第二次(网络通信基础知识上)

1、第二章第二章 网络通信基础知识网络通信基础知识 课程知识结构课程知识结构网网 络络 通通 信信 基基 础础 知知 识识现场总现场总线技术线技术局域网技局域网技术与协议术与协议网络互联技网络互联技术与协议术与协议工业自动化网络技术工业自动化网络技术 工工 业业自自动动化化网网络络课课程程 数据通信的基本概念数据通信的基本概念 信息、信号；模拟信号、数字信号；周期信号、非周期信号信息、信号；模拟信号、数字信号；周期信号、非周期信号 信息编码技术信息编码技术 数字数字/数字、模拟数字、模拟/数字、数字数字、数字/模拟、模拟模拟、模拟/模拟模拟 数据传输控制方式数据传输控制方式 单工、半双工、全双工单

2、工、半双工、全双工 数据传输方法数据传输方法 并行传输、串行传输（异步、同步）并行传输、串行传输（异步、同步） 多点传输中多点传输中 链路复用技术：频分复用、时分复用、波分复用链路复用技术：频分复用、时分复用、波分复用 数据交换技术：线路交换、报文交换、分组交换数据交换技术：线路交换、报文交换、分组交换数据通信基础数据通信基础 通信的思考通信的思考？人与人的交流：人与人的交流：相同语言相同语言耳朵一直竖着耳朵一直竖着共同的语义共同的语义足够的音量足够的音量适当的频率适当的频率n设备间的通信：设备间的通信：对对0、1的表示相同的表示相同接收端口打开接收端口打开信号的能量足够大信号的能量足够大传输

3、数据的频率适当传输数据的频率适当 “0”0”、“1”1”如何表示如何表示？ 信号电平大小？信号电平大小？ 接收方怎样知道已开始发送？接收方怎样知道已开始发送？ 发送的快慢？发送的快慢？ 多点发送要考虑什么问题？多点发送要考虑什么问题？发送方发送方 发送消息的设备。也称为：信源。发送消息的设备。也称为：信源。接收方接收方 接收消息的设备。也称为：信宿。接收消息的设备。也称为：信宿。信息信息 需要通信的信息。可以由文本、数字、图片或声音等组成。需要通信的信息。可以由文本、数字、图片或声音等组成。传输媒介传输媒介 消息从发送方传输到接收方的物理链路。消息从发送方传输到接收方的物理链路。协议协议 控制

4、数据通信的一组规则。（通信双方的共同约定，对同步控制数据通信的一组规则。（通信双方的共同约定，对同步方式、传送速度、传送步骤及检纠错方式定义等问题做出统一规定）。方式、传送速度、传送步骤及检纠错方式定义等问题做出统一规定）。发送方发送方接收方接收方传输媒介传输媒介信息信息 协议协议 协议协议信息与信号信息与信号 信息信息 事物不确定性的描述。可以以数据、声音、图象等形式出现。事物不确定性的描述。可以以数据、声音、图象等形式出现。 信号信号 是是信息的传输形式信息的传输形式。分为：模拟信号、数字信号、周期信号和非周期信号。分为：模拟信号、数字信号、周期信号和非周期信号。 信息必须被转化为电磁信号

5、才能传输。信息必须被转化为电磁信号才能传输。 信息的编码方式依赖于信息的原始形式和传输信号的形式。信息的编码方式依赖于信息的原始形式和传输信号的形式。 数字数字/ /数字数字编编 码码模拟模拟/ /数字数字数字数字/ /模拟模拟模拟模拟/ /模拟模拟不同的编码方法不同的编码方法n任何信息都要被转化为电磁信号才能在传输介质上传输。任何信息都要被转化为电磁信号才能在传输介质上传输。 不同类型的数据转换成不同类型的信号有不同类型的数据转换成不同类型的信号有4种种组合，每一种相应地需要进行不同的编码处理。组合，每一种相应地需要进行不同的编码处理。 调制调制 数字或模拟数据 数字信号：编码 数字或模拟数

6、据 模拟信号：调制 为什么要进行调制或编码？为什么要进行调制或编码？ 数字信号不可能通过为模拟信号设计的传输数字信号不可能通过为模拟信号设计的传输线（如电话线）传送，反之亦然。线（如电话线）传送，反之亦然。 调制：用无线电通过空间传输低频信号。调制：用无线电通过空间传输低频信号。 为了有效地传输这种信号，天线尺寸为了有效地传输这种信号，天线尺寸 必须与所辐射的信号波长的尺寸大致必须与所辐射的信号波长的尺寸大致 相同。相同。 然而，约然而，约1000Hz的低频模拟信号的的低频模拟信号的 波长约波长约300KM。 数字数字-数字编码数字编码模拟模拟-数字编码数字编码数字数字-模拟编码模拟编码模拟模

7、拟-模拟编码模拟编码1. 编码技术：编码技术： 数字数字-数字编码：用数字信号来表示数字信息。数字编码：用数字信号来表示数字信息。 数字信号：用不同电压电平的脉冲序列表示。数字信号：用不同电压电平的脉冲序列表示。可分为：可分为：不归零编码（不归零编码（NRZ） 曼彻斯特码曼彻斯特码 差分曼彻斯特码差分曼彻斯特码 逢逢“1”变化的变化的NRZ码码 逢逢“0”变化的变化的NRZ码码 不归零制码不归零制码（NRZ：Non-Return to Zero） 原理：原理：用两种不同的电平分别表示二进制信息用两种不同的电平分别表示二进制信息“0”和和 “1”，低电平表示，低电平表示“0”，高电平表示，高电平

8、表示“1”。 缺点：缺点：a.没有同步信号；没有同步信号； b.难以分辨一位的结束和另一位的开始；难以分辨一位的结束和另一位的开始； c.若信号中若信号中“0”或或“1”连续出现，信号直连续出现，信号直 流分量将累加。流分量将累加。 结论：结论：容易产生传播错误，接收方不能正确接收数据。同容易产生传播错误，接收方不能正确接收数据。同 步数据传输中不采用。步数据传输中不采用。 曼彻斯特码曼彻斯特码（Manchester，相位编码），相位编码）原理：原理：每一位中间都有一个跳变，从高跳到每一位中间都有一个跳变，从高跳到 低表示低表示“0”，从低跳到高表示，从低跳到高表示“1”。 优点：优点：克服了

9、克服了NRZ码的不足。每位中间的跳码的不足。每位中间的跳 变即可作为数据，又可作为时钟，作为变即可作为数据，又可作为时钟，作为 节点间的同步信息，实现网络节点间的节点间的同步信息，实现网络节点间的 时钟同步，无需另外传送同步信号。时钟同步，无需另外传送同步信号。差分曼彻斯特码差分曼彻斯特码（Differential Manchester）原理：原理：每一位中间都有一个跳变，每位开始时每一位中间都有一个跳变，每位开始时 有跳变表示有跳变表示“0”，无跳变表示，无跳变表示“1”。 位中间跳变表示时钟，位前跳变表示数位中间跳变表示时钟，位前跳变表示数 据。据。 优点：优点：时钟、数据分离，便于提取。

10、时钟、数据分离，便于提取。 每位数据位有跳变，整个脉冲序列直流分量均衡。每位数据位有跳变，整个脉冲序列直流分量均衡。 检查每位数据位起点有无跳变区分检查每位数据位起点有无跳变区分0，1，比检查，比检查 电平的高低状态更为可靠，抗干扰能力强。电平的高低状态更为可靠，抗干扰能力强。 逢逢“1”变化的变化的NRZ码码 原理：原理：在每位开始时，逢在每位开始时，逢“1”电平电平 跳变，逢跳变，逢“0”电平不跳变。电平不跳变。 逢逢“0”变化的变化的NRZ码码 原理：原理：在每位开始时，逢在每位开始时，逢“0”电平电平 跳变，逢跳变，逢“1”电平不跳变。电平不跳变。 数字数字-数字编码技术小结数字编码技

11、术小结 NRZ：无同步信号，直流分量累积无同步信号，直流分量累积 同同步数据传输时，通常不采用。步数据传输时，通常不采用。 曼彻斯特码，差分曼彻斯特码：曼彻斯特码，差分曼彻斯特码： 带有数据位的同步信息带有数据位的同步信息 自同步编码自同步编码 每位数据位有跳变每位数据位有跳变 整个脉冲序列直流分量整个脉冲序列直流分量 均衡，可电路隔离均衡，可电路隔离 数据和时钟始终同时在一条线路上传输，不会数据和时钟始终同时在一条线路上传输，不会 失步失步 较高速率传输数据。较高速率传输数据。2. 编码技术：编码技术：模拟模拟-数字编码：用数字信号来表示模拟信息。数字编码：用数字信号来表示模拟信息。 语音信

12、号要在数字线路上传输，须转换成数语音信号要在数字线路上传输，须转换成数字信号。三个步骤：字信号。三个步骤： 1）采样）采样按一定间隔对语音信号采样按一定间隔对语音信号采样 2）量化）量化对每个样本舍入到量化级别上对每个样本舍入到量化级别上 3）编码）编码对每个舍入后的样本进行编码对每个舍入后的样本进行编码 编码后的信号称为编码后的信号称为PCM（Pulse Coded Modulation）信号（脉码调制信号）信号（脉码调制信号）用于用于语音处理语音处理 问题：问题：模拟信息无限，离散信息有限，如何模拟信息无限，离散信息有限，如何在编码中保证信号质量不失真？在编码中保证信号质量不失真？ 奈奎斯

13、特定理（采样定理）：奈奎斯特定理（采样定理）： 如果连续变化的模拟信号最高频如果连续变化的模拟信号最高频 率为率为F，若以，若以2F的采样频率对其采的采样频率对其采 样，则采样得到的离散信号序列就能样，则采样得到的离散信号序列就能 完整地恢复出原始信号。完整地恢复出原始信号。 方案：方案：采样频率的选择：采样频率必须采样频率的选择：采样频率必须至少是信号最高有用频率的两倍。至少是信号最高有用频率的两倍。 -话音信道带宽话音信道带宽 2倍话音最大频率倍话音最大频率) -量化级数：量化级数：256级级 (8位二进制码表示位二进制码表示) -数据率：数据率：8000次次/s*8bit = 64Kb/

14、s 每路每路PCM信号的速率信号的速率 = 64000bps PCM转转换换过过程程举举例例 经数字数字编码经数字数字编码3. 编码技术：数字编码技术：数字-模拟编码模拟编码 数字数字- -模拟编码：用模拟信号来表示数字信息。模拟编码：用模拟信号来表示数字信息。 典型应用典型应用ModemModem调制解调器调制解调器 载波：载波： S(tS(t)= Acos(t+)= Acos(t+ ), ),其中其中A A、可变。可变。 根据载波根据载波S(tS(t) )的三个特性：幅度、频率、相位，的三个特性：幅度、频率、相位，产生常用的三种基本产生常用的三种基本调制调制技术：技术：幅移键控幅移键控(A

15、SK)(ASK)：频率：频率、相位不变，两种幅值。、相位不变，两种幅值。频移键控频移键控(FSK)(FSK)：幅值、相位不变，两种频率。：幅值、相位不变，两种频率。相移键控相移键控(PSK)(PSK)：频率、幅值不变，两种相位：频率、幅值不变，两种相位。 组合方式组合方式(QAM)(QAM)：正交调幅，利用幅移键控和相移键：正交调幅，利用幅移键控和相移键控组合。控组合。 载波载波 S(t)= Acos(t+ ) S(t)的参量包括：幅度的参量包括：幅度A、频率、频率、相、相 位位 调制：调制：使这三个参量随数字信号的变使这三个参量随数字信号的变 化而变化化而变化 幅移键控幅移键控(ASK)(A

16、SK) 通过改变信号的强度（振幅）来表示二进制通过改变信号的强度（振幅）来表示二进制 0、1。振幅改。振幅改变的同时，频率和相位保持不变。变的同时，频率和相位保持不变。缺点：受噪声影响大，信号易受干扰。缺点：受噪声影响大，信号易受干扰。频移键控频移键控(FSK)(FSK) 通过改变信号的频率来表示二进制通过改变信号的频率来表示二进制 0、1。频率改变的同时，。频率改变的同时，振幅和相位保持不变。振幅和相位保持不变。特点：抗干扰性好。特点：抗干扰性好。相移键控相移键控(PSK)(PSK)通过改变信号的相位来表示二进制通过改变信号的相位来表示二进制 0 0、1 1。相位改变的同时，振幅和频。相位改

17、变的同时，振幅和频率保持不变。（抗干扰性好）率保持不变。（抗干扰性好）多级调制方法多级调制方法1 -单参量多级调制单参量多级调制 数据传输速度是数据传输速度是2 2相位相位PSKPSK的的2 2倍。倍。 比特率比特率 = 波特率波特率 x log2M ， M：调制级数：调制级数 正交调幅：同时利用正弦波的两个特性（振幅和相位）。正交调幅：同时利用正弦波的两个特性（振幅和相位）。 相移数已达到上限还要提高传输速率相移数已达到上限还要提高传输速率 多级调制方法多级调制方法2 多参量多级调制多参量多级调制 8-QAM(8-QAM(正交振幅调制正交振幅调制) )时域图时域图 比特率比特率 = 波特率波

18、特率 x log2M ， M：调制级数：调制级数 ，可表示，可表示4位位2进制数：进制数：0000，0001，11114. 编码技术：模拟编码技术：模拟-模拟编码模拟编码 模拟数据转换成模拟信号传输，主要是使模拟数据转换成模拟信号传输，主要是使其能作长距离传输。一般常用的调制信号其能作长距离传输。一般常用的调制信号技术包含三种：技术包含三种： 1）振幅调制（振幅调制（Amplitude Modulation，简，简称称AM） 2）频率调制（频率调制（Frequency Modulation，简，简称称FM） 3）相位调制（相位调制（Phase Modulation，简称，简称PM）数字信号传输（基带传输）：数字信号传输（基带传输）： 基带：基本频带，原始信号所固有的频带基带：基本频带，原始信号所固有的频带 基带传输：在传输时直接使用基带信号基带传输：在传输时直接使用基带信号 最简单最基本的传输方式最简单最基本的传输方式 适用范围：低速和高速的各种情况。适用范围：低速和高速的各种情况。 限制：基带信号所带的频率成分很宽，对传限制：基带信号所带的频率成分很宽，对传 输线有一定的要求。输线有一定的要求。 数字信号与模拟信号的传输数字信号与模拟信号的传输模拟信号传