ZM《微型计算机通信与接口技术》-第1章.ppt

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计算机通信接口技术计算机通信接口技术第一章数据通信基础学习目标通过对本章的学习，应该掌握以下主要内容：

n数据通信的基本概念、特点及实现方式n数据通信系统的性能指标n常用协议的数据格式及标准n计算机接口的基本概念本章目录1.1数据通信基本概念1.2数据通信的差错控制1.3常见数据与网络通信协议的数据格1.4接口基础知识关于通信的引例假如你10岁,与好朋友临街而住,卧室的窗户面对面.晚上,当父母催促你睡觉的时候,你依然想与好朋友交流一些小秘密.第一种情况:

卧室的灯亮着nHOW?

第二种情况:

熄灯了nHOW?

用手电筒的另外一种方式利用手电筒的闪烁设计一种简单的交流方法，例如字母表中的每个字母和一定数目的闪烁对应假设a,闪一下,b闪两下，以此类推问题：

“Howareyou?

”要闪烁多少次？

摩尔斯电码在你发明的体系中，每个字母是一定数目的闪烁，从闪烁一下的A到闪烁26的Z；在摩尔斯电码中，有长短两种闪烁，当然，这会使摩尔斯电码更为复杂，但它在实际应用中却被证实是更有效的。

那句“Howareyou？

”现在仅需32次而不是131次闪烁，而且这还包含了问号。

在讨论摩尔斯电码的工作原理时，人们使用“点（dot）”和“划（dash）”，因为这样易于在印刷品上表示。

在摩尔斯电码中，字母表中的每一个字母与一个点划序列相对应，正如在左表中你所看到的：

1.1数据通信基本概念数据通信基本概念1.1.1数据通信概述数据通信概述1.数据数据是定义为有意义的实体，是表征事物的形式，例如文字、声音和图像等。

数据可分为模拟数据和数字数据两类。

2.信号信号是数据的电磁编码或电子编码。

信号在通信系统中可分为模拟信号和数字信号。

3.信道信道是用来表示向某一个方向传送信息的媒体。

4.通信线路的通信方式根据数据信息在传输线上的传送方向，数据通信方式有三种：

单工方式、半双工方式和全双工方式按信号传送方向划分的通信方式.信道带宽早期的通信系统都是模拟系统，当输入的信号频率高或低到一定程度，使得系统的输出功率成为输入功率的一半时，最高频率和最低频率间的差值就代表了系统的通频带宽，其单位为赫兹（Hz）。

在数字通信系统中“带宽”的含义完全不同于模拟系统，它通常是指数字系统中数据的传输速率，其表示单位为比特/秒或波特/秒（Baud/S）。

1.1.2数据通信系数据通信系统的的组成成数据通信系统的组成有以下5个部分组成：

信源、变换器、传输线路、反变换器、信宿阐释你你的手及手电筒光和空气朋友的眼睛朋友将输入数据信号变换成适合于信道传输的形式从传输的信号流中恢复出发端数据流来可以是由铜缆或光缆构成的有线线路，也可以是由微波接力或卫星中继等构成的无线线路，也可以是有线线路与无线线路的结合1.1.3数据通信系数据通信系统的的质量量标准准1.传输速率数据传输速率数据传输速率是指每秒钟能传输二进制代码的位（比特）数。

它反映出一个数据传输系统每秒内所传送的信息量的多少。

单位是“比特每秒”（bit/s、b/s或bps）又称比特率。

更常用的比特率的单位是千比特每秒kb/s、兆比特每秒Mb/s（106b/s）、吉比特每秒Gb/s（109b/s）或太比特每秒Tb/s（1012b/s）。

数据传输速率的高低，由每位数据所占的时间决定，一位数据所占的时间宽度越小，则其数据传输速率越高。

调制速率调制是将基带数字脉冲信号变换为适合在线路上传输的某一频率载波信号的过程。

RB=1/T（波特）（1-1）数据信号速率数据信号速率表示单位时间内通过信道的信息量，单位是比特/秒（b/s），是用来表示传输速率常用的单位，简称比特率。

在串行通信中数据信号速率定义为：

Rb=RBlog2M=1/Tlog2M（比特/秒）Rb为波特率，M是调制信号波形的状态数，T为单位调制信号波形的时间长度。

2.误码率在接收端收到数据的差错程度是数据通信质量最重要的指标，一般用误码率Pe表示，如公式（1-3）所示。

现代数字微波通信要求误码率P10-6；数字光纤通信要求误码率P10-1110-9。

这种误码率的要求相当高。

例如对于数字光纤通信而言，要求光收信机每接收1091011个码元，只允许一个码元出错。

3.可靠性可靠性通常用来表示系统在给定时间间隔内能正常工作的概率。

4.功率利用率和频带利用率功率利用率功率利用率以比特差错小于某一规定值时所要求的最低归一化信噪比（每比特的信号能量和噪声单边功率谱密度的比值）衡量。

所要求的信噪比越低，则功率利用率越高。

频带利用率频带利用率是描述数据传输速率和带宽之间关系的一个指标，也是衡量数据通信系统有效性的指标，是单位频带内所能传输的信息速率5.标准化标准化程度的高低是衡量通信系统好坏的重要指标。

6.通信建立时间数据通信系统一般都要求在尽可能短的时间内建立通信7.其它指标其它指标还有经济性、操作简单、维修方便、能自动检测、体积小和重量轻等，在设计传输系统时也是要注意的。

当然，这些指标也是相对的，要根据具体情况以及周围环境和服务对象等具体确定1.1.4数据通信系数据通信系统的的传输编码数字数据的模数字数据的模拟信号信号编码将基带数字信号的频谱变换成为适合于在模拟信道种传输的频谱。

一般通过以下几种不同载波特性的调制方法对数字数据进行编码：

振幅、频率、相位或者这些特性的某种组合。

下图给出了对数字数据的模拟信号进行调制的3种基本形式。

基本调制方式模模拟数据的数字信号数据的数字信号编码对模拟数据的数字信号编码常用的是脉冲编码调制技术（PCM，PulseCodeModulation）。

PCM基于以下采样定理：

如果在规定时间间隔内，以有效信号最高频率的两倍或两倍以上的速率对该信号进行采样的话，则这些采样值包含了无混叠而又便于分离的全部原始信号信息。

利用低通滤波器可不失真地从这些采样值中重新构造出有效信号。

信号数字化的转换过程包括采样、量化和编码3个步骤。

（1）采样。

每个固定的时间间隔，取出模拟数据的瞬时值，作为本次抽样到下次抽样之间该模拟数据的代表值。

就是采样处理后的脉冲调幅信号。

（2）量化。

把抽样取得的电平幅值按照一定的分级标准转换成对应的数字值，并取整数，这样把连续的电平幅值转换成离散的数字。

（3）编码。

它是将量化后的整数值表示为一定位数的二进制数。

在发送端，经过信号数字化处理过程后，就可把模拟信号转换成二进制数码脉冲序列，然后经过信道进行传输。

在接收端将接收到的信号解码成，再通过逆量化获得信号，最后平滑之后的信号就是还原的模拟信号。

与之差就是量化的误差。

PCM原理原理数字数据的数字信号数字数据的数字信号编码数字数据转换成数字信号，最简单的方法就是用两种不同的电平脉冲序列来表示，如是正逻辑，高电平为1，低电平为0。

有时为了使信号具有一些有用的特点，如消除直流分量、便于提取时钟等需要使用一些特殊的码型。

数字数据的数字信号编码数字数据的数字信号编码1.1.5数据通信系数据通信系统的的传输速率速率1.奈奎斯特公式奈奎斯特公式给出了无热噪声（时信道带宽对最大数据速率的限制log2b/s（1-6）其中：

H是信道的带宽（以Hz为单位）；L表示某给定时刻数字信号可能取的离散值的个数；C是该信道最大的数据速率。

例无热噪声的某信道带宽为4kHz，任何时刻数字信号可取0、1、2和3四种电平之一，则最大数据速率为多少？

2.香农公式香农（Shannon）用信息论的理论推导出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限、无差错的信息传输速率:

C=Wlog2（1+S/N）b/s其中：

W为信道的带宽（以Hz为单位）；S为信道内所传信号的平均功率；N为信道内部的高斯噪声功率；SN为信噪比1.2数据通信的差数据通信的差错控制控制1.2.1差差错类型型1纠错码纠错码是指在发送每一组信息时发送足够的附加位，接收端通过这些附加位在接收译码器的控制下不仅可以发现错误，而且还能自动地纠正错误。

常见的纠错编码有：

海明纠错码、正反纠错码等。

2检错码检错码是指在发送每一组信息时发送一些附加位，接收端通过这些附加位可以对所接收的数据进行判断看其是否正确，如果存在错误，接收端不是纠正错误而是通过反馈信道传送一个应答帧把这个错误的结果告诉给发送端，让发送端重新发送该信息，直至接收端收到正确的数据为止。

1.2.2奇偶校奇偶校验码在一个二进制数据字上加上一位，以便检测差错。

在一个二进制数据字上加上一位，以便检测差错。

在偶校验时，要在每一个字符上增加一个附加位，让该字符和校验附加位一起使“1”的个数为偶数。

例如，一个字符的7位代码为1101011，有5个“1”（奇数），若奇校验，则校验位为0，即整个字符为：

01101011若为偶校验，则校验应为1，即整个字符为：

11101011。

1.2.3循循环冗余校冗余校验计算校验和的算法如下：

设生成的多项式G（x）为n阶，在帧的末尾附加n个零，使帧为m+n位，则相应的多项式是2n*M（x）。

按模2除法，用对应于G（x）的位串去除对应于2n*M（x）的位串，得到的余数就是帧校验序列（FCS）。

按模2减法，从对应于2n*M（x）的位串中减去帧校验序列（FCS）。

结果就是要传送带校验和的帧，叫多项式T（x）。

模模2的除的除法运算法运算,相相当于按位当于按位异或异或例子设M=1010001101，r=5,G=110101，模2运算的结果是：

商Q=1101010110，余数R=01110。

将余数R作为冗余码添加在数据M的后面发送出去，即发送的数据是101000110101110，或2rM+R。

例子1101010110Q商除数P1101011010001101000002nM被除数11010111101111010111101011010111111011010110110011010111001011010101110R余数补充：

原码补充：

原码补码补码反码反码

（1）原）原码表示法表示法原码表示法是机器数的一种简单的表示法。

其符号位用0表示正号，用：

表示负号，数值一般用二进制形式表示。

设有一数为x，则原码表示可记作x原。

例如，X1=1010110X2=1001010其原码记作：

X1原=1010110原=01010110X2原=1001010原=11001010原码表示数的范围与二进制位数有关。

当用8位二进制来表示小数原码时，其表示范围：

最大值为0.1111111，其真值约为（0.99）10最小值为1.1111111，其真值约为（一0.99）10当用8位二进制来表示整数原码时，其表示范围：

最大值为01111111，其真值为（127）10最小值为11111111，其真值为（127）10在原码表示法中，对0有两种表示形式：

+0原=000000000原=10000000

（2）补码表示法）补码表示法机器数的补码可由原码得到。

如果机器数是正数，则该机器数的补码与原码一样；如果机器数是负数负数，则该机器数的补码是对它的原码（除符号位外）各位取反，并在末位加末位加1而得到的。

设有一数X，则X的补码表示记作X补。

例如，X1=1010110X2=一1001010X1原=01010110X1补=01010110即X1原=X1补=01010110X2原=11001010X2补=10110101110110110补码表示数的范围与二进制位数有关。

当采用8位二进制表示时，小数补码的表示范围：

最大为0.1111111，其真值为（0.99）10最小为1.0000000，其真值为（一1）10采用8位二进制表示时，整数补码的表示范围：

最大为01111111，其真值为（127）10最小为10000000，其真值为（一128）10在补码表示法中，0只有一种表示形式：

0补=000000000补=111111111=00000000（由于受设备字长的限制，最后的进位丢失）所以有0补=0补=00000000（3）反）反码表示法表示法机器数的反码可由原码得到。

如果机器数是正数，则该机器数的反码与原码一样；如果机器数是负数，则该机器数的反码是对它的原码（符号位除外）各位取反而得到的。

设有一数X，则X的反码表示记作X反