第二章 数据通信基础

(a)模拟信号是在一定范围内可以连续取值的信号，是一 种连续变化的电信号（如：语言信号），它可以不同频率在 介质上传输。
(b)数字信号是一种离散的脉冲序列，它的取值是有限个 数，它以恒定的正电压/负电压，表示“1”、“0”，可以用不 同的位速率在介质上传输。
2. 传输（通信） 传输又叫通信，是把信息从一个地方送到另一个地方。 涉及模拟通信、数字通信、数据通信几个概念。 通信系统模型如右图： 接收信息 的目的地 1) 模拟通信 若信源产生模拟信号，且以模拟信道传输，则称为模 拟通信，如电话、电视系统目前都采用这种方式。 2) 数字通信 若信源产生模拟信号，但以数字信道传输，（传输的 是数字信号），则称为数字通信。如IP电话，把语音信号 经压缩编码后，经Intenet把数字编码传到对方，再解码还 原为语音信号。 信息产生和出现 的发源地
注意： 1个码元，是一个电脉冲，它表示一个脉冲状态，1个码 元并不一定代表一个比特，它所表示的信息（携带信息）可 能是2bit、3bit，若脉冲状态有4种，00、01、10、11，则一 个码元传2bit信息。 仅当电脉冲信号状态数为2时，即只有“0”“1”两个状态 时，每个电信号只传输1位二进制数，比特率=特波率，但意 义仍不同。 此外，波特和比特含义不同，一个是码元速率，一个是 信息量的单位。 · 波特率与比特率间关系： S=Blog2N (bps) N：脉冲状态数（电信号的状态数）
(2)信道容量
· 信道容量 指信道上能够传送的最大数据率。当传输率高于信道容 量时，信道上根本不能传送信号，即信道容量是信道的一个 极限参数。 · 传输率受限原因： 任何信道都不是理想的，信道带宽有限，信道上存在多 种干扰，在传输信号时会带来各种失真。 1924奈奎斯特（Nyquist）有限带宽无噪声信道极限数据率 · 奈奎斯特公式： Rmax=2W (Baud) =2Wlog2N (bps) 其中： W为信道带宽，N为脉冲状态数（码元离散值个数）。 当N=2时， Rmax=2W
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5) 差分Manchester编码 原理：与Manchester编码相同，每个码元正中间出现一次跳变， 不同仅在于：跳变不作数据信号，仅作定时信号。 数据表示： 码元 1，则前半个码元的电平，与上一码元后半个码元的电平 相同； 码元 0，则前半个码元的电平，与上一码元后半个码元的电平 相反 特点：抗干扰能力强，但实现技术复杂，用于令牌环网中
(1)传输速率: 数据传输率、调制速率
· 数据传输率： 指每秒传输多少二进制代码位数，又叫比特率，单位： 位/秒，记作bit/s或bps · 调制速率： 调制速率又叫波特率或码元速率，指数字信号经过调制 后的传输速率，表示每秒传输多少电信号单元（脉冲数， 码元），1波特（Baud）表示每秒传1个码元。
3. 通信信道 1) 概念 通信信道指电信号沿信源到信宿的传输通路，它包含传输 介质及有关中间通信设备。 通信介质（传输媒体）：同轴电缆、双绞线、光纤、无线 电波、微波、卫星。 通讯设备：Modem、放大器、均衡器等 数字信道是用来传输数字信号的，模拟信道是用来传输模 拟信号的。 2) 带宽 无论是模拟信号还是数字信号，它们在通信线路上传输 时都要占据一定的频谱（频率范围或带宽），最高频率与最 低频率之差叫信号的频带宽度，简称带宽（通频带）。 例：普通电话线，其通过的频率范围在300～3400HZ， 频率低于300HZ或高于3400HZ的信号不能直接通过电话线， 电话线的带宽3400-300≈3000HZ
由此可见，要提高传输率，就要提高带宽，带宽一定 的情况下，N值越大，码元携带信息量越多，可以表示更 多的比特数位。
例如：电视频道的带宽为6MHz，假定没有热燥声，如果数据 信号取4种离散值，那么可获得的最大数据率是多少？ 解：根据奈奎斯特公式：C=2Wlog2N 得最大数据率为：C=2×6 × log24=24Mbps
(3)吞吐量：
信道在单位时间内成功传输的总信息量，单位bps
(4)出错率（误码率）
定义为二进制位在传输中被传错的概率
其中：Ne为传错的位数，N为传输的总位数。 在WAN中数据传输过程，最低要求误码率＜10-6，意谓着 每传1兆位，才允许错1位，在LAN中出错率＜10-8 。
Ne P N
(5)信道延迟
2) 全宽双级码脉冲 特点：以恒定的负电压表示 0，用恒定的正电压表示 1。 0 1 0 1 1 0
全宽码的信号波形是在一码元全部时间内发出或不发出电流， 每一位码占全部码元宽度。 缺点：如果重复发送连续同值码，相邻码元的信号波形没有 变换，不易区分识别。 3) 归零编码脉冲 特点：一码元的信号不占码元的全部时间（窄脉冲），不论 码元需要发出电流还是不需要发出电流，码元波形都“归零 ‘。
（2）适合远距离传输 模拟信号传输中会衰减，还会受到噪声干扰，当用放大器 放大信号时，噪声也被放大，放大次数多，会积累错误，而 数字信号传输虽也有噪声，但只要没畸变到不可认的程度都 可以用再生中继器，对数字脉冲信号整形放大，消除噪声。 （3）安全保密性好 可用复杂的加密技术对数字信号进行处理，有效地防止 非法者窃取信息。 （4）适合多媒体信息传输 文本、语音、图像等信息都可以统一转换成数字信号传输。 在局域网中，主要采用数字传输技术，在广域网中，以模 拟传输为主。随着光纤通信技术的发展，广域网中越来越多 地采用数字传输技术，在价格和质量上都优于模拟传输。
数字信号实际上是矩形电压脉冲序列，根据理论推导， 如果τ为矩形脉冲的宽度，则数字信号所需带宽W近似为： W=1/τ 带宽与脉冲宽度成反比。
3) 信道的几个主要技术指标 信道的主要技术指标是从数据传输的数量和质量衡量的。 数量：指传输的速度，包括数据传输率，调制速率，信道容 量，吞吐量等。 质量：指传输的可靠性，一般用数据传输的出错率衡量
0 1 0 0 1 0 1
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2 数据传输方式
二进制数据通过某种编码方式变成电压脉冲信号的形式，把这 种脉冲信号从发送端传到接受端就是数据传输，数据传输通常有三 种方式：基带传输、频带传输、宽带传输(P20)。 1) 基带传输 在信道上直接传输二进制电压的脉冲信号。这种表示二进制数 据的电压脉冲信号称为基带信号，而基带就是这种原始信号所占的 基本频带。 基带传输不适合远距离通信，一般用在局域网中，如Novell网， 典型的传输率10Mbps 2) 频带传输 远程通信往往利用现有的公用交换电话网（PSTN），因为目前 全球性能深入到家庭的数字网络还未建立起来，而PSTN却很普及， 选择PSTN也是无耐。 电话线是为传输语言信号而设计的模拟信道，频率范围在300～ 3400HZ，不适合直接传数字脉冲信号。要利用电话网进行数据通信， 就必须把计算机送出的数字信号变为模拟信号，这一过程称为调制， 具体做法是：
1 信息、数据与信号 1) 数据、信息、信号及其关系 .数据是载荷信息的物理符号 .信息是指数据的含义或向人们提供关于现实世界事实的知 识，它不随载荷符号的形式不同而改变。 .信号是数据的电编码或电磁编码 例: 某工人本月加班费补助153元，这是一个数据，它表示该工人
基本工资外的收入信息 补助数据在二进制下为10011001，尽管其形式与153（10进制） 不同，但它表示该工人额外收入 的信息没有变化。 如果用高电平表示“1”，低电平表示“0”则该数据的电编码， 就是下面的信号波形图：
1
0
0
1
1
0
0
1
2) 数据：数字数据、模拟数据
模拟数据是指在某个区间产生的连续值，如：声音、 视频、温度、压力；
数字数据只是有限个离散值，如字符串、整数数列。 在通信系统中，数据需要编码（变换）为电信号的形式 从一点传到另一点（信源→信宿）由于有两种不同的数据 类型，信号也两种类型：模拟信号、数字信号。 3) 信号 信号是数据的表示形式，或称数据的电磁/电子编码 信号：模拟信号、数字信号
优点：实现容易，费用低 缺点：发送信号、接收信号难以同步，当出现一串0或1时， 难断定采样起始位。 1 0 1 1 0 1 0
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单级归零脉冲码
1
0
1
1
0
1
0
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双级归零脉冲码
4) 曼彻斯Leabharlann 编码（Manchester） · 将每一码元再分成两个相等的间隔。 码元 1，“高”↓“低”电平； 码元 0，“低”↑“高”电平； · 每个码元正中间出现一次电平跳变，便于接收端从中提取同 步信号 特点：用跳变表示数据和同步信号（↓0，↑1） 优点：1）自含同步信号，以跳变表示采样信号，接收端不需 要时钟 2）抗干扰强，以跳变的存在表示采样，干扰小，常用 于以太网中。 1 0 0 0 1 0 0
模拟信道是用来传输模拟信号的，数字信道是用来传输 数字信号的. 3) 数据通信 “数据通信”专指信源和信宿中数据的形式是数字的， 即：在不同计算机之间传送表示字母、数字、符号的二进制 代码0，1比特序列的过程。 若信源产生数字信号，以模拟信道传输或以数字信道传输， 都叫数据通信。 4) 数字传输优点 （1）抗干扰能力强 任何信道都会受到噪声干扰，但数字信号的幅度仅有几个 离散值。如以0V表示“0”，+5V表示“1”，数字信号在传输过程 中受到干扰后，只要干扰的程度不十分严重，就不会导致信号 出错。如+5V电压受到干扰后，可能会变成+4V（或+6V）但接 受端仍能正确判断出+4V（或+6V）代表“1”而不是“0”。
例如：指出下列说法错在何处？ 1) 某信道的信息传输速率是300 Baud 2) 每秒50波特的传输速率是很低的 3) 600 Baud和600 bps是一个意思 4) 每秒传送100个码元也就是每秒传送100个比特 答：1）错在数据传输速率的单位不对，应为bps或b/s，而Baud为