物理层之1通信技术基础.ppt

通信技术基础,通信系统：模型、类型,数据：类型,信号：类型 调制方式：脉冲调制PCM; 正弦波调制：调幅、调频、调相,信道：基本指标概念：带宽;信号/数据船速速率；信道容量；误码率 多路复用技术：FDM、TDM、WDM、CDMA 数据传送方式 ： 单工、半双工、全双工,交换技术：电路交换 存储交换 报文交换 分组交换,数据通信基本方式：串行通信、并行通信,通信技术基础：通信系统模型,通信：人与人之间或客体与客体之间的信息传递和交流,通信系统模型,信源： 信号的产生者,信宿： 信号的接收者,信道： 信号传输的媒体及相关设备(如放大器、中继器等),噪声源：信道中对信号产生干扰的噪声以及通信系统中其它 各处的噪声,变换器与反变换器,信源编码部件：原始信号中包含的信息量大,多数有冗余,信道编码部件：减少信息传输中的差错,增强抗干扰能力,加密部件：如果希望通信是保密的,调制器：将编码后的数字信号转换成适于信道传输的模拟信号,通信系统模型,通信技术基础：通信系统模型,数字信号在传输中往往由于各种原因，使得在传送的数据流中产生误码，从而使接收端产生图象跳跃、不连续、出现马赛克等现象。 信道编码的任务是采用合适的调制方式和纠错方法，提高数据传输效率，降低误码率。本质是增加通信的可靠性。 通过信道编码对数码流进行相应的处理，使系统具有一定的纠错能力和抗干扰能力，从而极大地避免码流传送中误码的发生。 误码的处理技术有纠错、交织、线性内插等。,QAM（正交幅相调制）,信源编码为了提高传输效率 信源编码为了提高信息传输可靠性,通信技术基础：通信基本概念,通信系统 在信道上 用信号来传输 数据,通信技术基础：通信基本概念,数据：载荷信息的物理符号或有意义的实体 模拟数据：在某个区间取连续值的数据 数字数据：在某个区间取离散值的数据,信号：数据的电磁波或电编码，是数据的具体表示形式 模拟信号：信号的幅度随时间而连续变化的信号 电话、传真、电视信号都是模拟信号 数字信号：信号幅度在每一时刻只可能是离散有限值的信号 如莫尔斯电报码,信道：信号传输的媒体及相关设备(如放大器、中继器等)。 可以是一条专线(双绞线、同轴电缆、光纤)； 也 可以是一个交换网络(模拟电话网、数字数据网DDN)； 还可以是无线的(微波信道、卫星信道)。 数字信道：以数字脉冲形式(离散信号)传输数据的信道 模拟信道：以连续模拟信号形式传输数据的信道,通信技术基础：通信基本概念,数据传输：模拟传输和数字传输,通信技术基础：数据传输方式,模拟通信系统：通过通信线路来传输模拟信号的通信系统 数字通信系统：通过通信线路来传输数字信号的通信系统,信道上传送的信号分基带信号，频带信号。 基带传输、频带传输 基带传输：不需调制，编码后的数字脉冲信号直接在信道上传送。 仅适宜于近距离和速度较低的通信 例如：近距离局域网采用基带传输，如以太网 频带传输：数字信号需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,宽带传输：数字信号需调制成频带为几十MHZ到几百MHZ的模拟信号后再传送，接收方需要解调。 各路信号不会互相干扰，而且提高了线路的利用率。长距离通信 例如：闭路电视的信号传输； 宽带局域网所传输的信号都是经过调制后的模拟信号。,通信技术基础：数据传输方式,1、带宽H 信号占据的频率范围，称为信号的带宽。 信道带宽是指在该通信线路上能不失真地传送信号的频率范围。,带宽是通信信道的宽度，是信道所能传输信号的频率上界与下界之间之差。是介质传输能力的度量，在传统的通信工程中通常以赫兹（Hz）为单位计量。,通信技术基础：几个主要指标,2、信号传输速率B /码元速率/调制速率/波形速率符号速率 单位时间里传送信号波形的个数，单位为波特。,通信技术基础：几个主要指标,尼奎斯特(H.Nyquist)定理(无噪声信道) 在具有理想低通矩形特性的信道中，码元传输的最大速 Bmax等于该理想低通信道的带宽H的两倍:Bmax=2H 例：1个无噪声的3kHz信道不能以高于6,000b/s的速率传输。,3、数据传输率/比特率 单位时间里传送二进制数据的位数，单位b/s、Kb/s、Mb/s，简写位bps、Kbps、Mbps。 数据传输率和信号传输速率的关系： S=Blog2L,S 数据传输率， B信号传输速率 L 信号取值的个数,通信技术基础：几个主要指标,4、信道容量C,理想信道 Nyquist定理： Cmax=2Hlog2L（bps）,L 最大数据率 (C) 2 6000 bps 4 12000 bps 8 18000 bps 16 24000 bps,话音级线路的信道容量计算 (3000 Hz),信道容量用来表征一个信道传输数字信号的能力，它以数据传输速率作为指标，即信道所能支持的最大数据传输速率。,通信技术基础：几个主要指标,有噪声信道香农(Shannon)的改进(随机高斯噪声信道) 因为Nyquist没有考虑噪声，如有则情形会急剧改变。 信噪比(signal-to-noise ratio):信号功率与噪声功率之比。如用S表示信号功率，N表示噪声功率，则信噪比为S/N，习惯用S/Ndb = 10 log10 S/N表示，单位为dB(分贝)。 香农公式：任何带宽为H(Hz)，信噪比为S/N的信道，其最大数据传输速率C=Hlog2(1+S/N)（bps） 例：一条带宽为3,000Hz，信噪比为30dB的信道，不管用多大采样频率，决不能以大于30,000b/s的速率传输数据。 3000 log2(1+10(30/10),通信技术基础：几个主要指标,转换问题：lg2=0.301 Log2y=(lgy)/(lg2),C=Hlog2(1+S/N)（bps） 结论: H一定，理想信道，N增加, S增加 噪声信道，S/N 增加，C增加 计算理想信道和有噪声信道两种情况，取小值。,通信技术基础：几个主要指标,5、误码率,传错的位数 误码率Pe = - = Ne / N 传送的总位数,Cmax=2H1+Pelog2Pe+(1-Pe) log2 (1-Pe) ,误码率是衡量数据通信系统在正常工作情况下传输可靠性的指标，它定义为传输出错的码元数占传输总码元数的比例。,通信技术基础：几个主要指标,多路复用技术,FDM (频分复用),WDM (波分复用),TDM (时分复用),CDMA (码分多址),DEMUX,复用器,解复用器,共享信道,复用：共享使用公共信道,采用多路复用技术，可以将多路信号组合在一条物理信道上进行传输，到接收端再用专门的设备将各路信号分离开来，极大地提高了通信线路的利用率。,1.频分多路复用FDM,当信道带宽大于各路信号的总带宽时，可以将信道分割成若干个子信道，每个子信道用来传输一路信号，这就是频分多路复用（Frequency Division Multiplexing,FDM)。,2.时分多路复用TDM,D3,D2,D1,当信道能达到的数据传输率大于各路信号的数据传输率总和时，可以将使用信道的时间分成一个个的时间片，按一定规则将这些时间片分配给各路信号，每一路信号只能在自己的时间片内独占信道进行传输，这就是时分多路复用（Time Division Multiplexing,TDM)。,同步TDM和统计TDM,数字载波标准,T-标准 北美、日本 E-标准 欧洲、中国、南美,T1 载波系统,PCM,PCM,PCM,PCM,PCM,PCM,MUX,DEMUX,DS-1 frame,DS-1 帧,channel #1,channel #2,. . . . . . .,channel #24,定帧位,193 bits,数据率 = (24x8 +1 bit)/125 ms = 1.544 Mbps,8 bit,125 ms,E1-帧,125 ms = 32 时隙 = 2.048 Mbps,帧同步,信令信道,30 话音信道+2 控制信道,3.波分多路复用WDM,F2,F1,F3,光谱,共享光纤,采用无源设备，更可靠,波分多路复用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）是FDM应用于光纤信道的一个变例。不同的信源使用不同波长的光波来传输数据，各路光波经过一个棱镜或衍射光栅合成一个光束在光纤干道上传输，在接收端利用相同的设备将各路光波分开。,4.码分多址CDMA,（Code Division Multiple Access，CDMA），在CDMA中，每个比特时间又再分成m个码片，每个站分配一个唯一的m比特码序列，当某个站欲发送“1”时，它在信道中发送它的码序列，当欲发送“0”时，它就发送它的码序列的反码。,通信技术基础：数据传送方式,单工方式/单向通信只允许数据按照一个固定的方向传送，即一方只能作为发送站，另一方只能作为接收站。 无线广播、电视广播 半双工方式/双向交替通信数据能从A站传送到B站，也能从B站传送到A站，但是不能同时在两个方向上传送，每次只能有一个站发送，另一个站接收。通信双方可以轮流地进行发送和接收。课堂上的师生交流 全双工方式/双向同时通信允许通信双方同时进行发送和接收。这时，A站在发送的同时也可以接收，B站亦同。全双工方式相当于把两个方向相反的单工方式组合在一起，因此它需要两条传输线 。电话,调制：利用载波信号的一个或几个参数的变化来反映数字信号的一种过程。 脉冲调制： 以脉冲串作为载波进行的调制 正弦波调制：以正弦高频信号作为载波进行的调制 调幅、调频、调相,易受干扰的影响，只适合低速率数字信号传输。,抗干扰能力强，但频带利用率不高，只用于低速传输。,占用频带窄，抗干扰性能好，可高速率传输。,通信技术基础：信号调制方式,通信技术基础：脉冲编码调制PCM,把模拟信号转换成数字信号，再在信道上进行数字传输,采样：每隔一定时间间隔读取连续变化信号的振幅值的过程 以两倍模拟信号最高频率取样，就可利用采样后的结果准确复现原来的模拟信号。,量化：将取样点处测得的信号幅值进行分值取整的过程 将振幅值划分为若干个小区段，再读取这些区段的个数。经过量化，取样所得的连续值就成为了离散值。,编码：将量化后的值用一组二进制代码表示的过程 量化分级越多，所需编码的位数也越多，误差也就越小。,时间上不再连续,幅值上不再连续,差分脉冲编码调制DPCM 目标：用更少的比特数进行编码，压缩数据量。 原因：对变化缓慢的话音信号，相邻两次取样值不会相差太大，不必输出数字话的幅度本身，而只需输出本次和前一次取样值的差就行了。,采样：每隔一个时间间隔，在模拟信号的波形上取一个幅度值，将时间上的连续信号变成时间上的离散信号。 采样周期：采样时间间隔 采样频率；单位时间内采样次数，1/周期 频率越高，既采样周期越短，单位时间内得到的数据越多，对声音的表示越精确，但所占空间越大。,采样定理：采样频率高于信号最高频率的两倍，就可以从采样中完全恢复原始信号的波形。（奈奎斯特采样定理）,Nyquist理论,在理想的无噪声信道，若 f 是传输媒体的最大传输频率, 采样频率为2*f 时，接收方才可以从采样脉冲信号中完全恢复原信号 Nyquist, 1920,采样示意图,t,0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10,600 500 400 300 200 100,量化：将采样后的信号按整个声波的幅度划分为若干个区段，把落入某区段的样值归为一类，并赋予相同的量化值。 量化位数：用8位或16位等二进制方式，将幅度分割。既一般所说声卡的位数。 若用8位二进制分割，则分为256个区； 若用16位二进制分割，则分为毋65536个区； 位数越多，声音质量越高，当然所占空间越大。 同样，在相同量化位数下，采样频率越高，声音质量越好。,量化示意图(8位),按8位精度量化：振幅0600，分为28=256个阶距，每个阶距为600/2562.4，即在2.4振幅之内的数都转化为同一二进制数。,量化示意图(8位),量化示意图(16位),按16位精度量化：振幅0600，分为216=65536个阶距，每个阶距为：600/65536 0.0092，即在0.0092振幅之内的数都转化为同一二进制数。,量化示意图(16位),还原示意图,比 较,8位量化精度：振幅落在2.4范围内的都将量化为同一个二进制数,16位量化精度：振幅落在0.0092范围内的都将量化为同一个二进制数,一个阶距是2.4，另一个阶距是0.0092，显而易见，后一个比前一个精度要高，其声音还原的比前一个要好。,一个位数是8，另一个位数是16，后一个比前一个占用的空间要大,数据量,数据量计算公式： (采样频率采样精度声道数) 数据量时间 8 1分钟双声道录音量,编码：按一定的格式将离散的数字信号记录 下来，并在数据的前、后加上同步、纠错等控制信号，称为编码。编码有一定格式标准。 编码后的数据要进行压缩，以减少数据量,通信技术基础：编码技术,单极性码，是指在每一个码元时间间隔内，有电流（电压）表示二进制“1”，无电流表示二进制“0”。 双极性码是指在一个码元时间间隔内，发正电流（电压）表示二进制“1”，发负电流表示二进制“0”。,单极性码与双极性码,归零码与不归零码,不归零码是指在一个码元的全部时间内，电压保持恒定，这种码又称全宽码。 归零码是指在一个码元的时间内，非零电压的持续时间小于一个码元的时间，即在一个码元的后半部分时间内，电压总是归于零的。,通信技术基础：编码技术,曼彻斯特编码 “0”:前低后高； “1”:前高后低。 比特持续时间中间有一次电平跳跃(同步),差分曼彻斯特编码 “0”:开始处有电平跳跃； “1”:开始处无电平跳跃。 比特持续时间中间有一次电平跳跃(同步),通信技术基础：编码技术,0,1,0,0,1,1,0,0,0,1,1,时钟,NRZ,Manchester,差分 Manchester,同步通信(SYNC) 异步通信(ASYNC),数据通信基本方式,串行通信,并行通信,通信技术基础：数据通信基本方式,并行通信：指利用多条数据传输线将一个数据的各位同时传送,传输速度快，适用于短距离通信 适合于短距离高速率数据传送，通常传输距离小于30米,通信技术基础：并行通信,串行通信：指利用一条传输线将数据一位位地顺序传送,通信线路简单，利用电话或电报线路就可实现通信，降低成本 适用于远距离通信，可以从几米到数千公里 数据传送效率低,在发送端和接收端需要并/串转换和串/并转换 需要实施同步措施，以确保不产生错字,通信技术基础：串行通信,串行异步通信 以一个字符为传输单位 通信中两个字符间的时间间隔是不固定的 同一个字符中两个相邻位代码间的时间间隔是固定的 传送一个字符的信息格式： 规定有起始位、数据位、奇偶校验位、停止位等,通信技术基础：异步通信, 起始位：先发出一个逻辑”0”信号，表示传输字符的开始。 数据位：紧接着起始位之后。数据位的个数可以是4、5、6、7、8等，构成一个字符。通常采用ASCII码。从最低位开始传送，靠时钟定位。 奇偶校验位：数据位加上这一位后，使得“1”的位数应为偶数(偶校验)或奇数(奇校验)，以此来校验数据传送的正确性。 停止位：它是一个字符数据的结束标志。可以是1位、1.5位、2位的高电平。 空闲位：处于逻辑“1”状态，表示当前线路上没有数据传送。,通信技术基础：异步通信,通信技术基础：同步通信,串行同步通信 以一个帧为传输单位，每个帧中包含有多个字符 每个字符间的时间间隔是相等的 每个字符中各相邻位代码间的时间间隔也是固定的,同步通信的规程有以下两种： 面向比特(bit)型规程：以二进制位作为信息单位。现代计算机网络大多采用此类规程。最典型的是HDLC(高级