网络通信_ch3_数据传输

1、1Bilingual CourseNetwork Communications网络通信网络通信(For Master Students in the Department of Electronic Engineering)Chapter 3 Data TransmissionInstructor: Dr. Tianshuang QiuSchool of the Electronic and Information EngineeringFall of 20102PART II DATA COMMUNICATIONSnPart II deals with the transfer of dat

2、a between two devices that are directly connected, that is, the two devices are linked by a single transmission path rather than a network.nFirst, we need to understand something about the process of transmitting signals across a communication link. Both analog and digital transmission techniques ar

3、e used. nThe transmission properties of the signal depends on which frequencies are involved. Also the type of impairments are dependent of frequency.nAgain the encoding technique is a factor in transmission performance.nReliability and efficiency.3第3章的主要内容n各种形式的信息都可以用电磁信号来表示；各种形式的信息都可以用电磁信号来表示；n任何信

4、号（模拟、数字）都由一些频率成分组成。任何信号（模拟、数字）都由一些频率成分组成。信信号的带宽越大，其携带信息的能力越强号的带宽越大，其携带信息的能力越强；n传输损伤包括衰减、失真等，使信号质量下降；传输损伤包括衰减、失真等，使信号质量下降；n设计通信设施考虑下列因素：设计通信设施考虑下列因素：n信号的带宽；信号的带宽；n数据率；数据率；n噪声；噪声；n差错率等级差错率等级n带宽是稀有资源，要充分利用。带宽是稀有资源，要充分利用。43-1 Concepts and TerminologiesnExpressions of signalsnIn time domainnContinuous ti

5、me signal nDiscrete time signalnPeriodic signal nAperiodic signal nIn frequency domainnFourier series nFourier transformnDiscrete Fourier seriesnDiscrete time Fourier transformnDiscrete Fourier transformnFast Fourier transform)(tx)(nx)()(Ttxtx)()(NnxnxttxTaTtjkkde)(10ttxjXtjde)()(NnnjkkenxNa01mtjjen

6、xeX)(102)(NnNnkjenxkX5Relationsn连续非周期n离散周期)()()()()(zXsXeXjXaanxtxjkk6Analogue & Digital Signals7Examples of Signals and spectra (Figure 3.3, E.6)8Figure 3.49Figure 3.610Figure 3.511Other ConceptsnGuided media（导向媒体）n电磁波或电信号由导线引导沿某一物理路径前进，例如双绞线（twisted pair），同轴电缆（coaxial cable），光纤（optical fiber）n

7、Unguided media（非导向媒体）n不限定传播方向，例如真空（vacuum），空气，海水等nDirect Link（直接链路）n指两个设备之间直接传输的路径nPoint-to-Point（点对点）n两个设备之间有直接链路，且被二者共享nMultipoint （多点）n两个以上设备共享同一媒体12The relations between the Bandwidth and the Data raten信号的带宽：信号频谱的最高频率与最低频率之差；n数据率：数据产生（传输）的速率；n二者的关系：n信号信号的数据率越高，其有效带宽越宽；n系统系统的带宽越宽，其所能传输的数据率越高。n数字波

8、形的带宽是无限的，而媒体的带宽不可能无限；n对于媒体，带宽越宽，费用越高；n通常将数字信息近似为带宽有限信号（参见Figure 3.7(c), in P.77）；n系统带宽的限制，引起信号的失真，不易恢复，会引起差错；n信号的数据率越高，信号的有效带宽越宽；n若传输系统的带宽越宽，则能够传输的数据率越高。13n例n方波的周期：T=1/f1 (f1是基频)n每个bit的持续时间为：Tb=T/2=1/2f1n数据率=2/T=2f1T1011415Examples (计算数据率计算数据率)nCase1: Seeing Figure 3.7(a) in P.77, the base frequency

9、 of the signal is f1=1MHz, the period is T=1us, and Tb=0.5us. Taking 5 harmonics, B=fmax-f1=4MHz. Then the data rate is R=1/Tb=2Mbps.nCase 2: Seeing Figure 3.7(a) in P.77, the base frequency of the signal is f1=2MHz, the period is T=0.5us, and Tb=0.25us. Taking 5 harmonics, B=10-2=8MHz. Then the dat

10、a rate is R=1/Tb=4Mbps.nCase3: Base frequency f1=2MHz, T=0.5us, Tb=0.25us. Taking 3 harmonics, B=fmax-f1=6-2=4MHz, then R=1/Tb=4Mbps（Tb为一个为一个bit信号波形的时间宽度信号波形的时间宽度）16系统带宽系统带宽对信号的影响对信号的影响17Figure 3.7183-2 Analog and Digital Data TransmissionnData: 传达某种意义的实体nSignaling：信号沿适当媒体的实际传播动作nTransmission: 进行数据通

11、信的过程nData-Signal模拟信号数字信号模拟数据直接传输模拟调制模拟数据由编解码器产生数字bit流数字数据数字数据经Modem产生模拟信号基带编码19Analog Signals Carrying Analog and Digital Data20Digital Signals Carrying Analog and Digital Data21Signal-Transmission模拟传输数字传输模拟信号经由放大器放大器传输,无论模拟数据还是数字数据,处理方式相同假设这个模拟信号表示的是数字数据，信号通过再生器再生器传播。在每个再生器上，根据入口信号恢复数字数据，并用它来生生成新的输

12、出模拟信号成新的输出模拟信号。数字信号不使用数字信号表示的是0，1比特流，它代表了数字数据或者是经过编码的模拟数据。信号经过再再生器生器传播。在每个再生器上，根据入口信号恢复数字数据，并用它来生成新的输出数字信生成新的输出数字信号号。22Video Interlacing Signals2324Spectrum of Speech and Music (Figure 3.9)253-3 Transmission Impairments(传输损伤传输损伤)nAttenuationn信号强度随传输距离减弱（dB/单位距离）。由于衰减，传输工程需要考虑三个问题：n接收信号需要有足够的强度（采用放大器

13、、转发器解决）；n信号电平需要高于噪声电平（保证一定的信噪比）；n由于频率越高，衰减越严重，故需考虑信号的高频分量问题（解决方法：均衡技术，改善信道的特性，尽可能满足线性相位）。nDelay Distortionn对于导向媒体，信号的传输速度随频率变化。n对于频带有限的信号，在靠近中心频率处的传播速度最快，而两侧较慢。（参见图3.12, P.91）26Attenuation of Digital Signals27Conversion of Voice Input into Analog Signal28Conversion of PC Input to Digital Signal2930N

14、oisesnClassification nThermal noise: 导体内电子热运动引起，是无法消除的白噪声nIntermodulation noise: 由不同频率的信号共享一个传输媒体而引起（非线性效应），其结果是产生额外的信号nCrosstalk: 是不希望有的信道之间的耦合现象。载有多路信号的相邻双绞线之间发生电耦合。例如打电话时听到了别人的谈话。nImpulse noise: 由非连续的、不规则的脉冲或噪声尖峰所组成，持续时间短而振幅大，由外部电磁干扰（雷电）及通信系统本身故障引起。31The Calculation of Thermal Noisesn1Hz带宽内的热噪声值n

15、带宽为B时，n 为噪声功率密度，单位为n 为玻尔兹曼常数n若对N 取以10为底的对数再乘以10，则单位为dBW,nExamplen在室温T=17C（290K）时，噪声功率密度为0(W /Hz)NkT0N(W/Hz)231.3803 10(J/K )k0(W)N kTB N BBTBTkNkTBNBNlog10log10dBW6 .228log10log10log10WHz,dBW/Hz204W/Hz104290)1038. 1 (21230瓦表示为或者用分贝表示为带宽内的热噪声用由于噪声是宽带的32nExamplen对于一个有效噪声温度为100K，带宽为10MHz的接收器，其输出端的热噪声电平

16、为dBW6 .13870206 .22810log1010log10dBW6 .22872N33Analog TransmissionnAnalog signal transmitted without regard to content;nMay be analog or digital data;nAttenuated over distance ;nUse amplifiers to boost signal;nAlso amplifies noise34Digital TransmissionnConcerned with content;nIntegrity endangered b

17、y noise, attenuation etc.;nRepeaters used;nRepeater receives signal;nExtracts bit pattern;nRetransmits;nAttenuation is overcome;nNoise is not amplified35Advantages of Digital TransmissionnDigital technologynLow cost LSI/VLSI technologynData integritynLonger distances over lower quality linesnCapacit

18、y utilizationnHigh bandwidth links economicalnHigh degree of multiplexing easier with digital techniquesnSecurity & PrivacynEncryptionnIntegrationnCan treat analog and digital data similarly363-4 Channel Capacityn信道容量信道容量n在给定条件下，某一通信信道上所能达到的最大数据传输速在给定条件下，某一通信信道上所能达到的最大数据传输速率称为率称为信道容量。信道容量。n其他相关概

19、念其他相关概念nData rate: 是指数据能够通信的速率，用是指数据能够通信的速率，用bps表示。表示。nBandwidth：是指在发送器和传输媒体的特性限制下的带宽，：是指在发送器和传输媒体的特性限制下的带宽，用用Hz表示。表示。nNoise：通信通路上的平均噪声电平。：通信通路上的平均噪声电平。nError rate：这里的差错是指发送的：这里的差错是指发送的0而接收的为而接收的为1，或者相，或者相反。反。37Nyquist Bandwidth n在无噪声的条件下，若系统的带宽为在无噪声的条件下，若系统的带宽为B，则最大可承载的信号传，则最大可承载的信号传输速率为输速率为2B 。n对于

20、对于二进制信号二进制信号，B Hz带宽所能承载的数据率为带宽所能承载的数据率为2B bps。n对于对于M进制的信号进制的信号（即每个信号单元可代表多个（即每个信号单元可代表多个bit），），Nyquist Bandwidth为：为：nExample 已知已知:B=3100Hz, M=8, 求求C=？ 解：解：C=2Blog2M=2*3100*log28=18600 bpsnNyquist公式的缺点：没有考虑噪声对信道的影响。但是实际上，公式的缺点：没有考虑噪声对信道的影响。但是实际上，噪声对数据率、误码率均有影响。噪声对数据率、误码率均有影响。 （对照香农公式：）（对照香农公式：）)bps(l

21、og22MBC 38Shannon Channel CapacitynNyquist公式的缺点公式的缺点n没有考虑噪声对信道的影响。n实际上，噪声对数据率、误码率等均有影响n噪声对传输的影响（例，见下页）n信噪比的定义：n香农公式：)(log10SNR)(10dBnsPP)Hz()bps(,)dB()SNR1 (log2信道带宽信道容量式中BCBC39NyquistNyquistn奈奎斯特（奈奎斯特（Harry Nyquist），美国物理学家，），美国物理学家，1889年出生在年出生在瑞典。瑞典。1976年在德克萨斯逝世，他对年在德克萨斯逝世，他对信息信息论做出了重大的贡献。论做出了重大的贡献

22、。n奈奎斯特奈奎斯特1907年移民到美国并于年移民到美国并于1912年进入北达克塔大学年进入北达克塔大学学习学习。1917年在耶鲁大学获得物理学博士学位。年在耶鲁大学获得物理学博士学位。1917年年1934年在年在AT&T公司工作，后转入贝尔电话实验室工作。作为贝尔电话实公司工作，后转入贝尔电话实验室工作。作为贝尔电话实验室的工程师，在热噪声验室的工程师，在热噪声(Johnson-Nyquist noise)和反馈放大和反馈放大器稳定性方面做出了很大的贡献。他早期的理论性工作是关于确器稳定性方面做出了很大的贡献。他早期的理论性工作是关于确定传输信息的需满足的带宽要求，为后来香农的信息论

23、奠定了基定传输信息的需满足的带宽要求，为后来香农的信息论奠定了基础。础。1927年年，奈奎斯特确定了如果对某一带宽的有限时间连续，奈奎斯特确定了如果对某一带宽的有限时间连续信号（模拟信号）进行抽样，且在抽样率达到一定数值时，根据信号（模拟信号）进行抽样，且在抽样率达到一定数值时，根据这些抽样值可以在接收端准确地恢复原信号。为不使原波形产生这些抽样值可以在接收端准确地恢复原信号。为不使原波形产生“半波损失半波损失”，采样率至少应为信号最高频率的两倍，这就是著，采样率至少应为信号最高频率的两倍，这就是著名的奈奎斯特采样定理。名的奈奎斯特采样定理。1954年，他从贝尔实验室退休。年，他从贝尔实验室退休。 40Shan