【文章內(nèi)容簡介】 GO 高等計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與安全 50/103 四 .數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的通信方式 、 半雙工或全雙工通信 ※ 單工通信 （ Simplex Communication） ：單工通信方式只支持?jǐn)?shù)據(jù)在一個(gè)方向上傳輸 ， 又稱為單向通信 。 例如：無線電廣播和電視廣播都是單工通信 。 ※ 半雙工通信 （ Half Duplex Communication） ：半雙工通信方式允許數(shù)據(jù)在兩個(gè)方向上傳輸 ， 但在同一時(shí)刻 ， 只允許數(shù)據(jù)在一個(gè)方向上傳輸 ， 因此 ， 半雙工通信實(shí)際上是一種可切換方向的單工通信 ， 這種方式一般用于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的非主干線路中 。 LOGO 高等計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與安全 51/103 四 .數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的通信方式 ※ 全雙工通信 （ Duplex Communication） ：全雙工通信方式允許數(shù)據(jù)同時(shí)在兩個(gè)方向上傳輸 ， 又稱為雙向同時(shí)通信 ， 即通信的雙方可以同時(shí)發(fā)送和接收數(shù)據(jù) 。 例如： 現(xiàn)代電話通信系統(tǒng) PSTN中采用的就是全雙工通信方式 。 這種通信方式主要用于計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)之間的通信 。 LOGO 高等計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與安全 52/103 四 .數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的通信方式 串行通信的數(shù)據(jù)是 逐位傳送 的 ， 發(fā)送方發(fā)送的每一位都具有固定的時(shí)間間隔 ，這就要求接收方也要按照發(fā)送方同樣的時(shí)間間隔來接收每一位 。 按照串行數(shù)字的不同時(shí)鐘控制方式 ， 串行通信又可分為 同步通信和異步通信 兩種方式 。 LOGO 高等計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與安全 53/103 四 .數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的通信方式 ※ 同步通信 （ Synchronous Communication） ：同步通信方式要求接收端時(shí)鐘頻率和發(fā)送端時(shí)鐘頻率一致 。 發(fā)送端發(fā)送 連續(xù)的比特流 。 ※ 異步通信 （ Asynchronous Communication） ：異步通信時(shí)不要求接收端時(shí)鐘和發(fā)送端時(shí)鐘同步 。 發(fā)送端發(fā)送完一個(gè)字節(jié) （ 長度為 5至 8位 ） 后 ， 可經(jīng)過任意長的 時(shí)間間隔 再發(fā)送下一個(gè)字節(jié) 。 LOGO 高等計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與安全 54/103 五 .數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的編碼方法 在基帶傳輸中 ， 需要對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行編碼來表示數(shù)據(jù) ， 其中 ， 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)信號(hào)的編碼方式主要有 非歸零碼 NRZ、 曼徹斯特 （ Manchester） 編碼 、 和 差分曼徹斯特 （ Difference Manchester）編碼 ： LOGO 高等計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與安全 55/103 五 .數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的編碼方法 ※ 非歸零碼 NRZ（ Non Return Zero） ： NRZ碼的編碼原理如下圖所示 ， 其中：以 低電平表示 0， 高電平表示 1。 NRZ碼的 缺點(diǎn) ： 無法判斷一位的開始與結(jié)束 ， 如：無法從持續(xù)的高電平中解析出 1的個(gè)數(shù) ， 因此 ， 為保證收發(fā)雙方的同步 ， 還 必須在發(fā)送 NRZ碼的時(shí)候 ， 用另一個(gè)信道同時(shí)傳送同步信號(hào) 。 01 001011數(shù) 據(jù)（ a ） 非 歸 零 碼同 步 時(shí) 鐘( b ) 曼 徹 斯 特 編 碼( c ) 差 分 曼 徹 斯 特 編 碼LOGO 高等計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與安全 56/103 五 .數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的編碼方法 ※ 曼徹斯特 （ Manchester） 編碼 ：曼徹斯特編碼又稱 裂相碼 、 雙向碼 ， 是一種用電平跳變來表示 1或 0的編碼方法 ， 其 編碼原理如下 圖所示 ， 每比特的周期 T分為前 T/2與后T/2兩部分 ， 前 T/2傳送該比特的反碼 ， 后 T/2傳送該比特的原碼 ， 其中：低電平表示 0， 高電平表示 1 。 由于曼徹斯特碼在每個(gè)時(shí)鐘位都必須有一次變化 ， 因此 ，其 編碼的效率僅可達(dá)到 50%左右 。 01 001011數(shù) 據(jù)（ a ） 非 歸 零 碼同 步 時(shí) 鐘( b ) 曼 徹 斯 特 編 碼( c ) 差 分 曼 徹 斯 特 編 碼LOGO 高等計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與安全 57/103 五 .數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的編碼方法 曼徹斯特編碼方法主要具有以下的 優(yōu)點(diǎn) ： （ 1） 每個(gè)比特的中間有一次電平跳變 ， 兩次電平跳變的時(shí)間間隔可以是 T/2或 T； （ 2） 利用電平跳變可以產(chǎn)生收發(fā)雙方的同步信號(hào)； （ 3） 曼徹斯特編碼是一種 自同步 的編碼方式 ， 即時(shí)鐘同步信號(hào)就隱藏在數(shù)據(jù)波形中 。 在曼徹斯特編碼中 ， 每一位的中間有一跳變 ， 該跳變既可作為時(shí)鐘信號(hào) ， 又可作為數(shù)據(jù)信號(hào) 。 因此 ， 發(fā)送曼徹斯特編碼信號(hào)時(shí)無需另發(fā)同步信號(hào) 。 LOGO 高等計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與安全 58/103 五 .數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的編碼方法 ※ 差分曼徹斯特 （ Difference Manchester） 編碼 ：差分曼徹斯特編碼是對(duì)曼徹斯特編碼的一種改進(jìn) ， 雖然保留了曼徹斯特編碼作為 “ 自含時(shí)鐘編碼 ” 的優(yōu)點(diǎn) ， 其編碼原理如下圖所示 ， 其中：每比特的中間跳變僅做同步之用； 每比特的值根據(jù)其 開始邊界 是否發(fā)生跳變來決定 ， 若一個(gè)比特 開始處出現(xiàn)電平跳變 表示傳輸二進(jìn)制 0， 而 不發(fā)生跳變 則表示傳輸二進(jìn)制 1。 01 001011數(shù) 據(jù)（ a ） 非 歸 零 碼同 步 時(shí) 鐘( b ) 曼 徹 斯 特 編 碼( c ) 差 分 曼 徹 斯 特 編 碼LOGO 高等計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與安全 59/103 五 .數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的編碼方法 差分曼徹斯特編碼的 主要優(yōu)點(diǎn) 為： 比曼切斯特編碼的電平跳變次數(shù)要少 ， 因此 ，更適合與傳輸高速的信息 ， 被廣泛用于寬帶高速網(wǎng)中 。 LOGO 高等計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與安全 60/103 六 .模擬信道的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸速率 數(shù)據(jù)傳輸速率是描述數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的重要技術(shù)指標(biāo)之一 。 數(shù)據(jù)傳輸速率在數(shù)值上等于每秒鐘傳輸構(gòu)成數(shù)據(jù)代碼的二進(jìn)制比特?cái)?shù) ， 單位為 比特 /秒 ， 記為 bps或 b/s， 常用的數(shù)據(jù)傳輸速率單位有： Kbps、 Mbps、 Gbps與 Tbps， 其中： 1Kbps = 1 103 bps； 1Mbps = 1 106 bps； 1Gbps = 1 109 bps； 1Tbps = 1 1012 bps。 LOGO 高等計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與安全 61/103 六 .模擬信道的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸速率 、信號(hào)帶寬與信道帶寬 ※ 信道 （ Channel） ：是指 信號(hào)傳輸?shù)奈锢硗ǖ?。 ※ 信號(hào)帶寬 ：是指 信號(hào)頻譜的寬度 ， 即：信號(hào)的 最高頻率分量 與 最低頻率分量 之 差 ， 例如：一個(gè)由數(shù)個(gè)正弦波疊加成的方波信號(hào) ， 該信號(hào)的最低頻率分量為其基頻 ， 假定為：f=2KHz， 其最高頻率分量為其 7次諧波頻率 ， 即為： 7f=7 2=14KHz， 因此 ， 該信號(hào)的帶寬為：7f f =142=12KHz。 LOGO 高等計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與安全 62/103 六 .模擬信道的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸速率 、信號(hào)帶寬與信道帶寬 ※ 信道帶寬 ：信道帶寬限定了允許通過該信道的信號(hào)下限頻率 和 上限頻率 ， 即限定了一個(gè)頻率通帶 。 例如：一個(gè)信道允許的通帶為 15KHz， 其帶寬為 ， 由于 2KHz 14KHz15KHz，因此 ， 上面這個(gè)方波信號(hào)的所有頻率成分當(dāng)然能從該信道通過 ， 如果不考慮衰減 、 時(shí)延以及噪聲等因素 ，通過此信道的該信號(hào)會(huì)毫不失真 。 只要 最低頻率分量 和 最高頻率分量 都在信道帶寬的頻率范圍內(nèi)的任意信號(hào)都能通過該信道 。 LOGO 高等計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與安全 63/103 六 .模擬信道的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸速率 、信號(hào)帶寬與信道帶寬 ※ 如果信號(hào)與信道 帶寬相同 且 頻率范圍一致 ， 信號(hào)能不損失頻率成分地通過信道 。 ※ 如果 帶寬相同 但 頻率范圍不一致 時(shí) ， 該信號(hào)的頻率分量肯定不能完全通過該信道 （ 此時(shí) ， 可以考慮通過 頻譜搬移 也就是調(diào)制來實(shí)現(xiàn) ） 。 LOGO 高等計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與安全 64/103 六 .模擬信道的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸速率 、信號(hào)帶寬與信道帶寬 ※ 如果 帶寬不同 且 信號(hào)帶寬小于信道帶寬 ，同時(shí) ， 信號(hào)的所有頻率分量均包含在信道的通帶范圍內(nèi) ， 則信號(hào)能不損失頻率成分地通過 。 ※ 如果 帶寬不同 且 信號(hào)帶寬大于信道帶寬 ，同時(shí) ， 集中信號(hào)大部分能量的主要頻率分量包含在信道的通帶范圍內(nèi) ， 通過信道的信號(hào)會(huì)損失部分頻率成分 ， 但仍可能被識(shí)別 ， 正如數(shù)字信號(hào)的基帶傳輸和語音信號(hào)在電話信道傳輸那樣 。 LOGO 高等計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與安全 65/103 六 .模擬信道的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸速率 、信號(hào)帶寬與信道帶寬 ※ 如果 帶寬不同 且 信號(hào)帶寬大于信道帶寬 ，同時(shí) ， 集中信號(hào)相當(dāng)多能量的頻率分量不在信道的通帶范圍內(nèi) ， 這些信號(hào)頻率成分將被濾除 ，信號(hào)失真甚至嚴(yán)重畸變 。 ※ 不管帶寬是否相同 ， 如果 信號(hào)的所有頻率分量都不在信道的通帶范圍內(nèi) ， 則信號(hào)將無法通過 。 LOGO 高等計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與安全 66/103 六 .模擬信道的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸速率 、信號(hào)帶寬與信道帶寬 ※ 不管帶寬是否相同 ， 如果 信號(hào)頻譜與信道通帶交錯(cuò) ， 且 只有部分頻率分量通過 ， 則信號(hào)將會(huì) 失真 。 例如：以電話信道為例 ， 假定其頻率范圍從300~3300Hz， 即：信道帶寬為 3kHz， 而語音信號(hào)頻譜則一般為 100Hz~7KHz的范圍 。 則電話信道將語音信號(hào)頻譜掐頭去尾 。 由于語音信號(hào)的主要能量集中在中心的一些頻率分量附近 ， 因此 ， 通過電話信道傳輸?shù)恼Z音信號(hào)雖有失真 ， 但仍能分辨 。 LOGO 高等計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與安全 67/103 六 .模擬信道的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸速率 在現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中 ， 人們總是以 “ 帶寬 ” 來表示信道的數(shù)據(jù)傳輸速率 ， “ 帶寬 ”與 “ 速率 ” 幾乎成了同義詞 。 信道帶寬 與 數(shù)據(jù)傳輸速率 的關(guān)系可以奈 奎 斯 特 （ Nyquist ） 準(zhǔn)則 與 香農(nóng)（ Shanon） 定律 描述 。 LOGO 高等計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與安全 68/103 六 .模擬信道的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸速率 ※ 奈奎斯特準(zhǔn)則 ：二進(jìn)制數(shù)據(jù)信號(hào)的最大數(shù)據(jù)傳輸速率 Rmax與通信信道帶寬 H（ 單位 Hz） 的關(guān)系為 Rmax=2H log2V， 其中 V表示不同碼元的個(gè)數(shù) 。 ※ 香農(nóng)定理 ：在有隨機(jī)熱噪聲的信道上傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)時(shí) ， 數(shù)據(jù)傳輸速率 Rmax與信道帶寬 H， 信噪比 S/N的關(guān)系為 Rmax=H log2（ 1+S/N） ， 其中S/N為信噪比 ， 10 lgS/N的值為分貝 。 LOGO 高等計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與安全 69/103 六 .模擬信道的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸速率 ※ 奈奎斯特定理 描述了有限帶寬 、 無噪聲信道的最大數(shù)據(jù)傳輸速率與信道帶寬的關(guān)系 。 香農(nóng)定理 描述了有限帶寬 、 有隨機(jī)熱噪聲信道的最大傳輸速率與信道帶寬 、 信噪比間的關(guān)系 。 顯然 ， 信道數(shù)據(jù)傳輸速率的上限： 為分別依據(jù)奈奎斯特準(zhǔn)則和香農(nóng)定理所得數(shù)據(jù)傳輸速率Rmax之間的 最小值 。 LOGO 高等計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與安全 70/103 六 .模擬信道的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸速率