计算机网络之数据通信

2. 相对相移调制——利用前后码元信号相位的相对 变化来传送数字信息的 • 当传输的基带信号为“1”时，后一个码元信号和 前一个码元信号的相位差为π • 当传输的基带信号为“0”时，后一个码元信号和 前一个码元信号的相位差为0 ３.相位幅度调制等 • 相位幅度调制PAM，采用12种相位，其中的4种 相位，每个信号取2种幅度，可以得到16种不同 的相位幅度离散状态，可使一个信号表示４位二 进制数据 • 2DPSK：将信号分别移相四种不同角度的移相键 控法，即一个信号表示2位二进制数据 • 3DPSK：将信号分别移相八种不同角度的移相键 控法，即一个信号表示3位二进制数据
电子通信系统中传输的信号可分为连续变 化的电信号和离散变化的电信号两大类 所以信道也可以分为二类： 传输模拟信号的称为模拟信道 传输离散取值的数字信号则称为数字 信道 通信系统可以分为二类： 数字通信系统 模拟通信系统
数据通信系统就是以计算机为中心， 用通信线路连接分布在远地的数据终端设 备，实施数据通信的一种系统。 例：通过模拟信道进行数据通信
信号也可以分为
数字信号：是一系列离散 的电脉冲可以利用其某一瞬间的状态 来表示要传输的数据。
C、信息——是数据的内容和解释。 D、信源——即通信过程中产生和发送信息的 设备或计算机。 E、信宿——即通信过程中接受和处理信息的 设备或计算机。 F、信道——是信源和信宿之间的通信线路。
数据的传输形式可分为四种： 模拟数据的模拟信号传输——电话系统 数字数据的模拟信号传输——要使用调制介调器 模拟数据的数字信号传输——要使用编码解码器 数字数据的数字信号传输——数字发射机（计算机内部）
（3）误码率：衡量数据通信系统在正常情 况下的传输可靠性的指标，定义为二进制 数据位传输时出错的概率 Ne N：传输的二进制数据位总 数 Pe=—— Ne：出错的位数 N Pe：误码率 网络中一般要求低于10-6，在网络中 经常还使用一种帧的错误率，因为在网络 中，数据常常组织成帧来传输，在一个帧 里错一个和错几个是相同的。
三、数据传输 1、数据传输的形式： A、时域的概念 • 研究一个时间函数信号S（t） • 如果对于所有的a，满足下式：lim S（t）=S （a），那么S（t）是连续的，反之只取信号振 幅的有限个值，则该信号是离散的
左极限=右极限 左极限≠右极限
• 如果对于所有的t，满足下式S（t+T）=S（t） -∞＜t ＜+∞，T是常数，则该信号是周期性的，T是信号的周 期（T为满足方程的最小值） • 正弦波和方波脉冲，都是周期性信号
例3：某信道误码率为10-5，每帧长度为10000bits，试问 （1）若差错都是单个错，则在该信道上传送的帧的平均 出错率是多少？ （2）若差错大多为突发错，平均突发长度为100bit，则 在该信道上传送的帧的平均出错率是多少？ 解（1）∵Pe=Ne/N 因为差错都是单个错，则Ne=1 ∴N=Ne/Pe=105bits 帧的个数= N÷（10000bit/帧）=10个帧 故帧的出错率为0.1(10%) （2）因为差错大多为突发错; 突发错误的突发长度为 100bit ; ∴ Ne=100bit ∴N=Ne/Pe=100bit/10-5=107bits 帧的个数= N÷（10000bit/帧）=1000个帧 又∵100bit可以发生在一个帧，或在二个帧中 故帧的出错率为1/1000或2/1000
• 例2：对于带宽为4KHZ的信道，用8种不同的 物理状态来表示数据，信噪比为30db 问按奈奎斯特定理，最大限制的数据速率是多 少？问按香农定理，最大限制的数据速率是多 少？ 该信道实际传输时的数据速率不会超过多少？ 解：按奈奎斯特定理： C=2· H· log2N=2×4KHZ×log28=24Kbps 按香农定理： 30db=10log10S/N ∴S/N=1030db/10=1000 C=H· log2（1+S/N）=4KHZ· log2 （1001） =4KHZ×10=40Kbps 该信道实际传输时的数据速率不会超过 24Kbps
（2）数字数据的数字信号传送： • 使用数字信号传输数据时：数字信号几乎要占有整 个频带，这个原始电信号所固有的频带，称为基本 频带（简称基带），在信道中直接传送基带信号时， 称为基带传输 （3）数字数据的模拟信号传送： 数字数据的模拟信号传送要使用调制解调器； 在采用模拟信号传输数字数据时，往往只占有有限 的频谱，将其称为频带传输 （4）模拟数据的数字信号传送： 模拟数据的数字信号传送要使用编码解码器 这四种数据传输方式除了第一种模拟数据的模拟信 号传送外其它三种都还有二个问题要解决： A、数据的信号表示问题（编码问题） B、接收方如何正确地接收问题（同步问题）
Байду номын сангаас
奈奎斯特定理：无噪声信道的容量（理想
状态） C=2· H· log2N H为低通信道的带宽（单位：HZ） N为每个信号可能取的有效离散值个数 C为信道的最大的数据速率（单位：bps） • 例：某信道带宽为4KHZ，任何时刻数字 信号可取0、1、2和3四种电平值之一 （N=4），则最大数据速率为 C=2· 4KHZ· log24=16Kbps
3、数字数据的数字信号传送——基带传输， 数字信号可以直接采用基带传输 • 基带是指基本频带：调制前信号所占有的 频带，即原始信号所占有的固有频带 • 基带传输只能用于近距离的传送，如 CPU内部的各部件之间，CPU和外设， 近距离的局域网等 • 基带传输时，要解决数字数据的编码问题 和信号的同步问题
信道的容量又是受噪声的影响的 躁声：分二大类 随机热噪声：是信道所固有的，是持续存在的 随机热噪声产生的错误称为随机错， 常为孤立的单个错 冲击噪声： 是由外界特定的短暂原因所造成的 冲击噪声造成的差错呈突发状，称为 突发错误（由外界干扰源引起） 。 突发错误的突发长度：从突发错误发生的第一个码元到 有错的最后一个码元之间所有码元的个数
2、数据通信的几个主要技术指标： （1）传码率：是信号码元传输的速率，又称为调制速 率、码元速率、波特率 • 单位为波特（Baud） • 表示为：每秒钟通过信道传输的码元个数；指信号调 制过程中，调制状态的每秒转换次数；每秒钟传输的 信号个数。 • 定义为： B=1/T T：为一个数字脉冲信号的宽度——全宽码情况 为一个数字脉冲信号的重复周期——归零码的情 况
C、相移键控法：PSK • 利用载波信号相位移动来表示数据 • 相位调制又可以分为绝对相移调制和相对相移调制 1. 绝对相移调制——利用正弦载波的不同相位直接表示数字 • 如传输基带信号为“1”时，绝对相移调制信号和载波信号 的相位差为“0”(即载波信号) • 如传输基带信号为“0”时，绝对相移调制信号和载波信号 的相位差为π • S（t）= A· sin（2πft+θ）当基带信号为‘１’时 A· sin（2πft+θ+π）当基带信号为‘0’时 • 绝对相移调制变换成正交相移调制编码 S（t）= A· sin（2πft+450） A· sin（2πft+1350） A· sin（2πft+2250） A· sin（2πft+3150） 相位各相差900，有4种相位的变化，每次相位的信号变化 表示2位二进制
DTE：数据终端设备（Data Terminal Equipment）是数据的源或目的，或者二 者兼有之。它具有根据协议来控制数据通 信的功能（如计算机、终端） DCE：数据电路终接设备（ Data Communication Equipment ）是对网络 设备的统称，为用户设备提供入网的连接 点。它不是数据的源或目的，也不是二者 兼有之。它不具有根据协议控制数据通信 的功能（MODEM、网桥……）
数据通信基础
一、数据通信模型
信源——变换器——信道——反变换器——信宿
发送端 噪声
接收端
实际生活中，通信系统大多为双向的，信道可以双向传输， 信源与信宿合为一体，变换器与反变换器也合为一体。
通信：用任何方法，通过任何媒体，将 信息从一地传送到另一地，从广义上均 可称为通信。 我们现在的通信一般指的是电子通信 （使用电信号：电压、电流、电磁波）
• 频率是周期T的倒数，f=1/T • 角频率w=2πf=2π/T； 单位是弧度/S • 相位是用一个周期内时间的相对位置来 度量的
B、频域的概念： • 由傅里叶级数和傅里叶变换可知，任 何信号都是由不同频率的正弦波成分 组成的，任何信号都可以分解成不同 频率的正弦波信号 • 信号的频谱就是信号所包含的频率范 围 • 信号的带宽就是频谱的宽度 • 例如某个信号S（t）包含了三个频率 成分：f1，3f1，5f1 那么S（t）的带宽为5f1-f1=4f1
（2）数据传输速率：每秒能传输的二进制信息位数 • 单位为：位/秒，b/s, bps • 定义为：S=1/T· log2N =B· log2N • 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。 • 当N=2时，S=B （在二元调制方式中） • 当N>2时，S>B （在多元调制方式中）
2、数字数据的模拟信号编码——频带传输
• 为了利用廉价的公共电话交换网来实现计算机之间的远 程通信，必须将数字数据变换成模拟信号来传输
数字信号 音频信号 音频信号 数字信号
工作站A——MODEM——公共电话网——MODEM—— 工作站B • 因为电话网为频带模拟信道，频带范围仅4KHZ；数字 信号的频宽范围可从0HZ-几千MHZ，故必须要变换成 电话网所允许的音频频带范围 • 模拟信号传输的基础是载波 • 载波是频率和幅度都相当稳定的电磁波（正弦波） • 载波具有三大要素：幅度、频率和相位
C、数据传输的形式： 在通信系统中，要把数据从一个地方 传送到另一个地方总是要借助于一定的物理 信号(如电磁波、远红外和光） 有二种数据，有二种信号，于是就产 生了四种数据传输形式 （1）模拟数据的模拟信号传送：电话系统 对于音频电话通信：声音信号的频率是 300-3400HZ，国际标准取4KHZ为一个标 准话路所占用的频带宽度。 频带比音频还小的设备叫做窄带设备（如 用于速率较低的电报传输）。 频带比单个音频信道的频带宽的设备叫做 宽带设备
例：四相调制解调器，采用T=833×10-6s的单 位脉冲，该脉冲与两个比特组合的双比特相对 应，即N=4，这时数据速率为 S=1/T· log24=1/（833×10-6×2） =2400bps 而B=1/T=1200 baud 注：1 s=103 ms （毫秒） 1kb=1000 bit 1ms=103μs （微秒） 1Mb=1000 kb 1μs=103 ns（毫微秒） 1Gb=1000 Mb
二、数据和信号 1、数据和信号的概念：
A、数据——定义为有意义的实体，它涉及到事物 的存在形式。
模拟数据：是在某个区间内连续变化的值
数据可分为
数字数据：是在某个区间内离散的值
例如：声音、图象、温度、压力等为模拟数据 例如：十进制数字等为数字数据
B、信号——是数据的电子或电磁编码
模拟信号：随时间连续变化的电流、电压 或电磁波，可利用其某个参数（如幅度、 频率、相位）来表示要传输的数据
香农定理（Shannon）
• • • • • • 香农研究了受随机热噪声干扰的信道的 情况（也是理想状态） C=H· log2（1+S/N） H为信道带宽 C为信道容量 S为信号功率 N为噪声功率，S/N为信噪比 由于实际使用的信道的信噪比都要足够 大，常表示成10· log10（S/N），以分 贝（db）为单位来计量
（4）信道的容量：
• • • 信道每秒所能传输的比特数（表示信道可以 传输的最大数据速率） 单位：bit/s，bps 信道的容量是受信道的带宽所限制的 带宽——任何实际的信道所能传输信号 的频率都是有一定范围的，该范围称为信道 的通频带宽——简称带宽 一个信道，若对于从0到截止频率fc的 信号通过时，振幅不会衰减，或者衰减很小， 而当超过该频率时，振幅就会大大衰减，则 此信道的带宽为fc（单位：HZ）。