1.3數(shù)據(jù)通信方式1.3.1串行與并行通信2.串行通信在串行通信中，收發(fā)端一次只能發(fā)送或接收1個數(shù)據(jù)位，數(shù)據(jù)位依次串行的通過通信線路。

發(fā)送器接收器并串轉(zhuǎn)換串并轉(zhuǎn)換圖串行數(shù)據(jù)傳輸1.3.2同步與異步通信1.同步通信(1)什么是同步通信？在通信中，接收端要按發(fā)送端所發(fā)送的每個碼元或數(shù)據(jù)塊的時鐘頻率以及起止時間來接收數(shù)據(jù)，這樣才能保證接收的數(shù)據(jù)與發(fā)送的數(shù)據(jù)一致，這就是所謂的“同步”。在通信時，接收端要校準(zhǔn)自己的時間基準(zhǔn)和時鐘頻率，以便和發(fā)送端保持一致，這一過程稱為“同步過程”。首先是位同步，然后是字符同步，進(jìn)而是幀（多個字符組成）同步。

1.位同步：

1.3.2同步與異步通信首先是位同步，然后是字符同步，進(jìn)而是幀（多個字符組成）同步。

1.位同步：(1)

自同步法和外同步法接收方收到數(shù)據(jù)后必須首先識別同步時鐘，在近距離傳輸中可另加一條數(shù)據(jù)線來實現(xiàn)同步，即除數(shù)據(jù)傳輸線外，還需要專門的時鐘傳輸線，這種方法被稱為“外同步”。在遠(yuǎn)距離傳輸過程中必須加入時鐘同步信號來解決同步問題，即從數(shù)據(jù)信息波形本身提取同步信號，也稱之為“自同步法”。

(2)

自同步傳輸?shù)奶攸c同步傳輸有較高的傳輸效率，但實現(xiàn)起來較復(fù)雜，常用于高速傳輸中。1.3.2同步與異步通信1.3.2同步與異步通信

2.字符同步：異步通信與同步通信(1)什么是異步通信？所謂的異步同信指的是這樣的一種傳輸方式：每個字符都獨立傳輸(字符/次)，在每個字符前加上起始位，在它的后面加上結(jié)束位，以這種方式來確定一個字節(jié)的開始和結(jié)束，如下圖所示。

圖異步傳輸方式(2)異步傳輸?shù)奶攸c字符與字符之間出現(xiàn)的時間間隔是任意的。一是每一個字符都要加上輔助位造成傳輸效率降低；二是由于收發(fā)雙方的時鐘差異決定了這種方式傳輸速率不能太高，常用在低速傳輸中。例如：傳送8位數(shù)據(jù)位，1位起始位，1位停止位。傳輸效率為8/10=80%。1.3.2同步與異步通信(3)同步通信的特點先發(fā)1-2個同步字符，使發(fā)送、接收雙方保持時鐘同步后，然后再發(fā)送數(shù)據(jù)位，而且只發(fā)送數(shù)據(jù)位。

適合大量數(shù)據(jù)傳輸。例如：傳送200個字符，每個字符8位，發(fā)送2個同步字符，每個同步字符7位，則采用同步通信的傳輸效率為

（200*8）/（200*8+2*7）=99.13%。又例：而對于異步通信（1位起始位與1位停止位）：（200*8）/（200*10）=80%1.3.2同步與異步通信單工通信單工通信指的是數(shù)據(jù)流只向一個方向傳遞，發(fā)送方只負(fù)責(zé)發(fā)送，接收方只負(fù)責(zé)接收，如下圖所示。典型的例子如電視機或發(fā)報機。2.雙工通信雙工通信分為兩種：一種稱為全雙工通信：雙向同時。另一種稱為半雙工通信:雙向不同時。注意：單工、半雙工和全雙工通常是指串行通信的。1.3.3數(shù)據(jù)通信的方向1.3.3數(shù)據(jù)通信的方向圖數(shù)據(jù)通信的方向

1.4 差錯控制技術(shù)信號在物理信道傳輸過程中由于各種因素的影響，都會造成信號的失真，致使傳輸存在差錯。概括地說，傳輸中的差錯都是由于噪聲所引起的，信號在傳輸過程中受到的噪聲干擾有兩種：熱噪聲（不可避免）和沖擊噪聲。為減少傳輸差錯，提高傳輸質(zhì)量，可以采取以下措施：1)改善通信線路的質(zhì)量，降低誤碼率；2)采用差錯控制技術(shù)檢測錯誤，糾正錯誤，把差錯限制在盡可能小的允許范圍內(nèi)。

1.反饋重發(fā)技術(shù)首先在發(fā)送端將信息進(jìn)行檢錯編碼，然后將檢錯碼經(jīng)信道發(fā)送至接收端。接收端譯碼后判斷是否有錯，若有錯，要求發(fā)送端重傳，直至傳送正確；若無錯，則發(fā)送無錯確認(rèn)信號給發(fā)送端。

1.4 差錯控制技術(shù)1.4 差錯控制技術(shù)2.前向糾錯技術(shù)首先在發(fā)送端將信息進(jìn)行糾錯編碼，然后將糾錯碼經(jīng)信道發(fā)送至接收端，接收端譯碼后若發(fā)現(xiàn)錯誤則自動糾正錯誤，而不需要重傳信息，但是該方法比較復(fù)雜，實現(xiàn)比較困難。

奇偶校驗分為垂直奇偶、水平奇偶、垂直水平奇偶校驗。VRC是將數(shù)據(jù)分組，每一組數(shù)據(jù)后附加一個校驗位，使得該組數(shù)據(jù)(包括校驗位)中1的個數(shù)為偶數(shù)(偶校驗)或奇數(shù)(奇校驗)。

也可以說垂直奇偶校驗是在一個字符內(nèi)部進(jìn)行校驗。水平奇偶校驗是針對不同字符的相同位進(jìn)行校驗。1.4.1奇偶校驗

1.4.1奇偶校驗采用垂直奇校驗時的情況如下表：能查出奇數(shù)位出錯。方塊校驗也稱水平垂直冗余校驗LRC。這