二章節(jié)數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)課件

1、第二章 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)2.1 通信系統(tǒng)和數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)2.2 數(shù)據(jù)通信方式2.3 傳輸介質(zhì)2.4 數(shù)據(jù)編碼技術(shù)2.5 數(shù)據(jù)復(fù)用技術(shù)2.6 數(shù)據(jù)交換技術(shù)2.7 數(shù)據(jù)通信服務(wù)參考資料：數(shù)字通信桑林編著 北京郵電大學(xué)出版社0課件網(wǎng)址http:/docs/network1數(shù)據(jù)通信概述數(shù)據(jù)data有意義的實體。數(shù)據(jù)是事物的形式，信息是數(shù)據(jù)的內(nèi)容。信號 signal數(shù)據(jù)的載體，一般為電磁波或電脈沖。可分為模擬信息與數(shù)據(jù)信號。信源與信宿信源：數(shù)據(jù)源，發(fā)出待傳送信息的設(shè)備；信宿：接收傳輸信息的設(shè)備2數(shù)據(jù)通信概述發(fā)送設(shè)備使信源與信道相匹配的信號變換設(shè)備接收設(shè)備完成發(fā)送設(shè)備的反變換（解調(diào)/譯碼/解密）信道 Chann

2、el傳送信息的媒體。（干擾/噪聲/衰減）分為數(shù)字信道和模擬信道3通信系統(tǒng)概念模型信道通信系統(tǒng)發(fā)送信號接收信號發(fā)送設(shè)備接收設(shè)備信宿信源4通信系統(tǒng)分類模擬通信系統(tǒng) / 數(shù)字通信系統(tǒng)基帶傳輸系統(tǒng) / 調(diào)制傳輸系統(tǒng)PCM：Pulse Code Modulation, 脈沖編碼調(diào)制數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)除利用模擬信號傳輸模擬數(shù)據(jù)的通信方式的其它數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)數(shù)字信號的模擬傳輸 / 數(shù)字信號的數(shù)字傳輸 / 模擬信號的數(shù)字傳輸5數(shù)據(jù)通信舉例聲音A/DD/A電話系統(tǒng)數(shù)據(jù)信號傳輸信號數(shù)據(jù)信源信宿6數(shù)據(jù)通信定義將攜帶信息的數(shù)據(jù)從信源（發(fā)送方）傳輸?shù)叫潘蓿ń邮辗剑Ｔ诎l(fā)送方將數(shù)據(jù)處理成適于信道傳輸?shù)男盘栐谛诺乐袀鬏斝盘柨煽啃钥?/p>

3、速性保密性在接收方從信號中恢復(fù)數(shù)據(jù)74 通信系統(tǒng)的性能指標1 有效性：使用信息速率和碼元速率表示。比特率(bps)與波特率(baud)的關(guān)系01072電平，每個信號攜帶信息量為1比特。8電平，每個信號攜帶信息量為3比特。如果：波特率為B，電平數(shù)為V，則比特率為：b = B log2V82 可靠性：傳輸信息的質(zhì)量模擬通信系統(tǒng)用信噪比衡量(信噪比：db 分貝）數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)用錯誤率衡量誤比特率 Pb : 錯誤比特數(shù)/傳輸總比特數(shù)誤碼元率P s : 錯誤碼元數(shù) / 傳輸總碼元數(shù)3 適應(yīng)性：使用時的環(huán)境條件4 經(jīng)濟性：分攤到每一個用戶的成本（銥星系統(tǒng)）5 保密性：系統(tǒng)對所傳信號的加密措施6 標準性：接口

4、、結(jié)構(gòu)及協(xié)議合乎國家、國際標準7 維護性：是否維修方便8 工藝性：各種工藝要求92.2 通信系統(tǒng)的性能指標數(shù)字信道和模擬信道10模擬信號振幅：波形信號強度的度量頻率：波形重復(fù)的頻度相位：該波形相對于參照波形信號的位置關(guān)系11數(shù)字信號12信道分類模擬信道適于模擬信號傳輸模擬信號：時間和幅度連續(xù)數(shù)字信道適于數(shù)字信號傳輸數(shù)字信號：時間和幅度離散模擬信號數(shù)字信號時間時間幅值幅值133.1.3 信道容量信道帶寬：信道所能傳送電磁波的有效頻率范圍。人耳 20 20 000 Hz 數(shù)據(jù)傳輸速率：信道每秒能傳輸?shù)亩M制位數(shù)，bps(比特每秒) ，Kbps Mbps Gbps信道最大傳輸速率（信道容量）與信道的

5、帶寬有直接聯(lián)系14傅里葉變換與頻譜分析信道上傳輸?shù)碾姶挪ㄐ盘柨蓪⑵浔硎境扇舾蓚€正弦/余弦函數(shù)之和的形式。 其頻率為f, 2f , 3f , . . . , mf 信道的帶寬限制,只能傳輸f,2f,3f,., nf的頻率當(dāng)m n 時只有部分諧波通過，高于nf的頻率被丟棄。 g(t)= c/2 + an sin(2nft) + bn cos (2nft) （1）式 i =1 i =115帶寬和數(shù)據(jù)率的關(guān)系1次和 3次諧波 1,3 和5次諧波1,3,5 及7次諧波 全部諧波結(jié)論：限制了帶寬，就限制了數(shù)據(jù)率16信道帶寬一定的情況下：數(shù)據(jù)傳輸速率越高, f 越大, 信道所能通過的諧波數(shù)就越少，信號失真就

6、大，直到信息無法識別為止17奈奎斯特(Nyquist)抽樣定理定義在理想的無噪聲信道，若 f 是傳輸媒體的最大傳輸頻率, 采樣頻率為2*f 時，接收方才可以從采樣脈沖信號中完全 恢復(fù)原信號對有限帶寬（截止頻率為） fc 的信號進行時間抽樣，如果采樣頻率 fs 的選擇滿足以下條件：fs 2 fc 則此抽樣信號可以唯一恢復(fù)。18無噪音信道的最大傳輸速率由抽樣定理：fs 2 fc 由信道對信號的限制：fc B信號頻率大于B的成分會被信道過濾掉選擇 fs 2B無意義信道帶寬B：B = fs 信道容量C ：C = 2B log2 V (bps)注: lb 表示 log21901072電平，每個信號攜帶信

7、息量為1比特。8電平，每個信號攜帶信息量為3比特。果：波特率為B，電平數(shù)為V，則比特率為：b = B log2V2021不論信號的電平V是多少，當(dāng)考慮信道噪聲干擾時，信道的最大傳輸速率由信道的帶寬和信噪比決定。Shannon公式Cmax = B log2 V（1 + S/N） (bps)S/N是信號與噪聲的功率之比，單位dB。采用 10 lg S/N 單位為分貝香農(nóng)(Shannon)定理有噪音信道的最大傳輸速率223.2數(shù)據(jù)通信方式并行與串行傳輸異步傳輸與同步傳輸連接方式基帶與頻帶傳輸23通信線路的連接方式點到點連接方式分支連接方式集線連接方式24并行與串行傳輸發(fā)送方接收方發(fā)送方接收方數(shù)據(jù)線并

8、行串行數(shù)據(jù)線25信道的通信方式據(jù)信號在通信線路上的傳方向，數(shù)據(jù)通信方式有：單工通信半雙工通信全雙工通信26單工（simplex）“單工” 發(fā)送方 接收方2線環(huán)回地線做回路信息只能單方向傳輸 發(fā)送方 接收方27半雙工（half-duplex）2線發(fā)送方/接收方發(fā)送方/接收方雙向交替通信28全雙工（duplex）雙方可同時收發(fā)信息“ A Phone Conversation”292.數(shù)據(jù)的傳輸方式基帶傳輸：信道上原封不動地傳輸0或1的數(shù)字脈沖信號。傳輸線中的電容電感對信號波形衰減影響大距離頭端）高頻用于出境（頭端-PC）雙電纜系統(tǒng)單電纜系統(tǒng)寬帶同軸電纜系統(tǒng)462. 雙絞線(Twisted Pair

9、)內(nèi)導(dǎo)體芯線絕緣箔屏蔽銅屏蔽外套47屏蔽雙絞線 (STP) 非屏蔽雙絞線 (UTP)以箔屏蔽以減少 干擾和串音雙絞線外沒有任何附加屏蔽 (3類、5類)48UTP長距離的并行導(dǎo)體中傳輸信號會產(chǎn)生串?dāng)_（相鄰線對間的信號干擾）嚴格控制導(dǎo)體絞距3.8cm14cm相鄰線對絞距差1.27cm以上3類線/5類線/超5類線/6類線49UTP的優(yōu)點優(yōu)點：輕便，節(jié)省空間，容易安裝平衡傳輸，避免外界干擾線對間串?dāng)_小支持高速數(shù)據(jù)應(yīng)用標準化和開放性，適用于結(jié)構(gòu)化綜合布線503. 光纖(Fiber Optics)依靠光波承載信息高傳送速率，通信容量大傳輸損耗小，適合長距離傳輸抗干擾性能好，保密性好輕便51折射定律媒體2

10、媒體1qi入射qr反射qt折射qi = 入射角qr = 折射角qt = 反射角當(dāng)光由折射率較大的光密介質(zhì)以某一入射角射向折射率較小的光疏介質(zhì)時，如果入射角大于某一特定的值，會發(fā)生全反射現(xiàn)象。52光纖傳送模式多模階躍光纖輸入電信號多模緩變光纖單模光纖 波長 : 1300,1550 nmh2h1h1h2波長 : 850,1300 nmh2h1芯/封套特性輸出電信號光纖的直徑減小到一個光波波長53典型的光纜玻璃封套塑料外套玻璃內(nèi)芯單芯光纜多芯光纜玻璃內(nèi)芯塑料外套玻璃封套外殼54剖面結(jié)構(gòu)芯封套外套加強芯光纖外鞘加強芯光纖束55光源1200-1600 nm500-1000 nmLED半導(dǎo)體激光光纖傳輸系

11、統(tǒng)的組成：光源、傳輸媒體、光接收器56多模光纖：短距離中心玻璃芯較粗(50或62.5m)，可傳多種模式的光。但其模間色散較大，這就限制了傳輸數(shù)字信號的頻率，而且隨距離的增加會更加嚴重單模光纖：長距離中心玻璃芯很細(芯徑一般為9或10m)，只能傳一種模式的光。因此，其模間色散很小，適用于遠程通訊，但還存在著材料色散和波導(dǎo)色散，這樣單模光纖對光源的譜寬和穩(wěn)定性有較高的要求，即譜寬要窄，穩(wěn)定性要好57光纖的特性不會泄漏信號，不易受外界的信號干擾不易分支，常用于點對點鏈路584. 無線媒體使用電磁波無需物理連接適用于長距離允許設(shè)備移動無線傳輸媒體有兩類：定向的和全方位的59幾種媒體的傳輸頻帶雙絞線電話

12、業(yè)務(wù)同軸電纜AM 無線電FM 無線電和 TV地面微波接力 光纖衛(wèi)星1021031041051061071081091010101110121013101410151016無線電紅外線紫外線可見光微波 Hz60無線電(Radio) 全方位固定終端點（基站）和終端之間是無線鏈路頻率：3kHz - 300GHzBS基站 用戶計算機和終端BS基站覆蓋的無線電區(qū)域F2F3F1F2F3F1F2F3F1F2F2F3F1F1, F2, F3 = 使用的頻率61地面微波接力 (Microwave)兩個地面站之間傳送距離：50 -100 km；頻率：2G -40GHz依賴于天氣和頻率應(yīng)用：長距離傳輸話音和電視信號

13、；大廈之間LAN互連地球地面站之間的直視線路 微波傳送塔62通信衛(wèi)星：微波中繼站使用微波使用轉(zhuǎn)發(fā)器接收和轉(zhuǎn)發(fā)可支持點到多點傳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 應(yīng)用：傳輸電視信號、遠距離話音傳輸、組建專用網(wǎng)63地球同步衛(wèi)星與地面站相對固定位置使用3個衛(wèi)星覆蓋全球36,000公里地球64紅外線(Infrared)和毫米波 (Millimeter Waves)用于短距離通信，如電視、錄象機等的遙控也可用于無線LAN缺點：不能

14、穿透固體光波(lightwave)傳輸 應(yīng)用：在屋頂用激光連接兩個建筑物的LAN 缺點：不能穿透雨和濃霧，易受天氣影響選擇傳輸媒體要考慮的因素：價格、帶寬/數(shù)據(jù)率、傳輸距離65常用傳輸媒體的比較傳輸媒體雙絞線50 同軸電纜 75 同軸電纜 光纖 短波 衛(wèi)星地面微波接力 遠距離速率模擬：300-3400Hz數(shù)字：4Mbps 10Mbps 300-450MHz 2Gbps幾十-幾百bps 2-40GHz 500MHz 傳輸距離 性能 價格 應(yīng)用 應(yīng)用示例5-6公里2-3公里 1-10公里 100公里 10-100公里 全球 幾百公里 一萬八千公里 可以 較好 較好 很好 很好 很好 較差 很低 很

15、低 較低 較高 較高 與距離無關(guān)衛(wèi)星及火箭造價較高 用戶環(huán)線 LAN LAN CATV 模擬傳輸數(shù)字傳輸 數(shù)字 模擬、數(shù)字 遠距離傳輸 遠程、低速通信 遠程通信 遠程通信 主干網(wǎng)、長話 廣播 長話、電視 數(shù)據(jù)、電視662.4 數(shù)據(jù)編碼技術(shù)2.4.1 數(shù)字數(shù)據(jù)的調(diào)制編碼調(diào)幅調(diào)頻調(diào)相載波67數(shù)字數(shù)據(jù)的信號編碼編碼的必要性直流分量為零含有時鐘分量或經(jīng)過簡單變換就含有位定時時鐘分量具有一定的誤碼檢測能力設(shè)備的經(jīng)濟性68基帶數(shù)字信號的編碼方法 時鐘不歸零制NRZManchester曼徹斯特編碼差分曼徹斯特編碼Manchester01001100011位間為時鐘位中間跳變低到高為0高到低為1位中為時鐘位間

16、跳變?yōu)?無跳變?yōu)?69模擬數(shù)據(jù) - 數(shù)字信號采樣編碼模擬數(shù)據(jù)數(shù)字信號時間量化幅值量化采樣間隔Ts 2 fc數(shù)字信道解碼恢復(fù)模擬數(shù)據(jù)數(shù)字信號數(shù)字信號模擬數(shù)據(jù)量化703.5 數(shù)據(jù)復(fù)用技術(shù)多路復(fù)用（Multiplexing）概念多個信號同時占用信道進行數(shù)據(jù)傳輸多路復(fù)用方式的分類71多路復(fù)用方式的分類頻分復(fù)用FDM ( Frequency Division Multiplexing)波分復(fù)用WDM( Wavelength DM)時分復(fù)用TDM( Time DM)碼分復(fù)用(CDMA)723.5. 1 頻分復(fù)用多路復(fù)用器多路解復(fù)用器數(shù)據(jù)1數(shù)據(jù)2數(shù)據(jù)3數(shù)據(jù)4數(shù)據(jù)1數(shù)據(jù)2數(shù)據(jù)3數(shù)據(jù)4f1f2f3f4 信道帶寬

17、f 信道頻譜 模擬信道73頻分復(fù)用舉例數(shù)據(jù)頻譜（話音）信號頻譜（相互隔離，共用信道）f1 f2 f3 f3 f f 3KHz4KHz分配給一路話音的帶寬一路話音的帶寬743.5.2 時分復(fù)用多路復(fù)用器多路解復(fù)用器數(shù)據(jù)1數(shù)據(jù)2數(shù)據(jù)3數(shù)據(jù)4數(shù)據(jù)1數(shù)據(jù)2數(shù)據(jù)3數(shù)據(jù)4Byte1Byte2Byte3Byte4 時間 t 信號的幀數(shù)字信道0101001111000110111100000101000075時分復(fù)用舉例電話系統(tǒng)用戶本地電話系統(tǒng)（local）電話主干系統(tǒng)(backbone)數(shù)字主干線路T1E1SONET/SDH76用戶本地電話系統(tǒng)舉例ModemModem編碼解碼器時分復(fù)用器至主干T1載波電話端

18、局用戶系統(tǒng)PCM數(shù)字數(shù)據(jù)模擬信號數(shù)字信號fs= 8KHz77電話主干系統(tǒng)舉例時分復(fù)用時分復(fù)用時分復(fù)用24路話音PCMT1T2T3 1.544Mbps6.312Mbps46.304Mbps78T1載波幀格式最大傳輸速率 = 位數(shù)/幀 * 采樣頻率fs = （1+8*24）* 8000 = 1.544 (Mbps) 分幀位控制位7654321* 24 （對應(yīng)24路話音）數(shù)據(jù)位798位同步*30 （對應(yīng)30路話音）E1載波8位信令8位數(shù)據(jù)803.5.3 統(tǒng)計時分復(fù)用ABCD待發(fā)數(shù)據(jù)t1 t2 t3A1B1C1D1C2D2A2B2周期1周期2同步 TDM帶寬浪費A1B1C2B2周期1周期2統(tǒng)計TDM可用帶寬81碼分復(fù)用CDMA所有用戶使用同一頻率需要有足夠多的地址碼地址碼需要完全同步使用擴展頻譜(擴頻)技術(shù)82各地址碼要求兩兩正交內(nèi)積為0A:00010 B:11000 C: 00101 碼片A站向B站發(fā)數(shù)據(jù)1: 11000 發(fā)零則為反碼833.5.4 波分復(fù)用與頻分復(fù)用概念相同，