数据通信基础知识2Word文件下载.docx
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如计算机所使用的二进制代码“0”和“1”。
描述数字信号的两个术语:
..位的间距:
发送一个信号位所需要的时间。
..位的速率:
每秒钟所发送的位数,通常简写为bps(bitspersecond)。
..模拟:
波动性;
持续变化;
易受噪音干扰;
不易衰减;
..数字:
离散性;
跃变性;
不易受干扰,可靠性高;
易衰减;
较为便宜;
..数据:
是信息的表示形式。
分为:
数字数据(文本)、模拟数据(语音、视频)。
..信号:
是数据的物理表现。
数字信号、模拟信号
..数据必须被转化为电磁信号、光信号才能传输。
编码技术
..数据的编码方式依赖于数据的原始形式和传输信号的形式。
数字/数字模拟/数字数字/模拟模拟/模拟
..任何数据都要被转化为信号才能在传输介质上传输。
编码技术:
数字-模拟编码
..数字-模拟编码:
用模拟信号来表示数字数据。
..典型应用—Modem调制解调器
..原理:
S(t)=Acos(ωt+φ),其中A、ω、φ可变。
..三种基本方式:
..幅移键控:
频率、相位不变,两种幅值。
..频移键控:
幅值、相位不变,两种频率。
..相移键控:
频率、幅值不变,两种相位。
..组合方式:
正交调幅,利用幅移键控和相移键控组合。
幅移键控(ASK)
..通过改变信号的强度(振幅)来表示二进制0、1。
振幅改变的同时,频率和相位保持不变。
缺点:
受噪声影响大,信号易受干扰。
频移键控(FSK)
..通过改变信号的频率来表示二进制0、1。
频率改变的同时,振幅和相位保持不变。
特点:
抗干扰性好。
相移键控(PSK)
..通过改变信号的相位来表示二进制0、1。
相位改变的同时,振幅和频率保持不变。
(抗干扰性好)
..比特率:
数字信号的传输速率,指单位时间内传输的二进制代码的有效位(bit)数,其单位为每秒比特数bit/s(bps)。
..波特率:
单位时间内信号状态改变次数,单位为波特(Baud)。
..关系:
比特率=波特率X单个状态对应的二进制位数。
4相位相移键控(PSK)..单个状态对应几位二进制?
2..数据传输速度是2相位PSK的2倍。
正交调幅(QAM)
..正交调幅:
同时利用正弦波的两个特性(振幅和相位)。
数字-模拟编码:
数字-数字编码
..数字-数字编码:
用数字信号来表示数字数据。
..可分为:
..单极性编码..极化编码..双极性编码
..▲单极性编码:
只使用一种电压值进行编码。
存在的问题:
难同步。
需引入同步时钟脉冲。
优点:
实现简单、廉价。
..▲极化编码:
采用两种电压值(一正一负)进行编码。
..不归零编码..归零编码..双相位编码(曼彻斯特编码、差分曼彻斯特编码)
..●不归零编码:
..高电平为“1”,低电平为“0”;
..在一个比特传输时间中,电压保持不变。
..●归零编码
..1:
正电压到零的跳变。
..0:
负电压到零的跳变。
..存在问题:
每比特位需两次信号变化,增加占用的带宽。
●双相位编码(曼彻斯特编码、差分曼彻斯特编码)
..曼彻斯特编码:
1-正电平到负电平的跳变。
0-负电平到正电平的跳变。
..每个比特中间引入跃迁(跳变)代表不同比特和同步信息。
..能得到和归零编码同样的效果,但仅需要两种电平振幅。
差分曼彻斯特编码
..比特开始位置有跃迁代表比特0,没有代表比特1。
..比特中间均有跃迁用于携带同步信息,比特开始的附加跃迁代表不同比特。
双相位编码(曼彻斯特编码、差分曼彻斯特编码)特点:
..将时钟和数据包含在信号数据流中,在数据波形上携带了时钟脉冲信息。
..在传输编码信息的同时,也将时钟同步信号一起传输到对方,这种编码又称为字同步编码。
..接收端利用这个跳变来产生接收同步时钟脉冲,因此可以用较高的传输速率来传输数据。
..▲双极性编码:
采用三种电压值(正、负、零)进行编码。
..伪三元码:
电压0代表二进制1,正负电压交换代表0。
..没有完全解决同步问题。
模拟-数字编码
..模拟-数字编码:
用数字信号来表示模拟数据。
主要有两种方法:
(1)脉冲幅度调制(PAM)
..由PAM产生的信号看起来似乎是数字式的,但由于脉冲的振幅和采样信号一样,所以其取值是随意的,数字化效果不好。
(2)脉码调制(PCM:
PulseCodeModulation)
..原理:
..对采样后信号进行分级处理,分为2^n个预先确定的振幅。
..量化时挑出最接近采样振幅的那一级,用它所对应的比特序列对这个脉冲进行编码。
..使脉冲真正数字化的一种方法,最常用的模拟-数字编码。
..举例:
假设将整个振幅范围划分成8个振幅(量化级),每一个振幅对应一个3比特的二进制数。
..量化级别N,每次采样对应1bN位二进制数。
(见书14页例)
..重建的精确度取决于采样的频率s。
..采样频率过小:
导致某些振荡完全丢失,重建的信号可能会跟原始的信号相差很远。
..采样频率太高:
数据量太大。
采样频率必须至少是信号最高有用频率的两倍。
..信息的编码方式依赖于信息的原始形式和传输信号的形式。
..任何数据都要被转化为电磁信号才能在传输介质上传输。
模拟-模拟编码
..模拟-模拟编码:
用模拟信号来表示模拟数据。
..研究发现,高频振荡的正弦波信号能够传输更远的距离。
可以将这种高频振荡的正弦波信号作为携带信息的“载波”信号来传输模拟数据。
..利用原始模拟数据的特征去调整“载波”的某个参数(如幅度、频率、相位),该过程称为调制。
(l)幅度调制(AM,AmplitudeModulation)简称调幅,使载波幅度随原始的模拟数据幅度变化而得到的信号(已调信号),而载波的频率不变。
(2)频率调制(FM:
FrequencyModulation),简称调频,使载波频率随原始的模拟数据的幅度变化而得到的信号,而载波的幅度不变。
(3)相位调制(PM:
PhaseModulation),简称调相,使载波相位随原始的模拟数据的幅度变化而得到的信号,而载波的幅度不变。
无线广播电台等仍采用调幅、调频技术。
2.2.2数据编码的格式(字符的编码)
1.ASCII码
ASCII(AmricanStandardColeforlnformationInterchange)是美国标准信息交换码。
采用7位编码,是目前国际最为流行的编码之一。
..标准的ASCII字符集包括了128个字符:
.32个控制符:
如:
回车、换行等.96个可打印字符:
大小写英文字母、数字和常用标点符号..每个字符对应一个7位二进制编码,称为该字符的ASCII码。
..例:
字符“A”的ASCII码为“1000001”,字符“!
”的ASCII码为“0100001”。
..因为计算机中存储和处理数据最基础的单位是字节(即8个二进制位),所以在计算机中,将字符的7位二进制ASCII码首位前加“0”,构成一个字节,便于存储和处理。
2.莫尔斯码、博多码和BCD码
(1)莫尔斯码由一系列的点和划组成,并且字母代码的长度不统一。
常用于电报通信。
(2)博多码(BaudotCode)
..由Jean-Marie-EmileBaudot发明的代码,用5bit表示一个字符或字母。
..数字与字母代码相同,用5位代码:
上码11111(表示字母)和下码11011(表示数字或其它符号)区分。
(3)BCD(BinaryCodeDecimal)码
..用一组二进制码(4位或6位)来表示十进制数的编码方法,也称作二─十进制码。
..根据不同的选取方法,可以编制出很多种BCD码,如8421码,5421码,2421码,5211码等。
如不特殊声明,通常所说的BCD码就是8421码。
2.3.1数据传输模式
..数据传输模式:
指数据在信道上传输所采取的方式。
..按数据传输的流向和时间关系划分:
单工、双工和全双工数据传输;
..按传输的数据信号特点划分:
基带传输、频带传输。
..按数据传输的顺序划分:
并行传输和串行传输(同步传输和异步传输);
数据通信方式(单工、半双工、全双工)
..单工..通信是单向进行的,就象是单行道。
一条链路的两个站点中只有一个可以进行传输,另一个只能接收。
..键盘和传统监视器都是单工设备的例子。
键盘只能作为输入,监视器只能作为输出。
..半双工..每个站点都可以发送和接收,但是不能同时发送和接收。
当其中一个设备在发送时,另一个只能接收,反之亦然。
..对讲机是半双工系统的例子。
..全双工..在全双工方式中(也叫双工方式),两个站点同时都可以进行发送和接收。
按传输的数据信号特点划分:
..基带传输
..只使用一种频率的数字传输技术,即直接将数字设备输出的二进制“1”或“0”的电压(或电流)信号送到电路的传输方式。
..采用典型的矩形电脉冲信号。
..整个信道只传输一种频率的信号,通信信道利用率低,常用于近距离传输。
费用低。
..频带传输:
..长距离通信时,先将基带信号变换(调制)成便于在模拟信道中传输的、具有较高频率范围的模拟信号(称为频带信号)。
..频带比基带传输得快且能覆盖较长的距离,但频带需要在每个连接末端接入一个调制解调器。
将频带信号信号解调成数字信号。
..例如:
传统的电话通信信道只适用于传输音频范围(300Hz-3400Hz)的模拟信号,不适用于直接传输计算机的数字基带信号。
为了利用电话网来传输数字信号,就必须将数字信号转换成模拟信号。
传输方式
(1)并行传输方式
特点:
传输速率高。
需要n条传输线路,成本较高。
通常用于近距离传输,距离限制在25英尺内。
一组比特同时发送,每个比特都占据一条独立的线路。
(2)串行传输方式:
线路数少,利用率高,投资小。
需要进行并/串,串/并转换。
该方式只有一条传输线路,比特依次发送。
(3)异步传输
以字符为单位进行传输,发送方和接收方在发送数据之前无需进行时间上的协调。
每个字符都有起始位和停止位。
简单、有效。
传输速度较慢,额外开销较大。
(4)同步传输
将多个字符组成数据块,以数据块为单位传输数据。
传输过程中有专门的时钟节拍使发送方、接收方保持同步,使两者以同一频率工作。
传输速度快,效率较高。
实现较复杂。
RS-232标准(电子工业协会EIA提出的异步通信标准)
“1”:
-3V~-15V;
“0”:
+3V~+15V;
每次传输一个字符,7位或8位;
每位电压持续时间相同;
每个字符前加一起始位(0),表示传输开始;
传送完后加一停止位
(1),表示传输结束;
物理连线必须在15米内。
异步传输..RS-232特点
..在数据终端设备和数据通信设备之间进行串行二进制数据交换的接口
..极化编码;
..连接距离短(最大连接距离不超过15米);
..多用于计算机与Modem、键盘或终端之类的设备之间近距离传输字符。
..为提供更大的传输距离和传输速率
..RS-422
..RS-423
2.3.4数据传输信道
..传输信道是指以传输物理媒质为基础,为发送设备和接收设备而建立的信号通路。
..由有线或无线线路(包括交换设备)组成的信号通路。
1.信道分类
..按传输媒体:
有线信道和无线信道。
..按信号复用形式:
频分制信道、时分制信道、波分制信道和码分制信道(CDMA)。
..按信号类型:
模拟信道和数字信道。
..按信号传输方向:
单工信道、半双工和全双工信道。
..按信道使用:
专用信道、公用信道。
2.3.5数据通信的主要指标
..在通信系统中,通信质量是人们关心的问题。
所谓通信质量是指整个通信系统的性能,主要是传输的有效性和可靠性。
1.传输损耗
..传输存在着或多或少的损耗,接收到的信号和发送的信号都会有所不同。
..影响传输损耗的主要参数有:
衰减、失真、延迟变形和噪声等。
(1)衰减(attenuation)
..衰减A定义为:
输入信号功率与输出信号功率的比值,并取以10为底的对数,表示输入信号与输出信号的功率电平之差:
A=10lg(P1/P2)(dB)。
式中,P1为输入信号功率(mW),P2为输出信号功率(mW)
(2)时延失真
(3)噪声(随机噪声、脉冲噪声)
2.频带利用率
..频带利用率:
单位频带内所能实现的码元速度(或者单位频带内的传输速度)。
..带宽:
.数字信号:
指单位时间内链路通过的数据量(单位bps)。
.模拟信号:
带宽又称为频宽,信号的最高频率分量与最低频率分量之差,以赫兹(Hz)单位。
.信道:
指能够有效通过该信道的信号下限频率和上限频率之差。
电话信道,假定其频率范围从300~3300Hz,带宽为3kHz。
单位频带内所能实现的码元速度(或单位频带内的传输速度)。
单位为波特/赫(B/Hz),或者比特/秒·
赫(bit/s·
Hz)。
..例:
某信道带宽为2400Hz,传输速度为4800bit/s,频带利用率为多少?
2Bps/Hz
3.数据传输速率
..指每秒能传输的二进制信息位数,单位为位/秒记作bps,其计算公式为:
T为一个数字脉冲信号的宽度,单位为秒。
一个数字脉冲也称为一个码元;
N为一个码元所取的有效离散值个数,也称调制电平数,一般取2的整数次方值。
4.信道容量
..信道容量表示一个信道的最大数据传输速率,单位:
位/秒(bps)
..信道容量与数据传输速率的区别:
.前者表示信道的最大数据传输速率,是信道传输数据能力的极限;
.而后者是实际的数据传输速率。
.像公路上的最大限速与汽车实际速度的关系一样。
4.信道容量
(1)奈奎斯特定理(Nyquist)
..Nyquist定理指出无噪声条件下,最大的数据传输速率C(信道容量):
..式中W为信道的带宽,即信道传输上、下限频率的差值,单位为Hz。
N是离散性信号或
电平的个数。
例2-1:
一个无噪声的信道,带宽是4000Hz,采用4相调制解调器传送二进制信号,问信道容量是多少?
解:
4相调制解调器传送二进制信号的离散信号数为4,所以N=4,则信道容量16(kbit/s)
(2)香农定理(Shannaon)
..有噪声的环境中,信道容量将与信噪功率比有关。
..根据香农公式,在给定带宽W(Hz),信噪功率比S/N的信道中,最大数据传输速率C为:
式中,S/N为信噪功率比(S为信号功率,N为噪声功率),用分贝形式。
例2-2:
一个数字信号经信噪比为20dB的3000Hz带宽信道传输,其数据速率不会超过
多少?
按Shannon定理,信道最大容量为:
19.98kbps。
已知信噪比为20dB,则信噪功率比:
S/N=100
5.误码率和误组率
(1)误码率:
指在一定时间内,二进制数据位传输时出错的概率。
设传输的二进制数据总数为N位,其中出错的位数为Ne,则误码率表示为:
Ne/N
(2)误组率:
是指在传输的码组总数中发生差错的码组数所占的比例,即码组错误的概率。
b1/b0。
b1为接收出错的组数,b0为总的传输组数。
1.传输损耗2.频带利用率3.数据传输速率4.信道容量5.误码率和误组率
频分、时分、波分、码分
多路复用技术
..复用是指将多个信号同时通过一条物理信道传输。
(1)频分多路复用
..每个发送设备产生的信号被调制到不同频率的载波上,调制后的信号合成一个新的信号通过链路发送出去。
在传输介质上同时传输三路语音信号。
一般语音信号的带宽为4kHz。
有效频带300Hz-3400Hz之间。
..可用64kHz的载波对第一路信号进行放大调制,语音信号可升至60kHz-64kHz。
同样,另外两路语音信号可分别调制为64kHz-68kHz,68kHz-72kHz。
..多路复用器将三路信号合成一路60kHz-72kHz的复合信号。
..在接收端,解多路复用器将复合信号重新分解回三个频段,并将它们解调回原语音频带。
..在信道带宽大于要传输的所有信号带宽之和时采用。
..主要用于模拟信号。
(2)时分多路复用
..将整个传输时间,分为多个相同的时间片,每个时间片内由一个设备独占链路发送一部分数据。
使用完该时间片后,退出链路,等待下一次时间片的到来。
..当传输媒介的数据传输速率大于发送和接收设备所需要的数据速率时采用。
TDM技术主要用于数字信号。
1.同步(静态)时分复用
..一种固定分配资源的方式。
即将多个用户终端的数据信号分别置于预定的时隙(时间片)内传输。
..不论用户有无数据发送,其分配关系是固定的,即使某用户时隙没有发送数据,该时隙也会空着,其他用户不能占用。
而且收、发保持严格的同步,所以又称为同步时分复用。
..优点:
使用帧大小保持一致,实现简单。
..缺点:
无用信息占用传输介质,导致带宽浪费。
2.动态时分复用(异步时分复用)
..让多路复用器扫描缓冲区,并根据缓冲区存储的数据量产生一个大小可变的帧,是一种按需分配媒体资源的方式。
..当用户有数据要传输时才分配资源,用户暂停发送数据时,就不分配。
..异步时分多路复用与同步时分多路复用相比:
..异步时分多路复用可以提高线路传输利用率,适合于计算机通信中突发性或断续性的数据传输。
3波分多路复用(WDM,Wave-DivisionMultiplexing)
..经过多路复用器把多个光源复合成一个光信号。
..在发射端对每个信道的电信号进行光强调制,形成不同波长的光载波信号,然后将这些信号合成一路输出,用光缆传输到终端用户。
..在终端用光分波器把输入的多路光载波信号分成单一波长的光载波信号,送给相应波长的光接收机。
..经过光接收机的解调后,输出相应频道的电信号。
2.4.4码分多址(CDMA,CodeDivisionMultipleAccess)..原理:
基于扩频技术,即将需传送的具有一定信号带宽信息数据,用一个带宽远大于信号带宽的高速伪随机码进行调制,使原数据信号的带宽被扩展,再经载波调制并发送出去。
接收端使用完全相同的伪随机码,与接收的带宽信号作相关处理,把宽带信号换成原信息数据的窄带信号即解扩,以实现信息通信。
..最初应用于军事系统。
CDMA是为现代移动通信网所要求的大容量、高质量、综合业务、软切换、国际漫游等要求而设计的一种移动通讯技术。
..是近年来在数字移动通信进程中出现的一种无线扩频通信技术。
移动通信技术发展阶段
..第一代移动通信(1G):
1995年问世的第一代数字手机只能进行语音通话,主要采用频分多路复用(FDMA)。
..第二代移动通信(2G):
增加了接收数据的功能,如接受电子邮件或网页;
主要采用时分多路复用(TDMA)。
..第三代移动通信(3rd-generation,3G):
支持高速数据传输的蜂窝移动通讯技术。
3G服务能同时传送声音、图像及数据信息。
目前3G存在四种标准:
CDMA2000,WCDMA,TD-SCDMA,WiMAX。
原理:
..CDMA则采用了扩频调制的技术,许多终端可以在同一个频带上同时发射。
..不同用户传输信息所用的信号不是依据频率不同或时隙不同来区分,而是用各自不同的编码序列来区分。
..如果从频域或时域来观察,多个CDMA信号是互相重叠的,但是不同的用户具有不同的正交码,用以区分不同用户的信息,避免相互干扰。
..接收机用相关器可以在多个CDMA信号中检出其中使用预定码型的信号,只有码型与接收机码型相符的信号才能接收。
差错控制技术
..差错控制的必要性:
由于通信线路质量问题,数据可能在传输过程中丢失或者被破坏,对于可靠传输来说,为保证数据能够准确无误的从一个设备到达另一个设备,必须对差错进行处理。
..丢失:
在传输过程中,信号被噪声所破坏严重,导致接收方根本不能将其识别为一个有效信号,认为该数据丢失。
..差错控制过程分为两个过程:
..错误检测:
发生错误时,识别出错误信息。
..错误纠正:
1、将数据帧的丢失和破坏通知发送方,并协调发送方重新发送这些帧。
2、接收方检测出错误后自动纠错。
..常用的差错控制方式:
反馈纠错、前向纠错、混合纠错
①反馈纠错(ARQ)
..发送端发送的码字具有检错能力,接收端根据协议对所接收的码字进行检测是否有错误。
..如果检测出错误,通过反馈信道把检测结果反馈给发端,要求发送端重传出错信息,直到正确接收为止。
..如:
奇偶校验码、循环冗余校验码
②前向纠错(FEC)
..发送端将信息码元按一定规则附加上监督信息,构成纠错码。
..当接收的码字中有差错且在该码字的纠错能力之内时,接收端会自动纠错。
..纠错码的纠错位数有限,如海明码。
③混合纠错(HEC)
..混合纠错是反馈纠错与前向纠错两种方式的结合。
..当接收端收到码字后首先检验有无差错,如果差错在编码的纠错能力之内,则自动纠错;
..如果超过编码的纠错能力,则通过反馈信道命令发送端重发以纠正错误。
奇偶校验码
..早期差错检测方法:
–对每个数据单元都发送两次,接收设备在两个版本的数据之间进行逐比特比较。
–存在的问题:
速度缓慢,开销大,验错率低。
..改进方法——冗余技术:
..不需要重传整个数据流,只在每个数据单元末尾或中间加上附加一些比特,以便于接收端进行差错检测。
..附加的比特对于所传输的数据来说是多余的,一旦传输的正确性被确认,这些附加的比特被丢弃,只保留原始数据。
..通常加入奇偶校验码和循环校验码。
奇偶校验码
..是一种最简单的检错码,它的编码规则是在原有信息后附加一位校验位,使得原有信息中1的个数(包括校验位)是奇数(称为奇校验)或是偶数(称为偶校验)。
..发送方和接收方必须采用同一种奇偶校验方式。
..可以分为三种:
..垂直奇偶校验..水平奇偶校验..水平垂直奇偶校
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