網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)通信

1、高中信息技術(shù)高中信息技術(shù) （必修）（必修） 知識(shí)體系知識(shí)體系：數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的組成數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的組成數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的的基本概念數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的的主要技術(shù)指標(biāo)。 基帶傳輸基帶傳輸并行通信和串行通信并行通信和串行通信單工、半雙工和全雙工通信單工、半雙工和全雙工通信寬帶寬帶傳輸傳輸。學(xué)習(xí)目標(biāo)了解數(shù)據(jù)通信的基本概念理解數(shù)據(jù)通信中數(shù)據(jù)的傳輸和編碼方法理解數(shù)據(jù)交換技術(shù)和多路復(fù)用技術(shù)了解差錯(cuò)控制方法和差錯(cuò)控制編碼技術(shù)1：了解數(shù)據(jù)通信系統(tǒng) 計(jì)算機(jī)之間的通信是資源共享的基礎(chǔ)，計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)的核心是數(shù)據(jù)通信設(shè)施。 本任務(wù)將學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的組成、基本概念和數(shù)據(jù)通信的主要技術(shù)指標(biāo)。 1.1.1 數(shù)

2、據(jù)通信系統(tǒng)模型1.通信系統(tǒng) 用來實(shí)現(xiàn)通信過程的系統(tǒng)2通信系統(tǒng)的基本組成u通信系統(tǒng)必須具備3個(gè)基本要素：信源、傳輸介信源、傳輸介質(zhì)質(zhì)和信宿信宿。 u通信系統(tǒng)的一般模型如圖所示，包括信源、發(fā)送設(shè)備、信道、噪聲源、接收設(shè)備和信宿6個(gè)部分。u例如：電話，傳真，手機(jī)，電報(bào)，對(duì)講機(jī)1.1.1 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)模型（1）信源：作用是將原始信息轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的信號(hào)（通常稱為基帶信號(hào)）。（2）發(fā)送設(shè)備：對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行各種變換和處理，使其適合在信道中傳輸。（3）信道：發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備之間用于傳輸信號(hào)的介質(zhì)。模型中各部分的功能 （4）接收設(shè)備：對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行必要的處理和變換后，恢復(fù)為相應(yīng)的基帶信號(hào)。（5）信宿：將恢復(fù)的基

3、帶信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的原始信息。（6）噪聲源：信道中的噪聲以及分散在通信系統(tǒng)其他各處噪聲的集中表現(xiàn)。1.1.2 數(shù)據(jù)通信的基本概念1數(shù)據(jù)、信息和信號(hào)數(shù)據(jù)（Data）： 是記錄下來的可以被鑒別的符號(hào)，是把事物的某些特征（屬性）規(guī)范化后的表現(xiàn)形式。具有穩(wěn)定性和表達(dá)性。信息（Information）： 是對(duì)數(shù)據(jù)的認(rèn)識(shí)和解釋，是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加工和處理后產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。信號(hào)（Signal）： 是數(shù)據(jù)的物理表示形式。在數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中，傳輸介質(zhì)以適當(dāng)形式傳輸?shù)臄?shù)據(jù)都是信號(hào)。 信號(hào)是數(shù)據(jù)或信息的載體，有模擬和數(shù)字兩種形式1.1.2 數(shù)據(jù)通信的基本概念1數(shù)據(jù)、信息和信號(hào)數(shù)據(jù)和信息是有區(qū)別: 數(shù)據(jù)是獨(dú)立的，是尚未組織起來的

4、事實(shí)的集合； 信息是按照一定要求以一定格式組織起來的數(shù)據(jù)，某人身高：2.26米今天氣溫：39度這人很高今天很熱 數(shù) 據(jù)信 息1.1.2 數(shù)據(jù)通信的基本概念2模擬通信和數(shù)字通信 根據(jù)信道傳輸信號(hào)的差異，通信系統(tǒng)分為模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)。模擬通信系統(tǒng)：模擬通信系統(tǒng)： 信道中傳輸模擬基帶信號(hào)或模擬頻帶信號(hào)的通信系統(tǒng)稱為模擬通信系統(tǒng)。數(shù)字通信系統(tǒng)：數(shù)字通信系統(tǒng)： 信道中傳輸數(shù)字基帶信號(hào)或數(shù)字頻帶信號(hào)的通信系統(tǒng)稱為數(shù)字通信系統(tǒng)。3通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)u通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)：通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)：u有效性：傳輸信息的效率；可靠性：接受信息的準(zhǔn)確度 （1）模擬通信系統(tǒng)的性能指標(biāo) u有效性用有效傳輸頻帶有效傳

5、輸頻帶來度量。u可靠性用接收端輸出的信噪比信噪比來度量。u信噪比：信噪比：u指輸出信號(hào)的平均功率和輸出噪聲的平均功率之比，單位分貝（dB） ，即10logS/N （dB）。u信噪比越大，通信質(zhì)量越好。信噪比越大，通信質(zhì)量越好。3通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)（2）數(shù)字通信系統(tǒng)的質(zhì)量指標(biāo)u數(shù)字通信系統(tǒng)的有效性用信息傳輸速率傳輸速率來度量。u數(shù)字通信系統(tǒng)的可靠性用誤碼率誤碼率來度量。傳輸速率傳輸速率：它是指單位時(shí)間內(nèi)傳輸?shù)男畔⒘?，單位為bit/s誤碼率誤碼率：它是指接收錯(cuò)誤的碼元數(shù)與傳輸?shù)目偞a元數(shù)之比。即傳輸錯(cuò)誤碼元的概率。數(shù)字通信的主要優(yōu)點(diǎn) （1）抗干擾能力強(qiáng)（2）便于加密處理（3）易于實(shí)現(xiàn)集成化，從而減小

6、通信設(shè)備體積和功耗（4）利于采用時(shí)分復(fù)用實(shí)現(xiàn)多路通信圖2-2 模擬通信和數(shù)字通信抗干擾性能的比較2.1.3 數(shù)據(jù)通信的主要技術(shù)指標(biāo)1數(shù)據(jù)傳輸速率(選)（1）比特率S： 數(shù)據(jù)的傳輸速率，指在有效帶寬上，單位時(shí)間內(nèi)傳輸?shù)亩M(jìn)制代碼位（比特）數(shù)，單位是“位/秒”，記作bit/s。 常用的數(shù)據(jù)傳輸速率單位： kbit/s、Mbit/s、Gbit/s與Tbit/s。 1kbit/s= 1103 bit/s； 1Mbit/s= 1106bit/s； 1Gbit/s= 1109bit/s； 1Tbit/s= 11012bit/s。1.1.3 數(shù)據(jù)通信的主要技術(shù)指標(biāo)（1）比特率S（選） 設(shè)T為傳輸?shù)碾娒}沖信號(hào)

7、的寬度或周期，N為脈沖信號(hào)所有可能的狀態(tài)數(shù)，則比特率為 S=(1/T)*log2N（bit/s） log2N是每個(gè)電脈沖信號(hào)所表示的二進(jìn)制數(shù)據(jù)的位數(shù)（比特?cái)?shù)）。 如電信號(hào)的狀態(tài)數(shù)N=2，即只有“0”和“1”兩個(gè)狀態(tài)，則每個(gè)電信號(hào)只傳送1位二進(jìn)制數(shù)據(jù)，此時(shí)，S=1/T。1.1.3 數(shù)據(jù)通信的主要技術(shù)指標(biāo)（2）波特率B：（選） 調(diào)制速率，又稱碼元速率，是數(shù)字信號(hào)經(jīng)過調(diào)制后的傳輸速率。 波特率指在有效帶寬上，單位時(shí)間內(nèi)傳送的波形單元（碼元）數(shù)。 B= 1/T(Baud) 即1波特表示每秒鐘傳送一個(gè)碼元。 波特率與比特率的數(shù)量關(guān)系：S=Blog2N1.1.3 數(shù)據(jù)通信的主要技術(shù)指標(biāo)2信道、信道容量、信

8、道帶寬（1）信道：信道是傳送信號(hào)的通路，（2）信道容量：表示一個(gè)信道的最大數(shù)據(jù)傳輸速率，單位為位/秒，記作bit/s。（3）信道帶寬：指信道上能夠傳送信號(hào)的最高頻率與最低頻率之差，單位為赫茲（Hz）。1.1.3 數(shù)據(jù)通信的主要技術(shù)指標(biāo)2信道、信道容量、信道帶寬(選學(xué))信道容量的計(jì)算：(奈奎斯特定理)條件：理想信道（無噪聲無噪聲，有限帶寬有限帶寬的信道）Smax=2Blog2V bit/sB：通信信道帶寬，單位：HZV：信號(hào)可取的離散值個(gè)數(shù)1.1.3 數(shù)據(jù)通信的主要技術(shù)指標(biāo)2信道、信道容量、信道帶寬（選學(xué)）香農(nóng)定理：條件：有隨機(jī)噪聲有隨機(jī)噪聲，有限帶寬有限帶寬的信道Smax=Blog2(1+S/

9、N) bit/sB：通信信道帶寬，單位：HZS：信號(hào)功率N：噪聲功率1.1.3 數(shù)據(jù)通信的主要技術(shù)指標(biāo)3誤碼率Pe 誤碼率是指二進(jìn)制碼元在數(shù)據(jù)傳輸中被傳錯(cuò)的概率，又稱“出錯(cuò)率”。 誤碼率是衡量數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)在正常情況下正常情況下傳輸可靠性的指標(biāo)。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中，不高于10-64吞吐量 吞吐量是信道或網(wǎng)絡(luò)性能的另一個(gè)參數(shù)，數(shù)值上等于信道或網(wǎng)絡(luò)在單位時(shí)間內(nèi)傳輸?shù)目傂畔⒘?，單位也是bit/s。1.1.3 數(shù)據(jù)通信的主要技術(shù)指標(biāo)5網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷量 網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷量是指網(wǎng)絡(luò)單位面積中的數(shù)據(jù)分布量，即數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中分布密度。 網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷量過小，網(wǎng)絡(luò)的吞吐量也會(huì)小，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)利用率過低； 網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷量過大，容易產(chǎn)生阻塞現(xiàn)象，直接導(dǎo)

10、致網(wǎng)絡(luò)吞吐量降低。 2：理解數(shù)據(jù)通信方式 通信方式：數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较颉?shù)據(jù)發(fā)送的方式 在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中，從不同的角度看有多種不同的通信方式。 本任務(wù)學(xué)習(xí)、掌握并行通信和串行通信以及單工、半雙工和全雙工通信的基本概念。2.2.1 并行通信和串行通信1并行通信 并行通信是指多個(gè)數(shù)據(jù)位同時(shí)在設(shè)備之間進(jìn)行傳輸。 一般適用于短距離、要求傳輸速度高的場(chǎng)合;2串行通信 串行通信是指一次只有一個(gè)數(shù)據(jù)位在設(shè)備之間傳輸。 串行通信常用于計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)或與外部設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸。2.2.2 單工、半雙工和全雙工通信1單工通信通信信道是單向信道，數(shù)據(jù)信號(hào)僅沿一個(gè)方向傳輸；2全雙工通信數(shù)據(jù)可以同時(shí)同時(shí)沿相反的兩個(gè)方向雙向傳

11、輸。3半雙工通信 信號(hào)可以沿兩個(gè)方向傳送，但同一時(shí)刻一個(gè)信道只允許單方向傳送信號(hào)。3：理解數(shù)據(jù)傳輸方式 數(shù)據(jù)傳輸方式：傳輸?shù)男盘?hào)、數(shù)據(jù)的編碼 常見的信號(hào)形式有模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)，如圖所示。其中，模擬信號(hào)（Analog Signal）的電平是連續(xù)變化的，數(shù)字信號(hào)（Digital Signal）是用兩種不同電平表示0、1比特序列的電壓脈沖信號(hào)。本任務(wù)將學(xué)習(xí)基帶傳輸、頻帶傳輸和寬帶傳輸、信源編碼技術(shù)和多路復(fù)用技術(shù)等。 2.3.1 基帶傳輸、頻帶傳輸和寬帶傳輸1基帶傳輸u 基帶（基帶（Baseband）u 是指調(diào)制前原始電信號(hào)占用的頻帶，是原始電信號(hào)固有的基本頻帶。u 基帶信號(hào)基帶信號(hào)u是未經(jīng)載波調(diào)制

12、的信號(hào)。u 由“0”和“1”組成的數(shù)字信號(hào)又稱為“數(shù)字基帶信號(hào)”。u 基帶傳輸基帶傳輸u在信道中直接傳輸基帶信號(hào)時(shí)，稱為基帶傳輸。u基帶傳輸?shù)男盘?hào)既可以是模擬信號(hào)，也可以是數(shù)字信號(hào)，具體類型由信源決定。2.3.1 基帶傳輸、頻帶傳輸和寬帶傳輸2頻帶傳輸u利用模擬信道實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)姆椒?，稱為“頻帶傳輸”。u將數(shù)字信號(hào)調(diào)制成模擬信號(hào)后在發(fā)送和傳輸，到達(dá)接收端時(shí)，再把模擬信號(hào)解調(diào)為原來的數(shù)字信號(hào)。u調(diào)制解調(diào)器2.3.1 基帶傳輸、頻帶傳輸和寬帶傳輸u3.頻帶傳輸與基帶傳輸不同：u基帶傳輸中，基帶信號(hào)占有信道的全部帶寬；u 頻帶傳輸中，模擬信號(hào)通常由某個(gè)頻率或某幾個(gè)頻率組成，占用一個(gè)固有頻帶(高頻)，即整個(gè)頻道的一部分。采用多路復(fù)用技術(shù)，提高了信道利用率。 頻帶傳輸?shù)牟ㄐ伪容^單一，因?yàn)樵陬l帶傳輸中只需要用不同幅度或不同頻率表示0、1兩個(gè)電平。 2.3.1 基帶傳輸、頻帶傳輸和寬帶傳輸4寬帶傳輸 寬帶寬帶是指帶寬比聲頻更寬的頻帶。利用寬帶進(jìn)行的傳輸稱為寬帶傳輸寬帶傳輸。 寬帶傳輸可以在傳輸介質(zhì)上使用頻分多路復(fù)用技術(shù)。 由于數(shù)字信號(hào)的頻帶很寬，不便于在寬帶網(wǎng)中直接傳