第2章数据通信基础(尚晓航)

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第2章数据通信基础(尚晓航)
5. 信道容量
信道容量是一个极限参数，一般是指物理信道 上能够传输数据的最大能力。在实际应用中，高传 输速率的通信设备常常被通信介质的信道容量所限 制，而得不到充分利用。
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6. 带宽、数据传输速率和信道容量的关联
下面介绍3种基本的编码方法：
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3.非归零（Non-Return to Zero，NRZ）编码
①编码规则：NRZ编码方法的示例如图2-3（a） 所示。用负电压代表数字“0”，正电压代表数字 “1”。
②特点：NRZ编码的优点是简单、容易实现； 缺点是接收方和发送方无法保持同步。
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图2-4 模拟数据信号的二相调制 （编码）波形图
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8. 时延
时延是信道或网络性能的另一个参数，其数值 是指一个报文或分组从一个网络的一端传送到另一 端所需要的时间，其单位是秒s、毫秒（10-3秒） ms、微秒（10-6秒）μs等。
时延是由：传播时延、发送时延和排队延时等 三部分组成的。
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3. 数据和信号 网络中传输的二进制代码被统称为“数
据”。
数据：事物的表示形式 信息：数据的内容与解释
“信号（signal）”是数据在传输过程中的电磁 波表示形式。从时间域来看，图2-1（a）所示的 “数字信号”是一种离散信号；而图2-1（b）所示 的“模拟信号”是一种连续变化的信号。
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4. 频率调制FSK
①FSK调制规则：频率调制又称为“移频键控” （frequency-shift keying，FSK）。其调制波形如 图2-4（b）所示。
②FSK的特点：频率调制的电路简单，抗干扰 能力强，但频带的利用率低，适用于传输速率较低 的数字信号。
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2.1 数据通信的基本概念
5. 数据单元
在数据传输时，通常将较大的数据块（如报文） 分割成较小的数据单元（如分组），并在每一段数 据上附加一些信息。这些数据单元及其附加的信息 在一起被称为“数据单元”。
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2.2 通讯系统的主要技术指标
1. 传输速率S（比特率）
（5）专用信道和公共交换信道
按照信道的使用方式来分。“专用信道”又称“专线”，它是一 种连接用户之间设备的固定线路。距离较短、数据量较大、安全性要求 较高的场合。
“公共交换信道”是一种通过公共网络，为大量用户提供服务的 信道。如：公共电话交换网、公共电视网
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第2章数据通信基础(尚晓航)
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2020/11/25
第2章数据通信基础(尚晓航)
第2章 数据通信基础
本章学习目标：
1. 了解：数据通信的基础知识 2. 了解：数据传输方式的类型和特点 3. 掌握：数据传输的类型及相应的编码方法 4. 掌握：多路复用技术的分类和适用场合 5. 了解：数据通信中的同步技术 6. 了解：广域网中的数据交换技术 7. 掌握：差错控制技术的类型和方法
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2. 数字信号的编码
在基带传输中，用不同极性的电压、电平值代 表数字信号 “0”和“1”的过程，称为基带信号的 “编码”；其反过程称为“解码”。
在发送端，编码器将计算机等信源设备产生的 信源信号，变换为用于直接传输的基带信号；
在接收端，解码器将接收到的基带信号，恢复 为与发送端相同的、计算机可以接收的信号。
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2.3.2 频带传输与模拟信号的调制
1. 调制、解调与频带传输
利用模拟信道实现数字信号传输的方法称为 “频带传输”。
在发送端将数字信号转换成模拟信号的过程称 为“调制”（modulation），相应的设备称为“调 制器”（modulator）；在接收端把模拟信号还原 为数字信号的过程称为“解调”（demodulation）， 相应的设备称为“解调器”（demodulator）；而
②曼彻斯特编码的同步信号：曼彻斯特编码中 的中间电平跳跃，既代表了数字信号的取值，也作 为自带的“时钟”信号。
③特点：优点是收发信号的双方可以根据自带 的“时钟”信号来保持同步；缺点是效率较低。
④应用：典型的10BASET、10BASE2、和 10BASE 5低速以太网使用的是曼彻斯特编码技术。
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图2-3 二进制数据的基带信号的编码波形
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2.3.1 基带传输与数字信号的编码
基带传输的特点如下：
优点是：抗干扰能力强、成本低。
缺点是：由于基带信号频带宽，传输时必须占 用整个信道，因此通信信道利用率低；占用频带宽， 信号易衰减；只能使用有线介质传输，限制了使用 的场合。在局域网中经常使用基带传输技术。
带宽与数据传输速率这两个术语原来都是 用来度量信道实际传输能力的指标。现在， 一个物理信道常常既可以作为模拟信道，又 可以作为数字信道，所以人们既可以使用 “带宽”，也可以使用“速率”来描述网络 中信道的传输能力。
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7. 误码率Pe
（1）误码率Pe的定义
误码率是指二进制码元在数据传输中被传错的 概率，也称“出错率”。 Pe的定义式如下：
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3. 幅度调制ASK
①ASK调制规则：幅度调制又称为“振幅键控” （amplitude-shift keying，ASK），两种载波幅度 值的调幅波形如图2-4（a）表示。
②ASK的特点：幅度调制的技术比较简单，信 号容易实现，但抗干扰的能力较差。
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数据通信专指信源（发送信息的一方）和信宿 （接收数据的一方）中信号的形式均为数字信号的 通信方式。因此，可以将“数据通信”定义为：在 不同的计算机和数字设备之间传送二进制代码“0”、 “1”对应的比特位信号的过程。
在数据通信过程中，传输的数据信号的类型不 同，使用的技术就不同。为此，数据传输系统有 “基带传输”和“频带传输”两种传输方式。
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图2-1 数字信号和模拟信号
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2.1 数据通信的基本概念
4. 信道及信道的分类 （1）信道：数据信号传输的必经之路，它一般由传输线路和传
输设备组成。
（2）物理信道和逻辑信道
①物理信道：是由信道中的实际传输介质与相 关设备组成。
2.2.1数据通信过程中涉及的主要技术问题
网络中任意两台计算机的通信过程需要解决哪 些技术问题呢？
① 二进制编码； ② 传输的信号类型； ③ 数据传输与通信方式； ④ 同步技术； ⑤ 多路复用技术； ⑥ 广域网数据交换技术； ⑦ 差错控制技术。
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2.3 数据传输类型及相应技术
2.1 数据通信的基本概念
2. 二进制编码标准
目前，最常用的二进制编码标准为美国标准信 息交换码（ASCII），它已被国际标准化组织 （ISO）和国际电报电话咨询委员会（CCITT）采 纳，并已经发展为国际通用的标准交换代码。
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2.1 数据通信的基本概念
②逻辑信道：是指在同时建立的多条逻辑上的 “连接”。
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2.1 数据通信的基本概念
（3）有线信道和无线信道
根据传输介质是否有形。 有线信道：电话线、双绞线、同轴电缆、光缆 无线信道：无线电、微波、卫星通信信道与远红外线等
（4）模拟信道和数字信道
按照信道中传输的数据信号的类型来分。 调制解调器
3. 比特率和波特率之间的关系
参见表2-1
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2.1 数据通信的基本概念
波特率（调制速率）和比特率（数据传输速 率）是两个最容易混淆的概念，表2-1给出了 两者之间的数值关系。两者在实际应用中的 区别与联系，如图2-2所示。
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图2-2 比特率和波特率的区别
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4. 带宽
对于模拟信道，带宽是指物理信道的频带宽度， 其本来的意思是指信道允许传送信号的最高频率和 最低频率之差, 单位为：赫兹（Hz）、千赫 （kHz）、兆赫（MHz）等。
对于数字信道，人们说的“带宽”是指在信道 上能够传送的数字信号的速率，即数据传输速率S。 因此，此时带宽的单位就是比特每秒（bit/s），表 示为：b/s、Kb/s、Mb/s等。
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2.1 数据通信的基本概念
1. 信息和编码
信息的载体是文字、语音、图形和图像等。计 算机及其外围设备产生和交换的信息都是由二进制 代码表示的字母、数字或控制符号的组合。
用二进制代码来表示信息中的每一个字符就是 二进制编码。
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式中：N为传输的二进制码元总数，Ne表示在 接收码元中被传错的码元数。
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7. 误码率Pe
（2）误码率的性质、获取与实用意义
① 性质：可靠性的指标。 ② 获取：在大量重复测试。 ③ 采用差错控制技术的意义：在使用普 通通信信道传输数据时，物理信道本身的平 均误码率不满足可靠性指标的要求，因此， 必须采用差错控制技术。
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5. 两相相位调制PSK
PSK（phase-shift keying），相位调制又称为 “移相键控”。
①用初始相位 “Φ0 =0”表示数字“1”，Φ0 = 表示数字“0”绝对调相编码波形如图2-4（c）所示。
②PSK相对调相：其编码规则为用当前波形的 初始相位，相对于“前一个波形”的初始相位的偏 移值来表示数字信号“0”、“1”。两相相对调相的 编码波形如图2-4（d）所示。
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2.3.1 基带传输与数字信号的编码
1. 基带、基带信号和基带传输
数字信号也被称为“数字基带信号”，简称为 “基带信号”。在线路上直接传输基带信号的方法 称为 “基带传输”方法。
在基带传输中，必须解决两个基本问题， 其一，基带信号的编码问题； பைடு நூலகம்二，收发双方之间的同步问题。
传输速率“S”是指是指在信道的有效带宽上， 单位时间内所传送的二进制代码的有效位（bit） 数。S的单位为：b/s、千比特每秒kb/s（1×103b/s） 等单位来表示。
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2.2 通讯系统的主要技术指标
2. 波形调制速率B（波特率）
1Baud/s就表示每秒钟传送一个码元或一个波形。 波特率是数字信号经过调制后，模拟信号的传输速 率。
同时具有调制与解调功能的设备被称为“调制解调 器”（modem）。
Modem就是数字信号与模拟信号之间的变换设
备。
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2. 数字数据（信号）的调制
在调制过程中，运载数字数据的“载波信 号”可以表示为：
其中，振幅A、角频率ω、相位ψ是载波信 号的3个可变电参量；每次变化一个电参数， 固定另外两个电参量。
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5. 差分曼彻斯特（De-manchester）编码
①编码规则：遇“0”跳变，遇“1保持”，“中 间跳变”。其示例的波形如图2-3（c）。
②特点：差分曼彻斯特编码的优点是自含同步 时钟信号、抗干扰性能较好；缺点是实现的技术复 杂。
③同步信号：中间的电平跳变作为“同步时钟” 信号。
③位同步：为了保证收、发双方的按位同步， 必须在发送NRZ编码的同时，用另一个信道同时 发送同步时钟信号，参见图2-3（a）。
④应用：计算机串口与调制解调器之间使用的 就是基带传输中的非归零码技术。
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4. 曼彻斯特（Manchester）编码
①编码规则：前半周期为该位值“反码”电平 值，后半周期为该位值的“原码”电平值。中间的 电平跳变作为双方的同步信号。如图2-3（b）所示。