第2章-数据通信基础知识(lds)解析课件.ppt
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1、1第第2章章 数据通信的基础知识数据通信的基础知识 本章内容 信道信道 传输介质传输介质 数据编码数据编码 多路复用技术多路复用技术 数据交换技术数据交换技术 差错控制及检错差错控制及检错22.1 基本概念基本概念数据及计算机通信术语数据及计算机通信术语数据(数据(Data):传递(携带)信息的实体。:传递(携带)信息的实体。信息(信息(Information):是数据的内容或解释。:是数据的内容或解释。信号(信号(Signal):数据的物理量编码:数据的物理量编码(通常为电编码)(通常为电编码),数据以信号的,数据以信号的形式在介质中传播。形式在介质中传播。模拟信号、数字信号模拟信号、数字信
2、号 基带(基带(Base band)、宽带()、宽带(Broad band)基带传输是指在通信电缆上原封不动地传输由计算机或数据通信终端产生的0或1数字脉冲信号。大多数局域网(LAN)使用的都是基带传输。直接使用数字信号传输数据时,数字信号几乎要占用整个频带。频带越宽,传输线路的电容电感等对传输信号波形衰减的影响越大。基带传输的距离一般不超过2km,超过时需通过称为中继器的设备对信号进行放大,以延长传输距离。宽带传输是指传输介质在信息传输时能够支持较宽的频带,一般在300MHz400MHz左右。系统设计时将此频带分割成若干个子频带,通过使用多路复用方法,在一个信道中可以同时传播声音、图像和数据
3、多种信息,使系统具有多种用途。3数据、信息 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;数据是把事件的某些属性规范化后的表现形式;信号是数据的具体的物理表现。4数据通信的基本概念雪六角形凉白色信息数据信号例子 5数据通信的基本概念 信息:人对雪花和马的认识 数据:文字,二进制数,十进制数 信号:电压,光,磁场强度6 信道信道(Channel):传送信息的线路(或通路)。:传送信息的线路(或通路)。比特(比特(bit):即一个二进制位。比特率为每秒传:即一个二进制位。比特率为每秒传输的比特数(即输的比特数(即数据数据传送速率)。传送速率)。码元(码元(Code cell):时间轴上的一个
4、信号编码:时间轴上的一个信号编码单元。单元。7同步脉冲:用于码元的同步定时,识别码元从何时开始同步脉冲:用于码元的同步定时,识别码元从何时开始 同步脉冲也可位于码元的中部同步脉冲也可位于码元的中部 一个码元也可有多个同步脉冲相对应一个码元也可有多个同步脉冲相对应t码元码元1码元码元2码元码元3码元码元4码元码元5信号信号同步脉冲同步脉冲t8DNS写入脉冲读出脉冲缓冲存储器数字交换网络数字网示意图从输入数字码流中提取本局时钟在通信信号的传输过程中,同步是十分重要的,如果不能同步,就会在数字交换机的缓存器中产生信息比特的溢出和取空,导致数字流的滑动损伤,造成数据出错。9 波特(波特(Baud):码
5、元传输的速率单位。波特率:码元传输的速率单位。波特率为每秒传送的码元数(即信号传送速率)。为每秒传送的码元数(即信号传送速率)。比特率、波特率和信号编码级数的关系如下:比特率、波特率和信号编码级数的关系如下:Rbit=Rbaud log2M 上式中:上式中:M-信号的编码级数,信号的编码级数,Rbit-比特率比特率,Rbaud-波特率波特率 一个信号往往可以携带多个二进制位,所以在固定一个信号往往可以携带多个二进制位,所以在固定的信息传输速率下,比特率往往大于波特率。换句的信息传输速率下,比特率往往大于波特率。换句话说,一个码元中可以传送多个比特。话说,一个码元中可以传送多个比特。例如:当波特
6、率为例如:当波特率为9600时时 若M=2,数据传输率为9600b/s 若M=16,数据传输率为38.4kb/s10 误码率误码率:信道传输可靠性指标,是一个概率值。:信道传输可靠性指标,是一个概率值。传输中的误码传输中的误码/所传输的总码数所传输的总码数 信息编码信息编码:将信息用二进制数表示的方法。将信息用二进制数表示的方法。例如:例如:ASCII编码、编码、BCD编码等编码等 数据编码数据编码:将数据用物理量表示的方法。:将数据用物理量表示的方法。例如:字符例如:字符A的的ASCII编码为编码为01000001,其数据编码可能为,其数据编码可能为01000001t11带宽(带宽(Band
7、 width,BW)信道传输能力的度量。信道传输能力的度量。在传统的通信工程中:BW fmax fmin 单位:赫兹(Hz)100 300 500 700 900频率带宽带宽=900-100=800=900-100=80012 在计算机网络中,一般用每秒允许传输的二进制位数作为带宽的计量单位。主要单位:b/s,kb/s,Mb/s,Gb/s。例如:传统以太网理论上每秒可以传输1千万比特,它的带宽为10Mb/s。在理解带宽这个概念之前,我们首先来看一个公式:带宽=时钟频率x总线位数/8,从公式中我们可以看到,带宽和时钟频率、总线位数是有着非常密切的关系的。其实在一个计算机系统中,不仅显示器、内存有
8、带宽的概念,在一块板卡上,带宽的概念就更多了,完全可以说是带宽无处不在。那到底什么是带宽呢?带宽的意义又是什么?简单的说,带宽就是传输速率,是指每秒钟传输的最大字节数(MB/S),即每秒处理多少兆字节,高带宽则意味着系统的高处理能力。为了更形象地理解带宽、位宽、时钟频率的关系,我们举个比较形象的例子,工人加工零件,如果一个人干,在大家单个加工速度相同的情况下,肯定不如两个人干的多,带宽就象是加工零件的总数量,位宽仿佛工人数量,时钟工作频率相当于加工单个零件的速度,位宽越宽,时钟频率越高则总线带宽越大,其好处也是显而易见的。13 时延(时延(Delay):信息从网络的一端传送到另一端所需的信息从
9、网络的一端传送到另一端所需的时间。时间。时延时延=处理时延处理时延+排队时延排队时延+发送时延发送时延+传播时延传播时延处理时延处理时延=对数据进行处理和错误校验所需的时间排队时延排队时延=数据在中间结点等待转发的延迟时间发送时延发送时延=数据位数/信道带宽传播时延传播时延=d/s d:距离,s:介质中信号传播速度(0.7c)14q延迟延迟q在每个步跳中产生的在每个步跳中产生的延迟可分为延迟可分为四四种种q处理时延处理时延:q校验错误校验错误q确定输出链路确定输出链路q排队时延排队时延:q在输出链路中等待被发送在输出链路中等待被发送 q取决于路由器的拥塞程度取决于路由器的拥塞程度ABpropa
10、gationtransmissionnodalprocessingqueueing15发送时延发送时延:qR=链路带宽链路带宽(b/s)qL=分组长度分组长度(bits)q将分组位流发送到链路将分组位流发送到链路上的时间上的时间=L/R传播时延传播时延:qd=物理链路的长度物理链路的长度qs=介质中的信号传播速介质中的信号传播速度度(2x108 m/s)q传播延迟传播延迟=d/s注意注意:s 和和 R 是完全不同是完全不同的两个概念的两个概念!ABpropagationtransmissionnodalprocessingqueueing16 时延带宽乘积:时延带宽乘积:某一信道所能容纳的比特
11、数。时延带宽乘积=带宽传播时延 例如,某信道的时延带宽乘积为100万比特,这意味着第一个比特到达目的端时,源端已发送了100万比特。信道信道带宽带宽传播时延传播时延管道体积管道体积=时延带宽乘积时延带宽乘积17 往返时延(往返时延(Round-Trip Time,RTT):从发送端发送数据开始,到发送端收到接收端的确认所经历的时间 RTT2传播时延 传输可靠性传输可靠性 两个含义:数据能正确送达数据能有序送达(当采用分组交换时)181.数据通信的一般概念数据通信的一般概念 通信的三个要素:通信的三个要素:信源信源、信宿信宿和和信道信道噪声噪声信源信源发送器发送器信道信道接收器接收器信宿信宿源系
12、统源系统目的系统目的系统 任何信道都不是完美无缺的,因此会对传输的信任何信道都不是完美无缺的,因此会对传输的信号产生干扰,称为号产生干扰,称为“噪声噪声”。外界:闪电、串扰、电气设备外界:闪电、串扰、电气设备内部:介质特性(衰减、延迟与频率有关)内部:介质特性(衰减、延迟与频率有关)19 信息通过数据通信系统的传输过程信息通过数据通信系统的传输过程 把携带把携带信息信息的的数据数据用物理用物理信号信号形式通过信道传送到目的地形式通过信道传送到目的地 信息和数据(二进制位)不能直接在信道上传输信息和数据(二进制位)不能直接在信道上传输 编码编码:数据:数据适合传输的数字信号适合传输的数字信号便于
13、同步、识别、纠错便于同步、识别、纠错 调制调制:数字信号:数字信号适合传输的形式适合传输的形式按频率、幅度、相位按频率、幅度、相位 解调解调:接收波形:接收波形数字信号数字信号 解码解码:数字信号:数字信号原始数据原始数据信息信息数据数据信号信号在信道上传输在信道上传输信号信号数据数据信息信息数据编码数据编码调制调制解调解调数据解码数据解码01000001A01000001A信道信道202.数据通信系统的构成数据通信系统的构成 数据传输系统数据传输系统 传输线路传输线路 有线介质、无线介质有线介质、无线介质 传输设备传输设备 调制解调器、中继器、多路复用器、交换机等调制解调器、中继器、多路复用
14、器、交换机等 调制解调器等网络接入设备也称为调制解调器等网络接入设备也称为DCE(Data Circuit Equipment)数据处理系统数据处理系统:计算机、终端等:计算机、终端等 又分为:又分为:源系统(信源发送器):发出数据的计算机源系统(信源发送器):发出数据的计算机 目的系统(信宿接收器):接收数据的计算机目的系统(信宿接收器):接收数据的计算机 计算机、终端等设备也称为计算机、终端等设备也称为DTE(Data Terminal Equipment)DCEDTEDTEDCE21数据通信基本过程数据通信基本过程 5个阶段个阶段 包含两项内容:包含两项内容:数据传输数据传输和和通信控制
15、通信控制 过程过程 与打电话比较与打电话比较 建立物理连接建立物理连接 拨号,拨通对方拨号,拨通对方 建立逻辑连接建立逻辑连接 互相确认身份互相确认身份 数据传输数据传输 互相通话互相通话 断开逻辑连接断开逻辑连接 互相确认要结束通话互相确认要结束通话 断开物理连接断开物理连接 双方挂机双方挂机*注意,并不是所有的数据通信都需要全部5个阶段。222.2 信道及其主要特征信道及其主要特征1.数字信道和模拟信道数字信道和模拟信道 数字信道数字信道:以数字脉冲形式(离散信号):以数字脉冲形式(离散信号)传输数据的信道。传输数据的信道。计算机网络中主要采用数字信道进行数据传输计算机网络中主要采用数字信
16、道进行数据传输 ADSL、ISDN、DDN、ATM、局域网、局域网 模拟信道模拟信道:以连续模拟信号形式传输数据:以连续模拟信号形式传输数据的信道。的信道。CATV、无线电广播、电话拨号线路、无线电广播、电话拨号线路23 模拟信号和数字信号模拟信号和数字信号 模拟信号模拟信号时间上连续,包含无穷多个信号值时间上连续,包含无穷多个信号值 数字信号数字信号时间上离散,仅包含有限数目的信号值。最常见的是时间上离散,仅包含有限数目的信号值。最常见的是二值信号二值信号ta)模拟信号tb)数字信号24 周期信号和非周期信号周期信号和非周期信号 周期信号周期信号 信号由不断重复的固定模式组成信号由不断重复的
17、固定模式组成(如正弦波)(如正弦波)非周期信号非周期信号 信号没有固定的模式和波形循环信号没有固定的模式和波形循环(如语音的音波信号)(如语音的音波信号)。tTTTtTTT周周期期信信号号非非周周期期信信号号tt25 数字通信与模拟通信数字通信与模拟通信 数字通信数字通信 在数字信道上实现模拟信息或数字信息的传输在数字信道上实现模拟信息或数字信息的传输 模拟通信模拟通信 在模拟信道上实现模拟信息或数字信息的传输在模拟信道上实现模拟信息或数字信息的传输 数字通信的优点数字通信的优点 抗噪声(干扰)能力强抗噪声(干扰)能力强 可以控制差错,提高了传输质量可以控制差错,提高了传输质量 便于用计算机进
18、行处理便于用计算机进行处理 易于加密、保密性强易于加密、保密性强 可以传输语音、数据、影像,通用、灵活可以传输语音、数据、影像,通用、灵活计算机通信仅在不得已的情况下,才会采用模拟通信,计算机通信仅在不得已的情况下,才会采用模拟通信,如通过电话线拨号上网。如通过电话线拨号上网。262.信道的最大数据传输率信道的最大数据传输率 Nyquist公式公式:用于无噪声理想低通信道用于无噪声理想低通信道 Nyquist公式为公式为估算已知带宽信道的最高数估算已知带宽信道的最高数据传输速率据传输速率提供了依据。提供了依据。例如,话音级线路的带例如,话音级线路的带 宽约为宽约为3.1kHz,根据上,根据上
19、式计算的信道最大数据式计算的信道最大数据 传输率如右表所示传输率如右表所示C=2W log2 MC =数据传输率,单位数据传输率,单位b/s W=带宽,单位带宽,单位HzM=信号编码级数信号编码级数M 最大数据率最大数据率 2 6200 b/s 4 12400 b/s 8 18600 b/s16 24800 b/s32 31000 b/s27 非理想信道非理想信道 实际的信道上存在损耗、延迟、噪声。实际的信道上存在损耗、延迟、噪声。损耗损耗引起信号强度减弱,导致信噪比信噪比S/N降低降低。延迟延迟会使接收端的信号产生畸变信号产生畸变。噪声噪声会破坏信号,产生误码破坏信号,产生误码。例如:数据传
20、输速率为56kb/s时,持续时间0.01s的干扰会破坏约560个比特。010110011001010010110011001010010110111001000误码位传输数据:信号:噪声:信号与噪声叠加:采样时序:接收数据:原始数据:28 Shannon公式公式:用于有噪声干扰信道用于有噪声干扰信道例:信道带宽例:信道带宽W=3.1kHz,S/N=2000,则,则 C=3100log2(1+2000)34kb/s 即该信道上的最大数据传输率不会大于即该信道上的最大数据传输率不会大于34kb/s。信噪比的单位也可用分贝(dB)表示:S/NdB=10log10 S/N所以,若S/NdB=30dB,
21、则S/N=1000。C=W log2(1+S/N)C:传输率,单位传输率,单位b/sW:带宽,单位带宽,单位HzS/N:信噪比信噪比29Nyquist公式和公式和Shannon公式的比较公式的比较 C=2W log2M 用于理想信道(这样的信道存在吗?)用于理想信道(这样的信道存在吗?)数据传输率随信号编码级数增加而增加。数据传输率随信号编码级数增加而增加。C=W log2(1+S/N)用于有噪声信道(实际的信道总是有噪声用于有噪声信道(实际的信道总是有噪声!)!)无论信号编码级数增加到多少,此公式给出了有无论信号编码级数增加到多少,此公式给出了有噪声信道可能达到的最大数据传输速率上限。噪声信
22、道可能达到的最大数据传输速率上限。原因:噪声的存在将使编码级数不可能无限增加原因:噪声的存在将使编码级数不可能无限增加。303.通信网络中站点的连接方式通信网络中站点的连接方式点-点连接主站交换连接集线式连接次站次站次站中心站集中器交换机多点连接314.数据传输方式数据传输方式 单单/双工通信双工通信单单/双向传输双向传输 单工单工:数据单向传输:数据单向传输(例:无线电广播)(例:无线电广播)半双工半双工:数据可以双向交替传输,但不能在同:数据可以双向交替传输,但不能在同一时刻双向传输一时刻双向传输(例:对讲机)(例:对讲机)全双工全双工:数据可以双向同时传输:数据可以双向同时传输(例:电话
23、)(例:电话)需要具有两条物理上独立的传输线路;需要具有两条物理上独立的传输线路;或者需要具有一条物理线路上的两个信道,分别用或者需要具有一条物理线路上的两个信道,分别用于不同方向的信号传输。于不同方向的信号传输。32发送器发送器接收器接收器发送器发送器/接收器接收器发送器发送器/接收器接收器发送器发送器/接收器接收器发送器发送器/接收器接收器单工方式:单工方式:半双工方式:半双工方式:全双工方式:全双工方式:A站站B站站可同时不可同时33 基带基带/频带频带/宽带传输宽带传输 基带传输基带传输:不需调制,编码后的数字脉冲信号:不需调制,编码后的数字脉冲信号直接在信道上传送。直接在信道上传送。
24、例如:以太网(局域网)例如:以太网(局域网)频带传输频带传输:数字信号调制成音频:数字信号调制成音频(:20Hz-20KHz)模拟信号后再传送,接收方需要解调。模拟信号后再传送,接收方需要解调。例如:通过电话网络传输数据例如:通过电话网络传输数据 宽带传输宽带传输:把信号调制成频带为几十:把信号调制成频带为几十MHZ到几到几百百MHZ的模拟信号后再传送,接收方需要解调。的模拟信号后再传送,接收方需要解调。例如:闭路电视的信号传输例如:闭路电视的信号传输34 数据同步方式数据同步方式 目的是使接收端与发送端在时间基准上一致:目的是使接收端与发送端在时间基准上一致:同步脉冲频率同步脉冲频率 数据从
25、什么时候开始,什么时候结束数据从什么时候开始,什么时候结束 位边界位边界 数据块边界数据块边界 数据通信中需要在三个层次上实现同步:数据通信中需要在三个层次上实现同步:位位位同步位同步 字符字符字符同步字符同步 帧帧(Frame)帧同步帧同步35 位同步位同步:目的是使接收端接收的每一位信息都与:目的是使接收端接收的每一位信息都与发送端保持同步,发送端保持同步,2种同步方法:种同步方法:外同步外同步发送端发送数据之前发送同步脉冲信号,接收方用接发送端发送数据之前发送同步脉冲信号,接收方用接收到的同步信号来锁定自己的时钟脉冲频率。收到的同步信号来锁定自己的时钟脉冲频率。自同步自同步通过特殊编码(
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