计算机网络通信技术第02章通信技术基础课件

1、第02章通信技术基础第02章 通信技术基础内容提要数据传送格式编码技术同步技术多路复用数据传输信道通信技术基础数据通信 连续信息是其状态连续变化的信息，如连续变化的语音。图像、视频等。连续信息也称为模拟信息。数据通信离散信息信息的状态是可数的或离散型如符号文字数据等。离散信息也称为数字信息连续信息其状态连续变化的信息如连续变化的语音图像视频等。连续信息也称为模拟信息数据通信是指数据以一种适合传送的形式快速有效地从一方传送到另一方。 信息分成两大类： 离散信息，连续信息。数据通信离散信息:指信息的状态是可数的或离散型的如符号文字数据等离散信息也称为数字信息。连续信息：是其状态连续变化的信息如连续

2、变化的语音图像视频等连续信息也称为模拟信息。 数据通信是指数据以一种适合传送的形式快速有效地从一方传送到另一方。 信息分成两大类： 一类是离散信息，另一类是连续信息。 数据通信研究的主要内容A 1. 可靠的传输通路: 有基带传输和频带传输之分。 2数据交换: 是完成数据传输的关键, 可分为电路交换、报文交换、分组交换等。 数据通信研究的主要内容B 3通信协议: 通信网络的“大脑”， 与网络操作系统、网络管理软件共同控制和管理着数据网络的运行。4通信处理: 涉及到数据的差错控制、码型转换、流量控制等内容。5同步问题: 数据通信重要因素。主要有码元同步、帧同步和网同步。基本概念 1信号 对数据的电

3、磁和电子编码。2信息 对数据内容的表达和解释。3传输 信号的数据传递。4比特率(R) 5传输损耗 在任何传输系统中，接收端得到的信号不可能与发送端传送出的信号完全一致，在信号传输过程中肯定会出现传输损耗。 这些损耗会随机地引起模拟信号的改变，或使数字信号出现差错。 它们是影响数据传输速率和传输距离的重要因素之一。噪声 对通信系统，噪声的产生是不可避免的。 信道噪声是独立于信号的，始终干扰着信号，对传输造成很大的危害。 噪声对数据通信，影响较大的是两种： 高斯白噪声和脉冲噪声。 白噪声是指功率谱密度在整个频域内均匀分布的噪声。 所有频率具有相同能量密度的随机噪声称为白噪声。噪声 在传输过程中，接

4、收端得到的信号由两部分组成：发送端送出的信号；在传输过程中插入到数据信号中的噪声。根据产生原因不同噪声可分为四类：热噪声交调噪声串音脉冲噪声 1热噪声 由带电粒子在导电媒体中进行的热运动引起的，它存在于所有在绝对零度以上的环境中工作的电平设备和传输媒介中。 这种噪声无法被消除，它为通信系统的性能设置了上限。噪声功率密度可作为热噪声值的度量，以（W/Hz）为单位。热噪声计算 1Hz带宽内存在的热噪声值可由下式进行计算 N0kT 其中:N0为噪声功率密度；k为玻尔兹曼常数，其单位是 焦耳开（J/K）T为热噪声源的热力学温度，其单位是开（K）热噪声计算例 若系统带宽为Hz，试求在 40oC的温度下热

5、噪声源的噪声功率。 解：首先根据公式求出噪声功率密度于是当带宽为WHz时，噪声功率为将其换算成单位dBm，根据公式可得 2交调噪声 交调噪声是多个不同频率的信号共享一个传输媒介时可能产生的噪声。 通常情况下，发送端和接收端是以线性系统模式工作，即输出为输入的常数倍。 3串音 串音是一个信号通道中的信号对另一个信号通道产生干扰的现象，又称串扰。 是相邻信号通道之间发生耦合所引起的，常见于双绞线之间，偶尔也会发生在同轴电缆之间。 4脉冲噪声 脉冲噪声：一种由突发的振幅很大持续时间很短，耦合到信号通路中的非连续尖峰脉冲引起的干扰。 这种噪声是由电火花、雷电等原因引起的，它的出现是无法被预知的。衰损

6、信号在传输介质中传播时有一部分能量转化成热能或者被传输介质吸收，从而造成信号强度不断减弱，这种现象称为衰损。衰损(2) 若D的取值为负，则说明从P2功率到P1出现了衰损，否则说明从功率P2到P1出现了增益。P2P2是发送端衰损(3) 有时分贝也用于衡量电压之间和电流之间的差别。由于功率分别与电压和电流存在下述关系： 和 所以同理可得衰损(4)例 1例 25 假设在传输系统上传输的信号具有 12 mW的功率，而在一定距离远的某处测得功率为7mW，试求出这段线路上信号的衰损 。衰损(5)例 1解：根据公式可得可见，这段线路上的衰损为2.34 dB。 衰损(6)例 2例2 假设有一个点到点的传输系统

7、，该系统采用放大器连接传输线路。若第一段传输线路的衰损为 20 dB，放大器的增益为 40 dB，第二段传输线路的衰损为 35 dB，求这个系统的总衰损。 衰损(6)例 2(计算)解：这个系统的总衰损为各部分衰损或增益的代数和，即 :衰损绝对电平的定义 为了表示传输系统中某点的绝对电平，往往使用单位dBm，它是以1mW为参考的功率单位。于是绝对电平可定义为:失 真 信号在线路上传输时，不同频率的分量将在不同程度上受到衰损和延迟的影响，使得到达接收端的信号与发送端送出的初始信号之间产生差异。这种在传输过程中信号波形出现的变化称为失真。相位失真波形失真6波特率 波特率是每秒钟信号变化的次数，也叫做

8、调制速率，单位为波特(Baud或B)。 波特率和比特率不总是相同的，但过去常被混用。如果每个信号都是1个比特，波特率和比特率就相同。 波特率（2） 一个单比特的信号以每秒9600bit的速度传送数据，波特率是9600B，只是传送数据可能速度。 如果一个信号由2个比特组成，传送数据的速度是2400bits，那么波特率就是1200B； 如果信号由3个比特组成，波特率就是800B。 7传输速率 传输速率是指在单位时间内传输的信息量，它是评价通信速度的重要指标。 在数据传输中，经常用到的指标有调制速率、数据信号速率和数据传输速率。1) 调制速率 调制 是将基带数字脉冲信号转换成适于线路传输的某个频率载

9、波信号的过程。 调制速率 在信号调制过程中，单位时间内信号波形变换的次数，它的单位是波特（Baud）。调制速率为： 其中，T是单位调制信号波周期（s）。单位调制信号波又被称为码元，又称为码元传输速率。调频波例 如图 2-1所示的调频波，其中一个“0”或“1”状态的最短时间长度为，试求调制速率 解：根据公式（2.1） 频率快频率慢2)数据信号速率 数据信号速率是指在单位时间内通过信道的信息量，简称比特率。数据信号速率以比特秒为单位，一般用bit/s表示，简写成bps。 若在串行方式下进行数据传输，则数据信号速率可定义为信号分为: 模拟信号和数字信号模拟信号: 一种连续变化的电磁波，数字信号: 用

10、不同的电压值表示二进制的逻辑“1”和逻辑“0”。 模拟信号与数字信号数据编码方法 计算机只存储、传输和处理二进制形式的信息。 将二进制数和字符的对应关系加以规定，这种规定便是字符编码。 信息表示、交换、处理、传输和存储，以国家标准或国际标准的形式来颁布和实施的。 国际5号码（IA5）是一种最初由美 国标准化协会提出的编码方案，它是一种目前被广泛使用的编码。 与这种编码相同的还有美国信息交换标准码，简称ASC码。如表21所示。 国际5号码1国际5号码编码集中总共可以包含128个不同的字符 2EBCDIC码其全称为扩充的二一十进制交换码 3国际2 号码 国际2号码（IA2）是一种用5位二进制数表示

11、字符的编码，又称波多码。 根据其具有的5位码长，这种编码似乎只能表示32个不同的字符，无法满足36个基本字符的需要。码型及其编码方式（重点）用直流信号表示二进制中0和1的信号形式被称为码型常见基带数据信号波形1二电平码二电平码是最简单、最基本的一种码型 它采用两种不同的电平来分别 表示二进制中的0和1。 2差分码 差分码是一种以电平跳转状况来表示数据信息的码型。以差分码传输数据时，在一个比特持续的时间内信号电平不会出现跳变。而且这段时间内电平的值与数据信息不相关。 3双极码 （1）双极性信号交替反转码信号交替反转码用无电压的状态表示二进制0用交替的正、负电平表示二进制1双极码（2）双极性 8零

12、替换码 1、无电压状态表示02、交替的正负电平表示1双极码（2）双极性 8零替换码（B8ZS码）双极码（3）高密度双极性3零码 高密度双极性3零码是日本和欧洲地区用于处理长0串的一种AMI变形码。 采用这种码型时，如果遇到由连续的4个比特0组成的序列。 双极码（3）高密度双极性3零码 4裂相码 裂相码是一种在比特中点位置上电平跳转为相反极的码型。 目前最常用的两种裂相码是：曼彻斯特码差分曼彻斯特码。 （1）曼彻斯特码(A) 曼彻斯特码:中点位置的电平跳变、作为数据信息、作为同步信息的裂相码。 在比特中点位置上出现的从负电平到正电平的跳变表示二进制的1； 出现从正电平到负电平的跳变表示二进制的0

13、。 （1）曼彻斯特码（B）图描述了用曼彻斯特码对数据 1101011010进行编码的情况。（2）差分曼彻斯特码 A 差分曼彻斯特码是一种融入了差分码特点的裂相码。这种码型以比特中点位置的电平跳转作为同步信息，以比特开始时刻是否出现电平跳变的情况作为数据信息。 若在比特开始时刻出现电平跳变，则该比特表示0，否则表示1。 （2）差分曼彻斯特码B图描述了用差分曼彻斯特码对数据 11 0001011 010进行编码的情况。 5密勒码 密勒码也是一种利用电平的跳变表示数据信息的码型。比特中点的电平跳转表示二进制的1 比特中点没有出现电平跳转时则表示二进制的0 若当前传输的比特0后面紧跟另一个比特0，则该

14、比特0的传输以一个电平跳转结束。 密勒码图219描述了用密勒码对数据11 101011010进行编码的情况。 6.多电平码是一种以M个电平状态表示的，由n个比特组成的码元的编码，较为常见的多电平码有自然码和格雷码。M个电平是以0电平为中心对称等距设置的。 多电平码例如，当M4时多电平码所选用的4个电平为3a，a，a和3a。分别列出了在四电平自然码和四电平格雷码中电平与码元之间的对应关系。多电平码 多电平码的优点是提高： 传输效率 频带利用率 输入比特率一定时，M的取值越大频带利用率就越高 发送功率一定时，M越大抗噪声干扰的能力就越低 M的取值一般不宜超过16 四电平自然码和四电平格雷码对数据编

15、码例 分别采用四电平自然码和四电平格雷码对数据 001110011000进行编码。 7双二进制码 双二进制码：一种通过电平状态表示数据信息的码型。用无电压状态表示二进制中的1；用正、负电平交替表示二进制的0，当两个比特0之间出现奇数个比特1时，则位置靠后的那个比特0需改变电平极性。 7双二进制码 图描述了用双二进制码对数据110001011010进行编码的情况。 ASCII码和EBCDIC码是计算机通信中最常用的两种编码。还有博多码、莫尔斯码和二一十进制码（BCD）。 信息怎样被编码成适合传输的格式是通信无法回避的基本问题。 ASCII码、博多码、莫尔斯码 和BCD码ASCII码 最流行的编码

16、，是美国标准信息交换码ASCII(American Standard Code for Information Interchange)。一种7位编码，为每一个键盘字符和特殊功能字符分配一个唯一组合。传输一条ASCII编码信息 莫尔斯码、博多码和BCD码 莫尔斯码是最古老的一种编码。 由Samtuel Morse在1838年发明的，用于电报通信。这些代码由一系列的点和划组成。 其特点是字母代码的长度并不统一。 字母E对应于单个点，字母H有四个点。 在原始的电报中，要发送信息，控制一个电路断开或连通的开关。 博多码、莫尔斯码和BCD码 博多码定义五位代码11111(上码)和11011(下码)，用

17、来确定如何解释后续的五位代码。 上码后续的代码当作字母；下码下来的所有代码将被解释为数字或其他的特殊符号。报文“ABC123”将被转换成下面的博多码(从左到右)：11111 00011 11001 01110 11011 10111 10011 00001 上码 A B C 下码 1 2 3 2、博多码 数据编码和数据压缩技术 数据压缩（Data Compression）消除数据中的冗余，达到减少数据量，缩短数据块或记录长度的过程。 数据压缩方法与技术比较多。 通常把数据压缩技术分成两大类： 1、冗余度压缩，为无损压缩 2、嫡压缩，称有损压缩，不可逆压缩等。 字母A-E的频率 表2-4 字母A

18、E的哈夫曼编码 哈夫曼编码确实减少了待发送的比特数，但却要求知道频率值。 它还假设比特位被组成字符或其它一些重复的单元。 很多在通信媒体中传播的数据，包括二进制(机器代码)、文件、传真数据和视频信号等，都不属于这一类。 游程编码 未压缩的流和经游程编码的流 如果图210a的流以一个1开始，压缩流如何区分呢?与两个连续1的情况类似，这种方法把流看作以一个长度为0的零序列开始。所以发送的第1组4个比特应该是0000。 这种技术最适用于有很多个零序列的情形。随着值为1的比特出现频率的增大，该技术的效率也将有所下降。实际上，有时候用这种技术处理某个流，可能会产生一个更长的比特流。小结根据解决时钟同步问

19、题所采用的方法不同，串行传输可分为异步传输和同步传输。在异步串行传输中，每58位数据需一个起始位和一个（长波为1， 1.5或2）停止位封装。在字节之间可能有变长的时间间隙。在同步串行传输中，比特流是连续发送，字节两端没有起始位和停止位，字节之间也没有间隙。接收方将根据发送方提供的同步信息把连续的比特流重组成字节。调制速率、数据信号速率和数据传输速率是常用于衡量传输性能的传输速率。 在任何传输系统中，信号传输部将出现传输损耗，如衰损、失真和噪声等。这些损耗使信号的波形发生改变，从而影响了数据的传输速率和传输距离。 信噪比是用来描述传输过程中信号受噪声影响程度的量，而香农理论则给出了一种计算传输速

20、率上限的方法。 通信常识（短波传输 ） 短波通信是一种以波长为10m100m的电磁波进行信号传输的一种通信方式，工作频率的范围在3MHz30MHz。短波通过两种形式进行传播： 沿地球的表面以地波的形式传播和电离层的反射以天波的形式传播。这两种传播形式有其各自的频率范围和传输距离。 短波在以地波的形式进行传播时，陆地和海洋均会引起信号的衰损，所以短波一般采用天波的形式进行传播。短波传输短波通信主要采用天波形式进行传播，电离层的特点在很大程度上影响着短波通信的各项特性。短波通信的优点是通信距离远无需太大的发射功率设备成本适中等这种通信方式易受季节昼夜太阳活动的影响通信质量不够稳定容易受到外部干扰地

21、面微波传输地面微波通信是一种在对流层视距范围内，利用微波波段的电磁波进行信息传输的通信方式。 长途通信时，需要在终端站之间建立中继站，如下图。地面微波传输 中继站的功能是进行变频、放大和功率补偿，其数量的多少则与传输距离和地形地貌有关。 微波通信一次只能朝一个方向传播信号，若以这种的方式实现像电话交谈这样的双向通信，就需要采用两个频率分别用于不同方向的信息传输。 地面微波传输 每种频率的信号需要各自的接收装置和发送装置，两种装置集成在一起，使用一个天线就能完成接收和发送某个频率信号的工作。 微波天线安装在地势较高的位置上。位置越高，发送出去的信号就越不易为高大建筑物和山丘所阻挡，信号传播出更远

22、的距离。 卫星微波通信 卫星微波通信：是在地面微波技术的基础上发展起来的，广泛应用于电视广播、长途电话传输等领域。 通信卫星：相当于一个中继站，两个或多个地球站通过它实现相互间的通信。 卫星微波通信 通信卫星可以在多个频段上工作。 卫星从一个频段接收信号，信号经放大和再生之后再从另一个频段发送出去。 用于地球站向卫星传输信号的转发器信道称为上行通道，用于卫星向地球站传输信号的转发器信道称为下行通道。卫星微波通信如图2. 31所示 卫星微波通信卫星传输的最佳频段在110GHz之间。因为频率低于1GHz时易受到自然界噪声及人为噪声的影响，而频率高于10GHz时雨雪天气易使其产生衰损。 卫星微波通信

23、为了保证在通信卫星的协助下地球站之间能够进行持续通信，卫星应与地球站保持相对静止，卫星的飞行周期应该与地球的自转周期一致。 蜂窝电话 蜂窝电话是一种广泛应用的移动通信方式。为实现这种通信方式，每个蜂窝服务区将被划分为很多小区域，这些小区域称为蜂窝单元。 蜂窝电话 关键点：防止信号相互干扰，相邻蜂窝单元信道不同。缺点：是每次通话需要长时间占用信道，降低了信道利用率。 手机拨号后，开始扫描波段，找到信号最强的信道并与之连接，将电话号码信息传至该信道对应的基站。电话号码再经由移动电话交换局传至中央电话站。 同步技术 按照作用分 载波同步 位（码元）同步 群同步 网同步 同步分为两类数据信号的解调所需

24、的同步；数据码元的分组及译码所需的同步。 在信息交互的通信中，各种数据信号的处理和传输都是在规定的时隙内进行的。 为使整个数据通信系统有序、准确工作，收、发双方必须要有一个统一的时间标准。 这个时间标准就是靠定时系统去完成收、发双方时间的一致性，即同步。 同步技术 在频带传输系统中，接收方若采用相干解调的方法，从接收的已调信号中恢复原发送信号，则需获取与发送方同频同相的载波，这个过程称为载波同步。 载波同步是实现相干解调的先决条件。 载波同步 2位同步 在数据通信系统中，最基本单元是位，或码元，均具有相同的持续时间。 频率和相位要与接收码元一致。 将接收端产生与接收码元的频率和相位一致的“定时

25、脉冲序列”的过程称为位同步。3群同步 群同步又称帧同步 为有效地传递数据报文，还要对传输码元序列按一定长度进行分组、分帧或打信息包。 接收端要准确地恢复这些数据报文，就需要知道这些组、帧、包的起止时刻，接收端获得这些定时序列称群同步。 4网同步 在数据通信网中，传送和交换的是一定传输速率的比特流，这就需要网内各种设备具有相同的频率，以相同的时标来处理比特流。这就是网同步的概念。 网同步就是网中各设备的时钟同步。 同步 数据通信系统：基本的、必不可少的同步是收发两端的时钟同步(位同步)，这是同步的基础。 为保证抗干扰性能，数据准确地传递，要求系统定时信号满足： 接收端的与发送端定时信号频率相同。

26、 定时信号与数据信号间保持固定的相位关系。同步位同步(时钟同步)是关键 可以采用三类方法： 使用统一的时间标准 利用独立的同步信号 频分制传输 时分制传输 自同步法 传送数据的格式 位同步：在接收端的基带信号中提取码元定时的过程。 它与载波同步有一定的相似和区别。 载波同步是相干解调的基础，采用相干解调都需要载波同步，在基带传输时没有载波同步问题；所提取的载波同步信息是载频为fc的正弦波，与接收信号的载波同频同相。实现方法有插入导频法和直接法。 位同步1. 插入导频法 插入导频法频谱图 这种方法与载波同步时的插入导频法类似，也是在基带信号频谱的零点处插入所需的位定时导频信号。其中图（a）为常见

27、的双极性不归零基带信号的功率谱，插入导频的位置是不；图（b）表示经某种相关变换的基带信号，其谱的第一个零点为，插入导频应在1/2T处。插入位定时导频系统框图 2. 直接法 直接提取位同步的方法又分滤波法和特殊锁相环法。 1） 滤波法 波形变换滤波法滤波法原理图 包络检波滤波法 从2PSK信号中提取位同步信息 2） 锁相法 位同步锁相法的基本原理与载波同步的类似，在接收端利用鉴相器比较接收码元和本地产生的位同步信号的相位，若两者相位不一致，鉴相器就产生误差信号去调整位同步信号的相位，直至获得准确的位同步信号为止。 滤波法中的窄带滤波器可以是简单的单调谐回路或晶体滤波器，也可以是锁相环路。锁相法

28、将采用锁相环来提取位同步信号的方法称为锁相法。通常分两类。 模拟锁相法：环路中误差信号去连续地调整位同步信号的相位。 锁相环位同步法：高稳定度的振荡器，从鉴相器所获得的与同步误差成比例的误差信号不是直接用于调整振荡器，而是通过一个控制器在信号钟输出的脉冲序列中附加或扣除一个或几个脉冲，这样同样可以调整加到减相器上的位同步脉冲序列的相位，达到同步的目的。 数字锁相原理框图 位同步脉冲的相位调整 微分整流型鉴相器同相正交积分型鉴相器 群同步 载波同步和位同步实质上是对接收信号载波的相位和码元脉冲的到达时刻进行估计。 为了实现传输系统的群同步，要在数据序列中插入特殊的同步码或同步字符，通过它们来描述

29、系统群同步的方式和实现方法。 群同步：变成了对同步码(同步标志)进行估计检测的问题 。对群同步系统的基本要求 1)正确建立同步的概率大，错误同步的概率小； 2)初始捕获同步码(建立同步)的时间短； 3)既要能迅速发现假锁或失步，及时恢复同步，长期保持正确的同步； 4)传输信息流中实现群同步且插入的冗余度要小。1. 起止式同步 起止式同步是起止式数据传输系统的码组同步方式，起止式传输又称异步传输。 异步传输过程 起止式同步有以下特点 1) 每隔一个字符对收端时钟相位作一次校正，时钟误差无积累。 2) 止信号的长度不定，超过最小长度即可。 3) 字符同步容易出错。 4) 因为起止式同步字符内位时钟

30、相位是由“止”向“起”转换的时刻决定的，所以在有噪声干扰时，转换时刻可能滑动，导致位定时的精度下降。 5) 传输效率低，为了同步目的而插入的冗余度已接近14。2.用特殊字符建立群同步 在许多同步数据传输系统中，采用某些特殊字符(比特序列)来建立群同步。 数据帧格式及标志 信道分类 信道可按不同方式来分类。从概念上可分为广义信道和狭义信道。按传输媒体可分为有线信道和无线信道。前者包括明线、对称电缆、同轴电缆、光缆；后者主要有地面微波、卫星、短波等信道。按信息复用形式，一般又可分为：频分制信道和时分制信道。前者包括载波信道、频分短波信道、频分微波信道和频分卫星信道等；后者主要有时分基带信道、时分短

31、波信道、时分微波信道和时分卫星信道等。另外，还有码分信道。此外，信道还可按信道参数的时间特性分为恒参信道和变参信道等。 1.广义信道与狭义信道 信道在概念上通常有两种理解：一是狭义信道，另一种是广义信道。 狭义信道是指传输信号的具体的传输物理媒介，如明线、电缆、光缆或短波、微波、卫星中继等传输线路。广义信道与狭义信道示意图 2.按传输媒介的种类分类 (1)有线信道。明线、对称电缆、同轴电缆、波导、光缆等。 有线信道具有性能稳定，外界干扰小，保密性强，维护便利等优点，在通信网中占有较大的比例。 有线信道架设工程量大，一次性投资较大。目前，在有线信道中，明线、电缆等媒介的使用已逐渐减少，取而代之的是使用光缆。 按传输媒介的种类分类(2) 无线信道：利用无线电波在空间进行信号传输。 无线电波频段和传输方式有：中波、短波、超短波、微波、卫星等。 无线信道：一次性投资较低，通信成本也低，通信