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1、第4讲 数据通信和编码技术本讲稿第一页，共六十五页1 数据通信概述n数据通信系统基本概念n数据通信系统的模型n数据通信系统的技术指标本讲稿第二页，共六十五页1.1 数据通信系统基本概念n数据（Data）数据通信中传输的二进制代码，是传输信息的载体 n信息（Information）数据的内容和解释n信号(Signal)数据在传输过程中的电磁波表示形式n模拟信号随时间连续变连续变化化的物理量n数字信号相对于时间和幅值而言都是不不连续连续的，即离散的物理量本讲稿第三页，共六十五页模拟信号数字信号信号本讲稿第四页，共六十五页n 周期信号信号在一段可测量的时间内完成一种模式，并且在随后同样长的时段内不断
2、重复这种模式n周期T完成一个完整模式所需要的时间，其值是固定的信号本讲稿第五页，共六十五页n 非周期信号在随时间变化的过程中，不会出现重复的模式信号本讲稿第六页，共六十五页模拟的和数字的数据、信号 模拟数据模拟信号放大器整形器模拟数据数字信号 PCM编码器数字数据模拟信号调制器数字数据数字信号数字发送器本讲稿第七页，共六十五页1.1 数据通信系统基本概念n数据通信：在两点或多点之间以二进制形式进行信息交换n信源：一次通信中发送信息的一端n信宿：一次通信中接收信息的一端n信道：信源和信宿之间的通信线路本讲稿第八页，共六十五页通信线路输入信息输入数据发送的信号接收的信号输出数据源点终点发送器接收器
3、调制解调器PC 机公用电话网调制解调器数字比特流数字比特流模拟信号模拟信号 正文正文数据通信系统信源源系统信宿目的系统信道传输系统输出信息PC 机1.2 数据通信系统模型n一个数据通信系统由信源、信道和信宿三个部分组成。本讲稿第九页，共六十五页1.3 数据通信系统的技术指标n数据传输速率n带宽n时延n信道容量本讲稿第十页，共六十五页 数据传输速率n比特率：单位时间内所传送的二进制码的有效位数，单位bps。n波特率：是脉冲信号经过调制后的传输速率，它是指单位时间内传输的码元数目，单位波特（Baud）。n码元：一个数字脉冲信号。一个码元可以携带K种状态n比特率与波特率的换算关系为：R(bps比特率
4、)B（波特率）log2Kn误码率：二进制码在传输过程中出现错误的概率。误码率=传输中发生差错的码元数/传输总码元数本讲稿第十一页，共六十五页n设信号的波特率为600Baud，采用4相DPSK（相键控调控）调制，则信道支持的最大数据速率为_。A.300b/s B.600b/s C.800b/s D.1200b/sn答案：Dn600*log24=1200例题本讲稿第十二页，共六十五页带宽n对于模拟信号而言，带宽又称为频宽，以赫兹（Hz）为单位。n对于数字信号而言，带宽是指单位时间内链路能够通过的数据量。n为了与模拟信道的带宽进行区分，数字信道的带宽一般直接用波特率或符号率来描述。本讲稿第十三页，共
5、六十五页n信号从源端发送到宿端所需要的时间n发送时延n传播时延n处理时延时延(delay 或 latency)本讲稿第十四页，共六十五页n发送时延（传输时延）发送数据时，数据块从结点进入到传输媒体所需要的时间。发送时延=数据块长度（比特）信道带宽（比特/秒）时延本讲稿第十五页，共六十五页n传播时延 电磁波在信道中需要传播一定的距离而花费的时间。n信号传输速率（即发送速率）和信号在信道上的传播速率是完全不同的概念。传播时延=信道长度（米）信号在信道上的传播速率（米/秒）时延本讲稿第十六页，共六十五页n处理时延 交换结点为存储转发而进行一些必要的处理所花费的时间。n结点缓存队列中分组排队所经历的时
6、延是处理时延中的重要组成部分。n处理时延的长短往往取决于网络中当时的通信量。n有时可用排队时延作为处理时延。时延本讲稿第十七页，共六十五页n数据经历的总时延就是发送时延、传播时延和处理时延之和：总时延=发送时延+传播时延+处理时延时延本讲稿第十八页，共六十五页三种时延所产生的地方 1 0 1 1 0 0 1发送器队列在链路上产生传播时延结点 B结点 A在发送器产生发送时延在队列中产生处理时延数据从结点 A 向结点 B 发送数据链路本讲稿第十九页，共六十五页容易产生的错误概念 n对于高速网络链路，我们提高的仅仅是数据的发送速率而不是比特在链路上的传播速率。n提高链路带宽减小了数据的发送时延。本讲
7、稿第二十页，共六十五页往返时延 RTT n往返时延 RTT(Round-Trip Time)表示从发送端发送数据开始，到发送端收到来自接收端的确认（接收端收到数据后立即发送确认），总共经历的时延。本讲稿第二十一页，共六十五页信道容量n信道容量：单位时间内，信道上所能传输的最大比特数，用bps表示。当传输速率超过信道容量时，会产生信号失真n香农定理 C=Wlog2(1+S/N)nC:信道的极限数据传输速率nW:信道带宽（Hz）n带宽为6KHz，信噪比为20dB的信道，发送二进制信号时的最大数据传输率是多少？nS:信道内信号的平均功率nN:信道内的噪声功率。本讲稿第二十二页，共六十五页n 有线传输
8、介质：双绞线、同轴电缆和光导纤维n 无线传输介质：微波、红外线等n 传输介质的选择和连接是网络接口层的重要工作之一。2 传输介质本讲稿第二十三页，共六十五页双绞线传输模拟信号/数字信号 n 非屏蔽双绞线（UTP）n 屏蔽双绞线（STP）传输速率：100Mbps最大布线长度：100m2.1 有线传输介质本讲稿第二十四页，共六十五页双绞线 双绞线接法n直连线：计算机与通信设备连接（集线器、交换机、路由器等）n交叉线：两台计算机直接连接2.1 有线传输介质本讲稿第二十五页，共六十五页直连线 计算机与通信设备连接 两端的线排列相同，T568B连接方法是：1 橙白 2 橙色 3 绿白 4 蓝色 5 蓝白
9、 6 绿色 7 棕白 8 棕色 2.1 有线传输介质本讲稿第二十六页，共六十五页交叉线 两台计算机直接连接电缆线两个RJ-45插头交叉具体的连接方法：电缆线的一端 电缆线的另一端 针脚1 针脚3 针脚2 针脚6 针脚3 针脚1 针脚6 针脚24.1 有线传输介质本讲稿第二十七页，共六十五页同轴电缆传输模拟信号/数字信号 n 细同轴电缆数字信号传输，组建局域网。传输速率：10Mbps 最大布线长度：185mn 粗同轴电缆模拟信号传输，有线电视网 传输速率：10Mbps 最大布线长度：500m2.1 有线传输介质本讲稿第二十八页，共六十五页光导纤维n 传导光脉冲来进行通信 n 光传输系统：光纤传输
10、介质、光源和检测器n 发送方：发光二极管发送方：发光二极管/激光，电信号激光，电信号光信号光信号2.1 有线传输介质本讲稿第二十九页，共六十五页n多模光纤:多条入射角不同的光线在光纤内传输n单模光纤:直径只有一个光波长只传导一路光波本讲稿第三十页，共六十五页传输传输传输传输介质介质介质介质物理特性物理特性物理特性物理特性连通性连通性连通性连通性地理范围地理范围地理范围地理范围抗干扰性抗干扰性抗干扰性抗干扰性价格价格价格价格双双绞绞线线由按规则螺旋结由按规则螺旋结构排列的构排列的2根或根或4根绝缘线组成根绝缘线组成可用点对可用点对点连接，点连接，也可用于也可用于多点连接多点连接作远程中继线作远程
11、中继线最多最多15km;在在10Mb/s局域局域网中网中100m低频时相当于低频时相当于同轴电缆；同轴电缆；10100kHz时时低于同轴缆低于同轴缆低于其他传输低于其他传输介质介质同同轴轴电电缆缆两根导体组成，两根导体组成，内导体实芯，外内导体实芯，外导体是纺织的，导体是纺织的，用屏蔽物包着用屏蔽物包着应用于点应用于点到点和多到点和多点配置点配置基带电缆最远基带电缆最远限于数公里，限于数公里，宽带可到数十宽带可到数十公里公里抗干扰能力抗干扰能力较强较强介于双绞线和介于双绞线和光纤的成本之光纤的成本之间间光光缆缆直径细、质地柔直径细、质地柔软的能传导光波软的能传导光波的介质的介质用在点到用在点到
12、点链路上点链路上在在6至至8公里距公里距离内可不使用离内可不使用中继器实现高中继器实现高速率数据传输速率数据传输不受电磁干扰不受电磁干扰或噪声的影响或噪声的影响较贵较贵本讲稿第三十一页，共六十五页 电磁波，根据其频谱可分为无线电波、微波、红外线和激光等2.2 无线传输介质本讲稿第三十二页，共六十五页3 数据传输方式n 根据数据在通信信道上的信号类型划分基带传输和宽带传输 n 根据同时在通信信道上传输的数据位数划分并行传输和串行传输 n 根据通信的方向划分单工、半双工和全双工n 根据通信时对信道的使用方式划分共享通信和点对点通信本讲稿第三十三页，共六十五页3.1 基带传输和宽带传输n基带传输数字
13、信道传输数字信息，以0、1数字形式传输n技术简单，设备投资小n传输距离有限n宽带传输利用模拟信号传输数字信号n发送方将数字信号调调制制成模拟信号传输n接收方将模拟信号还还原原成数字信号本讲稿第三十四页，共六十五页3.2 并行传输和串行传输n 并行传输同时传输一组比特，每个比特使用单独的一条线路。（计算机和打印机之间的通信）n传输速度快n短距离n 串行传输只使用一条线路，同时只传输一比特位。n造价低，可靠性好n长距离n异步异步传输传输与同步与同步传输传输本讲稿第三十五页，共六十五页数据通信的同步技术n同步：要求通信收发双方在时间基准上保持一致n异步传输模式（起-止式同步传输）n数据的传送以一个字
14、符为单位，在每个字符作为一个独立的整体来发送，每个字符前面都要加上一个起始位起始位，其长度为一个码元，极性为0，表示一个字符的开始；字符后面要加上一个停止位停止位，长度可选为1、1.5或2个码元，极性为1，表示一个字符的结束。n100101010100101011（1）本讲稿第三十六页，共六十五页n异步传输模式（起-止式同步传输）n传输字符间的时间间隔是随机的、不同步的。n在传输一个字符的时段内，收发双方须依据比特流保持同步（位同步）。数据通信的同步技术本讲稿第三十七页，共六十五页 异步传输实现简单。但需在每个字符的首尾附加起始位和停止位，额外开销大，传输效率低。适于低速数据传输。本讲稿第三十
15、八页，共六十五页数据通信的同步技术n同步传输n 以数据块为传输单位，每个数据块包含送多个连续字符。n 每个数据块前加上一个前文，称为同步信号，数据结束后加上一个后文，称为后同步信号。n 接收方根据同步信号来确定数据块的起始和终止n 每个字符内不需添加附加位本讲稿第三十九页，共六十五页n 单工通信：只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。n 广播、遥控通信AB数据监视信号3.3 单工、半双工和全双工 本讲稿第四十页，共六十五页n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）。AB数据监视信号3.3 单工、半双工和全双工 本讲稿第四十一页，共六十五页n全双工通信：
16、通信的双方可以同时发送和接收信息，一般采用四线式结构n语音通信AB数据监视信号3.3 单工、半双工和全双工 本讲稿第四十二页，共六十五页3.4 共享通信和点对点通信n共享通信n多个结点可以共享传输介质进行通信，通过一定的分配策略（介质访问控制协议介质访问控制协议）把传输介质分配到多个结点供其轮轮流流使用n可以节省传输介质，但是会有冲突发生本讲稿第四十三页，共六十五页3.4 共享通信和点对点通信n点对点通信n两个结点独占传输介质的通信n地下铁系统、交换网络本讲稿第四十四页，共六十五页4 数据编码技术n数字数据调制为模拟信号n数字数据编码为数字信号n模拟数据编码为数字信号本讲稿第四十五页，共六十五
17、页4.1 数字调制技术n 调制数字数据转换为模拟信号，即选取某一频率的正（余）弦波作为载波，来运载需传输的数字数据A：信号振幅；f：信号频率，单位时间内信号变化次数，周/秒T=1/f：初始相角，单位为弧度 y(t)=本讲稿第四十六页，共六十五页n数据经过模拟传输系统后会出现差错。出现差错010010 0100还原后的数据t接收到的失真信号010011100t发送的基带信号t采样时刻调制解调器本讲稿第四十七页，共六十五页调制解调器n调制解调器(modem)包括：n调制器(Modulator)：把要发送的数字信号转换为频率范围在 3003400 Hz 之间的模拟信号，以便在电话用户线上传送。n解调
18、器(DEModulator)：把电话用户线上传送来的模拟信号转换为数字信号。本讲稿第四十八页，共六十五页n调制器的主要作用就是个波形变换器，它把基带数字信号的波形变换成适合于模拟信道传输的波形 n解调器的作用就是个波形识别器，它将经过调制器变换过的模拟信号恢复成原来的数字信号n若识别不正确，则产生误码。n在调制解调器中还要有差错检测和纠正的设施。调制解调器本讲稿第四十九页，共六十五页n 根据正弦波的3个控制参数（振幅A，频率f和相位）有3种基本调制技术：n 振幅调制（AM）n 频率调制（FM）n 相位调制（PM）n 正交调幅（QAM）4.1 数字调制技术本讲稿第五十页，共六十五页4.1.1 振
19、幅调制n振幅调制幅移键控（ASK）n改变载波信号的振幅来表示二进制0和1，频率和相位保持不变本讲稿第五十一页，共六十五页4.1.2 频率调制n频率调制频移键控（FSK）n改变载波信号的频率来表示二进制0和1，振幅和相位保持不变本讲稿第五十二页，共六十五页4.1.3 相位调制n相位调制相移键控（PSK）n改变载波信号的相位来表示二进制0和1，振幅和频率保持不变n相对相位调制n绝对相位调制本讲稿第五十三页，共六十五页n用载波信号相位的相对变化来表示数字0和1相对相位调制本讲稿第五十四页，共六十五页n用载波信号的不同相位直接表示数字0和1绝对相位调制本讲稿第五十五页，共六十五页4.1.5 正交调幅n
20、结合使用载波信号中的振幅和相位变化，为每个比比特特组组合合分配一个给定的振幅和相位信号。n可以增加信号模式，提高比特率（每秒发送的比特数）。但必须使信号之间保持较大的差异，提高信号的抗干扰能力。本讲稿第五十六页，共六十五页n信号星座图中的每一个点，就是一个合法的信号模式，信号的振幅对应于该点到原点的距离D，相位对应于振幅和水平轴的夹角a。4.1.5 正交调幅本讲稿第五十七页，共六十五页 8-QAM信号星座图 2个振幅和4个相位，产生8（2*4）种信号模式，每种信号模式表示3位（log28）比特串比特值比特值调制信号的振幅调制信号的振幅调制信号的相位调制信号的相位000A10001A20010A
21、1/2011A2/2100A1101A2110A13/2111A23/28QAM本讲稿第五十八页，共六十五页例：数据001 100 011 000 110 010 111 101 按8-QAM调制 本讲稿第五十九页，共六十五页4.2 数据编码技术1 单极性编码 只使用一种极性（正或负）的电压脉冲二进制1，零电压二进制0。n简单、易实现n不能由没有处理直流分量信号能力的介质传输n存在同步问题本讲稿第六十页，共六十五页4.2 数据编码技术1 单极性编码 例如：数字数据01001101的单极性编码 本讲稿第六十一页，共六十五页4.2 数据编码技术2 极化编码 采用两种极性（正和负）的电压脉冲，减少直
22、流分量。非归零电平编码电压脉冲一种极性为1，另一种极性为0；存在发送方和接收方的时钟同步问题。本讲稿第六十二页，共六十五页4.2 数据编码技术3 双相位编码 信号中含同步信息，每个比特中间信号都跳变。n 曼彻斯特编码：中间跳变既表示同步信息，又表示不同值。n负电平到正电平1，正电平到负电平0。n差分曼彻斯特编码：中间跳变仅用来表示同步信息。n每比特的开始位置没有跳变1，有跳变0。本讲稿第六十三页，共六十五页例：将数字数据01001101进行双相位编码（设设起始位置的起始位置的电压为电压为正正电电平平）。思考：哪个是曼思考：哪个是曼彻斯特编码？彻斯特编码？本讲稿第六十四页，共六十五页4.3 模拟数据编码为数字信号n采样n在时间上将模拟信号离散化n量化n用有限个幅度值近似原来连续变化的幅度值n编码n量化后的值用二进制表示，然后转换成二值或多值的数字信号流本讲稿第六十五页，共六十五页