第二章數(shù)據(jù)通基礎(chǔ)

1、第二章數(shù)據(jù)通基礎(chǔ)物理層的主要功能一、實(shí)現(xiàn)發(fā)送端和接收端之間的信號(hào)同步。二、為數(shù)據(jù)鏈路層提供物理連接,實(shí)現(xiàn)比特流的透明傳輸。.物理層的基本概念物理層的主要任務(wù)描述為確定與傳輸媒體的接口的一些特性，即： 機(jī)械特性 指明接口所用接線器的形狀和尺寸、引線數(shù)目和排列、固定和鎖定裝置等等。電氣特性 指明在接口電纜的各條線上出現(xiàn)的電壓的范圍。功能特性 指明某條線上出現(xiàn)的某一電平的電壓表示何種意義。規(guī)程特性 指明對(duì)于不同功能的各種可能事件的出現(xiàn)順序。 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的模型 傳輸系統(tǒng)輸入信息輸入數(shù)據(jù)發(fā)送的信號(hào)接收的信號(hào)輸出數(shù)據(jù)源點(diǎn)終點(diǎn)發(fā)送器接收器調(diào)制解調(diào)器PC 機(jī)公用 網(wǎng)調(diào)制解調(diào)器數(shù)字比特流數(shù)字比特流模擬信號(hào)模擬

2、信號(hào) 正文正文數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)源系統(tǒng)目的系統(tǒng)傳輸系統(tǒng)輸出信息PC 機(jī)DTE數(shù)據(jù)終端設(shè)備DTE產(chǎn)生的是數(shù)字信號(hào)，接收的也是數(shù)字信號(hào) 。DCE數(shù)據(jù)線路端接設(shè)備DCE為DTE提供了入網(wǎng)的連接點(diǎn)，通常被認(rèn)為是通信子網(wǎng)中的設(shè)備。幾個(gè)術(shù)語(yǔ)信息信息(Information):是數(shù)據(jù)的內(nèi)容或解釋是數(shù)據(jù)的內(nèi)容或解釋 計(jì)算機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)表達(dá)信息計(jì)算機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)表達(dá)信息 計(jì)算機(jī)信息交換就是訪問(wèn)及傳輸數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)信息交換就是訪問(wèn)及傳輸數(shù)據(jù) 計(jì)算機(jī)通信就是一種數(shù)據(jù)通信計(jì)算機(jī)通信就是一種數(shù)據(jù)通信信號(hào)信號(hào)(Signal):是數(shù)據(jù)的具體表現(xiàn)形式是數(shù)據(jù)的具體表現(xiàn)形式,如電磁波或如電磁波或電編碼電編碼數(shù)據(jù)是借助信號(hào)來(lái)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是借助信號(hào)來(lái)傳

3、輸?shù)?是通信中傳輸?shù)闹黧w是通信中傳輸?shù)闹黧w數(shù)據(jù)和信息數(shù)據(jù)和信息是有區(qū)別的。數(shù)據(jù)是獨(dú)立的，是尚未組織起來(lái)的事實(shí)的集合，信息則是按照一定要求以一定格式組織起來(lái)的數(shù)據(jù)，凡經(jīng)過(guò)加工處理或換算成人們想要得到的數(shù)據(jù)，即可稱(chēng)為信息。 信號(hào)是數(shù)據(jù)的物理表示形式。在數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中，傳輸媒體以適當(dāng)形式傳輸?shù)臄?shù)據(jù)都是信號(hào)。電信號(hào)有模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)兩種形式。模擬數(shù)據(jù)和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)表達(dá)數(shù)據(jù)的方式和承載數(shù)據(jù)的媒體是緊密相關(guān)的，不同的媒體能夠表達(dá)數(shù)據(jù)的方式是有限的。模擬數(shù)據(jù)和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)是表達(dá)數(shù)據(jù)的兩種方式。當(dāng)數(shù)據(jù)采用電信號(hào)方式表達(dá)時(shí)，由于受電物理特性所限，數(shù)據(jù)只能被表示成離散的編碼和連續(xù)載波兩種形式。當(dāng)數(shù)據(jù)采用離散的電信號(hào)表示

4、時(shí)，這樣的數(shù)據(jù)就被稱(chēng)為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。當(dāng)數(shù)據(jù)采用電波表示時(shí)，這樣的數(shù)據(jù)就被稱(chēng)為模擬數(shù)據(jù)。 q模擬信號(hào)：時(shí)間上連續(xù)，包含無(wú)窮多個(gè)值模擬信號(hào)：時(shí)間上連續(xù)，包含無(wú)窮多個(gè)值q數(shù)字信號(hào)：時(shí)間上離散，僅包含有限數(shù)目的預(yù)定值數(shù)字信號(hào)：時(shí)間上離散，僅包含有限數(shù)目的預(yù)定值a) 模擬信號(hào)模擬信號(hào)(Analog) b) 數(shù)字信號(hào)數(shù)字信號(hào)(Digital)TT模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)通信與通信系統(tǒng)通信是把信息從一個(gè)地方傳送到另一個(gè)地方的過(guò)程，用任何方法，通過(guò)任何媒體將信息從一個(gè)地方傳送到另一個(gè)地方均可稱(chēng)為通信。用來(lái)實(shí)現(xiàn)通信過(guò)程的系統(tǒng)被稱(chēng)為通信系統(tǒng)。通信系統(tǒng)都必須具備三個(gè)基本要素：信源、傳輸媒體和信宿。 通信系統(tǒng)

5、都必須具備三個(gè)基本要素：信源、傳輸媒體和信宿。通信系統(tǒng)中，除信源、通信媒體和信宿三個(gè)基本要素外，通常還需要有信號(hào)變換設(shè)備、信號(hào)復(fù)原設(shè)備，在傳輸媒體中存在的各種產(chǎn)生差錯(cuò)的噪聲。信 道信道是傳送電信號(hào)的一條道路信道也可以分為傳送模擬信號(hào)的模擬信道和傳送數(shù)字信號(hào)的數(shù)字信道兩類(lèi)。信號(hào)在信道上有兩種傳輸方式:基帶傳輸基帶傳輸, 寬帶寬帶傳輸傳輸基帶傳輸基帶傳輸基帶信號(hào)：將二進(jìn)制碼數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)基帶信號(hào)：將二進(jìn)制碼數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)經(jīng)過(guò)編碼變換成經(jīng)過(guò)編碼變換成數(shù)字脈沖信號(hào)數(shù)字脈沖信號(hào)基帶傳輸：不調(diào)制，編碼后的基帶傳輸：不調(diào)制，編碼后的基基帶信號(hào)帶信號(hào)信號(hào)直接在信道上傳送信號(hào)直接在信道上傳送電壓脈沖直接加到電纜，并且使用電

6、纜的電壓脈沖直接加到電纜，并且使用電纜的整個(gè)信號(hào)頻率范圍整個(gè)信號(hào)頻率范圍寬帶傳輸寬帶傳輸在一路信道的全部頻率范圍上同時(shí)進(jìn)行多路在一路信道的全部頻率范圍上同時(shí)進(jìn)行多路不同頻率的載波傳輸，一路信道包含多個(gè)邏不同頻率的載波傳輸，一路信道包含多個(gè)邏輯信道。輯信道。 頻分復(fù)用頻分復(fù)用（FDM）電視電視ADSLISDN信道的幾個(gè)主要技術(shù)指標(biāo)任何實(shí)際的信道都不是理想的，在傳輸信號(hào)時(shí)會(huì)產(chǎn)生各種失真以及帶來(lái)多種干擾。 碼元傳輸?shù)乃俾试礁撸蛐盘?hào)傳輸?shù)木嚯x越遠(yuǎn)，在信道的輸出端的波形的失真就越嚴(yán)重。 比特率：比特率： 數(shù)據(jù)傳輸率，指每秒傳輸多少二進(jìn)制代碼位數(shù)，數(shù)據(jù)傳輸率，指每秒傳輸多少二進(jìn)制代碼位數(shù)，單位用位單位用

7、位/秒，常記作秒，常記作bps(即即bit per second)。設(shè)設(shè)T為傳輸?shù)碾娒}沖信號(hào)的寬度或周期，為傳輸?shù)碾娒}沖信號(hào)的寬度或周期，N為電脈沖信號(hào)所為電脈沖信號(hào)所有可能的狀態(tài)數(shù)，則數(shù)據(jù)率有可能的狀態(tài)數(shù)，則數(shù)據(jù)率S=1/Tlog2N(bps)其中，其中，log2N是每一個(gè)電脈沖信號(hào)所表示的二進(jìn)制數(shù)據(jù)的位是每一個(gè)電脈沖信號(hào)所表示的二進(jìn)制數(shù)據(jù)的位數(shù)數(shù)(比特?cái)?shù)比特?cái)?shù))。比如，設(shè)電信號(hào)的狀態(tài)數(shù)。比如，設(shè)電信號(hào)的狀態(tài)數(shù)N=2，即只有，即只有“0”和和“1”兩個(gè)狀態(tài)，則每個(gè)電信號(hào)只傳送兩個(gè)狀態(tài)，則每個(gè)電信號(hào)只傳送1位二進(jìn)制數(shù)據(jù)。這位二進(jìn)制數(shù)據(jù)。這時(shí)，時(shí)，S=1/T。比特率比特率波特率:又稱(chēng)碼元速率，它

8、是數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)制后的傳輸速率，表示每秒鐘傳輸多少電信號(hào)單元(或碼元)，即調(diào)制后模擬電信號(hào)每秒鐘的變化次數(shù)，它等于調(diào)制周期(即時(shí)間間隔)的倒數(shù)，單位為波特(Baud)。若用T(秒)表示調(diào)制周期，則調(diào)制速率B=1/T(Baud)1波特表示每秒傳送一個(gè)碼元。波特率波特率數(shù)字信號(hào)通過(guò)實(shí)際的信道 失真不嚴(yán)重失真嚴(yán)重 實(shí)際的信道（帶寬受限、有噪聲、干擾和失真）輸入信號(hào)波形輸出信號(hào)波形(失真不嚴(yán)重)輸入信號(hào)波形實(shí)際的信道（帶寬受限、有噪聲、干擾和失真）輸出信號(hào)波形(失真嚴(yán)重) 帶寬與傅里葉分析若將數(shù)字信號(hào)不經(jīng)調(diào)制直接放到模擬信道上進(jìn)行傳輸，會(huì)引起信號(hào)的失真任何實(shí)際的模擬信道所能傳輸?shù)男盘?hào)的頻率都有一定的范

9、圍，稱(chēng)之為該信道通頻帶的寬度或稱(chēng)為帶寬（bandwidth） 信道的帶寬是由傳輸媒體和有關(guān)的附加設(shè)備與電路的頻率特性綜合決定的 一個(gè)低通信道，若對(duì)于從0到某個(gè)截止頻率fc的信號(hào)通過(guò)時(shí)振幅不會(huì)衰減或衰減很小，而超過(guò)此截止頻率的信號(hào)通過(guò)時(shí)就會(huì)大大衰減，則此信道的帶寬為fc Hz。 一個(gè)具有有限持續(xù)時(shí)間的數(shù)字信號(hào)，可以看作為一個(gè)以此有限持續(xù)時(shí)間T為周期的周期階梯函數(shù) f(t)。此函數(shù)可展開(kāi)成傅里葉（Fourier）級(jí)數(shù)。信道的帶寬越寬，則它傳輸數(shù)字信號(hào)時(shí)失真越小。反之，若信道的帶寬是固定的，則用它來(lái)直接傳輸數(shù)字信號(hào)的數(shù)據(jù)速率越高則失真越大 。信道的最大傳輸速率Nyquist 定理（有限帶寬的無(wú)噪聲信

10、道）如果一個(gè)任意的信號(hào)通過(guò)帶寬為H的低通濾波器，那么每秒采樣2H次就能完整地重現(xiàn)通過(guò)該濾波器的信號(hào)。最大數(shù)據(jù)傳輸率=2H log2V （b/s）Shannon定理對(duì)任何帶寬為H Hz，信噪比為S/N的信道，最大數(shù)據(jù)傳輸速率=H log2（1+S/N） （b/s）信道的極限信息傳輸速率 香農(nóng)(Shannon)用信息論的理論推導(dǎo)出了帶寬受限且有高斯白噪聲干擾的信道的極限、無(wú)差錯(cuò)的信息傳輸速率。信道的極限信息傳輸速率 C 可表達(dá)為 C = W log2(1+S/N) b/s W 為信道的帶寬（以 Hz 為單位）；S 為信道內(nèi)所傳信號(hào)的平均功率；N 為信道內(nèi)部的高斯噪聲功率。 香農(nóng)公式表明 信道的帶寬

11、或信道中的信噪比越大，則信息的極限傳輸速率就越高。 只要信息傳輸速率低于信道的極限信息傳輸速率，就一定可以找到某種辦法來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)差錯(cuò)的傳輸。 若信道帶寬 W 或信噪比 S/N 沒(méi)有上限（當(dāng)然實(shí)際信道不可能是這樣的），則信道的極限信息傳輸速率 C 也就沒(méi)有上限。實(shí)際信道上能夠達(dá)到的信息傳輸速率要比香農(nóng)的極限傳輸速率低不少。 奈氏準(zhǔn)則和香農(nóng)公式在數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中的作用范圍 源系統(tǒng)傳輸系統(tǒng)目的系統(tǒng)傳輸系統(tǒng)源點(diǎn)終點(diǎn)發(fā)送器接收器輸入信息輸出信息輸入數(shù)據(jù)輸出數(shù)據(jù)發(fā)送的信號(hào)接收的信號(hào)碼元傳輸速率受奈氏準(zhǔn)則的限制信息傳輸速率受香農(nóng)公式的限制幾種最基本的調(diào)制方法 調(diào)制就是進(jìn)行波形變換（頻譜變換）。 最基本的二元制調(diào)

12、制方法有以下幾種：調(diào)幅(AM)：載波的振幅隨基帶數(shù)字信號(hào)而變化。 調(diào)頻(FM)：載波的頻率隨基帶數(shù)字信號(hào)而變化。調(diào)相(PM) ：載波的初始相位隨基帶數(shù)字信號(hào)而變化。 對(duì)基帶數(shù)字信號(hào)的幾種調(diào)制方法 010011100基帶信號(hào)調(diào)幅調(diào)頻調(diào)相調(diào)制解調(diào)器使用異步通信方式 數(shù)據(jù)通信可分為同步通信和異步通信兩大類(lèi)：同步通信要求接收端時(shí)鐘頻率和發(fā)送端時(shí)鐘頻率一致。發(fā)送端發(fā)送連續(xù)的比特流。異步通信時(shí)不要求接收端時(shí)鐘和發(fā)送端時(shí)鐘同步。發(fā)送端發(fā)送完一個(gè)字節(jié)后，可經(jīng)過(guò)任意長(zhǎng)的時(shí)間間隔再發(fā)送下一個(gè)字節(jié)。 異步通信的通信開(kāi)銷(xiāo)較大，但接收端可使用廉價(jià)的、具有一般精度的時(shí)鐘來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。PCM系統(tǒng)現(xiàn)在的數(shù)字傳輸系統(tǒng)均采用脈

13、碼調(diào)制 PCM (Pulse Code Modulation)體制。 采樣周期 Tt信號(hào)t采樣1001001111000010t編碼t解碼t還原多路復(fù)用技術(shù) 多路復(fù)用就是利用一條物理信道同時(shí)傳輸多路信號(hào)，以提高信道的利用率，做到一條線路可以同時(shí)由多個(gè)用戶(hù)使用，而且互不影響。采用多路復(fù)用技術(shù)能把多個(gè)信號(hào)組合到一個(gè)物理信道上傳輸，這在遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)，可大大節(jié)省電纜的安裝和維護(hù)費(fèi)用。 在通道系統(tǒng)?？煽吹蕉嗦窂?fù)用器（MUX）及多路譯碼器（DEMUX），它們?yōu)闃?gòu)成多路復(fù)用技術(shù)的主要組件。其中，MUX用來(lái)合并多個(gè)數(shù)據(jù)源的信號(hào)，在一個(gè)共同信道上傳輸DEMUX用來(lái)分離合并的信號(hào)。 常用的多路復(fù)用技術(shù)有：頻分多路

14、復(fù)用和時(shí)分多路復(fù)用。信道復(fù)用技術(shù) 頻分復(fù)用、時(shí)分復(fù)用和統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用 頻分復(fù)用：所有用戶(hù)在同樣的時(shí)間占用不同的帶寬資源。時(shí)分復(fù)用：所有用戶(hù)在不同的時(shí)間占用同樣的頻帶寬度。 統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用：一種改進(jìn)的時(shí)分復(fù)用，能明顯提高信道的利用率。 頻分復(fù)用 頻率時(shí)間頻率 1頻率 2頻率 3頻率 4頻率 51超群5基群60音頻信道時(shí)分復(fù)用 為了有效地利用傳輸線路，可將多個(gè)話(huà)路的PCM 信號(hào)用時(shí)分復(fù)用 TDM (Time Division Multiplexing)的方法裝成時(shí)分復(fù)用幀，然后發(fā)送到線路上。中國(guó)采用歐洲體制，以 E1 為一次群。美國(guó)和日本等國(guó)采用北美體制，以 T1 為一次群。時(shí)分復(fù)用 頻率時(shí)間B C

15、DB C DB C DB C DAAAA在 TDM 幀中的位置不變TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀時(shí)分復(fù)用 頻率時(shí)間C DC DC DAAAABBBB C D在 TDM 幀中的位置不變TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀時(shí)分復(fù)用 頻率時(shí)間BDBDBDAAAA BCCCC D在 TDM 幀中的位置不變TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀時(shí)分復(fù)用 頻率時(shí)間B CB CB CAAAA B CDDDD在 TDM 幀中的位置不變TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀時(shí)分復(fù)用可能會(huì)造成線路資源的浪費(fèi) ABCDaabbcdb cattttt4 個(gè)時(shí)分復(fù)用幀#1acbcd時(shí)分復(fù)用#2#3#4用戶(hù)統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用 STDM 用戶(hù)ABCDabcdttttt3 個(gè) STDM 幀#1acba