《大學信息技術基礎與應用Win10+Office 2016》教案 第5課 了解信息的“翅膀”-數(shù)據(jù)通信技術

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課題第5課了解信息的“翅膀”——數(shù)據(jù)通信技術課時2課時（90min）教學目標知識技能目標：（1）掌握數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的組成和主要技術指標（2）了解數(shù)據(jù)通信方式和數(shù)據(jù)交換技術（3）掌握產(chǎn)生差錯的原因及差錯控制技術素質目標：探究科技前沿知識，緊跟時代發(fā)展步伐教學重難點教學重點：數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的組成和主要技術指標教學難點：產(chǎn)生差錯的原因及差錯控制技術教學方法案例分析法、問答法、討論法、講授法教學用具電腦、投影儀、多媒體課件、教材、文旌課堂APP教學設計第1節(jié)課：→→傳授新知（28min）→第2節(jié)課：→傳授新知（25min）→課堂實踐（12min）→課堂小結（3min）→作業(yè)布置（2min）教學過程主要教學內容及步驟設計意圖第一節(jié)課考勤

（2min）【教師】使用文旌課堂APP進行簽到【學生】班干部報請假人員及原因培養(yǎng)學生的組織紀律性，掌握學生的出勤情況情境導入（5min）【教師】講述“情景引入”的相關內容（詳見教材），并隨機邀請學生回答以下問題：你知道哪些關于數(shù)據(jù)通信技術的知識？【學生】思考、舉手回答通過問題導入的方法，引導學生主動思考，激發(fā)學生的學習興趣傳授新知

（28min）【教師】通過大家的發(fā)言，引入新的知識點，講解數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)和數(shù)據(jù)通信方式的相關知識一、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)1．數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的組成?【教師】多媒體展示“數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)模型”圖片（詳見教材），講解數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的組成數(shù)據(jù)通信是指在兩臺計算機或終端之間以二進制的形式進行信息交換和數(shù)據(jù)傳輸，它是通信技術和計算機技術相結合而產(chǎn)生的一種新的通信方式。一個完整的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)一般由信源、信號變換器、信道、信宿等構成。1）信號?【教師】提出以下問題：什么是信號？信號一般分為哪些類型？?【學生】聆聽、思考、回答問題?【教師】總結學生的回答，并講解信號信號是攜帶信息的介質，是數(shù)據(jù)的一種電磁編碼。信號一般以時間為自變量，以表示信息（或數(shù)據(jù)）的某個參量（振幅、頻率或相位）為因變量。信號按其因變量的取值是否連續(xù)可分為模擬信號和數(shù)字信號。（1）模擬信號。模擬信號是指信號的因變量完全隨連續(xù)消息的變化而變化的信號，其因變量一定是連續(xù)的，如電視圖像信號、語音信號、溫度傳感器的輸出信號。（2）數(shù)字信號。數(shù)字信號是指表示消息的自變量和因變量都是離散取值的信號。數(shù)字信號的因變量的狀態(tài)是有限的。?【教師】提出以下問題：模擬信號和數(shù)字信號之間有著什么樣的關系？?【學生】聆聽、思考、回答問題?【教師】總結學生的回答雖然模擬信號與數(shù)字信號有著明顯的差別，但它們在一定條件下是可以相互轉化的。模擬信號可以通過采樣、量化、編碼等步驟變換為數(shù)字信號，而數(shù)字信號也可以通過解碼、平滑等步驟變換為模擬信號。2）信源和信宿信源就是信息的產(chǎn)生和發(fā)送端，是發(fā)出待傳送信息的人或設備。信宿就是信息的接收端，是接收所傳送信息的人或設備。大部分信源和信宿設備都是計算機或其他數(shù)據(jù)終端設備（dataterminalequipment，DTE）。3）信道信道是傳輸信號的一條通路，由傳輸線路和傳輸設備組成。同一個傳輸介質上可以同時存在多條信號通路，即一條傳輸線路上可以有多個信道。信道類型是由所傳輸?shù)男盘枦Q定的，用來傳輸模擬信號的信道稱為模擬信道，用來傳輸數(shù)字信號的信道稱為數(shù)字信道。4）信號變換器?【教師】提出以下問題：信號變換器的作用是什么？?【學生】聆聽、思考、回答問題?【教師】總結學生的回答，并講解信號交換器的作用信號變換器的作用是將信源發(fā)出的數(shù)據(jù)變換成適合在信道上傳輸?shù)男盘枺驅⑿诺郎蟼鱽淼男盘栕儞Q成可供信宿接收的數(shù)據(jù)。發(fā)送端的信號變換器可以是編碼器或調制器，接收端的信號變換器相對應的就是譯碼器或解調器。5）噪聲信號在傳輸過程中受到的干擾稱為噪聲。?【教師】提出以下問題：噪音有哪些來源？?【學生】聆聽、思考、回答問題?【教師】總結學生的回答，并講解噪聲的相關知識噪聲可能來自外部，也可能是由信號傳輸過程本身產(chǎn)生的。噪聲雖然不算嚴格意義上的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)組成部分，但噪聲過大將影響傳輸信號的真實性或正確性。2．數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的主要技術指標?【教師】提出以下問題：數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)包括哪些技術指標？?【學生】聆聽、思考、回答問題?【教師】總結學生的回答，并講解數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的技術指標1）信道帶寬信道帶寬是指信道中傳輸?shù)男盘栐诓皇д娴那闆r下所占用的頻率范圍，即傳輸信號的最高頻率與最低頻率之差。2）波特率波特率又稱為波形速率或調制速率，是指數(shù)據(jù)傳輸過程中線路上每秒鐘傳送的波形個數(shù)，其單位是波特（記作baud）。3）比特率比特率又稱為數(shù)據(jù)傳輸速率，是指數(shù)字信號的傳輸速率，用每秒鐘所傳輸?shù)亩M制代碼的有效位數(shù)表示，單位為比特/秒（記作b/s或bps）。4）誤碼率誤碼率是指二進制代碼在數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中被傳錯的比率。5）信道的傳播延遲信號在信道中傳輸時，從信源到信宿需要一定的時間，這個時間叫作傳播延遲（又稱時延）。6）信噪比在信道中，信號功率與噪聲功率的比值稱為信噪比?！ㄔ斠娊滩模┒?、數(shù)據(jù)通信方式1．并行通信與串行通信（1）并行通信。在計算機中，通常使用8個字節(jié)來表示一個字符。在進行近距離通信時，為了獲得較高的效率，常采用并行通信方式，即數(shù)據(jù)的每一個二進制數(shù)據(jù)位各占一條信號線，通過幾條并行的信道同時傳輸。（2）串行通信。串行通信指的是數(shù)據(jù)的若干位按順序一位一位依次進行傳輸，從發(fā)送端到接收端只需一條傳輸信道即可。因此，采取串行通信時的通信效率與并行通信相比要低得多?！ㄔ斠娊滩模?．單工、半雙工和全雙工通信（1）單工通信。在單工通信中，信號固定地從發(fā)送端傳送到接收端，即信息流僅沿一個方向流動。（2）半雙工通信。在半雙工通信中，信號可雙向傳送，但不能同時在兩個方向上進行傳送。（3）全雙工通信。在全雙工通信中，同一時刻通信雙方可以在兩個方向上傳輸數(shù)據(jù)信號，它相當于把兩個相反方向的單工通信方式組合起來?！ㄔ斠娊滩模緦W生】聆聽、思考、理解、記錄通過教師講解和課堂討論等方式，使學生了解數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的組成和主要技術指標，以及數(shù)據(jù)通信方式等相關內容課堂討論（10min）【教師】組織學生以小組為單位討論以下問題：查找資料，結合生活實際說一說日常用到的通信都涉及到哪種數(shù)據(jù)通信方式?！緦W生】聆聽、思考、小組討論、由小組派代表上臺發(fā)表討論結果【教師】和學生一起評價各組的發(fā)言，并進行總結通過討論活動，鞏固課上所學知識，加深學生對數(shù)據(jù)通信方式的認識和理解第二節(jié)課互動導入（3min）【教師】提出問題：你知道在網(wǎng)絡中，數(shù)據(jù)是如何進行交換的嗎？【學生】思考、舉手回答通過互動導入的方法，引導學生主動思考，激發(fā)學生的學習興趣傳授新知

（25min）【教師】通過學生的回答引入新知，講解數(shù)據(jù)交換技術和差錯控制技術的相關知識三、數(shù)據(jù)交換技術在實際網(wǎng)絡中，節(jié)點通常采用部分連接的方式，不相鄰節(jié)點之間的通信只能通過中轉節(jié)點的轉接來實現(xiàn)。這些中轉節(jié)點稱為交換節(jié)點。數(shù)據(jù)交換技術就是用來解決如何通過交換節(jié)點實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換問題的。1．電路交換?【教師】提出以下問題：電話系統(tǒng)用到的是什么交換方式？?【學生】聆聽、思考、回答問題?【教師】總結學生的回答，并講解電路交換技術在電話系統(tǒng)中，當用戶進行撥號時，電話系統(tǒng)中的交換機在呼叫者的電話與接收者的電話之間建立了一條實際的物理線路，通話便建立起來；此后兩端的電話一直使用該專用線路，直到通話結束才能拆除該線路。電話系統(tǒng)中用到的這種交換方式稱為電路交換（circuitswitching）。?【教師】提出以下問題：電路交換方式有哪些優(yōu)缺點？?【學生】聆聽、思考、回答問題?【教師】總結學生的回答電路交換技術的通信過程包括線路建立、數(shù)據(jù)傳輸和線路釋放3個過程，常常需要10秒甚至更長的時間。對于許多應用（如商店信用卡確認）來說，過長的電路建立時間是不合適的。另外，在電路交換系統(tǒng)中，物理線路的帶寬是預先分配好的。對于已經(jīng)預先分配好的線路，即使通信雙方都沒有數(shù)據(jù)要交換，線路帶寬也不能為其他用戶所使用，從而造成帶寬的浪費。雖然電路交換技術存在上述缺點，但它有兩個明顯的優(yōu)點：第一是傳輸延遲小，一旦建立物理連接，便不再需要交換開銷；第二是一旦線路建立，通信雙方便獨享該物理線路，不會與其他通信發(fā)生沖突。2．報文交換報文交換（messageswitching）屬于存儲轉發(fā)式交換，事先并不建立物理電路。當發(fā)送方有數(shù)據(jù)要發(fā)送時，它將要發(fā)送的數(shù)據(jù)當作一個整體交給中間交換設備，中間交換設備先將報文存儲起來，然后選擇一條合適的空閑輸出線將數(shù)據(jù)轉發(fā)給下一個交換設備，如此循環(huán)往復直至將數(shù)據(jù)發(fā)送到目的節(jié)點。報文交換不適合交互式數(shù)據(jù)通信。3．分組交換分組交換（packetswitching）又稱為包交換，是報文交換技術的改進，與報文交換同屬于存儲轉發(fā)式交換。在分組交換中，用戶的數(shù)據(jù)被劃分成若干個大小相同的分組（packet），這些分組被緩存在交換設備的內存中，而不是磁盤中，然后通過不同的線路到達同一目的節(jié)點。在分組交換中，根據(jù)傳輸控制協(xié)議和傳輸路徑不同，還可將其分為兩種方式：數(shù)據(jù)報分組交換和虛電路分組交換。四、差錯控制技術數(shù)據(jù)在信道上傳輸時，由于線路熱噪聲的影響、信號的衰減、相鄰線路間的串擾等各種原因，不可避免地會造成接收的數(shù)據(jù)和發(fā)送的數(shù)據(jù)不一致，這種現(xiàn)象稱為傳輸差錯（簡稱差錯）。?【教師】提出以下問題：通過哪些方法可以提高傳輸質量？?【學生】聆聽、思考、回答問題?【教師】總結學生的回答要提高傳輸質量，一是要改善傳輸信道的傳輸特性，二是采取差錯控制技術，檢測和糾正數(shù)據(jù)通信中可能出現(xiàn)的差錯，以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。最常用的差錯控制技術是差錯控制編碼，即在發(fā)送的報文中附加校驗碼，接收端檢測到有差錯的報文后進行糾錯。常用的校驗碼有奇偶校驗碼和循環(huán)冗余碼。1．奇偶校驗碼奇偶校驗碼是最簡單的校驗碼，其編碼規(guī)則是：先將要傳送的數(shù)據(jù)碼元分組，并在每組數(shù)據(jù)后面附加一位冗余位（即校驗位），使分組中包括冗余位在內的數(shù)據(jù)碼元中“1”的個數(shù)保持為奇數(shù)（奇校驗）或偶數(shù)（偶校驗）。在接收端按照同樣的規(guī)則進行檢查，只有“1”的個數(shù)仍符合原定的規(guī)則才認為傳輸正確，否則認為傳輸出錯?！ㄔ斠娊滩模?．循環(huán)冗余碼循環(huán)冗余碼（cyclicredundancycode，CRC），又稱為多項式碼，是使用最廣泛且檢錯能力很強的一種檢錯碼。CRC的工作方法是在發(fā)送端產(chǎn)生一個冗余碼，附加在信息位后面一起發(fā)送給接收端，接收端收到信息后按照與發(fā)送端形成循環(huán)冗余碼同樣的算法進行校驗，如果發(fā)現(xiàn)錯誤，則通知發(fā)送端重發(fā)。?【教師】提出以下問題：循環(huán)冗余碼是如何用多項式表示的？?【學生】聆聽、思考、回答問題?【教師】總結學生的回答，并講解多項式表示方法CRC將整個數(shù)據(jù)塊當作一串連續(xù)的二進制數(shù)據(jù)，把各位看成是一個多項式的系數(shù)，因此該數(shù)據(jù)塊可和一個n次多項式M(X)相對應。例如，信息碼1101可表示為多項式M(X)=X3+X2+X0。CRC在發(fā)送端編碼和接收端校驗時，可以利用事先約定的生成多項式G(X)來計算冗余碼。CRC中使用的生成多項式由協(xié)議規(guī)定，目前國際標準中常用的G(X)包括以下幾種：CRC-12： G(X)=X12+X11+X3+X2+X+1CRC-16： G(X)=X16+X15+X2+1CRC-CCITT：G(X)=X16+X12+X5+1CRC-32： G(X)=X32+X26+X22+X16+X12+X11+X10+X8+X7+X5+X4+X2+X+1CRC編碼步驟如下：（設r為生成多項式G(X)的階）（1）將數(shù)據(jù)塊轉換為相應的多項式M(X)，并在后面附加r個“0”，得到一個新的多項式M’(X)。（2）用模2除法求M’(X)/G(X)的余數(shù)，此余數(shù)就是冗余碼。（3）將冗余碼附加在原信息位后面即為最終要發(fā)送的信息碼?！菊n堂練習】?【教師】給出以下題目，讓學生答題假設準備發(fā)送的數(shù)據(jù)信息碼為1101，生成多項式采用G(X)=X4+X+1，計算使用CRC后最終發(fā)送的信息碼。?【學生】聆聽、思考、解題?【教師】檢查學生答題情況，并講解例題解：（1）將原信息碼轉化為多項式M(X)=1101，r=4，因此M’(X)=11010000。（2）G(X)=10011，用模2除法求M’(X)/G(X)的余數(shù)（即冗余碼）為：（3）將冗余碼0100直接附加在M(X)后面，可得到最終要發(fā)送的信息碼為11010100。【學生】聆聽、思考、理解、記錄通過教師講解、課堂討論和分析例題等方式，使學生掌握數(shù)據(jù)交換技術及差錯控制技術的相關內容課堂實踐（12min）【教師】播放“走進5G時代”的視頻（詳見教材），然后組織學生以小組為單位完成以下任務：聆聽、觀看、思考、小組討論、總結、由小組代表上臺發(fā)表討論結果【教師】與學生一起評價各組的發(fā)言，并進行總結通過實踐活動，鞏固所學知識，并幫助學生掌握5G技術的相關知識課堂小結

（3min）【教師】簡要總結本節(jié)課的