1、第2章 数据通信基础知识,任课教师：李国佳,学习目标, 了解数据通信的基本概念 理解数据通信中数据的传输和编码方法 理解数据交换技术和多路复用技术 了解差错控制方法和差错控制编码技术,任务1：了解数据通信系统,计算机之间的通信是资源共享的基础，计算机通信网络的核心是数据通信设施。本任务将学习数据通信系统的组成、基本概念和数据通信的主要技术指标。,1.1.1 数据通信系统模型,1.通信系统用来实现通信过程的系统2通信系统的基本组成 通信系统必须具备3个基本要素：信源、传输介质和信宿。 通信系统的一般模型如图所示，包括信源、发送设备、信道、噪声源、接收设备和信宿6个部分。 例如：电话，传真，手机，
2、电报，对讲机,1.1.1 数据通信系统模型,（1）信源： 作用是将原始信息转换为相应的信号（通常称为基带信号）。 （2）发送设备： 对基带信号进行各种变换和处理，使其适合在信道中传输。 （3）信道： 发送设备和接收设备之间用于传输信号的介质。,模型中各部分的功能,（4）接收设备： 对接收信号进行必要的处理和变换后，恢复为相应的基带信号。 （5）信宿： 将恢复的基带信号转换成相应的原始信息。 （6）噪声源： 信道中的噪声以及分散在通信系统其他各处噪声的集中表现。,1.1.2 数据通信的基本概念,1数据、信息和信号 数据（Data）：是记录下来的可以被鉴别的符号，是把事物的某些特征（属性）规范化后
3、的表现形式。具有稳定性和表达性。 信息（Information）：是对数据的认识和解释，是对数据进行加工和处理后产生的数据。 信号（Signal）：是数据的物理表示形式。在数据通信系统中，传输介质以适当形式传输的数据都是信号。信号是数据或信息的载体，有模拟和数字两种形式,1.1.2 数据通信的基本概念,1数据、信息和信号 数据和信息是有区别:数据是独立的，是尚未组织起来的事实的集合；信息是按照一定要求以一定格式组织起来的数据，,某人身高：2.26米 今天气温：39度,这人很高 今天很热,数 据,信 息,1.1.2 数据通信的基本概念,2模拟通信和数字通信根据信道传输信号的差异，通信系统分为模拟
4、通信系统和数字通信系统。 模拟通信系统：信道中传输模拟基带信号或模拟频带信号的通信系统称为模拟通信系统。 数字通信系统：信道中传输数字基带信号或数字频带信号的通信系统称为数字通信系统。,3通信系统的性能指标,通信系统的性能指标： 有效性：传输信息的效率；可靠性：接受信息的准确度 （1）模拟通信系统的性能指标 有效性用有效传输频带来度量。 可靠性用接收端输出的信噪比来度量。,信噪比： 指输出信号的平均功率和输出噪声的平均功率之比，单位分贝（dB） ，即10logS/N （dB）。 信噪比越大，通信质量越好。,3通信系统的性能指标,（2）数字通信系统的质量指标 数字通信系统的有效性用信息传输速率来
5、度量。 数字通信系统的可靠性用误码率来度量。,传输速率： 它是指单位时间内传输的信息量，单位为bit/s 误码率： 它是指接收错误的码元数与传输的总码元数之比。 即传输错误码元的概率。,数字通信的主要优点,（1）抗干扰能力强 （2）便于加密处理 （3）易于实现集成化，从而减小通信设备体积和功耗 （4）利于采用时分复用实现多路通信,图2-2 模拟通信和数字通信抗干扰性能的比较,2.1.3 数据通信的主要技术指标,1数据传输速率(选) （1）比特率S：数据的传输速率，指在有效带宽上，单位时间内传输的二进制代码位（比特）数，单位是“位/秒”，记作bit/s。常用的数据传输速率单位：kbit/s、Mb
6、it/s、Gbit/s与Tbit/s。1kbit/s= 1103 bit/s；1Mbit/s= 1106bit/s；1Gbit/s= 1109bit/s；1Tbit/s= 11012bit/s。,1.1.3 数据通信的主要技术指标,（1）比特率S（选）设T为传输的电脉冲信号的宽度或周期，N为脉冲信号所有可能的状态数，则比特率为S=(1/T)*log2N（bit/s）log2N是每个电脉冲信号所表示的二进制数据的位数（比特数）。如电信号的状态数N=2，即只有“0”和“1”两个状态，则每个电信号只传送1位二进制数据，此时，S=1/T。,1.1.3 数据通信的主要技术指标,（2）波特率B：（选）调制
7、速率，又称码元速率，是数字信号经过调制后的传输速率。波特率指在有效带宽上，单位时间内传送的波形单元（码元）数。B= 1/T(Baud)即1波特表示每秒钟传送一个码元。波特率与比特率的数量关系：S=Blog2N,1.1.3 数据通信的主要技术指标,2信道、信道容量、信道带宽 （1）信道：信道是传送信号的通路， （2）信道容量：表示一个信道的最大数据传输速率，单位为位/秒，记作bit/s。 （3）信道带宽：指信道上能够传送信号的最高频率与最低频率之差，单位为赫兹（Hz）。,1.1.3 数据通信的主要技术指标,2信道、信道容量、信道带宽(选学),信道容量的计算：(奈奎斯特定理) 条件：理想信道（无噪
8、声，有限带宽的信道） Smax=2Blog2V bit/s B：通信信道带宽，单位：HZ V：信号可取的离散值个数,1.1.3 数据通信的主要技术指标,2信道、信道容量、信道带宽（选学）,香农定理： 条件：有随机噪声，有限带宽的信道 Smax=Blog2(1+S/N) bit/s B：通信信道带宽，单位：HZ S：信号功率 N：噪声功率,练习题（选学） 1、对于带宽为6MHz的电视信道，假定信道是无噪声的，如果数字信号使用8种离散值，则其最大数据传输率是多少？2、对于带宽为3kHz、信噪比为20dB的信道，当其用于发送二进制信号时，它的最大数据传输率是多少?,1.1.3 数据通信的主要技术指标
9、,1.1.3 数据通信的主要技术指标,3误码率Pe误码率是指二进制码元在数据传输中被传错的概率，又称“出错率”。误码率是衡量数据通信系统在正常情况下传输可靠性的指标。计算机网络中，不高于10-6 4吞吐量吞吐量是信道或网络性能的另一个参数，数值上等于信道或网络在单位时间内传输的总信息量，单位也是bit/s。,1.1.3 数据通信的主要技术指标,5网络负荷量网络负荷量是指网络单位面积中的数据分布量，即数据在网络中分布密度。网络负荷量过小，网络的吞吐量也会小，导致网络利用率过低；网络负荷量过大，容易产生阻塞现象，直接导致网络吞吐量降低。,任务2：理解数据通信方式,通信方式：数据传输的方向、数据发送
10、的方式在计算机网络中，从不同的角度看有多种不同的通信方式。本任务学习、掌握并行通信和串行通信以及单工、半双工和全双工通信的基本概念。,2.2.1 并行通信和串行通信,1并行通信 并行通信是指多个数据位同时在设备之间进行传输。一般适用于短距离、要求传输速度高的场合; 2串行通信 串行通信是指一次只有一个数据位在设备之间传输。串行通信常用于计算机与计算机或与外部设备之间的数据传输。,2.2.2 单工、半双工和全双工通信,1单工通信 通信信道是单向信道，数据信号仅沿一个方向传输； 2全双工通信 数据可以同时沿相反的两个方向双向传输。 3半双工通信信号可以沿两个方向传送，但同一时刻一个信道只允许单方向
11、传送信号。,任务3：理解数据传输方式,数据传输方式：传输的信号、数据的编码 常见的信号形式有模拟信号和数字信号，如图所示。其中，模拟信号（Analog Signal）的电平是连续变化的，数字信号（Digital Signal）是用两种不同电平表示0、1比特序列的电压脉冲信号。本任务将学习基带传输、频带传输和宽带传输、信源编码技术和多路复用技术等。,2.3.1 基带传输、频带传输和宽带传输,1基带传输基带（Baseband）是指调制前原始电信号占用的频带，是原始电信号固有的基本频带。基带信号 是未经载波调制的信号。由“0”和“1”组成的数字信号又称为“数字基带信号”。基带传输 在信道中直接传输基
12、带信号时，称为基带传输。 基带传输的信号既可以是模拟信号，也可以是数字信号，具体类型由信源决定。,2.3.1 基带传输、频带传输和宽带传输,2频带传输 利用模拟信道实现数字信号传输的方法，称为“频带传输”。 将数字信号调制成模拟信号后在发送和传输，到达接收端时，再把模拟信号解调为原来的数字信号。 调制解调器,2.3.1 基带传输、频带传输和宽带传输,3.频带传输与基带传输不同： 基带传输中，基带信号占有信道的全部带宽；频带传输中，模拟信号通常由某个频率或某几个频率组成，占用一个固有频带(高频)，即整个频道的一部分。采用多路复用技术，提高了信道利用率。 频带传输的波形比较单一，因为在频带传输中只
13、需要用不同幅度或不同频率表示0、1两个电平。,2.3.1 基带传输、频带传输和宽带传输,4宽带传输宽带是指带宽比声频更宽的频带。利用宽带进行的传输称为宽带传输。宽带传输可以在传输介质上使用频分多路复用技术。由于数字信号的频带很宽，不便于在宽带网中直接传输，通常将其转化成模拟信号后再在宽带网中传输。宽带传输信道容量大，传输距离远，基带传输速率快，距离近,2.3.2 信源编码技术,通信的信道：模拟信道和数字信道 传输的数据：模拟数据和数字数据 模拟数据(Analog Data)是由传感器采集得到的连续变化的值，例如温度、压力，以及目前在电话、无线电和电视广播中的声音和图像。 数字数据(Digital Data)则是模拟数据经量化后得到的离散的值，例如在计算机中用二进制代码表示的字符、图形、音频与视频数据 基本的数据编码方式： 数字数据的模拟信号编码 数字数据的数字信号编码 模拟数据的数字信号编码,2.3.2 信源编码技术,2.3.2 信源编码技术,1数字数据的模拟信号编码发送端将数字数据信号变换成模拟数据信号的过程称为调制（Modulation）。接收端将模拟数据信号还原成数字数据信号的过程称为解调（Demodulation）。,广义：调制：将信源发出的信号转化成适合信道传输的信号；解调：将信道上的信号转化成原始信号，即调制的反过程。,
