接口与通信 第7章 数据通信基础（.ppt

接口与通信 第七章数据通信基础 导论 第一节基本概念7 1 1通信的概念 用任何方法 通过任何媒介将信息从一地传送到另一地 从广义上讲这种信息的传递均可以称之为通信 7 1 1通信的概念 利用 电 来传递消息的通信方法 确切地说 是利用电压 电流或电磁波参数 如振幅 频率 相位 的变化达到通信的目的 称之为电信 Telecommunication 这种通信具有迅速 准确 可靠等特点 而且几乎不受时间 地点 空间 距离的限制 因而得到了飞速发展和广泛应用 7 1 1通信的概念 在自然科学中 通信 与 电信 几乎是同义词了 由此 不妨对通信重新定义 把利用电子等技术手段 借助电信号 含光信号 实现从一地向另一地进行消息的有效传递和交换称为通信 7 1 2通信系统模型 通信系统尽管形式多种多样 但对一般点到点通信系统均包含以下五部分 信源 变换器 信道 反变换器 信宿 因此 通信系统的基本模型如下图所示 7 1 2通信系统模型 信息源 简称信源 的作用是把待传输的信息转换成原始的电信号 如电话系统中的电话机可以看成是信源 信源输出的信号称为基带信号 所谓基带信号是指没有经过调制 频率搬移 的原始信号 其特点是频率较低 7 1 2通信系统模型 为了使这原始电信号 基带信号 适合在信道上传输 由发送设备对基带信号进行某种变换或处理 转换成适合于在信道上传输的电信号 发送设备是一个总体概念 它可能包括许多具体电路与系统 7 1 2通信系统模型 信道是信号传输的通路 它一般包括传输媒介及有关的设备如中继器等 信道中自然会叠加上噪声 在接收端 接收设备的功能正好相反于发送设备 通过信道传输到远方的电信号 先由接收端的反变换恢复成原始的电信号 再送给接受者 信宿 而后由信宿将其转换成相应信息 如电话机将对方传来的电信号还原成声音 7 1 3通信系统的分类 按传输介质分 有线通信 无线通信按工作频段分 长波通信 中波通信 短波通信 微波通信按调制方式分 基带传输 频带传输按业务的不同分 电报 电话 传真 数据传输 可视电话 无线寻呼等按收信者是否运动分 移动通信 固定通信按信道中所传信号的不同分 数字通信 模拟通信 7 1 3通信系统的分类 模拟通信系统和数字通信系统通信系统中传递的电信号可分为连续变化 模拟信号 和离散变化 数字信号 两大类 按照信道中传输的是模拟信号还是数字信号 可以相应地把通信系统分为两类 模拟通信系统和数字通信系统 7 1 3通信系统的分类 模拟信号凡信号的某一参量 如连续波的振幅 频率 相位等 可以取无限多个数值 且直接与消息相对应的 这种电信号称为模拟信号 模拟信号有时也称连续信号 这个连续是指信号的某一参量可以连续变化 即可以取无限多个值 而不一定在时间上也连续 7 1 3通信系统的分类 数字信号凡信号的某一参量只能取有限个数值 并常常不直接与消息相对应的 称为数字信号 数字信号又称为离散信号 这个离散是指信号的某参量是离散 不连续 变化的 而不一定在时间上也离散 7 1 3通信系统的分类 调制和解调用于传输模拟话音的电话系统就是一种模拟通信系统 若信源是数字计算机或数字终端 则它们所产生的原始电信号均是数字信号 由于信道即传输线路的频率都有一定的范围 数字信号要在模拟通信系统上传输 就首先要将数字式的原始电信号转换成模拟式的电信号 这个过程称为调制 执行调制功能的变换器称为调制器 7 1 3通信系统的分类 通过信道传输到接收端的模拟信号 又要经过称之为解调器的反变换器转换成为信宿的数字计算机或数字终端所能接收的数字信号 再大多数情况下 通信是双向的 调制器和解调器合在一个装置中 这就是调制解调器 7 1 4数字通信系统的主要性能指标 通信系统的主要性能指标归纳起来有以下几个方面 1 有效性 指通信系统传输消息的 效率 问题 即在给定信道内所传输信息内容的多少及快慢问题 2 可靠性 指通信系统传输消息的 质量 问题 即所接收信息的准确程度 3 适应性 指通信系统使用时的环境条件 4 经济性 指系统的成本问题 5 保密性 指系统对所传信号的加密措施 这点对军用系统显得更加重要 6 标准性 指系统的接口 各种结构及协议是否符合国家 国际标准 7 维修性 指系统是否维修方便 8 工艺性 指通信系统各种工艺要求 7 1 4数字通信系统的主要性能指标 通信系统的有效性和可靠性因为通信系统的主要任务是传递信息 因此 信息传递的有效性和可靠性是通信系统最主要的质量指标 这两者既相互矛盾又相互联系 在一定的条件下可以相互转换 通常只能要求在满足一定可靠性指标下 尽量提高通信系统的有效性 7 1 4数字通信系统的主要性能指标 有效性 对于数字通信系统 有效性可用一定信道条件下信息速率来衡量 当信道一定时 信息传输速率越高 有效性也越高 为了提高有效性 可采用多进制传输 此时每个码元携带的信息量超过1b 位 若码元速率为Rs 信息速率为Rb 每个码元有N种可能采用的符号 则它们之间的关系为 或 7 1 4数字通信系统的主要性能指标 可靠性 通信系统的可靠性可用错误率来衡量 错误率又分为误比特率和误码率 误比特率 误码率 因此 对于一个实际的通信系统 首先要解决好以下几个方面的问题 一是信道的带宽与数据的传输速率 二是电信号的调制与解调 三是信道的利用率问题 下面的章节将分别对上面提出的三个问题予以阐述 7 1 5信道的带宽和传输速率 信道信道 通俗地说 是指以传输媒介 质 为基础的信号通路 具体地说 信道是指由有线或无线电线路提供的信号通路 或者说信道是指定的一段频带 它让信号通过 同时又给信号以限制和损害 信道的作用是传输信号 包括传输媒体和有关中间通信设备 习惯上 又把信道称之为线路 7 1 5信道的带宽和传输速率 电信系统中多是利用电磁波的传播来传递电信号的 电磁波的传播通常有两种形式 一种沿导体传播 这时电磁波的能量大部分集中在导体附近 传输效率较高 常称之为有线信道 另一种在自由空间传播 通常称之为无线电传播 此时电磁波的能量向各个方向发射 无线电传播用天线来发射 能量是分散的 所以效率极低 常称之为无线信道 7 1 5信道的带宽和传输速率 有线信道这类信道除了传输媒体 导线 外 每隔一定距离需要设置增音器或中继器等放大设备 这是考虑到信号沿导线传输时必定会引起衰减 为了对邻路干扰及噪声等采取措施 有时在终端还需加校正网络 信道频率特性与传输媒体的频率特性是不大相同的 因为信道特性是综合传输媒体附加设备和电路的特性而得到的 7 1 5信道的带宽和传输速率 属于有线信道的传输媒体有 架空明线 平衡电缆 同轴电缆和光导纤维等 近年来 由于光纤通信的发展 同轴电缆正在逐渐被光缆取代 光纤通信是以特制的石英玻璃纤维作为传输线传输光信号 具有容量大 中继距离远等优点 而且不怕电磁干扰 与同轴电缆相比可以大量节约有色金属和能源 7 1 5信道的带宽和传输速率 无线信道无线信道由自由空间所组成 电磁波在自由空间中传播 为了使传播距离更远 常用频率很高的震荡波来发送 因此必须有一个高频发射机 产生高频震荡波 通过天线发送出去 在接收端 通过接收天线和接收机来接收之 这样 发送机 接收机和天线就组成了无线通信 无线信道的传输特性没有有线信道的传输特性稳定和可靠 但无线信道具有方便 灵活 通信者可移动等优点 7 1 5信道的带宽和传输速率 无线信道可分为 长波中波短波微波等长波信道可用于特种通信 如海上通信等 中波及超短波信道常用于声音传播 电视广播等 了解更多关于短波和微波请点击 7 1 5信道的带宽和传输速率移动通信是指移动体之间 移动体与固定体之间的通信 或者说 移动通信是通信的双方至少有一方处在移动状态下 或临时静止 相互进行的信息传输和交换 移动通信信道属于无线信道 它不仅具有所有无线信道的特点 而且还具有用户随机移动的新特色 这种新特色表现在 电波传播的开放性接收点地理环境的复杂性和多样性通信用户随机移动性 7 1 5信道的带宽和传输速率 移动通信的主要特点 复杂恶劣的电波传播环境是移动信道的主要特征 一 首先传播环境十分复杂 传播机理多种多样 几乎包括了电波传播的所有过程 直射波 多径反射波 绕射波 散射波 二 其次由于用户的移动性 传播参数随时变化 引起接收场强的快速移动 移动通信运行在复杂的干扰环境中可利用的频谱资源有限而通信业务量的需求与日俱增网络结构多种多样 网络管理复杂用户终端成为个人消费品 7 1 5信道的带宽和传输速率 信道的带宽信道是电信号通过的路径 有一定的容量 信道容量是指信道传输信号频率的范围 这个范围成为该信道的宽度 或称为带宽 bandwidth 信道的容量主要取决于信道的带宽 信道的带宽是由传输线路本身的传输媒质和有关附加设备与信号的频率所共同决定的 7 1 5信道的带宽和传输速率 任何实际的信道都有一定的带宽 通常用一个信道的截止频率来衡量带宽一个低通信道 若通过零到某个频率的信号时 对某个频率的信号产生较大衰减时的频率 称之为截止频率 此信道的带宽就是这个截止频率 例如 一般电话线路的频率超过3000Hz时 通话就无法进行 我们就说电话话频线路的带宽为3000Hz 7 1 5信道的带宽和传输速率 一个具有有限持续时间的数字信号 可以看成为一个以此有限持续时间T为周期的周期阶梯函数 此函数可展开成傅里叶级数其中 式中 基波频率 直流分量 n次谐波正弦振幅值 n次谐波余弦振幅 谐波次数越高 则其频率也就越高 为n次谐波的均方根振幅 它和n次谐波的能量成正比 7 1 5信道的带宽和传输速率 传输速率表征一个信道传输数字信号能力的指标为数据速率 datarate 有时也称为该信道的容量 是以信道每秒钟所能传送的比特为单位的 这里比特就是计算机中常用的二进制位 上述单位我们常称为比特 秒或者位 秒 有时也简记为b s或者bps 信道的最大传输数据速率是受信道的带宽限制的 对于无噪声的信道 下面的奈奎斯特公式给出了这种限制关系 式中 低通信道的带宽 Hz 某时刻数字信号可能取的离散值的个数 该信道的最大数据速率 bps 7 1 5信道的带宽和传输速率 香农 Shannon 则进一步研究了受随机噪声干扰信道的情况 并给出了香农公式 式中 信号功率 kW 噪声功率 kW 信噪比由于实际使用的信道 信噪比都要足够大 常用以分贝 dB 为单位来计算 在使用上述公式时要特别注意 7 1 6数字调制与解调技术数据通信就是指以计算机为中心 用通信线路连接分布在远地的数据终端设备而执行数据通信的系统 下图给出了一个最简单的数据通信系统 包括五个部件 中央计算机 终端设备 传输线路 调制器 解调器其中计算机和终端设备作为信源和信宿 传输线路作为信道 调制器和解调器作为变换器和反变换器 7 1 6数字调制与解调技术 数据通信传输的是数字信号 它要求传送线的频带很宽 而在长距离通信时 通常都是利用电话线传送的 不可能有这样宽的频带 电话线的带宽如右图所示 其带宽为30 3000Hz 7 1 6数字调制与解调技术 若用数字信号直接在电话线上通信 经过传送线后 信号就会发生畸变 如下图所示 7 1 6数字调制与解调技术所以要用调制器把数字信号转换为模拟信号 用解调器检测此模拟信号 再把它换成数字信号 调制解调过程如下图所示 动态演示 7 1 6数字调制与解调技术 调制方法 一般说来 数字调制技术可分为两种类型 1 利用模拟方法去实现数字调制 即把数字基带信号当作模拟信号的特殊情况来处理 2 利用数字信号的离散取值特点键控载波 从而实现数字调制 通常称为键控法 特点 调制变换速率快 调整测试方便 体积小 设备可靠性高 7 1 6数字调制与解调技术 利用模拟方法实现数字调制 正弦振荡的载波可用Asin 2 nft 表示 使其振幅A 频率f或相位 随基带信号的变化而变化 就可在载波上进行调制了 这三者分别称为 幅度调制 简称为调幅 AM 频率调制 简称为调频 FM 相位调制 简称为调相 PM 7 1 6数字调制与解调技术 幅度调制在幅度调制方式中 两个不同载波信号的幅值分别代表两个二进制数字1和0 频率调制频率调制方式中 用两个不同频率的载波分别代表二进制数字1和0 相位调制相位调制方式中 用载波的相位变化来代表二进制数字1和0 7 1 6数字调制与解调技术 以上介绍的三种调制方法可用下图来表示 7 1 6数字调制与解调技术 数字键控调制方式 在数字调制中可以利用数字信号离散取值的特点 由数字电路的开关 像扳键一样来控制振幅 频率或相位的变化 因而在数据通信中调幅 调频和调相常相应地称为振幅键控 频移键控和相移键控 其中频移控键是一种较常用的调制方式 7 1 6数字调制与解调技术 下图给出了用数字电路开关来实现FSK调制的原理图 7 1 6数字调制与解调技术 解调技术 解调是将已调制的信号恢复成原来的数字信号的过程 要使解调输出不失真地恢复原信号 也即使本地载波与已调信号的载波同频同相 一般称本地载波为调幅信号载波的相干波 称上述解调方式为相干解调或同步解调 否则为非相干解调 7 1 6数字调制与解调技术 下图给出了2FSK的非相干解调器 2FSK信号相当于两路不同载频的2ASK信号 利用中心频率为f1 f0的带宽为2 Tb的带通滤波器对已调信号分路接收 再经包络检波和相减电路 最后做取样判决 判决规则很简单 U1 U0判为 1 码 反之判为 0 码 7 1 6数字调制与解调技术下图给出了用零交点法解调2FSK信号的方框图和各点波形 由于频率是每秒内的震荡次数 所以 单位时间内信号经过零点的次数可以用来测量频率的高低 图中画出了一个相位连续的FSK信号如a 经限幅呈矩形波如b 微分 整流后得单极归零尖脉冲如d 再经脉冲形成电路得到幅度为E 宽度为 的脉冲如e 由于脉冲序列e的密度反映2FSK信号频率的高低 因此 经低通后得到基带数字信号如f 从图可见 对零交点来说 相对频差越大 区别 1 和 0 越容易 7 1 7多路复用多路复用是指多路独立信号同时利用同一个信道进行传输 从通信的角度看 多路复用技术就是把许多信息在单一的传输线路和用单一的传输设备来进行传输的技术 它是提高通信有效性的一种重要手段 信道的多路复用技术包括 复合传输分离 7 1 7多路复用信道复用的基础就是信号的可分割性 而信号分离的关键在于对信号的设计 线性分割理论指出 实现有效分割的充分与必要条件是各个信号在某些条件下应该是相互线性无关 目前流行的分割方法是 频率分割法时间分割法所以两种最常用的多路复用技术是 频分多路复用 FDM 时分多路复用 TDM 7 1 7多路复用 频分多路复用频分多路复用 是指各路信号同时在同一个信道中传输时占用不同的频带 即把各路信号通过调制把它们搬到各自不同的频段 然后在同一个信道上同时传输 频分多路复用的实现 可以通过频率调制时采用不同的载波来实现 在物理信道能提供比单个原始信号宽得多的带宽的情况下 我们就可将该物理信道的总带宽分割成若干个和传输的单个信号带宽相同的子信道 每个子信道传输一路信号 这就是频分多路复用 这种方法的信号分离参数是信号的频率 7 1 7多路复用 时分多路复用时分多路复用 是指各路信号同时在同一信道中传输时占有不同的时间间隔 时分多路复用的实现 将一条物理的传输线路按时间分成若干时间片 将每路信号分配在不同的时间间隔内传输 为达到各路信号互相分开的目的 这种方法的信号分割参量是信号占用的时间 要求复用的各路信号在时间上互不重叠 从而实现信道的多路复用 7 1 7多路复用 频分多路复用和时分多路复用的应用从性质上说频分多路复用适用于模拟信号的传输 时分多路复用适合于数字信号的场合 为了防止互相干扰 信道之间要有一个 警备频率 或 警备时间间隔 等 下图给出了频分多路复用和时分多路复用划分信道的原理 动态演示 7 1 7多路复用 在频率 时间坐标系中 频分多路复用是用分割频率来区分各个信道的 而时分多路复用适用分割时间来区分信道 电话信号的载波通信系统是频分多路复用的典型例子 第二节通信协议 概述为了数据通信能圆满的进行 通信双方在通信内容 怎样通信以及何时通信等方面要遵从相互可以接受的一组约定和规则 这些约定和规则的集合称之为通信协议 也叫通信控制规程 概述在数据通信中 传输的对象是一系列的二进制 0 或 1 位串 但在不同的位置可能有不同的含义 有的只是用于同步 有的代表了通信双方的地址 有的是一些控制信息 有些是为了差错检测或纠正而加上去的冗余位 但大多数是要传输的数据本身 这些都是在通信协议中事先约定好的 7 2 1串行通信 在串行通信中 传送信息只占用一条传输线 是一种广泛应用的传输方式 传送时将数据的各位按时间顺序依次在一根传输线上传输 串行通信适于长距离 中低速通信 7 2 1串行通信 异步串行通信同