计算机网络技术基础教程-数据通信基础
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5
模拟信号：是指信号的幅度随时间呈连续变 化的信号，即在时间特性上幅度（信号强度） 的取值是连续的，一般用连续变化的电压表 示。比如：语音信号、电视图像信号、温度 压力传感器的输出信号以及许多遥感遥测信 号都是模拟信号。
6
数字信号：是在时间上不连续的、离散的信 号，即在时间特性上幅度的取值是有限的离 散值，一般用脉冲电压来表示。最简单也是 最常用的数字是二进制数字0和1，分别表示 脉冲电压的低电平和高电平两个状态信号。 比如：电报、计算机数据、数字电话信号和 数字电视信号等都是数字信号。 模拟信号与数字信号，在传输过程中都会受 到干扰导致信号的变形。但数字信号的可靠 性比模拟信号要高。 模拟信号和数字信号是可以相互转换的。模 拟信号通过模数转换变为数字信号，数字信 号通过数模转换变为模拟信号。
数据通信系统的主要任务是及时准确地把数 据从信源传递到信宿。 评价一个数据通信系统的性能时，可从如下 两个方面考虑： – 数据传输的有效性： 数据传输速率、信道带宽、传输延迟 – 数据传输的可靠性： 误码率
13
1. 信道带宽
信道的带宽：指在该信道上能够不失真地传 送信号的频率范围，通常取信道频率响应曲 线上幅度频带中心处值的0.707倍的两个频 率之间的宽度作为信道的带宽。 图中，带宽B =f2-f1，其中f1和f2分别是信道 能通过的最低频率和最高频率，它们是由信 道的物理特性决定的。
17
一般地，一个码元携带的信息量I与码元所 取离散值的个数V之间存在如下关系： I = log2V 无噪声有限带宽信道的最大数据传输速率： 即单位时间内在信道上传送的信息量： Rb = RBlog2V= 2Blog2V Rb表示数据传输速率，它的单位是比特每秒 （bits per second），简写为bps或b/s。
10
根据传输信号的不同，数据通信系统可分为 模拟通信系统和数字通信系统。 数字通信系统是用数字信号传输数据的通信 系统。 模拟通信系统是用摸拟信号传输数据的通信 系统。
11
数据通信系统的实例
两台计算机通过调制解调器，经由公用电话 网进行通信。
12
2.1.3 数据通信系统的性能指标
主机
计算机/终端
33
3.2.5 基带传输和频带传输
数据信号的传输方法有基带传输和频带传输 两种。 基带传输是指在数字信道上传输数字信号的 方法。 频带传输是指利用模拟信道传输数字信号的 方法。
34
基带传输
在数据通信中，二进制比特序列0和1的数字信 号是典型的矩形脉冲信号。 基带：矩形脉冲信号的固有频带 基带信号：矩形脉冲信号 基带传输：在数据通信信道上直接传输数据的 基带信号的通信方式 基带传输是一种最简单最基本的传输方式 基带传输的优点：在不改变数字信号波形的情 况下直接传输数字信号，具有速率高和误码率 低等优点。 基带传输适合于近距离（几公里以内）传输， 基带信号不适合远距离传输
计算机 计算机 计算机 计算机 交换设备
计算机
计算机
32
多点线路连接是指各个站点通过一条公共通信 线路连接。 在多点线路连接方式中，一条线路被所有的站 点共享，若所有的站点可以同时发送数据，则 这条线路在空间上是共享的，通常采用频分复 用或波分复用技术传输数据；若所有的站点只 能轮流使用线路发送数据时，那么它在时间上 是共享的，通常采用时分复用技术传输数据。
28
3.2.3 同步方式
1. 2.
对于串行传输，在传输过程中，发送方和接 收方必须在时间上保持同步，才能准确地传 送信息。 目前所采用的同步方式有两种： 异步传输方式 同步传输方式
29
1. 异步传输方式
在异步传输方式中，各个字符分开传输，每 一字符的起始时刻可以为任意，字符之间插 入同步信息。 优点：简单，不需要在线路两端设置专门的 同步设备；缺点：每发送一个字符就要填加 一对起止信号，降低了传输的效率。
3
2.1 数据通信的基本概念
信息、数据与信号的概念 数据通信系统的模型 数据通信系统的性能指标
4
3.1.1 信息、数据和信号
通信的目的是交换信息。信息的载体可以是 数字、文字、语音、图形或图像等。而数据 是信息的表现形式，在计算机内信息用二进 制代码数据（0或1）来表示。反过来，信息 则是数据的具体内容和解释，有具体的含义。 信息涉及数据所表现的内涵，而数据涉及信 息的表现形式。而数据是通过信号进行传输 的。 信号是数据在传输过程中的具体物理表现形 式，通常的表示形式是电磁波信号。信号可 分为模拟信号和数字信号两种。
14
2.数据传输速率
数据传输速率也称为比特率，是指信道每秒 所能传输的二进制比特数，单位为bps。 数据传输速率的高低，由每位数据所占用的 时间决定 。 码元传输速率：单位时间内通过信道传输的 码元个数（一个数字脉冲称为一个码元）。 若信号码元宽度为T秒，则码元传输速率RB = 1/T。 码元速率的单位为波特（Baud），所以码元 传输速率也称为波特率。
7
2.1.2 数据通信系统的模型
数据通信是计算机与计算机或计算机与其他数 据终端之间传输数据的过程。数据通信技术是 计算机技术和通信技术相结合的产物。 下图给出了一个通信系统的基本模型，通信系 统由源系统、目的系统和传输系统组成。
信源
转换器
信道
反转换器
信宿
源系统Βιβλιοθήκη 传输系统目的系统8
源系统：一般由信源和转换器组成。信源是发 出待传送数据的设备。信源设备产生要传输的 数据，转换器将信源产生的数据编码为能在传 输系统中传输的信号。 目的系统：由信宿和反转换器组成。信宿是接 收所传送数据的设备。其中反转换器负责接收 传输系统传过来的信号，并将其转换为能够被 信宿设备处理的数据，信宿设备接收从反转换 器传来的数据并进行处理。 传输系统：也称为信道，它是源系统和目标系 统间传输数据信号的通路。
35
频带传输
频带传输方式是将数字信号调制成模拟音频信号 后再发送和传输，到达接收端时再把音频信号解 调成原来的数字信号。 在采用频带传输方式时，要求在发送端安装调制 器，在接收端安装解调器。 在实现全双工通信时，则要求收发两端都安装调 制解调器。 频带传输不仅可以利用电话系统传输数字信号， 而且可以实现多路复用，提高信道的利用率。 频带传输既适合于近距离（几公里以内）传输， 也适合远距离传输
36
3.3 数据编码
数字数据的数字 信号编码 数字数据的模拟 信号编码 模拟数据的数字 信号编码
37
3.3.1 数字数据的数字信号编码
利用数字通信信道直接传输数字数据信号的 方法称为数字信号的基带传输。 数字数据在传输之前，需要进行数字编码。 常用的数字数据的编码方式有三种： 1.不归零编码 2.曼彻斯特编码 3.差分曼彻斯特编码。
15
3.信道容量
信道的容量是指信道传输数据速率的上限， 即信道的最大传输速率，一般表示为单位时 间内最多可传输的二进制数据的位数。 奈奎斯特定理给出了有限带宽、无噪声离散 信道的信道容量。 香农定理给出了有噪声信道的信道容量与带 宽的关系。
16
奈奎斯特定理
奈奎斯特定理（无噪声有限带宽信道的最大 码元传输速率的公式）：若信道带宽为B，则 最大码元传输速率为RB = 2B 信号码元携带的信息量由码元所取离散值的 个数决定。若码元只取两个离散值，则一个 码元携带1比特（bit）信息；若码元可取4种 离散值，则一个码元携带2比特信息。
3. 全双工通信
可同时双向传输数据的通信方式称为全双工通信。
25
26
3.2.2 传输方式
数据信号在通信信道中的基本传输方式分为: 并行传输：同时传输一组比特； 串行传输：逐个地传输所有的比特
27
并行传输 – 优点：传送速率高，收发双方之间不存在 字符同步的问题 – 缺点：需要多个并行信道，增加了设备的 成本 – 不适合用于长距离通信的场合 串行传输 – 优点：只使用一条信道，降低了设备的成 本，且易于实现 – 缺点：效率较低，需要解决同步问题 – 常用于长距离的数据传输
9
信道是通信双方 以传输介质为基础的传输数 据的通道，是建立在通信线路上的。一条传 输介质构成的通信线路上可以包含多条信道。 信道可分为模拟信道和数字信道。用以传输 模拟信号的信道叫做模拟信道；用以传输数 字信号的信道叫做数字信道。 信道还可按传输介质的物理类型，分为有线 信道和无线信道。有线信道就是由有线传输 介质（如双绞线、同轴电缆、光缆等）构成 的通信信道；无线信道就是由无线传输介质 （如微波、卫星）构成的通信信道。
第3讲
数据通信基础
1
主要内容
数据通信的基本概念 数据传输模式 数据编码技术 多路复用技术 数据交换技术 差错控制
2
学习要求
理解信息、数据与信号的概念 掌握数据通信系统的模型及其性能指标 理解并能区分三种不同的通信方式 掌握并行传输和串行传输两种基本的传输方式 掌握异步传输和同步传输两种同步方式 掌握数字数据的数字信号编码方案 掌握常用的调制解调技术 理解脉冲编码调制的原理及过程 理解并掌握几种常用的多路复用技术 理解并掌握几种常用的数据交换技术 掌握差错控制的原理及方式 了解几种常用的检纠错码
30
2. 同步传输方式
同步传输方式是以固定的时钟节拍来串行传输 数据的一种方法。在传输的数据流中，各码元 的宽度相同且字符间无间隙。为使接收方能够 从连续不断的数据流中正确区分出每个比特， 首先必须建立收发双方的同步时钟。 效率更高，实现起来较为复杂。
31
3.2.4通信线路的连接方式
通信线路的连接方式可分为点对点连接和多 点连接方式。 点对点的连接就是在发送端和接收端之间采 用一条线路连接，使用的线路可以是专用线 路、租用线路或交换线路。 使用租用或交换线路的连接方式，适合于在 地理上比较分散的站点之间传输数据，比如 通过公用电话交换网，实现点-点的连接。
18
例：对于普通电话线路，带宽为3000 Hz，其 最高码元传输速率为6000 Baud，而最高数据 传输速率可随编码方式的不同取不同的值， 如果1个码元能够携带3 bit的信息量，则最高 数据传输速率为18000 bps。
19
香农定理
按奈奎斯特定理给出的是无噪声的理想情况 下的极限值。实际上，信道会受到各种噪声 的干扰，因而远远达不到按奈奎斯特定理计 算出的数据传输速率。 1948年，香农给出了有限带宽且有噪声干扰 的信道的最大数据传输速率计算公式：C = Blog2(1+S/N) 这个公式称为香农定理，其中，C为最大数 据传输速率，B为信道的带宽，S为信道内所 传信号的平均功率，N为信道内部的噪声功 率，S/N叫做信噪比。
23
3.2 数据传输模式
1.
2.
3.
数据传输模式定义了比特组合从一个设 备传输到另一个设备的方式，它包括： 通信方式 传输方式 同步方式
24
3.2.1 通信方式
1. 单工通信
在通信线路上，数据只可按一个固定的方向传送而 不能进行相反方向传送的通信方式，称为单工通信。
2. 半双工通信
数据可以双向传输，但不能同时进行，采用分时间 段传输，在任一时刻只允许在一个方向上传输信息，这 种通信方式称为半双工通信。
21
5.信道延迟
信号沿信道传输需要一定的时间，这就是信 道延迟。 信道延迟＝发送和接收处理时间＋传输介质 的延迟时间＋发送和接收设备的响应时间＋ 通信设备转发时间 信道的延迟是产生信号失真的重要原因之一。
22
6.信道的利用率
吞吐量是信道在单位时间内成功传输的信息 量。单位为 bps。 例如某信道在10分钟内成功传输了8.4Mb的数 据，则该信道的吞吐量为8.4Mb/600s=14Kbps. 利用率是吞吐量与最大数据传输率之比。
20
4. 误码率
误码率：表示传输数据时出现差错的概率 定义为： Pe = 出现错误的码元数/传输的总码元数 特别地，在二进制系统中 Pb = 出现错误的比特数/传输的总比特数 Pb和Pe之间存在着一定的换算关系，但它与 译码方法和选用的码型有很大关系，较为复 杂。在一般情况下有Pb < Pe，并且当且仅当 在二进制系统中才有Pb = Pe。
模拟信号：是指信号的幅度随时间呈连续变 化的信号，即在时间特性上幅度（信号强度） 的取值是连续的，一般用连续变化的电压表 示。比如：语音信号、电视图像信号、温度 压力传感器的输出信号以及许多遥感遥测信 号都是模拟信号。
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数字信号：是在时间上不连续的、离散的信 号，即在时间特性上幅度的取值是有限的离 散值，一般用脉冲电压来表示。最简单也是 最常用的数字是二进制数字0和1，分别表示 脉冲电压的低电平和高电平两个状态信号。 比如：电报、计算机数据、数字电话信号和 数字电视信号等都是数字信号。 模拟信号与数字信号，在传输过程中都会受 到干扰导致信号的变形。但数字信号的可靠 性比模拟信号要高。 模拟信号和数字信号是可以相互转换的。模 拟信号通过模数转换变为数字信号，数字信 号通过数模转换变为模拟信号。
数据通信系统的主要任务是及时准确地把数 据从信源传递到信宿。 评价一个数据通信系统的性能时，可从如下 两个方面考虑： – 数据传输的有效性： 数据传输速率、信道带宽、传输延迟 – 数据传输的可靠性： 误码率
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1. 信道带宽
信道的带宽：指在该信道上能够不失真地传 送信号的频率范围，通常取信道频率响应曲 线上幅度频带中心处值的0.707倍的两个频 率之间的宽度作为信道的带宽。 图中，带宽B =f2-f1，其中f1和f2分别是信道 能通过的最低频率和最高频率，它们是由信 道的物理特性决定的。
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一般地，一个码元携带的信息量I与码元所 取离散值的个数V之间存在如下关系： I = log2V 无噪声有限带宽信道的最大数据传输速率： 即单位时间内在信道上传送的信息量： Rb = RBlog2V= 2Blog2V Rb表示数据传输速率，它的单位是比特每秒 （bits per second），简写为bps或b/s。
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根据传输信号的不同，数据通信系统可分为 模拟通信系统和数字通信系统。 数字通信系统是用数字信号传输数据的通信 系统。 模拟通信系统是用摸拟信号传输数据的通信 系统。
11
数据通信系统的实例
两台计算机通过调制解调器，经由公用电话 网进行通信。
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2.1.3 数据通信系统的性能指标
主机
计算机/终端
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3.2.5 基带传输和频带传输
数据信号的传输方法有基带传输和频带传输 两种。 基带传输是指在数字信道上传输数字信号的 方法。 频带传输是指利用模拟信道传输数字信号的 方法。
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基带传输
在数据通信中，二进制比特序列0和1的数字信 号是典型的矩形脉冲信号。 基带：矩形脉冲信号的固有频带 基带信号：矩形脉冲信号 基带传输：在数据通信信道上直接传输数据的 基带信号的通信方式 基带传输是一种最简单最基本的传输方式 基带传输的优点：在不改变数字信号波形的情 况下直接传输数字信号，具有速率高和误码率 低等优点。 基带传输适合于近距离（几公里以内）传输， 基带信号不适合远距离传输
计算机 计算机 计算机 计算机 交换设备
计算机
计算机
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多点线路连接是指各个站点通过一条公共通信 线路连接。 在多点线路连接方式中，一条线路被所有的站 点共享，若所有的站点可以同时发送数据，则 这条线路在空间上是共享的，通常采用频分复 用或波分复用技术传输数据；若所有的站点只 能轮流使用线路发送数据时，那么它在时间上 是共享的，通常采用时分复用技术传输数据。
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3.2.3 同步方式
1. 2.
对于串行传输，在传输过程中，发送方和接 收方必须在时间上保持同步，才能准确地传 送信息。 目前所采用的同步方式有两种： 异步传输方式 同步传输方式
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1. 异步传输方式
在异步传输方式中，各个字符分开传输，每 一字符的起始时刻可以为任意，字符之间插 入同步信息。 优点：简单，不需要在线路两端设置专门的 同步设备；缺点：每发送一个字符就要填加 一对起止信号，降低了传输的效率。
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2.1 数据通信的基本概念
信息、数据与信号的概念 数据通信系统的模型 数据通信系统的性能指标
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3.1.1 信息、数据和信号
通信的目的是交换信息。信息的载体可以是 数字、文字、语音、图形或图像等。而数据 是信息的表现形式，在计算机内信息用二进 制代码数据（0或1）来表示。反过来，信息 则是数据的具体内容和解释，有具体的含义。 信息涉及数据所表现的内涵，而数据涉及信 息的表现形式。而数据是通过信号进行传输 的。 信号是数据在传输过程中的具体物理表现形 式，通常的表示形式是电磁波信号。信号可 分为模拟信号和数字信号两种。
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2.数据传输速率
数据传输速率也称为比特率，是指信道每秒 所能传输的二进制比特数，单位为bps。 数据传输速率的高低，由每位数据所占用的 时间决定 。 码元传输速率：单位时间内通过信道传输的 码元个数（一个数字脉冲称为一个码元）。 若信号码元宽度为T秒，则码元传输速率RB = 1/T。 码元速率的单位为波特（Baud），所以码元 传输速率也称为波特率。
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2.1.2 数据通信系统的模型
数据通信是计算机与计算机或计算机与其他数 据终端之间传输数据的过程。数据通信技术是 计算机技术和通信技术相结合的产物。 下图给出了一个通信系统的基本模型，通信系 统由源系统、目的系统和传输系统组成。
信源
转换器
信道
反转换器
信宿
源系统Βιβλιοθήκη 传输系统目的系统8
源系统：一般由信源和转换器组成。信源是发 出待传送数据的设备。信源设备产生要传输的 数据，转换器将信源产生的数据编码为能在传 输系统中传输的信号。 目的系统：由信宿和反转换器组成。信宿是接 收所传送数据的设备。其中反转换器负责接收 传输系统传过来的信号，并将其转换为能够被 信宿设备处理的数据，信宿设备接收从反转换 器传来的数据并进行处理。 传输系统：也称为信道，它是源系统和目标系 统间传输数据信号的通路。
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频带传输
频带传输方式是将数字信号调制成模拟音频信号 后再发送和传输，到达接收端时再把音频信号解 调成原来的数字信号。 在采用频带传输方式时，要求在发送端安装调制 器，在接收端安装解调器。 在实现全双工通信时，则要求收发两端都安装调 制解调器。 频带传输不仅可以利用电话系统传输数字信号， 而且可以实现多路复用，提高信道的利用率。 频带传输既适合于近距离（几公里以内）传输， 也适合远距离传输
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3.3 数据编码
数字数据的数字 信号编码 数字数据的模拟 信号编码 模拟数据的数字 信号编码
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3.3.1 数字数据的数字信号编码
利用数字通信信道直接传输数字数据信号的 方法称为数字信号的基带传输。 数字数据在传输之前，需要进行数字编码。 常用的数字数据的编码方式有三种： 1.不归零编码 2.曼彻斯特编码 3.差分曼彻斯特编码。
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3.信道容量
信道的容量是指信道传输数据速率的上限， 即信道的最大传输速率，一般表示为单位时 间内最多可传输的二进制数据的位数。 奈奎斯特定理给出了有限带宽、无噪声离散 信道的信道容量。 香农定理给出了有噪声信道的信道容量与带 宽的关系。
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奈奎斯特定理
奈奎斯特定理（无噪声有限带宽信道的最大 码元传输速率的公式）：若信道带宽为B，则 最大码元传输速率为RB = 2B 信号码元携带的信息量由码元所取离散值的 个数决定。若码元只取两个离散值，则一个 码元携带1比特（bit）信息；若码元可取4种 离散值，则一个码元携带2比特信息。
3. 全双工通信
可同时双向传输数据的通信方式称为全双工通信。
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3.2.2 传输方式
数据信号在通信信道中的基本传输方式分为: 并行传输：同时传输一组比特； 串行传输：逐个地传输所有的比特
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并行传输 – 优点：传送速率高，收发双方之间不存在 字符同步的问题 – 缺点：需要多个并行信道，增加了设备的 成本 – 不适合用于长距离通信的场合 串行传输 – 优点：只使用一条信道，降低了设备的成 本，且易于实现 – 缺点：效率较低，需要解决同步问题 – 常用于长距离的数据传输
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信道是通信双方 以传输介质为基础的传输数 据的通道，是建立在通信线路上的。一条传 输介质构成的通信线路上可以包含多条信道。 信道可分为模拟信道和数字信道。用以传输 模拟信号的信道叫做模拟信道；用以传输数 字信号的信道叫做数字信道。 信道还可按传输介质的物理类型，分为有线 信道和无线信道。有线信道就是由有线传输 介质（如双绞线、同轴电缆、光缆等）构成 的通信信道；无线信道就是由无线传输介质 （如微波、卫星）构成的通信信道。
第3讲
数据通信基础
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主要内容
数据通信的基本概念 数据传输模式 数据编码技术 多路复用技术 数据交换技术 差错控制
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学习要求
理解信息、数据与信号的概念 掌握数据通信系统的模型及其性能指标 理解并能区分三种不同的通信方式 掌握并行传输和串行传输两种基本的传输方式 掌握异步传输和同步传输两种同步方式 掌握数字数据的数字信号编码方案 掌握常用的调制解调技术 理解脉冲编码调制的原理及过程 理解并掌握几种常用的多路复用技术 理解并掌握几种常用的数据交换技术 掌握差错控制的原理及方式 了解几种常用的检纠错码
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2. 同步传输方式
同步传输方式是以固定的时钟节拍来串行传输 数据的一种方法。在传输的数据流中，各码元 的宽度相同且字符间无间隙。为使接收方能够 从连续不断的数据流中正确区分出每个比特， 首先必须建立收发双方的同步时钟。 效率更高，实现起来较为复杂。
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3.2.4通信线路的连接方式
通信线路的连接方式可分为点对点连接和多 点连接方式。 点对点的连接就是在发送端和接收端之间采 用一条线路连接，使用的线路可以是专用线 路、租用线路或交换线路。 使用租用或交换线路的连接方式，适合于在 地理上比较分散的站点之间传输数据，比如 通过公用电话交换网，实现点-点的连接。
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例：对于普通电话线路，带宽为3000 Hz，其 最高码元传输速率为6000 Baud，而最高数据 传输速率可随编码方式的不同取不同的值， 如果1个码元能够携带3 bit的信息量，则最高 数据传输速率为18000 bps。
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香农定理
按奈奎斯特定理给出的是无噪声的理想情况 下的极限值。实际上，信道会受到各种噪声 的干扰，因而远远达不到按奈奎斯特定理计 算出的数据传输速率。 1948年，香农给出了有限带宽且有噪声干扰 的信道的最大数据传输速率计算公式：C = Blog2(1+S/N) 这个公式称为香农定理，其中，C为最大数 据传输速率，B为信道的带宽，S为信道内所 传信号的平均功率，N为信道内部的噪声功 率，S/N叫做信噪比。
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3.2 数据传输模式
1.
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数据传输模式定义了比特组合从一个设 备传输到另一个设备的方式，它包括： 通信方式 传输方式 同步方式
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3.2.1 通信方式
1. 单工通信
在通信线路上，数据只可按一个固定的方向传送而 不能进行相反方向传送的通信方式，称为单工通信。
2. 半双工通信
数据可以双向传输，但不能同时进行，采用分时间 段传输，在任一时刻只允许在一个方向上传输信息，这 种通信方式称为半双工通信。
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5.信道延迟
信号沿信道传输需要一定的时间，这就是信 道延迟。 信道延迟＝发送和接收处理时间＋传输介质 的延迟时间＋发送和接收设备的响应时间＋ 通信设备转发时间 信道的延迟是产生信号失真的重要原因之一。
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6.信道的利用率
吞吐量是信道在单位时间内成功传输的信息 量。单位为 bps。 例如某信道在10分钟内成功传输了8.4Mb的数 据，则该信道的吞吐量为8.4Mb/600s=14Kbps. 利用率是吞吐量与最大数据传输率之比。
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4. 误码率
误码率：表示传输数据时出现差错的概率 定义为： Pe = 出现错误的码元数/传输的总码元数 特别地，在二进制系统中 Pb = 出现错误的比特数/传输的总比特数 Pb和Pe之间存在着一定的换算关系，但它与 译码方法和选用的码型有很大关系，较为复 杂。在一般情况下有Pb < Pe，并且当且仅当 在二进制系统中才有Pb = Pe。