第1章-数据通信的基本知识-PPT课件.ppt

1、第第1章章 数据通信的基本知识数据通信的基本知识 1.1 数据通信的基本概念 1.2 数据传输与编码 1.3 数据通信方式 1.4差错控制技术 1.1 数据通信的基本概念数据通信的基本概念 1.1.1 通信系统的构成通信系统的构成 图图1-1 远程计算机之间通信远程计算机之间通信 1.1.1 通信系统的构成通信系统的构成图1-1表示两台远程的计算机通过电话线传输文件，它包含了非常复杂的通信技术。计算机A中的文件是由一个二进制的序列组成，在发送文件时，这个二进制数的序列通过计算机与调制解调器之间的通信电缆被送到调制解调器时，成为一个二值的电信号序列。为了防止传输错误，调制解调器往往在这个二值的电

2、信号序列中添加一些错误校验信息，然后转换成适合于在电话线中传输的模拟信号。在接收端，计算机B的调制解调器将接收到的信号转换为二值的电信号序列，并根据校验信息试图发现或纠正传输中的错误，正确的二值电信号序列被送到计算机B中，这条信息通常是发送的原始信息的准确复制。将上面的计算计间传输文件的系统抽象化，就是数据通信系统的一般结构模型，如图1-2所示。1.1.1 通信系统的构成通信系统的构成 源系统 传输系统 目的系统 源站 发送器 传输系统 接收器 目的站 图 1-2 数据通信系统模型 1.1.1 通信系统的构成通信系统的构成源系统一般包括以下两部分：1.源站：2.发送器：目的系统一般包括以下两个

3、部分：1.接收器：2.目的站：目的站设备从接收器获取传送来的信息。1.1.2 信息、数据和信号信息、数据和信号 1.信息不同领域对信息有各种不同的定义，一般认为信息是人对现实世界事物存在方式或运动状态的某种认识。2.数据和信号 数据(data)是运送信息的实体，而信号(signal)则是数据的电气的或电磁的表现。1.1.2 信息、数据和信号信息、数据和信号图1-3 信息、数据和信号 1.1.2 信息、数据和信号信息、数据和信号图1-4 模拟信号和数字信号 信道信道(channel)是数据信号传输的必经之路，是数据信号传输的必经之路，由相应的传输线路和传输设备组成。信道的由相应的传输线路和传输设

4、备组成。信道的分类方法有很多分类方法有很多:1.物理信道和逻辑信道物理信道和逻辑信道2.有线信道和无线信道有线信道和无线信道3.模拟信道和数字信道模拟信道和数字信道4.专用信道和公共交换信道专用信道和公共交换信道 1.1.3 信道及信道的分类信道及信道的分类 1.1.4 码元和码字及数据单元码元和码字及数据单元 1.码元和码字码元和码字在计算机网络中传送的每一位二进制数字被称为在计算机网络中传送的每一位二进制数字被称为“码元码元”。由。由7个码元组成的二进制序列被称为个码元组成的二进制序列被称为“码字码字”。2.数据包数据包大多数计算机网络都不能连续传输任意数量的数据，大多数计算机网络都不能连

5、续传输任意数量的数据，网络系统把数据分成小块单独发送，这种小块称网络系统把数据分成小块单独发送，这种小块称作包作包(packet)。1.1.4 码元和码字及数据单元码元和码字及数据单元3.数据帧(frame)尽管术语包指的是小数据块的一般概念，但在确切的包格式方面没有达成完全一致。相反，每种硬件技术都定义了能在该硬件上传输的包的细节，并指明了包的位串是如何传输的。为了帮助区分包传输的一般概念与特定硬件技术所使用的包，我们用术语帧(frame)来定义在特定网络类型中的包。1.1.5 通信系统的主要技术指标通信系统的主要技术指标 1.数据传输速率数据传输速率S(比特率比特率)和波形调制速率和波形调

6、制速率B(波特率波特率)(1)比特率比特率S比特率是一种数字信号的传输速率，它是指在有效带宽上，比特率是一种数字信号的传输速率，它是指在有效带宽上，单位时间内所传送的二进制代码的有效位单位时间内所传送的二进制代码的有效位(bit)数。数。(2)波特率波特率B波特率是一种调制速率，也称波形速率。它是指数字信号波特率是一种调制速率，也称波形速率。它是指数字信号经过调制后的速率，即经过调制后的模拟信号每秒钟变化经过调制后的速率，即经过调制后的模拟信号每秒钟变化的次数。的次数。B=1/T(baud)1.1.5 通信系统的主要技术指标通信系统的主要技术指标 比特率与波特率之间有下列关系：S=BlogN

7、(b/s)表 1-1 比特率和波特率的关系 波特率 B 1200 1200 1200 1200 多相调制的相数 N=2 N=4 N=8 N=16 比特率 S 1200 2400 3600 4800 1.1.5 通信系统的主要技术指标通信系统的主要技术指标 2.带宽及与数据传输速率的关系 带宽是指物理信道的频带宽度，即信道允许传送信号的最高频率和最低频率之差，单位为赫兹(Hz)。在许多资料上也借用带宽这个词来描述数字信道的容量，比如说某信道的带宽为56KHz，此时和说该信道的数据传输速率为56Kbit/s含义是相同的。3.信道容量和信道容量和Shannon定理定理 信道容量是一个极限参数，它一般

8、是指在传输系统的给信道容量是一个极限参数，它一般是指在传输系统的给定带宽上能够传输的最大数据传输速率，信道容量定带宽上能够传输的最大数据传输速率，信道容量C的单的单位是位是bit/s，它依赖于所传送信号的能量和信道噪声特性。它依赖于所传送信号的能量和信道噪声特性。Shannon把信道容量和带宽联系起来定义了著名通信定把信道容量和带宽联系起来定义了著名通信定理理香农定理：香农定理：NSWC/1log2 sbit/（）式中式中S是信道中传送的信号功率，是信道中传送的信号功率，N是信道带宽内总的噪声功率，是信道带宽内总的噪声功率，而而S/N时信号和噪声能量毕，即信噪比。时信号和噪声能量毕，即信噪比。

9、W为带宽。为带宽。香农定理指出：香农定理指出：(1)提高信噪比提高信噪比S/N能够增加信道容量能够增加信道容量C。(2)当噪声功率当噪声功率N0时，信道容量时，信道容量C，既既无干扰信道的容量为无干扰信道的容量为。(3)信道容量一定时，带宽信道容量一定时，带宽W与信噪比与信噪比S/N之间可以互换，既提高信噪比与提高带宽具之间可以互换，既提高信噪比与提高带宽具有等价意义。有等价意义。3.信道容量和信道容量和Shannon定理定理4.误码率误码率P(error rate)(1)误码率误码率P定义定义 误码率是衡量数据通信系统在正常工作情况下误码率是衡量数据通信系统在正常工作情况下传输可靠性的指标，

10、其定义是：二进制码元传输可靠性的指标，其定义是：二进制码元在传输系统中被传错的概率。在传输系统中被传错的概率。Pe=Ne/N 式中式中Ne其中出错的位数；其中出错的位数；N传输的数传输的数据总数。据总数。(2)误码率的性质、获取与实用意义误码率的性质、获取与实用意义性质：误码率是衡量数据通信系统在正常性质：误码率是衡量数据通信系统在正常工作情况下传输可靠性的指标。工作情况下传输可靠性的指标。获取：在实际数据传输系统中，人们通过获取：在实际数据传输系统中，人们通过对某种通信信道进行大量重复测试，才能对某种通信信道进行大量重复测试，才能求出该信道的平均误码率。求出该信道的平均误码率。4.误码率误码

11、率P(error rate)1.2.1 数据传输数据传输 1.2 数据传输与编码数据传输与编码 音频 电话系统 模拟信号 (a)模拟数据在模拟信道上传输 二进制数 调制解调器 模拟信号 (b)数字数据在模拟信道上传输 模拟数据 编码译码器 数字信号(c)模拟数据在数字信道上传输 数字数据 数字发射机 数字信号(d)数字数据在数字信道上传输 图图 1-5 数数据据传传输输形形式式 1.2.2 基带传输与信号编码基带传输与信号编码 使用数字信号传输数据时，数字信号几乎要占有整个频带，也就是终端设备把数字信号转换成脉冲电信号时，这个原始的电信号所固有的频带，称为基本频带，简称基带。在信道中直接传送基

12、带信号(未作处理的原始信号)时，称为基带传输。1.2.2 基带传输与信号编码基带传输与信号编码 在基带传输中，常采用以下3种编码方法。如图1-6所示。0 0 1 1 0 1 0 （b）曼 彻 斯 特 编 码 （c）微 分 曼 彻 斯 特 编 码 （a）不 归 零（NRZ）编 码 高 低 高 低 高 低 1.2.2 基带传输与信号编码基带传输与信号编码1.不归零NRZ编码(Non-Return to Zero)编码规则：使用负电压表示0，正电压表示1。优点：简单、容易实现。缺点：难以确定一位的结束和另一位的开始，并且当出现一长串连续的1或连续的0时，在接收端无法从收到的比特流中提取同步信号。所以

13、为保证收发双方同步，必须在发送NRZ码的同时，用另一个信道同时发送同步时钟信号。应用：计算机串口与调制解调器之间使用的就是基带传输中的不归零编码技术。1.2.2 基带传输与信号编码基带传输与信号编码 2.曼彻斯特编码曼彻斯特编码(Manchester)编码规则：将每个码元再分成两个相等的间隔，在固定的每编码规则：将每个码元再分成两个相等的间隔，在固定的每位中间变换电位。即位中间变换电位。即1是由高至低电平转换，其前半个码元是由高至低电平转换，其前半个码元的电平为高电平，后半个码元的电平为低电平。的电平为高电平，后半个码元的电平为低电平。0正好相反，正好相反，从低电平到高电平转换，即其前半个码元

14、为低电平，后半个从低电平到高电平转换，即其前半个码元为低电平，后半个码元为高电平。码元为高电平。优点：可以保证在每一个码元的正中间出现一次电平的转换，优点：可以保证在每一个码元的正中间出现一次电平的转换，同时由每位中间调变提供了同步时钟定时，这对接收端提取同时由每位中间调变提供了同步时钟定时，这对接收端提取同步信号非常有利，是一种同步信号非常有利，是一种“自含时钟自含时钟”的编码方式。的编码方式。缺点：效率较低。缺点：效率较低。3.微分曼彻斯特编码(Differential Manchester)编码规则：它与曼彻斯特编码有个共同点，即在每一个码元的位中间有一次电平的变换，1表示前半个码元的电

15、平与上一个码元的后半个码元的电平一致；0则为其前半个码元的电平与上一个码元的后半个码元的电平相反，即用每位开始时有无电平的跳变来表示0或1的编码。优点：是“自含时钟”的编码方式，可获得较好的抗干扰性能。缺点：实现技术复杂。1.2.2 基带传输与信号编码基带传输与信号编码利用模拟信道实现数字信号传输的方法称为频带传输。在发送端将数字信号转换成模拟信号的过程称为“调制”，相应的设备称为“调制器”。在接收端将模拟信号还原成数字信号的过程称为“解调”，相应的设备称为“解调器”。同时具备调制和解调功能的设备称为“调制解调器”。1.2.3 频带传输与调制频带传输与调制 1.振幅调制振幅调制(amplitu

16、de modulation)振幅调制又叫振幅键控振幅调制又叫振幅键控(Amplitude Shift Keying-ASK)它的调制方法是保持角频率它的调制方法是保持角频率和相位和相位不变，而只改变振幅不变，而只改变振幅A。当传输的基带信号为当传输的基带信号为1时，振幅调制信号对应于某个时，振幅调制信号对应于某个振幅值振幅值A；当传输的基带信号为当传输的基带信号为0时，振幅调制信号的振时，振幅调制信号的振幅为幅为0。对应于基带信号。对应于基带信号0和和1，在振幅调制中，相应的，在振幅调制中，相应的载波信号可以表示为：载波信号可以表示为：U(t)=Asin(t+)数字数字“1”U(t)=0sin

17、(t+)=0 数字数字“0”波形图如图波形图如图1-7(a)所示。所示。1.2.3 频带传输与调制频带传输与调制2.频率调制频率调制(Frequency Shift Keying-FSK)频率调制也叫频率键控，它使用数字基带信号控制载频率调制也叫频率键控，它使用数字基带信号控制载波信号的频率。在频率调制中，振幅和相位保持不变，波信号的频率。在频率调制中，振幅和相位保持不变，角频率随基带信号而改变，对应于数字角频率随基带信号而改变，对应于数字1，角频率为，角频率为1，对应于数字对应于数字0，角频率为，角频率为2。相应的频率调制信相应的频率调制信号可以表示为：号可以表示为：U(t)=Asin(1t

18、+)数字数字“1”U(t)=Asin(2t+)数字数字“0”波形图如图波形图如图1-7(b)所示。所示。1.2.3 频带传输与调制频带传输与调制1.2.3 频带传输与调制频带传输与调制3.相位调制相位调制(Phase Shift Keying-PSK)相位调制也叫相位键控，在相位调制中，振幅相位调制也叫相位键控，在相位调制中，振幅A和频率和频率保持不变，初始保持不变，初始相位为变量。相位调制又可分为绝对相位调制和相对相位调制。相位为变量。相位调制又可分为绝对相位调制和相对相位调制。(1)绝对相位调制绝对相位调制 在绝对相位调制中，用相位的绝对值表示数字信号在绝对相位调制中，用相位的绝对值表示数

19、字信号“0”、“1”。例。例如用初始相位为如用初始相位为0表示数字表示数字“1”，初始相位为，初始相位为表示数字表示数字“0”，相应的，相应的调制信号可以表达为：调制信号可以表达为：U(t)=Asin(t+0)数字数字“1”U(t)=Asin(t+)数字数字“0”波形图如图波形图如图1-7(C)所示。所示。(2)相对相位调制相对相位调制 在相对相位调制中，用当前波形的初始相位相对于前一个波形的初始相在相对相位调制中，用当前波形的初始相位相对于前一个波形的初始相位的偏移值来表示数字信号位的偏移值来表示数字信号“0”、“1”。例如，用当前波形的初始相。例如，用当前波形的初始相位相对于前一个波形的初

20、始相位的偏移值为位相对于前一个波形的初始相位的偏移值为0表示数字信号表示数字信号“0”；偏移；偏移值为值为表示数字信号表示数字信号“1”。其对应的相对相位调制波形图如图。其对应的相对相位调制波形图如图1-7(d)所所示。示。1.2.3 频带传输与调制频带传输与调制图1-7 模拟信号编码方法 1.3 数据通信方式数据通信方式 1.3.1 串行与并行通信串行与并行通信 1.并行通信 并行通信中，一般有8个数据位同时在两台设备之间传输，如图1-8所示。图中，发送端和接收端有8条数据线相连，发送端同时发送8个数据位，接收端同时接收8个数据位，其中1位可以作为校验位。典型的并行通信的例子是计算机和并行打

21、印机之间的通信。图1-8 并行通信 1 并行数据 2 3 发 4 接 送 5 收 端 6 端 7 8 1.3 数据通信方式数据通信方式 1.3.1 串行与并行通信串行与并行通信 2.串行通信 在串行通信中，收发端一次只能发送或接收1个数据位，数据位依次串行的通过通信线路。发 送 器接 收 器并 串 转 换 串 并 转 换 87654321图图1-9 串行数据传输串行数据传输 1.3.2 同步与异步通信同步与异步通信 1.同步通信同步通信(1)什么是同步通信？什么是同步通信？在通信中，接收端要按发送端所发送的每个码在通信中，接收端要按发送端所发送的每个码元或数据块的重复频率以及起止时间来接收数元

22、或数据块的重复频率以及起止时间来接收数据，这样才能保证接收的数据与发送的数据一据，这样才能保证接收的数据与发送的数据一致，这就是所谓的致，这就是所谓的“同步同步”。在通信时，接收端要校准自己的时间和重复频在通信时，接收端要校准自己的时间和重复频率，以便和发送端保持一致，这一过程称为率，以便和发送端保持一致，这一过程称为“同步过程同步过程”。(2)自同步法和外同步法接收方收到数据后必须首先识别同步时钟，在近距离传输中可另加一条数据线来实现同步，即除数据传输线外，还需要专门的时钟传输线，这种方法被称为“外同步”。在远距离传输过程中必须加入时钟同步信号来解决同步问题，即从数据信息波形本身提取同步信号

23、，也称之为“自同步法”。(3)同步传输的特点 同步传输有较高的传输效率，但实现起来较复杂，常用于高速传输中。1.3.2 同步与异步通信同步与异步通信 1.3.2 同步与异步通信同步与异步通信 2.异步通信(1)什么是异步通信？所谓的异步同信指的是这样的一种传输方式：每个字符都独立传输(字符/次)，在每个字符前加上起始位，在它的后面加上结束位，以这种方式来确定一个字节的开始和结束，如图1-10所示。0/10/10/10/10/10/10/10/1起始位停止位空闲位第58个数据位第n个字符第n+1个字符 0/10/10/10/10/10/10/10/1起始位停止位空闲位第58个数据位第n个字符第n

24、+1个字符 图图1-10 异步传输方式异步传输方式(2)异步传输的特点 一是每一个字符都要加上辅助位造成传输效率降低；二是由于收发双方的时钟差异决定了这种方式传输速率不能太高，常用在低速传输中。1.3.2 同步与异步通信同步与异步通信 1.单工通信单工通信指的是数据流只向一个方向传递，发送方只负责发送，接收方只负责接收，如图1-11(a)所示。典型的例子如电视机或发报机。2.双工通信双工通信分为两种：一种称为全双工通信；另一种称为半双工通信。1.3.3 数据通信的方向数据通信的方向 1.3.3 数据通信的方向数据通信的方向 图图1-11 数据通信的方向数据通信的方向 1.4 差错控制技术差错控

25、制技术 信号在物理信道传输过程中由于各种因素的影响，都会造信号在物理信道传输过程中由于各种因素的影响，都会造成信号的失真，致使传输存在差错。成信号的失真，致使传输存在差错。概括地说，传输中的差错都是由于噪声所引起的，信号在概括地说，传输中的差错都是由于噪声所引起的，信号在传输过程中受到的噪声干扰有两种：传输过程中受到的噪声干扰有两种：热噪声和热噪声和 冲击噪声。冲击噪声。为减少传输差错，提高传输质量，可以采取以下措施：为减少传输差错，提高传输质量，可以采取以下措施：1)改善通信线路的质量，降低误码率；改善通信线路的质量，降低误码率；2)采用差错控制技术检测错误，纠正错误，把差错限制在采用差错控

26、制技术检测错误，纠正错误，把差错限制在尽可能小的允许范围内。尽可能小的允许范围内。1.反馈重发技术 首先在发送端将信息进行检错编码，然后将检错码经信道发送至接收端。接收端译码后判断是否有错，若有错，要求发送端重传，直至传送正确；若无错，则发送无错确认信号给发送端。1.4 差错控制技术差错控制技术1.4 差错控制技术差错控制技术2.前向纠错技术 首先在发送端将信息进行纠错编码，然后将纠错码经信道发送至接收端，接收端译码后若发现错误则自动纠正错误，而不需要重传信息，但是该方法比较复杂，实现比较困难。奇偶校验也称垂直冗余校验VRC。奇偶校验是将数据分组，每一组数据后附加一个校验位，使得该组数据(包括

27、校验位)中1的个数为偶数(偶校验)或奇数(奇校验)。1.4.1 奇偶校验奇偶校验 表1-2 奇偶校验位的设置表 1-2 奇偶校验位的设置 校验方式 校验位 8 ASCII代码位 7 6 5 4 3 2 1 字符 偶校验 奇校验 0 1 1 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 1 A A 1.4.1 奇偶校验奇偶校验表 1-3 奇偶校验位的工作方式 方式 发送方 接收方 奇校验结果 第 1 种方式 第 2 种方式 第 3 种方式 第 4 种方式 11000001 11000001 11000001 11000001 11000001 11000000 10000011 1100001

28、1 奇数个“1”，校验正确 1 位出错，偶数个“1”，校验错误 2 位出错，奇数个“1”，校验正确 3 位出错，偶数个“1”，校验错误 方块校验也称水平垂直冗余校验LRC。这种方法是对行和列都进行奇偶校验，它是在VRC校验的基础上，进一步加强校验的方法。具体工作原理是在一批字符传送之后，另外增加一个称为“方块校验字符”的校验字符。LRC字符在发送端产生并传输，接收方也产生同样的校验字符，并与从发送端收到的校验字符相比较。1.4.2 方块校验方块校验 1.4.2 方块校验方块校验 表 1-4 LRC 的工作方式 字符 H 字符1 a 字符2 m 字符3 g 字符4 n 字符5 c 字符6 o 字

29、符7 LRC字符(奇)位1 位2 位3 位4 位5 位6 位7(奇)1 0 0 1 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1 0 1 1 0 1 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 1 0 1 1.4.3 循环冗余校验循环冗余校验CRC 循环冗余校验方法的原理如下：(1)设要发送的数据对应的多项式为P(x)。(2)发送方和接收方约定一个生成多项式G(x)，设该生成多项式的最高次幂为r。(3)在数据块的末尾添加r个0，则其相对应的多项式为M(x)=XrP(x)。(左移

30、r位)(4)用M(x)除以G(x)，获得商Q(x)和余式R(x)，则 M(x)=Q(x)G(x)+R(x)。(5)令T(x)=M(x)+R(x)，采用模2运算，T(x)所对应的数据是在原数据块的末尾加上余式所对应的数据得到的。(6)发送T(x)所对应的数据。(7)设接收端接收到的数据对应的多项式为T(x)，将T(x)除以G(x)，若余式为0，则认为没有错误，否则认为有错。1.4.3 循环冗余校验循环冗余校验CRC 循环冗余校验码(CRC，Cyclic Redundancy Code)是采用多项式的编码方式，这种方法把要发送的数据看成是一个多项式的系数，数据为bn-1bn-2b1b0(其中为0或

31、1)，则其对应的多项式为：bn-1Xn-1+bn-2Xn-2+bX+b 例如：数据“10010101”可以写为多项式 X+X+X+1。假设要发送的数据比特为1101011011，生成多项式G(x)=10011，多项式最高幂次为4，即r=4，则需要在发送的数据比特后面加4个0。余数多项式为 信 道 中 要 传 输 码 元信 道 中 要 传 输 码 元=数 据数 据(移 位 后移 位 后)+余 数余 数=11010110111110假设接收方收到的数据为假设接收方收到的数据为11010110111110，大家可，大家可以采用前面我们介绍的以采用前面我们介绍的CRC验证方法对数据传输验证方法对数据传输是否正确进行验证。是否正确进行验证。循环冗余校验循环冗余校验CRC有两个显著特点：有两个显著特点：首先，循环码适合于用代数方法来分析码的结构，首先，循环码适合于用代数方法来分析码的结构，并可用代数方法设计各种实用的、有较强纠错能并可用代数方法设计各种实用的、有较强纠错能力的码力的码,且无需很长的码长；且无需很长的码长；其次，由于码的循环特性，所需的编译设备较简其次，由于码的循环特性，所需的编译设备较简单，易于实现。因此，循环冗余校验单，易于实现。因此，循环冗余校验CRC在数据在数据传输中得到了最广泛的应用。传输中得到了最广泛的应用。