信息传输基础知识

信息传输重点内容基本概念●多路复用信道●数据交换技术传输媒体●差错控制编码2/3/202311.基本概念①数据(Data)：传递（携带）信息的实体，信息(Information)则是数据的内容或解释。--模拟(Analog)数据与数字(Digital)数据②信号(Signal)：数据的物理量编码（通常为电编码），数据以信号的形式传播。--模拟信号与数字信号--基带(Baseband)与宽带(Broadband)信号1.1一些术语2/3/20232③信道(Channel)：传送信息的线路（或通路）。④比特率(BitRate)：数据传输速率(bps，b/s)。⑤码元(CodeCell)：时间轴上的一个信号编码单元t码元1码元2码元3码元4码元5信号同步脉冲同步脉冲：用于码元的同步定时，识别码元的开始2/3/20233⑥波特率(Baud)：每秒传送的码元数(即信号传送速率)。

1Baud=（log2M）bps

其中M是信号的编码级数。也可以写成 Rbit=Rbaudlog2M

例如：4级编码

一个信号往往可以携带多个二进制位，所以在固定的信息传输速率下，比特率往往大于波特率。换句话说，一个码元中可以传送多个比特（bit）。2/3/20234⑦带宽(Bandwidth)：信号或信道占据的频率范围⑧信道容量(Channelcapacity)：信道的最大数据率⑨误码率(Biterrorrate)：信道传输可靠性指标 P=错误的位数/传输的总位数 ⑩信息编码：将信息用数据表示的方法。⑾数据编码：将数据用物理量表示的规则。

例如：字母‘A’的ASCII编码为01000001，其数据编码可能为01000001t2/3/202351.2通信系统模型①通信的三个要素：信源、信宿和信道②任何一个通信系统都可以抽象为以下模型：噪声信源编码调制信道解调解码信宿编码器：数据适合传输的信号——便于识别、纠错调制器：信号适合传输的形式——按频率、幅度、相位解调器：接收波形数字信号序列解码器：传输信号原始数据2/3/20236信息→数据→信号→在介质上传输→信号→数据→信息通信系统的任务③信息通过通信系统传输

把携带信息的数据用物理信号形式通过介质传送到目的地。信息和数据（0、1比特）不能直接在介质上传输。2/3/20237④通信系统的构成◆数据传输系统：1）传输线路（包括传输介质和中继设备）2）传输设备：调制解调器、多路复用器、交换机、路由器等◆数据处理系统：如指计算机。⑤通信基本过程—包含两项内容：数据传输和通信控制建立物理连接→建立逻辑连接→数据传送→断开逻辑连接→断开物理连接（对比：打电话的过程）2/3/202382.信道及其主要特征2.1数字信道和模拟信道①数字信道：以数字脉冲形式（离散信号）传输数据的信道。②模拟信道：以连续模拟信号形式传输数据的信道。2/3/202392.2模拟信号和数字信号①模拟信号：时间上连续，包含无穷多个值②字信号：时间上离散，仅包含有限数目的预定值tta)模拟信号b)数字信号2/3/2023102.3周期信号和非周期信号①周期信号：信号由不断重复的固定模式组成（如正弦波）②非周期信号：信号没有固定的模式和波形循环（如语音的音波信号），能被分解成无数个周期信号的叠加。ttTTTTTT周期信号2/3/202311数字通信的优点

•抗噪声（干扰）能力强

•可以控制差错，提高了传输质量

•便于用计算机进行处理

•易于加密、保密性强

•可以传输语音、数据、影像，通用、灵活

仅在不得已的情况下，才会采用模拟通信。如用modem通过拨号线路传输数字信号。2/3/2023122.4传输模式(通信方式)—数据流动的方向•单工：数据单向传输（无线电广播）•半双工：数据可以双向传输，但不能在同一时刻双向传输（对讲机）•全双工：数据可同时双向传输（电话）

两个方向的信号共享链路带宽：1）链路具有两条物理上独立的传输线路，或2）将带宽一分为二，分别用于不同方向的信号传输2/3/202313串行传输和并行传输2/3/202314数据通信系统的主要质量指标

1．模拟通信系统的质量指标

（1）有效性用单位时间内传输信息量的多少来衡量； （2）可靠性

用信号与噪声平均功率之比或均方误差来衡量；2．数字通信系统的质量指标

（1）传输速率

（2）差错率 数字通信系统的可靠性指标常用，误码率和误比特率表示。

返回本节2/3/2023152.5数字数据的传输方式•基带传输：不调制，编码后的数字脉冲信号直接在信道上传送。

例如：以太网•频带传输：调制成模拟信号后再传送，接收方需要解调

例如：通过电话模拟信道传输2/3/2023162.6数据同步方式目的是使接收端与发送端在时间基准上一致(包括开始时间、位边界、重复频率等)。有三种同步方法：

●位同步

●字符同步（异步传输）

●帧同步（同步传输）2/3/202317①位同步：目的是使接收端接收的每一位信息都与发送端保持同步

●外同步——发送端发送同步时钟信号，接收方用它来锁定自己的时钟脉冲频率。

●自同步——通过特殊编码（如曼彻斯特编码），这些数据编码信号包含了同步脉冲，接收方提取同步信号来锁定自己的时钟脉冲频率。2/3/202318②字符同步：以字符为边界实现字符的同步接收，也称为起止式或异步制——每两个字符之间的间隔时间不固定。

每个字符的传输需要：

1个起始位

5，6，7，8个数据位

1，1.5，2个停止位—频率的漂移不会积累，每个字符开始时都会重新同步—增加了辅助位，所以效率低

例如，1个起始位、8个数据位、2个停止位时，其效率为8/11＜72％2/3/202319帧（Frame）——包含数据和控制信息的数据块（包）帧起始控制信息数据帧结束校验和0-n8bit8bit8-32m面向比特的——以特殊位序列（7EH）作为帧（起始）标志来标识一个帧的开始，适用于任意数据类型的帧。面向字符的——以同步字符（SYN，16H）来标识一个帧的开始，适用于数据为字符类型的帧。③帧同步：识别一个帧的起始和结束。2/3/2023202.7信道最大数据传输率M最大数据率(C)26000bps412000bps818000bps1624000bps3230000bps6436000bpsC=2Wlog2MC=传输率，单位b/s或bpsW=带宽，单位HzM=信号电平级数例如：话音级线路(3000Hz)的信道容量计算，如右图所示。Nyquist公式为估算已知带宽信道的最高速率提供了依据。Nyquist公式：用于理想的通信道2/3/2023212.8非理想信道实际的信道上存在三类损耗：衰减、延迟、噪声。①衰减

信道的损耗引起信号强度减弱，导致信噪比S/N降低。②延迟信号中的各种频率成分在信道上的延迟时间各不相同，在接收端会产生信号畸变。③噪声

热噪声：由导体内的热扰动引起，又称为白噪声。

串扰：信道间产生的不必要的耦合。例：多对双绞线

脉冲噪声：非连续、随机、振幅较大。多由外部电磁干扰造成（闪电、大功率电机启动等）。噪声将破坏信号，产生误码。持续时间0.01s的干扰可以破坏约560个比特（56Kbps）。2/3/2023223.信息传输技术光纤传输技术微波传输技术卫星传输技术2/3/2023233.1光纤传输技术光纤导光原理光纤的分类光纤通信系统光纤传输的优点2/3/2023243.1.1光纤导光原理实际上，只要射到光纤表面的光线的入射角大于某一临界角度，就可以产生全反射，并且可以存在许多条不同角度入射的光线在一条光纤中传输，这种光纤就称为多模光纤（MultimodeFiber），如图所示。（a）折射角大于入射角（b）光波在纤芯中传播（c）62.5/125μm渐变增强型多模光纤2/3/202325光缆的结构大致可分为缆芯（CableCore）和保护层（Sheath）两大部分，图为四芯光缆剖面的示意图。四芯光缆剖面示意图2/3/2023263.1.2光纤的分类①单模光纤与多模光纤单模光纤——只能传输一种模式光波的光纤称为单模光纤。单模光纤的纤芯直径很小，在给定的工作波长上只能以单一模式传输，传输频带宽，传输容量大。多模光纤——在给定的工作波长上，能传输多种光波模式的光纤称为多模光纤。与单模光纤相比，多模光纤的传输性能较差，但是其制造、耦合与连接比单模光纤简单。2/3/202327②跳变式光纤和渐变式光纤跳变式光纤纤芯的折射率和保护层的折射率都是一个常数。在纤芯和保护层的交界面，折射率呈阶梯型变化。渐变式光纤纤芯的折射率随着半径的增加按一定规律减小，在纤芯与保护层交界处减小为保护层的折射率。纤芯的折射率的变化近似于抛物线。2/3/2023283.1.3光纤通信系统光纤通信系统主要是由光源、光纤线路和光检测器三个基本部分组成。如图所示。2/3/2023293.1.4光纤传输的优点①传输频带非常宽，通信容量大。②传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济。③抗雷电和电磁千扰性能好。④无串音干扰，保密性好，不易被窃听或截取数据。⑤体积小，重量轻。⑥资源丰富，节约有色金属和能源。2/3/202330多模光纤和5类双绞线的衰减与频率关系如图所示，当传输频率超过100MHz时，5类双绞线随着频率的增加衰减愈来愈大；而光纤在300MHz以内，衰减基本不变。光纤与电缆频率与衰减关系图2/3/2023313.2.无线电短波通信在一些电缆光纤难于通过或施工困难的场合，例如，高山、湖泊或岛屿等，即使在城市中挖开马路敷设电缆有时也很不划算，特别是通信距离很远，对通信安全性要求不高，敷设电缆或光纤既昂贵又费时，若利用无线电波等无线传输介质在自由空间传播，就会有较大的机动灵活性，可以轻松实现多种通信，抗自然灾害能力和可靠性也较高。2/3/202332波段波长范围频率名称频率范围代号长波1000~10000m低频30~300KHzLF中波100~1000m中频300~3000KHzMF短波10~100m高频3~30MHzHF超短波1~10m甚高频30~300MHzVHF微波分米波1~10dm高频300~3000MHzUHF厘米波1~10cm高频3~30GHzSHF毫米波1~10mm高频30~300GHzEHF分米波、厘米波、毫米波的波长小于1米，称之为微波。中波主要沿地面传播，绕射能力比较强，适合广播和海上通信；短波具有较强的电离层反射能力，适合于环球通信；超短波和微波以直线传播为主，作视距或超视距中继通信。微波的传播特性如同光波，在传播途径上没有或基本没有阻挡时绕射可忽略，与利用电离层反射进行的“超视距”传播相比，视距微波的传播特性稳定、外界干扰也比较小。2/3/2023333.3地面微波接力通信无线电数字微波通信系统频率范围为300MHz～300GHz，主要有两种方式：地面微波接力通信和卫星通信。微波在空间主要是直线传播，并且能穿透电离层进入宇宙空间，不像短波那样经电离层反射传播到地面上其他很远的地方，由于地球表面是个曲面，因此其传播距离受到限制且与天线的高度有关，一般只有50km左右，长途通信时必须建立多个中继站，中继站把前一站发来的信号经过放大后再发往下一站，类似于“接力”，如果中继站采用100m高的天线塔，则接力距离可增大到100km。2/3/2023342/3/2023353.4.红外线和激光

红外线通信和激光通信就是把要传输的信号分别转换成红外光信号和激光信号直接在自由空间沿直线进行传播，它比微波通信具有更强的方向性，难以窃听、插入数据和进行干扰，但红外线和激光对雨雾等环境干扰特别敏感。

2/3/2023363.5卫星通信

卫星通信就是利用位于3万6千公里高空的人造地球同步卫星作为太空无人值守的微波中继站的一种特殊形式的微波接力通信。卫星通信可以克服地面微波通信的距离限制，其最大特点就是通信距离远，且通信费用与通信距离无关。

卫星通信的优点是：卫星通信的频带比微波接力通信更宽，通信容量更大，信号所受到的干扰也较小，误码率也较小，通信比较稳定可靠。

卫星通信的缺点是：传播时延较长。

返回本节2/3/202337卫星传输原理示意图2/3/202338卫星通信系统示意图2/3/2023393.6VSAT卫星通信

VSAT（VerySmallApertureTerminal，甚小口径地球终端）是20世纪80年代末发展起来并于90年代得到广泛应用的新一代数字卫星通信系统。VSAT网通常由一个卫星转发器、一个大型主站和大量的VSAT小站组成，能单双向传输数据、语音、图像、视频等多媒体综合业务。VSAT具有很多优点，如：设备简单、体积小、耗电少、组网灵活、安装维护简便、通信效率高等，尤其适用于大量分散的业务量较小的用户共享主站，所以许多部门和企业多使用VSAT网来建设内部专用网。2/3/202340四、数据编码数据：模拟数据、数字数据信号：模拟信号、数字信号信道：模拟信道、数字信道不同类型的信号在不同类型的信道上传输有4种组合，每一种相应地需要进行不同的编码处理。2/3/202341模拟传输和数字传输话音模拟传输模拟数字模拟模拟CODEC数字数字数字编码数字模拟数据，模拟信号数字数据，模拟信号数字数据，数字信号模拟数据，数字信号10101010Modem2/3/202342EncoderDecoderModulatorDemodulator数字或模拟数字或模拟数字信号模拟信号g(t)m(t)px(t)s(t)g(t)m(t)数字或模拟数字或模拟P—调制参数编码调制编码和调制用数字信号承载数字或模拟数据——编码用模拟信号承载数字或模拟数据——调制2/3/2023431.数字数据的数字信号编码

不归零制(NRZ，Non-ReturntoZero)二进制数字0、1分别用两种电平来表示。 常用－5V表示1，＋5V表示0。

缺点：存在直流分量，传输中不能使用变压器；不具备自同步机制，必须使用外同步。曼彻斯特编码(Manchestercode)用电压的变化表示0和1。2/3/202344规定在每个码元的中间发生跳变：高→低的跳变——0，低→高的跳变——1∵每个码元中间都要发生跳变，接收端可将此变化提取出来作为同步信号，使接收端的时钟与发送设备的时钟保持一致。∴曼彻斯特编码也称为自同步码（Self-SynchronizingCode）。它具有自同步机制，无需外同步信号。缺点：需要双倍的传输带宽（即信号速率是数据速率的2倍）。2/3/202345差分曼彻斯特编码(DifferentialManchestercode)与曼彻斯特编码相同，在每个码元的中间，信号都会发生跳变；不同之处在于：

用在码元开始处有无跳变来表示0和1：

码元开始处有跳变——0码元开始处无跳变——12/3/20234601001100011时钟NRZManchester差分Manchester三种数字编码的波形图2/3/2023472.数字数据的调制编码三种常用的调制技术：

1）幅移键控ASK(AmplitudeShiftKeying)，调幅

2）频移键控FSK(FrequencyShiftKeying)，调频

3）相移键控PSK(PhaseShiftKeying)，调相

基本原理：用数字信号对载波的不同参量进行调制。

载波S(t)=Acos(t+)S(t)的参量包括：幅度A、频率

、相位调制就是要使这三个参量随数字基带信号的变化而变化2/3/20234800110100010ASK调幅FSK调频PSK调相PSK：用载波的两个不同振幅表示0(0v)和1(+5v)FSK：用载波的两个不同频率表示0(1.2KHz)和1(2.4KHz)PSK：用载波的起始相位的变化表示0(同相)和1(反相)2/3/202349高速(56Kbps)MODEMD/AA/DA/DD/AD/AA/DV.34(28.8--33.6kbps)最大的噪声来源于模数转换的量化噪声，信道容量极限值约35kbpsD/AA/DD/AV.90(56kbps)交换机1交换机2ISPV.34(28.8--33.6kbps)模拟模拟数字数字数字数字模拟上行仍需模数(A/D)转换，速率最高为35kbps；下行则可达56Kbps2/3/202350通信系统的例子——电话系统公用电话交换网PSTN(PublicSwitchedTelephoneNetwork)-端到端的数据传输率：104b/s-干线的数据传输率：1010b/s-总体误码率：<10-5

-通信干线采用光纤或微波数字传输系统。优点：出错率低、可传输语音/数据/图像、速率高、成本低、维护容易2/3/202351构成：本地回路、交换局、干线端局端局长途局中心局长途局本地回路准长途干线高带宽长途干线准长途干线本地回路光纤、微波、同轴双绞线双绞线2/3/202352本地回路编码解码器Codec编码解码器Codec用户设备用户设备ModemModem端局端局长途局数字干线模拟线路（本地回路）模拟线路（本地回路）●绝大多数为模拟线路●计算机间传输：以模拟为主，所以信号要经过多次变换：数字→模拟→数字→模拟→数字2/3/202353•①复用——多个信息源共享一个公共信道

为何要复用？线路成本DEMUX复用器解复用器共享信道MUX5.多路复用技术2/3/202354②复用类型FDM(频分复用)WDM(波分复用)TDM(时分复用)2/3/2023555.1频分复用FrequencyDivisionMultiplexingCH2CH1CH3原带宽CH1CH2CH3移频后带宽MUXCH1CH2CH3带宽复用f原理：整个传输频带被划分为若干个频率通道，每个用户占用一个频率通道。频率通道之间留有防护频带。适用于模拟信号传输

2/3/2023562/3/2023575.2波分复用WaveDivisionMultiplexingF2F1F3光谱F1F2F3共享光纤的光谱光纤2光纤3光纤1共享光纤采用无源设备，更可靠棱柱/衍射光栅原理：整个波长频带被划分为若干个波长范围，每个用户占用一个波长范围来进行传输。2/3/2023585.3时分复用TimeDivisionMultiplexing原理：把时间分割成小的时间片，每个时间片分为若干个通道（时隙），每个用户占用一个通道传输数据。

A2A1A3原始信号D2D1D3数字化信号MUX复用后数据时隙1234D3D2D1适用于数字信号传输

时间片2/3/2023592/3/2023605.4统计(异步)TDM——STDMABCD待发数据t1t2t3A1B1C1D1C2D2A2B2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TDM的缺点：某用户无数据发送，其他用户也不能占用该通道，将会造成带宽浪费。改进：统计时分多路复用（STDM），用户不固定占用某个通道，有空槽就将数据放入。2/3/2023616.交换技术为降低通信线路造价，大型网络主要采用部分连接的拓扑结构。两个端节点之间的通信连接一般都要通过中间节点的转接，中间节点要在它所连接几条线路中选择一条进行接续。就像电话交换机为通话双方接续线路一样，这个过程被称为交换。

实现交换的方法主要有：电路交换、报文交换、分组交换。

2/3/2023626.1电路交换交换设备在通信双方找出一条实际的物理线路的过程。(最早的电路交换连接是由电话接线员通过插塞建立的，现在则由计算机化的程控交换机实现。)特点：数据传输前需要建立一条端到端的通路。

呼叫——建立连接——传输——挂断

优缺点：建立连接的时间长；一旦建立连接就独占线路，线路利用率低；无纠错机制；建立连接后，传输延迟小。2/3/2023636.2报文交换整个报文作为一个整体一起发送。在交换过程中，交换设备将接收到的报文先存储，待信道空闲时再转发出去，一级一级中转，直到目的地。这种数据传输技术称为存储-转发。缺点：1）报文大小不一，造成缓冲区管理复杂。2）大报文造成存储转发的延时过长；3）出错后整个报文全部重发。2/3/2023646.3分组交换（包交换）将报文划分为若干个大小相等的分组(Packet)进行存储转发。优点：①存储量要求较小，可以用内存来缓冲分组——速度快；②转发延时小——适用于交互式通信；③某个分组出错仅重发该分组——效率高；④各分组可通过不同路径传输，可靠性高。特点：①数据传输前不需要建立一条端到端的通路。②有强大的纠错机制、流量控制和路由选择功能。2/3/2023656.4三种交换方式的事件顺序呼叫请求呼叫应答数据ABCD分组1分组2分组3报文ABCDABCD寻路延迟排队延迟线路交换报文交换分组交换2/3/2023666.5异步传输模式ATMATM是一种高速分组交换技术，采用了以信元（cell）为单位的存储转发方式，故又称为信元交换。ATM将话音、数据和图像等数据分解成长度固定的数据块，并在各数据块前装配地址、优先级等控制信息构成信元。信元由信元头部和有效载荷构成：信元头部有效载荷5B48B2/3/202367在ATM网络中，空信元以一定的速率出现，发送站只要获得空信元即可插入信息发送。因信息插入位置无周期性，故称这种传送方式为异步传输模式。ATM特点：1)面向连接（虚连接），按序递交；2)固定大小的信元，便于高速处理（可用硬件实现），传输速率≥622Mb/s；3)QoS特性保证了ATM可以实时地传送语音和活动图像。123456数据块信元流2/3/2023687.差错控制产生差错的原因：1）信道的电气特性引起信号幅度、频率、相位的畸变；2）信号反射；3）串扰；4）闪电、大功率电机的启停等。线路传输差错是不可避免的，但要尽量减小其影响。2/3/202369基本方法：接收方进行差错检测，并向发送方应答，告知是否正确接收。差错检测主要有两种方法：7.1.奇偶校验（ParityChecking）在原