第2章：数据通信基础与物理层基础.ppt

1 第2章数据通信基础与物理层 2 2 1数据通信的基本概念2 1 1信息 数据与信号1 信息 信息是对客观事物属性和特性的表征 它反映了客观事物的存在形式与运动状态 其载体可以是数字 文字 语音 视频和图像等 3 2 数据 它是关于事件的一组离散的客观的事实描述 是构成信息和知识的原始材料 数据可分为模拟数据和数字数据两大类 数据指计算机加工的 原料 如图形 声音 文字 数 字符和符号等 数据与信息的区别 数据是装载信息的载体 信息则是数据的内在含义或解释 4 3 信号 信号是数据的表示形式 如电信号 光信号 载波信号 脉冲信号等 数字信号和模拟信号在一定的条件下可以相互转换 信号有两种表示形式 模拟信号与数字信号模拟信号随时间连续变化 数字信号是离散的阶跃信号 5 4 信道 信道是信号从发送地传输到接收地的一个通路 它一般由传输介质及相应的传输设备组成 同一传输介质上可以有多条信道 多路复用信道分类 按传输介质分 可分为有线信道和无线信道 按传输信号类型分 可分为模拟信道和数字信道 6 数据通信系统模型 信道 7 2 1 2数据传输方式 按照信号类型 模拟通信 数字通信按照一次传输的数据位数 串行通信 并行通信按照信号传送的方向与时间的关系单工通信 半双工 全双工通信按照数据的同步方式 同步通信 异步通信 8 按照信道传输信号类型分 模拟通信与数字通信 数字通信系统与模拟通信系统相比有很多的优点 抗干扰能力强 无噪声积累 使用转发器而不是放大器 便于加密处理 便于存储 处理和交换 设备便于集成化 微型化 9 按照一次传输的数据位数 串行通信与并行通信 10 按照信号传送的方向与时间的关系分 单工 半双工与全双工通信 11 按照数据的同步方式分 同步通信与异步通信 同步技术 要求通信的收发双方在时间基准上保持一致 数据通信的同步分为 位同步 同步通信字符同步 异步通信 12 位同步 同步通信 位同步 要求接收端根据发送端发送数据的时钟频率与比特流的起始时刻 来校正自己的时钟频率与接收数据的起始时刻实现位同步的方法 1 外同步法2 内同步法 同步通信 多个字符一起发送 数据以稳定的比特流传输 以太网帧格式 曼彻斯特编码 BSC 13 字符同步 异步通信 字符同步 保证收发双方正确传输字符的过程 异步通信 每个字符作为独立的整体发送 字符间隔任意 14 2 2数据通信基础 数字通信系统与模拟通信系统相比有很多的优点 抗干扰能力强 无噪声积累 便于加密处理 便于存储 处理和交换 设备便于集成化 微型化 15 基带信号 在数据通信中 表示计算机二进制比特序列的矩形脉冲信号 基带传输 在数字通信信道上 直接传送基带信号的方法 基带传输是当前一种最基本的数据传输方式 一 基带传输的定义 16 二 信号的频谱特性 1 时域法 电压u与时间t的关系 p34图2 6 2 频域法 振幅E与角频率w的关系 p34图2 7a 傅立叶分析 频域法的研究工具 p33公式 矩形脉冲信号是直流分量 基波 多次谐波等无数个频谱分量的叠加 17 三 信道的截止频率与带宽 数字信号在通过某种传输介质或信道进行传输时 信号中不同的频率分量衰减的程度不同 频率较低的谐波分量衰减较小 频率较高的谐波分量衰减大一些 从而导致输出信号发生畸变把信号在经过一定距离的信道传输过程中某个分量的振幅衰减为原来的0 707时所对应的频率称为信道的截止频率 即该信道的带宽 信道的截止频率和带宽反映了信道本身固有的物理属性信道带宽越宽 信号传输的失真越小 18 a为理想情况 bcde依次为通过1248次谐波得到的信号 时域图 频域图 19 四 数据通信系统主要技术指标 数据传输速率 传输线路上信号的传输速度 它有两种表示形式 波特率 比特率波特率是指单位时间内通过信道传输的码元个数 码元是时间轴上一个信号编码单元 比特率指单位时间内通过信道传输的比特数 单位为比特 秒 简记为b s或bps 20 一个码元可能携带多个二进制数据位数 比特率R与波特率B的关系 R BM M表示一个码元携带的二进制位数 P51图2 25 21 误码率 误码率 接受的错误比特数 传输的总比特数计算机网络中 通常要求误码率低于10 9 信道延迟信道延迟是指信号从信源发出经过信道到达信宿所需的时间 它与信源到信宿间的距离及信号在信道中的传播速度有关 信道容量信道容量是指信道传输信息的最大能力 通常用信道的最大数据传输率来表示 22 信道的最大数据传输速率 奈奎斯特 Nyquist 定理香农 Shannon 定理 23 奈奎斯特 Nyquist 定理 A 前提 有限带宽无噪声的通信信道B 已知 信道带宽为H Hz 被传输信号电平分为V级 C 公式 该信道的最高数据传输率Rb为 Rb 2H log2V bps D 用途 估算已知带宽的信道最高速率 远高于实际速率E 举例 一个无噪音的信道带宽为3kHz 传输四进制 四电平 信号 它的最大传输速率为多少 24 Rb 2H log2V bps 要提高信息的传输速率 就必须设法使每一个码元能携带更多个比特的信息量 这就需要采用多元制 又称为多进制 的编码方法 25 香农 Shannon 定理 A 前提 有限带宽有噪声的通信信道B 已知 信道带宽为H Hz 信噪比为S N S表示信号功率 N表示噪声功率注意 一般信噪比以分贝的形式给出S N 10 lg S N 单位为dB 分贝 当S N 10时 转换为分贝 S N 10 lg S N dB 10 lg10dB 10dB当S N 100时 转换为分贝 S N 10 lg S N dB 10 lg100dB 20dB 26 香农 Shannon 定理 C 公式 在该信道最大数据传输速率Rb是 Rb H log2 1 S N bps 注 S N通常以分贝的形式给出 需要转换D 用途 估算有噪声信道的最大数据传输速率 该值为理论极限 只考虑了白噪声 所有频率具有相同能量的随机噪声称为白噪声 27 已知 信道带宽H为3000Hz 信噪比为30dB 则极限速率为Rb Rb H log2 1 S N 3000 log2 1 1000 3000 lg1001 lg2 3000 9 9672约等于30000bps 28 1 对于带宽为3KHz的信道 若用8种不同的物理状态表示数据 信噪比为20分贝 问按奈奎斯特定理或香农定理最大限制的数据传输速率是多少 奈奎斯特定理 Rb 2H log2V bps 香农定理 Rb H log2 1 S N bps 2 奈奎斯特定理描述了有限带宽 无噪声信道的最大数据传输速率与信道带宽的关系 对于二进制电平信号 若信道带宽B 3000Hz 则最大数据传输速率为A 300bpsB 3000bpsC 6000bpsD 2400bps 29 2 3传输介质 双绞线同轴电缆光纤无线与卫星通信信道 30 双绞线 1 传输信号类型 模拟信号 数字信号2 分类 屏蔽双绞线 STP 和非屏蔽双绞线 UTP STP价格高 安装困难 比UTP抗干扰能力强 传输速度快 防窃听 双绞线 非屏蔽双绞线和RJ 45连接器 屏蔽双绞线 非屏蔽双绞线更常用 32 非屏蔽双绞线分类举例 33 同轴电缆 根据带宽分为 基带同轴电缆和宽带同轴电缆基带同轴电缆 传输数字信号 宽带同轴电缆 传输数字信号 模拟信号 多路 34 光纤 1 工作原理 全反射 2 分类 单模光纤 多模光纤3 特点 高抗干扰性 高数据传输率 低误码率 安全保密性好 幅移键控法 35 无线介质 无线电波 微波 红外线 36 微波通信 1 地面微波 37 2 卫星通信 下载频段 3 7 4 2GHz 上传频段 5 93 6 42GHz 38 2 4数据编码技术 1 数字数据 模拟信号 2 数字数据 数字信号 3 模拟数据 数字信号 4 模拟数据 模拟信号 39 2 4 1数字数据的数字信号编码 不归零制编码曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码 数字数据信号的编码方式主要有 40 数字数据编码信号的波形 41 1 非归零码NRZ 优点 方法简单 易于实现缺点 无法判断一位的开始与结束 收发双方不能保持同步 为保证收发双方的同步 必须在发送NRZ码的同时 用另一个信道同时传送同步信号 42 2 曼彻斯特 manchester 编码 曼彻斯特编码的规则 每比特的周期T分为前T 2与后T 2两部分 通过前T 2传送该比特的反码 通过后T 2传送该比特的原码 或相反 优点 每个比特的中间有一次电平跳变 两次电平跳变的时间间隔可以是T 2或T 利用电平跳变可以产生收发双方的同步信号 曼彻斯特编码信号又称做 自含时钟编码 信号缺点 需要为每一比特编码 编码效率低 43 差分曼彻斯特 differencemanchester 编码 每个比特的中间有一次电平跳变 利用电平跳变可以产生收发双方的同步信号 差分曼彻斯特编码与曼彻斯特编码不同点主要是 每比特的值来决定每一个开始边界是否发生跳变 一个比特开始处出现电平跳变表示传输二进制0 不发生跳变表示传输二进制1 差分曼彻斯特编码是曼彻斯特编码的变种 实现相对复杂 但抗噪声能力较强 44 2 4 2模拟数据的数字信号编码 首先进行脉冲振幅调制PAM 然后进行PCM等编码调制1 采样2 量化3 编码采样定理 若采样频率大于或等于模拟信号最高频率的2倍 则采样后的离散序列就能不失真的恢复原来的模拟信号 脉冲编码调制 PCM 45 PCM用于数字语音系统 声音分为256个量化级 采样速率为8000样本 秒 数据传输速率应达到 如果每个量化级采用8位二进制编码表示 数据传输速率应达到8位 8000 秒 64kb s P48 46 2 4 3数字数据的模拟信号调制 调制 根据输入信号的取值 对载波信号的振幅 频率 相位分别或组合进行调整 获得对数字信号的编码 47 载波信号um sin 1t 0 um 振幅 1 角频率 0 相位数字数据的模拟信号调制的基本方法 幅移键控法 ASK 频移键控法 FSK 相移键控法 PSK 正交调幅 48 数字数据的模拟信号调制 49 1 幅移键控法 amplitudeshiftkeying ASK 采用改变载波信号振幅来表示1 0um sin 1t 0 数字1u t 0数字0幅移键控ASK信号实现容易 技术简单 但抗干扰能力较差 在0时串扰 50 2 频移键控法 frequency shiftkeying FSK 通过改变载波信号的频率来表示1 0um sin 1t 0 数字1u t um sin 2t 0 数字0 1 2一般是以载波频率为中心偏移移频键控FSK信号实现容易 技术简单 抗干扰能力较强 是目前最常用的调制方法之一 但受带宽限制举例 实现FSK的调制解调器 51 实现FSK的调制解调器 振荡器 52 3 相移键控法 phase shiftkeying PSK 通过改变载波信号的相位来表示1 0绝对调相 用起始相位的绝对值表示1 0um sin t 0 数字1u t um sin t 数字0相对调相 用起始相位的偏移值表示1 0 当输入1 相位角增加 当输入0 相位角不变移相键控PSK信号抗干扰能力较强 占用带宽窄 但实现较复杂 53 54 4 正交调幅 P50 设信号波特率为600Baud 采用正交调幅 振幅 相位复合调制 技术 由4种振幅和8种相位组成16种码元 则信道的数据传输速率为A 600bpsB 2400bpsC 3000bpsD 9600bps 55 2 5多路复用 multiplexing 多路复用是指在一条物理线路上同时传输多路信息目的 提高通信线路的利用效率 降低通信成本 56 多路复用分类 频分多路复用 FDM 时分多路复用 TDM 波分多路复用 WDM 码分多路复用 CDM 57 频分多路复用 FDM 原理 把传输介质的可用带宽分割为多个频段 子信道 分配给每一路输入信号 输入信号被调制成不同频率的信号 在子信道中传输 在子频段之间要留有一定的空闲频带 作为保护频带 减少各路信号之间的相互干扰 应用 适用于传输多路模拟信号 58 举例 一个标准话路300Hz 3 4KHz 取4KHz作标准带宽 接收端通过滤波器将各路信号区分 在解调至原频率 59 波分多路复用 WDM 原理 同一媒质中不同波长 或频率 的光 具有不同的折射率 波长越短 频率越高 则折射率越大不同波长的光由不同方向发射进入光纤之中 在接收端再根据不同波长的光的折射角度不同 再分解成为不同路的光信号由各个接收端分别接收 60 将8路速率为2 5Gb s的光信号波分复用 一根光纤的数据传输速率最高可以达到20Gb s 61 时分多路复用 TDM 原理 将传输线路的可用时间分成多个时间片 时隙 每个用户获得时间片 利用信道的全部带宽传输数据 应用 适用于传输数字信号 分类 同步时分多路复用 统计时分多路复用 每个输入信号周期性的占用全部带宽 62 同步时分多路复用 目前在电信网络中广泛使用 63 当某个子信道没有数据传输时 仍然占用时间片 时间片以固定的次序发放给每个信道 不考虑信道的实际需求 不需要携带目的地址 64 举例 T1载波系统 24路音频信道复用到一条线路 每一路每次传送1个字节 65 统计时分多路复用 原理 将传输线路的可用时间分成多个时间片 时隙 动态的根据每个子信道的通信需求分配时间片 需要携带目的地址 66 67 2 8物理层接口 物理层是参考模型的最低层 它建立在物理介质的基础上 作为系统和通信介质的接口 实现数据链路实体间透明的比特流传输协议 标准 规定了物理接口的各种特性 机械特性 物理连接器的尺寸 形状 规格 电气特性 信号的表示方式 脉冲宽度和频率 数据传送速率 最大传输距离等 功能特性 接口引 线 脚的功能和作用 过程特性 信号时序 应答关系 操作过程 功能 建立和拆除物理连接 位流传输 管理物理层接口 RS 232 RJ45等 010101 68 RS 232 C接口 RS 232 C是美国电子工业协会 ElectricalIndustrialAssociation 于1973年提出的串行通信接口标准 主要用于数据终端设备DTE DataTerminalEq