第2-章-数据通信基础.ppt

第2章数据通信基础,2.1数据通信的基本概念2.2信道特性2.3传输介质2.4数据编码2.5数字调制,2.1数据通信的基本概念,2.1.1数据通信系统通信的目的就是传递信息，通信中产生和发送信息的一端叫做信源，接收信息的一端叫做信宿，信源和信宿之间的通信线路称为信道。,网络工程师的主要考核内容,基本概念的理解:例如:信道、信道带宽、信道容量、传输延迟和误码率几个重要公式的理解与应用例如：香农定理、奈奎斯特定理、数据传输速率与波特率,2.1.2数据通信系统信息的传递是通过通信系统来实现的，通信系统的基本模型共有五个基本组件，即发送设备、接受设备、发送机、信道和接收机。其中，把除去两端设备的部分叫做信息传输系统。信息传输通信系统由三个主要部分组成信源（发送机）、信宿（接收机）和信道。,信源,变换,噪声,信道,变换,信宿,图2-1数据通信模型,1信源和信宿信源就是信息的发送端，是发出待传送信息的人或设备；信宿就是信息的接收端，是接收所传送信息的人或设备。2信道信道本身也可以是模拟的或数字方式的，用以传输模拟信号的信道叫做模拟信道，用以传输数字信号的信道叫做数字信道。,3信号变换器信号变换器的作用是将信源发出的信息变换成适合在信道上传输的信号。由于网络中绝大多数信息都是双向传输的，所以在大多数情况下，信源也作信宿，信宿也作信源；编码器也具有译码功能，译码器也应能编码，因此合并通称为编码译码器；同样调制器也能解调，解调器也可调制，因此合并通称为调制解调器。,4噪声源一个通信系统不可避免地存在噪声干扰,为了研究问题方便,把它们等效与一个作用于信道上的噪声源。5数字通信与模拟通信系统根据信号的不同，数据通信系统可以分为数字通信系统和模拟通信系统。利用数字信号传递信息的通信系统叫做数字通信系统，利用模拟信号传递信息的通信系统叫做模拟通信系统。数据传输是数据通信系统的基础,模拟信号是指其幅度随时间而连续变化的信号。正弦信号是典型的模拟信号，普通电视里的图像和语音信号，也是模拟信号。,模拟信号有两个主要参数：振幅A和频率f。振幅A反映了信号的强度，对于声音信号来说，就是声音的大小；而频率f反映了振动的快慢，对于声音来说，是高、低音的区别。,9,1.2模拟信号与数字信号,电视扫描场,模拟信号,数字信号,数字信号,模拟与数字的特点模拟：波动性；持续变化；反映事物的本质；在电信业已经被广泛；使用超过100年；数字：离散性；跃变性；设备性能先进；较为便宜；,数据传输：,16,2.3数据编码与传输技术,数据通信是在信源与信宿之间进行信息交流。用模拟信道进行的数据通信称为模拟数据通信用数字信道进行的数据通信称为数字数据通信。,17,2.3.1模拟数据通信,模拟信道传输模拟数据典型的例子是声音在普通电话系统中的传输。模拟信道传输数字数据典型的例子是通过电话系统实现两个计算机（数字设备）之间的通信。由于电话系统只能传输模拟信号，所以需通过调制解调器（Modem）进行数字信号与模拟信号的转换。,18,2.3.1数字数据通信,数字信道传输数字数据典型的例子是将两个计算机通过接口直接相连。,2.2信道特性,信道和信道容量,1信道信道是传送信号的一条通道，可以分为物理信道和逻辑信道。物理信道是指用来传送信号或数据的物理通路，由传输及其附属设备组成。逻辑信道也是指传输信息的一条通路，但在信号的收、发节点之间并不一定存在与之对应的物理传输介质，而是在物理信道基础上，由节点设备内部的连接来实现。,2.信道带宽信道带宽是指信道所能传送的信号频率宽度，它的值为信道上可传送信号的最高频率减去最低频率之差。带宽越大，所能达到的传输速率就越大，所以通道的带宽是衡量传输系统的一个重要指标。,3信道容量,信道容量是指信道传输信息的最大能力，通常用数据传输率来表示。即单位时间内传送的比特数越大，则信息的传输能力也就越大，表示信道容量大。,2.1.4数据通信系统主要技术指标,1比特率：比特率是一种数字信号的传输速率，它表示单位时间内所传送的二进制代码的有效位（bit）数，单位用比特每秒（bps）或千比特每秒（Kbps）表示。2波特率：波特率是一种调制速率，也称波形速率。在数据传输过程中，线路上每秒钟传送的波形个数就是波特率，其单位为波特（baud）。,3误码率：误码率指信息传输的错误率，也称误码率，是数据通信系统在正常工作情况下，衡量传输可靠性的指标。4吞吐量：吞吐量是单位时间内整个网络能够处理的信息总量，单位是字节/秒或位/秒。在单信道总线型网络中，吞吐量=信道容量传输效率。5通道的传播延迟：信号在信道中传播，从信源端到达信宿端需要一定的时间，这个时间叫做传播延迟（或时延）。,2.1.2主要指标影响网络性能有两个主要因素：带宽（bandwidth）和延时（delay），延时也称时延（latency）1带宽和数据速率R=Blog2M，M代表编码的进制数。在实际应用中，常用的数据速率单位有kbps、Mbps、Gbps。其中：1kbps=103bps；1Mbps=106bps；1Gbps=109bps。带宽和数据速率都可用来表示信道的传输性能，两者之间的定量关系可以通过以下两个定理来描述。,（1）奈奎斯特（Nyquist）定理：对于有限带宽、无噪声信道,其最大数据速率Rmax（信道容量）和信道带宽B之间的关系：Rmax=2B。若B=3kHz，则Rmax=6kbit/s。（2）香农（Shannon）定理：对于有限带宽，有随机热噪声的信道，其最大数据速率Rmax与信道带宽B，信噪比S/N（单位为分贝：db）之间的关系：max=Blog2(1+S/N)。若B=3kHz，S/N=1000db，则Rmax30kbit/s。由上述定理可知，一般来说，高数据速率，也意味着大带宽。,2误码率在有噪声的信道中，数据速率的增加意味着传输中出现差错的概率增加。误码率是用来表示传输二进制位时出现差错的概率。误码率（Pe）可用下式表示：Ne（出错的位数）N（传输的总位数）在计算机通信网络中，误码率一般要求低于10-6，即平均每传输1兆位才允许错1位。在误码率高于一定的数值时，可以用差错控制的方法进行检查和纠正。传输声音Pe10-6传输图象Pe10-7传输数据Pe10-8光纤Pe10-10,Pe=,3信道延迟信号在信道中传播，从信源到信宿需要一定的时间，这称为信道延迟或传播时延。这个时间等于信源到信宿的距离与具体信道中的信号传播速度之比。常用的电信号一般以接近光速（300m/s）的速度传播，但随传输介质的不同而略有差异。,29,2.1.5数据通信中的主要技术指标,数据传输速率误码率信道容量三个指标之间的关系,30,2.1.5数据传输速率,数据传输速率又称比特率，指单位时间内所传送的二进制位的个数单位为比特每秒，表示为bps或b/s。S表示比特率T表示脉冲宽度N表示一个脉冲所表示的有效状态数，即调制电平数，通常为2的整数倍。,31,2.1.5例,若一连续信号，f=1200Hz，每个信号可表示4个不同的状态，则波特率为1200数据传输速率（比特率）为2400bps。,32,2.1.5信号传输速率,信号传输速率又称波特率或调制速率，指单位时间内所传送的信号的个数，单位为baud（波特）B=1/TB波特率T信号周期。例：若f=1200Hz的一连续信号，则B=1/T=1200（波特）,33,2.1.5波特率和比特率之间关系,比特率针对的是二进制位数传输，波特率针对信号波形的传输N为一个脉冲所表示的有效状态数，即调制电平数,34,2.1.5误码率,误码率主要用于衡量数据传输的质量。定义为：二进制数据位在传输中出错的概率。Pe=Ne/NPe误码率Ne出错的位数N传输的总位数,35,2.1.5信道容量,信道容量指信道所能承受的最大数据传输速率（受信道的带宽限制）单位为bps或b/s。两种衡量的方法有限带宽无噪声信道（奈奎斯特公式）有限带宽随机噪声信道（香农公式）,36,2.1.5奈奎斯特公式,其中：C最大数据速率（信道容量）H信道的带宽（Hz）N一个脉冲所表示的有效状态数，即调制电平数奈奎斯特公式表明，对某一有限带宽无噪声信道，带宽固定，则调制速率也固定，但可以通过提高信号能表示的不同的状态数，以提高信道容量。,37,2.1.5例,若某信道带宽为4kHz，任何时刻信号可取0、1、2和3四种电平之一，则为:,38,2.1.5香农公式,H信道的带宽（Hz）C信道内信号的功率N信道内服从高斯分布的噪声的功率S/N是信噪比，通常用表示单位：dB、分贝,39,2.1.5例,信噪比为30dB，带宽为4kHz的信道最大的数据速率为多少？S/N=1000表示无论采用何种调制技术，信噪比为30dB，带宽为4kHz的信道最大的数据速率约为40kbps。,40,2.1.5三个指标之间的关系,数据速率是信道的实际数据传输速率信道容量是信道的最大数据传输速率误码率用于衡量信道传输数据的可靠性。,42,2.1.5例,在数字传输系统中，调制速率为1200波特，数据传输速率为3600bps，则每个信号可有几种不同状态？如要使调制速率和数据传输速率相等，则每个信号应有几种不同状态？,已知数据传输速率S=3600bps，调制速率B=1200波特，代入公式S=Blog2N中，求的N=8，即每个信号可有8种不同状态。由公式S=Blog2N可知，要使S=B，N应为2，即每个信号应有2种不同状态。,43,2.1.5例,在电话系统中，一路电话的带宽是3KHz，典型的信噪比是35dB，请计算电话线上可以取得的理论上最大的数据传输速率？先求解S/N：35dB=10log10S/N，所以S/N3162，利用香农公式求解信道容量：C=Hlog2（1+S/N）=3KHzlog2（1+3162）34880bps，即35Kbps左右的比特率将是常规调制解调器的上限,2002年网络工程师考试试题,在一个带宽为3KHZ、没有噪声的信道，传输二进制信号时能够达到的极限数据传输率为_(6)_。一个带宽为3KHZ、信噪比为30dB的信道，能够达到的极限数据传输率为_(7)_。上述结果表明，_(8)_。根据奈奎斯特第一定理，为了保证传输质量，为达到3KbpS的数据传输车需要的带宽为_(9)_。在一个无限带宽的无噪声信道上，传输二进制信号，当信号的带宽为3KHz时，能达到的极限数据传输率为_(10)_Kbps。(6)：A3KbpsB6KbpsC56KbpsD10Mbps(7)：A12KbpsB30KbpsC56KbpsD10Mbps(8)：A.有噪声信道比无噪声信道具有更大的带宽B有噪声信道比无噪声信道可达到更高的极限数据传输率C有噪声信道与无噪声信道没有可比性D上述值都为极限值，条件不同，不能进行直接的比较(9)：A3KHzB6KHzC2KHzD56KHz(10)：A1.5B3C6D3log23,(2004)设信道的码元速率为300波特，采用4相DPSK调制，则信到的数据速率为（26）bpsA.300B.600C.800D.1000(2005)设信号的波特率为600Baud，采用幅度-相位符合调制技术，有4种幅度和8中相位组成16中码元，则信到的数据率为（）A.600b/sB.2400b/sC.4800b/s,46,2.2数据传输介质,2.2.1传输介质基本概念2.2.2双绞线2.2.3同轴电缆2.2.4光纤2.2.5无线介质,47,2.2.1传输介质基本概念,传输介质是网络中连接收发双方的物理通路，也是通信中实际传送信息的载体。类型双绞线、同轴电缆、光纤、无线信道、卫星通信信道特性物理、传输、连通、地理范围、抗干扰、相对价格,48,2.2.2双绞线,双绞线由螺旋状扭在一起的两根绝缘导线组成，把两条导线按一定密度对扭在一起可以减少相互间的电磁干扰。双绞线芯一般是铜质的，能提供良好的传导率。双绞线一般分为非屏蔽双绞线（UTP）和屏蔽双绞线（FTP、STP、）。,49,2.2.2非屏蔽双绞线UTP,UTPUnshieldedTwistedPair是将一对或多对双绞线线对（常用4对）放入一个绝缘套管，外面没有屏蔽层。,50,2.2.2屏蔽双绞线FTP、STP,屏蔽双绞线是在一对或多对双绞线线对的外面加上一个用金属丝编织成的屏蔽层，然后再放入一个绝缘套管。按屏蔽层设置的不同分成外层屏蔽双绞线（FTP，FloatedTwistedPair），全屏蔽双绞线（STP，ShieldedTwistedPair）屏蔽双绞线的抗干扰性能（尤其是线对间抗干扰性能）要远高于非屏蔽双绞线（UTP），价格也比非屏蔽双绞线高,51,2.2.2FTPSTP,52,2.2.2双绞线的特性,传输特性用于传输模拟信号，也可用于传输数字信号。连通性双绞线可常用于点到点连接，也可用于多点连接。地理范围双绞线可以很容易地在15公里或更大范围内提供数据传输。抗干扰性在低频传输时，抗干扰性高于同轴电缆；而在10100KHz时，则低于同轴电缆。价格双绞线的相对价格最便宜,53,2.2.3同轴电缆,内芯金属导体，用于传输数据绝缘层用于内芯与屏蔽层间的绝缘屏蔽层金属导体，用于屏蔽外部的干扰塑料外套用于保护电缆,54,2.2.3同轴电缆特性,同轴电缆内芯一般是铜质的，能提供良好的传导率。同轴电缆分为基带同轴电缆和宽带同轴电缆两类。基带同轴电缆用于传输数字信号宽带同轴电缆既可以传输模拟信号，也可以传输数字信号，通常用于传输电视信号。可用于点到点连接和多点连接抗干扰性通常高于双绞线高于双绞线，低于光纤,55,2.2.4光纤,传输速率高达几百Mbps、误码率极低，是网络传输介质中性能最好、应用前途最广泛的一种。,56,2.2.4光纤,直径50-150m导光介质。由纤芯、包层、外保护层组成。分室外、室内、桌面型。单模光纤、多模光纤。,57,2.2.4单模光纤与多模光纤,单模光纤光纤上光信号单角度（轴线）、单光线传输纤芯小、性能好多模光纤光纤上光信号多角度、多光线传输纤芯大、性能不如单模光纤,58,2.2.4光纤的特性,传输特性：要实现双向通信就必须成对使用。连通性只用于点到点连接。地理范围适用于长距离信号传输抗干扰性具有良好的抗干扰性，不受任何强电磁的影响，安全性也好。价格价格比较昂贵。在有线介质中，光纤的价格最高,59,2.2.5无线介质,频带范围：低频-特高频传输方式：地波、天波、空间波缺点：易受天气等因素影响，信号幅度变化较大优点：技术成熟、应用广泛、发射功率要求小适用：长、中、短波，电视,60,2.2.5微波通信,频带范围：100M-10G传输方式：空间波直线传播缺点：只能视距传播、架高天线优点：微波能量集中，发射功率要求小，适合点到点接力传播。适用：调频、电视、移动、定向通信,61,2.2.5卫星通信,特点：通信距离远、覆盖面积大、不受地理条件限制、费用与距离无关、信道带宽宽、可多址通信和移动通信卫星、地球站转发器使用不同频率接受、放大和发送信号上行链路Uplink下行链路Downlink,2.2数据编码技术,2.2.1数字数据编码1不归零编码NRZ不归零编码用低电平表示二进制“0”，用高电平表示二进制“1”，2不归零反转编码NRZI不归零反转编码NRZI是对不归零编码的改进。即通过每位中间有无电平的跳变来表示二进制值。有跳变，则编码为二进制“1”；无跳变，则编码为二进制“0”。,3曼彻斯特编码曼彻斯特编码不用电平的高低表示二进制“0”和“1”，而是用电平的跳变来表示的。在曼彻斯特编码中，每一位的中间均有一个跳变，这个跳变既作为数据信号，也作为时钟信号。电平从高到低的跳变表示二进制“1”，从低到高的跳变表示二进制“0”，,4差分曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码是对曼彻斯特编码的改进，每位中间的跳变仅作同步之用，每位的值根据其开始边界是否发生跳变来决定。每位的开始无跳变表示二进制“1”，有跳变表示二进制“0”，如图2-2（d）所示。,54B/5B编码4B/5B编码方式在避免高、低信号持续的前提下，解决了曼彻斯特编码的低效问题。4B/5B编码的思想是在位流中插入额外的位，来分割一连串的“0”或“1”。确切地说，是首先将发送的数据流以每4位一组，按表2-1所示的4B/5B编码表，变为对应的5位代码。然后，得到的5位代码使用不归零反转编码NRZI进行编码传输。,表2-14B/5B编码表,图2-2数字数据编码,2.2.2模拟数据编码1调幅（AM）调幅即载波的振幅随着数字信号的变化而变化。例如二进制“1”用有载波输出表示，即载波振幅为原始振幅；二进制“0”用无载波输出来表示，即载波振幅为零。,图2-3模拟数据编码,2调频（FM）调频即载波的频率随着数字信号的变化而变化。例如，二进制“1”用载波频率f1来表示；二进制“0”用另一载波频率f2来表示。3调相（PM）调相即载波的初始相位随着数字信号的变化而变化。例如，用1800相位（反相）的载波来表示二进制“1”；用00相位（正相）的载波来表示二进制“0”。,2.3数据传输技术,2.3.1数据通信方式1.单工通信单工通信指数据只能沿着一个固定的方向传输。,图2-4(a)单工通信,2.半双工通信半双工通信指数据可沿着两个方向传输，但同时只能沿一个方向传输。,图2-4(b)半双工通信,3.全双工通信全双工通信指数据可同时沿两个方向进行传输。,发送机,接收机,接收机,发送机,图2-4(c)全双工通信,2.3.2数据传输方式1.并行传输与串行传输并行传输指的是数据以成组的方式，在多条并行信道上同时进行传输。常用的就是将组成一个字符的几位二进制码，分别在几条并行信道上同时进行传输。例如，若字符采用8位二进制数进行编码，则可用8条信道同时传输这8位码。,图2-5并行传输,串行传输指的是数据流以串行方式，在一条信道上传输。例如，组成一个字符的8位二进制码，由高位到低位顺序排列，再接下一个字符的8位二进制码，这样串接起来形成串行数据传输。,图2-6串行传输,如何解决码组或字符的同步问题，目前有两种不同的解决方法，即异步传输方式和同步传输方式。2.异步传输与同步传输异步传输一般以字符为单位，即把各个字符分开传输，字符之间插入同步信息。无论字符采用几位二进制进行编码，在发送每一字符代码时，前面均加上一个起始位，极性为“0”，即空号的极性；字符代码后面均加上一或两位停止位，极性都为“1”，即与信号极性相同。,同步传输一般以数据块（帧）为单位，数据块可能是字符的集合，也可能是一串无结构的位，即同步传输又分为面向字符的同步传输和面向位流的同步传输。无论哪种方式，在发送前每数据块的前后都需加上同步控制数据：同步字符或同步位序列。,图2-7异步传输,图2-8同步传输,2.3.3基带传输、频带传输和宽带传输1.基带传输2.频带传输3.宽带传输,下图中画出曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码的波形图，实际传送的比特串为（28）。A011010011B011110010C100101100D10