數(shù)據(jù)通信的基本概念綜述

第二章數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)知識(shí)本章講授內(nèi)容2.1、基本概念2.2、數(shù)據(jù)傳輸方式2.3、數(shù)據(jù)交換技術(shù)2.4、差錯(cuò)檢驗(yàn)與校正2.1基本概念2.1.1信息與數(shù)據(jù)信息：對(duì)客觀事物的反映，可以是對(duì)物質(zhì)的形態(tài)、大小、結(jié)構(gòu)、性能等全部或部分特性的描述，也可以表示物質(zhì)與外部的聯(lián)系。（信息由各種存在形式，如數(shù)字、文字、聲音、圖形和圖像等。）數(shù)據(jù)：信息可以用數(shù)字的形式來(lái)表示，數(shù)字化的信息稱為數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)是信息的載體，信息則是數(shù)據(jù)的內(nèi)在含義或解釋。（數(shù)據(jù)有兩種類型：取連續(xù)值的數(shù)據(jù)稱為模擬值，取離散值的數(shù)據(jù)稱為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。）2.1基本概念2.1.2信道和信道容量信道：傳送信號(hào)的通道，可以分為物理信道和邏輯信道。物理信道是指用來(lái)傳送信號(hào)或數(shù)據(jù)的物理通路，由傳輸介質(zhì)及其附屬設(shè)備組成。邏輯信道是指?jìng)鬏斝畔⒌囊粭l通路，但在信號(hào)的收、發(fā)節(jié)點(diǎn)之間并不一定存在與之對(duì)對(duì)應(yīng)的物理傳輸介質(zhì)，而是在物理信道的基礎(chǔ)上，由節(jié)點(diǎn)設(shè)備內(nèi)部的連接來(lái)實(shí)現(xiàn)。信道的分類：按使用權(quán)限分為專業(yè)信道和共用信道；按傳輸介質(zhì)分為有線信道、無(wú)線信道和衛(wèi)星信道；按傳輸信號(hào)分為模擬信道和數(shù)字信道。信道容量：是指信道傳輸信息的最大能力，通常用信息速率（bps）來(lái)表示。信道容量由信道的頻帶（帶寬）、可使用的時(shí)間及能通過(guò)的信號(hào)功率決定。信道容量香農(nóng)公式（Shannon）：

C=B*log2(1+S/N)(bps)說(shuō)明：S為信號(hào)功率，N為噪聲功率。在通信系統(tǒng)中，信噪比通常用分貝dB表示。S/N(dB)=10lg(S/N)例：已知信噪比為30dB，帶寬為3kHz，求信道的最大數(shù)據(jù)傳輸速率。

∵10lg(S/N)=30

∴S/N=1030/10=1000

∴C=3k×log2(1+1000)≈30kbps

2.1基本概念2.1基本概念信號(hào)分類：模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)模擬信號(hào)：隨時(shí)間連續(xù)變化的電流、電壓或電磁波。例電話、電視和廣播數(shù)字信號(hào)：一系列離散的電脈沖，其值限制在有限的幾個(gè)數(shù)字之內(nèi)。例:用1表示恒定的正電壓，0表示恒定的負(fù)電壓。波形圖：模擬信號(hào)數(shù)字信號(hào)2.1基本概念模擬信道：以連續(xù)模擬信號(hào)形式傳輸?shù)男诺览弘娫捑€路、有線電視線路模擬信道傳輸?shù)奶攸c(diǎn)：在傳輸一定距離后信號(hào)衰減，克服的辦法是用放大器來(lái)增強(qiáng)信號(hào)的能量，但噪音也會(huì)增強(qiáng)，會(huì)引起信號(hào)畸變。數(shù)字信道：以數(shù)字脈沖形式傳輸數(shù)據(jù)的信道例：雙絞線、同軸電纜數(shù)字信道傳輸特點(diǎn)：長(zhǎng)距離傳輸也會(huì)衰減，克服的辦法是使用中繼器，把數(shù)字信號(hào)恢復(fù)為“0、1”的標(biāo)準(zhǔn)電平后繼續(xù)傳輸。故數(shù)字信道在傳輸時(shí)，信號(hào)質(zhì)量要好。注意：模擬信號(hào)不一定只在模擬信道上傳輸，數(shù)字信號(hào)也不一定只在數(shù)字信道上傳輸。2.1.3碼元和碼字碼元把一個(gè)數(shù)字脈沖稱為一個(gè)碼元，是構(gòu)成信息編碼的最小單位。將計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)傳送中的每1位二進(jìn)制數(shù)字稱為“碼元”或“碼位”。碼字由碼元組成的序列，通常稱為“碼字”2.1基本概念2.1基本概念2.1.4數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)1.比特率是一種數(shù)字信號(hào)的傳輸速率，表示單位時(shí)間內(nèi)所傳送的二進(jìn)制代碼的有效位數(shù)，單位為比特每秒（bps）或千比特每秒(kbps)表示。2.波特率是一種調(diào)制速率，也稱為波形速率，是針對(duì)在模擬信道上進(jìn)行數(shù)字傳輸時(shí)，從調(diào)制解調(diào)器輸出的調(diào)制信號(hào)，每秒鐘載波調(diào)制狀態(tài)改變的次數(shù)?；蛘哒f(shuō)，在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，線路上每秒傳送的波形個(gè)數(shù)就是波特率，其單位為波特（Baud）。3.誤碼率指信息傳輸?shù)腻e(cuò)誤率，也稱錯(cuò)誤率，是數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)以正常工作情況下，衡量傳輸可靠性的指標(biāo)。當(dāng)傳輸?shù)目偭亢艽髸r(shí)，在數(shù)值上它等于出錯(cuò)的位數(shù)與傳送的總位數(shù)之比。公式為：Pe=Ne/N;N是傳送的總位數(shù)；Ne是出錯(cuò)的位數(shù)。2.1基本概念2.1.4數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)4.吞吐量是單位時(shí)間內(nèi)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)能夠處理的信息總量，單位是字節(jié)/秒或位/秒。在單信道總線型網(wǎng)絡(luò)中：吞吐量＝信道容量*傳輸效率。5.信道的傳播延遲信號(hào)在信道中傳播，從信源端到達(dá)信宿端需要一定的時(shí)間，這個(gè)時(shí)間稱為傳播延遲（或時(shí)延），這個(gè)時(shí)間與信源端一信宿端之間的距離有關(guān)，也與具體信道中的信號(hào)傳播速度有關(guān)。時(shí)延的大小與采用哪種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有很大關(guān)系。2.1基本概念2.1.5帶寬與數(shù)據(jù)傳輸率1.信道帶寬是指信道所能傳送的信號(hào)頻率寬度，它的值為信道上可傳送信號(hào)的最高頻率與最低頻率之差。帶寬越大，所能達(dá)到的傳輸速率就越大，所以信道的帶寬是衡量傳輸系統(tǒng)的一個(gè)重要指標(biāo)。2.數(shù)據(jù)傳輸率是指單位時(shí)間內(nèi)信道內(nèi)傳輸?shù)男畔⒘?，即比特率。一般?lái)說(shuō)，數(shù)據(jù)傳輸率的高低由傳輸每1位數(shù)據(jù)所占時(shí)間決定，傳輸每1位數(shù)據(jù)所占時(shí)間越小，則速率越高。數(shù)據(jù)傳輸率公式：S=Blog2N;B是數(shù)字信號(hào)的脈沖頻率，即波特率；N是調(diào)制電平數(shù)。誤碼率由于噪聲的干擾，信號(hào)在傳輸過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)差錯(cuò)，差錯(cuò)的多少?zèng)Q定了數(shù)據(jù)通信的質(zhì)量。誤碼率Pe=發(fā)生差錯(cuò)的碼元數(shù)/傳輸?shù)目偞a元數(shù)誤比特率Pb=發(fā)生差錯(cuò)的比特?cái)?shù)/傳輸?shù)目偙忍財(cái)?shù)說(shuō)明：在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中，一般要求誤比特率低于10-6，若誤比特率達(dá)不到這個(gè)指標(biāo)，可通過(guò)差錯(cuò)控制方法檢錯(cuò)和糾錯(cuò)。2.1基本概念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：bps信道容量與數(shù)據(jù)傳輸速率的區(qū)別：前者表示信道的最大數(shù)據(jù)傳輸速率，是信道傳輸數(shù)據(jù)能力的極限，而后者是實(shí)際的數(shù)據(jù)傳輸速率。在實(shí)際中，通常用帶寬表示網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率。帶寬與傳輸速率的關(guān)系：奈奎斯特定律和香農(nóng)定律2.1基本概念無(wú)噪聲的信道容量（理想）奈奎斯特(Nyquist)無(wú)噪聲下的碼元速率極限值B與信道帶寬H的關(guān)系：B=2*H

(波特)

奈奎斯特公式--無(wú)噪信道傳輸能力公式：

C=2*H*log2N(bps)

說(shuō)明：C為信道容量，H為信道的帶寬，單位為Hz；N為一個(gè)碼元所取的離散值個(gè)數(shù)。例：普通電話線路帶寬約3kHz，則碼元速率極限值：

B=2*H=2*3k=6kBaud

若碼元的離散值個(gè)數(shù)N=16，則最大數(shù)據(jù)傳輸速率

C=2*3k*log216=24kbps。

2.1基本概念例：帶寬為4KHz的信道，若有8種不同的物理狀態(tài)表示數(shù)據(jù)，信噪比為30db，問(wèn)按照奈奎斯特定理計(jì)算，其極限速率是多少？按香農(nóng)定理計(jì)算，其極限速率又為多少？解：（1）奈奎斯特定理：Cmax=2Hlog2N,H=4KHzCmax=2*4K*log28=24Kbp