互聯(lián)網(wǎng)體系課件：第3課 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)

第三課

數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)引入現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)不僅僅是一個時髦的名詞。事實上它已經(jīng)成為人們生活不可缺少的一部分，就象空氣和水一樣。概述數(shù)據(jù)調(diào)制與編碼多路復(fù)用技術(shù)異步與同步通信差錯控制與校驗信息交換技術(shù)學(xué)習(xí)目標(biāo)了解模擬傳輸與數(shù)字傳輸?shù)幕驹硎煜ぎ惒脚c同步通信的接口標(biāo)準(zhǔn)掌握常用數(shù)據(jù)編碼及多路復(fù)用技術(shù)掌握信息交換技術(shù)學(xué)習(xí)完本課程，您應(yīng)該能夠：數(shù)據(jù)通信的基本概念

數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的主要質(zhì)量指標(biāo)

返回本章首頁數(shù)據(jù)通信的基本概念數(shù)據(jù)通信的基本概念1、信息、數(shù)據(jù)和信號2、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的模型信息（Information）:

對數(shù)據(jù)的解釋，是經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)。

是客觀事物屬性和相互聯(lián)系特性的表征，它反映了客觀事物的存在形式和運動狀態(tài)。

數(shù)據(jù)通信的基本概念數(shù)據(jù)（Data）:

記錄下來可以被鑒別的符號。

一般可以理解為“信息的數(shù)字化形式”或“數(shù)字化的信息形式”。狹義的“數(shù)據(jù)”通常是指具有一定數(shù)字特性的信息，如統(tǒng)計數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、測量數(shù)據(jù)及計算機中區(qū)別于程序的計算數(shù)據(jù)等。但在計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)通常被廣義地理解為在網(wǎng)絡(luò)中存儲、處理和傳輸?shù)亩M制數(shù)字編碼。分為：數(shù)字數(shù)據(jù)：以連續(xù)電波表示的數(shù)據(jù)形式。模擬數(shù)據(jù)：以離散的編碼電波表示的數(shù)據(jù)形式。數(shù)據(jù)通信的基本概念信號（Signal）：簡單地講就是攜帶信息的傳輸介質(zhì)。在通信系統(tǒng)中使用的電信號、電磁信號、光信號、載波信號、脈沖信號、調(diào)制信號等術(shù)語就是指攜帶某種信息的具有不同形式或特性的傳輸介質(zhì)。

數(shù)據(jù)通信的基本概念

數(shù)據(jù)&信息&信號信息：是人對現(xiàn)實世界事物存在方式或運動狀態(tài)的某種認識。

數(shù)據(jù)：

是把事件的某些屬性規(guī)范化后的表現(xiàn)形式。

信號：是數(shù)據(jù)的具體物理表現(xiàn)。

數(shù)據(jù)通信的基本概念雪六角形涼白色信息數(shù)據(jù)信號例子：

數(shù)據(jù)通信的基本概念

模擬：

波動性；

持續(xù)變化；

反映事物的本質(zhì)；

在電信業(yè)已經(jīng)被廣泛

使用超過100年；

數(shù)字：

離散性；

躍變性；

設(shè)備性能先進，

較為便宜；

模擬信號與數(shù)字信號數(shù)據(jù)通信的基本概念（a）模擬信號

（b）數(shù)字信號

數(shù)據(jù)通信的基本概念信道：傳遞信息的通道，包括發(fā)送、接收設(shè)備和傳輸介質(zhì)。頻寬：傳輸信道所能傳輸信號的最大頻率，單位Ｈz。碼元：承載信息的基本信號單位，如脈沖信號表示數(shù)據(jù)有效值狀態(tài)，一個單位脈沖就為一個碼元。數(shù)據(jù)通信的基本概念帶寬：設(shè)備改變信號的最大速率，目前常用的定義為:通信介質(zhì)每秒所能傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，單位bit/s。數(shù)據(jù)傳輸率s:

又稱比特率，是一種數(shù)字信號的傳輸速率，表示單位時間內(nèi)傳送的二進制代碼的有效位（bit）,單位用比特

/?每秒（b/s）表示。數(shù)據(jù)通信的基本概念時延:

指一個報文或分組從一個網(wǎng)絡(luò)（或一條鏈路）的一端傳送到另一端所需的時間。由三部分組成：發(fā)送時延、傳播時延、處理時延。信道容量：給定帶寬上傳送的最大信息速率。數(shù)據(jù)通信的基本概念數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的模型通信系統(tǒng)模型數(shù)據(jù)通信模型通信系統(tǒng)可劃分為三大部分，即源系統(tǒng)（發(fā)送端）、傳輸系統(tǒng)（傳輸網(wǎng)絡(luò)）和目的系統(tǒng)（接收端）。信源接收器接收的信號信宿信息源系統(tǒng)發(fā)送的信號傳輸系統(tǒng)信息發(fā)送器傳輸系統(tǒng)目的系統(tǒng)數(shù)字比特流模擬信號公用電話網(wǎng)模擬信號數(shù)字比特流正文正文PC機調(diào)制解調(diào)器調(diào)制解調(diào)器PC機通信系統(tǒng)實例數(shù)據(jù)通信模型模擬信道傳輸模擬數(shù)據(jù)普通電話模擬信道傳輸數(shù)字數(shù)據(jù)電話線傳輸計算機數(shù)據(jù)數(shù)字信道傳輸模擬數(shù)據(jù)移動電話數(shù)字信道傳輸數(shù)字數(shù)據(jù)計算機局域網(wǎng)

數(shù)據(jù)通信的基本概念

數(shù)據(jù)傳輸：數(shù)據(jù)通信的基本概念頻帶傳輸：利用模擬信道實現(xiàn)數(shù)字信號傳輸?shù)姆椒ǚQ為頻帶傳輸。為了利用電話交換網(wǎng)實現(xiàn)計算機之間的數(shù)字信號傳輸，必須將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為摸擬信號。為此需要在發(fā)送端選取音頻范圍的某一頻率的正（余）弦摸擬信號作為載波，用它運載所要傳輸?shù)臄?shù)字信號，通過電話信道送至另一端；在接收端再將數(shù)字信號從載波上取出來，恢復(fù)為原來的信號波形。

調(diào)制:數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號。

解調(diào):模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。

常用的調(diào)制方法：調(diào)幅(AM)調(diào)頻(FM)調(diào)相(PM)正交調(diào)幅(QAM)數(shù)據(jù)通信的基本概念脈沖編碼調(diào)制（PCM，PulseCodeModulation）：是波形編碼中最重要的一種方式，在光纖通信、數(shù)字微波通信、衛(wèi)星通信等均獲得了極為廣泛的應(yīng)用，現(xiàn)在的數(shù)字傳輸系統(tǒng)大多采用PCM體制。PCM過程主要由采樣、量化與編碼三個步驟組成。

數(shù)據(jù)通信的基本概念2.4.3數(shù)字傳輸系統(tǒng)現(xiàn)在的數(shù)字傳輸系統(tǒng)均采用脈碼調(diào)制PCM(PulseCodeModulation)體制。

采樣周期Tt信號t采樣1001001111000010t編碼t解碼t還原幅移鍵控方式（ASK，Amplitude-ShiftKeying）頻移鍵控方式（FSK，F(xiàn)requency-ShiftKeying）相移鍵控方式（PSK，Phase-ShiftKeying）

數(shù)據(jù)通信的基本概念數(shù)據(jù)通信的基本概念基帶傳輸：由計算機或終端產(chǎn)生的，頻譜從零開始而未經(jīng)調(diào)制的數(shù)字信號所占用的頻率范圍叫基本頻帶，簡稱基帶。利用基帶信號直接傳輸?shù)姆绞椒Q基帶傳輸。在基帶傳輸中，需要對數(shù)字信號進行編碼，即用不同電壓極性或電平值代表數(shù)字信號的“0”和“1”。

數(shù)字編碼方法：非歸零編碼、曼徹斯特編碼、差分曼徹斯特編碼數(shù)據(jù)通信的基本概念曼徹斯特（Manchester）編碼：包括數(shù)據(jù)信息和時鐘信息，每一位的中間有一個跳變，從高到低的跳變表示1，從低到高的跳變表示0，位中間的跳變既作為時鐘，又作為數(shù)據(jù)。差分曼徹斯特編碼：若碼元為1，則其前半個碼元的電平與上一個碼元的后半個碼元的電平一樣；但若碼元為0，則其前半個碼元的電平與上一個碼元的后半個碼元的電平相反。不論碼元是１或０，在每個碼元的正中間時刻，一定要有一次電平的轉(zhuǎn)換。差分曼徹斯特編碼需要較復(fù)雜的技術(shù)，但可以獲得較好的抗干擾性能。數(shù)據(jù)通信的基本概念數(shù)據(jù)通信的基本概念數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的主要質(zhì)量指標(biāo)模擬通信系統(tǒng)的質(zhì)量指標(biāo)有效性可靠性數(shù)字通信系統(tǒng)的質(zhì)量指標(biāo)傳輸速率差錯率在數(shù)據(jù)傳輸時，為了高效合理地利用資源，通常采用多路復(fù)用技術(shù)

.通過多路復(fù)用器將多路信號組合在一條物理信道上傳輸,到接收端再用多路分用器（也稱多路譯碼器）將各路信號分離并輸出,從而提高通信線路的利用率，降低通信成本多路復(fù)用技術(shù)多路復(fù)用技術(shù)頻分復(fù)用時分復(fù)用波分復(fù)用碼分復(fù)用返回本章首頁多路復(fù)用技術(shù)頻分多路復(fù)用（FDM，F(xiàn)requencyDivisionMultiplexing）：當(dāng)介質(zhì)的有效帶寬超過被傳輸?shù)男盘枎挄r，可以把多個信號調(diào)制在不同的載波頻率上，從而在同一介質(zhì)上實現(xiàn)同時傳送多路信號，即將信道的可用頻帶（帶寬）按頻率分割成多路信號的方法劃分為若干個互不交疊的頻段，每路信號占據(jù)其中一個頻段，從而形成多個子信道；在接收端用適當(dāng)?shù)臑V波器將多路信號分開，分別進行解調(diào)和終端處理。頻分多路復(fù)用主要應(yīng)用于模擬信號。FDM子信道示意圖多路復(fù)用技術(shù)FDM原理多路復(fù)用技術(shù)時分復(fù)用TDM（TimeDivisionMultiplexing）：將一條物理信道按時間分成若干個時間片輪流地分配給多個信號使用。每一時間片由復(fù)用的一個信號占用，這樣，利用每個信號在時間上的交叉，就可以在一條物理信道上傳輸多個數(shù)字信號。時分多路復(fù)用不僅限于傳輸數(shù)字信號，也可同時交叉?zhèn)鬏斈M信號。同步時分：時分方案中的時間片是分配好的，而且是固定不變的。異步時分：允許動態(tài)地分配傳輸媒體的時間片。多路復(fù)用技術(shù)TDM子信道示意圖可用頻段頻率時間ABCDABCDABCDABCD組成子信道A的時隙時分復(fù)用幀多路復(fù)用技術(shù)TDM原理2多路復(fù)用器MUX源1源2源3源4源5源6多路復(fù)用器MUX目標(biāo)1目標(biāo)2目標(biāo)3目標(biāo)4目標(biāo)5目標(biāo)634561234516多路復(fù)用技術(shù)波分復(fù)用WDM（WavelengthDivisionMultiplexing）：在光纖信道上使用的頻分復(fù)用的一個變種,將光信號劃分為多個波段,用來實現(xiàn)一根光纖同時傳輸多個光載波信號。因為目前網(wǎng)絡(luò)的主干多為光纖,所以波分復(fù)用是主要的復(fù)用技術(shù)之一。多路復(fù)用技術(shù)輸出要聯(lián)系的控制信息發(fā)送數(shù)據(jù)可調(diào)波長發(fā)送器固定波長發(fā)送器可調(diào)波長接收器固定波長接收器固定波長接收器可調(diào)波長接收器可調(diào)波長發(fā)送器固定波長發(fā)送器同意聯(lián)系多路復(fù)用技術(shù)碼分復(fù)用CDM（CodeDivisionMultiplexing）：又稱碼分多址CDMA（CodeDivisionMultipleAccess）,是一種用于移動通信系統(tǒng)的技術(shù),共享時間和頻率資源。多路復(fù)用技術(shù)異步與同步通信同步通信:

同步就是接收端按發(fā)送端發(fā)送的每個碼元的起止時間及重復(fù)頻率來接收數(shù)據(jù)，并且要校準(zhǔn)自己的時鐘以便與發(fā)送端的發(fā)送取得一致，實現(xiàn)同步接收。

返回本章首頁異步與同步通信異步通信:

發(fā)送端可以在任意時刻發(fā)送字符，字符之間的間隔時間可以任意變化。該方法是將字符看作一個獨立的傳送單元，在每個字符的前后各加入1～3位信息作為字符的開始和結(jié)束標(biāo)志位，以便在每一個字符開始時接收端和發(fā)送端同步一次，從而在一串比特流中可以把每個字符識別出來。

并行數(shù)據(jù)傳輸:

在并行數(shù)據(jù)傳輸中，至少有8個數(shù)據(jù)位同時從一個設(shè)備傳送到另一個設(shè)備，發(fā)送設(shè)備將8個數(shù)據(jù)位通過8條數(shù)據(jù)線傳送給接收設(shè)備。接收設(shè)備在收到這些數(shù)據(jù)后，不需經(jīng)過任何改變就可以直接使用。計算機內(nèi)部的總線數(shù)據(jù)傳送通常都是以并行方式進行傳輸?shù)?。串行?shù)據(jù)傳輸:

在串行數(shù)據(jù)傳輸中，每次由源地傳到目的地的數(shù)據(jù)只有一位，與同時傳輸好幾位數(shù)據(jù)的并行傳輸相比，串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)膫鬏斔俣纫炔⑿袀鬏斅?，但在實際應(yīng)用中往往選擇串行數(shù)據(jù)傳輸，這是因為實現(xiàn)串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠布哂薪?jīng)濟性和實用性。通常情況下，并行通信用于距離較近的情況，串行通信用于距離較遠的情況。串行傳輸與并行傳輸串行傳輸與并行傳輸串行傳輸:

數(shù)據(jù)在一個信道上一位一位依次傳輸。數(shù)據(jù)線數(shù)目與與傳輸數(shù)據(jù)無關(guān)。特點：

1、通信線路數(shù)小，線路利用率高適合于遠距離傳輸。

2、在發(fā)送端和接收端需要并/串轉(zhuǎn)換和串/并轉(zhuǎn)換。

3、需要實施同步措施，以確保不產(chǎn)生錯字。并行傳輸:

數(shù)據(jù)在多個信道上同時傳輸。數(shù)據(jù)線數(shù)目與與傳輸數(shù)據(jù)相同并可能多一校驗線。特點：

1、不需要對傳輸代碼進行時序轉(zhuǎn)換

2、需要數(shù)據(jù)線數(shù)目多。

3、傳輸速率高。串行傳輸與并行傳輸數(shù)字通信原理

7.按照數(shù)字信號碼元排列方法的不同，可分為：串序傳輸：將數(shù)字信號碼元序列按時間順序一個接一個地在信道中傳輸。并序傳輸：將數(shù)字信號碼元分割成兩路或兩路以上的數(shù)字信號碼元序列同時在信道中傳輸。串序與并序傳輸示意圖：

數(shù)字通信原理

串序傳輸：發(fā)送設(shè)備接收設(shè)備01101101數(shù)字通信原理

并序傳輸：發(fā)送設(shè)備接收設(shè)備01101001011001101010110110010101……數(shù)字通信原理

數(shù)字通信的主要特點：無噪聲積累，能保證較高的通信質(zhì)量便于加密處理數(shù)字信號便于直接與計算機接口形成智能網(wǎng)數(shù)字通信原理

高度的靈活性和通用性設(shè)備便于集成化、微型化但是，數(shù)字通信的許多優(yōu)點都是用比模擬通信占據(jù)更寬的系統(tǒng)頻帶為代價而換取得，并且數(shù)字通信對同步要求高，系統(tǒng)設(shè)備比較復(fù)雜。數(shù)字通信原理

由于數(shù)字通信的一系列優(yōu)點，人們熟悉的短波通信、微波通信以及迅速發(fā)展的移動通信、衛(wèi)星通信、光纖通信等都向數(shù)字化方向發(fā)展。隨著微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，數(shù)字通信將在今后的通信方式中取代模擬通信而占據(jù)統(tǒng)治地位。單工通信：只能有一個方向的通信而沒有反方向的交互電視半雙工通信：一方發(fā)送，另一方接收，過一段時間后再反過來。但不能雙方同時發(fā)送，也不能同時接收。電話全雙工通信：通信雙方可以同時發(fā)送和接收信息計算機網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)通信的基本方式數(shù)據(jù)通信方式發(fā)方收方A方A方B方B方單工通信半雙工通信全雙工通信差錯控制編碼就是對網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)字信號進行抗干擾編碼，目的是為了提高數(shù)字通信系統(tǒng)的容錯性和可靠性，它在發(fā)送端被傳輸?shù)男畔⒋a元序列中，以一定的編碼規(guī)則附加一些校驗碼元，接收端利用該規(guī)則進行相應(yīng)的譯碼，譯碼的結(jié)果有可能發(fā)現(xiàn)差錯或糾正差錯。在差錯控制碼中，檢錯碼是指能自動發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)差錯的編碼，糾錯碼是指不僅能發(fā)現(xiàn)差錯而且能夠自動糾正差錯的編碼。當(dāng)然，檢錯和糾錯能力是用信息量的冗余和降低系統(tǒng)的效率為代價來換取的。差錯控制與校驗奇偶校驗碼：每個字符增加一個附加位,使字符中“1”的個數(shù)為奇數(shù)或者偶數(shù)。多用于低速傳輸。只能檢驗奇數(shù)位出錯。奇校驗：

110010110

附加位

110110111偶校驗：

110010111110110110差錯控制與校驗水平冗余校驗水平冗余校驗是把數(shù)個字符組成一組，對一組字符的同一位（水平方向）進行奇或偶校驗，得到一列校驗碼。發(fā)送時按字符一個接一個地發(fā)送，最后發(fā)送一列校驗碼。