数据通信的基础知识课件.ppt
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1、12/13/2022page 1本章重点l基本概念 多路复用l信道 数据交换技术l传输媒体 差错控制l编码标题添加点击此处输入相关文本内容点击此处输入相关文本内容前言点击此处输入相关文本内容标题添加点击此处输入相关文本内容12/13/2022page 3l数据(Data):传递(携带)信息的实体(描述物体的数字、字母或符号),信息(Information)则是数据的内容或解释。-模拟(Analog)数据是指在某个区间内连续变化的值。例如:声音和视频 数字(Digital)数据在某个区间内是离散的值。例如:文本和整数一些术语12/13/2022page 4信号(Signal):数据的物理量编码(
2、通常为电编码),数据以信号的形式传播。-模拟信号是随时间连续变化的电流、电压或电磁波。数字信号是指利用其某个参量(如幅度、频率或相位等)的变化来表示数据结合你的生活经历请举例说明信息、数据、信号之间的关系12/13/2022page 5 信源:通信过程中产生和发送信息的设备或计算机。信宿:通信过程中接收和处理信息的设备或计算机。信道:信源和信宿之间的通信线路(或通路)是传输信号的通路,由传输线路及相应的附属设备组成。同一条传输线路上可以有多个信道。例如:一条光缆可以同时供几千人通话,有几千条电话信道。12/13/2022page 6信号带宽是指信号的频率范围;信道带宽是指信道上能够传输信号的最
3、大频率范围。信号带宽不能大于信道带宽,否则无法实现通信。实例:传输线路和信道之间的关系可以看作马路与车道之间的关系,一条马路可以划分成一车道,也可以划分成多车道;信号带宽和信道带宽之间的关系可以看作汽车宽度与车道宽度之间的关系,汽车宽度不能大于车道宽度,否则交通无法实现。12/13/2022page 7l比特率(Bit Rate):数据传输速率(bps,b/s)是单位时间内所传送的二进制位的个数,单位为bps或b/s。l码元(Code Cell):时间轴上的一个信号编码单元l码字:码元的有意义的序列称为码字。t码元1码元2码元3码元4码元5信号同步脉冲同步脉冲:用于码元的同步定时,识别码元的开
4、始12/13/2022page 8l波特率(Baud):即信号传送速率是单位时间内所传送的信号的个数(码元数),单位为baud(波特)。1 Baud=(log2M)bps 其中M是信号的编码级数,2N=M。例如:4级编码,即每个信号可有4种不同状态00 01 10 11,则一个码元由两个比特位构成 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。换句话说,一个码元中可以传送多个比特(bit)。t码元1码元2码元3码元4码元5信号同步脉冲12/13/2022page 9数据传输速率和信号传输速率之间的关系:两者都是衡量信息在传输线路上传输快慢的指标,但两者针对
5、的对象不同,前者针对二进制位,后者针对信号 12/13/2022page 10 带宽(Bandwidth):信号或信道占据的频率范围 信道容量(Channel capacity):信道的最大数据率 误码率(Bit error rate):信道传输可靠性指标 P=错误的位数/传输的总位数信息编码:将信息用二进制数表示的方法。数据编码:将数据用物理量表示的规则。例如:字母A的ASCII编码为01000001,其数据编码可能为01000001t12/13/2022page 11通信系统模型通信的三个要素:信源、信宿和信道任何一个通信系统都可以抽象为以下模型:噪声信源编码调制信道解调解码信宿编码器:数
6、据适合传输的信号便于识别、纠错调制器:信号适合传输的形式按频率、幅度、相位解码器:传输信号原始数据解调器:接收波形数字信号序列12/13/2022page 12信息数据信号在介质上传输信号数据信息通信系统的任务信息通过通信系统传输 把携带信息的数据用物理信号形式通过介质传送到目的地。信息和数据(0、1比特)不能直接在介质上传输。12/13/2022page 13通信系统的构成数据传输系统:1)传输线路(包括传输介质和中继设备)2)传输设备:调制解调器、多路复用器、交换机、路由器等数据处理系统:主要是指计算机。12/13/2022page 14通信基本过程包含两项内容:数据传输和通信控制建立物理
7、连接 拨号数据传输链路建立阶段 确认对方数据及控制信息的传输 通话阶段数据传输链路拆除阶段 证实通话结束通信线路拆除阶段 挂机12/13/2022page 15数据通信中的主要技术指标1.数据传输速率1)数据传输速率-每秒传输二进制信息的位数,单位为位/秒,记作bps或b/s。计算公式:S=1/T log2M(bps)T为一个数字脉冲信号的宽度单位为秒;M为一个码元所取的离散值个数(信号状态数)。通常 M=2K,K为二进制信息的位数,K=log2M。M=2时,S=1/T,表示数据传输速率等于信号传输速率。12/13/2022page 162)信号传输速率-单位时间内通过信道传输的码元数,单位为
8、波特,记作Baud。计算公式:B=1/T(Baud)式中 T为信号码元的宽度,单位为秒信号传输速率,也称码元速率、调制速率或波特率。由、式得:S=B log2N(bps)或B=S/log2N(Baud)(3)、(4)式即为数据传输速率和信号传输速率的关系12/13/2022page 17信道容量1)信道容量表示一个信道的最大数据传输速率,单位:位/秒(bps)信道容量与数据传输速率的区别是,前者表示信道的最大数据传输速率,是信道传输数据能力的极限,而后者是实际的数据传输速率。像公路上的最大限速与汽车实际速度的关系一样。2)离散的信道容量奈奎斯特(Nyquist)无噪声下的码元速率极限值B与信道
9、带宽H的关系:B=2 H(Baud)奈奎斯特公式-无噪信道传输能力公式:C=2 H log2M(bps)式中 H为信道的带宽,即信道传输上、下限频率的差值,单位为Hz;M为一个码元所取的离散值个数(信号状态数)。C为最大数据传输速率12/13/2022page 18M 最大数据率(C)2 6000 bps 4 12000 bps 8 18000 bps16 24000 bps32 30000 bps64 36000 bps 例如:话音级线路(3000 Hz)的信道容量计算,如右图所示。C=2 H log2M(bps)12/13/2022page 19实际的信道上存在三类损耗:衰减、延迟、噪声。
10、a)衰减 信道的损耗引起信号强度减弱,导致信噪比S/N降低。b)延迟 信号中的各种频率成分在信道上的延迟时间各不相同,在接收端会产生信号畸变。12/13/2022page 20c)噪声是指信号在传输过程中受到的干扰,按产生的原因可分为内部噪声和外部噪声 热噪声:由导体内的热扰动引起,又称为白噪声,属于内部噪声,引起的差错是随机差错。串扰:信道间产生的不必要的耦合。例:多对双绞线 脉冲噪声:非连续、随机、振幅较大。多由外部电磁干扰造成(闪电、大功率电机启动等),属于内部噪声,引起的差错是突发差错。噪声将破坏信号,产生误码。持续时间0.01s的干扰可以破坏约560个比特 (56Kbps)。12/1
11、3/2022page 213)连续的信道容量香农公式-带噪信道容量公式:C=H log2(1+S/N)(bps)式中 S为信号功率,N为噪声功率,S/N为信噪比,通常把信噪比表示成10lg(S/N)分贝(dB)。12/13/2022page 22S/NdB 信噪比(dB分贝)的定义S/NdB=10 log10 S/N例:信道带宽W=3KHz,信噪比为30dB,则 S/NdB=10lg S/NC=3000*log2(1+1000)30Kbps 1010dBNSNS 即:12/13/2022page 231.数字信道和模拟信道数字信道:以数字脉冲形式(离散信号)传输数据的信道。模拟信道:以连续模拟
12、信号形式传输数据的信道。12/13/2022page 242.模拟信号和数字信号模拟信号:时间上连续,包含无穷多个值数字信号:时间上离散,仅包含有限数目的预定值tta)模拟信号b)数字信号12/13/2022page 253.周期信号和非周期信号周期信号:信号由不断重复的固定模式组成(如正弦波)非周期信号:信号没有固定的模式和波形循环(如语音的音波信号),能被分解成无数个周期信号的叠加。ttTTTTTT周期信号12/13/2022page 26数字通信的优点 抗噪声(干扰)能力强 可以控制差错,提高了传输质量 便于用计算机进行处理 易于加密、保密性强 可以传输语音、数据、影像,通用、灵活 仅在
13、不得已的情况下,才会采用模拟通信。如用modem通过拨号线路传输数字信号。12/13/2022page 272.3传输模式(通信方式)按照通信中字节使用的信道数,数据通信方式可分为串行通信和并行通信。1 1并行传输方式 采用并行传输方式,可以一次传输多位数据。相应地,从发送端到接收端的信道需要若干根传输线。例如,计算机的并行口常用于连接打印机,每次并行输出8 8位数据,如图所示。2 2串行传输方式 串行传输是一位一位地传送的,从发送端到接收端只要一根传输线即可如图所示。12/13/2022page 28发送端接收端信道1信道2信道3信道4信道5信道6信道7信道812/13/2022page 2
14、9发送端并串转换12345678串并转换接收端123456781 2 3 4 5 6 7 8注:串行数据通信又有三种不同的方向性结构:单工、半双工和全双工,如图所示。12/13/2022page 30 单工:数据单向传输(无线电广播)为保证正确传送数据信号,接收端要对接收的数据进行校验,若校验出错,则通过监控信道发送请求重发的信号。半双工:数据可以双向传输,但不能在同一时刻双向传输(对讲机)全双工:数据可同时双向传输(电话)两个方向的信号共享链路带宽:1)链路具有两条物理上独立的传输线路,或 2)将带宽一分为二,分别用于不同方向的信号传输如图:12/13/2022page 31发 送 设 备接
15、 收 设 备数 据 流通 信 连 接(a)单 工发 送 设 备接 收 设 备发 送 设 备接 收 设 备数 据 流(b)半 双 工通 信 连 接发 送 设 备接 收 设 备接 收 设 备发 送 设 备数 据 流(c)全 双 工通 信 连 接12/13/2022page 325.数字数据的传输方式 基带传输:不调制,编码后的数字脉冲信号直接在信道上传送。例如:以太网 频带传输:调制成模拟信号后再传送,接收方需要解调 例如:通过电话模拟信道传输其中,发送端将数字信号转化为模拟信号称为调制。接收端将模拟信号转化为数字信号,称为解调。宽带传输 比音频带宽(2003400HZ)更宽的频带,包括大部分电磁
16、波频道。12/13/2022page 336.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 (包括开始时间、位边界、重复频率等)。有两种同步方法:同步传输 异步传输12/13/2022page 34一、同步传输 不是以字符为单位而是以数据块(一组字符)为单位传输的。在每个数据块前后加上起始和结束标志,使接收和发送建立同步。两种形式同步传输:面向字符的同步传输面向比特的同步传输12/13/2022page 35面向字符的同步传输 是一次传送由若干字符组成的数据块,并规定十个特殊字符作为数据块的起始和结束标志以及整个传输过程的控制信息。SYNSYN数据块块校验ETB/ETXSOH标题STX
17、SYN是同步字符一个SYN是单同步两个SYN是双同步SOH是序始字符,表示标题开始。标题包括信息源地址、目的地址和路由指示等STX叫文始字符标志传送文字的开始。正文很长,需分成若干个分数据块,ETB是组终字符加在每个分数据块的后面,ETX文终字符加在最后的分数据块后。12/13/2022page 360111110地址场控制场和数据场0111110校验场0-n位帧起始帧结束8-32位8位 面向比特的同步传输 所传的一帧数据是任意位,起止标志由约定的位模式来标志。帧起始字段:表示数据帧的开始 地址字段:包括源地址(发送方地址)和目的地址(接收方地址)控制字段:用于控制信息(该部分对于不同数据帧可
18、能变化较大)数据字段:用户数据(可以是字符组合,也可以是比特组合)检验字段:用于检错 帧结束字段:表示数据帧的结束12/13/2022page 37 二、异步传输 以字符为单位实现字符的同步接收,每个字符前需加一位起始位,以表示一个字符的开始,字符后加一位校验位,以便接收方进行错误校验,然后再加1,1.5,2个停止位,以表示一个字符结束。12/13/2022page 38异步传输的工作原理异步传输的工作原理如图所示,无数据传输时,传输线处于停止状态,即高电平;当检测到传输线状态从高电平变为低电平时,即检测到起始位时,接收端启动定时机构,按收、发双方约定的时钟频率对约定的字符比特数(58bit)
19、进行接收,并以约定的校验算法(如果有校验位)进行差错控制;待传输线状态从低电平变为高电平时(检测到终止位),接收结束。停止位 起 1 1 1 0 0 0 0 1 校 停止位 一个字符12/13/2022page 39异步传输分析 1、各字符分组所含比特数相同,用固定的时钟频率传输都同步,因此传输每一字符所用的时间相同。2、起始位的作用是使每一字符内的各比特收发同步。3、发送各字符的时间间隔不固定,也就是不同步。12/13/2022page 40异步传输的特点 1、实现简单 2、数据传输额外开销大 因为每个字符需加起始位和终止位 因此,这种方式主要用于低速设备,如键盘和某些打印机等。12/13/
20、2022page 41数据:模拟数据、数字数据信号:模拟信号、数字信号 信道:模拟信道、数字信道不同类型的信号在不同类型的信道上传输有4种组合,每一种相应地需要进行不同的编码处理。12/13/2022page 42话音模拟传输模拟数字模拟模拟CODEC数字数字数字编码数字模拟数据,模拟信号数字数据,模拟信号数字数据,数字信号模拟数据,数字信号10101010Modem12/13/2022page 431.数字数据的数字信号编码 l l不归零制(NRZ,Non-Return to Zero)a)单极性不归零码,无电压表示“0”,恒定正电压表示“1”,每个码元时间的中间点是采样时间,判决门限为半幅
21、电平。0 1 1 1 0 0 0 0 1 判决门限 E12/13/2022page 44 0 1 1 1 0 0 0 0 1 判决门限 b)双极性不归零码,“1”码和“0”码都有电流,“1”为正电流,“0”为负电流,正和负的幅度相等,判决门限为零电平。练习:1011001 思考:需要同步机制吗?E-E12/13/2022page 45l l归零制a)单极性归零码,当发“1”码时,发出正电流,但持续时间短于一个码元的时间宽度,即发出一个窄脉冲;当发“0”码时,仍然不发送电流。0 1 1 1 0 0 0 0 1 判决门限 12/13/2022page 46b)双极性归零码,其中1码发正的窄脉冲,0
22、码发负的窄脉冲,两个码元的时间间隔可以大于每一个窄脉冲的宽度,取样时间是对准脉冲的中心。0 1 1 1 0 0 0 0 1 判决门限 E-E 12/13/2022page 47c)交替双极性归零码,在发“1”时发一窄脉冲,且脉冲的极性总是交替的,即如果发前一个1时是正脉冲,则发后一个“1”时是负脉冲;而发“0”时不发脉冲。0 1 1 0 1 0 0 1 0E 判决门限-E练习:101100112/13/2022page 48 规定在每个码元的中间发生跳变:高 低的跳变1,低高的跳变0 每个码元中间都要发生跳变,接收端可将此变化提取出来作为同步信号,使接收端的时钟与发送设备的时钟保持一致。曼彻斯
23、特编码也称为自同步码。它具有自同步机制,无需外同步信号。l l曼彻斯特编码 用电压的变化表示0和1。12/13/2022page 49l l差分曼彻斯特编码(Differential Manchester code)与曼彻斯特编码相同,在每个码元的中间,信号都会发生跳变;不同之处在于:用在码元开始处有无跳变来表示0和1:码元开始处有跳变0 码元开始处无跳变112/13/2022page 50数字编码的波形图练习:101100112/13/2022page 51下列编码中,属于自同步码的是。A.单极性归零码 B.双极性归零码C.曼彻斯特编码 D.幅移键控编码12/13/2022page 522.
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