武大數(shù)據(jù)通信與網(wǎng)絡(luò)課件CH3YES

1、Chapter 3 信號傳輸與接口3.1 傳輸介質(zhì)3.2 信道特性 3.3 傳輸模式3.4 數(shù)據(jù)壓縮3.5 復(fù)用 3.6 同步控制3.7 通信接口和標(biāo)準(zhǔn)13.1 傳輸介質(zhì) 類別Transmission MediaUnguided Guided Twisted-pairTrolly WireCoaxial CableFiber-optic Cable有向介質(zhì)無向介質(zhì)架空線雙絞線對同軸電纜 光纜23.1.1 有線信道 架空線 架設(shè)在電線桿上的兩條平行的裸露導(dǎo)線長用在偏遠(yuǎn)村莊信號沿著介質(zhì)的方向傳播并被局限在介質(zhì)的物理邊界內(nèi)，又稱有向介質(zhì).缺點(diǎn): 帶寬窄， 噪聲干擾大應(yīng)用: 電力線載波通信 3雙絞線非

2、屏蔽 雙絞線(UTP)由扭在一起的兩根絕緣銅線組成. (figure 3.1)雙絞線通常用于傳輸平衡信號，其頻率范圍對于傳輸數(shù)據(jù)和語音都適用 (100Hz 5MHz) 由于兩條導(dǎo)線交叉，能顯著減弱噪聲的影響。4(table add.) EIA 制定UTP等級標(biāo)準(zhǔn)： Category 1 在電話系統(tǒng)中使用的基本雙絞線，。 Category 2 適用于語音和最大速率為4 Mbps 的數(shù)據(jù)傳輸。 Category 3 適用于語音和最大速率為10 Mbps 的數(shù)據(jù)傳輸。 Category 4 數(shù)據(jù)傳輸速率最大可達(dá)16Mbps。 Category 5 在最大數(shù)據(jù)速率為 100 Mbps的環(huán)境下使用。5屏

3、蔽雙絞線 (STP)雙絞線電纜 （figure 3.2） UTP 連接器 (figure 3.3) 在每一對導(dǎo)線外都有一層金屬箔或網(wǎng)格。 (figure 3.4) Advantage: 對噪聲有更好的屏蔽作用，并且能消除線對之間的串線干擾。6 同軸電纜 結(jié)構(gòu): 中心導(dǎo)體 + 外層金屬包層 (figure 3.5A) 外層金屬包層既作為屏蔽層又作為傳導(dǎo)體的一部分。頻率范圍: 100 kHz -500 MHz 接頭: BNC- (卡銷式網(wǎng)絡(luò)連接器) (figure 3.5B) T型連接器-從主線上引出分支 終結(jié)端子-電纜終端的阻抗匹配。在電纜終端吸收電磁波，消除回波反射。7同軸電纜規(guī)格： RG-8

4、, RG-9, RG-11粗纜，用于以太網(wǎng) 50 阻抗, 分布電容小，速率高，常用于干線。500m 1km/10Mbps RG-58細(xì)纜，用于以太網(wǎng)。 50 阻抗, 分布電容大，速率較低。 200m 300m/10Mbps RG-75 75 阻抗，用于 CATV8 光纜 光纖: (figure 3.6A) 傳輸機(jī)理 : 利用全反射，使光線在光纖內(nèi)定向傳輸. (figure 3.6B) 模式:單模;多模 (階躍,漸變) (figure 3.6C) 連接器: (figure 3.6D)9類型: (figure 3.6E)波長: (figure 3.6F) 850nm,1310nm,1550nm 優(yōu)

5、點(diǎn) 抑制電磁干擾，衰減小，帶寬大103.1.2 無線介質(zhì)不使用物理導(dǎo)體來傳輸電磁波，而是將信號從空間傳播出去，又稱無向介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)無線通信。波段劃分 VLF-甚低頻 VHF-甚高頻 LF-低頻 UHF-超高頻 MF-中頻 SHF-特高頻 HF-高頻 EHF-極高頻 (figure3.7) 11 5種傳播方式 地表傳播、對流層傳播、電離層傳播、 視線傳播、空間傳播 (figure3.8)應(yīng)用：無線電導(dǎo)航-地表傳播 （figure3.9） 中波調(diào)幅廣播-對流層傳播 （figure3.10） 調(diào)頻廣播和VHF電視 -視線傳播 (figure 3.11） UHF電視、移動電話和微波-視線傳播 (figu

6、re 3.12）衛(wèi)星通信-空間傳播 (figure 3.13） 地球同步衛(wèi)星 衛(wèi)星通信頻帶 (table3.1)12傳輸介質(zhì)性能比較 選擇介質(zhì)的五個(gè)因素: 費(fèi)用、速度、信號衰減、電磁干擾、安全性 介質(zhì)性能比較 (table 3.2)133.2 信道特性 Attenuation :信號通過信道傳輸時(shí)，信號能量產(chǎn)生損失 Gain :為了補(bǔ)償損失，可用放大器放大信號，獲得增益 (figure 3.14) 3.2.1 衰減和增益信道：發(fā)送接收設(shè)備+傳輸介質(zhì)+中繼器14 計(jì)量單位：dB (分貝) 將信道視為一個(gè)傳輸系統(tǒng). (figure 3.15) A = 10log10 (P2/P1) = 20log

7、10 (V2/V1)= 20log10 (I2/I1) dB如果信號是衰減的，則分貝是負(fù)的；如果信號有增益，則分貝是正的。15絕對功率電平為了表示系統(tǒng)中某點(diǎn)的信號功率的絕對大小電平，使用單位為dBm Lp = 10log10 (P/1mw) dBmdBm 是一個(gè)以1mW為參考的功率單位 P 1mw, dBm為正 P = 1mw, dBm為零 P 100Mbps 一路語音服務(wù)需要帶寬 = 64Kbps網(wǎng)絡(luò)上的信息越來越大，對于傳輸來說有什么方法來處理？ 43 數(shù)據(jù)壓縮的總體思想 去除冗余信息 提高編碼效率 減少比特?cái)?shù)的同時(shí)必須保持所有特征信息443.4.1 壓縮編碼技術(shù) 1. 字符壓縮編碼技術(shù)

8、-Huffman編碼 通用的字符編碼方案-ASCII 每個(gè)字符用8比特表示 所有字符長度相同 Huffman 編碼 (哈夫曼編碼)依據(jù): 文件中不同字符出現(xiàn)的頻率不同方案: 給頻繁出現(xiàn)的字符 (如 N, P, R, S, T 和元音)分配較短的代碼Example: 一個(gè)數(shù)據(jù)文件中只有5個(gè)字符，各字符出現(xiàn)的頻率和編碼 方案見 table 3.345 Huffman 解碼 無前綴屬性 任何字符的代碼都不是另一個(gè)代碼的前綴Example: (figure 3.29)Huffman 編碼的條件 已知各字符在文件中出現(xiàn)的概率 只適用于字符編碼46Huffman 編碼的算法過程 為每個(gè)字符指定一個(gè)節(jié)點(diǎn)，并

9、將字符的概率指派給對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)，稱為節(jié)點(diǎn)的權(quán) . 尋找權(quán)最小的2個(gè)節(jié)點(diǎn)，把它們合并成一棵帶有新的根節(jié)點(diǎn)的二叉樹. 如果權(quán)最小的節(jié)點(diǎn)多于2個(gè)，就隨機(jī)選擇. 重復(fù)上述步驟，得到多級的二叉樹，直到生效最后一棵樹. 從最后的根節(jié)點(diǎn)逐級向下，對每個(gè)左邊的連線指派“0”，對右邊的連線指派“1”47從根節(jié)點(diǎn)到葉子節(jié)點(diǎn)對應(yīng)即為 Huffman 碼 (figure 3.30) 壓縮率分析 對于上例，壓縮率為 30 %.48 2. 基本壓縮編碼 行程編碼 方法 分析比特流，找出連0或連1.發(fā)送連0或連1的個(gè)數(shù)，而不是發(fā)送比特本身 應(yīng)用 適用于較多連0和連1的場合,如傳真 Example 用4個(gè)比特表示連0的個(gè)數(shù) (

10、figure 3.31)49 相對編碼 基本原理:有些場合當(dāng)前幀和前一幀的差別比較小，如視頻信號傳送兩者的差別，稱為差分編碼. Application： 適合視頻信號 Example: (figure 3.32) 0表示信息沒有變化，則就有可能有許多的0，然后采用行程編碼來進(jìn)行壓縮503.4.2 圖像壓縮圖像和語音是最常見、最重要的多媒體信息。背景知識： 圖片 : 即 靜止圖象 圖片是由許多像素組成的，如640480, 1024768.黑白圖片 : e每一個(gè)像素用8比特來表示256級灰度51 視頻 : 特指 運(yùn)動圖象 . 每秒30幀的640*480的視頻，其傳輸速率為: 64048024302

11、21106 bps 221 Mbps彩色圖片: RGB: 三基色，紅綠藍(lán)，每一種顏色用8比特來表示強(qiáng)度。YIQ: 一個(gè)亮度（Y）,兩個(gè)色度（ I和 Q），每一種用8比特來表示強(qiáng)度每一個(gè)YIQ 值對應(yīng)一個(gè) RGB值. 在任何情況下，彩色圖片有24比特表示 52人類感官系統(tǒng): 人類感官系統(tǒng)對亮度更敏感，而對色度不是很敏感。在色度上的稍微缺失不會被察覺到。 - 圖片壓縮的原理53 1.JPEG 壓縮 JPEG （聯(lián)合圖像專家組） - Joint Photographic Experts Group 靜止圖片的壓縮算法，屬于 有損壓縮 壓縮原理DCT: 離散余弦變化,簡化數(shù)據(jù)量化: 忽略圖片中不易察覺

12、的微小差別編碼: 用行程編碼進(jìn)行壓縮編碼 . 壓縮率可達(dá)到 20:1甚至更好 (see fig. add.)54 DCT 原理Step A: 將圖片分成8*8像素的子塊 (figure 3.33)Step B: 如是黑白圖片，每一個(gè)子塊由1個(gè)8*8的二維矩陣表示 如是彩色圖片，每個(gè)子塊由3個(gè)8*8的二維矩陣表示； 將此矩陣記為P,則取值范圍為0255.Step C: 每個(gè) P矩陣通過下面的轉(zhuǎn)換得到一個(gè)T55 結(jié)果矩陣 T T 包含了空間頻率方面的信息。空間頻率是像素在矩陣中位置的函數(shù)。T00 DC 系數(shù),與P矩陣的平均值有關(guān)。Tij AC系數(shù) ,與像素的位置有關(guān) 如果P矩陣中所有的值都是相同的

13、，即顏色沒有變化或者說是單色的，則所有的AC系數(shù)都為 0如果P矩陣中的值變化很小，則AC系數(shù)大部分為 0.(figure 3.34a)如果P矩陣中的值變化很大,則AC系數(shù)大部分也很大.(figure 3.34b)56Step D: 當(dāng)接收端解壓縮時(shí)，必須進(jìn)行反變換Exercise: 用VC+編程來完成DCT變化和反變化，以此來驗(yàn)證圖3.34的正確性 57 量化 Step A: 定義一個(gè)量化矩陣 U, 此矩陣左上部的值較小，右下部的值較大Step B: 做取整運(yùn)算 ，得到矩陣 Q.Example:58 如何定義 U ? 盡可能保存T矩陣左上部的信息 JPEG 沒有規(guī)定矩陣U，通常是由具體的應(yīng)用來

14、決定。 如何定義矩陣U使壓縮比最大 但損失最小 是一個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn)。 因?yàn)槭侨≌?，所以無法從Q矩陣中還原成T矩陣，所以只能得到T矩陣的近似值。所以JPEG是有損壓縮。 59 編碼 經(jīng)過量化后，在空間頻率高的位置有許多的0值?？梢允褂眯谐叹幋a。 (figure 3.35) 當(dāng)矩陣Q中有許多非0值時(shí)，我們也可以用Huffman編碼來進(jìn)行壓縮。 當(dāng)相鄰的矩陣差別比較小時(shí)，還可以進(jìn)行相對編碼 。60 2. MPEG 壓縮 MPEG （運(yùn)動圖像專家組） -Moving Pictures Expert Group MPEG-1 CD-ROM 和早期的廣播式衛(wèi)星信號采用的標(biāo)準(zhǔn) MPEG-2 多媒體和HDTV采

15、用的標(biāo)準(zhǔn) MPEG-4 適用于窄帶視頻會議 Important Idea 兩個(gè)連續(xù)的幀有比較小的差別。 MPEG 處理的是相鄰幀中的額外冗余。61 壓縮方法 發(fā)送一個(gè)基礎(chǔ)幀，然后找出相鄰幀與它的差別，然后對差別信號進(jìn)行壓縮和傳遞。接收端能夠根據(jù)接收到的基礎(chǔ)幀和差別信號還原。 Important concept I-frame: 基礎(chǔ)幀, 必須周期性傳送 P-frame: 采用 運(yùn)動補(bǔ)償預(yù)測技術(shù)計(jì)算差別信號并且對其編碼 B-frame: 對I幀和P幀進(jìn)行插值得到B幀，然后插入到I幀和P幀中進(jìn)行傳遞623.5 復(fù)用技術(shù) 多路復(fù)用 通過一條數(shù)據(jù)鏈路傳輸多路信號的技術(shù) 意義： 充分利用傳輸介質(zhì)的高帶寬

16、，降低通信成本 (figure 3.36) 實(shí)現(xiàn)用戶設(shè)備到高速網(wǎng)絡(luò)的低速接入 (figure 3.37)63復(fù)用系統(tǒng)的設(shè)備多路復(fù)用器 (MUX)多路解復(fù)用器 (DEMUX) 復(fù)用技術(shù)類型復(fù)用FDMTDMWDM同步TDM統(tǒng)計(jì)TDM641 頻分復(fù)用（FDM）每對設(shè)備使用不同的載波頻率信道劃分是通過頻率而不是空間劃分實(shí)現(xiàn)的 復(fù)用條件 鏈路帶寬大于要傳輸?shù)乃行盘枎捴?載波頻率之間的頻率差必須能容納調(diào)制信號帶寬 信道之間必須由警戒頻帶分隔 解復(fù)用 采用一系列濾波器分解復(fù)合信號65 FDM 過程 復(fù)用 (figure 3.38) 解復(fù)用 (figure 3.39) 頻域分析 (figure 3.40

17、) 663.5.2 波分復(fù)用 (WDM) 不同波長的光攜帶不同的信息在同一光纖中傳輸 (figure 3.41) 必須要有足夠的警戒頻帶 稀疏波分復(fù)用 和密集波分復(fù)用 復(fù)用和解復(fù)用的實(shí)現(xiàn) 可采用光學(xué)棱鏡實(shí)現(xiàn) (figure 3.42)673.5.3 時(shí)分復(fù)用 (TDM) 系統(tǒng)將傳輸時(shí)間劃分為許多小的時(shí)間片（時(shí)隙），每臺設(shè)備占用不同的時(shí)間片 鏈路分割是時(shí)間上的而不是頻率上的。 復(fù)用條件 傳輸介質(zhì)的數(shù)據(jù)速率容量大于通信設(shè)備所需要的數(shù)據(jù)速率 兩種TDM方式 同步時(shí)分復(fù)用 統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用 (或稱異步時(shí)分復(fù)用)68 1. 同步 TDM 復(fù)用器在所有時(shí)間為每個(gè)設(shè)備分配固定的時(shí)間片，不管該設(shè)備有沒有數(shù)據(jù)要傳輸

18、 (figure 3.43) 幀 由時(shí)間片的一個(gè)完整循環(huán)組成 分配給某一設(shè)備的時(shí)間片，在一幀中的位置是固定的。 時(shí)間片的分配 全部設(shè)備速率相同，各設(shè)備在每幀內(nèi)分配一個(gè)時(shí)間片 各設(shè)備速率不同，速率高的設(shè)備分配更多的時(shí)間片 (figure add) 69 交織 一臺設(shè)備輪流發(fā)送數(shù)據(jù)到自己的時(shí)間片中的過程稱為交織 (figure 3.44) 根據(jù)傳輸速率，每個(gè)時(shí)間片內(nèi)可以傳輸1個(gè)比特/1個(gè)字節(jié)/n個(gè)比特的比特串。 缺點(diǎn) 帶寬利用率低，當(dāng)輸入線路空閑時(shí)，就會出現(xiàn)空時(shí)間片。70Example: figure 3.45 2. 統(tǒng)計(jì)TDM (STDM) 一幀的時(shí)間片數(shù)少于設(shè)備（輸入線路）數(shù)。 時(shí)間片和輸入線

19、路沒有確定的對應(yīng)關(guān)系 如果有n條輸入線路，一幀之多需要m個(gè)時(shí)間片，m200mV “1” -200mV “0” 10m/10Mbps 1000m/100kbps1043.7.5 RS485 - RS-422的增強(qiáng)版RS-485 傳輸介質(zhì): 雙絞線RS-485 通信特點(diǎn): 用雙絞線組成總線網(wǎng)絡(luò), 可連接32/64/128/256個(gè)收發(fā)器 通信模式:點(diǎn)到點(diǎn)，一點(diǎn)到多點(diǎn)，多點(diǎn)到多點(diǎn)，單工，雙工 最大速率: 32/20/10 Mbps 最大距離: 1200m,實(shí)際可達(dá) 3000m105 RS- 485 信號引腳 DI: 驅(qū)動器輸入 DE: 驅(qū)動器輸出使能. Y: 驅(qū)動器同相輸出 Z:驅(qū)動器反相輸出 RO

20、: 接收器輸出 /RE:接收器輸出使能 A: 接收器同相輸入 B:接收器反相輸入 RS- 485 網(wǎng)絡(luò)(figure 3.61) 僅需用雙絞線，將各收發(fā)器的 A、B、Y、Z 同名端相連并接上終端匹配電阻 (120)106編程實(shí)驗(yàn) 3RS-232 雙工串行通信編寫 VB 或VC程序 在DTE三線連接方式下，在2臺PC機(jī)之間進(jìn)行聊天式的通信。設(shè)置發(fā)送/接收窗口，發(fā)送/接收的信息分別在相應(yīng)窗口顯示。 107Figure 3.1Twisted-Pair Cable108Figure 3.2Unshielded Twisted-Pair Cable109UTP performance110Figure

21、3.3UTP Connectors111Shielded Twisted-Pair CableFigure 3.4112Coaxial CableFigure 3.5A113BNC connectorsFigure 3.5B114Coaxial cable performance115Fiber constructionFigure 3.6A116Figure 3.6BOptical fiber117Figure 3.6CModes118Fiber-optic cable connectorsFigure 3.6D119Fiber typesFigure 3.6E120Optical fibe

22、r performanceFigure 3.6F121Radio Communication BandFigure 3.7122Figure 3.85 Types of Propagation123Figure 3.9 3.10 ( surface troposphere )124Figure 3.11 3.12 line of sight125Satellite CommunicationFigure 3.13 space126Figure 3.14Attenuation127Figure 3.15Transmission SystemV1I1P1Research on DecibelI2P

23、2V2RL128Figure 3.16129Figure 3.17Phase Distortion 130Figure 3.18Noise Interfere 131Figure 3.19132Spread spectrumFigure 3.20133DSSSFigure 3.21134DSSS example135Frequency hopping spread spectrum (FHSS)Figure 3.22136Frequency selection in FHSS137FHSS cycles and bandwidth138Figure 3.23139Figure 3.20Simp

24、lex140Figure 3.21Full-Duplex141Figure 3.22Half-Duplex142Parallel TransmissionFigure 3.23143Serial TransmissionFigure 3.24144Asynchronous transmissionFigure 3.25145Figure 3.26146Synchronous transmissionFigure 3.27A147Figure 3.27BFrame of Synchronous Transmission148Figure 3.28149Figure 3.29150Figure 3

25、.30Droot151Figure 3.31Run-length-encoded streamStream prior to compression152Figure 3.32Relative Encoding63835 0 0 1 06153Figure add.Three Phases of JPEG154Figure 3.33155Figure 3.34a156Figure 3.34b157158Figure 3.35159Figure 3.36No Multiplexing VS Multiplexing4 path160Figure 3.37Hign speed net161Figu

26、re 3.38FDM, Time DomainMultiplexer162Figure 3.39Demultiplexing, Time DomainDemultiplexer 163Figure 3.40Multiplexing, Frequency Domain164Figure 3.41WDMWDM12345616123456Multiplexer Demultiplexer WDM165Figure 3.42Prisms in WDM166Figure 3.43Synchronous TDM167168Figure 3.44TDM, Multiplexing169Figure 3.45

27、Asynchronous TDM170Figure 3.46Frames and Addressesa. Only three lines sending data171Figure 3.46-continuedb. Only four lines sending data172Figure 3.46-continuedc. All five lines sending data173Figure 3.47E-1 Line174Figure 3.48High Hierarchy TDM175Figure 3.49Bands for ADSLPOTSUpstreamDownstream0-25K

28、Hz25-200 KHz250-1000 KHz176Figure 3.50DMT177Figure 3.51ADSL Modem178Figure 3.52Insert direction frequency179Figure 3.53 Get out timing signal180Figure 3.54181182183MS1S2S6S3S4S5Figure 3.55184Figure 3.56185Figure 3.57DTEs and DCEs186a. 單線非平衡線路b. 雙線非平衡線路c. 雙線平衡線路187188Figure 3.58Functions of pins in E

29、IA-232,DB-9189190191Figure 3.59EIA-232 Applications(a)(b)(c)DTEDTE192193Figure 3.60DB-15 Connector194195CategoryBandwidthMax. Data RateDigital/AnalogUse1very low 100 kbpsAnalogTelephone2 2 MHz4 MbpsAnalog/digitalT-1 lines3 16 MHz 10 MbpsDigitalLANs4 20 MHz 16 MbpsDigitalLANs5 100 MHz 100 MbpsDigitalLANs6 (draft) 200 MHz 1000 MbpsDigitalLANs7 (draft) 600 MHz 10000 MbpsDigitalLANsTable add.Categories