数据通信概念

据速率低的线路。（10～1500字符/秒）
同步传输
同步传输：以多个字符或者多个比特组合成的数据块
（帧）为单位的数据传输，同步字符标志起始和结束， 一帧一起发送。
以数据帧形式（无起始位和停止位）传送数据 一个字符紧接在另一个字符之后，字符间没有间隔。
分为面向字符和面向比特（位）两种：
简单信号（正弦波）: 时域和频域
含有直流分量的正弦信号
数字信号： 方波
研究表明：方波是一种复合信号
频谱与带宽


信号的频谱 信号所包含的频率范围。 信号的绝对带宽 信号的频谱宽度。 信号的带宽 信号频谱的某一窄小频带范围集中了信号的绝大部 分能量。这一频带称为“有效带宽”或者“带宽”。 信道带宽 —— 信道所能传送的频率范围。
面向字符：帧内数据由一组字符组成，以同步字符（SYN）
来标识一个帧的开始，适用于数据为字符类型的帧。 面向比特：帧内数据由一组比特组成，以特殊位序列 （7EH）作为帧（起始）标志来标识一个帧的开始，适用 于任意数据类型的帧。
同步传输的帧格式示例
帧起始 8bit 控制信息 m 数据 0 - n 校验和 8-32 帧结束 8bit
必须一致。 数据通信中同步问题十分关键。发送端一位一位地把信息通 过介质发往接收端，接收端必须识别信息的开始和结束，而 且必须知道每一位的持续时间。只有这样，接收端才能从传 输线路上正确地取出被传送的数据。 所用技术：异步传输和同步传输。 几个1？ 1 1
0
0 0
0
0
异步传输
异步传输
：以字符为单位的数据传输，用起始 信号（或起始位）和终止信号（或结束位）来限 定每个字符，一个字符同步一次。 把信息分成一个个“字符” 进行数据传输。 每个字符包括的数据可以是5，6，7，8位等 （如一个7位的ASCII字符），数据后可再加一 位奇偶校验位。 以一个起始位（起始比特）表示字符开始 （通常是一个“0”），用一个停止位（停止比 特）表示字符结束（通常 “1”，可以取1位， 1.5位或2位）。


带 宽
传输媒体的带宽

任何传输媒体都只能传输某些频率范围内的信号，即具 有一个有限的带宽。 如果媒体带宽小于信号的有效带宽，接收将会失真。
信道带宽 > 信号带宽 信道带宽 < 信号带宽
信号才能顺利通过 信号不能顺利通过
关于数字信号


数字信号可以分解成无限个被称为“谐波”的简单正弦波， 每个谐波具有不同的振幅、频率和相位。这意味着我们通 过某个传输媒体发送一个数字信号时，可以看作是在发送 无限个简单信号。为了确保接收时的数字信号无失真，所 有谐波必须能“忠实地”通过传输媒介传送。 如果某些谐波不能传输成功，接收的信号就会失真。而现 有的传输媒体都不能实现全频率范围的传输，所以传输失 真总是存在。 并非谬论——数字信号不可能无失真传输 虽然数字信号的频谱包含了无限个具有不同振幅的频率分 量，如果我们能够传送那些大振幅的频率分量，仍可保证 在接收时重新生成合适精度的数字信号。
数据的串/并行转换

串行通信方式：数据流动方向 单工通信：数据单向传输（无线电广播） 半双工：数据可双向传输，但不能在同一时刻双向传输 （对讲机） 全双工：数据可同时双向传输（电话）
三种不同的通信方式的比较
数字数据传输形式
同步传输和异步传输
同步:收发双方比特的定时关系（传输速率、持续时间和间隔等）
起始 数据 数据 数据 数据 数据 数据 数据 校验 终止 终止 位 位0 位1 位2 位3 位4 位5 位6 位 位 位
字符1 任意间隔
字符2
字符3
字符4
任意间隔
任意间隔
异步传输示意图
接收方检测到一个起始位(起始比特)时，就启动一个时钟， 并对随后到来的比特进行计数。在接收完n个比特后，接收 方开始寻找停止位(停止比特)。当检测到停止比特时，接收 方将在下一个起始位到达前忽略所接收到的所有脉冲信号。
同步传输示意图


使用“前文”(preamble，前同步码)和“后 文”(postamble，后同步码) 来标识数据块（帧）的起 始位置 附加的传输开销小，在大数据块情况下传输效率高于异 步传输
同步方式的特点


开销少，传输效率高于异步方式，适合于高速 数据通信； 异步方式传输时，一个错误只影响一个字符的 正确接收，而同步方式传输时，一个错误会破 坏整个数据块的正确性，即整个数据块要重传。 注意：在面向位的同步方式中，数据块不是作 为字符来处理，而是作为位流来处理。
数字信号：是一系列的电脉冲,时间上离散，仅包含有限数目的预 定值(b—脉冲波)

周期信号：信号由不断重复的固定模式组成（如正弦波）
t T 周期信号 T
t
T
T
T
T
频率

频率是相对于时间的变化率。如果一个信号的值在极短 时间内发生了变化，它就是高频率。如果一个信号的值 在长时间内才发生变化，它就是低频率。 两个极端： 如果一个信号永不发生变化，它的频率是0。 如果一个信号在瞬时发生变化，它的频率是无穷大。

研究电磁信号的方法 时域:信号随时间变化的情况（时间的函数） 每个信号在不同时刻的幅值或能量，S(t) 频域:信号中频率分量的组成情况（频率的函数） 每个信号在不同频率的幅值或能量，S(f)
信息→数据→信号→在介质上传输→信号→数据→信息 通信系统任务

信号按时域可分为模拟信号和数字信号两种 模拟信号：连续变化的电磁波。时间上连续，包含无穷多个值 (a—正弦波)
二、数据通信模型

数据通信系统的模型
任何一个通信系统都可以抽象为以下模型：
信源 编码 调制 信道 解调 解码 信宿
噪声

信道

传送信号的通路。
模拟信道 ： 传输模拟信号的信道
信道
数字信道 ： 传输数字信号的信道 数字信号 模拟信号 模拟信号 数字信号 可在模拟信道上传送 可在数字信道上传送
数据通信系统的组成： 信源：产生要传输的电信号（这个信号称为基带信号）。 发送设备（编码器+变换器）：将信源产生的信号变换为适 合于信道传输的信号。最常见的变换方式是正弦调制。经 正弦调制后的信号称为频带信号。 信道：信号传输媒介的总称。信道有两种类型：有线信道 （双绞线、光纤等）；无线信道（微波、红外等）。 接收设备（反变换器+译码器）：将接收到的信号进行反变 换，从存在干扰的信号中正确无误地恢复出原基带信号。 信宿：信息传送的终点。
同步位模式（一个或多个） SYN SYN A B
可变长度的位数据块 … … X SYN
同步字符（一个或多个）
可变长度的字符数据块
典型的面向字符的同步通信规程有IBM公司的二进制同步通信
规程（Binary Synchronous Communication，BSC）。 高级数据链路控制规程（High level Data Link Control，HDLC） 是典型的面向比特的同步通信规程。
三、数据通信方式

数据通信方式 并行通信：字符编码的各位（比特）同时传输 传输速度快:一位（比特）时间内可传输一个字符； 通信成本高:每位传输要求一个单独的信道支持； 不支持长距离传输:一般不适合用于网络传输
串行通信：将组成字符的各位串行地发往线路 传输速度较低：一次一位； 通信成本较低:只需一个信道； 支持长距离传输:目前的计算机网络。
帧的开头是8个比特长的被称为“帧标志”的前同步码。 后同步码则使用同样的标志。接收设备找到标志时便确 定了帧起始位置。跟在标志后面的是某些控制字段,再后 面是数据字段(大部份协议的数据字段长度不固定), 然后 是其他的控制字段，最后又是帧标志。
面向字符和面向比特帧格式
01111110 01111110 A B … … X 01111110
频域图：连续
频域图
频域图
单方波脉冲频域图
模拟信号： 正弦波



最基本的周期模拟信号，可用三个参数表示—— 峰值振幅 (A) 信号强度之峰值 单位：伏特 频率(f) 信号变化的速率 单位：赫芝 (Hz) 周期 T = 1/f 相位() 不同时间点相对位置 正弦波可用下式表示 s(t) = A sin(2πf t + )

频率为0
频率为∞
频域的概念

傅里叶分析表明：任何电磁信号都可以看做是由 不同频率成分组成，即由一组不同振幅、频率和 相位的正弦波构造而成（叠加）。其关系可用频 域图表示。 任何一个周期信号都分解成一组不同频率的正弦 波（叠加）。 频域图：离散


任何非周期信号则可分解成无限个连续频率的 正弦波（叠加） 。
异步传输的特点

起始和停止位兼作线路两端的同步时钟，不再需要额外时 钟同步；





每个新字符开始时，接收方设备就重新启动同步。 不传输时发送方按约定送出一连串的“1”（空闲位）。 接收方根据“1”-“0”的跳变来识别一个新字符的开始。 字符之间可以有不定的间隔。 每个字符需要2至3个比特的额外开销 (约20%)。 简单而且便宜，适合于互相间隔较大的数据传输（如 键盘输入或计算机与打印机之间的通信）。以及对数

数字信号通过实际的信道

失真不严重
实际的信道 （带宽受限、有噪声、干扰和失真）
输入信号波形

失真严重
实际的信道 （带宽受限、有噪声、干扰和失真）
输出信号波形 (失真不严重)
输入信号波形
输出信号波形 (失真严重)
•数据率（数据传输率、比特率）:每秒传输多少二进制代码的 位数。单位：位/秒，记作b/s或bps •对任何传输媒体，传输带宽越大，成本越高。 • 如果数字信号的数据率是W bps，只要带宽达到2W Hz (甚 至更窄一点）就可以保证信号传输的正确性。