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1、第02章数据通信基础第1页，共45页，编辑于2022年，星期日2.1 通信系统的组成n信息源和接收者是信息的产生者和使用者第2页，共45页，编辑于2022年，星期日2.1通信系统的组成n信息源编码：将连续信息转变为数字信号。n调制：信道编码的一种，使数字信号与传输介质匹配，提高传输的可靠性或有效性。第3页，共45页，编辑于2022年，星期日2.1 通信系统的组成n传输介质：信号的传输媒介。其可以为有线介质，也可以为无线介质。第4页，共45页，编辑于2022年，星期日2.1 通信系统的组成n接收设备：完成发送设备的反变换。其任务是从带有干扰的信号中正确恢复出原始信息来。对于多路复用信号，还包括实
2、现正确分路。第5页，共45页，编辑于2022年，星期日2.2 信道编码n1.单极性码单极性非归零（单极性非归零（NRZ）码）码单极性归零（单极性归零（RZ）码）码第6页，共45页，编辑于2022年，星期日2.2信道编码n2.双极性码双极性非归零（双极性非归零（NRZ）码）码双极性归零（双极性归零（RZ）码）码第7页，共45页，编辑于2022年，星期日2.2信道编码n3.差分码差分码差分码计算机输出1时，差分码翻转；计算机输出0时，差分码保持。第8页，共45页，编辑于2022年，星期日2.2信道编码n4.曼切斯特编码1前半段高后半段低0前半段低后半段高1前半段与上个电平相同0前半段与上个电平相反
3、第9页，共45页，编辑于2022年，星期日2.2信道编码n5.对基带数字信号的几种调制方法 010011100基带信号调幅调频调相第10页，共45页，编辑于2022年，星期日2.2信道编码n5.对基带数字信号的几种调制方法 n正交调制QAM(Quadrature Amplitude Modulation)r(r,)n可供选择的相位有 12 种，而对于每一种相位有 1 或2 种振幅可供选择。n由于4 bit 编码共有16 种不同的组合，因此这 16 个点中的每个点可对应于一种 4 bit 的编码。n若每一个码元可表示的比特数越多，则在接收端进行解调时要正确识别每一种状态就越困难。第11页，共45
4、页，编辑于2022年，星期日2.3 通信系统的性能指标u1.有效性指标有效性指标（1）数据传输速率：单位时间内传送的数据量。T发送一位码元所需的最小时间；n为信号的有效状态。第12页，共45页，编辑于2022年，星期日2.3 通信系统的性能指标nBaud 是波特，是码元传输速率的单位，1 波特为每秒传送 1 个码元。n比特率：通信系统每秒传输的二进制位数（bit/s）。n波特是码元传输的速率单位（每秒传多少个码元）。码元传输速率也称为调制速率、波形速率或符号速率。n比特是信息量的单位。第13页，共45页，编辑于2022年，星期日2.3 通信系统的性能指标n频带利用率（(bit/s)/HZ）：每
5、赫兹带宽所能实现的比特率。n协议效率：所传递数据包中有效数据与整个数据包长度的比值。n通信效率：数据帧的传输时间同用于发送报文的所有时间之比。第14页，共45页，编辑于2022年，星期日2.3 通信系统的性能指标u2.可靠性指标可靠性指标（1）误码率：二进制码元在数据传输系统中被误传的概率。N二进制码元总数；Ne为被传错的码元数。第15页，共45页，编辑于2022年，星期日2.3 通信系统的性能指标u3.通信信道的频率特性通信信道的频率特性幅频特性：不同频率信号通过信道后，其幅值受到不同衰减的特性。相频特性：不同频率信号通过信道后，其相角发生不同程度改变的特性。第16页，共45页，编辑于202
6、2年，星期日2.3 通信系统的性能指标u4.介质带宽介质带宽介质只能传输有效带宽在介质带宽范围内的信号。如果介质带宽小于信号的有效带宽，信号就可能产生失真而使接收端难以辨认。传输介质的带宽会限制传输速率的增高。第17页，共45页，编辑于2022年，星期日2.3 通信系统的性能指标n5.信道容量n信道容量：指在某种传输介质中单位时间可能传送的最大比特数。n只要信号速率低于信道容量，就可以找到一种编码方式，实现低误码率传输。否则，其传输就不能正常进行。第18页，共45页，编辑于2022年，星期日2.3 通信系统的性能指标n5.信噪比对信道容量的影响n香农公式C=W log2(1+S/N)b/s n
7、W 为信道的带宽（以 Hz 为单位）；nS 为信道内所传信号的平均功率；nN 为信道内部的高斯噪声功率。第19页，共45页，编辑于2022年，星期日 n单向通信（单工通信）只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。n双向交替通信（半双工通信）通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送(当然也就不能同时接收)。n双向同时通信（全双工通信）通信的双方可以同时发送和接收信息。2.4 有关信道的几个基本概念有关信道的几个基本概念第20页，共45页，编辑于2022年，星期日2.5 网络的拓扑结构第21页，共45页，编辑于2022年，星期日2.6 网络传输介质n1.传输介质的种类第22页，共45页，编辑于
8、2022年，星期日2.6 网络传输介质n2.传输介质的频带范围第23页，共45页，编辑于2022年，星期日B向 D发送数据 C D A E匹配电阻（用来吸收总线上传播的信号）匹配电阻不接受不接受不接受接受B只有 D 接受B 发送的数据n1.CSMA/CD 协议2.7 介质访问控制第24页，共45页，编辑于2022年，星期日n1.CSMA/CD 协议n CSMA/CD 表示 Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection。n“多点接入”表示许多计算机以多点接入的方式连接在一根总线上。n“载波监听”是指每一个站在发送数据之前先要检测一下
9、总线上是否有其他计算机在发送数据，如果有，则暂时不要发送数据，以免发生碰撞。2.7 介质访问控制第25页，共45页，编辑于2022年，星期日n“碰撞检测”就是计算机边发送数据边检测信道上的信号电压大小。n当几个站同时在总线上发送数据时，总线上的信号电压摆动值将会增大（互相叠加）。n当一个站检测到的信号电压摆动值超过一定的门限值时，就认为总线上至少有两个站同时在发送数据，表明产生了碰撞。n所谓“碰撞”就是发生了冲突。因此“碰撞检测”也称为“冲突检测”。2.7 介质访问控制第26页，共45页，编辑于2022年，星期日n检测到碰撞n在发生碰撞时，总线上传输的信号产生了严重的失真，无法从中恢复出有用的
10、信息来。n每一个正在发送数据的站，一旦发现总线上出现了碰撞，就要立即停止发送，免得继续浪费网络资源，然后等待一段随机时间后再次发送。2.7 介质访问控制第27页，共45页，编辑于2022年，星期日n举例说明nA 向 B 发出的信息，要经过一定的时间后才能传送到 B。nB 若在 A 发送的信息到达 B 之前发送自己的帧(因为这时 B 的载波监听检测不到 A 所发送的信息)，则必然要在某个时间和 A 发送的帧发生碰撞。n碰撞的结果是两个帧都变得无用。2.7 介质访问控制第28页，共45页，编辑于2022年，星期日1 kmABt碰撞t=2 A 检测到发生碰撞 t=B 发送数据B 检测到发生碰撞 t=
11、t=0单程端到端传播时延记为 第29页，共45页，编辑于2022年，星期日1 kmABt碰撞t=B 检测到信道空闲发送数据t=/2发生碰撞t=2 A 检测到发生碰撞 t=B 发送数据B 检测到发生碰撞 t=ABABAB t=0 A 检测到信道空闲发送数据ABt=0t=B 检测到发生碰撞停止发送STOPt=2 A 检测到发生碰撞STOPAB单程端到端传播时延记为 第30页，共45页，编辑于2022年，星期日n几点说明n使用 CSMA/CD 协议的网络不能进行全双工通信而只能进行双向交替通信（半双工通信）。n每个站在发送数据之后的一小段时间内，存在着遭遇碰撞的可能性。n这种发送的不确定性使整个以太
12、网的平均通信量远小于网联络的最高数据率。2.7 介质访问控制第31页，共45页，编辑于2022年，星期日n2.令牌（Token）访问控制方式n具有特定格式的令牌帧绕环行使，将访问媒体的权利从一个结点传递到物理连接的另外一个结点；n希望发送信息的结点将数据组成MAC帧，并仅在获得令牌之后，才可进行发送动作；n每个结点均执行环内数据的再生和转发；n只有接收结点进行数据帧的复制和接收；n发送数据的结点在收到绕环一周的帧后，撤出该帧并释放令牌。2.6 介质访问控制第32页，共45页，编辑于2022年，星期日n2.令牌（Token）访问控制方式2.6 介质访问控制第33页，共45页，编辑于2022年，星
13、期日2.7 差错控制方法n 传输差错由随机差错和突发差错共同构成的，而造成差错可能的原因包括：n在物理信道上，线路本身的电气特性随机产生的信号幅度、频率、相位的畸形和衰减；n电气信号在线路上产生反射噪声的回波效应；n相邻线路之间的串线干扰；n大气中的闪电、电源开关的跳火、自然界磁场的变化以及电源的波动等外界因素第34页，共45页，编辑于2022年，星期日2.8 差错控制方法n1.奇偶校验码n垂直奇偶校验码 基本方法是将所要传输的数据进行分组，在每一组的信息位后面增加一位冗余位，使每组检验码中“1”的个数成为奇数（奇校验）或偶数（偶校验）。第35页，共45页，编辑于2022年，星期日2.8 差错
14、控制方法n水平奇偶校验码 基本方法是将所要传输的数据进行分组，对各组中同一位的数据进行奇偶校验，从而形成一组校验码。偶校验奇校验第36页，共45页，编辑于2022年，星期日2.8 差错控制方法n垂直水平奇偶校验码 将所要传输的数据进行分组，同时进行垂直和水平校验。第37页，共45页，编辑于2022年，星期日2.8 差错控制方法n2.CRC（Cyclic Redundancy Code）循环冗余码n 计算机网络和数据通信，最广泛的检错码，漏检率低，便于实现。第38页，共45页，编辑于2022年，星期日2.8 差错控制方法n冗余码的计算n假设待传送的数据 M=1010001（共k=7bit）。我们
15、在M的后面再添加供差错检测用的 n bit 冗余码一起发送。n进行 2n 乘 M 的运算，这相当于在 M 后面添加 n 个 0。n得到的(k+n)bit 的数模 2除以事先选定好的长度为(n+1)bit 的除数 P，得出商是 Q 而余数是 R，余数 R 取比除数 P 少1 个比特。第39页，共45页，编辑于2022年，星期日2.8 差错控制方法n冗余码的计算举例n设 n=4,P=10111，M=1010001（共k=7bit）模 2除法算。n将M后加4个0成为10100010000n与p=10111做模 2运除法运算n结果是：商Q=1001111，余数R=1101。n将余数 R 作为冗余码添加
16、在数据 M 的后面发送出去，即发送的数据10100011101（2nM+R）。第40页，共45页，编辑于2022年，星期日2.8 差错控制方法n接收方验证数据。接到10100011101，还用10111除。n结论:如果余数为0，则接收数据无误。否则，接收数据有误。第41页，共45页，编辑于2022年，星期日2.8 差错控制方法n3.海明（Hamming）编码n（1）已知被校验数据的长度为n（11010001 n=8），确定校验位数k，即2Kn+k+1（k=4，24 8+4+1=13）；n（2）确定发出数据 D7,D6,D5,D4,P4,D3,D2,D1,P3,D0,P2,P1（1101（P4）
17、000（P3）1（P2）（P1）表示为：M12M11M10M9M8M7M6M5M4M3M2M1 P4P3P2P1为校验数据，位置在2i-1个位（i校验数据的序号）；S4=M12 M11 M10 M9 M8（i=1000Max）P4=D7D6 D5 D4=11 0 1=1S3=M12 M7 M6 M5 M4（i=0100Max）P3=D7D3 D2 D1=10 0 0=1第42页，共45页，编辑于2022年，星期日2.8 差错控制方法 S2=M11 M10 M7 M6 M3 M2（i=0010Max）P2=D6D5 D3 D2 D0=10 0 0 1=0S1=M11 M9 M7 M5 M3 M1
18、（i=0001Max）P1=D6D4 D3 D0=10 0 1=0发出数据为：D7,D6,D5,D4,P4,D3,D2,D1,P3,D0,P2,P1（110100001100）n接收验证S4=M12 M11 M10 M9 M8=11 0 1 1=0S3=M12 M7 M6 M5 M4=10 0 0 1=0 S2=M11 M10 M7 M6 M3 M2=10 0 0 10=0S1=M11 M9 M7 M5 M3 M1=10 0 1 0=0第43页，共45页，编辑于2022年，星期日2.8 差错控制方法n 结论由于S1S2S3S4=0000，所以无错误n如果M6传错，则S4=M12 M11 M10
19、 M9 M8=10 1 0 0=0S3=M12 M7 M6 M5 M4=10 1 0 1=1 S2=M11 M10 M7 M6 M3 M2=10 0 1 10=1S1=M11 M9 M7 M5 M3 M1=10 0 1 0=0S1S2S3S4=0110=6，所以，此算法能够判断出是那一位出差。第44页，共45页，编辑于2022年，星期日思考题n1.3.1kHz带宽的电话信道，S/N=2500，求此信道的容量。n2.发送数据1101011011。采用CRC算法，除数选择10011，(1)计算发送序列？(2)如果第3位1变为0能否检测出来？n3.发送数据1101011011。采用海明编码算法，(1)计算发送序列？(2)如果第7位发生传输错误能否检测出来？n4.发送数据1101，0110，1101，1001。将发送数据分为4组，经过垂直水平奇偶校验后，求其发送序列？第45页，共45页，编辑于2022年，星期日