数据通信与计算机网络数据通信基础知识.

由于不需要在发送和接收之间另外传输定时信号，所以控制简单。
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数据通信与计算机网络——数据通信基础知识
异步传输
传送方向 发送的元素 起始位 线路空闲（或前面 字符的停止位） 1 0 0 1个字符 线路空闲 1 0 0 1 0
停止位
t
接收器检测到新字符 的开始（一个码元）
在每位中心采样
1，1.5或2个码元 0”
信号的时间特性 主要是指信号随时间变化快慢的特性。 其他特性：信号的振幅、周期和相位等 信号随时间的变化包含了信号的全部信息量。 信号的频率特性 可用信号的频谱函数来表示 频谱函数表征信号的各频率成分、及各频率成分的振 幅和相位。 在频谱函数中，也包含了信号的全部信息量。 10
i 1
m
假设每秒钟传输符号的数目为n’，则每秒钟传输的信息
量H’为：H’＝n’H
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2.1.2 数据

数据
数据是对某一事实的不经解释的原始表达，即任何描述 物体、概念、情况、形势的事实、数字、字母和符号， 是传达某种意义的实体。 是数据通信中信息的载体。 形式
ˆ (t ) z (t ) x(t ) jx
z(t)的傅立叶变换为：
2 X ( j ), 0 Z ( j ) 0, 0
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4. 数据与信号
数字数据，数字信号
数字
1010
模拟数据，数字信号
模拟 CODEC 数字
在串行传输时，每一个字符是按位串行地传送的,为使接收
端能准确地接收所传输的信息，接收端必须知道：
(1)每一位的时间宽度，即传输的比特率；
比特（位）或时钟同步

(2)每一个字符或字节的起始和结束； (3)每一个完整的信息块(或帧)的起始和结束。
字符同步
帧(或块)同步
通常用异步传输和同步传输两种方法来实现同步。 对异步传输发送器和接收器是不同步的； 对于同步传输，两个时钟是同步的。
y(t ) x(t ) h(t )
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（2）频域分析法
基本方法是利用傅立叶变换将信号分解为各种不同
频率的等幅正弦波，求出各正弦波激励系统锁产生 的响应，再利用傅立叶反变换将响应叠加转换为输 出的总响应。 频域中激励和响应的关系为：
Y ( j ) X ( j ) H ( j )
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异步传输
发送端和接收端的时钟不同步，数据的传输以字符为单
位。 每一个传送的字符都有一个附加的起始位和一个或多个 停止位。 在每一个比特周期的中心对接收的信号采样，接收设备 以此来确定传送字符中每一个比特的状态 优点：
缺点： 效率低、速度慢。 一般用于低速线路中。
3dB对应的频率范围。
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2.3 传输方式和传输速率

2. 3.1 传输方式
基带传输和频带传输 串行传输和并行传输
异步传输和同步传输
单工、半双工和全双工传输

2.3.2 传输速率
调制速率
数据信号速率 数据传输速率
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1 I lbp ( si ) lb 1(b) 2
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平均信息量 － 熵
设离散信息源是一个由m个符号组成的集合，每个符号出
现的概率分别为：
p(s1 ) p1 , p(s2 ) p2 ,... p(sm ) pm
当消息的符号数目m足够大时，第i个符号出现npi次，它 具有的信息量是
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（3）信号的希尔伯特(Hilbert)变换 定义x(t)的希尔伯特变换是：
1 1 ˆ (t ) * x(t ) x t



x( ) d t
滤
对一个信号作希尔伯特变换相当于作一次滤波，
波因子h(t)为1/t，其滤波频谱H(j)为：
等同于信息。 通信系统传输信息的多少使用“信息量”去衡 量。 消息中所含信息量的多少与消息的重要程度无 关。 对接收者来说，消息（事件）越不可能，包含 的信息量越大。
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信息量的定义
香农规定：一条消息所承载的信息量 等于它所
表示的事件发生的概率p的倒数的对数。即信息 量 为：
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图中，起始位与停止位的极性不同，在一段空闲时间后的第一个“1 的变换，被接收器判定为一个新字符的开始。
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同步传输
收发双方具有相同的时钟，它是把每个完整的数据块（帧）
作为整体来传输的。 为使接收设备能够准确地接收数据块的信息，需要做到；
(1)接收器和发送器之间的比特(位)或时钟同步（每一位上严格同步）

连续信号与离散信号 随机信号与确定信号
随机信号是指在它实际出现以前，总是有某种程度的不确定性的
一种信号。 确定信号是一种没有不确定数值的信号。 一般的信号都是随机信号。

周期信号与非周期信号
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2. 信号的特性
信号的特性表现为它的时间特性和频率特性。
有限时间的平均功率定义为：
t2 1 2 P x(t ) dt t2 t1 t1
周期信号在一个周期内的平均功率是：
1 P T

T
0
x (t ) dt
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2
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功率频谱密度S(f)
S( f )
i
| x | ( f if )
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SYN SYN
STX
ETX
同步字符
帧内容
帧起始字符
帧结束字符
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异步传输与同步传输的区别主要在于：
（1）异步传输是面向字符的传输，而同步传输是面向
比特的传输。 （2）异步传输的单位是字符而同步传输的单位是帧。 （3）对于异步传输，发送器和接收器是不同步的（即 异步传输无需传输时钟脉冲），对于同步传输，两个时 钟是同步的。 （4）异步传输通过字符起止的开始和停止码抓住再同 步的机会，而同步传输则是从数据中抽取同步信息（或 在收发之间采用单独的时钟同步信息）。 （5）异步传输相对于同步传输效率较低。
第2章 数据通信基础知识

信息、数据和信号 功率谱密度和带宽 传输方式和传输速度


传输质量
通信编码
1
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2.1 信息、数据和信号

信息 数据 信号
2
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2.1.1 信息

信息是什么？
有用的消息，消息可能包含信息，但消息并不
2 i 0

对于连续取值函数S(f)，包含有 f f f 频带范围的功率是： 1 2
P 2 S ( f )df
f1
功率谱密度的物理意义：在以f为中心的单位频谱宽度内，信号x(t)的频率
f2
分量对功率的贡献
半功率带宽：
功率谱密度S(f)跌落至最大功率值的一半，或峰值以下的


模拟数据 数字数据 本书中，数据通常是指具有数字形式的数据。
信息→数据→信号→在介质上传输→信号→数据→信息
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2.1.3 信号
1.
信号的分类
是数据的具体表现形式。 在通信中，传输的主体是信号，各种电路、设备都
是为实施这种传输对信号进行各种处理而设置的。 信号的分类：
j , 0 H ( j ) j, 0
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H(j)还可以用复数形式表示为：
H ( j ) e j ( ) 0 , ( ) 2 , 0 2
可以通过设法把发送端的时钟信息载入传送的比特流中，然后由接收
器来提取的办法来实现。
(2)所有的帧由一个或多个保留字作前导，以确保接收器按正确的
字节边界可靠地接收比特流。 (3)每一帧内容有帧起始持和帧结束符标识。 同步字符因传输规程不同而不同
优点： 效率高、开销小，特别适合大数据块的高速传送。 缺点： 控制比较复杂，如果传输中出现错误需要重新传送整个数据块。
希尔伯特变换的反变换公式为：
一个信号经希尔伯特变 换后，会产生900的相 移
1 1 ˆ (t ) x(t ) * x t



ˆ (t ) x dt t
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对一个实因果信号，它的傅立叶变换的实部和虚部，
幅频响应及相频响应之间存在着Hilbert变换关系。 利用Hilbert变换，可以结构出相应的解析信号，使其 仅含正频率部分，从而可降低信号的抽样率。 实信号x(t)的解析信号为：
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3. 信号的分析
时域分析法 把信号看作是时间的函数
频域分析法 把信号看成是频率的函数
信号的希尔伯特（Hilbert）变换
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（1）时域分析法：
基本手段是把外加的复杂激励信号，在时域中分解
成一系列单元激励信号，然后分别计算各单元信号 通过通信系统的响应，最后在输出端叠加而得到总 的响应。 在时域中激励和响应的关系为：
数字编码
数字
数字数据，模拟信号
数字
1010
模拟数据，模拟信号
话音 模拟
模拟 Modem
模拟传输
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2.2 功率谱密度和带宽

信号的有效带宽
是指包含信号大部分功率的那部分频谱的宽度
采用功率谱密度的频域描述方法来对随机信号下的通
信系统进行频域分析。 时间域中的功率：
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并行传输

特点：

在终端装置和线路之间不需要对传输代码作时序变换，因而能简化终端装置的结构 需要M条信道的传输设备，故其成本较高。因而并行传输通常用于要求传输速率高的近 距离数据传输。
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3. 异步传输与同步传输(按数据传输的同步方式分)
1 I log log p p
如果对数以2为底，则信息量的单位是比特(bit或b)；如果
以自然对数e为底，则信息量的单位为奈特（Nat）；如 果以10为底，则信息量的单位是哈特莱（Hartley）。
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假设有一个含有两个符号 s1,s2的信息 源，两个符号出现的概率相等，即 p(s1)= p(s2)=1/2，则接收到其中一个si 的信息量是：
npi log pi
整个消息所具有的信息量就是各个符号具有的信息量的总和： m m
I npi log pi n pi log pi
i 1 i 1
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则其中一个符号的平均信息量H为
H
n pi log pi
i 1
m
n
pi log pi
2.3.1 传输方式
1. 基带传输和频带传输
根据数据传输系统在传输由终端形成的数据信号
的过程中是否搬移数据信号的频谱，即是否进行 调制划分为：
基带传输
是一种不搬移数据信号频谱的传输体制。 适用于短距离的数据传输 例如：局域网中采用基带同轴电缆作为传输介质进行数据传输
频带传输
是一种利用调制解调器搬移数据信号频谱的传输体制。 例如：通过电话模拟信道传输
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2. 串行传输和并行传输
串行传输： 数据在一个信道上按位依次传输的方式
并行传输： 数据在多个信道上同时传输的方式
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串行传输

特点：


所需的线路少，线路利 用率高，投资小 发送和接收端需分别进 行并/串和串/并转换 收发之间必须实施同步 措施
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4. 单工、半双工和全双工传输方式（按照数
据信号在信道上的传送方向与时间的关系划分）