数据通信第一章数据通信.ppt

数据通信 （Data Communications）,哈尔滨工业大学通信技术研究所 孙鹏飞,数据通信课程概况,课程的组成： 教材基本内容 技术讲座（1-2次） 学生上讲台 考试内容安排： 考查课，结果只有及格/不及格 闭卷考试，卷面80分，出勤10分，作业10分 教材以外补充部分20分，以作业作为考试内容0-10分 课程学习要求： 基本概念、基本理论、基本原理和基本常识及术语,数据通信的概念,什么是数据通信？ 在两点或者多点之间以二进制形式进行信息交流的过程。 数据通信是计算机与计算机或计算机与终端之间的通信。,消息、信息、数据和信号的概念,100011010,AE3F,OK,Message 消息：是指通信过程中传输的具体原始对象。例如原始的话音。 Signal 信号：是数据的表现形式，是消息的承载者。 Data 数据：是用来描述任何物体、概念、情况，且预先具有特定含义的数字、字母和符号。是携带有用信息的离散消息 。 Information 信息：通常将有用的消息认为是信息。,消息,信号,数据,信息,信号的时域分类-连续与离散信号,信号的时域分类-周期与非周期信号,如果用时间函数表示的信号s(t)满足s(t+T)=s(t)则该信号为周期信号。 T 为信号的周期。 如不满足s(t+T)=s(t)则该信号为非周期信号。,信号携带信息方式-幅度、相位、频率,信号的频域概念,信号通常由很多频率组成 组成部分都是正弦波 可以通过Fourier 分析得到频域特性 信号g(t)的周期为T, f=1/T为基频,信号的频域概念,信号的频域概念-信号带宽,100 300 500 700 900,频率,带宽=900-100=800,幅度,窄带、宽带和超宽带,信号带宽与中心频率之比（相对带宽 ）小于1%的信号称之为窄带信号（Narrow Band）。 相对带宽在1%-25%之间称为宽带信号(Broadband) 相对带宽大于25%，或者带宽超过500MHz的称为超宽带(Ultra Wideband) UWB。,数据(Data),数据：是任何描述物体、概念、情况、形式的事实、数字、字母和符号。 数据可以在物理介质上记录或传输并通过外围设备被计算机接受，经过处理而得到结果。 数据是信息的载体，用来表示信息。 信息交换就是访问数据及传输数据。,信息（Information）,信息是可以度量的，通常使用信息量来度量。 信息量的度量：香农规定，一个消息所荷载信息量I，等于它所表示事件发生的概率P 的倒数的对数。 信息量的计算公式：I=log2(1/P)= -log2(P) 信息量的单位： 如果对数以2为底，单位为比特（B）。 如果对数以e为底，单位为奈特（nat)。 如果对数以10为底，单位为哈特莱（Hartley）。 事件发生的概率越高，信息量越少。 不可混淆信息量单位与2进制的位。,信息量的计算,在数据通信中通常以二进制（1和0）方式进行，因此如果0，1等概率，则每个符号的信息量为I=-log2(1/2)=1(bit) 对于M进制，每个符号等概率，则每个符号的信息量为I=log2M(bit) 信息量具有加性，所以多个符号组成的消息的信息量： M为消息中符号的数量，ni为第i个符号出现的次数，Pi为第i个符号出现的概率 当消息组成的符号数N很大时，其中一个符号的信息量称为平均信息量。也称为熵（Entropy） 如果知道一个消息的符号总数和平均信息量，可以通过I=N.H来计算信息总量,信息量的计算例题,已知一消息源由A、B、C、D四个符号组成，他们出现的概率分别为1/4、1/4、3/8、1/8，且每个符号互相独立。消息源每秒钟输出2400个符号。试求每个符号的信息量和该信息源在1分钟内的信息总量。 IA=IB=-log2(1/4)=2 (bit) IC=-log2(3/8)=1.415 (bit) ID=-log2(1/8)=3 (bit),I=N*H=60*2400*1.905626=274410 (bit),模拟通信、数字通信和数据通信,信息源（简称信源）出来的信号叫基带信号，没有经过调制（频谱搬移）的原始电信号。分为模拟基带信号和数字基带信号。 信道：包括收发设备在内的信号通路 三者的区别： 模拟通信：模拟模拟。模拟模拟； 数字通信：模拟数字。数字模拟； 数据通信：数字数字数字,逐级抽象,通信数字化的好处,通信数据化的好处,原始数据（101110）,校验（1011）,原始数据（100110）,校验（1011）,传输中出错,原始数据（100110）,校验（1011）,纠正错误恢复正确数据,通信协议的作用,原始数据（101110）,校验（1011）,原始数据（100110）,校验（0011）,传输中出错,校验没通过 通知重传,原始数据（101110）,校验（1011）,校验通过，继续通信,通信协议保证了数据传输的可靠性,通信协议保证了数据传输的可靠性,数据通信系统组成 ,数据终端设备（DTE）：指我们通常使用的PC等 数据电路（DCE）：例如modem 中央计算机系统（CCS） 数据链路（DL）,数据通信系统组成,数据通信系统组成,数据通信网的拓扑结构,485总线、移动电话基站、公安专用计算机网、FDDI网、INTERNET多路由 计算机网主要体现资源共享、用户可管理和与通信技术相结合。 计算机网络属于面向应用的网络（因为传输部分已经标准化），而数据通信网属于面向通信（传输）的网络。,数据通信网常见的五种拓扑结构：总线、星状、树状、环状和网状,数据传输方式-串行传输与并行传输,串行传输是较简单的一种传输方式，容易实现且成本低，在长距离连接中也比较可靠；缺点是需要外加同步措施，通常要增加位同步、帧同步，浪费一部分带宽。 并行传输速度快，一个单位时间可以传送多个比特信息，不需要外加措施同步；缺点是要求有多个通道，成本高，不适合远距离传输。,串行传输,并行传输,串行传输与并行传输谁更强 ,要辩证的看待串行传输与并行传输方式，如果个单元分布集中，传输距离短使用并行方式效率较高；例如计算机主板、IC内部。 反之分布较为分散，传输距离较长串行则具备优势，例如计算机硬盘等外设的连接。 Serial ATA2.0和Serial ATA3.0规范中所将达到最高300MB/s及600MB/s的传输率，这足以让Parallel ATA中现有最高规范的133MB/s相形见拙。 在Parallel ATA接口标准中，共定义了40根针脚，其中包含对设备模式进行识别的信号针脚，用于数据传输的数据传输针脚，中断请求及地线等针脚，因此40针和40针80芯数据线的接头也就与之相对应。 随着接口速度的不断提升，各相邻线缆间的串扰和来自机箱内部的电磁干扰越发严重，使得原本为了解决此类问题而设计的40针80芯数据线也变得力不从心。,数据传输方式-异步传输与同步传输,异步传输是指收发两端各自有独立的位定时时钟，数据率是收发双方约定的，收端利用数据本身来进行同步的传输方式。具体是在每一个字节（8bit）前后增加起始位和结束位的方式，通常起始位才用一个码元宽度的低电平，结束位为1、1.5、2个码元宽度。异步传输的优点是实现简单，不需要收发之间的同步专线；缺点是传输速率不高，而且效率较低。 举例：电脑232串口，最高速率115200。 同步传输收发双方采用统一的时钟节拍来完成数据的传送。通常接收端在收到的数据流中首先利用数据建立位同步，然后建立帧同步。同步建立后数据接收就不需要起始位和终止位了。因此同步传输通常是以帧为单位的。 举例：MPT1327信令中AAAAC4D7XXXXXXXXXXXXPPPP,数据传输方式-异步传输波形,数据传输方式-单工、半双工和全双工,单工传输是指数据只能从一个终端发出，另一个或多个终端只能接收的工作方式。例如广播、电视信号。可以理解为国家领导人面向老百姓讲话。没有返回通道，只能听。,数据传输方式-单工、半双工和全双工 ,半双工是指数据既可以从终端A发终端B，反过来也可以，但不能同时进行。例如对讲机。理解为公安局长和警察之间，需要返回信息时可以返回，属于命令下达型。,A,B,数据传输方式-单工、半双工和全双工 ,全双工是指终端A和B之间同时可以进行数据的收发。例如电话。真正属于老百姓使用的方式，适合吵架。,实时通信、即时通信和非实时通信,通常可以用对通信的延时要求高低来区分 实时（Real time）通信对延时要求高，例如双工电话，通常延时超过400ms将严重影响全双工的通信，例如以前的国际长途. 非实时通信对延时的要求较低，例如手机短信 即时通信(Instant Messaging)介于两者之间，例如QQ，MSN等。随着网络条件的逐步改善，目前更接近与实时通信,数据通信系统主要质量指标,有效性和可靠性是数据通信系统最主要的两个指标。 传输速率 码元传输速率RB通常也叫码元速率、数码率、传码率、码率、波形速率或调制速率。单位为波特RB= 1/Tb 数据信息速率也叫信息速率、传信率、比特率等。用Rb表示单位为比特/秒 RB与Rb关系：Rb=RB*log2M，M为多进制，M=2时二者相等。 差错率 误码率：Pe=传输中出错的码元总数/传输码元总数 误信率：Pb=出现错误的信息量（比特数）/系统传输的总信息量（比特数） 误组率：Pg=出错的码组数/系统传输的总码数,数据通信系统质量指标例题,某数据通信系统采用4电平调制，码元传输速率为1200波特， 在半小时内共收到54bit错误信息， 请计算系统的误信率。 误比特率=出现错误的信息量（比特数）/系统传输的总信息量（比特数） =54/(1200*log24*60*30)=1.25e-5,误码率=误信率? ,二进制情况下相等 多进制时误码率误信率,+3/+1和-1/-3容易产成混淆,但+3/-1和-3/+1不容易 +3错成+1, 错了一个码元, 但只错了一个比特的信息 假设共传送5个码元, 错了一个码元(+3错成+1) 误码率=20%; 误信率=10%,01,00,数据通信系统质量指标例题,频带利用率： =传输速率/占用频带 单位：比特秒赫（bsHz）、波特赫（BHz）。 例如某数据通信系统，其传信率为9600bit/s，占用频带为6kHz，则其频带利用率为1.6bit/(sHz)。 可靠度： 可靠度=系统正常工作时间/