1、2121世纪计算机基础教育系列教材世纪计算机基础教育系列教材1第第2章数据通信的基础知识章数据通信的基础知识 本章要点本章要点l 信息、数据和信号的概念信息、数据和信号的概念l 数据通信的技术指标数据通信的技术指标l 数据传输的同步技术数据传输的同步技术l 数据的编码和调制技术数据的编码和调制技术l 数据交换技术数据交换技术l 传输媒体的类型与特点传输媒体的类型与特点l 信道复用技术信道复用技术l 差错控制技术差错控制技术本章难点本章难点l 数据的编码和调制技术数据的编码和调制技术l 差错控制技术差错控制技术2121世纪计算机基础教育系列教材世纪计算机基础教育系列教材22.1 基本概念基本概念
2、 2.1.1 信息、数据和信号信息、数据和信号数据：可定义为有意义的实体，可以以多种形式存在数据：可定义为有意义的实体，可以以多种形式存在。计算机中的数据一般指具有一定含义的数值、文字、计算机中的数据一般指具有一定含义的数值、文字、声音、图形、图像和动画等。声音、图形、图像和动画等。数据可分为模拟数据和数字数据两大类。数据可分为模拟数据和数字数据两大类。模拟数据：模拟数据是在某个区间内连续变化的值模拟数据：模拟数据是在某个区间内连续变化的值。数字数据：数字数据是离散的值数字数据：数字数据是离散的值。信息：信息是数据的内含，数据是信息的载体。信息信息：信息是数据的内含，数据是信息的载体。信息需要
3、通过数据表示出来。需要通过数据表示出来。2121世纪计算机基础教育系列教材世纪计算机基础教育系列教材3信号的两种类型：信号的两种类型：模拟信号波型模拟信号波型数字信号波型数字信号波型2121世纪计算机基础教育系列教材世纪计算机基础教育系列教材4信号、信源、信宿信号、信源、信宿信号：信号是数据的电、磁、光形式的编码。信号：信号是数据的电、磁、光形式的编码。信源：信源是指在通信的过程中产生和发送信号的设信源：信源是指在通信的过程中产生和发送信号的设备或计算机。备或计算机。信宿：信宿是指在通信的过程中接收和处理信息的设信宿：信宿是指在通信的过程中接收和处理信息的设备或计算机。备或计算机。2121世纪
4、计算机基础教育系列教材世纪计算机基础教育系列教材5信道信道 信道：信道是指信源和信宿之间的传输线路和传输设信道：信道是指信源和信宿之间的传输线路和传输设备。备。信道可分为物理信道和逻辑信道：信道可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，它物理信道：是指用来传送信号或数据的物理通路，它由传输介质及有关通信设备组成。由传输介质及有关通信设备组成。逻辑信道也是网络上的一种通路，在信号的接收和发逻辑信道也是网络上的一种通路，在信号的接收和发送之间不仅存在一条物理上的传输介质，而且在此物送之间不仅存在一条物理上的传输介质，而且在此物理信道的基础上，还可以存在着多条逻辑信道。理
5、信道的基础上，还可以存在着多条逻辑信道。同一物理信道上可以提供多条逻辑信道；而每一逻辑同一物理信道上可以提供多条逻辑信道；而每一逻辑信道上只允许一路信号通过。信道上只允许一路信号通过。2121世纪计算机基础教育系列教材世纪计算机基础教育系列教材62.1.2 数据通信系统的基本结构数据通信系统的基本结构 图2.1典型计算机通信系统2121世纪计算机基础教育系列教材世纪计算机基础教育系列教材72.1.3 通信信道的分类通信信道的分类 1.1.物理信道和逻辑信道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，物理信道是指用来传送信号或数据的物理通路，它由传输介质及有关通信设备组成。同一
6、物理信道上它由传输介质及有关通信设备组成。同一物理信道上可以提供多条逻辑信道；而每一逻辑信道上只允许一可以提供多条逻辑信道；而每一逻辑信道上只允许一路信号通过。路信号通过。2121世纪计算机基础教育系列教材世纪计算机基础教育系列教材8 2.有线信道和无线信道有线信道和无线信道 根据传输介质是否有形，物理信道可以分为有线根据传输介质是否有形，物理信道可以分为有线信道和无线信道。有线信道包括电话线、双绞线、同信道和无线信道。有线信道包括电话线、双绞线、同轴电缆、光缆等有形传输介质。无线信道包括无线电、轴电缆、光缆等有形传输介质。无线信道包括无线电、微波、卫星通信信道、激光和红外线等无形传输介质。微
7、波、卫星通信信道、激光和红外线等无形传输介质。2121世纪计算机基础教育系列教材世纪计算机基础教育系列教材93.模拟信道和数字信道模拟信道和数字信道 按照信道中传输数据信号类型的不同来分，物理按照信道中传输数据信号类型的不同来分，物理信道又可以分为模拟信道和数字信道。模拟信道中传信道又可以分为模拟信道和数字信道。模拟信道中传输的是模拟信号，而在数字信道中直接传输的是二进输的是模拟信号，而在数字信道中直接传输的是二进制数字脉冲信号。制数字脉冲信号。模拟信道只能传输模拟信号？模拟信道只能传输模拟信号？数字信道只能传输数字信号？数字信道只能传输数字信号？2121世纪计算机基础教育系列教材世纪计算机基
8、础教育系列教材104.专用信道和公共交换信道专用信道和公共交换信道 按照信道的使用方式来分，又可以分为专用信道按照信道的使用方式来分，又可以分为专用信道和公共交换信道。专用信道又称专线，这是一种连接和公共交换信道。专用信道又称专线，这是一种连接用户之间设备的固定线路，它可以是自行架设的专门用户之间设备的固定线路，它可以是自行架设的专门线路，也可以是向电信部门租用的专线。专用线路一线路，也可以是向电信部门租用的专线。专用线路一般用在距离较短或数据传输量较大的场合。公共交换般用在距离较短或数据传输量较大的场合。公共交换信道是一种通过公共交换机转接，为大量用户提供服信道是一种通过公共交换机转接，为大
9、量用户提供服务的信道。顾名思义，采用公共交换信道时，用户与务的信道。顾名思义，采用公共交换信道时，用户与用户之间的通信，通过公共交换机到交换机之间的线用户之间的通信，通过公共交换机到交换机之间的线路转接。公共电话交换网就属于公共交换信道。路转接。公共电话交换网就属于公共交换信道。2121世纪计算机基础教育系列教材世纪计算机基础教育系列教材112.1.4 数据通信的技术指标数据通信的技术指标 1.数据传输速率数据传输速率S(比特率比特率)单位时间内所传送的二进制代码的有效位单位时间内所传送的二进制代码的有效位(bit)数。数。S用每秒比特数用每秒比特数(bit/s或或bps)2.信号传输速率信号
10、传输速率B(波特率波特率)指在有效带宽上，单位时间内所传送的波形单元指在有效带宽上，单位时间内所传送的波形单元数。一个波形单元也称为一个码元。信号传输速率也数。一个波形单元也称为一个码元。信号传输速率也叫码元速率。信号传输速率的单位为波特叫码元速率。信号传输速率的单位为波特(Baud）。）。2121世纪计算机基础教育系列教材世纪计算机基础教育系列教材12比特率与波特率的关系比特率与波特率的关系 log2 为一个码元所取的有效离散值的个数，也称为为一个码元所取的有效离散值的个数，也称为调制电平数，一般取的整数次方值。若一个码元调制电平数，一般取的整数次方值。若一个码元仅可取仅可取0和和1两种离散
11、值，即为（如图两种离散值，即为（如图2.2），则一），则一个码元只能携带一位（一个个码元只能携带一位（一个bit）二进制数据（）二进制数据（0或或1），），此时，；若一个码元仅可取此时，；若一个码元仅可取00、01、10、11四四种离散值，即为（如图种离散值，即为（如图2.3）,则一个码元就可携带则一个码元就可携带二位（二个二位（二个bit）二进制数据（）二进制数据（00、01、10或或11），此），此时，时，log2，即；以此类推，若一个，即；以此类推，若一个码元可取码元可取000、001、010、011、100、110、111八种离八种离散值，即为散值，即为，则一个码元，则一个码元可携带三
12、位二进制数据，此时，可携带三位二进制数据，此时，log2，即，即。2121世纪计算机基础教育系列教材世纪计算机基础教育系列教材13比特率与波特率的关系比特率与波特率的关系B=10Baud S=10b/s个码元1秒1秒B=10Baud S=20b/s图2.2 N=2 时S=B 图2.3 N=4时S=2B 00 01 10 11 10 11 01 00 10 01 2121世纪计算机基础教育系列教材世纪计算机基础教育系列教材143.3.带宽带宽F F 带宽是指物理信道的频带宽度，即信道允许的最带宽是指物理信道的频带宽度，即信道允许的最高频率和最低频率之差，单位为赫兹高频率和最低频率之差，单位为赫兹
13、(Hz)。通常所说。通常所说的带宽是指有效带宽，有效带宽是指单位大小的信号的带宽是指有效带宽，有效带宽是指单位大小的信号通过信道时，幅度衰减至原信号的根号分之（即通过信道时，幅度衰减至原信号的根号分之（即0.707）倍时，最高频率和最低频率之差）倍时，最高频率和最低频率之差 2121世纪计算机基础教育系列教材世纪计算机基础教育系列教材15带宽带宽F 信道允许的最高频率和最低频率之差，单位为赫兹信道允许的最高频率和最低频率之差，单位为赫兹(Hz)。10.707带宽Hz图2.4 带宽2121世纪计算机基础教育系列教材世纪计算机基础教育系列教材164.信道容量信道容量C 信道容量一般是指物理信道上能
14、够传输数据的最信道容量一般是指物理信道上能够传输数据的最大能力。它表征一个信道传输数据的能力，单位也用大能力。它表征一个信道传输数据的能力，单位也用位秒（位秒（bit/s）表示表示 奈奎斯特奈奎斯特(Nyquist)首先给出了无噪声情况下码元速率首先给出了无噪声情况下码元速率的极限值与信道带宽的关系：的极限值与信道带宽的关系：max=2F 单位单位(Baud)由此可推出表征信道数据传输能力的奈奎斯特公式为：由此可推出表征信道数据传输能力的奈奎斯特公式为：max=2Flog2N 单位单位(bps)2121世纪计算机基础教育系列教材世纪计算机基础教育系列教材17香农定理香农定理香农（香农（Shan
15、non）则进一步研究了受随机噪声干扰的信道的情况，）则进一步研究了受随机噪声干扰的信道的情况，如果信号值与噪声值的比值（信噪比）用如果信号值与噪声值的比值（信噪比）用S/N表示，则信道容量表示，则信道容量为：为：Cmax=Flog2(1+S/N)单位单位(bit/s)F：信道带宽，单位为赫兹：信道带宽，单位为赫兹(Hz)。S/N：信噪比（无单位）。：信噪比（无单位）。S：信道上所传信号的平均功率，单位为瓦特。：信道上所传信号的平均功率，单位为瓦特。N：信道内部的噪声功率，单位为瓦特。：信道内部的噪声功率，单位为瓦特。在实际应用中信噪比在实际应用中信噪比(可测量得到）常用下列公式表示：可测量得到
16、）常用下列公式表示：S/N信噪比（信噪比（db）=10lg(S/N)单位（分贝：单位（分贝：dB）例如，信噪比为例如，信噪比为30dB，带宽为，带宽为3kHz的信道，求信道容量：的信道，求信道容量：首先，根据首先，根据30=10lg(S/N)求出求出S/N=1000，结果代入公式，结果代入公式C=Flog2(1+S/N)求出求出C约为约为30kbps。2121世纪计算机基础教育系列教材世纪计算机基础教育系列教材185.误码率Pe 二进制码元在数据传输中被传错的概率，因此，二进制码元在数据传输中被传错的概率，因此，也称为也称为“出错率出错率”。设传输的二进制数据总数为位，。设传输的二进制数据总数
17、为位，其中出错的位数为其中出错的位数为e位，则误码率表示为：位，则误码率表示为：e=Ne/N 其中，其中，N N为传输的二进制比特总数；为传输的二进制比特总数；NeNe为被传错的比特数。为被传错的比特数。e=n+1 或或 2 r=k+r+1 k为信息位位数为信息位位数 r为增加冗余位位数为增加冗余位位数 2121世纪计算机基础教育系列教材世纪计算机基础教育系列教材95海明码举例海明码举例信息码为：信息码为：0010。即。即k=4由由2 r=k+r+1得得r=3 即有三个校正因子即有三个校正因子S2、S1、S02121世纪计算机基础教育系列教材世纪计算机基础教育系列教材96海明码举例海明码举例海
18、明码的监督关系式为：海明码的监督关系式为：S2=a2+a4+a5+a6S1=a1+a3+a5+a6S0=a0+a3+a4+a62121世纪计算机基础教育系列教材世纪计算机基础教育系列教材97海明码举例海明码举例设设S2=S1=S0=0,由监督关系式得：由监督关系式得：a2=a4+a5+a6=1a1=a3+a5+a6=0a0=a3+a4+a6=1因此，海明码码字为：因此，海明码码字为：00101012121世纪计算机基础教育系列教材世纪计算机基础教育系列教材98海明码举例海明码举例 如接收端收到的海明码字为如接收端收到的海明码字为0010001，那么接收端，那么接收端怎么知道怎么知道a2出错了呢？出错了呢？接收端用接收到的海明码字接收端用接收到的海明码字0010001代入监督关系式：代入监督关系式：S2=a2+a4+a5+a6=1S1=a1+a3+a5+a6=0S0=a0+a3+a4+a6=0通过查表通过查表2.2知道知道a2出错了。出错了。
