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第二讲 数据通信基础 孙永科 西南林学院计算机与信息科学系

第二讲 数据通信基础 孙永科 西南林学院计算机与信息科学系. Outline. 2.1 数据通信的基本概念　　 2.2 信道特性 2.3 传输介质 2.4 数据编码　 2.5 数字调制　. 网络工程师的主要考核内容. 基本概念的理解 例如 : 信道、信道带宽、信道容量、传输延迟和误码率 几个重要公式的理解与应用 例如：香农定理、奈奎斯特定理、数据传输速率与波特率. 2.1 　数据通信的基本概念. 飞机、铁路 ……. 邮局. 邮局. 信 件. 信 件. 自从人类社会诞生以来 , 信息通信就伴随着人类社会的发展 , 如古人的烽火传递

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第二讲 数据通信基础 孙永科 西南林学院计算机与信息科学系

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Presentation Transcript

  1. 第二讲 数据通信基础孙永科西南林学院计算机与信息科学系

  2. Outline 2.1 数据通信的基本概念　　 2.2 信道特性 2.3 传输介质 2.4 数据编码　 2.5 数字调制　

  3. 网络工程师的主要考核内容 基本概念的理解 例如: 信道、信道带宽、信道容量、传输延迟和误码率 几个重要公式的理解与应用 例如：香农定理、奈奎斯特定理、数据传输速率与波特率

  4. 2.1　数据通信的基本概念 飞机、铁路…… 邮局 邮局 信 件 信 件 • 自从人类社会诞生以来,信息通信就伴随着人类社会的发展, 如古人的烽火传递 • 近代通信模型，邮政系统，电话系统 • 现代通信模型，移动通信，网络通信 System

  5. 2.1　数据通信的基本概念 1. 数据通信系统 通信的目的就是传递信息。 信息的传递是通过通信系统来实现的，通信系统的基本模型共有五个基本组件，即发送设备、接受设备、发送机、信道和接收机。

  6. 2.1　数据通信的基本概念 噪声 信源 变换 信道 变换 信宿 图2-1 数据通信模型

  7. (1) 信源和信宿 通信中产生和发送信息的一端叫做信源,信源就是信息的发送端，是发出待传送信息的人或设备； 接收信息的一端叫做信宿，是接收所传送信息的人或设备。 (2) 信道 信源和信宿之间的通信线路称为信道。

  8. (3) 信号变换 信号变换的作用是将信源发出的信息变换成适合在信道上传输的信号。 由于网络中绝大多数信息都是双向传输的，所以在大多数情况下，信源也作信宿，信宿也作信源；编码器也具有译码功能，译码器也应能编码，因此合并通称为编码译码器；同样调制器也能解调，解调器也可调制，因此合并通称为调制解调器。

  9. (4) 噪声 信息在传输的过程中可能会受到外界的干扰，把这种干扰称为噪声。 客观的讲，噪声是不可避免的 内部噪声：来自通信系统内部(随机噪声) 外部噪声：来自通信系统外部(突发噪声) 物理信道不同，噪声也不同 双绞线上传输的是电信号，则受外界电磁干扰 光纤通信传输的是光信号，则不受外界电磁干扰

  10. (5)信号类型 • 信源产生的数据可能是模拟数据，也可能是数字数据 • 模拟数据取连续值，而数字数据取离散值 • 数据在进入信道之前要转变成适合传输的信号。 • 信号也分模拟信号和数字信号。

  11. 模拟信号与数字信号 • 模拟信号是随时间连续变化的信号，这种信号的某些参量（如振幅、相位和频率等）可以表示要传送的信息。正弦信号是典型的模拟信号，普通电视里的图像和语音信号，也是模拟信号。 • 数字信号只取有限个离散值，以某一瞬间的状态表示它们传送的信息。

  12. 模拟信号

  13. 话音

  14. 语音和音乐的声谱

  15. 电视扫描场

  16. 数字信号

  17. 数字信号

  18. 模拟与数字的特点 模拟： 波动性； 持续变化； 反映事物的本质； 在电信业已经被广泛； 使用超过100年； 数字： 离散性； 跃变性； 设备性能先进； 较为便宜；

  19. 数据通信种类 • 模拟通信 信源是模拟数据并以模拟信道传输 • 数字通信 信源是模拟数据并以数字信道传输 • 数据通信 信源是数字数据，无论信道是数字还是模拟的，都叫数据通信

  20. 数据传输：

  21. 模拟数据通信举例 模拟信道传输模拟数据 典型的例子是声音在普通电话系统中的传输。 模拟信道传输数字数据 典型的例子是通过电话系统实现两个计算机（数字设备）之间的通信。 由于电话系统只能传输模拟信号，所以需通过调制解调器（Modem）进行数字信号与模拟信号的转换。 21

  22. 数字数据通信举例 数字信道传输数字数据 典型的例子是将两个计算机通过接口直接相连。 22

  23. 请问，用光纤作为传输介质的通信属于哪种通信？请问，用光纤作为传输介质的通信属于哪种通信？ 数字信道传输模拟数据

  24. 模拟传输与数字传输比较 • 由于模拟信号随时间的变化而平滑的发生变化，因此模拟信号比数字信号容易出错。模拟信号容易受到噪音、静电和其他干扰源的干扰导致信号变形。同时随着传输距离的增加会产生衰减，在对信号进行放大和转发时噪声信号也被同时放大。 • 数字信号是以电平的高低来表示的，只要噪声值不超过数字信号的门槛值，就可以保证数字信号的可靠性。随着传输距离的增加数字信号也会产生衰减，但是它采用再生中继方式，再生的信号和原来的数字信号一样并且能够消除噪音，通信质量受传输距离的影响比模拟信号要小

  25. 2.2 信道特性 1．信道 信道是传送信号的一条通道，可以分为物理信道和逻辑信道。 物理信道是指用来传送信号或数据的物理通路，由传输及其附属设备组成。 逻辑信道也是指传输信息的一条通路，但在信号的收、发节点之间并不一定存在与之对应的物理传输介质，而是在物理信道基础上，由节点设备内部的连接来实现。

  26. 2.2 信道特性 2.信道带宽 信道带宽是指信道所能传送的信号频率宽度，它的值为信道上可传送信号的最高频率减去最低频率之差。 W=f2-f1 f2—信道能通过的最高频率 f1—信道能通过的最低频率 带宽越大，所能达到的传输速率就越大，所以通道的带宽是衡量传输系统的一个重要指标。

  27. 3．信道容量 信道容量是指信道传输信息的最大能力，通常用数据传输率来表示。即单位时间内传送的比特数越大，则信息的传输能力也就越大，表示信道容量大。 2.2 信道特性

  28. 数据通信系统主要技术指标(传输率、误码率、信道容量)数据通信系统主要技术指标(传输率、误码率、信道容量) 1．数据传输速率 • 数据传输速率是指传输线路上传输信息的速度，有信号传输速率和数据传输速率两种表示方法。 • 信号传输速率又叫波特率或调制速率 • 数据传输速率又叫比特率

  29. 波特率(信号传输速率) 一个数字脉冲称为一个码元 码元速率表示单位时间内波形的变换次数，即单位时间内通过信道传输的码元个数 信号传输速率又称波特率或调制速率，指单位时间内所传送的信号的个数，即码元速率 单位为baud（波特） B = 1 / T B 波特率 T 信号周期。  例：若f = 1200Hz的一连续信号， 则 B = 1/T = 1200（波特）

  30. 比特率(数据传输速率) 比特率：比特率是一种数字信号的传输速率，它表示单位时间内所传送的二进制代码的有效位（bit）数，单位用比特每秒（ bps或b/s）或千比特每秒（Kbps）表示。 S — 表示比特率 T — 表示脉冲宽度 N — 表示一个脉冲所表示的有效状态数，即调制电平数，通常为2的整数倍。 30

  31. 例 若一连续信号，f = 1200Hz，每个信号可表示4个不同的状态，则 波特率为1200 数据传输速率（比特率）为2400bps。

  32. 波特率和比特率之间关系 比特率针对的是二进制位数传输，波特率针对信号波形的传输 N为 一个脉冲所表示的有效状态数，即调制电平数

  33. 2．误码率 在有噪声的信道中，数据速率的增加意味着传输中出现差错的概率增加。误码率是用来表示传输二进制位时出现差错的概率。误码率（ Pe）可用下式表示： Pe = Ne / N Pe误码率 Ne出错的位数 N 传输的总位数 在计算机通信网络中，误码率一般要求低于10-6，即平均每传输1兆位才允许错1位。在误码率高于一定的数值时，可以用差错控制的方法进行检查和纠正。 传输声音 Pe< 10-6 传输图象 Pe< 10-7 传输数据 Pe< 10-8 光纤 Pe< 10-10

  34. 3．信道延迟 信号在信道中传播，从信源到信宿需要一定的时间，这称为信道延迟或传播时延。 这个时间等于信源到信宿的距离与具体信道中的信号传播速度之比。 常用的电信号一般以接近光速（300m/µs）的速度传播，但随传输介质的不同而略有差异。例如，电缆中的传播速度一般为光速的77%，即200m/µs左右。 通常考虑网络中相距最远的站与站之间的传播时延，例如，500m同轴电缆的传播时延为2.5µs,卫星信道传播时延为270ms。

  35. 4 信道容量 信道容量指信道所能承受的最大数据传输速率（受信道的带宽限制） 单位为bps或b/s。 两种衡量的方法 有限带宽无噪声信道 （奈奎斯特公式） 有限带宽随机噪声信道 （香农公式）

  36. －奈奎斯特公式 其中：C 最大数据速率（信道容量） H 信道的带宽（Hz） N 一个脉冲所表示的有效状态数，即调制电平数  奈奎斯特公式表明，对某一有限带宽无噪声信道，带宽固定，则调制速率也固定，但可以通过提高信号能表示的不同的状态数，以提高信道容量。 36

  37. 例 若某信道带宽为4kHz，任何时刻信号可取0、1、2和3四种电平之一，则为: 37

  38. －香农公式 H 信道的带宽（Hz） S 信道内信号的功率 N 信道内服从高斯分布的噪声的功率 S/N是信噪比，通常用 表示 单位： dB、分贝 38

  39. 例 信噪比为30dB，带宽为4kHz的信道最大的数据速率为多少？ S/N=1000 表示无论采用何种调制技术，信噪比为30dB，带宽为4kHz的信道最大的数据速率约为40kbps。

  40. － 例 在数字传输系统中，调制速率为1200波特，数据传输速率为3600bps，则每个信号可有几种不同状态？如要使调制速率和数据传输速率相等，则每个信号应有几种不同状态？ • 已知数据传输速率S=3600bps，调制速率B=1200波特，代入公式S=Blog2N中，求的N=8，即每个信号可有8种不同状态。 • 由公式S=Blog2N可知，要使S=B，N应为2，即每个信号应有2种不同状态。

  41. －例 在电话系统中，一路电话的带宽是3KHz，典型的信噪比是35dB，请计算电话线上可以取得的理论上最大的数据传输速率？ 先求解S/N：35dB=10log10S/N，所以S/N≈3162，利用香农公式求解信道容量：C=Hlog2（1+S/N）=3KHz×log2（1+3162）≈34880bps，即35Kbps左右的比特率将是常规调制解调器的上限 42

  42. 2002年网络工程师考试试题 在一个带宽为 3KHZ、没有噪声的信道，传输二进制信号时能够达到的极限数据传输率为__(6)__。一个带宽为 3KHZ、信噪比为 30dB 的信道，能够达到的极限数据传输率为_(7)_。上述结果表明，_(8)__。 根据奈奎斯特第一定理，为了保证传输质量，为达到 3KbpS 的数据传输车需要的带宽为___(9)___。 在一个无限带宽的无噪声信道上，传输二进制信号，当信号的带宽为 3KHz 时，能达到的极限数据传输率为__(10)__Kbps 。 (6)：A．3Kbps B．6Kbps C．56Kbps D．10Mbps(7)：A．12Kbps B．30Kbps C．56Kbps D．10Mbps(8)：A. 有噪声信道比无噪声信道具有更大的带宽B．有噪声信道比无噪声信道可达到更高的极限数据传输率C．有噪声信道与无噪声信道没有可比性D．上述值都为极限值，条件不同，不能进行直接的比较(9)： A．3KHz B．6KHz C．2KHz D．56KHz(10)：A．1.5 B．3 C．6 D．3 log23

  43. 2004年网络工程师考试试题26 • 设信道的码元速率为300波特，采用4相DPSK调制，则信道的数据速率为26 b/s。 (26) A.300 B.600 C.800 D.1000 说明： DPSK表示差分相移键控调制,4DPSK说明每个码元最多有4种不同的相位。

  44. 2005年11月网络工程师考试试题 • 设信号的波特率为600Baud，采用幅度一相位复合调制技术，由4种幅度和8种相位组成16种码元，则信道的数据率为 （14）。 A.600b/s B.2400b/s C.4800b/s D.9600b/s

  45. －三个指标之间的关系 数据速率是信道的实际数据传输速率 信道容量是信道的最大数据传输速率 误码率用于衡量信道传输数据的可靠性。

  46. 2.3 数据传输介质 2.3.1 传输介质基本概念 2.3.2 双绞线 2.3.3 同轴电缆 2.3.4 光纤 2.3.5 无线介质 47

  47. 2.3.1 －传输介质基本概念 传输介质是网络中连接收发双方的物理通路，也是通信中实际传送信息的载体。 类型 双绞线、同轴电缆、光纤、无线 信道、卫星通信信道 特性 物理、传输、连通、地理范围、抗干扰、相对价格 48

  48. 2.3.2 －双绞线 双绞线由螺旋状扭在一起的两根绝缘导线组成，把两条导线按一定密度对扭在一起可以减少相互间的电磁干扰。 双绞线芯一般是铜质的，能提供良好的传导率。双绞线一般分为非屏蔽双绞线（UTP）和屏蔽双绞线（FTP、STP、）。 49

  49. 屏蔽双绞线 STP (Shielded Twisted Pair) • 无屏蔽双绞线 UTP (Unshielded Twisted Pair) 屏蔽双绞线 STP 无屏蔽双绞线 UTP 绝缘层 铜线 屏蔽层 聚氯乙烯 套层 聚氯乙烯 套层 铜线 绝缘层

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