第二章数据通信基础知识数据通信原理
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计埒机网终扶木第二章数据通信基础复习要求1、掌握数据通信的基本概念2、了解数据的传输方式3、了解数据交换技术知识精讲―、基木概念1、数据通信：指通过计算机技术与通信技术结合來实现信息的传输、交换、存储和处理。
2、数据：在网络中可用的有两类数据即取连续俏的模拟数据和取离散俏的数字数据。
3、信号：数据的电磁波或电编码,是数据的具体表示形式。
根据电信号的形式分为取值为连续俏的模拟信号和妈俏为离散值的数字信号两类。
4、信道：是信号传输的通道，可分为物理信道和逻辑信道,传输介质一般称为物理信道，根据传输介质的不同乂可分为有线信道和无线信道,通常所讲的信道更侧重逻辑上的含义即指逻辑信道。
5、数据传输速率：通常用比特率来衡量,即指单位时间内传送的1进制数据位数,通常用b/so 数字信号经调制后的传输速率，即单位时间内传送的电信'，；的个数,乂称波特率，它也作为物理信道性能的好坏的数据传输速率，单位为波特。
6、信道容虽：信道允许的最大数据传输速率。
7、吞吐量：是单位吋间内整个网络能够处理的信息总量,单位是字节/秒或位/秒。
8、信道带宽：是指信道所能传送的信号频率宽度，它的值为信道上可传送信号的最高频率与最低频率之走。
带宽越大，所能达到的传输速度就越大。
9、误码率：指数据传输中出错数据占被传输数据总数的比例。
信道的性能指标主要有信道容量、信道带宽、吞吐量、误码率等o二、物理信道分类1、按传输介质分：有线信道（如双绞线、同轴电缆、光缆）、无线信道（微波、红外线、激光）。
2、按传输信号的形式分：模拟信道、数字信道。
3、按使用方式分：专用信道、公用信道。
三、传输技术1、基带传输与频带传输（1）基带传输基带指电信号固有的基木频带。
基带传输是指将数字设备发出的数字信号原封不动地送入信道上去传输。
（2）频带传输把数字设备上发出的数字信号调制成模拟信号后再发送、传输，到达接收端时再把模拟信号解调成原来的数字信号来进行传输。
第2章 数据通信的基础知识----
数据(data)是运送信息的实体，而信号(signal) 则是数据的电气的或电磁的表现。
一般说来，模拟数据和数字数据都可以转换为模 拟信号或数字信号。因此我们有以下四种情况：
（1）模拟数据、模拟信号。 （2）模拟数据、数字信号。 （3）数字数据、模拟信号。
（4）数字数据、数字信号。 图3-2给出了模拟的和数字的数据、信号的 示意图。
文字发明后， 利用驿站传 递文书
1837年莫尔斯电报
传输线
发报
收报
2
§2.1 通信技术的发展与信息社会
1876年贝尔电话
话筒
耳机
1864年麦克斯韦从理 论上预言了电磁波的 存在
1887年赫兹用实验证 实了电磁波的存在
5
1862年31岁，麦克斯韦发表了第二篇论文《论 物理力线》，不但进一步发展了法拉第的思想， 扩充到磁场变化产生电场，而且得到了新的结 果：电场变化产生磁场，由此预言了电磁波的 存在，并证明了这种波的速度等于光速，揭示 了光的电磁本质。这篇文章包括了麦克斯韦研 究电磁理论达到的主要结果。1864年他的第三 篇论文《电磁场的动力学理论》，从几个基本 实验事实出发，运用场论的观点，以演绎法建 立了系统的电磁理论。1873年出版的《电学和 磁学论》一书是集电磁学大成的划时代著作， 全面地总结了19世纪中叶以前对电磁现象的研 究成果，建立了完整的电磁理论体系。这是一 部可以同牛顿的《自然哲学的数学原理》、达 尔文的《物种起源》和赖尔的《地质学原理》 相媲美的里程碑式的著作。
15
2.2 基本概念
通信的目的 把含有信息的消息从一地传到另一地。电
信号传递信息准确而快速，不受时间、地点、 距离的限制。所以，电信号来传递消息是最 好的。
2.2.1 信号、信道与容量 2.2.2 带宽与传输速率 2.2.3 通信系统模型 2.2.4 通信网络的基本结构
第二章 数据通信基础
计算机网络 理论与实践
2.1.1 数据、信号与信息
数据、信号和信息是数据通信中的三个核心概念，它们之间存在着紧密的关系。 （1）数据（Data） 数据是指特定形式的符号或数字，它们对现实世界的观测、记录和测量结果的描述。 (2)信号（Signal） 信号是指用于在通信系统中传输数据的电信号、光信号或无线电信号，是数据的物理 表现形式。 （3）信息（Information） 信息是在接收方获取并理解数据后所带来的知识、理解或意义，它们的传递和交流需 要通过信号来实现。
计算机网络 理论与实践
2.1.3 数据通信中的主要技术指标
电磁波在链路上的传播速率主要有以下三种： 1)电磁波在自由空间中的传播速率约为3×108m/s。 2)电磁波在铜线电缆中的传播速率约为2.3×108m/s。 3)电磁波在光纤中的传播速率约为2×108m/s。例如：1000 km长的光纤线路产生的传 播时延大约为5ms。
计算机网络 理论与实践
第2章 数据通信基础
数据通信是指通过某种介质或网络，将数据从一个地方传输到另一个地方的过程。在 数据通信中，信息被转化为特定的格式，并通过物理或虚拟的通信通道进行传输。数 据通信可以是在计算机或设备之间进行的，也可以是在不同计算机网络之间进行的。 它是现代信息社会中信息传播和交流的基础，包括互联网、无线通信、电子邮件、即 时通信等各种技术和应用。
（1）单工、半双工与全双工通信 按信道上信号的传输方向与时间的关系，数据通信方式可分为单工通信、半双工通信 与全双工通信，如图所示。
计算机网络 理论与实践
2.1.2 数据通信方式
<1>单工通信 在单工通信中，通信的一方只能发送数据，而另一方只能接收数据，无法进行同时的 发送和接收操作。常见的单工通信的例子包括广播电台和电视台向观众发送内容、无 线电等设备的发射端向接收端发送信号等。
第二章数据通信技术基础
传送所有的比特。它比较便宜， 用在长距离连接中也比并行传 输更加可靠。因为它每次只能 发送一个比特位，所以其速度 比较慢。
（2）并行数据传输
并行传输指可以同时传输
一组比特，每个比特使用单独
一条线路（导线）。这些线路
通常被捆扎在一条电缆里。并
行传输非常普遍，特别是应用
于两个短距离和设备之间。
11
2.3 数据通信方式-பைடு நூலகம்步与同步
2
2.1 数据通信的基本概念
4、信道
在数据通信系统中，信道是传输信号的通道。 逻辑上，信道一般都是用来表示向某一个方向 传送信息的“介质”。一般来说，一条通信线路至 少包含两条信道，一条用于发送的信道和一条用于 接收的信道。 信道可分为适合传送模拟信号的模拟信道和适 合传送数字信号的数字信道。
3
2.1 数据通信的基本概念
半双工通信由要频繁调换信道方向，故效率低，但可节省 传输线路。
19
2.3 数据通信方式-传输方向
3．全双工通信（双向同时通信 ） 全双工通信是指能同时做双向通信。如图所示。这种方
式适用于普通电话、手机以及计算机——计算机间高速数据 通信。
全双工与半双工比较,全双工通信效率高，控制简单，但 是结构较复杂，成本较高。
例如，一般不发字符时线路保持“1”状态，当发送一个 字符代码时，字符前面要加一个起始信号，极性为“0”，即 空号极性，预告字符的信息代码即将开始。在数据位和校验 位结束后面要加一个终止符号，极性为“1”，即传号极性， 表示该字符已结束。
异步方式实现起来简单容易，每个字符都为该字符的位同步
提供了时间基准，对线路和收发器要求较低。缺点是通信开销较
(2)如果不是二进制码元，必须折合成二进制来计算。 传输延迟 数据从信源（源计算机）到信宿（目的计算机）所花 费的时间。
（2）并行数据传输
并行传输指可以同时传输
一组比特，每个比特使用单独
一条线路（导线）。这些线路
通常被捆扎在一条电缆里。并
行传输非常普遍，特别是应用
于两个短距离和设备之间。
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2.3 数据通信方式-பைடு நூலகம்步与同步
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2.1 数据通信的基本概念
4、信道
在数据通信系统中，信道是传输信号的通道。 逻辑上，信道一般都是用来表示向某一个方向 传送信息的“介质”。一般来说，一条通信线路至 少包含两条信道，一条用于发送的信道和一条用于 接收的信道。 信道可分为适合传送模拟信号的模拟信道和适 合传送数字信号的数字信道。
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2.1 数据通信的基本概念
半双工通信由要频繁调换信道方向，故效率低，但可节省 传输线路。
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2.3 数据通信方式-传输方向
3．全双工通信（双向同时通信 ） 全双工通信是指能同时做双向通信。如图所示。这种方
式适用于普通电话、手机以及计算机——计算机间高速数据 通信。
全双工与半双工比较,全双工通信效率高，控制简单，但 是结构较复杂，成本较高。
例如，一般不发字符时线路保持“1”状态，当发送一个 字符代码时，字符前面要加一个起始信号，极性为“0”，即 空号极性，预告字符的信息代码即将开始。在数据位和校验 位结束后面要加一个终止符号，极性为“1”，即传号极性， 表示该字符已结束。
异步方式实现起来简单容易，每个字符都为该字符的位同步
提供了时间基准，对线路和收发器要求较低。缺点是通信开销较
(2)如果不是二进制码元，必须折合成二进制来计算。 传输延迟 数据从信源（源计算机）到信宿（目的计算机）所花 费的时间。
第二章数据通信的基本原理和技术
上述两种编码的特点是：每一位时间间隔的中间有 一次信号跳变。接收端可以利用这一跳变与发送端保 持同步。由于时钟与数据均包含于信号数据流中，所 以这种编码被称为自同步编码，。
例如EIA电子业协会RS—232—C串口，用高电平表 示0，低电平表示1，7个比特为一个字符。类似于NRZ 码，其最大问题是当信号中出现一长串连续的1或连续 的0信号时，接收方无法提取比特位同步信号。
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速度高；
②允许用户传送非8位组成的数据； ③能够与采用同步方式通信的大型机进行通信；
④由于同步通信的软、硬件价格较高，所以目前只 应用于商业上。
同步传输与异步传输的区别：
①异步传输是以一个字节为单位发送的，对字符是 同步的，但字符间是不同步的；
②同步传输则是以成块数据传送的，可以是多个字 节，也可以是多个位，因此，可以传送文字、声音和 图象。
20
2.2.3 异步传输与同步传输 在串行数据传送中，接收方必须与发送方以相同
的速率在相同的起止时间内接收数据，才能保证接收 到的数据是准确的。相同的速率可以预先定义，相同 的起止时间需要在发送时告知接收方，这样的措施称 为同步。常用的同步方式有：异步方式和同步方式。
1．异步传输 异步传输：是一次传输一个字符(5—8位)，在每个 字符前加一个起始位，在结尾加一个（1位或2位）停 止位，用于对传输的字符进行同步。见图2.2.5（a）
这种方式，每个字符所含位数是相同的，起始位
22
和停止位对字符起了同步作用，但字符间的间隔没有 规定，因此对字符间来说是不同步的，所以称为异步 传输。
为了防止发送方和接收方的时钟漂移，它们的时 钟必须同步。一种方法是在发送方和接收方之间提供 一条单独的时钟线。另一种方法是把时钟信息放入数 据信号中，对于数字信号，可以用曼彻斯特编码完成， 对于模拟信号，可以根据载波频率的相位与接收方同 步。
例如EIA电子业协会RS—232—C串口，用高电平表 示0，低电平表示1，7个比特为一个字符。类似于NRZ 码，其最大问题是当信号中出现一长串连续的1或连续 的0信号时，接收方无法提取比特位同步信号。
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速度高；
②允许用户传送非8位组成的数据； ③能够与采用同步方式通信的大型机进行通信；
④由于同步通信的软、硬件价格较高，所以目前只 应用于商业上。
同步传输与异步传输的区别：
①异步传输是以一个字节为单位发送的，对字符是 同步的，但字符间是不同步的；
②同步传输则是以成块数据传送的，可以是多个字 节，也可以是多个位，因此，可以传送文字、声音和 图象。
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2.2.3 异步传输与同步传输 在串行数据传送中，接收方必须与发送方以相同
的速率在相同的起止时间内接收数据，才能保证接收 到的数据是准确的。相同的速率可以预先定义，相同 的起止时间需要在发送时告知接收方，这样的措施称 为同步。常用的同步方式有：异步方式和同步方式。
1．异步传输 异步传输：是一次传输一个字符(5—8位)，在每个 字符前加一个起始位，在结尾加一个（1位或2位）停 止位，用于对传输的字符进行同步。见图2.2.5（a）
这种方式，每个字符所含位数是相同的，起始位
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和停止位对字符起了同步作用，但字符间的间隔没有 规定，因此对字符间来说是不同步的，所以称为异步 传输。
为了防止发送方和接收方的时钟漂移，它们的时 钟必须同步。一种方法是在发送方和接收方之间提供 一条单独的时钟线。另一种方法是把时钟信息放入数 据信号中，对于数字信号，可以用曼彻斯特编码完成， 对于模拟信号，可以根据载波频率的相位与接收方同 步。
通信原理 第02章 数据通信基础
本章主要讲述数据通信的相关概念， 包括数据传输速率和相关的定理与计算，介 绍数据通信的常见介质，包括有线通信和无 线通信方式。描述数据传输的损耗和通信系 统的性能衡量方法。
第2章 数据通信基础
2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 基础概念和计算 有线数据传输介质 无线传输媒介 数据传输损耗 通信系统的性能衡量 本 章 小 结
（5）五类线：该类是新建网络或升级到高级以太 网最常用的UTP。该类电缆增加了绕线密度，外 套一种高质量的绝缘材料，传输率为100MHz，用 于语音传输和最高传输速率为10Mbps的数据传输， 主要用于100BASE-T和10BASE-T网络，是最常用 的以太网电缆。 （6）超五类线：超5类双绞线属非屏蔽双绞线， 与普通5类双绞线比较，超5类双绞线在传送信号 时衰减更小，抗干扰能力更强，在100M网络中， 用户设备的受干扰程度只有普通5类线的1/4，并 且具有更高的衰减与串扰比值(ACR)和信噪比 (Structural Return Loss)，更小的时延误差， 性能得到很大提高。
由于信道上存在损耗、延迟、噪声， 所以会引起信号强度减弱，导致信噪比S/N降低。 延迟会使接收端的信号产生畸变，噪声会破坏 信号，产生误码。香农公式指出，对于一定的 传输带宽和一定的信噪比，信息传输速率的最 大值就确定了。 要想提高信息的传输速率，或者提高 传输线路的带宽，或者提高所传信号的信噪比， 此外没有其它任何办法。但是，香农公式只证 明了理想通信系统的“存在性”，却没有指出 这种通信系统的实现方法。这正是通信系统研 究和设计者们所面临的任务。
波特率即调制速率或码元速率， 指的是单位时间内载波调制状态改变的次数， 其单位为波特(Baud)。 波特率B与比特率C 的关系用公式表示为：C=Blog2M 或C=BL（M 表示为信号的状态个数，L表示传输所需要 的二进制位数） 比特率指的是数字信号的传输速率， 它用单位时间内传输的二进制代码的有效位 数来表示，其单位用比特每秒（bps)表示。
数据通信的基础知识 (2)
➢ 1.5 信道复用技术 ➢ 信道多路复用技术是指在同一传输介质上“同时”
传送多路信号的技术。因此，多路复用技术也 就是在一条物理信道上建立多条逻辑通信信道 的技术。
数据通信的基础知识 (2)
第二章 数据通信的基础知识
➢ 1.5.1 频分多路复用(FDM)
源1
源2
多 路
复
源3
用 器
源4 MUX
源5
数据通信的基础知识 (2)第二章 数据通信的基础知识
➢ 1.3.1 数字数据的模拟信号编码 ➢ 1. 远程通信为什么要使用调制解调器 ➢ 数字数据进入到模拟信道以前要有一个变换器
进行数字信号到模拟信号的转换
数据通信的基础知识 (2)
第二章 数据通信的基础知识
➢ 2. 数字数据调制的基本形式 ➢ 数字数据调制有3种基本形式：移幅键控法
数据通信的基础知识 (2)
第二章 数据通信的基础知识
➢ 2. 电路交换的特点 ➢ (1) 数据传输可靠、迅速，数据不会丢失且保
持原来的序列。 ➢ (2) 在某些情况下，电路空闲时的信道容易被
浪费：在短时间数据传输时电路建立和拆除所 用的时间得不偿失。因此，它适用于系统间要 求高质量的大量数据传输的情况。 ➢ (3) 在数据传送开始之前必须先设置一条专用 的通路。在线路释放之前，该通路由一对用户 完全占用。对于猝发式的通信，电路交换效率 不高。
半双工通信和全双工通信 ➢ 单工数据传输只支持数据在一个方向上传输，
如电视网；半双工通信实际上是一种可切换方 向的单工通信，如对讲机的信号传输；全双工 数据通信允许数据同时在两个方向上传输，如 电话系统。
数据通信的基础知识 (2)
第二章 数据通信的基础知识
➢ 1.2.3 信号的传输方式 ➢ 根据传输的信号是数字信号还是模拟信号可将
传送多路信号的技术。因此，多路复用技术也 就是在一条物理信道上建立多条逻辑通信信道 的技术。
数据通信的基础知识 (2)
第二章 数据通信的基础知识
➢ 1.5.1 频分多路复用(FDM)
源1
源2
多 路
复
源3
用 器
源4 MUX
源5
数据通信的基础知识 (2)第二章 数据通信的基础知识
➢ 1.3.1 数字数据的模拟信号编码 ➢ 1. 远程通信为什么要使用调制解调器 ➢ 数字数据进入到模拟信道以前要有一个变换器
进行数字信号到模拟信号的转换
数据通信的基础知识 (2)
第二章 数据通信的基础知识
➢ 2. 数字数据调制的基本形式 ➢ 数字数据调制有3种基本形式：移幅键控法
数据通信的基础知识 (2)
第二章 数据通信的基础知识
➢ 2. 电路交换的特点 ➢ (1) 数据传输可靠、迅速，数据不会丢失且保
持原来的序列。 ➢ (2) 在某些情况下，电路空闲时的信道容易被
浪费：在短时间数据传输时电路建立和拆除所 用的时间得不偿失。因此，它适用于系统间要 求高质量的大量数据传输的情况。 ➢ (3) 在数据传送开始之前必须先设置一条专用 的通路。在线路释放之前，该通路由一对用户 完全占用。对于猝发式的通信，电路交换效率 不高。
半双工通信和全双工通信 ➢ 单工数据传输只支持数据在一个方向上传输，
如电视网；半双工通信实际上是一种可切换方 向的单工通信，如对讲机的信号传输；全双工 数据通信允许数据同时在两个方向上传输，如 电话系统。
数据通信的基础知识 (2)
第二章 数据通信的基础知识
➢ 1.2.3 信号的传输方式 ➢ 根据传输的信号是数字信号还是模拟信号可将
第二章 数据通信基础知识
信号的传输方式——宽带传
输
宽带传输
宽带传输采用75Ω的CATV电视同轴电缆或 光纤作为传输媒体，带宽为300MHz。使用 时通常将整个带宽划分为若干个子频带， 分别用这些子频带来传送音频信号、视频 信号以及数字信号。宽带同轴电缆原是用 来传输电视信号的，当用它来传输数字信 号时，需要利用电缆调制解调器（Cable Modem）把数字信号变换成频率为几十兆 赫兹到几百兆赫兹的模拟信号。
可利用宽带传输系统来实现声音、文字和 7 图像的一体化传输，这也是通常所说的
数据的串行传输和并行传输
并行通信
8个比特同时发送
0
1
1
0
发端
0 1
0
1
需要8条线 收端
数据以成组的方式在多个并行信道上同时进行传输。
并行通信的优点是速度快，但发端与收端之间有若 干条线路，导致费用高，仅适合于近距离和高速率 的通信。
0
1
1
发端
0 0
0
1
0
8个比特顺次发送 01100010
并/串 转换器
串/并 转换器
0
1
1
0 0
收端
0
1
0
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波特（Baud）：码元传输的速率单位。波特 率为每秒传送的码元数（即信号传送速率）。
比特率、波特率和信号编码级数的关系如下：
Rbit = Rbaud log2M
上式中： M-信号的编码级数，Rbit-比特率，Rbaud-波特率
28
波分多路复用WDM
WDM主要用于全光纤网组成的通信系统。波 分复用就是光的频分复用。人们借用传统的载 波电话的频分复用的概念，可以做到使用一根 光纤来同时传输多个频率很接近的光载波信号, 提高了光纤的传输能力。
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第二章数据通信基理础知识•回返数据通信•束原结
•学习要求
• 1. 了解信号分类方式，掌握信号频谱与带宽的概念。 • 2. 了解调制解调的基本原理 • 3. 了解信道噪声的种类及特点，掌握信道容量公式。 • 4. 了解各种信道的特点。 • 5. 了解话音信道传输数据信号的基本要求。 • 6. 掌握频分复用、时分复用技术的基本原理。 • 7. 掌握语音压缩比编码和数据压缩编码的基础知识。 • 8. 掌握数据通信系统同步类型及其实现方式
• 奈奎斯特研究了理想信道(无噪声、无码间干扰)时带宽与速率的 关系，并得到以下结论：
•其中 B为带宽单位是Hz， • M为传输时数据信号的取值状态，即采用M进制传输
•2. 香农信道容量公式•
• 香农研究了用模拟信道传输数字信号时的信道容量问题，并得出 了著名的香农公式：
•其中B为带宽，单位是Hz，S/N为信噪功率比 。
第二章数据通信基础知识数据通信原 理
•2.2.3 信道噪声 •3. 高斯白噪声
• 可以从以下两方面对高斯白噪声下定义 ： 其任意维概率密度函数都服从高斯分布(即正态分布)——高斯噪声 在整个频域具有均匀分布的功率谱密度——白噪声
第二章数据通信基础知识数据通信原 理
•2.2.4 信道容量
•1.奈奎斯特信道容量公式
其对应的误码率公式为:
第二章数据通信基础知识数据通信原 理
•2.2.2 传输介质 •1. 双绞线
双绞线由两根相互绝缘的铜线以均匀的扭矩对称扭绞在一起形成。
绞合的目的: (1) 减少线对之间的相互干扰， (2) 同时还增强了机械和电气稳定性
分类
第二章数据通信基础知识数据通信原 理
•2.2.2 传输介质 •2. 同轴电缆
•调制信道 •编码信道 •有线信道
•无线信道
•恒参信道 •变参信道 •无记忆编码信道 •有记忆编码信道
•双绞线 •同轴电缆
•光纤 •长波信道 •短波信道 •微波信道
•…
第二章数据通信基础知识数据通信原 理
•2.2.1 传输信道分类 •2. 调制信道和编码信道
调制信道：从调制器出发到解调器为至的所有通信设备和传输媒介 编码信道：从编码器出发到译码器为至的所有通信设备和传输媒介
第二章数据通信基础知 识--数据通信原理
2020/12/10
第二章数据通信基础知识数据通信原 理
•内容简介
• 数据可靠传输将涉及很多内容和具体技术，本章将介绍信号 带宽的概念、调制解调的基本概念、传输信道的性质、信道复用 技术、数据编码标准、语言编码及IP电话原理，数据压缩编码以 及数据通信系统的同步技术等内容 。
•
第二章数据通信基础知识数据通信原 理
•2.1.2 信号的带宽
•(2) 百分比带宽 • 百分比带宽由下式来定义：
•
• 其中 fr 称为百分比带宽， 可以取96%、98%、99%等值，其含义 是，在该带宽范围内信号的功率占总功率
第二章数据通信基础知识数据通信原 理
•2.1.2 信号的带宽
•(3) 矩形等效带宽 • 对于具有在零点或中心频率处取最大值频谱结构的信号，如下图 所示，可以定义矩形等效带宽BC 。
典型的变参信道如电离层反射信道、对流层散射信道以及移动通信 信道等。
第二章数据通信基础知识数据通信原 理
•2.2.1 传输信道分类
•4. 无记忆编码信道和有记忆编码信道
无记忆信道是指传输过程中错误码元相互统计独立的信道 有记忆信道是指错误码元之间具有某种统计相关性的信道 实例分析：二进制无记忆信道模型如下图所示
光纤可以由超纯硅、合成玻璃甚至塑料制造，其结构如下图示：
光纤有单模光纤和多模光纤两类，前者具有较宽的频带，传输损耗 小，后者频带较窄、传输衰减也比较大。
光传输系统
第二章数据通信基础知识数据通信原 理
•2.2.2 传输介质
•4. 无线信道
长波信道：30Hz~300KHz，用带宽小，天线尺寸大，常用于电报、 电话、水下通信、海上导航等领域
第二章数据通信基理础知识•回返数据通信•束原结
•学习目录
•2.1 信号与调制解调 •2.2 传输信道 •2.3 多路复用 •2.4 数据编码 •2.5 数据通信的同步
第二章数据通信基理础知识•回返数据通信•束原结
•2.1 信号与调制解调
•本节内容提要：
•信号分类： 模拟信号与数字信号 基带信号与频带信号 周期信号与非周期信号 确知信号与随机信号 能量信号与功率信号
•5. 调制解调的功能
实现无线发射
实现频分复用 选择合适的调制解调方式可以提高传输的有效性 选择合适的调制解调方式可以提高传输的可靠性
第二章数据通信基础知识数据通信原 理
•2.2 传输信道
•本节内容提要：
传输信道是任何通信系统中必不可少的组成部分，信道的传输 性如何将直接影响系统的信能。
本节将介绍通信信道的基本概念、各种传输介质的特性、信道噪 声、信道容量以及话音信道传输数据信号时的要求与性能等内容。
中波信道：0.3~3MHz，用于广播，业余无线电以及海上无线电通信 等领域，其中500~1500KHz是标准民用调幅广播
短波信道：3~30MHz，信道干扰大，但其投资少，建设快，常用于 军用通信和国际定点通信等
超短波信道：30MHz~3GHz，天线尺寸小，可用于移动通信，雷达， 航天航空，卫星通信等
•2.1.3 调制解调的基本概念 •2. 调制器模型
x(t) 调制信号，即数据终端产•生的基带信号 C(t)是载波，AC是载波幅度，fC是载波频率简称载频,θ0是载波的初始相位。 s(t)是已调信号，即调制后的频带信号，其中包含了x(t)的全部信息，信道中
传输的就是该信号。
第二章数据通信基础知识数据通信原 理
第二章数据通信基础知识数据通信原 理
•2.2.1 传输信道分类
•3. 恒参信道和变参信道
恒参信道是指在信号传输过程中，信道传输特性对信号的影响是确 定的或者是变化极其缓慢的，可将其视为一个非时变的线性网络。
典型的恒参信道如如双绞线、同轴电缆、光纤等有线信道以及微波 信道、卫星信道等。
变参信道：其传输特性随时间变化而变化，一般将其等效成时变线 性网络或者时变非线性网络来分析。
同轴电缆由内导体，绝缘层外导体和塑料保护外套组成，如下图示：
内外导体组成一组线对，外导体同时起到屏蔽外界电磁干扰的作用 分类
基带同轴电缆：阻抗为50欧姆，用于局域网数据传输10Base-2等 宽带同轴电缆：阻抗为75欧姆，CATV网以及PSTN局间传输
第二章数据通信基础知识数据通信原 理
•2.2.2 传输介质 •3.光纤
非相干解调器通常存在门限效应，故小信噪比输入时并不适用。
所谓门限效应是指当解调器输入信噪比下降到一定程度时，输出信 噪比急剧恶化的现象。
输出信噪比是输出信号与输出噪声平均功率之比，是衡量通信可靠 性的一个指标，与误码率有直接关系。
第二章数据通信基础知识数据通信原 理
•2.1.3 调制解调的基本概念
•对应的时域信号为：
•对应的频域信号为：
第二章数据通信基础知识数据通信原 理
•2.2.5 话音信道传输数据信号
信号无失真传输的条件
•即系统的幅频特性和相频特性满足下式，就可以实现信号无失真传输
•定义群时延特性为 •所以信号无失真传输时，群时延特性需满足
第二章数据通信基础知识数据通信原 理
•2.2.5 话音信道传输数据信号
幅度调制：调制信号控制载波幅度变化，例如AM、ASK等 频率调制：调制信号控制载波瞬时频率变化，例如FM、FSK等 相位调制：调制信号控制载波瞬时相位变化，例如PM、PSK等。
第二章数据通信基础知识数据通信原 理
•2.1.3 调制解调的基本概念 •4. 解调分类
相干解调：通过本地相干载波进行相干运算，从已调信号的相位变 化中恢复原始信号的方法。其模型如下图所示：
2.2.1 传输信道分类 2.2.2 传输介质 2.2.3 信道噪声 2.2.4 信道容量 2.2.5 话音信道传输数据信号
第二章数据通信基础知识数据通信原 理
•2.2.1 传输信道分类
•1. 狭义信道和广义信道
狭义信道即传输媒介 广义信道由传输媒介和部分收发端的通信设备组成
•广义 •信道
•信
•道 •狭义 •信道
码元随机出现，彼此无相关性。
第二章数据通信基础知识数据通信原 理
•2.2.3 信道噪声 •2. 脉冲噪声
脉冲噪声在时域表现为无规则突发的短促噪声，从频域来看，脉冲 噪声通常有较宽的频带，但频率越高，频谱强度越小。
脉冲噪声特点在于突发性、幅度大、持续时间短，且相邻脉冲之间有 较长的寂静区，脉冲噪声是记忆信道中噪声的主要表现形式。 脉冲噪声对数据通信的影响是产生的突发错误，错误码元比较集中， 且相互之间具有某种相关性
•
•其含义为：
第二章数据通信基础知识数据通信原 理
•2.1.2 信号的带宽
•(4) 3dB带宽 • 3dB带宽又称半功率带宽，如下图所示：
•
•信号频谱在 f0 处取最大值， •且
第二章数据通信基础知识数据通信原 理
•2.1.3 调制解调的基本概念
•1. 调制解调定义
时域定义： 调制就是用基带信号去控制载波信号的某个或几个参量的变化，
•2.1.3 调制解调的基本概念
•3. 调制分类
按照调制信号x(t)的类型 模拟调制：x(t)是模拟基带信号，例如AM、FM等 数字调制：x(t)是数字基带信号，例如FSK、PSK等
按照载波类型
连续载波调制：载波是连续波形信号，例如正弦高频信号 脉冲载波调制：载波是脉冲序列，常用的是矩形脉冲序列
按照调制器功能
第二章数据通信基础知识数据通信原 理
•2.2.5 话音信道传输数据信号 •1. 线性系统分析
•学习要求
• 1. 了解信号分类方式，掌握信号频谱与带宽的概念。 • 2. 了解调制解调的基本原理 • 3. 了解信道噪声的种类及特点，掌握信道容量公式。 • 4. 了解各种信道的特点。 • 5. 了解话音信道传输数据信号的基本要求。 • 6. 掌握频分复用、时分复用技术的基本原理。 • 7. 掌握语音压缩比编码和数据压缩编码的基础知识。 • 8. 掌握数据通信系统同步类型及其实现方式
• 奈奎斯特研究了理想信道(无噪声、无码间干扰)时带宽与速率的 关系，并得到以下结论：
•其中 B为带宽单位是Hz， • M为传输时数据信号的取值状态，即采用M进制传输
•2. 香农信道容量公式•
• 香农研究了用模拟信道传输数字信号时的信道容量问题，并得出 了著名的香农公式：
•其中B为带宽，单位是Hz，S/N为信噪功率比 。
第二章数据通信基础知识数据通信原 理
•2.2.3 信道噪声 •3. 高斯白噪声
• 可以从以下两方面对高斯白噪声下定义 ： 其任意维概率密度函数都服从高斯分布(即正态分布)——高斯噪声 在整个频域具有均匀分布的功率谱密度——白噪声
第二章数据通信基础知识数据通信原 理
•2.2.4 信道容量
•1.奈奎斯特信道容量公式
其对应的误码率公式为:
第二章数据通信基础知识数据通信原 理
•2.2.2 传输介质 •1. 双绞线
双绞线由两根相互绝缘的铜线以均匀的扭矩对称扭绞在一起形成。
绞合的目的: (1) 减少线对之间的相互干扰， (2) 同时还增强了机械和电气稳定性
分类
第二章数据通信基础知识数据通信原 理
•2.2.2 传输介质 •2. 同轴电缆
•调制信道 •编码信道 •有线信道
•无线信道
•恒参信道 •变参信道 •无记忆编码信道 •有记忆编码信道
•双绞线 •同轴电缆
•光纤 •长波信道 •短波信道 •微波信道
•…
第二章数据通信基础知识数据通信原 理
•2.2.1 传输信道分类 •2. 调制信道和编码信道
调制信道：从调制器出发到解调器为至的所有通信设备和传输媒介 编码信道：从编码器出发到译码器为至的所有通信设备和传输媒介
第二章数据通信基础知 识--数据通信原理
2020/12/10
第二章数据通信基础知识数据通信原 理
•内容简介
• 数据可靠传输将涉及很多内容和具体技术，本章将介绍信号 带宽的概念、调制解调的基本概念、传输信道的性质、信道复用 技术、数据编码标准、语言编码及IP电话原理，数据压缩编码以 及数据通信系统的同步技术等内容 。
•
第二章数据通信基础知识数据通信原 理
•2.1.2 信号的带宽
•(2) 百分比带宽 • 百分比带宽由下式来定义：
•
• 其中 fr 称为百分比带宽， 可以取96%、98%、99%等值，其含义 是，在该带宽范围内信号的功率占总功率
第二章数据通信基础知识数据通信原 理
•2.1.2 信号的带宽
•(3) 矩形等效带宽 • 对于具有在零点或中心频率处取最大值频谱结构的信号，如下图 所示，可以定义矩形等效带宽BC 。
典型的变参信道如电离层反射信道、对流层散射信道以及移动通信 信道等。
第二章数据通信基础知识数据通信原 理
•2.2.1 传输信道分类
•4. 无记忆编码信道和有记忆编码信道
无记忆信道是指传输过程中错误码元相互统计独立的信道 有记忆信道是指错误码元之间具有某种统计相关性的信道 实例分析：二进制无记忆信道模型如下图所示
光纤可以由超纯硅、合成玻璃甚至塑料制造，其结构如下图示：
光纤有单模光纤和多模光纤两类，前者具有较宽的频带，传输损耗 小，后者频带较窄、传输衰减也比较大。
光传输系统
第二章数据通信基础知识数据通信原 理
•2.2.2 传输介质
•4. 无线信道
长波信道：30Hz~300KHz，用带宽小，天线尺寸大，常用于电报、 电话、水下通信、海上导航等领域
第二章数据通信基理础知识•回返数据通信•束原结
•学习目录
•2.1 信号与调制解调 •2.2 传输信道 •2.3 多路复用 •2.4 数据编码 •2.5 数据通信的同步
第二章数据通信基理础知识•回返数据通信•束原结
•2.1 信号与调制解调
•本节内容提要：
•信号分类： 模拟信号与数字信号 基带信号与频带信号 周期信号与非周期信号 确知信号与随机信号 能量信号与功率信号
•5. 调制解调的功能
实现无线发射
实现频分复用 选择合适的调制解调方式可以提高传输的有效性 选择合适的调制解调方式可以提高传输的可靠性
第二章数据通信基础知识数据通信原 理
•2.2 传输信道
•本节内容提要：
传输信道是任何通信系统中必不可少的组成部分，信道的传输 性如何将直接影响系统的信能。
本节将介绍通信信道的基本概念、各种传输介质的特性、信道噪 声、信道容量以及话音信道传输数据信号时的要求与性能等内容。
中波信道：0.3~3MHz，用于广播，业余无线电以及海上无线电通信 等领域，其中500~1500KHz是标准民用调幅广播
短波信道：3~30MHz，信道干扰大，但其投资少，建设快，常用于 军用通信和国际定点通信等
超短波信道：30MHz~3GHz，天线尺寸小，可用于移动通信，雷达， 航天航空，卫星通信等
•2.1.3 调制解调的基本概念 •2. 调制器模型
x(t) 调制信号，即数据终端产•生的基带信号 C(t)是载波，AC是载波幅度，fC是载波频率简称载频,θ0是载波的初始相位。 s(t)是已调信号，即调制后的频带信号，其中包含了x(t)的全部信息，信道中
传输的就是该信号。
第二章数据通信基础知识数据通信原 理
第二章数据通信基础知识数据通信原 理
•2.2.1 传输信道分类
•3. 恒参信道和变参信道
恒参信道是指在信号传输过程中，信道传输特性对信号的影响是确 定的或者是变化极其缓慢的，可将其视为一个非时变的线性网络。
典型的恒参信道如如双绞线、同轴电缆、光纤等有线信道以及微波 信道、卫星信道等。
变参信道：其传输特性随时间变化而变化，一般将其等效成时变线 性网络或者时变非线性网络来分析。
同轴电缆由内导体，绝缘层外导体和塑料保护外套组成，如下图示：
内外导体组成一组线对，外导体同时起到屏蔽外界电磁干扰的作用 分类
基带同轴电缆：阻抗为50欧姆，用于局域网数据传输10Base-2等 宽带同轴电缆：阻抗为75欧姆，CATV网以及PSTN局间传输
第二章数据通信基础知识数据通信原 理
•2.2.2 传输介质 •3.光纤
非相干解调器通常存在门限效应，故小信噪比输入时并不适用。
所谓门限效应是指当解调器输入信噪比下降到一定程度时，输出信 噪比急剧恶化的现象。
输出信噪比是输出信号与输出噪声平均功率之比，是衡量通信可靠 性的一个指标，与误码率有直接关系。
第二章数据通信基础知识数据通信原 理
•2.1.3 调制解调的基本概念
•对应的时域信号为：
•对应的频域信号为：
第二章数据通信基础知识数据通信原 理
•2.2.5 话音信道传输数据信号
信号无失真传输的条件
•即系统的幅频特性和相频特性满足下式，就可以实现信号无失真传输
•定义群时延特性为 •所以信号无失真传输时，群时延特性需满足
第二章数据通信基础知识数据通信原 理
•2.2.5 话音信道传输数据信号
幅度调制：调制信号控制载波幅度变化，例如AM、ASK等 频率调制：调制信号控制载波瞬时频率变化，例如FM、FSK等 相位调制：调制信号控制载波瞬时相位变化，例如PM、PSK等。
第二章数据通信基础知识数据通信原 理
•2.1.3 调制解调的基本概念 •4. 解调分类
相干解调：通过本地相干载波进行相干运算，从已调信号的相位变 化中恢复原始信号的方法。其模型如下图所示：
2.2.1 传输信道分类 2.2.2 传输介质 2.2.3 信道噪声 2.2.4 信道容量 2.2.5 话音信道传输数据信号
第二章数据通信基础知识数据通信原 理
•2.2.1 传输信道分类
•1. 狭义信道和广义信道
狭义信道即传输媒介 广义信道由传输媒介和部分收发端的通信设备组成
•广义 •信道
•信
•道 •狭义 •信道
码元随机出现，彼此无相关性。
第二章数据通信基础知识数据通信原 理
•2.2.3 信道噪声 •2. 脉冲噪声
脉冲噪声在时域表现为无规则突发的短促噪声，从频域来看，脉冲 噪声通常有较宽的频带，但频率越高，频谱强度越小。
脉冲噪声特点在于突发性、幅度大、持续时间短，且相邻脉冲之间有 较长的寂静区，脉冲噪声是记忆信道中噪声的主要表现形式。 脉冲噪声对数据通信的影响是产生的突发错误，错误码元比较集中， 且相互之间具有某种相关性
•
•其含义为：
第二章数据通信基础知识数据通信原 理
•2.1.2 信号的带宽
•(4) 3dB带宽 • 3dB带宽又称半功率带宽，如下图所示：
•
•信号频谱在 f0 处取最大值， •且
第二章数据通信基础知识数据通信原 理
•2.1.3 调制解调的基本概念
•1. 调制解调定义
时域定义： 调制就是用基带信号去控制载波信号的某个或几个参量的变化，
•2.1.3 调制解调的基本概念
•3. 调制分类
按照调制信号x(t)的类型 模拟调制：x(t)是模拟基带信号，例如AM、FM等 数字调制：x(t)是数字基带信号，例如FSK、PSK等
按照载波类型
连续载波调制：载波是连续波形信号，例如正弦高频信号 脉冲载波调制：载波是脉冲序列，常用的是矩形脉冲序列
按照调制器功能
第二章数据通信基础知识数据通信原 理
•2.2.5 话音信道传输数据信号 •1. 线性系统分析