【正文】 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ) 本節(jié)學(xué)習(xí)要求： 、 數(shù)據(jù)與信號(hào)的基本概念 ， 以及數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)； ， 單工 、 半雙工與全雙工通信 ， 模擬通信 、數(shù)字通信的特點(diǎn)； ， 掌握數(shù)據(jù)傳輸速率的定義； ， 掌握調(diào)制解調(diào)器的基本工作原理； ； ； ，掌握 FDM、 WDM、 TDM的基本工作原理； ，掌握誤碼率的定義與循環(huán)冗余編碼 CRC的基本工作原理； 一 .基本概念 本章關(guān)鍵術(shù)語 : 信道 (channel) 雙工 /半雙工 /全雙工 基帶 (baseband) 寬帶 (broadband) 模擬信號(hào) (analog signal) 碼元 數(shù)字信號(hào) (digital signal) 并行通信 /串行通信 非屏蔽雙絞線 UTP（ Unshielded Twsited Pair） 國(guó)際電信聯(lián)盟 ITU（ International Telemunication Union） 電氣與電子工程師學(xué)會(huì) IEEE（ Institute of Electrical and Electronics Engneering） 單模光纖 (singlemode fiber)/多模光纖 (multimode fiber) 復(fù)用技術(shù) (multiplexing) 頻分多路復(fù)用 FDM / 時(shí)分多路復(fù)用 TDM 移幅鍵控法 ASK / 移頻鍵控法 FSK / 移相鍵控法PSK 調(diào)制解調(diào)器（ modem） 曼徹斯特編碼 現(xiàn)代數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)實(shí)際上是一個(gè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò) ，由數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)兩部分組成 。 通信系統(tǒng)模型： 信息源 發(fā)信機(jī) 傳輸介質(zhì) 收信機(jī) 受信者 噪聲源 信息源 傳輸介質(zhì) 收信機(jī) 受信者噪聲源數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)概述 數(shù)據(jù)通信的基本概念 通信的目的是交換信息 (Information)； 信息：數(shù)據(jù)的內(nèi)容和解析。 ?信息的載體可以是數(shù)字、文字、語音、圖形或圖像； ?計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的信息一般是字母、數(shù)字、符號(hào)、圖形或圖像的組合； ?數(shù)據(jù)：載荷信息的物理符號(hào)或有意義的實(shí)體。 ?數(shù)據(jù)通信是指在不同計(jì)算機(jī)之間傳送表示字母、數(shù)字、符號(hào)或圖形、圖像的二進(jìn)制代碼 0、1比特序列的過程； 數(shù)據(jù)通信的特點(diǎn) 數(shù)據(jù)通信和電報(bào)、電話通信相比，數(shù)據(jù)通信有如下特點(diǎn)： (1)數(shù)據(jù)通信是人 — 機(jī)或機(jī) — 機(jī)通信，計(jì)算機(jī)直接參與通信是數(shù)據(jù)通信的重要特征； (2)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和可靠性要求高； (3)傳輸速率高，要求接續(xù)和傳輸響應(yīng)時(shí)間快； (4)通信持續(xù)時(shí)間差異大。 數(shù)據(jù)的兩種分類： 數(shù)據(jù)可分為模擬數(shù)據(jù)與數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)兩種。 模擬數(shù)據(jù)：如果數(shù)據(jù)在某個(gè)時(shí)間取連續(xù)值 ,則稱為模擬數(shù)據(jù) .例如溫度和壓力。 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)：若數(shù)據(jù)取離散值，則稱數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。例如文本信息、整數(shù)、二進(jìn)制數(shù)字等。 0V ( t )t模擬信號(hào)信號(hào)：是數(shù)據(jù)的電磁波或電編碼。是數(shù)據(jù)的具體表示形式。 電話線上傳送的按照聲音的強(qiáng)弱幅度連續(xù)變化的電信號(hào)稱為模擬信號(hào) (analog signal)；模擬信號(hào)的信號(hào)電平是連續(xù)變化的； 模擬信號(hào) 數(shù)字信號(hào) 0V ( t )t數(shù)字信號(hào)?計(jì)算機(jī)所產(chǎn)生的電信號(hào)是用兩種不同的電平去表示 0、 1比特序列的電壓脈沖信號(hào)，這種電信號(hào)稱為數(shù)字信號(hào) (dligital signal）； 信道 信源 信宿 信道 信道：傳輸信息的必經(jīng)之路稱為“信道”。也稱為傳送電信號(hào)的一條道路。 按照信道中傳輸?shù)男盘?hào)分類，可把信道分為模擬信道和數(shù)字信道 。 在計(jì)算機(jī)中有所謂物理信道和邏輯信道之分。物理信道是指用來傳送信號(hào)或數(shù)據(jù)的物理通路，網(wǎng)絡(luò)中兩個(gè)結(jié)點(diǎn)之間的物理通路稱為通信鏈路，物理信道由傳輸介質(zhì)及有關(guān)設(shè)備組成。邏輯信道也是一種通路但在信號(hào)收、發(fā)點(diǎn)之間并不存在一條物理上的傳輸介質(zhì)、而是在物理信道基礎(chǔ)上，由結(jié)點(diǎn)內(nèi)部的邊來實(shí)現(xiàn)。 數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕拘问? 基帶傳輸： 所謂基帶，就是指電信號(hào)所固有的基本頻帶，簡(jiǎn)稱基帶。數(shù)字信號(hào)的基本頻帶是從 0至若干兆赫，由傳輸速率決定。 當(dāng)利用數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)直接傳送基帶信號(hào)，不經(jīng)頻譜搬移時(shí)，則稱之為基帶傳輸 。 數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕拘问?2 所謂頻帶傳輸，就是把二進(jìn)制信號(hào) (數(shù)字信號(hào) )進(jìn)行調(diào)制交換，成為能在公用電話網(wǎng)中傳輸?shù)? 音頻信號(hào) (模擬信號(hào) )，將音頻信號(hào)在傳輸介質(zhì)中傳送到接收端后，再由調(diào)制解調(diào)器將該音 頻信號(hào)解調(diào)變換成原來的二進(jìn)制電信號(hào)。這種把數(shù)據(jù)信號(hào)經(jīng)過調(diào)制后再傳送，到接收端后又 經(jīng)過解調(diào)還原成原來信號(hào)的傳輸，稱為頻帶傳輸。 數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕拘问?3 寬帶是指比音頻帶寬更寬的頻帶，指?jìng)鬏斀橘|(zhì)的頻帶寬度較寬的信息傳輸，一般在 300400MHz左右。使用這種寬頻帶傳輸?shù)南到y(tǒng)，稱為寬帶傳輸系統(tǒng)。它可以容納全部廣播，并可進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸。寬帶傳輸系統(tǒng)多是模擬信號(hào)傳輸系統(tǒng)。 寬帶傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn) 一般說，寬帶傳輸與基帶傳輸相比有以下優(yōu)點(diǎn)： (1)能在一個(gè)信道中傳輸聲音、圖像和數(shù)據(jù)信息，使系統(tǒng)具有多種用途； (2)一條寬帶信道能劃分為多條邏輯基帶信道，實(shí)現(xiàn)多路復(fù)用，因此信道的容量大大增加； (3)寬帶傳輸?shù)木嚯x比基帶遠(yuǎn)，因基帶直接傳送數(shù)字，傳輸?shù)乃俾视?，傳輸?shù)木嚯x愈短。 通信操作方式 根據(jù)信號(hào)傳輸方向與時(shí)間的關(guān)系 ， 可以分為： 方式 單工方式 半雙工方式 全雙工方式 描述 只支持?jǐn)?shù)據(jù)的單向流動(dòng) 。 支持?jǐn)?shù)據(jù)雙向分時(shí)流動(dòng) ， 線路只有一條 ，兩個(gè)方向須分時(shí)使用信道 。 支持?jǐn)?shù)據(jù)雙向同時(shí)流動(dòng) ， 線路有兩條或四條 。 通信方式（ 3） 單工、半雙工和全雙工 發(fā)方 收方 A方 A方 B方 B方 串行傳輸 與并行傳輸 串行傳輸：指一位一位地傳送數(shù)據(jù)，從發(fā)送端到接收端只要一根傳輸線即可。優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省設(shè)備 , 降低費(fèi)用；缺點(diǎn)是傳速慢，網(wǎng)絡(luò)中多采用這種傳輸方式。 并行傳輸：一次可以傳送一個(gè)字節(jié) (8位 )，發(fā)端到收端用 8根線。目前，計(jì)算機(jī)內(nèi)部操作多用并行傳輸，當(dāng)采用串行傳輸時(shí)，發(fā)端通過并 /串轉(zhuǎn)換設(shè)備將并行數(shù)據(jù)流變?yōu)榇袛?shù)據(jù)流，在接收端又通過串 /并行設(shè)備，還原為 8位并行數(shù)據(jù)。 一 ） 串行傳輸與并行傳輸 串行傳輸 :數(shù)據(jù)在一個(gè)信道上一位一位依次傳輸 。 數(shù)據(jù)線數(shù)目與與傳輸數(shù)據(jù)無關(guān) 特點(diǎn)： 1. 通信線路 數(shù)小 ， 線路利用率高適合于 遠(yuǎn)距離傳輸 。 2. 在發(fā)送端和接收端需要并 /串轉(zhuǎn)換和串 /并轉(zhuǎn)換 。 3. 需要實(shí)施同步措施 ，以確保不產(chǎn)生錯(cuò)字 。 串行 通信方式 串行傳輸與并行傳輸 并 行傳輸 :數(shù)據(jù)在 多 個(gè)信道上 同時(shí) 傳輸 。 數(shù)據(jù)線數(shù)目與與傳輸數(shù)據(jù)相同并可能多一校驗(yàn)線 特點(diǎn)： 1. 不需要對(duì)傳輸代碼進(jìn)行時(shí)序轉(zhuǎn)換 2. 需要數(shù)據(jù)線數(shù)目多 。 3. 傳輸速率高 。 并行 通信方式（ 2） 帶寬 : ?“ 帶寬”是指在信道上（或一段鏈路上）能夠傳送的數(shù)字信號(hào)的速率，即數(shù)據(jù)率或比特率 。 ?帶寬的單位就是比特每秒（ bit/s） ， 而更常用的帶寬單位是千比特每秒 kbit/s、 兆比特每秒 Mbit/S（ 106bit/s）、 吉比特每秒 Gbit/s（ 109bit/s）或太比特 Tbit/S（ 1012bit/s）。 二 .信道特性 信號(hào)在時(shí)間軸上的寬度就隨著帶寬的增大而變窄。例如，當(dāng)信號(hào)為 1和 0相間的脈沖時(shí)，在帶寬為 1Mbit/S鏈路上，每一個(gè)比特在時(shí)間軸上的寬度為 lus， 但在帶寬為 4Mbit/s的鏈路上，每一個(gè)比特在時(shí)間軸上的寬度就減小到原來的四分之一，即只有 0． 25 us。 帶寬 2 工作速率 符號(hào)速率又叫信號(hào)速率，記為 N。它表示單位時(shí)間內(nèi) (每秒 )信道上實(shí)際傳輸?shù)姆?hào)個(gè)數(shù)或 脈沖個(gè)數(shù) (可以是多進(jìn)制 )。符號(hào)速率的單位是波特，即每秒的符號(hào)個(gè)數(shù)。 信息傳輸速率，簡(jiǎn)稱傳信率，通常記為 R。它表示單位時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)傳輸 (或信源發(fā)出 )的信息量，即二進(jìn)制碼元數(shù)。在二進(jìn)制通信系統(tǒng)中，信息傳輸速率 R(比特／秒 )等于信號(hào)速率。對(duì)于多進(jìn)制兩者不相等。例如四進(jìn)制中符號(hào)速率為 2400波特，其信息速率為 4800bit／ s；而八進(jìn)制的信息速率為 7200bit／ s等等。它們的關(guān)系為式中 m為符號(hào)的進(jìn)制數(shù) 。 頻帶利用率 在比較不同通信系統(tǒng)的效率時(shí)，單看它們的信息傳輸速率是不夠的，或者說，即使兩個(gè)系統(tǒng) 的信息速率相同，它們的效率也可能不同，所以還要看傳輸這樣的信息所占的頻帶。 通信系 統(tǒng)占用的頻帶愈寬，傳輸信息的能力應(yīng)該愈大。在通常情況下，可以認(rèn)為二者成比例。 用單位頻帶內(nèi)的符號(hào)速率描述系統(tǒng)的傳輸效率，即每赫的波特?cái)?shù)： η=符號(hào)速率 波特率（ baud）和比特率（ bit）的關(guān)系： 波特率：信號(hào)每秒鐘變化的次數(shù)，也稱調(diào)制速率。 比特率：每秒鐘傳送的二進(jìn)制位數(shù)。 波特率與比特率的關(guān)系取決于信號(hào)值與比特位的關(guān)系。 例：每個(gè)信號(hào)值可表示３位，則比特率是波特率的３倍； 每個(gè)信號(hào)值可表示１位，則比特率和波特率相同。 對(duì)于比特率為Ｂ bps的信道，發(fā)送８位所需的時(shí)間為 8/B秒，若 ８位為一個(gè)周期Ｔ，則一次諧波的頻率是： f1 = B/8 Hz 能通過信道的最高次諧波數(shù)目為： N = fc / f1 音頻線路的截止頻率為 3000Hz N = fc / f1 = 3000/(B/8) = 24000/B 結(jié)論 ：即使對(duì)于完善的信道，有限的帶寬限制了數(shù)據(jù)的傳輸速率。 數(shù)據(jù)傳輸速率 指通信線上傳輸信息的速度。有兩種表示方法，即信號(hào)速率和調(diào)制速率。 信號(hào)速率 S：指單位時(shí)間內(nèi)所傳送的二制位代碼的有效位數(shù)，以每秒多少比特?cái)?shù)計(jì)，即 bit/s、 b/p、位 /秒。信號(hào)速率的高低，由每位所占的時(shí)間決定，若一位數(shù)據(jù)所占的時(shí)間越小，則信號(hào)速率越高。設(shè) T為傳輸?shù)碾娒}沖信號(hào)的寬度或周期， N為電脈沖信號(hào)所有可能的狀態(tài)數(shù)，則信號(hào)速率為 S=1/T log2N（ bps） 調(diào)制速率 B：是脈沖信號(hào)經(jīng)過調(diào)制后的傳輸速率，以波特（ BAUD）為單位，通常用于表示調(diào)制器之間傳輸信號(hào)的速率。表示每分鐘傳送多少電信號(hào)單元，若 T（秒）表示調(diào)制周期，則調(diào)制速率為： B=1/T 通信容量與帶寬成正比 Nyquist公式 ： S =2Blog2 L Shannon定理 ： C =Blog2（ 1+S/N） 理想信道情況，奈奎斯特（ Nyquist）準(zhǔn)則： ? 理想信道的最高碼元傳輸速率 B=2W Baud ? W——帶寬，單位為赫茲； ? Band——波特，碼元傳輸速率的單位， 1波特為每秒傳送 1個(gè)碼元。 ? 1924年，奈魁斯特（ H. Nyquist）推導(dǎo)出 無噪聲有限帶寬信道 的最大數(shù)據(jù)傳輸率公式： 最大數(shù)據(jù)傳輸率 R = 2Wlog2N (bps) 任意信號(hào)通過一個(gè)帶寬為 W的低通濾波器，則每秒采樣２ W次就能完整地重現(xiàn)該信號(hào)，信號(hào)電平分為 N級(jí)。 ? 例如：某信道帶寬為 4kHz，任何時(shí)刻數(shù)字信號(hào)取 0、 3四種電平之一，則最大數(shù)據(jù)速率為： ? 2 X 4kHz X log24 = 16kbps 1948年，香農(nóng)（ C. Shannon）把奈魁斯特的工作擴(kuò)大到信道受到 隨機(jī)（熱）噪聲 干擾的情況。 熱噪聲出現(xiàn)的大小用信噪比（信號(hào)功率與噪聲功率之比）來衡量。 Ｓ：信號(hào)功率， Ｎ：噪聲功率 10log10S/N 單位：分貝（ db） 香農(nóng)的主要結(jié)論是： 帶寬為 H 赫茲，信噪比為 S/N的任意信道的最大數(shù)據(jù)傳輸率為 最大數(shù)據(jù)傳輸率 = Hlog2(1 + S/N) (bps) 電話系統(tǒng)的典型信噪比為 30db。 此式是利用信息論得出的，具有普遍意義； 與信號(hào)電平級(jí)數(shù)、采樣速度無關(guān)； 此式僅是上限，難以達(dá)到。 二 .信道特性 ? 碼元 ：構(gòu)成信息編碼的最小單位，二進(jìn)制編碼的碼元為 1位二進(jìn)制數(shù)，即 1個(gè)比特。一個(gè)‘ A’字符的 ASCII碼 01000001B就是由 8個(gè)碼元構(gòu)成。 ? 一個(gè)碼元攜帶的信息量由碼元取的離散的狀態(tài)值個(gè)數(shù)決定。若碼元取 0和 1兩個(gè)離散狀態(tài)值，則一個(gè)碼元攜帶 1比特 (bit)信息。若碼元可取 4個(gè)離散狀態(tài)值 (如四進(jìn)制， 4個(gè)離散狀態(tài)值為 0)，則一個(gè)碼元攜帶2比特