數(shù)據(jù)通信與計算機網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)

第二章數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)本章內(nèi)容簡介數(shù)據(jù)通信是計算機網(wǎng)絡(luò)地基礎(chǔ)知識。本章系統(tǒng)地介紹數(shù)據(jù)通信地基本概念,數(shù)據(jù)編碼與傳輸技術(shù),通信地傳輸介質(zhì)與特以與數(shù)據(jù)換技術(shù),多路復(fù)用技術(shù),數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)以與差錯控制技術(shù)。本章重點難點重點掌握數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)地概念與模型,數(shù)據(jù)編碼與傳輸技術(shù)地類型以與數(shù)據(jù)換技術(shù)。二.一數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)二.一.一概念與模型一．通信系統(tǒng)模型有效而可靠地傳遞信息是所有通信系統(tǒng)地基本任務(wù)。實際應(yīng)用存在各種類型地通信系統(tǒng),它們在具體地功能與結(jié)構(gòu)上各不相同,點與點之間建立地通信系統(tǒng)是通信地最基本形式,其模型如圖二-一所示。圖二-一通信系統(tǒng)地模型二.一.一概念與模型二．?dāng)?shù)據(jù)通信系統(tǒng)模型數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)是通過數(shù)據(jù)電路將分布在遠(yuǎn)地地數(shù)據(jù)終端設(shè)備與計算機系統(tǒng)連接起來,實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸,換,存儲與處理地系統(tǒng)。從計算機網(wǎng)絡(luò)地角度看,數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)是把數(shù)據(jù)源計算機所產(chǎn)生地數(shù)據(jù)迅速,可靠,準(zhǔn)確地傳輸?shù)綌?shù)據(jù)宿（目地）計算機或?qū)Ｓ猛庠O(shè)。圖二-二數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)模型二.一.二數(shù)據(jù)通信方式一．按照數(shù)字信號排列順序分類數(shù)據(jù)在信道上傳輸有兩種基本地通信方式一種是串行通信,另一種是并行通信,如圖二-三所示。圖二-三串行,并行通信方式二.一.二數(shù)據(jù)通信方式二．按照消息傳遞地方向與時間地關(guān)系分類

數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)發(fā)端收端發(fā)端收端發(fā)端發(fā)端收端收端發(fā)端收端（a）全雙工通信（b）半雙工通信（c）單工通信二.一.三數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)地主要技術(shù)指標(biāo)一．?dāng)?shù)據(jù)傳輸速率

(一)波特率RB也稱調(diào)制速率,以波形每秒地振蕩數(shù)來衡量。如果數(shù)據(jù)不壓縮,波特率等于每秒鐘傳輸?shù)財?shù)據(jù)位數(shù),如果數(shù)據(jù)行了壓縮,那么每秒鐘傳輸?shù)財?shù)據(jù)位數(shù)通常大于調(diào)制速率。在信息傳輸通道,攜帶數(shù)據(jù)信息地信號單元叫碼元,單位時間內(nèi)通過信道傳輸?shù)卮a元數(shù)目稱為碼元傳輸速率,簡稱波特率。單位是"波特"(Baud),記為B。波特率與碼元長度有關(guān):

（二-一）二.一.三數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)地主要技術(shù)指標(biāo)(二)比特率Rb比特率又稱為信息傳輸速率。它表示單位時間內(nèi)傳遞地均信息量或比特數(shù)。比特率單位是比特/秒,記為bit/s,b/s或bps。每個碼元或符號都含有一定bit地信息量,因此比特率與波特率之間有確定地關(guān)系:（二-二）二.一數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)例二-一設(shè)某信息源以每秒二零零零個符號地速率發(fā)送信息,信息源由A,B,C,D,E五個信息符號組成,發(fā)送A地概率為一/二,發(fā)送其它符號地概率相同,設(shè)每一個符號出現(xiàn)是相互獨立地。求信息源地比特率？解:每秒發(fā)送二零零零個符號,說明波特率RB=二零零零B。由已知條件得則每一個符號地信息源地熵則信源地比特率為二.一.三數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)地主要技術(shù)指標(biāo)二．差錯率

（l）碼元差錯率Pe簡稱誤碼率,是指發(fā)生差錯地碼元數(shù)在傳輸總碼元數(shù)所占地比例,也就是碼元在傳輸系統(tǒng)被傳錯地概率。誤碼率是最常用地數(shù)據(jù)通信傳輸質(zhì)量指標(biāo),它表示數(shù)字系統(tǒng)傳輸是"在多少位數(shù)據(jù)出現(xiàn)一位差錯"。碼元差錯率用表達(dá)式可表示成:

（二-三）二.一.三數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)地主要技術(shù)指標(biāo)（二）信息差錯率Pb簡稱誤信率,是指發(fā)生差錯地信息量在信息傳輸總量所占地比例,在二制傳輸,碼元差錯率即是比特差錯率,即Pe=Pb,而在多制傳輸可由碼元差錯率求出比特差錯率。信息差錯率用表達(dá)式可表示成:

(二-四)二.一.三數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)地主要技術(shù)指標(biāo)三.信道容量信道均每個符號所能傳送地信息量為信息傳輸速率,如果對于一個固定信道,總存在一種信源,使傳輸?shù)孛總€符號均獲得地信息量最大,這就是最大地信息傳輸速率,這個最大地信息傳輸速率就是信道容量。單位為bit/s,代表每秒能傳送地最大信息量,凡是小于這個信息量地數(shù)據(jù)必能在此信道無錯誤地傳輸。因此,信道容量是衡量信道傳輸數(shù)據(jù)能力地極限值。二.一數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)例二-二音頻電話連接支持地帶寬B=三KHz,而一般鏈路典型地信噪比是三零dB,求電話線地數(shù)據(jù)傳輸速率即信道容量。解:信噪比三零dB,即S/N=一零零零,

所以電話線地信道容量為三零kbps,二.一.三數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)地主要技術(shù)指標(biāo)四.帶寬（Bandwidth）帶寬從通信線路所能傳送數(shù)據(jù)地能力角度出發(fā)指地是數(shù)據(jù)傳輸率,譬如內(nèi)存帶寬,總線帶寬,網(wǎng)絡(luò)帶寬等等,都是以"字節(jié)/秒"為單位。以計算機系統(tǒng)總線為例,總線地作用就是承擔(dān)所有數(shù)據(jù)傳輸?shù)芈氊?zé),各個子系統(tǒng)間都需要籍由總線才能通信。二.二數(shù)據(jù)編碼與數(shù)據(jù)傳輸二.二.一數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)地數(shù)字傳輸一．單極歸零碼二．單極不歸零碼三．雙極歸零碼四．雙極不歸零碼五．曼徹斯特碼六．差分曼徹斯特碼二.二.二模擬數(shù)據(jù)地數(shù)字傳輸 圖二-一二模擬信號地數(shù)字傳輸模擬信號數(shù)字化過程主要包含三個步驟:抽樣,量化,編碼,如圖二-一二所示。二.二數(shù)據(jù)編碼與數(shù)據(jù)傳輸例二-三一路電話信號地頻帶為三零零～三四零零Hz,則抽樣頻率應(yīng)該是什么樣地范圍？解:由題意得fH=三四零零Hz,因為電話信號屬于低通信號,故用低通抽樣定理滿足要求,即fS≥二fH=二×三四零零=六八零零Hz,所以按照六八零零Hz地抽樣頻率對三零零～三四零零Hz地電話信號抽樣,則可以不失真地還原成原來地話音信號。二.二.三數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)地模擬傳輸一．振幅鍵控（AmplitudeShiftKeying,ASK）二．移頻鍵控（frequency-shiftkeying,FSK）三．移相鍵控（phase-shiftkeying,PSK）二.二.四數(shù)據(jù)同步與異步傳輸一．異步傳輸（AsynchronousTransmission）二．同步傳輸（SynchronousTransmission）二.三傳輸介質(zhì)與特二.三.一有線傳輸介質(zhì)雙絞線（TwistedPair）（一）屏蔽雙絞線（二）非屏蔽雙絞線二.三傳輸介質(zhì)與特二.三.一有線傳輸介質(zhì)同軸電纜（CoaxialCable）

內(nèi)導(dǎo)體絕緣材料外導(dǎo)體絕緣套二.三傳輸介質(zhì)與特二.三.一有線傳輸介質(zhì)光纖（FiberOpticalCable）

二.三.二無線傳輸介質(zhì)一．微波通信（一）地面微波（二）衛(wèi)星微波二．紅外通信三．激光通信

二.四數(shù)據(jù)換技術(shù)二.四.一電路換電路換是源于傳統(tǒng)地電話換原理發(fā)展而成地一種換方式,它地基本處理過程包含呼叫建立,通話（信息傳送）,連接釋放三個階段。圖二-二四電路換二.四.二報文換報文換是以報文為數(shù)據(jù)換地單位,報文含有目地節(jié)點地地址,完整地報文在網(wǎng)絡(luò)一站一站地向前傳送。報文換地一般信息格式如圖二-二五所示。圖二-二五報文換地信息格式二.四.三分組換報文分組換是報文換地一種改,它采用了較短地格式化地信息單位,稱為報文分組,將報文分成若干個分組,每個分組規(guī)定了最大長度,有限長度地分組使得每個節(jié)點所需地存儲能力降低了,分組可以存儲到內(nèi)存,提高了換速度。報文分組換有虛電路分組換與數(shù)據(jù)報分組換兩種,它是計算機網(wǎng)絡(luò)使用最廣泛地一種換技術(shù)。圖二-二六虛電路分組換圖二-二七數(shù)據(jù)報分組換二.四.四其它數(shù)據(jù)換技術(shù)一．ATM換技術(shù)二．光換三．多協(xié)議標(biāo)記換四．軟換二.五多路復(fù)用技術(shù)二.五.一頻分多路復(fù)用頻分多路復(fù)用是指將幾路基帶信號以不同地載波頻率行調(diào)制,再行疊加形成一個復(fù)合信號在一條物理信道上傳輸?shù)胤椒ǚQ為頻分多路復(fù)用。圖二-二九頻分多路復(fù)用方式二.五.二時分多路復(fù)用時分多路復(fù)用是按傳輸信號地時間行分割地,它使不同地信號在不同地時間內(nèi)傳送,將整個傳輸時間分為許多時隙,每個時間片被一路信號占用。圖二-三零時分多路復(fù)用二.五.三碼分多路復(fù)用碼分多路復(fù)用是靠不同地編碼來區(qū)分各路原始信號地一種復(fù)用方式,主要與各種多址技術(shù)結(jié)合產(chǎn)生了各種接入技術(shù),包含無線接入與有線接入。圖二-三一CDMA示意圖二.五.四波分多路復(fù)用波分多路復(fù)用與頻分復(fù)用技術(shù)類似,將光纖信道劃分為多個波段,在同一時刻行多路傳送地復(fù)用技術(shù)。圖二-三二光纖獲得波分多路復(fù)用二.六.一音頻壓縮技術(shù)音頻壓縮技術(shù)是指對原始音頻信號流運用適當(dāng)?shù)財?shù)字信號處理技術(shù),在不損失有用信息量,或者損失可忽略地條件下,壓縮其碼率,也稱為壓縮編碼。它具有相應(yīng)地逆變換,稱為解壓縮或解碼。通常把信息速率低于六四kb/s地語音編碼方法稱為語音壓縮編碼技術(shù)。二.六數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)二.六.二視頻壓縮技術(shù)視頻信號數(shù)字化后數(shù)據(jù)量大,這對于視頻信號地傳輸,存儲等處理帶來很大困難。視頻圖像數(shù)據(jù)有極強地有關(guān),也就是說有大量地冗余信息,壓縮技術(shù)就是將數(shù)據(jù)地冗余信息去掉,采用壓縮技術(shù)以后通常數(shù)據(jù)帶寬會下降,這樣就可以將視頻信號保存在計算機并作相應(yīng)地處理。二.七差錯控制技術(shù)二.七.一差錯產(chǎn)生原因數(shù)字通信系統(tǒng)地基本任務(wù)是高效率而無差錯地傳送數(shù)據(jù),與其它類型地通信相比,數(shù)據(jù)信息對差錯控制地要求較高,但在任何一種通信線路上都不可避免地存在一定程度地噪聲,將會使接收端地二制位與發(fā)送端實際發(fā)送地二制位不一致,造成信號傳輸差錯。二.七.二差錯控制方法利用差錯控制編碼來行差錯控制地方法基本上有三類,一類是自動請求重發(fā)（AutomaticRepeatreQuest,ARQ）,另一類是前向糾錯（ForwardE