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数据通信 DataCommunications 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 100300500700900 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 NarrowBand 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 UltraWideband 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 SerialATA2 0和SerialATA3 0规范中所将达到最高300MB s及600MB s的传输率 这足以让ParallelATA中现有最高规范的133MB s相形见拙 在ParallelATA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 Realtime 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 InstantMessaging 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 b s Hz 波特 赫 B Hz 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 s Hz 可靠度 可靠度 系统正