第2章數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)

第2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(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)知識。本章系統(tǒng)的介紹數(shù)據(jù)通信的基本概念、數(shù)據(jù)編碼與傳輸技術(shù)、通信的傳輸介質(zhì)及特性以及數(shù)據(jù)交換技術(shù)、多路復(fù)用技術(shù)、數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)以及差錯(cuò)控制技術(shù)。

【本章重點(diǎn)難點(diǎn)】重點(diǎn)掌握數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的概念及模型，數(shù)據(jù)編碼及傳輸技術(shù)的類型以及數(shù)據(jù)交換技術(shù)。2.1數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)

2.1.1概念與模型1．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)的基本任務(wù)。實(shí)際應(yīng)用中存在各種類型的通信系統(tǒng)，它們在具體的功能和結(jié)構(gòu)上各不相同，點(diǎn)與點(diǎn)之間建立的通信系統(tǒng)是通信的最基本形式，其模型如圖2-1所示。圖2-1通信系統(tǒng)的模型

2.1.1概念與模型2．?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)地的數(shù)據(jù)終端設(shè)備與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)連接起來，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸、交換、存儲和處理的系統(tǒng)。從計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的角度看，數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)是把數(shù)據(jù)源計(jì)算機(jī)所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)迅速、可靠、準(zhǔn)確地傳輸?shù)綌?shù)據(jù)宿（目的）計(jì)算機(jī)或?qū)Ｓ猛庠O(shè)。圖2-2數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)模型2.1.2數(shù)據(jù)通信方式1．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的通信方式一種是串行通信，另一種是并行通信，如圖2-3所示。圖2-3串行、并行通信方式2.1.2數(shù)據(jù)通信方式2．按照消息傳遞的方向與時(shí)間的關(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

2.1.3數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)1．?dāng)?shù)據(jù)傳輸速率

(1)波特率RB也稱調(diào)制速率，以波形每秒的振蕩數(shù)來衡量。如果數(shù)據(jù)不壓縮，波特率等于每秒鐘傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位數(shù)，如果數(shù)據(jù)進(jìn)行了壓縮，那么每秒鐘傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位數(shù)通常大于調(diào)制速率。在信息傳輸通道中，攜帶數(shù)據(jù)信息的信號單元叫碼元，單位時(shí)間內(nèi)通過信道傳輸?shù)拇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)：

（2-1）2.1.3數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)(2)比特率Rb比特率又稱為信息傳輸速率。它表示單位時(shí)間內(nèi)傳遞的平均信息量或比特?cái)?shù)。比特率單位是比特/秒，記為bit/s、b/s或bps。每個(gè)碼元或符號都含有一定bit的信息量，因此比特率和波特率之間有確定的關(guān)系：

（2-2）2.1數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)

【例2-1】設(shè)某信息源以每秒2000個(gè)符號的速率發(fā)送信息，信息源由A,B,C,D,E五個(gè)信息符號組成，發(fā)送A的概率為1/2，發(fā)送其他符號的概率相同，設(shè)每一個(gè)符號出現(xiàn)是相互獨(dú)立的。求信息源的比特率？

解：每秒發(fā)送2000個(gè)符號，說明波特率RB=2000B。由已知條件得則每一個(gè)符號的信息源的熵則信源的比特率為2.1.3數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)

2．差錯(cuò)率

（l）碼元差錯(cuò)率Pe簡稱誤碼率，是指發(fā)生差錯(cuò)的碼元數(shù)在傳輸總碼元數(shù)中所占的比例，也就是碼元在傳輸系統(tǒng)中被傳錯(cuò)的概率。誤碼率是最常用的數(shù)據(jù)通信傳輸質(zhì)量指標(biāo)，它表示數(shù)字系統(tǒng)傳輸中是“在多少位數(shù)據(jù)中出現(xiàn)一位差錯(cuò)”。碼元差錯(cuò)率用表達(dá)式可表示成：

（2-3）

2.1.3數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)

（2）信息差錯(cuò)率Pb

簡稱誤信率，是指發(fā)生差錯(cuò)的信息量在信息傳輸總量中所占的比例，在二進(jìn)制傳輸中，碼元差錯(cuò)率即是比特差錯(cuò)率，即Pe=Pb，而在多進(jìn)制傳輸中可由碼元差錯(cuò)率求出比特差錯(cuò)率。信息差錯(cuò)率用表達(dá)式可表示成：

(2-4)2.1.3數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)

3.信道容量

信道中平均每個(gè)符號所能傳送的信息量為信息傳輸速率，如果對于一個(gè)固定信道，總存在一種信源，使傳輸?shù)拿總€(gè)符號平均獲得的信息量最大，這就是最大的信息傳輸速率，這個(gè)最大的信息傳輸速率就是信道容量。單位為bit/s，代表每秒能傳送的最大信息量，凡是小于這個(gè)信息量的數(shù)據(jù)必能在此信道中無錯(cuò)誤地傳輸。因此，信道容量是衡量信道傳輸數(shù)據(jù)能力的極限值。2.1數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)

【例2-2】音頻電話連接支持的帶寬B=3KHz，而一般鏈路典型的信噪比是30dB，求電話線的數(shù)據(jù)傳輸速率即信道容量。解：信噪比30dB，即S/N=1000

，

所以電話線的信道容量為30kbps，2.1.3數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)

4.帶寬（Bandwidth）

帶寬從通信線路所能傳送數(shù)據(jù)的能力角度出發(fā)指的是數(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(jì)算機(jī)系統(tǒng)中總線為例，總線的作用就是承擔(dān)所有數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆氊?zé)，各個(gè)子系統(tǒng)間都必須籍由總線才能通信。2.2數(shù)據(jù)編碼與數(shù)據(jù)傳輸2.2.1數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的數(shù)字傳輸1．單極性歸零碼2．單極性不歸零碼3．雙極性歸零碼4．雙極性不歸零碼5．曼徹斯特碼6．差分曼徹斯特碼2.2.2模擬數(shù)據(jù)的數(shù)字傳輸 圖2-12模擬信號的數(shù)字傳輸模擬信號數(shù)字化過程主要包括三個(gè)步驟：抽樣、量化、編碼，如圖2-12所示。2.2數(shù)據(jù)編碼與數(shù)據(jù)傳輸【例2-3】一路電話信號的頻帶為300～3400Hz，則抽樣頻率應(yīng)該是什么樣的范圍？

解：由題意得fH=3400Hz，因?yàn)殡娫捫盘枌儆诘屯ㄐ盘?，故用低通抽樣定理滿足要求，即fS≥2fH=2×3400=6800Hz，所以按照6800Hz的抽樣頻率對300～3400Hz的電話信號抽樣，則可以不失真地還原成原來的話音信號。2.2.3數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的模擬傳輸1．振幅鍵控（AmplitudeShiftKeying，ASK）2．移頻鍵控（frequency-shiftkeying，F(xiàn)SK）3．移相鍵控（phase-shiftkeying，PSK）2.2.4數(shù)據(jù)同步與異步傳輸1．異步傳輸（AsynchronousTransmission）2．同步傳輸（SynchronousTransmission）2.3傳輸介質(zhì)及特性2.3.1有線傳輸介質(zhì)雙絞線（TwistedPair）（1）屏蔽雙絞線

（2）非屏蔽雙絞線2.3傳輸介質(zhì)及特性2.3.1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2.3傳輸介質(zhì)及特性2.3.1有線傳輸介質(zhì)光纖（FiberOpticalCable）

2.3.2無線傳輸介質(zhì)1．微波通信（1）地面微波（2）衛(wèi)星微波2．紅外通信3．激光通信

2.4數(shù)據(jù)交換技術(shù)2.4.1電路交換電路交換是源于傳統(tǒng)的電話交換原理發(fā)展而成的一種交換方式，它的基本處理過程包括呼叫建立、通話（信息傳送）、連接釋放三個(gè)階段。

圖2-24電路交換2.4.2報(bào)文交換報(bào)文交換是以報(bào)文為數(shù)據(jù)交換的單位，報(bào)文中含有目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的地址，完整的報(bào)文在網(wǎng)絡(luò)中一站一站地向前傳送。報(bào)文交換的一般信息格式如圖2-25所示。圖2-25報(bào)文交換的信息格式2.4.3分組交換

報(bào)文分組交換是報(bào)文交換的一種改進(jìn)，它采用了較短的格式化的信息單位，稱為報(bào)文分組，將報(bào)文分成若干個(gè)分組，每個(gè)分組規(guī)定了最大長度，有限長度的分組使得每個(gè)節(jié)點(diǎn)所需的存儲能力降低了，分組可以存儲到內(nèi)存中，提高了交換速度。報(bào)文分組交換有虛電路分組交換和數(shù)據(jù)報(bào)分組交換兩種，它是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中使用最廣泛的一種交換技術(shù)。圖2-26虛電路分組交換圖2-27數(shù)據(jù)報(bào)分組交換2.4.4其它數(shù)據(jù)交換技術(shù)1．ATM交換技術(shù)2．光交換3．多協(xié)議標(biāo)記交換4．軟交換2.5多路復(fù)用技術(shù)2.5.1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的載波頻率進(jìn)行調(diào)制，再進(jìn)行疊加形成一個(gè)復(fù)合信號在一條物理信道上傳輸?shù)姆椒ǚQ為頻分多路復(fù)用。圖2-29頻分多路復(fù)用方式2.5.2時(shí)分多路復(fù)用

時(shí)分多路復(fù)用是按傳輸信號的時(shí)間進(jìn)行分割的，它使不同的信號在不同的時(shí)間內(nèi)傳送，將整個(gè)傳輸時(shí)間分為許多時(shí)隙，每個(gè)時(shí)間片被一路信號占用。圖2-30時(shí)分多路復(fù)用2.5.3碼分多路復(fù)用

碼分多路復(fù)用是靠不同的編碼來區(qū)分各路原始信號的一種復(fù)用方式，主要和各種多址技術(shù)結(jié)合產(chǎn)生了各種接入技術(shù)，包括無線接入和有線接入。圖2-31CDMA示意圖2.5.4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(gè)波段，在同一時(shí)刻進(jìn)行多路傳送的復(fù)用技術(shù)。圖2-32光纖獲得波分多路復(fù)用2.6.1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(yùn)用適當(dāng)?shù)臄?shù)字信號處理技術(shù)，在不損失有用信息量，或者損失可忽略的條件下，壓縮其碼率，也稱為壓縮編碼。它具有相應(yīng)的逆變換，稱為解壓縮或解碼。通常把信息速率低于64kb/s的語音編碼方法稱為語音壓縮編碼技術(shù)。2.6數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)2.6.2視頻壓縮技術(shù)

視頻信號數(shù)字化后數(shù)據(jù)量大，這對于視頻信號的傳輸、存儲等處理帶來很大困難。視頻圖像數(shù)據(jù)有極強(qiáng)的相關(guān)性，也就是說有大量的冗余信息，壓縮技術(shù)就是將數(shù)據(jù)中的冗余信息去掉，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(jì)算機(jī)中并作相應(yīng)的處理。2.7差錯(cuò)控制技術(shù)2.7.1差錯(cuò)產(chǎn)生原因

數(shù)字通信系統(tǒng)的基本任務(wù)是高效率而無差錯(cuò)的傳送數(shù)據(jù)，與其它類型的通信相比，數(shù)據(jù)信息對差錯(cuò)控制的要求較高，但在任何一種通信線路上都不可避免地存在一定程度的噪聲，將會使接收端的二進(jìn)制位和發(fā)送端實(shí)際發(fā)送的二進(jìn)制位不一致，造成信號傳輸差錯(cuò)。2.7.2差錯(cuò)控制方法

利用差錯(cuò)控制編碼來進(jìn)行差錯(cuò)控制的方法基本上有三類，一類是自動請求重發(fā)（AutomaticRepeatreQuest，ARQ），另一類是前向糾錯(cuò)（ForwardErro