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教学目标：重点难点：数据通信技术是计算机网络技术发展的基础。本章主要介绍数据通信的基本概念、数据编码、数据通信方式、数据交换技术，以及常用的差错控制方法。通过本章的学习，使读者对与计算机网络相关的数据通信的基本概念和基础知识有一个初步的了解。1．数据通信系统的基本概念。2．数据通信系统的组成、技术指标、通信方式。3．数据传输基础知识。4．数据编码技术。5．多路复用技术。6．数据交换技术。7．差错控制技术。信息、数据和通信系统和通信技术1数据通信系统2数据传输技术3传输介质4数字基带传输5载波数字调制6多路复用技术7数据交换技术8差错控制原理教学内容信息、数据和通信系统的基本概念1、信息:是客观事物的属性和相互联系特性的表现,反映了客观事物的存在形式和运动状态.通常指音讯、消息。通讯系统传输和处理的对象，泛指人类社会传播的一切内容。2、数据:是反映客观事物的属性的记录，是信息的载体，是信息的具体表现形式，是对现实世界的事物采用计算机能够识别、存储和处理方式进行的描述。存储在介质上能够识别的物理符号，如数字、字符、声音、图像等。3、信号：是数据在传输过程中电磁波的表现形式,是数据的电子或电磁编码.分模拟信号、数字信号数据通信基础数据通信的基本概念数据信号模拟信号：在时间上和幅度取值上都是连续的，其电平随时间连续变化，如语音、温度、压力等数字信号：在时间上是离散的，在幅值上是经过量化的，一般是由二进制代码0、1组成的数字序列，如计算机数据通信统的组成比较典型的数据通信系统主要由信息源、发送设备、信道、接收设备、接收器这五部分组成。信息源发送设备信道接收设备接收器噪声发送端接收端信宿通信系统的分类1．有线信道与无线信道电话线、双绞线、光缆等2．模拟信道与数字信道3．专用信道和公用信道（1）模拟信道：能传输模拟信号的信道称为模拟信道。模拟信号的电平随时间连续变化，是用连续变化的物理量表达的信息，模拟信号又称为连续信号。如语音信号是典型的模拟信号。要利用模拟信道传送数字信号，则必须经过数字与模拟信号之间的变换。调制解调器就是用于完成这种变换的。（2）数字信道：能传输离散数字信号的信道称为数字信道。离散数字信号在计算机中是指由“0”和“l”的二进制代码组成的数字序列。二进制码就是一种数字信号，当利用数字信道传输数字信号时不再需要进行变换，而通常需要进行数字编码。可靠性高易存储处理和传输。数据通信系统的性能指标衡量一个数据传输系统性能的主要技术指标是有效性与可靠性。有效性主要指消息传输的速度，可靠性主要指消息传输的质量。模拟通信中，有效性常使用传输频带带宽来度量。可靠性用接收端输出的信噪比来度量。带宽就是指信道能传送信号的频率宽度，也就是可传送信号的最高频率与最低频率之差。信噪比是指接收端信号的平均功率和噪声的平均功率之比。在相同条件下，系统的输出端的信嗓比越大，系统抗干扰的能力越大。在数字通信中，有效性一般使用信息传输速率来衡量，可靠性一般使用误码率来衡量。香农公式：C=Wlog2(1+S/N)bpsS为信道内所传信号的平均功率N为信道内部的斯噪声功率1.信息传输速率数据通信的主要技术指标信道带宽：在模拟信道中表示传输信息的能力。带宽是传输信号的最高频与最低频的差。带宽越大或信噪比越大。信道的极限传输速率也越高。信道带宽信道容量：在模拟信道传输信息的能力是有一定限制的。信道传输数据的速率的上限即为信道容量。一般表示单位时间内最多可传输的二进制数据的位数。信道延迟：信号沿信道传输需要一定的时间，就是信道延迟。延迟的长短受发送设备和接收设备的响应时间，通信设备的转发和等待时间、计算机的发送和接收处理时间、传输介质的延迟时间等的影响。数据传输速率比特率：指单位时间内所传送的二进制码元的有效位数，以每秒多少比特数计，即bps波特率：脉冲信号经过调制后的传输速率，指单位时间（秒）内传输的码元数目，以波特（Baud）为单位；波特率N和比特率R的关系为R=Nlog2M；码元传输速率奈氏准则:理想低通信道的最高码元传输速率=2WBaudW是理想低通信道的带宽,单位为Hz,Baud是波特是码元传输速率的单位误码率：指信息传输的错误率，以接收信息中错误比特数占总比特数的比例来度量，通常应低于10-6误码率和误比特率识码率=传输中发生差错的码元数/传输总码元数误比特率=传输出错的比特数据/传输的总比特数据数据通信的主要技术指标单工、半双工与全双工通信单工、半双工与全双工通信数据传输的形式基带传输：又称数字传输，在通信电缆上原封不动的传输由计算机或终端产生的0、1数字脉冲信号；把矩形脉冲信号的固有频带称为基带，脉冲信号称为基带信号，直接传输数据的基带信号的通信方式称为基带传输。不适合远距离传输，计算机到监视器到打印机的传输。频带传输：又称模拟传输，将基带信号转换为频率表示的模拟信号来发送和传输；到达目标后解调成数字信号，是利用调制的高频载波信号进行传输，适合远距离传输，比如模拟电视信号的传输。宽带传输：将信道分成多个子信道，分别传送音频、视频和数字信号。是指更宽的的频带，包括大部分电磁波频谱，利用宽带可容纳全部的广播信号，可把声音、图像、及数据等信息综合到一个物理信道时行高速数据传输，采用频分多路复用的形式进行数据传输。宽带传输模拟信号其优点是传播距离远，技术复杂，成本相对较高。数字基带传输将数字数据转换为模拟信号的过程叫作调制。经过调制解调器转换为数字信号进入接收端的计算机（这叫作解调）。模拟数据和数字数据都可以转换为模拟信号或数字信号。因此我们有以下四种情况：010011100基带信号调幅调频调相数字数据编码数据基带传输中数据信号编码方式主要有3种，不归零编码、曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码。在数字信道中传输计算机数据时，要对计算机中的数字信号重新编码进行基带传输。编码方式主要有以下几种：☻不归零编码NRZ：用低电平表示二进制的0，用高电平表示二进制的1缺点：无法判断每一位的开始与结束，收发双方不能保持同步☻曼彻斯特编码：用电平的跳变来表示二进制，每一个比特的中间都有一个跳变☻差分曼彻斯特编码：每比特中间的跳变仅做同步用，每比特的值根据其开始边界是否发生跳变来决定优点：无需另发同步信号缺点：编码效率低如果要用数字通信系统传输模拟信号，则应该包括以下三个步骤：（1）在信号发送端将模拟信号转换为数字信号，即模一数转换；（2）用数字通信系统传输转换后的数字信号；（3）在接收端将接收到的数字信号还原为模拟信号，即数一模转换。脉冲编码调制PCM脉冲编码调制（PulseCodeModulation，PCM）是模拟数据数字化的主要方法。PCM技术的典型应用是语音数字化。模拟信号数字化过程脉冲编码调制以抽样定理为基础，对连续变化的模拟信号进行周期性采样，以大于或等于有效信号最高频率或其带宽2倍的采样频率，通过低通滤波器从这些采样中重新构造出原始信号。PCM信号的形成是模拟信号经过“抽样、量化、编码”三个步骤实现的，（1）抽样抽样频率以奈奎斯特抽样定理为依据。对于电话通信系统，因为电话线路传输带宽不超过4000Hz，所以抽样频率为8000次/s。（2）量化量化是将取样样本幅度按量化级决定取值过程。（3）编码编码是用相应位数的二进制代码表示量化后的采样样本量级。如果有8个量化级，就需要使用3个比特进行编码。经过编码后，每个样本都用相应的编码脉冲表示。载波数字调制所谓调制，是指用数字基带信号去控制载波波形某个参量，使这个参量随基带信号的变化而变化。常见的调制方法有振幅调制（Amplitude-ShiftKeying，ASK）、频率调制（Frequency-ShiftKeying，FSK）和相位调制（Phase-ShiftKeying，PSK）。在将数字信号变换成模拟信号的调制过程中，选择某频率的正弦信号S（t）作为载波，用它运载要传送的数字信号，该载波信号可表示为公式：其中，A表示振幅，ω表示角频率，φ表示相位。振幅调制（ASK）频率调制（频率调制（FSK）2.5.3相位调制（PSK）多路复用技术多路复用技术是把许多单个信号在单一的传输线路上并使用单一的传输设备进行传输的技术。多路复用一般可以分为以下四种基本形式：频分多路复用（FDM，FrequencyDivisionMultiplexing）时分多路复用（TDM，TimeDivisionMultiplexing）波分多路复用（WDM，WavelengthDivisionMultiplexing）码分多路复用（CDMA，CodingDivisionMultiplexingAccess）频分多路复用频分复用是指载波带宽被划分为多种不同频带的子信道，每个子信道可以并行传送一路信号的技术。FDM常用于模拟传输的宽带网络中。基本原理：如果每路信号以不同的载波频率进行调制，而且各个载波频率都是完全独立的，即各个信道所占用的频带不相互重叠。相邻信道之间用“警戒频带”隔离，那么每个信道就能独立的传输一路信号。特点：信号被划分成若干信道（频道、波段），每个信道互不重叠，独立进行数据传递。应用：无线电广播、电视领域、ADSL频分复用频率时间频率1频率2频率3频率4频率5…时分多路复用时分多路复用以信道传输时间作为分割对象，通过为多个信道分配互不重叠的时间片的方法来实现多路复用。具体说，就是把时间分成一些均匀的的时间片，将各路信号的传输时间分配在不同的时间片，以达到互相分开，互不干扰的目的。因此，时分多路复用更适合于数字数据信号的传输。时分多路复用TDM将信道用于传输的时间划分为若干个时间片，每个用户分得一个时间片，在其占有的时间片内，用户使用通信信道的全部带宽。时分复用：将时间划分为一段段等长的时分复用帧（TDM帧），每一个用户在每一个TDM帧中占用固定序号的时隙。每一个用户所占用的时隙是周期性地出现（周期为TDM帧的长度）。时分复用的所有用户是在不同的时间占用同样的频带宽度。时分复用频率时间CDCDCDAAAABBBBCDB在TDM帧中的位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧…TDM帧3.波分多路复用原理：同频分复用，在同一根光纤内传输多路不同波长的光信号，以提高单根光纤的传输能力。波分复用就是光的频分复用；波分复用：最初，在一路光纤上同时传输两个频率很接近的光载波信号；密集波分复用（DenseWavelengthDivisionMultiplexing）：在一根光纤上复用80路或更多路的光载波信号；由于光载波的频率很高，因此习惯上用波长而不是频率来表示所使用的光载波信号。波分多路复用光波分复用（WavelengthDivisionMultiplexing，WDM）指在一根光纤上使用不同的波长同时传送多路光波信号的一种技术，应用于光纤信道。波分复用WDM1550nm01551nm11552nm21553nm31554nm41555nm51556nm61557nm701550nm11551nm21552nm31553nm41554nm51555nm61556nm71557nmV1=2.5Gb/s（1310nm）V总=20Gb/s复用器分用器EDFA：掺铒光纤放大器120km光调制器光解调器600km4.码分多路复用CDM常用的名词是码分多址CDMA(CodeDivisionMultipleAccess)。各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此彼此不会造成干扰。这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力，其频谱类似于白噪声，不易被敌人发现。每一个比特时间划分为m个短的间隔，称为码片(chip)。5.空分多址原理：将空间分割构成不同的信道，从而实现频率的重复使用，达到信道增容的目的。举例来说，在一颗卫星上使用多个天线，各个天线的波束射向地球表面的不同区域。地面上不同地区的地球站，它们在同一时间、即使使用相同的频率进行工作，它们之间也不会形成干扰。实际上，SDMA通常都不是独立使用的，而是与其他多址方式如FDMA、TDMA和CDMA等结合使用；也就是说对于处于同一波束内的不同用户再用这些多址方式加以区分。总结信道复用技术：1.频分复用