第一章數據通信的基本知識課件課程內容：

通過本課程的學習，使學生掌握計算機網絡技術與通信技術的基本理論和基本原理，了解現代通信新技術的應用，熟悉各種常用的網絡與通信協議，重點是TCP/IP協議。1.

謝希仁.計算機網絡教程.北京：人民郵電出版社，20022.

石碩編著.計算機網絡實驗技術.北京：電子工業出版社，

2002

3.

朱艷琴，錢龍華等.計算機網絡.北京：北京希望電子出版社，2002參考資料：考核方式：

1.44學時/3學分。

2.考查課。

3.平時成績占60%，期末考試成績（閉卷）占40%。

4.平時成績包括作業、提問、測驗、出勤情況。

5.平時成績加分因素。第1章數據通信的基本知識主要內容：1.1數據通信的基本概念1.2數據傳輸與編碼1.3數據通信方式1.4差錯控制技術

1.1 數據通信的基本概念1.1.1通信系統的構成圖1-1遠程計算機之間通信

例：

將上面的計算機間傳輸文件的系統抽象化，就是數據通信系統的一般結構模型，如圖1-2所示。

1.1.1通信系統的構成信息數據信號圖1-2通信系統的結構模型

1.1.1通信系統的構成源系統一般包括以下兩部分：1.源站：輸入設備2.發送器：目的系統一般包括以下兩個部分：1.接收器：2.目的站：輸出設備，目的站設備從接收器獲取傳送來的信息。1.1.2信息、數據和信號1.信息不同領域對信息有各種不同的定義，一般認為信息是人對現實世界事物存在方式或運動狀態的某種認識。2.數據和信號數據(data)是運送信息的實體，而信號(signal)則是數據的電氣的或電磁的表現。1.1.2信息、數據和信號圖1-3信息、數據和信號

1.1.2信息、數據和信號圖1-4模擬信號和數字信號

信道(channel)是數據信號傳輸的必經之路，由相應的傳輸線路和傳輸設備組成。信道的分類方法有很多:1.物理信道和邏輯信道2.有線信道和無線信道3.模擬信道和數字信道4.專用信道和公共交換信道

1.1.3信道及信道的分類1.1.4碼元和碼字及數據單元1.碼元和碼字在計算機網絡中傳送的每一位二進制數字被稱為“碼元”。由7個碼元組成的二進制序列被稱為“碼字”。2.數據包大多數計算機網絡都不能連續傳輸任意數量的數據，網絡系統把數據分成小塊單獨發送，這種小塊稱作包(packet)。

1.1.4碼元和碼字及數據單元3.數據幀(frame)

盡管術語包指的是小數據塊的一般概念，但在確切的包格式方面沒有達成完全一致。相反，每種硬件技術都定義了能在該硬件上傳輸的包的細節，并指明了包的位串是如何傳輸的。為了幫助區分包傳輸的一般概念與特定硬件技術所使用的包，我們用術語幀(frame)來定義在特定網絡類型中的包。

1.1.5通信系統的主要技術指標1.數據傳輸速率S(比特率)和波形調制速率B(波特率)(1)比特率S比特率是一種數字信號的傳輸速率，它是指在有效帶寬上，單位時間內所傳送的二進制代碼的有效位(bit)數。(2)波特率B波特率是一種調制速率，也稱波形速率。它是指數字信號經過調制后的速率，即經過調制后的模擬信號每秒鐘變化的次數。B=1/T(baud)1.1.5通信系統的主要技術指標

比特率與波特率之間有下列關系：S=Blog２N(b/s)注意：常在數字數據變化成模擬信號傳輸時用到波特率的概念，也稱為調制速率。1.1.5通信系統的主要技術指標2.帶寬及與數據傳輸速率的關系帶寬是指物理信道的頻帶寬度，即信道允許傳送信號的最高頻率和最低頻率之差，單位為赫茲(Hz)。在許多資料上也借用帶寬這個詞來描述數字信道的容量，比如說某信道的帶寬為56KHz，此時和說該信道的數據為56Kbit/s含義是相同的。

注意：

任何信號都可以分解成多種不同頻率信號的和。信號的帶寬是指最高頻率與最低頻率的差，即頻率范圍。信號的帶寬應取其主要頻率范圍。傳輸系統的帶寬要遠遠高于信號的帶寬。帶寬的單位為hz。數字傳輸系統中，帶寬用數據傳輸率表示。

那系統帶寬與數據傳輸率又如何的關系呢？

3.信道容量和Shannon定理

信道容量是一個極限參數，它一般是指在傳輸系統的給定帶寬上能夠傳輸的最大數據傳輸速率，信道容量C的單位是bit/s，它依賴于所傳送信號的能量和信道噪聲特性。Shannon把信道容量和帶寬聯系起來定義了著名通信定理——香農定理：

（

（）式中S是信道中傳送的信號功率，N是信道帶寬內總的噪聲功率，而S/N時信號和噪聲能量畢，即信噪比。W為帶寬。

香農定理指出：(1)提高信噪比S/N能夠增加信道容量C。(2)當噪聲功率N→0時，信道容量C→∞，既無干擾信道的容量為∞。(3)信道容量一定時，帶寬W與信噪比S/N之間可以互換，既提高信噪比與提高帶寬具有等價意義。

3.信道容量和Shannon定理4.誤碼率P(errorrate)

(1)誤碼率P定義誤碼率是衡量數據通信系統在正常工作情況下傳輸可靠性的指標，其定義是：二進制碼元在傳輸系統中被傳錯的概率。Pe=Ne/N

Ne——其中出錯的位數；N——傳輸的數據總數。

(2)誤碼率的性質、獲取與實用意義性質：誤碼率是衡量數據通信系統在正常工作情況下傳輸可靠性的指標。獲取：在實際數據傳輸系統中，人們通過對某種通信信道進行大量重復測試，才能求出該信道的平均誤碼率。

4.誤碼率P(errorrate)1.2.1數據傳輸

1.2數據傳輸與編碼

數字數據數字信號模擬數據模擬信號1.2.2基帶傳輸與信號編碼使用數字信號傳輸數據時，數字信號幾乎要占有整個頻帶，也就是終端設備把數字信號轉換成脈沖電信號時，這個原始的電信號所固有的頻帶，稱為基本頻帶，簡稱基帶。在信道中直接傳送基帶信號(未作處理的原始信號)時，稱為基帶傳輸。基帶傳輸也就是把數字數據變成數字信號傳輸。1.2.2基帶傳輸與信號編碼在基帶傳輸中，常采用以下3種編碼方法。如下圖所示。

1.2.2基帶傳輸與信號編碼1.不歸零NRZ編碼(Non-ReturntoZero)編碼規則：使用負電壓表示0，正電壓表示1。優點：簡單、容易實現。缺點：難以確定一位的結束和另一位的開始，并且當出現一長串連續的1或連續的0時，在接收端無法從收到的比特流中提取同步信號。所以為保證收發雙方同步，必須在發送NRZ碼的同時，用另一個信道同時發送同步時鐘信號。應用：計算機串口與調制解調器之間使用的就是基帶傳輸中的不歸零編碼技術。

1.2.2基帶傳輸與信號編碼2.曼徹斯特編碼(Manchester)編碼規則：將每個碼元再分成兩個相等的間隔，在固定的每位中間變換電位。即1是由低至高電平轉換，其前半個碼元的電平為低電平，后半個碼元的電平為高電平。0正好相反，從高電平到低電平轉換，即其前半個碼元為高電平，后半個碼元為低電平。優點：可以保證在每一個碼元的正中間出現一次電平的轉換，同時由每位中間調變提供了同步時鐘定時，這對接收端提取同步信號非常有利，是一種“自含時鐘”的編碼方式。缺點：效率較低。3.差分曼徹斯特編碼(DifferentialManchester)編碼規則：它與曼徹斯特編碼有個共同點，即在每一個碼元的位中間有一次電平的變換，1表示前半個碼元的電平與上一個碼元的后半個碼元的電平一致；0則為其前半個碼元的電平與上一個碼元的后半個碼元的電平相反，即用每位開始時有無電平的跳變來表示0或1

的編碼。優點：是“自含時鐘”的編碼方式，可獲得較好的抗干擾性能。缺點：實現技術復雜。1.2.2基帶傳輸與信號編碼1.利用模擬信道實現數字信號傳輸的方法稱為頻帶傳輸。2.在發送端將數字信號轉換成模擬信號的過程稱為“調制”，相應的設備稱為“調制器”。在接收端將模擬信號還原成數字信號的過程稱為“解調”，相應的設備稱為“解調器”。同時具備調制和解調功能的設備稱為“調制解調器”。

也就是把數字數據變成模擬信號傳輸。1.2.3頻帶傳輸與調制1.振幅調制(amplitudemodulation)振幅調制又叫振幅鍵控(AmplitudeShiftKeying-ASK)它的調制方法是保持角頻率ω和相位φ不變，而只改變振幅A。當傳輸的基帶信號為1時，振幅調制信號對應于某個振幅值A；當傳輸的基帶信號為0時，振幅調制信號的振幅為0。對應于基帶信號0和1，在振幅調制中，相應的載波信號可以表示為：U(t)=Asin(ωt+φ)數字“1”U(t)=0sin(ωt+φ)=0數字“0”波形圖如下圖所示。

1.2.3頻帶傳輸與調制2.頻率調制(FrequencyShiftKeying-FSK)頻率調制也叫頻率鍵控，它使用數字基帶信號控制載波信號的頻率。在頻率調制中，振幅和相位保持不變，角頻率隨基帶信號而改變，對應于數字1，角頻率為ω1

，對應于數字0，角頻率為ω2。相應的頻率調制信號可以表示為：U(t)=Asin(ω1t+φ)數字“1”

U(t)=Asin(ω2t+φ)數字“0”波形圖如下圖所示。

1.2.3頻帶傳輸與調制1.2.3頻帶傳輸與調制3.相位調制((PhaseShiftKeying-PSK)相位調制也叫相位鍵控，在相位調制中，振幅A和頻率ω保持不變，初始相位為變量。相位調制又可分為絕對相位調制和相對相位調制。(1)絕對相位調制在絕對相位調制中，用相位的絕對值表示數字信號“0”、“1”。例如用初始相位為0表示數字“1”，初始相位為π表示數字“0”，相應的調制信號可以表達為：U(t)=Asin(ωt+0)數字“1”U(t)=Asin(ωt+π)數字“0”波形圖如下圖所示。(2)相對相位調制在相對相位調制中，用當前波形的初始相位相對于前一個波形的初始相位的偏移值來表示數字信號“0”、“1”。例如，用當前波形的初始相位相對于前一個波形的初始相位的偏移值為0表示數字信號“0”；偏移值為π表示數字信號“1”。其對應的相對相位調制波形圖如下圖所示。1.2.3頻帶傳輸與調制模擬信號編碼方法

補充1.模擬數據變成數字信號傳輸:

常用方法如PCM技術（脈沖編碼調制）（1）PCM技術分為三過程：采樣：每隔一段時間對信號進行取樣量化：對信號取整并分級編碼：用若干位二進制數表示量化級別待傳序列：0010011101……補充注意：采樣定理。f采＞＝2*信號的最高次頻率或

f采＞＝2*信道帶寬例題：某信道帶寬為4kHZ，傳輸模擬數據。采用128級量化，問編碼后的數據傳輸率為多少？解：每采樣一次得到7bit

8k*7bit=56kbps2.模擬數據變成模擬信號傳輸:

使傳輸更有效：AM、FM

例如：把慢速的模擬信號疊加在快速的載波（正弦波）上。

1.3數據通信方式1.3.1串行與并行通信1.并行通信并行通信中，一般有8個數據位同時在兩臺設備之間傳輸，如下圖所示。圖中，發送端和接收端有8條數據線相連，發送端同時發送8個數據位，接收端同時接收8個數據位，其中1位可以作為校驗位。典型的并行通信的例子是計算機和并行打印機之間的通信。

組成數據的各位被同時發送。

圖

并行數據傳輸1.3數據通信方式1.3.1串行與并行通信2.串行通信在串行通信中，收發端一次只能發送或接收1個數據位，數據位依次串行的通過通信線路。

發送器接收器并串轉換串并轉換圖串行數據傳輸1.3.2同步與異步通信1.同步通信(1)什么是同步通信？在通信中，接收端要按發送端所發送的每個碼元或數據塊的時鐘頻率以及起止時間來接收數據，這樣才能保證接收的數據與發送的數據一致，這就是所謂的“同步”。在通信時，接收端要校準自己的時間基準和時鐘頻率，以便和發送端保持一致，這一過程稱為“同步過程”。首先是位同步，然后是字符同步，進而是幀（多個字符組成）同步。

1.位同步：

1.3.2同步與異步通信首先是位同步，然后是字符同步，進而是幀（多個字符組成）同步。

1.位同步：(1)

自同步法和外同步法接收方收到數據后必須首先識別同步時鐘，在近距離傳輸中可另加一條數據線來實現同步，即除數據傳輸線外，還需要專門的時鐘傳輸線，這種方法被稱為“外同步”。在遠距離傳輸過程中必須加入時鐘同步信號來解決同步問題，即從數據信息波形本身提取同步信號，也稱之為“自同步法”。

(2)

自同步傳輸的特點同步傳輸有較高的傳輸效率，但實現起來較復雜，常用于高速傳輸中。1.3.2同步與異步通信1.3.2同步與異步通信

2.字符同步：異步通信與同步通信(1)什么是異步通信？所謂的異步同信指的是這樣的一種傳輸方式：每個字符都獨立傳輸(字符/次)，在每個字符前加上起始位，在它的后面加上結束位，以這種方式來確定一個字節的開始和結束，如下圖所示。

圖異步傳輸方式(2)異步傳輸的特點字符與字符之間出現的時間間隔是任意的。一是每一個字符都要加上輔助位造成傳輸效率降低；二是由于收發雙方的時鐘差異決定了這種方式傳輸速率不能太高，常用在低速傳輸中。例如：傳送8位數據位，1位起始位，1位停止位。傳輸效率為8/10=80%。1.3.2同步與異步通信(3)同步通信的特點先發1-2個同步字符，使發送、接收雙方保持時鐘同步后，然后再發送數據位，而且只發送數據位。

適合大量數據傳輸。例如：傳送200個字符，每個字符8位，發送2個同步字符，每個同步字符7位，則采用同步通信的傳輸效率為

（200*8）/（200*8+2*7）=99.13%。又例：而對于異步通信（1位起始位與1位停止位）：（200*8）/（200*10）=80%1.3.2同步與異步通信單工通信單工通信指的是數據流只向一個方向傳遞，發送方只負責發送，接收方只負責接收，如下圖所示。典型的例子如電視機或發報機。2.雙工通信雙工通信分為兩種：一種稱為全雙工通信：雙向同時。另一種稱為半雙工通信:雙向不同時。注意：單工、半雙工和全雙工通常是指串行通信的。1.3.3數據通信的方向1.3.3數據通信的方向圖數據通信的方向

1.4 差錯控制技術信號在物理信道傳輸過程中由于各種因素的影響，都會造成信號的失真，致使傳輸存在差錯。概括地說，傳輸中的差錯都是由于噪聲所引起的，信號在傳輸過程中受到的噪聲干擾有兩種：熱噪聲（不可避免）和沖擊噪聲。為減少傳輸差錯，提高傳輸質量，可以采取以下措施：1)改善通信線路的質量，降低誤碼率；2)采用差錯控制技術檢測錯誤，糾正錯誤，把差錯限制在盡可能小的允許范圍內。

1.反饋重發技術首先在發送端將信息進行檢錯編碼，然后將檢錯碼經信道發送至接收端。接收端譯碼后判斷是否有錯，若有錯，要求發送端重傳，直至傳送正確；若無錯，則發送無錯確認信號給發送端。

1.4 差錯控制技術1.4 差錯控制技術2.前向糾錯技術首先在發送端將信息進行糾錯編碼，然后將糾錯碼經信道發送至接收端，接收端譯碼后若發現錯誤則自動糾正錯誤，而不需要重傳信息，但是該方法比較復雜，實現比較困難。

奇偶校驗分為垂直奇偶、水平奇偶、垂直水平奇偶校驗。VRC是將數據分組，每一組數據后附加一個校驗位，使得該組數據(包括校驗位)中1的個數為偶數(偶校驗)或奇數(奇校驗)。

也可以說垂直奇偶校驗是在一個字符內部進行校驗。水平奇偶校驗是針對不同字符的相同位進行校驗。1.4.1奇偶校驗

1.4.1奇偶校驗采用垂直奇校驗時的情況如下表：能查出奇數位出錯。方塊校驗也稱水平垂直冗余校驗LRC。這