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数据通信技术基础知识2.1数据通信技术2.1.1模拟数据通信和数字数据通信1.几个术语的解释1)数据－定义为有意义的实体。数据可分为模拟数据和数字数据。模拟数据是在某区间内连续变化的值；数字数据是离散的值。2)信号－是数据的电子或电磁编码。信号可分为模拟信号和数字信号。模拟信号是随时间连续变化的电流、电压或电磁波；数字信号则是一系列离散的电脉冲。可选择适当的参量来表示要传输的数据。3)信息－是数据的内容和解释。4)信源－通信过程中产生和发送信息的设备或计算机。5)信宿－通信过程中接收和处理信息的设备或计算机。6)信道－信源和信宿之间的通信线路。2.模拟信号和数字信号的表示模拟信号和数字信号可通过参量(幅度)来表示：图2.1模拟信号、数字信号的表示3.模拟数据和数字数据的表示模拟数据和数字数据都可以用模拟信号或数字信号来表示，因而无论信源产生的是模拟数据还是数字数据，在传输过程中都可以用适合于信道传输的某种信号形式来传输。1)模拟数据可以用模拟信号来表示。模拟数据是时间的函数，并占有一定的频率范围，即频带。这种数据可以直接用占有相同频带的电信号，即对应的模拟信号来表示。模拟电话通信是它的一个应用模型。2)数字数据可以用模拟信号来表示。如Modem可以把数字数据调制成模拟信号；也可以把模拟信号解调成数字数据。用Modem拨号上网是它的一个应用模型。3)模拟数据也可以用数字信号来表示。对于声音数据来说，完成模拟数据和数字信号转换功能的设施是编码解码器CODEC。它将直接表示声音数据的模拟信号，编码转换成二进制流近似表示的数字信号;而在线路另一端的CODEC,则将二进制流码恢复成原来的模拟数据。数字电话通信是它的一个应用模型。4)数字数据可以用数字信号来表示。数字数据可直接用二进制数字脉冲信号来表示，但为了改善其传播特性，一般先要对二进制数据进行编码。数字数据专线网DDN网络通信是它的一个应用模型。4.数据通信的长距离传输及信号衰减的克服1)模拟信号和数字信号都可以在合适的传输媒体上进行传输(如图2.2)；图2.2模拟数据、数字数据的模拟信号、数字信号的传输表示2)模拟信号无论表示模拟数据还是数字数据,在传输一定距离后都会衰减。克服的办法是用放大器来增强信号的能量，但噪音分量也会增强，以至引起信号畸变。3)数字信号长距离传输也会衰减，克服的办法是使用中继器，把数字信号恢复为0、1的标准电平后继续传输。2.1.2数据通信中的主要技术指标1.数据传输速率1)数据传输速率--每秒传输二进制信息的位数，单位为位/秒，记作bps或b/s。计算公式:S=1/T*log2N(bps)......⑴式中T为一个数字脉冲信号的宽度(全宽码)或重复周期(归零码)单位为秒；N为一个码元所取的离散值个数。通常N=2K，K为二进制信息的位数，K=log2N。N=2时，S=1/T，表示数据传输速率等于码元脉冲的重复频率。2)信号传输速率--单位时间内通过信道传输的码元数，单位为波特，记作Baud。计算公式:B=1/T(Baud)......⑵式中T为信号码元的宽度，单位为秒．信号传输速率,也称码元速率、调制速率或波特率。由⑴、⑵式得：S=B*log2N(bps)......⑶或B=S/log2N(Baud)......⑷[例1]采用四相调制方式，即N=4，且T=833x10-6秒，则S=1/T*log2N=1/(833x10-6)*log24=2400(bps)B=1/T=1/(833x10-6)=1200(Baud)2.信道容量1)信道容量表示一个信道的最大数据传输速率，单位：位/秒(bps)信道容量与数据传输速率的区别是，前者表示信道的最大数据传输速率，是信道传输数据能力的极限，而后者是实际的数据传输速率。像公路上的最大限速与汽车实际速度的关系一样。2)离散的信道容量奈奎斯特(Nyquist)无噪声下的码元速率极限值B与信道带宽H的关系：B=2*H(Baud)......⑸奈奎斯特公式--无噪信道传输能力公式：C=2*H*log2N(bps)......⑹式中H为信道的带宽，即信道传输上、下限频率的差值，单位为Hz；N为一个码元所取的离散值个数。[例2]普通电话线路带宽约3kHz，则码元速率极限值B=2*H=2*3k=6kBaud；若码元的离散值个数N=16，则最大数据传输速率C=2*3k*log216=24kbps。3)连续的信道容量香农公式--带噪信道容量公式：C=H*log2(1+S/N)(bps)......⑺式中S为信号功率，N为噪声功率，S/N为信噪比，通常把信噪比表示成10lg(S/N)分贝(dB)。[例3]已知信噪比为30dB，带宽为3kHz，求信道的最大数据传输速率。∵10lg(S/N)=30∴S/N=1030/10=1000∴C=3klog2(1+1000)≈30kbps3.误码率--二进制数据位传输时出错的概率。它是衡量数据通信系统在正常工作情况下的传输可靠性的指标。在计算机网络中，一般要求误码率低于10-6，若误码率达不到这个指标，可通过差错控制方法检错和纠错。误码率公式：Pe=Ne/N......⑻式中Ne为其中出错的位数；N为传输的数据总数。2.1.3通信方式1.并行通信方式并行通信传输中有多个数据位，同时在两个设备之间传输。发送设备将这些数据位通过对应的数据线传送给接收设备，还可附加一位数据校验位。接收设备可同时接收到这些数据，不需要做任何变换就可直接使用。并行方式主要用于近距离通信。计算机内的总线结构就是并行通信的例子。这种方法的优点是传输速度快，处理简单。图2.3并行数据传输2.串行通信方式串行数据传输时，数据是一位一位地在通信线上传输的，先由具有几位总线的计算机内的发送设备，将几位并行数据经并--串转换硬件转换成串行方式，再逐位经传输线到达接收站的设备中，并在接收端将数据从串行方式重新转换成并行方式，以供接收方使用。串行数据传输的速度要比并行传输慢得多，但对于覆盖面极其广阔的公用电话系统来说具有更大的现实意义。图2.4串行数据传输3.串行通信的方向性结构串行数据通信的方向性结构有三种，即单工、半双工和全双工。图2.5单工、半双工、全双工单工数据传输只支持数据在一个方向上传输；半双工数据传输允许数据在两个方向上传输，但是，在某一时刻，只允许数据在一个方向上传输，它实际上是一种切换方向的单工通信；全双工数据通信允许数据同时在两个方向上传输，因此，全双工通信是两个单工通信方式的结合，它要求发送设备和接收设备都有独立的接收和发送能力。2.2数据编码技术和时钟同步2.2.1数字数据的模拟信号编码为了利用廉价的公共电话交换网实现计算机之间的远程通信，必须将发送端的数字信号变换成能够在公共电话网上传输的音频信号，经传输后再在接收端将音频信号逆变换成对应的数字信号。实现数字信号与模拟信号互换的设备称作调制解调器(Modem)。图2.6远程系统中的调制解调器模拟信号传输的基础是载波，载波具有三大要素：幅度、频率和相位，数字数据可以针对载波的不同要素或它们的组合进行调制。1.数字调制的基本形式数字调制的三种基本形式：移幅键控法ASK、移频键控法FSK、移相键控法PSK。图2.7数字调制的三种基本形式在ASK方式下，用载波的两种不同幅度来表示二进制的两种状态。ASK方式容易受增益变化的影响，是一种低效的调制技术。在电话线路上，通常只能达到1200bps的速率。在FSK方式下，用载波频率附近的两种不同频率来表示二进制的两种状态。在电话线路上，使用FSK可以实现全双工操作，通常可达到1200bps的速率。在PSK方式下，用载波信号相位移动来表示数据。PSK可以使用二相或多于二相的相移，利用这种技术，可以对传输速率起到加倍的作用。由PSK和ASK结合的相位幅度调制PAM，是解决相移数已达到上限但还要提高传输速率的有效方法。2.公共电话交换网中使用调制解调器的必要性公共电话交换网是一种频带模拟信道，音频信号频带为300Hz～3400Hz，而数字信号频宽为0Hz～几千兆Hz。若不加任何措施利用模拟信道来传输数字信号，必定出现极大的失真和差错。所以，要在公共电话网上传输数字数据，必须将数字信号变换成电话网所允许的音频频带范围300Hz～3400Hz。2.2.2数字数据的数字信号编码数字信号可以直接采用基带传输。基带传输就是在线路中直接传送数字信号的电脉冲，它是一种最简单的传输方式，近距离通信的局域网都采用基带传输。基带传输时，需要解决的问题是数字数据的数字信号表示及收发两端之间的信号同步两个方面。1.数字数据的数字信号表示对于传输数字信号来说，最常用的方法是用不同的电压电平来表示两个二进制数字，即数字信号由矩形脉冲组成。a)单极性脉冲b)双极性脉冲c)单极性归零脉冲d)双极性归零脉冲e)交替双极性归零脉冲图2.8基脉冲编码方案a)单极性不归零码，无电压表示0，恒定正电压表示1，每个码元时间的中间点是采样时间，判决门限为半幅电平。b)双极性不归零码，1码和0码都有电流，1为正电流，0为负电流，正和负的幅度相等，判决门限为零电平。c)单极性归零码，当发1码时，发出正电流，但持续时间短于一个码元的时间宽度，即发出一个窄脉冲；当发0码时，仍然不发送电流。d)双极性归零码，其中1码发正的窄脉冲，0码发负的窄脉冲，两个码元的时间间隔可以大于每一个窄脉冲的宽度，取样时间是对准脉冲的中心。2.归零码和不归零码、单极性码和双极性码的特点不归零码在传输中难以确定一位的结束和另一位的开始，需要用某种方法使发送器和接收器之间进行定时或同步；归零码的脉冲较窄，根据脉冲宽度与传输频带宽度成反比的关系，因而归零码在信道上占用的频带较宽。单极性码会积累直流分量，这样就不能使变压器在数据通信设备和所处环境之间提供良好绝缘的交流耦合，直流分量还会损坏连接点的表面电镀层；双极性码的直流分量大大减少，这对数据传输是很有利的。3.同步过程1)位同步位同步又称同步传输，它是使接收端对每一位数据都要和发送端保持同步。实现位同步的方法可分为外同步法和自同步法两种。在外同步法中，接收端的同步信号事先由发送端送来，而不是自己产生也不是从信号中提取出来。即在发送数据之前，发送端先向接收端发出一串同步时钟脉冲，接收端按照这一时钟脉冲频率和时序锁定接收端的接收频率，以便在接收数据的过程中始终与发送端保持同步。自同步法是指能从数据信号波形中提取同步信号的方法。典型例子就是著名的曼彻斯特编码，常用于局域网传输。在曼彻斯特编码中，每一位的中间有一跳变，位中间的跳变既作时钟信号，又作数据信号；从高到低跳变表示1，从低到高跳变表示0。还有一种是差分曼彻斯特编码，每位中间的跳变仅提供时钟定时，而用每位开始时有无跳变表示0或1，有跳变为0，无跳变为1。图2.9数字信号的同步编码两种曼彻斯特编码是将时钟和数据包含在数据流中，在传输代码信息的同时，也将时钟同步信号一起传输到对方，每位编码中有一跳变，不存在直流分量，因此具有自同步能力和良好的抗干扰性能。但每一个码元都被调成两个电平，所以数据传输速率只有调制速率的1/2。2)群同步在数据通信中，群同步又称异步传输。是指传输的信息被分成若干“群”。数据传输过程中，字符可顺序出现在比特流中，字符间的间隔时间是任意的，但字符内各个比特用固定的时钟频率传输。字符间的异步定时与字符内各个比特间的同步定时，是群同步即异步传输的特征。群同步是靠起始和停止位来实现字符定界及字符内比特同步的。起始位指示字符的开始，并启动接收端对字符中比特的同步；而停止位则是作为字符间的间隔位设置的，没有停止位，下一字符的起始位下降沿便可能丢失。群同步传输每个字符由四部组成：1)1位起始位，以逻辑0表示；2)5～8位数据位，即要传输的字符内容；3)1位奇偶校验位，用于检错；4)1～2位停止位，以逻辑1表示,用作字符间的间隔。图2.10群同步的字符格式2.2.3模拟数据的数字信号编码1.脉码调制PCM。脉码调制是以采样定理为基础，对连续变化的模拟信号进行周期性采样，利用≥有效信号最高频率或其带宽２倍的采