数据通信的理论基础
无线电编码(曼彻斯特码)
第三章数据通信的基本原理主要内容3.1数据通信的理论基础3.1.1傅立叶分析3.1.2有限带宽信号3.1.3信道的最大数据传输速率3.2数据通信技术3.2.1数据通信系统的基本结构3.2.2数据编码技术3.2.3多路复用技术3.2.4通信线路的通信方式3.3通信交换技术3.3.1电路交换3.3.2报文交换3.3.3分组交换3.3.4交换结构3.1数据通信的理论基础( 5 )波特率（baud）和比特率（bit）的关系：波特率：信号每秒钟变化的次数，也称调制速率。
比特率：每秒钟传送的二进制位数。
波特率与比特率的关系取决于信号值与比特位的关系。
例：每个信号值可表示３位，则比特率是波特率的３倍；每个信号值可表示１位，则比特率和波特率相同。
对于比特率为Ｂbps的信道，发送８位所需的时间为8/B秒，若８位为一个周期Ｔ，则一次谐波的频率是：f1= B/8 Hz能通过信道的最高次谐波数目为：N = fc / f13.1数据通信的理论基础( 6 )音频线路的截止频率为3000HzN = fc / f1= 3000/(B/8) = 24000/BFig. 2-2结论：即使对于完善的信道，有限的带宽限制了数据的传输速率。
3.1数据通信的理论基础( 7 )3.1.3信道的最大数据传输速率1924年，奈魁斯特（H. Nyquist）推导出无噪声有限带宽信道的最大数据传输率公式：最大数据传输率= 2HlogV (bps)2任意信号通过一个带宽为Ｈ的低通滤波器，则每秒采样２Ｈ次就能完整地重现该信号，信号电平分为Ｖ级。
1948年，香农（C. Shannon）把奈魁斯特的工作扩大到信道受到随机（热）噪声干扰的情况。
热噪声出现的大小用信噪比（信号功率与噪声功率之比）来衡量。
Ｓ：信号功率，Ｎ：噪声功率10logS/N单位：分贝（db）103.1数据通信的理论基础( 8 )香农的主要结论是：带宽为H 赫兹，信噪比为S/N的任意信道的最大数据传输率为(1 + S/N) (bps)最大数据传输率= Hlog2电话系统的典型信噪比为30db;此式是利用信息论得出的，具有普遍意义；与信号电平级数、采样速度无关；此式仅是上限，难以达到。
第2章 数据通信基础
通道容量 带宽 log2 (1 SNR) 即：C W log2 (1 SNR) W SNRdB C 3
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在实际应用中，两者结合使用： Shannon 容量定理是确定噪声通 道理论上最高的数据速率; Nyquist 给出所需的信号电平的数量。
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2.4 无线介质
无线介质即空间传输介质；电磁波传输 和卫星传输都是在空间进行。 空间传输电磁波有三种技术：微波、 红外线和激光。这三种技术都需要在发 送方和接收方之间有一条视线通路。 卫星通信是利用人造地球卫星作为中 继站转发无线电信号，在多个地面站之 间进行通信。卫星线路最突出的优点是 数据传输成本不随传输距离的增加而增 加。
提示：卫星信道的延迟大约是270ms，有些题目 中把这个值当做一个常量
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在相隔2000km的两地间通过电缆以 4800b/s的速率传送3000比特长的数据包， 从开始发送到接收完数据需要的时间是 （19） 。如果用50kb/s的卫星信道传送， 则需要的时间是 （20） 。 （19）A．480ms B．645ms C．630ms D．635ms （20）A．70ms B．330ms C．500ms D．600ms
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图
2. 3 光纤
光导纤维简称光纤，是利用光的全反射原理——任何 以大于临界角入射的光线，在介质边界都能完全地反 射回介质内——制成的。通过光在光纤中不断被反射， 被调制的光脉冲信号可以携带信息从光纤一端传送到 另一端。（如图）
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光纤组成的光缆由四部分组成： 1、缆芯：通常是高纯的石英玻璃纤维。 在多模光纤中，芯的直径是15mm～ 50mm，单模光纤直径为8mm～10mm。 2、封套：光纤外面包裹的一层材料，它 对光的折射率低于光纤。 3、外套：厚的塑料外套，用来保护封套。 4、防护层：对整个光缆起保护作用。 按照光纤缆芯的物理特性光纤可分为 两类：
5、数据通信
数据通信回顾上节信号在传输过程中,数据的电编码、电磁编码或光编码的表现形式就是信号,它是传递数据的载体。
根据两种不同的数据类型,若表示成时间的函数,信号可以是连续的,也可以是离散的,相应有模拟信号和数字信号两种。
模拟信号是指表示信息的信号及其振幅、频率、相位等参数随着信息连续变化,幅度必须是连续的,但在时间上可以是连续的或离散的。
连续变化的信号,它的取值可以是无限个。
数字信号是指离散的一系列电脉冲,它的取值是有限的几个离散数值,其强度在某个时间周期内维持一个常量级,然后改变到另一个常量级。
例如,计算机所用的二进制代码1和0表示的信号。
根据在信道上传输信号的方式,信号又可分为基带信号和宽带信号。
基带信号是指用两种不同的电压来直接表示数字信号1和0,再将该数字信号送到信道上进行传输。
宽带信号是指将基带信号进行调制后形成的频分复用模拟信号。
基带信号经过调制后,其频谱搬移到较高的频率处。
由于每路基带信号的频谱被搬移到不同的频段,所以合成在一起后不会相互千扰,实现了在一条线路中同时传输多路信号,提高了线路利用率。
数据涉及的是事物的形式,而信息涉及的则是数据的内容和解释。
信息的载体可以是数字、文字、语音和图形等,可以用数据表示。
数据在信道进行传输的形式可以用信号表示。
计算机及其外围设备产生和交换的信息都是二进制代码信息,表现为一系列脉冲信号。
正确地掌握信息、数据和信号这三个术语的含义,才能理解数据通信系统的实质问题。
一、数据通信的理论基础1、什么是数据数据是传递信息的实体,是任何描述物体、概念、形态的事实、数字、符号和字母。
数据是事物的形式,信息是数据的内容或解释。
数据有模拟数据和数字数据两种形式。
模拟数据是指描述连续变化量的数据,如声音、视频图像、温度和压力等。
数字数据是指描述不连续变化量(离散值)的数据,如文本信息、整数数列等.2、什么是通信信息的传递过程称为通信。
3、什么是数据通信数据通信技术是发展网络技术的重要基础,它主要研究在不同的计算机系统之间传输表示字母、数字和符号的二进制代码0、1比特序列的模拟或数字信号的过程。
计算机网络课程教学大纲
计算机网络课程教学大纲一、课程简介计算机网络已经成为当今社会最重要的一项信息基础设施，网络技术是建设计算机网络和支撑其他信息技术广泛应用的根本。
本课程是我校软件工程专业学生必修的一门专业课程。
本课程以Internet的TCP/IP体系结构为主线，全面讲授数据通信与计算机网络的基本原理和技术方法，主要包括数据通信的基本理论、数据链路控制、局域网与传输介质接入机制、网络互联原理、传输控制机制等内容，同时安排相关实验巩固和验证理论教学内容。
通过本课程的教学，使学生系统地掌握数据通信与计算机网络的基本概念、基本原理和基本方法，理解OSI和TCP/IP体系结构、数据通信的基础原理、网络协议的设计原理与工作机理、Internet 的主要协议及其技术标准、IEEE局域网标准及其应用、IPv4和IPv6网络互联的原理、传输控制和拥塞控制等网络控制机制，以及常见网络设备的配置与使用、关键网络协议的分析与设计等计算机网络技术，使学生具备一定的网络分析与设计、网络规划与建设、网络运营与维护等网络技术应用能力，以及较好的网络工程素养，为从事计算机与数据通信等相关领域的技术研发和工程应用打下坚实的基础。
课程教学应强调培养学生的独立思考能力、科学思维方法和求知创新精神。
二、课程目标（一）课程具体目标1．理解计算机网络的体系结构，掌握计算机网络与数据通信的基本原理，并能够将计算机网络理论知识应用于解决计算机网络规划建设相关的工程技术问题。
2．在计算机网络工程技术活动中能够根据需要选择和使用恰当的现代信息技术工具获取所需信息，以对网络工程项目进行规划与预测。
3．能够结合计算机网络工程技术相关的问题背景和科学原理，选择和使用恰当的技术和工具，对网络工程问题进行仿真或模拟。
（二）课程目标与专业毕业要求的关系本课程的课程目标与本专业毕业要求及其指标点的支撑关系如表1。
表1 本课程对专业毕业要求及其指标点的支撑关系（三）课程对解决复杂工程问题能力的培养在课程理论知识讲授环节，注重培养学生对计算机网络原理和网际互联技术的深入理解，使学生掌握解决计算机网络领域复杂工程问题所需的基本理论和工程原理，并通过适当的课后作业锻炼和检验学生解决复杂工程问题的能力。
数据通信基础教案
数据通信基础教案教案标题：数据通信基础教案教案概述：本教案旨在帮助学生理解数据通信的基本概念和原理，包括数据传输方式、通信协议、网络拓扑结构等。
通过理论讲解和实际案例分析，学生将能够掌握数据通信的基础知识，并能够应用于实际工作和学习中。
教学目标：1. 理解数据通信的基本概念和术语；2. 掌握数据传输的常见方式和技术；3. 了解主要的通信协议和网络拓扑结构；4. 能够应用所学知识进行实际问题的解决。
教学重点：1. 数据通信的基本原理和概念；2. 常见的数据传输方式和技术。
教学准备：1. 讲义和教材：提供有关数据通信基础知识的讲义和教材，包括数据通信原理、数据传输方式和技术、通信协议等内容；2. 多媒体设备：准备投影仪、电脑等设备，用于演示和示范相关概念和案例；3. 实例和案例：准备一些实际应用案例，帮助学生将理论知识应用到实际问题中。
教学过程：一、导入（5分钟）1. 引入数据通信的概念和重要性，并与日常生活和工作联系起来，激发学生的学习兴趣；2. 提出问题，如何实现跨国通信？以引导学生思考数据通信的必要性和方式。
二、理论讲解（20分钟）1. 介绍数据通信的基本概念和术语，如数据、信号、编码等；2. 讲解数据传输的常见方式和技术，包括并行传输、串行传输、同步传输和异步传输；3. 简要介绍通信协议的作用和常见的协议，如TCP/IP协议；4. 介绍网络拓扑结构的基本类型和特点，如星型、总线型等。
三、案例分析（15分钟）1. 提供一些实际应用案例，如局域网的搭建、互联网的工作原理等；2. 分析案例中的数据通信需求和解决方案，引导学生思考数据通信在实际中的应用。
四、实验演示（15分钟）1. 进行简单的实验演示，如使用串口进行数据传输，或使用网络模拟软件进行网络拓扑实验；2. 引导学生参与实验操作，加深理解和掌握相关概念和技术。
五、讨论和总结（10分钟）1. 组织学生进行小组或全班讨论，分享对数据通信基础知识的理解和应用；2. 总结本节课的重点和要点，强调学生在实际问题中的应用能力。
第二章数据通信基础
数据传输以信号传输为基础，数据传输质 量的好坏，除了与发送和接收设备的性能 有关外，还取决于： • 传输信号本身的质量 • 传输信道的特性
2.1.3 通信方式
2.1.3.1 并行传输和串行传输
按照计算机系统各部件之间同时传送的 位数，可以分为并行传输和串行传输。 并行传输
• 串行传输
2.1.3.2 信道的通信方式
冗余（校验码）产生方法 ----即已知k(x)求R(x)的过程 生成多项式G(x):根据多项式理论求得的具 有某种特殊属性的多项式 生成多项式的国际标准： CRC-12=x12+x11+x3+x2+x+x0 CRC-16=x16+x15+x2+1 CRC-CCITT=x16+x12+x5+1 利用生成多项式，就可以通过k(x)求得R(x)
2.3 数据传输技术
2.3.1 多路复用技术
当信道带宽大于各路信号的总带宽时，可 以将信道分割成若干个子信道，每个子信 道用来传输一种信号。 1.频分多路复用----FDM：频分多路复用要通 过频谱搬移技术，保证各路信号的频谱在 传输过程中在传输过程中不相干扰
2.时分多路复用----TDM 将使用信道的时间分成一个个的时间片， 每一路信号只能在自己的时间片内独占信 道进行传输。 · 同步TDM：时间片的分配是事先约定的，且 固定不变。 · 异步TDM：时间片是按需分配，事先申请。
5. 误码率：传输出错的码元数占传输总码元 数的比例。用来衡量数据通信系统在正常工 作情况下传输的可靠性。 Pe=Ne/N 意义：决定传输数据单元大小的一个重要依据。
6.吞吐量：单位时间传输的总信息量（bps） • 受网络拥挤程度影响 7.延迟时间：网络中相距最远的两个节点的 传输时间。 如:500m的同轴电缆，延迟时间是2.5us 卫星信道延迟时间是270ms
通讯网络的基础理论和应用
通讯网络的基础理论和应用随着数字化时代的到来，通讯网络已经成为人们日常工作和生活的必要工具。
通讯网络的基础理论和应用是支撑网络运行的重要一环。
本文将介绍通讯网络的基础理论和应用。
一、通讯网络的基础理论1.数据传输数据传输是通讯网络的基础，它是指将数据从源设备传输到目标设备的过程。
数据传输可以通过有线和无线电波实现。
对于有线传输，主要有双绞线、同轴电缆和光缆等；对于无线传输，则包括WiFi、蓝牙、移动通讯网等。
2.通讯协议通讯协议是通信双方约定的传输规则。
通讯协议可以分为物理层、数据链路层、网络层、传输层、应用层等。
其中，物理层负责将数据通过物理介质传输，数据链路层将数据分成数据帧进行传输，网络层则负责路由选择、分组传输等。
传输层则实现端到端的数据传输，应用层则为用户提供各种应用服务。
3.路由选择路由选择是网络中数据传输的重要环节，它是指根据网络拓扑结构和路由策略，选择最优路径将数据从源节点发送到目标节点。
路由选择可以根据网络拓扑结构分为静态路由和动态路由。
静态路由是由网络管理员预先设置路由表，动态路由则是通过路由协议进行动态获取。
二、通讯网络的应用1.互联网互联网是目前最大规模的通讯网络，它已经成为人类日常工作和生活中不可缺少的一部分。
互联网的应用包括电子邮件、在线购物、社交网络、在线娱乐等。
互联网还是信息传递、知识获取和文化交流的重要平台。
2.移动通讯网络移动通讯网络是一种无线通信技术，它可以将数据和语音传输到移动设备。
移动通讯网络的应用包括手机、平板电脑、笔记本电脑等。
移动通讯网络已经成为现代社会的重要组成部分，它不仅方便人们日常生活，还为商业、医疗、科研等领域提供了便利。
3.物联网物联网是指通过互联网将各种设备相互连接，形成一个智能化的系统。
物联网的应用包括智能家居、智能交通、智能医疗等。
物联网可以连接各种物品，并实现远程控制和数据交换，具有广阔的发展前景。
4.5G通讯网络5G通讯网络是一种高速通讯技术，它可以实现更高速的数据传输和更低的延迟。
数据通信的基本原理
计算机
信号变 换器
数据传输 信道
信号变 换器
计算机
差错控制
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3.2 数据通信技术 ( 2 )
数据表示和传输方式 数据表示 数据： 模拟数据 (Analog Data) 连续值 数字数据 (Digital Data) 离散值 数据传输方式 信号： 模拟信号 (Analog Signals) 数字信号 (Digital Signals) 信号发送方式： 模拟信号发送（模拟信道） 数字信号发送（数字信道）
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3.1 数据通信的理论基础 ( 7 )
3.1.3 信道的最大数据传输速率
1924年，奈魁斯特（H. Nyquist）推导出无噪声有限带宽信道 的最大数据传输率公式：
最大数据传输率 = 2Hlog2V (bps)
任意信号通过一个带宽为Ｈ的低通滤波器，则每秒采样２Ｈ 次就能完整地重现该信号，信号电平分为Ｖ级。
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3.2 数据通信技术 ( 10 )
2）频移键控法（调频） 频移就是把振幅、相位作为常量，而把频率作为变量，
即： A(t) A0 (t) 0 (t) 1, 2, N
(t) 取不同的值表示不同的信息码。 例如： (t) 取 1， 2， 1表示“0”， 2表示“1”。 Fig. 2-18
4）逢“1”变化的NRZ码 原理：在每位开始时，逢“1”电平跳变，逢“0”电平不跳 变。
5）逢“0”变化的NRZ码 原理：在每位开始时，逢“0”电平跳变，逢“1”电平不跳 变。
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0
0
1
1
0
1
NRZ 曼彻斯特
差分曼彻斯特
逢“1”变化NRZ
数据通信的实训报告
一、实训目的通过本次数据通信实训，旨在使学生掌握数据通信的基本概念、原理、技术以及相关设备的使用，提高学生在实际工作中的动手能力和解决问题的能力。
同时，培养学生的团队协作精神和创新意识，为今后从事数据通信相关领域的工作奠定基础。
二、实训内容1. 数据通信基本概念与原理（1）数据通信的基本概念：数据通信是指通过通信信道传输数据的过程，涉及数据传输、数据交换、数据处理和数据存储等方面。
（2）数据通信的原理：数据通信的原理主要包括信号传输、编码与解码、调制与解调、信道传输、信号再生与放大等。
2. 数据通信技术（1）传输介质：双绞线、同轴电缆、光纤、无线传输等。
（2）传输技术：串行传输、并行传输、异步传输、同步传输等。
（3）多路复用技术：频分复用、时分复用、波分复用等。
（4）差错控制：奇偶校验、循环冗余校验、自动重发请求（ARQ）等。
3. 数据通信设备（1）传输设备：调制解调器（Modem）、中继器（Repeater）、集线器（Hub）、交换机（Switch）等。
（2）网络设备：路由器（Router）、网桥（Bridge）、网关（Gateway）等。
4. 实践操作（1）双绞线制作：根据T568A/T568B标准制作双绞线，并进行测试。
（2）RJ-45水晶头焊接：学习RJ-45水晶头的焊接方法，并进行实际操作。
（3）以太网设备配置：学习交换机、路由器的配置方法，并进行实际操作。
（4）网络拓扑搭建：搭建简单的局域网，实现设备之间的通信。
三、实训过程1. 理论学习：在实训前，学生需对数据通信的基本概念、原理、技术以及相关设备进行深入学习，为实践操作做好准备。
2. 实践操作：学生在老师的指导下，进行以下实践操作：（1）双绞线制作：学生按照T568A/T568B标准制作双绞线，并进行测试，确保双绞线质量。
（2）RJ-45水晶头焊接：学生学习RJ-45水晶头的焊接方法，并进行实际操作，提高动手能力。
（3）以太网设备配置：学生学习交换机、路由器的配置方法，并进行实际操作，熟悉网络设备配置。
码元的传输速率的上限值
W 为信道的带宽（以 Hz 为单位）； S 为信道内所传信号的平均功率； N 为信道内部的高斯噪声功率。
信噪比的单位：分贝(dB) 换算公式： 10·log10(S/N) 分贝(dB) 若S/N＝10，则为10 dB； 若S/N＝100，则为20 dB； 若S/N＝1000，则为30 dB； 例：一个带宽为3kHz，信噪比为30dB的信 道，最大数据传输速率＝ 3000×log2(1+1000) < 3000×log21024＝ 3000×10 ＝ 30kb/s 例：一个带宽为3.1kHz，信噪比S/N＝ 2500的信道，最大数据传输速率＝ 3100×log2(1+ 2500)＝ 3100×11.3 ＝ 35kb/s
但信息的传输速率比特每秒一般在数量上大于码元的传输速率波特且有一定的关系若使1个码元携带n比特的信息量则mbaud的码元传输速率所对应的信息传输率为mnbits但某些情况下信息的传输速率比特每秒在数量上小于码元的传输速率波特如采用内带时钟的曼切斯特编码一半的信号变化用于时钟同步另一半的信号变化用于信息二进制数据码元的传输速率波特是信息的传输速率比特每秒的2倍
答：C=Wlog2（1+S/N）(b/s) W=3khz，C=64khz---S/N=64.2dB 是个信噪比要求很高 的信源
2-09 用香农公式计算一下，假定信道带 宽为为3100Hz，最大信道传输速率为 35Kb/ｓ，那么若想使最大信道传输速率 增加６０％，问信噪比Ｓ/Ｎ应增大到多少 倍？如果在刚才计算出的基础上将信噪比 Ｓ/Ｎ应增大到多少倍？如果在刚才计算出 的基础上将信噪比Ｓ/Ｎ再增大到十倍，问 最大信息速率能否再增加２０％？
3.2 数据通信技术
数据通信系统的基本构成 数据通信系统是指通过通信线路和通信控制处理设备将 分布在各处的数据终端设备连接起来，执行数据传输功 能的系统。 数据通信系统由信源、信宿和信道三部分组成。其中， 我们通常将数据的发送方称为信源，而将数据的接收方 称为信宿。 为了在信源和信宿之间实现有效的数据传输，必须在信 源和信宿之间建立一条传送信号的物理通道，这条通道 被称为物理信道，简称信道。
山东大学软件学院计算机网络复习提纲
计算机网络复习提纲第一章概述1.1计算机网络的定义、P2P1.2网络硬件（广播、多播、单播、局域网、广域网、无线网络）1.3网络软件（协议层次、错误控制、流量控制、面向连接与无连接的服务、可靠和不可靠的服务、OSI参考模型、TCP/IP参考模型）1.6 网络标准化第二章物理层2.1 数据通信的理论基础（带宽、信道的最大传输率）2.2 有导向的传输介质PSTN电话系统第三章数据链路层3.1.2 成帧（位填充）3.2 错误检测和纠正（CRC）3.3 基本数据链路协议（停等协议）3.4 滑动窗口协议（捎带确认、发送窗口、接收窗口、1位滑动窗口协议、回退N、选择性重发协议）第四章介质访问子层4.1 介质访问4.2 多路访问协议（CSMA/CD、最小帧长、MACAW）曼彻斯特编码、差分曼彻斯特编码4.3 以太网（二进制指数后退算法、交换式以太网、快速以太网、千兆以太网）4.4 无线LAN（802.11 MAC子层协议）4.7 数据链路层交换（网桥、生成树网桥、中继器、集线器、交换机、路由器、VLAN）第五章网络层5.1 网络层设计要点（虚电路子网、数据报子网）5.2 路由算法（优化原则、汇集树、距离矢量路由及无穷计算问题、链路状态路由、距离矢量路由和链路状态路由的比较、分级路由、广播路由、、移动路由）5.3 拥塞控制（RED）5.4 服务质量（可靠性、延迟、抖动、带宽、漏桶算法、令牌桶、资源预留）5.5 网络互连（隧道技术）5.6 Internet上的网络层（IP协议、IP地址、子网、子网掩码、CIDR、地址聚合技术、NAT、ICMP、ARP、DHCP、OSPF、BGP、移动IP）第六章传输层6.2 传输协议的要素（编址、建立连接、释放连接、流控制和缓冲）6.4 UDP（UDP、远过程调用）6.5 TCP（TCP服务模型、TCP协议、TCP连接建立、TCP连接释放、TCP传输策略、Nagle 算法、愚笨窗口综合症、TCP拥塞控制、慢启动算法、）第七章应用层7.1 DNS (应用层常见的协议)。
第2章 数据通信基础知识(学生)
2. 信息速率Rb 信息速率是指单位时间内传输的信息量。 单位为比特/秒(bit/s)，信息速率也称为比特率。 当各码元等概率出现时 一个二进制码元的信息量是1bit，而一个 M 进制码元 (等概率传输时)的信息量为log2 M bit。 当以二进制传输时，码元速率与信息速率在数字上 是相等的。 当以 M 进制时，码元速率RB与信息速率Rb的关系是 Rb＝ RBlog2 M bit/s RB＝ Rb baud
例：某数据通信系统传输128个符号，其中有64个符号的出现概率分 别为1/256，有32个符号出现的概率分别为1/128，另外32个符号的出 现概率分别为1/64，且每个符号的持续时间为0.01s，求此时系统的信 息速率。 解：由题意可知系统的码元速率为 RB ＝ 1/Tb = 100 Baud 又因为各符号不等概出现，其平均信息量为
本节介绍数据通信系统中的两个主要性能指标，即 有效性和可靠性。
2.5.1 有效性
有效性是指信道传输信息速度的快慢。
在数据通信系统中，常用以下指标衡量： 码元速率 信息速率 数据传输速率 频带利用率
1. 码元速率 RB 码元速率是指单位时间内传输的码元的个数。 单位为码元/秒，又称为“波特(Baud)”，码元速率 也成为波特率。
第2章数据通信基础知识
任课教师
何思远
学习目标
理解数据通信的基本概念 掌握数据通信系统的传输方式 掌握数据通信系统的主要性能指标
2.1 概述（数据通信的发展） 概述（数据通信的发展）
1. 数据通信的起源——烽火台 2. 1838年莫尔斯发明了电报 3. 1870年贝尔发明了电话 4. 1946年计算机诞生 5. 在接下来的半个多世纪，数据通信得到了飞速的发展
7. 平均信息量（信息的熵） 当消息的序列较长时，用上式计算消息的总体信息 量是比较麻烦的，我们常用平均信息量 H 来计算。 平均信息量是指每个符号所含信息量的统计平均值， 单位为bit/symbol(比特/符号)，M 种符号的平均信息量为
网络-第2章_数据通信基础(1)
2.1.1 信息、数据和信号
信息：是人脑对客观事物的反映，是数据的内容和解 释。信息可以是语音、图像、文字等各种形式。 数据：信息的载体、存储形式。在计算机中，以二进 制代码表示。数据编码系统有ASCII 和EBCDIC码 信号：数据在传输中的表现形式，是数据的电磁编码。 分模拟信号和数字信号。
(a) 幅度调制
ω2
(b) 频率调制
ω1
ω2
ω2
ω1
ω1
ω2
ω1
(c) 绝对相位调制 相对相位调制
多相调制
01
二相制
1 0 10
四相制
00
011 100 101
010
001 000 111
11
八相制
110
三种调制方式的比较
幅移键控 ：
技术简单，抗干扰能力差
频移键控：
技术简单，抗干扰能力强
相移键控：
有效性：指数据传输的质量。 模拟通信系统的可靠性用信噪比来表示 信噪比=10lg(S/N) 单位：分贝（dB）
S 为信号能量，N 为噪声能量。
数字通信系统的可靠性用误码率来表示 误码率: 二进制数据位传输时出错的概率 误码率公式：Pe=Ne/N
式中 Ne为其中出错的位数；N 为传输的数据总位数 在计算机网络中，一般要求误码率低于10-6，若误码率达不 到这个指标，可通过差错控制方法检错和纠错。
信道带宽和信道容量
傅立叶分析-数据通信的理论基础
脉冲信号的 Fourier 分析可知： 任何正常的周期函数，都可以 由无限个正弦和余弦函数合成。 这些函数为基频的n次谐波 (n=1,2,„∞ ) 脉冲越窄，每秒传输的二进制 比特数，即数据传输速率越高， 但为了使信号不失真，通过信道 所需要的信道带宽就越高。
计算机网络通信基础
通信基础一、基本概念数据通信是指在不同的计算机或设备之间传输及表示二进制位序列的模拟信号或数字信号的过程。
通信中产生和发送信号的一端叫做信源，接受信号的一端叫做信宿，信源和信宿之间的通信线路称为信道。
☆模拟和数字在数据通信系统中，数据可以用模拟信号和数字信号两种方式表示。
模拟信号和数字信号都有两种表示形式：周期信号与非周期信号。
使周期信号函数重复的最小时间间隔称为基波周期T。
☆波特率、码元速率与比特率波特率是指单位时间内信号波形所能达到的最大变换次数，单位为波特/秒（Baud/s Bps Hz）；在数字信号中，一个数字脉冲称为一个码元，一次脉冲的持续时间称为码元的宽度。
码元速率表示单位时间内信号波形的最大变换次数，即单位时间内通过信道的码元个数；单位时间内在信道上传送的数据量（即位数）称为数据数率，又称为比特率，单位为bps。
☆频谱与带宽信号频谱是信号的所有分量的频率的集合。
带宽是频谱的宽度，即频谱中最高频率与最低频率的差值。
☆介质带宽与有效带宽传输介质在传送信号时只能传送某个频率范围内的信号，这个频率范围的宽度便是介质带宽，即介质所能传送信号的最高频率与最低频率的差值。
介质带宽是有介质本身所决定的，它是介质的一个物理特质。
数字信号与模拟信号的频谱包括不同振幅的多个频率。
但在传输过程时不一定能够传输原始信号频谱的全部频率，而只能传输那些具有重要振幅的分量。
这一部分被传输分量的频率组成的频谱叫做有效频谱，其带宽称为有效带宽。
☆信道容量传输介质在单位时间内所能传送的最大信息量（即传输介质的最大比特率）称为信道容量。
信道容量的大小是由介质带宽和调制技术决定的。
☆传输模式☆通信模式＊傅立叶分析＊尼奎斯特定理＊香农公式用信号功率与噪声功率的比值来衡量噪声，该比值称为信噪比。
在实际情况中，由于信噪比的值太大，通常用分贝（dB）描述。
？香农总结出有噪声信道的最大数据传输率：一条带宽为H Hz、信噪比为S/N的有噪声信道的最大数据传输率V为？三、传输介质传输介质大致上可以分为有线介质和无线介质。
第2章数据通信基础【计算机网络】
第2章数据通信基础数据通信是计算机网络中最为基础的部分，它涉及到信息的传输、交换和接收。
在这一章节中，我们将探讨数据通信的基本概念、技术和应用，帮助读者理解计算机网络的核心原理。
2.1 数据通信的基本概念数据通信是指通过通信系统传输数字信号的过程。
在计算机网络中，数据通信是实现不同设备之间信息交换的关键。
它包括数据的编码、传输、接收和解释等环节。
2.2 数据通信的模型数据通信模型是描述数据传输过程的抽象模型，它将数据通信过程划分为不同的层次，以便更好地理解和实现。
常用的数据通信模型包括OSI模型和TCP/IP模型。
2.3 数据通信的介质数据通信介质是数据传输的物理载体，它可以是电缆、光纤、无线电波等。
不同的介质具有不同的传输速率、传输距离和抗干扰能力等特点。
选择合适的通信介质对于保证数据传输的质量和效率至关重要。
2.4 数据通信的协议数据通信协议是规定数据传输过程中各环节操作和行为的规则。
它包括数据编码、传输控制、错误检测和纠正等内容。
常见的协议有TCP、IP、HTTP等。
协议的选择和实现对于数据通信的可靠性和效率具有重要影响。
2.5 数据通信的安全数据通信安全是保护数据在传输过程中不被未授权访问、篡改或泄露的关键。
常用的数据通信安全技术包括加密、身份认证、访问控制等。
保障数据通信安全对于保护个人隐私和商业机密具有重要意义。
通过学习本章内容，读者可以更好地理解数据通信的基本概念、技术和应用，为深入学习计算机网络打下坚实的基础。
2.6 数据通信的拓扑结构数据通信的拓扑结构是指网络中各个节点之间的连接方式。
常见的拓扑结构包括星型、环型、总线型和网状型等。
不同的拓扑结构具有不同的优点和缺点，适用于不同的应用场景。
了解和选择合适的拓扑结构对于构建高效、稳定的计算机网络至关重要。
2.7 数据通信的传输方式数据通信的传输方式是指数据在通信介质上的传输方式。
它可以是串行传输或并行传输。
串行传输是指数据按位顺序传输，而并行传输是指数据同时传输多个位。
第1章 数据通信基础知识
1.4.3 数据通信的主要技术指标
误码率是二进制数据位传输时出错的概率。
Ne Pe N
出错位数
传输二进制总位数
在计算机网络中，一般要求误码率低于10-6， 一般通过差错控制方法进行检错和纠错来保证低 误码率。
1.4.3 数据通信的主要技术指标
传输延迟是信息在系统中传输过程中存在 着延迟。 传输延迟=发送和接收处理时间+电信号响应 时间+中间转发时间+信道传输延迟 响应时间越小，延迟就越小。
1.4.3 数据通信的主要技术指标
实际网络通信中的信道总要受到各种噪声 的干扰，香农（Shannon） 给出受随机噪声干 扰的信道容量计算公式： 信号功率
S C Wlog 2 (1 ) N
S/N 信噪比
噪声功率
1.4.3 数据通信的主要技术指标
实际使用的信道的信噪比都要足够大，故 常表示成10lg（S/N），单位是分贝（dB）。 例：信噪比为 30dB，带宽为3kHZ的信道，求 最大数据传输速率。 ∵ 10lg(S/N)=30 ∴ S/N=1030/10=1000 C=3000×log2(1+1000)=3000×9.9672 =29901.6≈30k bps
第1章 数据通信基础知识
第2章 网络数据通信
问题 原由 数据通信技术完成数据的编码、传输和处理，为计 算机网络的应用提供必要的技术支持和可靠的通信 环境。那么，它是如何实现这些功能的呢？这就是 本章所要讨论的问题。 本章重点讨论数据通信系统和常用通信信道类型、 数据调制与编码技术、数据传输技术、多路复用技 术、数据交换技术和差错控制等技术。 掌握: 数据通信的基本概念,数据传输与编码技术. 了解：数据传输技术的发展趋势。 熟悉: 多路复用技术、数据交换技术、差错控制技 术等。
第二章 网络与通信基础知识
第二章网络与通信基础知识一．数据通信系统简介数据通信系统是传递信息所需的一切技术设备的总合。
图2-1为单向数据通信系统的结构图。
从图可以看出，数据通信系统一般由信息员、信息接收者、发送设备、接收设备和传输介质几个部分组成。
1．信息源和信息接收者信息源和信息接收者是信息的产生者和使用者。
在数字通信系统中传输的信息是数据，是数字化了的信息。
这些信息可能是原始数据，也可能是经计算处理过的结果，还可能是某些指令和标志。
信息源可根据输出信号的性质不同而分为模拟信息源和数字信息源（或称离散信息源）。
模拟信息源输出的是幅度连续变化的信号，如电话机；数字信息源输出的是离散的符号序列或文字。
模拟信息源和数字信息源可以互相转换。
现场总线所传输的信号为数字信号，模拟信息源可以通过臭氧和量化变化为数字信息源。
随着计算机和数字通信系统的发展，数字信息员的种类和数量越来越多。
2．发送设备发送设备的基本功能是将信息源和传输介质匹配起来，即将信息源产生的信息信号结果编码，变换为便于传送的信号形式，送往传输介质。
对于数字通信系统来说，发送设备的编码常常又可分为信道编码和信源编码两部分。
信源编码是把连续消息变换为数字信号；而信道编码则是使数字信号和传输介质匹配，提高传输的可靠性或有效性。
信号的变换方式很多，最常见的变换方式是调制。
发送设备还要包括未达到某些特殊要求进行各种处理，如多路复用、保密处理、救出编码处理等。
3．传输介质传输介质指发送设备到接收设备之间信号传递所经过的媒介，它可以是无线的，如电磁波、红外线等，也可以是有线的，如电缆、双绞线、光缆等。
4．接受设备接收设备的基本功能是完成发送设备的翻变换，即进行解调、译码、解密等。
信息在传输介质传输过程中会引入某些干扰，如热噪声、脉冲干扰、信号衰减等。
因此接收设备的任务是从带有干扰的信号中正确恢复出原始信息来。
对于多路信号，还包括解除多路复用，实现正确分路。
通常，信息源也是信息接收者，通信的双方需要随时交流信息，因此要求系统进行双向通信。
数据通信基础
数据通信基础收藏一．基础概念1．信号（signal）信息（information）是事物现象及其属性标识的集合，它是对不确定性的消除。
数据（data）是携带信息的载体。
信号（signal）是数据的物理表现，如电气或电磁。
根据信号中代表消息的参数的取值方式不同，信号可以分为两大类：（1）模拟信号：连续信号，代表消息的参数的取值是连续的。
（2）数字信号：离散信号，代表消息的参数的取值是离散的。
2．频率（frequency）物理学中的频率是单位时间内完成振动的次数，是描述振动物体往复运动频繁程度的量。
信号通信中的频率往往是描述周期性循环信号在单位时间内所出现的脉冲数量多少的计量。
频率常用符号f或v表示，单位为赫兹（秒-1）。
常用单位换算：1kHz=1000Hz，1MHz=1000kHz，1GHz=1000MHz。
人耳听觉的频率范围约为20~20000Hz，超声波不为人耳所觉察；人的视觉停留大概是1/24秒，故影视帧率一般为24~30fps；中国电源是50Hz的正弦交流电，即一秒钟内做了50次周期性变化；GSM（全球移动通信系统）系统包括 GSM 900：900MHz、GSM1800：1800MHz 及 GSM1900：1900MHz等几个频段；WiFi（802.11b/g）和蓝牙（bluetooth）的工作频段为2.4GHz。
3．信号带宽（Signal Bandwidth）信号带宽即信号频谱的宽度，它是指信号中包含的频率范围，取值为信号的最高频率与最低频率之差。
例如对绞铜线为传统的模拟电话提供300～3400Hz的频带，即电话信号带宽为3400-300=3100Hz。
4．数据通信系统（Data Communication System）数据通信系统实现信息的传递，一个完整的数据通信系统可划分为三大组成部分：（1）信源（源系统：发送端、发送方）（2）信道（传输系统：传输网络）（3）信宿（目的系统：接收端、接收方）5．信道带宽（Channel Bandwidth）信道是指通信系统中传输信号的通道，信道包括通信线路和传输设备。
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数据传输系统
1、数字信号－模拟传输
全双工（full duplex）：允许两个方向上同时进 行数据传输。
半双工（half duplex）：允许两个方向上进行数 据传输，但某一时刻只能单向数据传输。
单工（simplex）：只允许一个方向数据通过。 V.90：提供了33.6k上行，56kbps下行。
时分复用
为了有效地利用传输线路，可将多个话路的 PCM 信号用时分复用 TDM (Time Division Multiplexing)的方法装成时分复用帧，然后 发送到线路上。
中国采用欧洲体制，以 E1 为一次群。
美国和日本等国采用北美体制，以 T1 为一 次群。
频分复用、时分复用和统计时分复用
数据传输系统
1、数字信号－模拟传输 （2）调制解调器原理
调制解调器
数据经过模拟传输系统后可能会出现差错。源自发送的 0 基带信号1
0
0
1
1
1
0
0
t
接收到的 失真信号
t
采样时刻
t
还原后 0
1
0
0
1
0
1
0
0
的数据
出现差错
调制解调器的作用
调制解调器(modem)包括：
调制器(MOdulator)：把要发送的数字信号转 换为频率范围在 300~3400 Hz 之间的模拟信 号，以便在电话用户线上传送。
令向量 S 为(–1 –1 –1 +1 +1 –1 +1 +1)，向 量 T 为(–1 –1 +1 –1 +1 +1 +1 –1)。
在实用的系统中是使用伪随机码序列。
码片序列的正交关系
令向量 S 表示站 S 的码片向量，令 T 表示 其他任何站的码片向量。
两个不同站的码片序列正交，就是向量 S 和 T 的规格化内积(inner product)都是 0：
S T
1 m
m i1
SiTi
0
(2-4)
码片序列的正交关系举例
t
T
CH15 CH16 CH17 … CH30 CH31 CH0
T = 125 us
15 个话路
时分复用可能会造成 线路资源的浪费
用户
Aa
a
Bb b
C
cc
D
d
时分复用 t
①
t②
ab
t③
#1
④
t
bc
ca dt
#2
#3
#4
4 个时分复用帧
统计时分复用 STDM
用户
Aa
a
B bb
C
cc
D
d
统计时分复用 t①
ABCDABCDABCDABCD …
TDM 帧 TDM 帧 TDM 帧 TDM 帧 TDM 帧
时间
时分复用
频率
在 TDM 帧中的 位置不变
ABCDABCDABCDABCD …
TDM 帧 TDM 帧 TDM 帧 TDM 帧 TDM 帧
时间
时分复用
频率
在 TDM 帧中的 位置不变
ABCDABCDABCDABCD …
例如，S 站的 8 bit 码片序列是 00011011。
发送比特 1 时，就发送序列 00011011， 发送比特 0 时，就发送序列 11100100。
S 站的码片序列：(–1 –1 –1 +1 +1 –1 +1 +1)
CDMA 的重要特点
每个站分配的码片序列不仅必须各不相同， 并且还必须互相正交(orthogonal)。
目前我国长途通信线路已实现了数字化， 因而现在的模拟通信电路就只剩下从用户 电话机到市话交换机之间的这一段几公里 长的用户线上。
时分复用
频率
在 TDM 帧中的位置不变
ABCDABCDABCDABCD …
TDM 帧 TDM 帧 TDM 帧 TDM 帧 TDM 帧
时间
时分复用
频率
在 TDM 帧中的 位置不变
双向同时通信（全双工通信）——通信的 双方可以同时发送和接收信息。
基带(baseband)信号和 宽带(broadband)信号
基带信号就是将数字信号 1 或 0 直接用两 种不同的电压来表示，然后送到线路上去 传输。
宽带信号则是将基带信号进行调制后形成 的频分复用模拟信号。
2.2.3 信道的最高码元传输速率
输出信号波形 (失真不严重)
输入信号波形
输出信号波形 (失真严重)
数据传输系统
1、数字信号－模拟传输 （1）信号调制
Asin(ω t+Φ )
A、幅移键控法 ASK B、频移键控法 FSK C、相移键控法 PSK
数据传输系统
1、数字信号－模拟传输
基带信号 0 1 0 0 1 1 1 0 0 调幅 调频 调相
任何实际的信道都不是理想的，在传输 信号时会产生各种失真以及带来多种干 扰。
码元传输的速率越高，或信号传输的距 离越远，在信道的输出端的波形的失真 就越严重。
数字信号通过实际的信道
失真不严重
实际的信道 （带宽受限、有噪声、干扰和失真）
输入信号波形
失真严重
实际的信道 （带宽受限、有噪声、干扰和失真）
数据通信的理论基础
傅立叶分析
周期为T的函数g(t)可展开成多个或无限个正 弦和余弦函数的和。带宽：传输过程中振幅 不会明显减弱（通常保留一半能量处）的频 率范围。
带宽对于信号传输影响P74
数据传输系统
数据通信系统
数字比特流 模拟信号
模拟信号 数字比特流
正文 PC 机
调制解调器
公用电话网
这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力，其频 谱类似于白噪声，不易被敌人发现。
每一个比特时间划分为 m 个短的间隔，称为码片
(chip)。
码片序列(chip sequence)
每个站被指派一个惟一的 m bit 码片序列。
如发送比特 1，则发送自己的 m bit 码片序列。 如发送比特 0，则发送该码片序列的二进制反码。
模拟的和数字的数据、信号
模拟数据 模拟数据 数字数据 数字数据
放大器 调制器
PCM 编码器
调制器
数字 发送器
模拟信号 数字信号 模拟信号 数字信号
数据传输系统
单向通信（单工通信）——只能有一个方 向的通信而没有反方向的交互。
双向交替通信（半双工通信）——通信的 双方都可以发送信息，但不能双方同时发 送(当然也就不能同时接收)。
t②
③ t
④ t
a bbc cd a t #1 #2 #3
3 个 STDM 帧
波分复用 WDM
波分复用就是光的频分复用。
0
1550 nm
1
1551 nm
2
1552 nm
3
1553 nm 复
4
1554 nm 用
5
1555 nm 器
6
1556 nm
7
1557 nm
8 2.5 Gb/s 1310 nm
3、信道容量：是指信道能够传送的最大数 据率。
信道的主要技术指标
4、信道最大数据传输率
尼奎斯特（Henrry Nyquiest)定理（无噪声）
最大数据传输率=2 H log2V （位/秒） 其中H：带宽。V：信号的离散级数
香农（Claude Shannon)公式（考虑热噪声）
最大数据传输率=H log2（1+S/N） 其中H：带宽。S/N：信噪比，即信号功率与噪
解调器(DEModulator)：把电话用户线上传送 来的模拟信号转换为数字信号。
本书中的调制解调器是指使用在标准的二 线模拟话路（3.1 kHz 的标准话路带宽） 上的调制解调器。
调制解调器的作用（续）
调制器的主要作用就是个波形变换器，它把基 带数字信号的波形变换成适合于模拟信道传输 的波形
A、不归零制编码 B、曼彻斯特编码 C、微分曼彻斯特编码
数据传输系统
2、数字信号－数字传输 NRZ编码原理：直接用高低电平来表示数字0
或1。 曼彻斯特编码原理：每位中间都有一次跳变既
用于时钟同步，跳变又方向表示数据，电平翻 转仅在每位起始位置出现。下跳变0，上跳变1 微分曼彻斯特编码原理：每位中间的跳变仅用 于时钟同步，每位起始时有无跳变来表示数据。 有为0，无为1
调制解调器
正文 PC 机
源系统
传输系统
目的系统
输 源点 输 发送器
发送
传输 系统
入
入
的信号
信
数
息
据
接收器
终点
接收
输
输
的信号
出
出
数
信
据
息
几个术语
数据(data)——运送信息的实体。 信号(signal)——数据的电气的或电磁的表现。 “模拟的”(analogous)——连续变化的。 “数字的”(digital)——取值是离散数值。 调制——把数字信号转换为模拟信号的过程。 解调——把模拟信号转换为数字信号的过程。
数据传输系统
2、数字信号－数字传输
11 0010
11 0010
00 1101
数据传输系统
1、数字信号－数字传输 （2）同步方法
A、异步方式：由起始位、数据位、校 验位和停止位构成。每次传输一个字节。
数据传输系统
2、数字信号－数字传输 （2）同步方法
B、同步方式：每次传输一个数据块。通 常采用曼彻斯特编码。