武大数据通信与网络课件CH3YES

1、Chapter 3 信号传输与接口3.1 传输介质3.2 信道特性 3.3 传输模式3.4 数据压缩3.5 复用 3.6 同步控制3.7 通信接口和标准13.1 传输介质 类别Transmission MediaUnguided Guided Twisted-pairTrolly WireCoaxial CableFiber-optic Cable有向介质无向介质架空线双绞线对同轴电缆 光缆23.1.1 有线信道 架空线 架设在电线杆上的两条平行的裸露导线长用在偏远村庄信号沿着介质的方向传播并被局限在介质的物理边界内，又称有向介质.缺点: 带宽窄， 噪声干扰大应用: 电力线载波通信 3双绞线非

2、屏蔽 双绞线(UTP)由扭在一起的两根绝缘铜线组成. (figure 3.1)双绞线通常用于传输平衡信号，其频率范围对于传输数据和语音都适用 (100Hz 5MHz) 由于两条导线交叉，能显著减弱噪声的影响。4(table add.) EIA 制定UTP等级标准： Category 1 在电话系统中使用的基本双绞线，。 Category 2 适用于语音和最大速率为4 Mbps 的数据传输。 Category 3 适用于语音和最大速率为10 Mbps 的数据传输。 Category 4 数据传输速率最大可达16Mbps。 Category 5 在最大数据速率为 100 Mbps的环境下使用。5屏

3、蔽双绞线 (STP)双绞线电缆 （figure 3.2） UTP 连接器 (figure 3.3) 在每一对导线外都有一层金属箔或网格。 (figure 3.4) Advantage: 对噪声有更好的屏蔽作用，并且能消除线对之间的串线干扰。6 同轴电缆 结构: 中心导体 + 外层金属包层 (figure 3.5A) 外层金属包层既作为屏蔽层又作为传导体的一部分。频率范围: 100 kHz -500 MHz 接头: BNC- (卡销式网络连接器) (figure 3.5B) T型连接器-从主线上引出分支 终结端子-电缆终端的阻抗匹配。在电缆终端吸收电磁波，消除回波反射。7同轴电缆规格： RG-8

4、, RG-9, RG-11粗缆，用于以太网 50 阻抗, 分布电容小，速率高，常用于干线。500m 1km/10Mbps RG-58细缆，用于以太网。 50 阻抗, 分布电容大，速率较低。 200m 300m/10Mbps RG-75 75 阻抗，用于 CATV8 光缆 光纤: (figure 3.6A) 传输机理 : 利用全反射，使光线在光纤内定向传输. (figure 3.6B) 模式:单模;多模 (阶跃,渐变) (figure 3.6C) 连接器: (figure 3.6D)9类型: (figure 3.6E)波长: (figure 3.6F) 850nm,1310nm,1550nm 优

5、点 抑制电磁干扰，衰减小，带宽大103.1.2 无线介质不使用物理导体来传输电磁波，而是将信号从空间传播出去，又称无向介质，实现无线通信。波段划分 VLF-甚低频 VHF-甚高频 LF-低频 UHF-超高频 MF-中频 SHF-特高频 HF-高频 EHF-极高频 (figure3.7) 11 5种传播方式 地表传播、对流层传播、电离层传播、 视线传播、空间传播 (figure3.8)应用：无线电导航-地表传播 （figure3.9） 中波调幅广播-对流层传播 （figure3.10） 调频广播和VHF电视 -视线传播 (figure 3.11） UHF电视、移动电话和微波-视线传播 (figu

6、re 3.12）卫星通信-空间传播 (figure 3.13） 地球同步卫星 卫星通信频带 (table3.1)12传输介质性能比较 选择介质的五个因素: 费用、速度、信号衰减、电磁干扰、安全性 介质性能比较 (table 3.2)133.2 信道特性 Attenuation :信号通过信道传输时，信号能量产生损失 Gain :为了补偿损失，可用放大器放大信号，获得增益 (figure 3.14) 3.2.1 衰减和增益信道：发送接收设备+传输介质+中继器14 计量单位：dB (分贝) 将信道视为一个传输系统. (figure 3.15) A = 10log10 (P2/P1) = 20log

7、10 (V2/V1)= 20log10 (I2/I1) dB如果信号是衰减的，则分贝是负的；如果信号有增益，则分贝是正的。15绝对功率电平为了表示系统中某点的信号功率的绝对大小电平，使用单位为dBm Lp = 10log10 (P/1mw) dBmdBm 是一个以1mW为参考的功率单位 P 1mw, dBm为正 P = 1mw, dBm为零 P 100Mbps 一路语音服务需要带宽 = 64Kbps网络上的信息越来越大，对于传输来说有什么方法来处理？ 43 数据压缩的总体思想 去除冗余信息 提高编码效率 减少比特数的同时必须保持所有特征信息443.4.1 压缩编码技术 1. 字符压缩编码技术

8、-Huffman编码 通用的字符编码方案-ASCII 每个字符用8比特表示 所有字符长度相同 Huffman 编码 (哈夫曼编码)依据: 文件中不同字符出现的频率不同方案: 给频繁出现的字符 (如 N, P, R, S, T 和元音)分配较短的代码Example: 一个数据文件中只有5个字符，各字符出现的频率和编码 方案见 table 3.345 Huffman 解码 无前缀属性 任何字符的代码都不是另一个代码的前缀Example: (figure 3.29)Huffman 编码的条件 已知各字符在文件中出现的概率 只适用于字符编码46Huffman 编码的算法过程 为每个字符指定一个节点，并

9、将字符的概率指派给对应的节点，称为节点的权 . 寻找权最小的2个节点，把它们合并成一棵带有新的根节点的二叉树. 如果权最小的节点多于2个，就随机选择. 重复上述步骤，得到多级的二叉树，直到生效最后一棵树. 从最后的根节点逐级向下，对每个左边的连线指派“0”，对右边的连线指派“1”47从根节点到叶子节点对应即为 Huffman 码 (figure 3.30) 压缩率分析 对于上例，压缩率为 30 %.48 2. 基本压缩编码 行程编码 方法 分析比特流，找出连0或连1.发送连0或连1的个数，而不是发送比特本身 应用 适用于较多连0和连1的场合,如传真 Example 用4个比特表示连0的个数 (

10、figure 3.31)49 相对编码 基本原理:有些场合当前帧和前一帧的差别比较小，如视频信号传送两者的差别，称为差分编码. Application： 适合视频信号 Example: (figure 3.32) 0表示信息没有变化，则就有可能有许多的0，然后采用行程编码来进行压缩503.4.2 图像压缩图像和语音是最常见、最重要的多媒体信息。背景知识： 图片 : 即 静止图象 图片是由许多像素组成的，如640480, 1024768.黑白图片 : e每一个像素用8比特来表示256级灰度51 视频 : 特指 运动图象 . 每秒30帧的640*480的视频，其传输速率为: 64048024302

11、21106 bps 221 Mbps彩色图片: RGB: 三基色，红绿蓝，每一种颜色用8比特来表示强度。YIQ: 一个亮度（Y）,两个色度（ I和 Q），每一种用8比特来表示强度每一个YIQ 值对应一个 RGB值. 在任何情况下，彩色图片有24比特表示 52人类感官系统: 人类感官系统对亮度更敏感，而对色度不是很敏感。在色度上的稍微缺失不会被察觉到。 - 图片压缩的原理53 1.JPEG 压缩 JPEG （联合图像专家组） - Joint Photographic Experts Group 静止图片的压缩算法，属于 有损压缩 压缩原理DCT: 离散余弦变化,简化数据量化: 忽略图片中不易察觉

12、的微小差别编码: 用行程编码进行压缩编码 . 压缩率可达到 20:1甚至更好 (see fig. add.)54 DCT 原理Step A: 将图片分成8*8像素的子块 (figure 3.33)Step B: 如是黑白图片，每一个子块由1个8*8的二维矩阵表示 如是彩色图片，每个子块由3个8*8的二维矩阵表示； 将此矩阵记为P,则取值范围为0255.Step C: 每个 P矩阵通过下面的转换得到一个T55 结果矩阵 T T 包含了空间频率方面的信息。空间频率是像素在矩阵中位置的函数。T00 DC 系数,与P矩阵的平均值有关。Tij AC系数 ,与像素的位置有关 如果P矩阵中所有的值都是相同的

13、，即颜色没有变化或者说是单色的，则所有的AC系数都为 0如果P矩阵中的值变化很小，则AC系数大部分为 0.(figure 3.34a)如果P矩阵中的值变化很大,则AC系数大部分也很大.(figure 3.34b)56Step D: 当接收端解压缩时，必须进行反变换Exercise: 用VC+编程来完成DCT变化和反变化，以此来验证图3.34的正确性 57 量化 Step A: 定义一个量化矩阵 U, 此矩阵左上部的值较小，右下部的值较大Step B: 做取整运算 ，得到矩阵 Q.Example:58 如何定义 U ? 尽可能保存T矩阵左上部的信息 JPEG 没有规定矩阵U，通常是由具体的应用来

14、决定。 如何定义矩阵U使压缩比最大 但损失最小 是一个重点和难点。 因为是取整，所以无法从Q矩阵中还原成T矩阵，所以只能得到T矩阵的近似值。所以JPEG是有损压缩。 59 编码 经过量化后，在空间频率高的位置有许多的0值。可以使用行程编码。 (figure 3.35) 当矩阵Q中有许多非0值时，我们也可以用Huffman编码来进行压缩。 当相邻的矩阵差别比较小时，还可以进行相对编码 。60 2. MPEG 压缩 MPEG （运动图像专家组） -Moving Pictures Expert Group MPEG-1 CD-ROM 和早期的广播式卫星信号采用的标准 MPEG-2 多媒体和HDTV采

15、用的标准 MPEG-4 适用于窄带视频会议 Important Idea 两个连续的帧有比较小的差别。 MPEG 处理的是相邻帧中的额外冗余。61 压缩方法 发送一个基础帧，然后找出相邻帧与它的差别，然后对差别信号进行压缩和传递。接收端能够根据接收到的基础帧和差别信号还原。 Important concept I-frame: 基础帧, 必须周期性传送 P-frame: 采用 运动补偿预测技术计算差别信号并且对其编码 B-frame: 对I帧和P帧进行插值得到B帧，然后插入到I帧和P帧中进行传递623.5 复用技术 多路复用 通过一条数据链路传输多路信号的技术 意义： 充分利用传输介质的高带宽

16、，降低通信成本 (figure 3.36) 实现用户设备到高速网络的低速接入 (figure 3.37)63复用系统的设备多路复用器 (MUX)多路解复用器 (DEMUX) 复用技术类型复用FDMTDMWDM同步TDM统计TDM641 频分复用（FDM）每对设备使用不同的载波频率信道划分是通过频率而不是空间划分实现的 复用条件 链路带宽大于要传输的所有信号带宽之和 载波频率之间的频率差必须能容纳调制信号带宽 信道之间必须由警戒频带分隔 解复用 采用一系列滤波器分解复合信号65 FDM 过程 复用 (figure 3.38) 解复用 (figure 3.39) 频域分析 (figure 3.40

17、) 663.5.2 波分复用 (WDM) 不同波长的光携带不同的信息在同一光纤中传输 (figure 3.41) 必须要有足够的警戒频带 稀疏波分复用 和密集波分复用 复用和解复用的实现 可采用光学棱镜实现 (figure 3.42)673.5.3 时分复用 (TDM) 系统将传输时间划分为许多小的时间片（时隙），每台设备占用不同的时间片 链路分割是时间上的而不是频率上的。 复用条件 传输介质的数据速率容量大于通信设备所需要的数据速率 两种TDM方式 同步时分复用 统计时分复用 (或称异步时分复用)68 1. 同步 TDM 复用器在所有时间为每个设备分配固定的时间片，不管该设备有没有数据要传输

18、 (figure 3.43) 帧 由时间片的一个完整循环组成 分配给某一设备的时间片，在一帧中的位置是固定的。 时间片的分配 全部设备速率相同，各设备在每帧内分配一个时间片 各设备速率不同，速率高的设备分配更多的时间片 (figure add) 69 交织 一台设备轮流发送数据到自己的时间片中的过程称为交织 (figure 3.44) 根据传输速率，每个时间片内可以传输1个比特/1个字节/n个比特的比特串。 缺点 带宽利用率低，当输入线路空闲时，就会出现空时间片。70Example: figure 3.45 2. 统计TDM (STDM) 一帧的时间片数少于设备（输入线路）数。 时间片和输入线

19、路没有确定的对应关系 如果有n条输入线路，一帧之多需要m个时间片，m200mV “1” -200mV “0” 10m/10Mbps 1000m/100kbps1043.7.5 RS485 - RS-422的增强版RS-485 传输介质: 双绞线RS-485 通信特点: 用双绞线组成总线网络, 可连接32/64/128/256个收发器 通信模式:点到点，一点到多点，多点到多点，单工，双工 最大速率: 32/20/10 Mbps 最大距离: 1200m,实际可达 3000m105 RS- 485 信号引脚 DI: 驱动器输入 DE: 驱动器输出使能. Y: 驱动器同相输出 Z:驱动器反相输出 RO

20、: 接收器输出 /RE:接收器输出使能 A: 接收器同相输入 B:接收器反相输入 RS- 485 网络(figure 3.61) 仅需用双绞线，将各收发器的 A、B、Y、Z 同名端相连并接上终端匹配电阻 (120)106编程实验 3RS-232 双工串行通信编写 VB 或VC程序 在DTE三线连接方式下，在2台PC机之间进行聊天式的通信。设置发送/接收窗口，发送/接收的信息分别在相应窗口显示。 107Figure 3.1Twisted-Pair Cable108Figure 3.2Unshielded Twisted-Pair Cable109UTP performance110Figure

21、3.3UTP Connectors111Shielded Twisted-Pair CableFigure 3.4112Coaxial CableFigure 3.5A113BNC connectorsFigure 3.5B114Coaxial cable performance115Fiber constructionFigure 3.6A116Figure 3.6BOptical fiber117Figure 3.6CModes118Fiber-optic cable connectorsFigure 3.6D119Fiber typesFigure 3.6E120Optical fibe

22、r performanceFigure 3.6F121Radio Communication BandFigure 3.7122Figure 3.85 Types of Propagation123Figure 3.9 3.10 ( surface troposphere )124Figure 3.11 3.12 line of sight125Satellite CommunicationFigure 3.13 space126Figure 3.14Attenuation127Figure 3.15Transmission SystemV1I1P1Research on DecibelI2P

23、2V2RL128Figure 3.16129Figure 3.17Phase Distortion 130Figure 3.18Noise Interfere 131Figure 3.19132Spread spectrumFigure 3.20133DSSSFigure 3.21134DSSS example135Frequency hopping spread spectrum (FHSS)Figure 3.22136Frequency selection in FHSS137FHSS cycles and bandwidth138Figure 3.23139Figure 3.20Simp

24、lex140Figure 3.21Full-Duplex141Figure 3.22Half-Duplex142Parallel TransmissionFigure 3.23143Serial TransmissionFigure 3.24144Asynchronous transmissionFigure 3.25145Figure 3.26146Synchronous transmissionFigure 3.27A147Figure 3.27BFrame of Synchronous Transmission148Figure 3.28149Figure 3.29150Figure 3

25、.30Droot151Figure 3.31Run-length-encoded streamStream prior to compression152Figure 3.32Relative Encoding63835 0 0 1 06153Figure add.Three Phases of JPEG154Figure 3.33155Figure 3.34a156Figure 3.34b157158Figure 3.35159Figure 3.36No Multiplexing VS Multiplexing4 path160Figure 3.37Hign speed net161Figu

26、re 3.38FDM, Time DomainMultiplexer162Figure 3.39Demultiplexing, Time DomainDemultiplexer 163Figure 3.40Multiplexing, Frequency Domain164Figure 3.41WDMWDM12345616123456Multiplexer Demultiplexer WDM165Figure 3.42Prisms in WDM166Figure 3.43Synchronous TDM167168Figure 3.44TDM, Multiplexing169Figure 3.45

27、Asynchronous TDM170Figure 3.46Frames and Addressesa. Only three lines sending data171Figure 3.46-continuedb. Only four lines sending data172Figure 3.46-continuedc. All five lines sending data173Figure 3.47E-1 Line174Figure 3.48High Hierarchy TDM175Figure 3.49Bands for ADSLPOTSUpstreamDownstream0-25K

28、Hz25-200 KHz250-1000 KHz176Figure 3.50DMT177Figure 3.51ADSL Modem178Figure 3.52Insert direction frequency179Figure 3.53 Get out timing signal180Figure 3.54181182183MS1S2S6S3S4S5Figure 3.55184Figure 3.56185Figure 3.57DTEs and DCEs186a. 单线非平衡线路b. 双线非平衡线路c. 双线平衡线路187188Figure 3.58Functions of pins in E

29、IA-232,DB-9189190191Figure 3.59EIA-232 Applications(a)(b)(c)DTEDTE192193Figure 3.60DB-15 Connector194195CategoryBandwidthMax. Data RateDigital/AnalogUse1very low 100 kbpsAnalogTelephone2 2 MHz4 MbpsAnalog/digitalT-1 lines3 16 MHz 10 MbpsDigitalLANs4 20 MHz 16 MbpsDigitalLANs5 100 MHz 100 MbpsDigitalLANs6 (draft) 200 MHz 1000 MbpsDigitalLANs7 (draft) 600 MHz 10000 MbpsDigitalLANsTable add.Categories