二章节数据通信基础课件

1、第二章 数据通信基础2.1 通信系统和数据通信系统2.2 数据通信方式2.3 传输介质2.4 数据编码技术2.5 数据复用技术2.6 数据交换技术2.7 数据通信服务参考资料：数字通信桑林编著 北京邮电大学出版社0课件网址http:/docs/network1数据通信概述数据data有意义的实体。数据是事物的形式，信息是数据的内容。信号 signal数据的载体，一般为电磁波或电脉冲。可分为模拟信息与数据信号。信源与信宿信源：数据源，发出待传送信息的设备；信宿：接收传输信息的设备2数据通信概述发送设备使信源与信道相匹配的信号变换设备接收设备完成发送设备的反变换（解调/译码/解密）信道 Chann

2、el传送信息的媒体。（干扰/噪声/衰减）分为数字信道和模拟信道3通信系统概念模型信道通信系统发送信号接收信号发送设备接收设备信宿信源4通信系统分类模拟通信系统 / 数字通信系统基带传输系统 / 调制传输系统PCM：Pulse Code Modulation, 脉冲编码调制数据通信系统除利用模拟信号传输模拟数据的通信方式的其它数据通信系统数字信号的模拟传输 / 数字信号的数字传输 / 模拟信号的数字传输5数据通信举例声音A/DD/A电话系统数据信号传输信号数据信源信宿6数据通信定义将携带信息的数据从信源（发送方）传输到信宿（接收方）。在发送方将数据处理成适于信道传输的信号在信道中传输信号可靠性快

3、速性保密性在接收方从信号中恢复数据74 通信系统的性能指标1 有效性：使用信息速率和码元速率表示。比特率(bps)与波特率(baud)的关系01072电平，每个信号携带信息量为1比特。8电平，每个信号携带信息量为3比特。如果：波特率为B，电平数为V，则比特率为：b = B log2V82 可靠性：传输信息的质量模拟通信系统用信噪比衡量(信噪比：db 分贝）数据通信系统用错误率衡量误比特率 Pb : 错误比特数/传输总比特数误码元率P s : 错误码元数 / 传输总码元数3 适应性：使用时的环境条件4 经济性：分摊到每一个用户的成本（铱星系统）5 保密性：系统对所传信号的加密措施6 标准性：接口

4、、结构及协议合乎国家、国际标准7 维护性：是否维修方便8 工艺性：各种工艺要求92.2 通信系统的性能指标数字信道和模拟信道10模拟信号振幅：波形信号强度的度量频率：波形重复的频度相位：该波形相对于参照波形信号的位置关系11数字信号12信道分类模拟信道适于模拟信号传输模拟信号：时间和幅度连续数字信道适于数字信号传输数字信号：时间和幅度离散模拟信号数字信号时间时间幅值幅值133.1.3 信道容量信道带宽：信道所能传送电磁波的有效频率范围。人耳 20 20 000 Hz 数据传输速率：信道每秒能传输的二进制位数，bps(比特每秒) ，Kbps Mbps Gbps信道最大传输速率（信道容量）与信道的

5、带宽有直接联系14傅里叶变换与频谱分析信道上传输的电磁波信号可将其表示成若干个正弦/余弦函数之和的形式。 其频率为f, 2f , 3f , . . . , mf 信道的带宽限制,只能传输f,2f,3f,., nf的频率当m n 时只有部分谐波通过，高于nf的频率被丢弃。 g(t)= c/2 + an sin(2nft) + bn cos (2nft) （1）式 i =1 i =115带宽和数据率的关系1次和 3次谐波 1,3 和5次谐波1,3,5 及7次谐波 全部谐波结论：限制了带宽，就限制了数据率16信道带宽一定的情况下：数据传输速率越高, f 越大, 信道所能通过的谐波数就越少，信号失真就

6、大，直到信息无法识别为止17奈奎斯特(Nyquist)抽样定理定义在理想的无噪声信道，若 f 是传输媒体的最大传输频率, 采样频率为2*f 时，接收方才可以从采样脉冲信号中完全 恢复原信号对有限带宽（截止频率为） fc 的信号进行时间抽样，如果采样频率 fs 的选择满足以下条件：fs 2 fc 则此抽样信号可以唯一恢复。18无噪音信道的最大传输速率由抽样定理：fs 2 fc 由信道对信号的限制：fc B信号频率大于B的成分会被信道过滤掉选择 fs 2B无意义信道带宽B：B = fs 信道容量C ：C = 2B log2 V (bps)注: lb 表示 log21901072电平，每个信号携带信

7、息量为1比特。8电平，每个信号携带信息量为3比特。果：波特率为B，电平数为V，则比特率为：b = B log2V2021不论信号的电平V是多少，当考虑信道噪声干扰时，信道的最大传输速率由信道的带宽和信噪比决定。Shannon公式Cmax = B log2 V（1 + S/N） (bps)S/N是信号与噪声的功率之比，单位dB。采用 10 lg S/N 单位为分贝香农(Shannon)定理有噪音信道的最大传输速率223.2数据通信方式并行与串行传输异步传输与同步传输连接方式基带与频带传输23通信线路的连接方式点到点连接方式分支连接方式集线连接方式24并行与串行传输发送方接收方发送方接收方数据线并

8、行串行数据线25信道的通信方式据信号在通信线路上的传方向，数据通信方式有：单工通信半双工通信全双工通信26单工（simplex）“单工” 发送方 接收方2线环回地线做回路信息只能单方向传输 发送方 接收方27半双工（half-duplex）2线发送方/接收方发送方/接收方双向交替通信28全双工（duplex）双方可同时收发信息“ A Phone Conversation”292.数据的传输方式基带传输：信道上原封不动地传输0或1的数字脉冲信号。传输线中的电容电感对信号波形衰减影响大距离头端）高频用于出境（头端-PC）双电缆系统单电缆系统宽带同轴电缆系统462. 双绞线(Twisted Pair

9、)内导体芯线绝缘箔屏蔽铜屏蔽外套47屏蔽双绞线 (STP) 非屏蔽双绞线 (UTP)以箔屏蔽以减少 干扰和串音双绞线外没有任何附加屏蔽 (3类、5类)48UTP长距离的并行导体中传输信号会产生串扰（相邻线对间的信号干扰）严格控制导体绞距3.8cm14cm相邻线对绞距差1.27cm以上3类线/5类线/超5类线/6类线49UTP的优点优点：轻便，节省空间，容易安装平衡传输，避免外界干扰线对间串扰小支持高速数据应用标准化和开放性，适用于结构化综合布线503. 光纤(Fiber Optics)依靠光波承载信息高传送速率，通信容量大传输损耗小，适合长距离传输抗干扰性能好，保密性好轻便51折射定律媒体2

10、媒体1qi入射qr反射qt折射qi = 入射角qr = 折射角qt = 反射角当光由折射率较大的光密介质以某一入射角射向折射率较小的光疏介质时，如果入射角大于某一特定的值，会发生全反射现象。52光纤传送模式多模阶跃光纤输入电信号多模缓变光纤单模光纤 波长 : 1300,1550 nmh2h1h1h2波长 : 850,1300 nmh2h1芯/封套特性输出电信号光纤的直径减小到一个光波波长53典型的光缆玻璃封套塑料外套玻璃内芯单芯光缆多芯光缆玻璃内芯塑料外套玻璃封套外壳54剖面结构芯封套外套加强芯光纤外鞘加强芯光纤束55光源1200-1600 nm500-1000 nmLED半导体激光光纤传输系

11、统的组成：光源、传输媒体、光接收器56多模光纤：短距离中心玻璃芯较粗(50或62.5m)，可传多种模式的光。但其模间色散较大，这就限制了传输数字信号的频率，而且随距离的增加会更加严重单模光纤：长距离中心玻璃芯很细(芯径一般为9或10m)，只能传一种模式的光。因此，其模间色散很小，适用于远程通讯，但还存在着材料色散和波导色散，这样单模光纤对光源的谱宽和稳定性有较高的要求，即谱宽要窄，稳定性要好57光纤的特性不会泄漏信号，不易受外界的信号干扰不易分支，常用于点对点链路584. 无线媒体使用电磁波无需物理连接适用于长距离允许设备移动无线传输媒体有两类：定向的和全方位的59几种媒体的传输频带双绞线电话

12、业务同轴电缆AM 无线电FM 无线电和 TV地面微波接力 光纤卫星1021031041051061071081091010101110121013101410151016无线电红外线紫外线可见光微波 Hz60无线电(Radio) 全方位固定终端点（基站）和终端之间是无线链路频率：3kHz - 300GHzBS基站 用户计算机和终端BS基站覆盖的无线电区域F2F3F1F2F3F1F2F3F1F2F2F3F1F1, F2, F3 = 使用的频率61地面微波接力 (Microwave)两个地面站之间传送距离：50 -100 km；频率：2G -40GHz依赖于天气和频率应用：长距离传输话音和电视信号

13、；大厦之间LAN互连地球地面站之间的直视线路 微波传送塔62通信卫星：微波中继站使用微波使用转发器接收和转发可支持点到多点传送地球地面站地面站C波段 4/6 GHz 上行5.925 - 6.425 GHz 下行3.7 - 4.2 GHz KU波段 12/14 GHz 上行14 - 14.5 GHz 下行11.7 - 12.2 GHz 应用：传输电视信号、远距离话音传输、组建专用网63地球同步卫星与地面站相对固定位置使用3个卫星覆盖全球36,000公里地球64红外线(Infrared)和毫米波 (Millimeter Waves)用于短距离通信，如电视、录象机等的遥控也可用于无线LAN缺点：不能

14、穿透固体光波(lightwave)传输 应用：在屋顶用激光连接两个建筑物的LAN 缺点：不能穿透雨和浓雾，易受天气影响选择传输媒体要考虑的因素：价格、带宽/数据率、传输距离65常用传输媒体的比较传输媒体双绞线50 同轴电缆 75 同轴电缆 光纤 短波 卫星地面微波接力 远距离速率模拟：300-3400Hz数字：4Mbps 10Mbps 300-450MHz 2Gbps几十-几百bps 2-40GHz 500MHz 传输距离 性能 价格 应用 应用示例5-6公里2-3公里 1-10公里 100公里 10-100公里 全球 几百公里 一万八千公里 可以 较好 较好 很好 很好 很好 较差 很低 很

15、低 较低 较高 较高 与距离无关卫星及火箭造价较高 用户环线 LAN LAN CATV 模拟传输数字传输 数字 模拟、数字 远距离传输 远程、低速通信 远程通信 远程通信 主干网、长话 广播 长话、电视 数据、电视662.4 数据编码技术2.4.1 数字数据的调制编码调幅调频调相载波67数字数据的信号编码编码的必要性直流分量为零含有时钟分量或经过简单变换就含有位定时时钟分量具有一定的误码检测能力设备的经济性68基带数字信号的编码方法 时钟不归零制NRZManchester曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码Manchester01001100011位间为时钟位中间跳变低到高为0高到低为1位中为时钟位间

16、跳变为0无跳变为169模拟数据 - 数字信号采样编码模拟数据数字信号时间量化幅值量化采样间隔Ts 2 fc数字信道解码恢复模拟数据数字信号数字信号模拟数据量化703.5 数据复用技术多路复用（Multiplexing）概念多个信号同时占用信道进行数据传输多路复用方式的分类71多路复用方式的分类频分复用FDM ( Frequency Division Multiplexing)波分复用WDM( Wavelength DM)时分复用TDM( Time DM)码分复用(CDMA)723.5. 1 频分复用多路复用器多路解复用器数据1数据2数据3数据4数据1数据2数据3数据4f1f2f3f4 信道带宽

17、f 信道频谱 模拟信道73频分复用举例数据频谱（话音）信号频谱（相互隔离，共用信道）f1 f2 f3 f3 f f 3KHz4KHz分配给一路话音的带宽一路话音的带宽743.5.2 时分复用多路复用器多路解复用器数据1数据2数据3数据4数据1数据2数据3数据4Byte1Byte2Byte3Byte4 时间 t 信号的帧数字信道0101001111000110111100000101000075时分复用举例电话系统用户本地电话系统（local）电话主干系统(backbone)数字主干线路T1E1SONET/SDH76用户本地电话系统举例ModemModem编码解码器时分复用器至主干T1载波电话端

18、局用户系统PCM数字数据模拟信号数字信号fs= 8KHz77电话主干系统举例时分复用时分复用时分复用24路话音PCMT1T2T3 1.544Mbps6.312Mbps46.304Mbps78T1载波帧格式最大传输速率 = 位数/帧 * 采样频率fs = （1+8*24）* 8000 = 1.544 (Mbps) 分帧位控制位7654321* 24 （对应24路话音）数据位798位同步*30 （对应30路话音）E1载波8位信令8位数据803.5.3 统计时分复用ABCD待发数据t1 t2 t3A1B1C1D1C2D2A2B2周期1周期2同步 TDM带宽浪费A1B1C2B2周期1周期2统计TDM可用带宽81码分复用CDMA所有用户使用同一频率需要有足够多的地址码地址码需要完全同步使用扩展频谱(扩频)技术82各地址码要求两两正交内积为0A:00010 B:11000 C: 00101 码片A站向B站发数据1: 11000 发零则为反码833.5.4 波分复用与频分复用概念相同，