數(shù)據(jù)通信技術-課件

《計算機網(wǎng)絡應用教程》

第2章數(shù)據(jù)通信技術1ppt課件第2章數(shù)據(jù)通信技術數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)1數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕拘问?數(shù)據(jù)編碼與信號調(diào)制技術3數(shù)據(jù)傳輸方式4數(shù)據(jù)交換技術5差錯控制與差錯檢測方法62ppt課件第2章數(shù)據(jù)通信技術數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)1數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕拘问?數(shù)據(jù)編碼與信號調(diào)制技術3數(shù)據(jù)傳輸方式4數(shù)據(jù)交換技術5差錯控制與差錯檢測方法63ppt課件2.1.1模擬數(shù)據(jù)與數(shù)字數(shù)據(jù)1.數(shù)據(jù)和信息通信是為了交換信息（Information）。信息的載體可以是數(shù)字、文字、語音、圖形和圖像，常稱它們?yōu)閿?shù)據(jù)（Data）。數(shù)據(jù)是對客觀事實進行描述與記載的物理符號。信息是數(shù)據(jù)的集合、含義與解釋。4ppt課件2.1.1模擬數(shù)據(jù)與數(shù)字數(shù)據(jù)2.模擬數(shù)據(jù)與數(shù)字數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)：模擬數(shù)據(jù)和數(shù)字數(shù)據(jù)。模擬數(shù)據(jù)取連續(xù)值，數(shù)字數(shù)據(jù)取離散值。信號：模擬信號和數(shù)字信號。模擬信號是隨時間連續(xù)變化的信號，這種信號的某種參量，如幅度、頻率或相位等可以表示要傳送的信息；數(shù)字信號是離散信號。如圖2-1所示。5ppt課件2.1.2通信系統(tǒng)與數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)1.基本概念信源：指產(chǎn)生和發(fā)送信息的一端。信宿：指接收信息的一端。信源與信宿通過通信線路（即兩節(jié)點間連線稱為鏈路）進行通信的。信道：是指兩地間傳輸數(shù)據(jù)信號的通路，即信號的傳輸通道，包括傳輸媒體和通信設備。通路：是指從信源到信縮的一串節(jié)點和通信連線。物理信道和邏輯信道：物理信道是指用來傳送信號或數(shù)據(jù)的物理通路，它由傳輸介質(zhì)及有關通信設備組成。邏輯信道也是網(wǎng)絡上的一種通路，在信號的接收和發(fā)送之間不僅存在一條物理上的傳輸介質(zhì)，還在節(jié)點內(nèi)部實現(xiàn)了其他“連接”，通常把這些“連接”稱為邏輯信道。6ppt課件2.1.2通信系統(tǒng)與數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)2.數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的基本結(jié)構如圖2-2所示，數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)包括信源、信宿和信道。數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)也可以看成是這樣三個基本組成部分：數(shù)據(jù)終端設備DTE、數(shù)據(jù)電路終端設備DCE和傳輸信道。DTE：是數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的輸入和輸出設備，其主要功能是完成數(shù)據(jù)的輸入與輸出、數(shù)據(jù)處理和存儲以及通信控制等。DCE：是數(shù)據(jù)信號的變換設備，其作用是在電信傳輸網(wǎng)絡能提供的信道特性和質(zhì)量的基礎上實現(xiàn)正確的數(shù)據(jù)傳輸，并實現(xiàn)收發(fā)之間的同步。7ppt課件2.1.2通信系統(tǒng)與數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)3.模擬通信系統(tǒng)如圖2-3所示，模擬通信系統(tǒng)是指傳輸模擬信號的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，通常由信源、調(diào)制器、信道、解調(diào)器、信宿以及噪聲組成。8ppt課件2.1.2通信系統(tǒng)與數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)4.數(shù)字通信系統(tǒng)如圖2-4所示，數(shù)字通信系統(tǒng)是指傳輸數(shù)字信號的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，由信源、信源編碼器、信道編碼器、調(diào)制器、信道、解調(diào)器、信道譯碼器、信源譯碼器、信宿、噪聲源組成。9ppt課件2.1.2通信系統(tǒng)與數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)5.通信信道的分類(1)按傳輸介質(zhì)分類有線信道：是指使用有形的媒體作為傳輸介質(zhì)的信道。無線信道：是指以電磁波在空間傳播方式傳送信息的信道。(2)按傳輸信號類型分類模擬信道：是指能傳輸模擬信號的信道。數(shù)字信道：是指能傳輸離散數(shù)字信號的信道。(3)按使用方式分類專用信道：是指一種連接于用戶設備之間的固定電路，通常是由電信部門或國家建立的。公用信道：也即公共交換信道，是指一種通過交換機轉(zhuǎn)接、為大量用戶提供服務的信道。10ppt課件2.1.3帶寬與信道容量信道帶寬：是指信道中傳輸?shù)男盘栐诓皇д娴那闆r下所占用的頻率范圍，即信道頻帶，用赫茲Hz表示，信道帶寬是由信道的物理特性所決定的。信道容量：是指單位時間內(nèi)信道上所能傳輸?shù)淖畲蟊忍財?shù)，用比特/秒（bit/s或bps）表示。1.數(shù)據(jù)傳輸速率(1)數(shù)據(jù)傳輸速率每秒傳輸二進制信息的位數(shù)，單位為位/秒，記作bps或b/s。計算公式：S=1/T×log2N(bps)...........................................................⑴式中T為一個數(shù)字脈沖信號的寬度（全寬碼）或重復周期（歸零碼）單位為秒；N為一個碼元所取的離散值個數(shù)。11ppt課件2.1.3帶寬與信道容量(2)信號傳輸速率單位時間內(nèi)通過信道傳輸?shù)拇a元數(shù)，單位為波特，記作Baud。計算公式：B=1/T(Baud).........................................⑵式中T為信號碼元的寬度，單位為秒。信號傳輸速率，也稱碼元速率、調(diào)制速率或波特率。由⑴、⑵式得：S=B×log2N(bps).........................⑶或B=S/log2N(Baud)...............................................⑷【例2-1】采用四相調(diào)制方式，即N=4，且T=833x10-6秒，則S=1/T×log2N=1/(833x10-6)×log24=2400(bps)B=1/T=1/(833x10-6)=1200(Baud)12ppt課件2.1.3帶寬與信道容量2.信道容量(1)信道容量表示一個信道的最大數(shù)據(jù)傳輸速率，單位：位/秒(bps)信道容量與數(shù)據(jù)傳輸速率的區(qū)別是，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，而后者是實際的數(shù)據(jù)傳輸速率。像公路上的最大限速與汽車實際速度的關系一樣。(2)離散的信道容量奈奎斯特（Nyquist）無噪聲下的碼元速率極限值B與信道帶寬H的關系：B=2×H(Baud)..........⑸奈奎斯特公式--無噪信道傳輸能力公式：C=2×H×log2N(bps).............⑹式中

H為信道的帶寬，即信道傳輸上、下限頻率的差值，單位為Hz；N為一個碼元所取的離散值個數(shù)。13ppt課件2.1.3帶寬與信道容量【例2-2】普通電話線路帶寬約3kHz，則碼元速率極限值B=2×H=2×3k=6kBaud。若碼元的離散值個數(shù)N=16，則最大數(shù)據(jù)傳輸速率C=2×3k×log216=24kbps。(3)連續(xù)的信道容量香農(nóng)公式--帶噪信道容量公式：C=H×log2(1+S/N)(bps)......⑺式中S為信號功率，N為噪聲功率，S/N為信噪比，通常把信噪比表示成10lg(S/N)分貝（dB）?！纠?-3】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?！?0lg(S/N)=30∴S/N=1030/10=1000∴C=3klog2(1+1000)≈30kbps14ppt課件2.1.3帶寬與信道容量3.誤碼率誤碼率是二進制數(shù)據(jù)位傳輸時出錯的概率，它是衡量數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)在正常工作情況下的傳輸可靠性的指標。在計算機網(wǎng)絡中，一般要求誤碼率低于10-6，若誤碼率達不到這個指標，可通過差錯控制方法檢錯和糾錯。誤碼率公式：Pe=Ne/N..............................................................................⑻式中Ne為其中出錯的位數(shù)；N為傳輸?shù)臄?shù)據(jù)總數(shù)。15ppt課件第2章數(shù)據(jù)通信技術數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)1數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕拘问?數(shù)據(jù)編碼與信號調(diào)制技術3數(shù)據(jù)傳輸方式4數(shù)據(jù)交換技術5差錯控制與差錯檢測方法616ppt課件2.2.1模擬傳輸與數(shù)字傳輸1.模擬傳輸模擬傳輸是一種不考慮其內(nèi)容的模擬信號傳輸方式。在傳輸過程中，信號由于噪聲的干擾和能量的損失總會發(fā)生畸變和衰減。在模擬傳輸中，每隔一定的距離就要通過放大器來放大信號的強度，但在放大信號的強度的同時也放大了由噪聲引起的信號失真。傳輸距離增大，失真越來越大。

2.數(shù)字傳輸數(shù)字傳輸關心的是信號的內(nèi)容。不論傳輸?shù)氖菙?shù)字信號或模擬信號，只要它代表了0和1變化模式的數(shù)據(jù)，就可以采用數(shù)字傳輸。在數(shù)字傳輸中，每隔一定的距離要采用轉(zhuǎn)發(fā)器來代替。轉(zhuǎn)發(fā)器可以通過閾值判別等手段，識別并恢復其原來的0和1變化的模式，并重新產(chǎn)生一個新的完全消除了衰減和畸變的信號傳輸出去。這樣多級的轉(zhuǎn)發(fā)不會累積噪聲引起的失真。17ppt課件2.2.2基帶傳輸與頻帶傳輸1.基帶傳輸在數(shù)據(jù)通信中，由計算機或終端等數(shù)字設備直接發(fā)出的二進制數(shù)字信號形式稱為方波，即“1”或“0”，分別用高（或低）電平或低（或高）電平表示，人們把方波固有的頻帶稱為基帶（理論上基帶信號的頻譜是從0到無窮大），方波電信號稱為基帶信號。

2.頻帶傳輸頻帶傳輸技術是先利用調(diào)制器把二進制數(shù)字信號調(diào)制成模擬信號，傳到接收端時，再經(jīng)過解調(diào)器把模擬信號還原成二進制的數(shù)字信號。頻帶傳輸?shù)幕灸Ｐ腿鐖D2-5所示。18ppt課件2.2.3寬帶傳輸寬帶是指具有比話音信道（4kHz）的帶寬更寬的信道。帶寬和寬帶的區(qū)別：帶寬是傳輸?shù)念l率；寬帶是傳輸?shù)男诺馈Ｊ褂脤拵Ъ夹g進行傳輸?shù)南到y(tǒng)稱為寬帶傳輸系統(tǒng)。寬帶傳輸數(shù)據(jù)允許在同一信道上進行數(shù)字信息和模擬信息的服務。局域網(wǎng)中的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)可以使用基帶傳輸和寬帶傳輸兩種方式，他們的區(qū)別在于數(shù)據(jù)傳輸速率不同。19ppt課件第2章數(shù)據(jù)通信技術數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)1數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕拘问?數(shù)據(jù)編碼與信號調(diào)制技術3數(shù)據(jù)傳輸方式4數(shù)據(jù)交換技術5差錯控制與差錯檢測方法620ppt課件2.3.1數(shù)字數(shù)據(jù)的數(shù)字信號編碼1.不歸零編碼2.曼徹斯特編碼3.差分曼徹斯特編碼如圖2-6是數(shù)字數(shù)據(jù)“011101001”的NRZ編碼、曼徹斯特編碼、差分曼徹斯特編碼。21ppt課件2.3.2數(shù)字數(shù)據(jù)的模擬信號編碼為了利用廉價的公共電話交換網(wǎng)實現(xiàn)計算機之間的遠程通信，必須將發(fā)送端的數(shù)字信號變換成能夠在公共電話網(wǎng)上傳輸?shù)囊纛l信號，經(jīng)傳輸后再在接收端將音頻信號逆變換成對應的數(shù)字信號。實現(xiàn)數(shù)字信號與模擬信號互換的設備稱作調(diào)制解調(diào)器（Modem）。如圖2-7所示。22ppt課件2.3.2數(shù)字數(shù)據(jù)的模擬信號編碼幅移鍵控法ASK頻移鍵控法FSK相移鍵控法PSK1.調(diào)制方式可分別簡稱為調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相，如圖2-8所示。23ppt課件2.3.2數(shù)字數(shù)據(jù)的模擬信號編碼音頻Modem基帶Modem無線Modem2.調(diào)制解調(diào)器的分類(1)按應用環(huán)境分類(2)按傳輸速率分類低速Modem中速Modem高速Modem(3)按功能先進性分類人工撥號Modem自動撥號/自由應答式Modem智能Modem(4)按調(diào)制方式分類頻移鍵控Modem相移鍵控Modem相位幅度調(diào)制Modem24ppt課件2.3.3模擬數(shù)據(jù)的數(shù)字信號編碼模擬數(shù)據(jù)數(shù)字化的主要方法是脈沖編碼調(diào)制（PulseCodeModulation，PCM），如圖2-9所示。1.脈碼調(diào)制PCM脈碼調(diào)制是對連續(xù)變化的模擬信號進行周期性采樣，利用≥有效信號最高頻率或其帶寬２倍的采樣頻率。采樣定理表達公式：Fs(1/Ts)≥2Fmax或Fs≥2Bs式中Ts為采樣周期。Fs為采樣頻率。Fmax為原始信號的最高頻率。Bs（=Fmax-Fmin）為原始信號的帶寬。25ppt課件2.3.3模擬數(shù)據(jù)的數(shù)字信號編碼2.模擬信號數(shù)字化的三步驟抽樣量化編碼26ppt課件第2章數(shù)據(jù)通信技術數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)1數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕拘问?數(shù)據(jù)編碼與信號調(diào)制技術3數(shù)據(jù)傳輸方式4數(shù)據(jù)交換技術5差錯控制與差錯檢測方法627ppt課件2.4.1串行傳輸和并行傳輸1.串行通信計算機中用8位二進制代碼表示一個字符。串行通信的傳送原理如圖2-11所示。2.并行通信并行通信的特點是在通信過程中，收發(fā)雙方之間必須建立并行的多條通信信道。并行通信的傳送原理如圖2-12所示。28ppt課件2.4.2同步傳輸和異步傳輸1.異步傳輸方式2.同步傳輸方式29ppt課件2.4.3單工、半雙工和全雙工通信1.單工通信方式2.半雙工通信方式3.全雙工通信方式單工通信是最簡單的，也是通信效率最低的。全雙工通信是最復雜的，其通信效率最高。雙向通信比較復雜，特別是在網(wǎng)絡上。協(xié)議必須確保信息能被正確而有序地接收，并允許設備有效地進行通信。網(wǎng)絡設備中集線器是半雙工的，多數(shù)交換機都是全雙工的。早期的網(wǎng)卡是半雙工的，現(xiàn)在的網(wǎng)卡多數(shù)是全雙工的。30ppt課件2.4.4多路復用傳輸多路復用技術就是把許多個單個信號在一個信道上同時傳輸?shù)募夹g。如圖2-16所示。頻分多路復用FDM、時分多路復用TDM、波分多路復用WDM和碼分多路復用CDM是四種最常用的多路復用技術。31ppt課件2.4.4多路復用傳輸1.頻分多路復用FDM在物理信道的可用帶寬超過單個原始信號所需帶寬情況下，可將該物理信道的總帶寬分割成若干個與傳輸單個信號帶寬相同（或略寬）的子信道，每個子信道傳輸一路信號，這就是頻分多路復用。32ppt課件2.4.4多路復用傳輸2.時分多路復用TDM時分多路復用TDM技術，將一條物理信道按時間分成若干個時間片輪流地分配給多個信號使用。每一時間片由復用的一個信號占用，這樣，就可以在一條物理信道上傳輸多個數(shù)字信號。TDM分為同步時分復用STDM、異步時分復用ATDM。33ppt課件2.4.4多路復用傳輸3.波分多路復用WDM波分多路復用WDM主要用于全光纖網(wǎng)組成的通信系統(tǒng)，即光的頻分復用，即把光波長分割復用，在一根光纖中同時傳輸多波長光信號的技術。其實現(xiàn)方法是：在發(fā)送端將不同的光信號組合起來通過光纖進行傳輸，而在接收端將其復原。34ppt課件2.4.4多路復用傳輸4.碼分多路復用CDM碼分多路復用CDM又稱為碼分多址CDMA，是一種共享信道的方法，每個用戶可在同一時間使用同樣的頻帶進行通信，但使用的是基于碼型的分割信道的方法，即每個用戶分配一個地址碼，各個碼型互不重疊，通信各方之間不會相互干擾，且抗干擾能力強。碼分多路復用主要用于無線通信系統(tǒng)，特別是移動通信系統(tǒng)。35ppt課件第2章數(shù)據(jù)通信技術數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)1數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕拘问?數(shù)據(jù)編碼與信號調(diào)制技術3數(shù)據(jù)傳輸方式4數(shù)據(jù)交換技術5差錯控制與差錯檢測方法636ppt課件根據(jù)網(wǎng)絡拓撲結(jié)構，通信子網(wǎng)又可分廣播通信網(wǎng)和交換通信網(wǎng)。圖2-20所示的通信子網(wǎng)為交換通信網(wǎng)。37ppt課件2.5.1電路交換電路交換又叫線路交換。經(jīng)由電路交換而實現(xiàn)的通信包括三個階段：線路建立階段數(shù)據(jù)傳輸階段線路拆除階段圖2-21來說明電路交換方式下通信三階段的工作過程。38ppt課件2.5.2報文交換報文交換屬存儲轉(zhuǎn)發(fā)交換方式，不要求交換網(wǎng)為通信雙方預先建立一條專用數(shù)據(jù)通路，也就不存在建立線路和拆除線路的過程。用圖2-22來說明。39ppt課件2.5.3分組交換1.數(shù)據(jù)報傳輸分組交換40ppt課件2.5.3分組交換2.虛電路傳輸分組交換為建立虛電路的呼叫過程稱為虛呼叫（VirtualCalling），通過虛呼叫建立起來的邏輯通路稱為虛擬電路（VirtualCircuit），簡稱虛電路或虛通路。41ppt課件第2章數(shù)據(jù)通信技術數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)1數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕拘问?數(shù)據(jù)編碼與信號調(diào)制技術3數(shù)據(jù)傳輸方式4數(shù)據(jù)交換技術5差錯控制與差錯檢測方法642ppt課件2.6.1差錯與差錯控制1.差錯產(chǎn)生的原因傳輸中的差錯都是由噪聲引起的。隨機熱噪聲沖擊噪聲噪聲2.差錯控制方法檢錯碼糾錯碼差錯控制43ppt課件2.6.2奇偶校驗碼1.垂直奇偶校驗的特點及編碼規(guī)則如圖2-26所示為垂直奇偶校驗的規(guī)則，垂直方向增加冗余位。運算規(guī)則見表2-1。44ppt課件2.6.2奇偶校驗碼2.水平奇偶校驗的特點及編碼規(guī)則如圖2-27所示為水平奇偶校驗的規(guī)則，水平方向增加冗余位。運算規(guī)則見表2-2。45ppt課件2.6.2奇偶校驗碼3.水平垂直奇偶校驗的特點及編碼規(guī)則如圖2-28為水平垂直奇偶校驗的規(guī)則，運算規(guī)則見表2-3。46ppt課件2.6.3循環(huán)冗余碼1.CRC的工作方法在發(fā)送端產(chǎn)生一個循環(huán)冗余碼，附加在信息位后面一起發(fā)送到接收端，接收端收到的信息按發(fā)送端形成循環(huán)冗余碼同樣的算法進行校驗，若有錯，需重發(fā)。2.循環(huán)冗余碼的工作原理循環(huán)冗余碼CRC在發(fā)送端編碼和接收端校驗時，都可以利用事先約定的生成多項式G(X)來得到，K位要發(fā)送的信息位可對應于一個（k-1）次多項式K(X)，r位冗余位則對應于一個（r-1）次多項式R(X)，由r位冗余位組成的n=k+r位碼字則對應于一個（n-1）次多項式T(X)=Xr×K(X)+R(X)。47ppt課件2.6.3循環(huán)冗余碼48ppt課件2.6.3循環(huán)冗余碼49ppt課件2.6.4海明碼1.海明碼的概念

海明碼是一種可以糾正一位差錯的編碼。它是利用在信息位為k位，增加r位冗余位，構成一個n=k+r位的碼字，然后用r個監(jiān)督關系式產(chǎn)生的r個校正因子來區(qū)分無錯和在碼字中的n個不同位置的一位錯。它必需滿足以下關系式：２r>=n+1或2r>=k+r+1式中

k為信息位位數(shù)，r為增加冗余位位數(shù)。2.海明碼的生成與接收(1)方法一：（按教科書）

1)海明碼的生成50ppt課件2.6.4海明碼51ppt課件2.6.4海明碼2)海明碼的接收52ppt課件2.6.4海明碼(2)方法二：（不用查表，方便編程）1)海明碼的生成（順序生成法）?！纠?-8】已知： 信息碼為："11001100"（k=8） 求：海明碼碼字。解：①把冗余碼A、B、C、…，順序插入信息碼中，得海明碼：碼字："AB1C100D1100"碼位：123456789101112其中A、B、C、D分別插于2k位（k=0,1,2,