数据通信基础知识课件

第二章数据通信基础2.1概念和术语2.2数据通信基础理论2.3传输介质2.4编码与调制2.5复用2.6扩频2.7调制解调器2.8物理层接口第二章数据通信基础2.1概念和术语12.1概念和术语2.1.1数据2.1.2信号2.1.3传输2.1.4传输方式2.1概念和术语2.1.1数据22.1.1数据模拟数据音频（audio）视频（vedio）数字数据文本（text）ASCII码文本2.1.1数据模拟数据32.1.2信号信号数据的电磁编码模拟信号与数字信号时域特性以时间t为自变量，以某种物理量（如电压）为因变量频域特性以频率f为自变量，以某种物理量（如电压）为因变量2.1.2信号信号4模拟信号和数字信号模拟信号和数字信号5模拟信号表示模拟信号表示6数字信号表示数字信号表示72.1.3传输传输是指将信号从发送传到接收端，并且在接收端进行恢复模拟传输和数字传输数字传输的优点2.1.3传输传输是指将信号从发送传到接收端，并且在接收端82.1.4传输方式并行传输和串行传输异步方式和同步方式单工、半双工和全双工2.1.4传输方式并行传输和串行传输92.2数据通信基础理论2.2.1周期信号2.2.2信号频谱与带宽2.2.3信道的截至频率与带宽2.2.4数据率与信号带宽的关系2.2.4信道的最大数据率2.2数据通信基础理论2.2.1周期信号102.2.1周期信号2.2.1周期信号11s（t）=Asin（2πft+φ）s（t）=Asin（2πft+φ）122.2.2信号频谱与带宽s（t）=（4/π）（（sin（2πft））+（1/3）sin（2π（3f）t）））2.2.2信号频谱与带宽s（t）=（4/π）（（sin（213傅立叶函数其中：傅立叶函数其中：14信号频谱图信号频谱图15频域和信号带宽频域图（频率-振幅图）把f(t)各次谐波的振幅An按照频率高低依次排列起来所形成谱状图形称为信号f(t)的频谱图。信号带宽信号频域图所覆盖的频率范围称为信号的绝对带宽；我们将信号大部分能量集中的那段频带称为信号的有效带宽，简称为带宽（bandwidth）；任何信号都有一定的带宽。频域和信号带宽频域图（频率-振幅图）16常见信号带宽话音信号话音信号的标准带宽为300Hz～3400Hz音乐信号（CD音质）要求的带宽是20Hz~20KHz电视信号(PAL或NTSC制式)电视信号的带宽约为4.2MHz单稳脉冲信号其带宽为无穷大二进制信号(数字信号)一般说来，任何数字信号都具有无限带宽，但它们不得不被近为有限带宽信号数字信号的带宽依赖于“0”、“1”序列以及编码方式常见信号带宽话音信号17话音和音乐的频谱和动态范围话音和音乐的频谱和动态范围18具有直流分量的信号具有直流分量的信号192.2.3数据率和信号带宽的关系情形1：带宽=4MHz；数据率=2Mbps。情形2：带宽=8MHz；数据率=4Mbps。情形3：带宽=4MHz；数据率=4Mbps。2.2.3数据率和信号带宽的关系情形1：带宽=4MHz；数20方波的频率分量组成图方波的频率分量组成图21数据率与信号带宽数据率越高的信号，其带宽就越大；由于传输介质自身的物理特性将限制被传输信号的带宽。信号带宽的限制引起了信号的失真。信号带宽越受限制，失真就越严重，接收器出错的概率就越大。一般情况下，如果数据率为Wbps的信号，当其带宽为2WHz时，该信号就可以很好地表示原始数据信号。数据率与信号带宽数据率越高的信号，其带宽就越大；222.2.4信道的截止频率与带宽任何信号通过信道时都会发生衰减，从而引起信号失真。信道对不同频率的信号其衰减幅度是不相同的；一般来说，频率越高的信号，其衰减幅度越大。我们把信号在经过信道时其中某个频率分量的振幅衰减到原来的0.707(即信号的能量衰减到原来的一半)时所对应的频率称为信道的截止频率fc(cut-offfrequency)，即信道的带宽。任何信道都有fc，信道的截止频率或带宽是由其固有的物理特性决定的。2.2.4信道的截止频率与带宽任何信号通过信道时都会发生衰232.2.4信道的最大数据率数字传输系统的目标就是尽可能有效地利用给定的带宽下尽可能提高数据率（有效性），同时又将误码率（可靠性）限制在某个可接受的范围内。限制我们达到上述目标的主要不利因素是各种噪声（热噪声、交调噪声、串扰以及脉冲噪声）。2.2.4信道的最大数据率数字传输系统的目标就是尽可能有效24码元速率与数据率码元时间轴上的一个信号单元。对于基带数字通信而言，一个数字脉冲称为一个码元。对于模拟频带通信，载波的某个参数或某几个参数的变化就是一个码元。码元速率（调制速率或信号速率）码元速率就是信号每秒钟变化的次数，单位是波特率。数据率信号每秒钟传输的二进制位数，单位bps。码元速率与数据率码元25波特率与比特率的关系波特率与比特率的关系26Nyquist定理Nyquist推导出带宽为H的理想(无噪声)信道的最大数据率为（带宽为H的理想信道，其可承受的最大码元速率是2*H）Rmax=2H*log2V(bps) 其中V为离散信号的个数或电压值的个数例子一个带宽为3000Hz的无噪声话音信道在传输二进制信号时其最大数据率不超过6000bps方法：提高信号编码能力，增大V的数值Nyquist定理Nyquist推导出带宽为H的理想(无噪声27Shannon定理Shannon推导出对于带宽为H，信噪比为S/N的有噪声信道，其最大数据率Rmax为 Rmax=H*log2(1+S/N)(bps)其中信号功率与噪声功率的比值称为信噪比(Signal-to-NoiseRatio)；我们一般使用分贝（等于10log10S/N）来表示信噪比例子一个带宽为3000Hz，信噪比为30dB(S/N为1000)的话音信道其最大数据率不超过30Kbps方法：增加线路带宽或改进信噪比Shannon定理Shannon推导出对于带宽为H，信噪比为282.3传输介质2.3.1双绞线2.3.2同轴电缆2.3.3光纤2.3.4无线介质2.3传输介质2.3.1双绞线292.3.1双绞线屏蔽双绞线STP（IBM）非屏蔽双绞线UTP（EIA/TIA）1类——用于电话通信，一般不适合传输数据。2类——可用于传输数据，最大数据率为4Mbps。3类——用于以太网，最大数据率为10Mbps。4类——用于令牌环网，最大数据率为16Mbps。5类——用于快速以太网，最大数据率为100Mbps。6类——用于吉比特以太网，最大数据率为1Gbps。2.3.1双绞线屏蔽双绞线STP（IBM）30双绞线图示双绞线图示312.3.2同轴电缆基带电缆（10Mbps）粗缆非中继传输距离500米需要使用收发器和收发电缆AUI接口细缆（便宜的同轴电缆）非中继传输距离185米BNC接口宽带电缆（CATV电缆）CableModem（宽带接入）2.3.2同轴电缆基带电缆（10Mbps）32同轴电缆图示同轴电缆图示332.3.3光纤传输与计算的比较Computation：每10年增长1个数量级Communication：每10年增长2个数量级带宽频率范围：180~370THz数据率：160*10Gbps=1.6Tbps原因：光/电、电/光转换的速度跟不上光电子技术/光子技术通过光纤中光的波长0.85μm/1.3μm/1.55μm(250~300THz)2.3.3光纤传输与计算的比较34光反射原理光反射原理35光纤及光缆构成光纤及光缆构成36单模光纤和多模光纤单模光纤（single-modefiber）使用激光源内芯直径较小直径为8～10μm多模光纤（multi-modefiber）使用发光二极管内芯直径稍大（外径为125μm）直径为62.4μm单模光纤和多模光纤单模光纤（single-modefibe37单模光纤与多模光纤的比较单模光纤与多模光纤的比较38光纤的特点优点高带宽、高数据率对EMI、窃听不敏感（安全、可靠）抗腐蚀衰减小缺点单向传输光纤接口价格昂贵工艺复杂、安装技术复杂光纤的特点优点392.3.4无线介质无线介质是指信号通过空气传输，信号不被约束在一物理导体内无线介质实际上就是无线传输系统，主要包括无线电微波红外线和激光卫星通信无线介质只能传输模拟信号（高频载波信号）2.3.4无线介质无线介质是指信号通过空气传输，信号不被约40无线电波（1）无线电通信就是利用地面发射的无线电波通过电离层的反射而到达接收端的一种远距离通信方式。无线电通信使用的频率一般在3MHz至1GHz。无线电波的传播特性与频率有关。在低频上，无线电波能轻易地绕过一般障碍物，但其能量随着传播距离的增大而急剧递减。在高频上，无线电波趋于直线传播并易受障碍物的阻挡，还会被雨水吸收。无线电波（1）无线电通信就是利用地面发射的无线电波通过电离层41无线电波（2）无线电波（2）42微波微波通信是利用无线电波在对流层的视距范围内进行信息传输的一种通信方式，它使用的频率范围一般在1GHz至20GHz左右。对于频率在100MHz以上的无线电波，其能量将集中于一点并沿直线传播，这就是微波。由于微波只能沿直线传播，所以微波的发射天线和接收天线必须精确对准，而且每隔一段距离就需要一个中继站。中继站之间的距离与微波塔的高度成正比例。对于100m高的微波塔，中继站之间的距离可以达到80km。

微波微波通信是利用无线电波在对流层的视距范围内进行信息传输的43红外线红外系统采用光发射二极管LED、激光二极管ILD发射的红外线来进行站与站之间的数据交换。点到点红外系统广播式红外系统红外线红外系统采用光发射二极管LED、激光二极管ILD发射的442.4编码与调制2.4.1数字－数字编码2.4.2模拟－数字编码2.4.3数字－模拟调制2.4.4模拟－模拟调制2.4编码与调制2.4.1数字－数字编码452.4.1数字—数字编码2.4.1数字—数字编码46曼彻斯特和差分曼彻斯特编码曼彻斯特和差分曼彻斯特编码472.4.2模拟—数字编码2.4.2模拟—数字编码48脉冲幅度调制PAM脉冲幅度调制PAM49脉冲编码调制PCM脉冲编码调制PCM就是将脉冲振幅调制PAM所产生的采样结果变成完全数字化的信号。三个过程脉冲幅度调制PAM量化（A/D转换）编码（数字—数字编码）脉冲编码调制PCM脉冲编码调制PCM就是将脉冲振幅调制PAM502.4.3数字—模拟调制2.4.3数字—模拟调制51幅移键控ASK幅移键控ASK52频移键控FSK频移键控FSK53相移键控PSK相移键控PSK544-QAM和8-QAM星座图4-QAM和8-QAM星座图55一个8-QAM信号的时域图一个8-QAM信号的时域图562.4.4模拟—模拟调制2.4.4模拟—模拟调制57调幅带宽调幅带宽58调频调频59调频带宽调频带宽602.5复用2.5.1频分复用2.5.2波分复用2.5.3时分复用2.5.4码分复用2.5复用2.5.1频分复用612.5.1频分复用频分复用FDM(FrequencyDivisionMultiplexing)主干线路的频带被划分为若干逻辑信道，每个用户独占某些频段；调频广播以及有线电视。2.5.1频分复用频分复用FDM(FrequencyDi62频分复用示例图频分复用示例图632.5.2波分复用波分复用WDM(WaveDivisionMultiplexing)FDM在光纤介质中的应用；光纤系统使用的衍射光栅可以是无源的。2.5.2波分复用波分复用WDM(WaveDivisio64波分复用示例图波分复用示例图652.5.3时分复用时分复用TDM(TimeDivisionMultiplexing）每个用户轮流瞬间地占有主干线路的整个带宽；在数字通信系统中，对主干线路的复用只能采用TDM，因为数字信号的频谱有可能占居整个信道带宽。2.5.3时分复用时分复用TDM(TimeDivisio66T1标准T1标准67E1标准E1标准68PDH标准PDH标准69SDH标准SDH标准702.5.4码分复用码分复用CDM给每个用户分配一个唯一的正交码作为该用户的地址码。在发送端，对传输的数据用该正交码进行正交编码，然后实现信道复用；在接收端，用与发送端相同的正交码进行正交解码。2.5.4码分复用码分复用CDM给每个用户分配一个唯一的正712.6扩频扩频（spreadspectrum）也是把来自某些源端的信号组合在一起以形成一个更大的带宽。跳频扩频直接序列扩频2.6扩频扩频（spreadspectrum）也是把来自72跳频扩频（1/2）用源信号调制M个不同频率的载波信号。在某一个时刻用源信号调制一种频率的载波，在下一个时刻调制另一种频率的载波。跳频扩频（1/2）用源信号调制M个不同频率的载波信号。在某73跳频扩频（2/2）假设发送站点的模式是101、111、001、000、010、110、011、101，这就是说在时刻（跳周期）1，模式是1