2数据通信基础(1).ppt

第2章数据通信基础 2 1通信系统概述通信的目的就是传递信息 通信系统模型 信息 数据和信号 信息 Information 数据 data 是信息的符号表示 模拟数据和数字数据 信号 Signal 是数据的电 电磁 光 声波等编码方式 分为模拟信号和数字信号 a 模拟信号 b 数字信号 2 1 2数据传输 1 模拟传输和数字传输按传输信号类型不同 信道可分为模拟信道和数字信道 数据通信 DataCommunication 模拟传输优点 频谱较窄 信道利用率高缺点 1 信号容易失真且难以准确恢复 2 混入噪声在信号放大过程中一起被放大 3 保密性差 2 基带传输和频带传输基带信号 未经调制的信号 多用于短距离传输 频带信号 便于在信道中传输的 具有较高频率的模拟信号 用于远距离传输 数字传输优点 1 抗干扰能力强 2 具有更好的安全性和保密性 3 成本低 缺点 要求频带宽 信道利用率较低 1 模拟信号的模拟传输 2 模拟信号的数字传输 3 信号传输过程 3 数字信号的模拟传输 4 数字信号的数字传输 基带 baseband 信号和宽带 broadband 信号 基带信号就是将数字信号1或0直接用两种不同的电压来表示 然后送到线路上去传输 宽 频 带信号则是将基带信号进行调制后形成的频分复用模拟信号 2 2数据通信的性能指标 2 2 1数据传输速率码元 信道中传输的一个数字脉冲称为一个码元码元传输速率 单位时间内在信道上传输的码元的个数 单位为波特 baud 数据传输速率 单位时间内在信道上传输的二进制位的个数 单位为比特每秒 bit s 波特率与比特率的关系 n为一个码元携带信息量的位数M为码元状态数 或 波特率与比特率的关系 2 问题 n是不是可以无限增大 波特率一定的条件下 用1个码元表示更多的比特位可以提高信息传输速率 比特率 nX波特率 任何实际的信道都不是理想的 在传输信号时会产生各种失真以及带来多种干扰 码元传输的速率越高 或信号传输的距离越远 在信道的输出端的波形的失真就越严重 数字信号通过实际的信道 实际的信道 带宽受限 有噪声 干扰和失真 输入信号波形 输出信号波形 失真不严重 带宽 bandwidth 本来是指信号具有的频带宽度 单位是赫兹 或千赫 兆赫 吉赫等 现在 带宽 是数字信道所能传送的 最高数据传输速率 的同义语 单位是 比特每秒 或bps bit s 2 2 2信道带宽 数字信号流随时间的变化 在时间轴上信号的宽度随带宽的增大而变窄 奈奎斯特准则 无噪信道的极限波特率 低通信道 无噪信道的最高码元传输速率为带宽的2倍Bmax 2W 无噪声的数字信道 最高数据传输速率为 带通信道 无噪信道的最高码元传输速率为信道带宽Bmax W 香农 Shannon 推导出有噪声信道的最高数据传输速率为 最高数据传输速率与码元的状态数M无关 也就是说无论用什么方式调制 只要给定了信噪比 则单位时间内最大的信息传输量就确定了 奈氏准则和香农公式在数据通信系统中的作用范围 2 3数据转化技术 2 3 1脉冲编码调制 PCM 脉码调制需要3个步骤来实现 即采样 量化和编码 1 采样 2 量化 量化是将采样值以某个最小数量单位的整数倍来表示采样数值的大小 是在幅值上的离散化 3 编码 编码是将量化值用相应的二进制编码来表示 2 3 2数字调制技术 调制 modulation 的过程是通过数字信号对一定频率的正弦载波信号的幅度 频率或相位进行控制 使得数字信号加载在载波信号上 并在信道上传输 解调 demodulation 是在接收端将数字信号从载波信号上提取出来 调制解调器 modem 数字调制技术 数字调制的结果是使模拟信号的某个参量 幅度 频率或相位 取离散值 这些值与传输的数字数据是对应的 调幅 调频 调相 三种基本调制方式分别为调幅 调频 调相 又称为幅度键控 频移键控和相移键控 2 3 3数据编码技术 不归零编码NRZ Non Return Zero 以电平表示0 1整个码元时间内保持有效电平曼彻斯特编码 ManchesterEncoding 每位码元中间有一个电平跳变表示1 表示0例如 局域网10base标准中定义使用此类编码差 微 分曼彻斯特编码 DifferentialManchesterEncoding 每位码元中间有一个电平跳变每位码元开始时有跳变 0 无跳变 1 不同编码方式 1 简单 2 编码中不包含同步信息 3 连续多个 0 或 1 到来时 不容易区分 4 存在直流分量 NRZ码特点 曼彻斯特码和差分曼彻斯特码特点 1 自带时钟 2 利用跳变容易判断 0 和 1 3 无直流分量 4 传输效率低一半 并行传输 串行传输 0123 n 1信号地 0123 n 1信号地 源DTE 目的DTE 1 1 1 0 0 0 1 信号地 10010011 并行 串行 成本低 远程通信中常用需解决位同步问题 异步传输与同步传输 数字数据通信 模拟信号或数字信号 的基本要求是 接收方必须知道它所接收的每一位的开始时间和持续时间 异步传输 又称为起止式同步方式 是以字符为单位进行传输 一次传输一个字符 每一个字符用一个起始码引导 后面加1位校验位和1 2位停止位 起始码的编码为0 停止码的编码为1 而且有一个决定于系统的1到2位时间的最小持续周期 同步传输 一次传输的是一个数据块 在每个数据块前用一个前文模式开始 用一个后文模式结束 加上前文和后文的数据称为一帧 异步通信同步通信 多路复用技术 为了有效地利用传输系统 在传输线路上通过同时携带多个信号来高效率地使用传输介质 叫多路复用 multiplexing 一般普遍使用三种技术 频分多路复用FDMA时分多路复用TDMA波分多路复用WDMA码分多路复用CDMA FDM 介质的可用带宽超过给定信号所需的带宽 通过给每个信号以不同的载波频率进行调制 而且各个载波频率是完全独立的 即信号的带宽不互相重叠 可以同时携带许多信号 3400 300 3400 300 3400 300 复用器 4600 7700 8600 11700 12600 15700 t t t t f FDM信号频谱 未复用 频分复用 FDMA主要应用 主要应用 传统电话通信系统ADSL 非对称数字用户线路 将双绞线划分出3个频段0 4KHz传统语音信号20 50KHz计算机上传的信号150 500KHz计算机下载的信号140 1100KHz 波分复用 TDMA 如果介质的位传输率大于单一信号源所要求的数据传输率 就可以采用时分多路复用技术 将一条物理信道的传输时间分割为许多个短的时隙 而将若干个时隙组成时分复用帧轮换地给多个信号使用 不象频分多路复用那样 同一时间同时传送多路信号 每一子信道所占的宽度都是相同的 传播时间单位 时分复用可能会造成线路资源的浪费 A B C D a a b b c d b c a t t t t t 4个时分复用帧 1 a c b c d 时分复用 2 3 4 用户 统计时分复用STDM 用户 A B C D a b c d t t t t t 3个STDM帧 1 a c b a b b c a c d 2 3 统计时分复用 码分复用 CDMA 常用的名词是码分多址CDMA CodeDivisionMultipleAccess 各用户使用经过特殊挑选的不同码型 因此彼此不会造成干扰 这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力 其频谱类似于白噪声 不易被敌人发现 每一个比特时间划分为m个短的间隔 称为码片 chip 每个站被指派一个惟一的mbit码片序列 如发送比特1 则发送自己的mbit码片序列 如发送比特0 则发送该码片序列的二进制反码 例如 S站的8bit码片序列是00011011 发送比特1时 就发送序列00011011 发送比特0时 就发送序列11100100 S站的码片序列 1 1 1 1 1 1 1 1 每个站分配的码片序列不仅必须各不相同 并且还必须互相正交 orthogonal 在实用的系统中是使用伪随机码序列 码片序列的正交关系 令向量S表示站S的码片向量 令T表示其他任何站的码片向量 两个不同站的码片序列正交 就是向量S和T的规格化内积 innerproduct 都是0 令向量S为 1 1 1 1 1 1 1 1 向量T为 1 1 1 1 1 1 1 1 把向量S和T的各分量值代入 2 4 式就可看出这两个码片序列是正交的 任何一个码片向量和该码片向量自己的规格化内积都是1 一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是 1 CDMA的工作原理 S站的码片序列S 1 1 0 t t t t t t m个码片 t S站发送的信号Sx T站发送的信号Tx 总的发送信号Sx Tx 规格化内积S Sx 规格化内积S Tx 数据码元比特 发送端 接收端 2 4数据传输方式 按传输方向分 数据通信可分为单工通信 半双工通信和全双工通信3种不同方式 单工数据传输只支持数据在一个方向上传输 如电视网 半双工通信实际上是一种可切换方向的单工通信 如对讲机的信号传输 全双工数据通信允许数据同时在两个方向上传输 如电话系统 2 4 2同步传输和异步传输 按传输方向分 数据通信可分为单工通信 半双工通信和全双工通信3种不同方式 2 6数据交换技术 为什么要交换 两部电话机只需要用一对电线就能够互相连接起来 更多的电话机互相连通 5部电话机两两相连 需10对电线 N部电话机两两相连 需N N 1 2对电线 当电话机的数量很大时 这种连接方法需要的电线对的数量与电话机数的平方成正比 使用交换机 当电话机的数量增多时 就要使用交换机来完成全网的交换任务 交换机 交换 的含义 在这里 交换 switching 的含义是 转接 把一条电话线转接到另一条电话线 使它们连通起来 从通信资源的分配角度来看 交换 就是按照某种方式动态地分配传输线路的资源 电路交换 A B C D 发送呼叫信号 传输 1 交换2 发送呼叫信号 传输 1 交换2 发送呼叫信号 传输 特点 1 有通话建立的时间 2 通话建立后 信源与信宿之间有一条专用通信线路 3 延迟小 4 通信线路利用率低 E F 报文交换 1 2 3 4 5 6 7 B A C D E a1 a2 a1 a2 a1 a2 a1 a2 a1 a2 报文交换的特点 无需建立连接多路径通信线路利用率高延迟时间较长结点需要较大的缓冲空间 分组交换的原理 一 在发送端 先把较长的报文划分成较短的 固定长度的数据段 分组交换是综合了电路交换和报文交换的优点 并克服他们各自的缺点 数据 数据 数据 分组交换的原理 二 每一个数据段前面添加上首部构成分组 首部 首部 首部 请注意 现在左边是 前面 分组交换的原理 三 分组交换网以 分组 作为数据传输单元 依次把各分组发送到接收端 假定接收端在左边 分组首部的重要性 每一个分组的首部都含有地址等控制信息 分组交换网中的结点交换机根据收到的分组的首部中的地址信息 把分组转发到下一个结点交换机 用这样的存储转发方式 最后分组就能到达最终目的地 分组交换的原理 四 接收端收到分组后剥去首部还原成报文 数据 首部 数据 首部 数据 首部 收到的数据 数据 数据 数据 分组交换的原理 五 最后 在接收端把收到的数据恢复成为原来的报文 这里我们假定分组在传输过程中没有出现差错 在转发时也没有被丢弃 分组交换的优点 高效动态分配传输带宽 对通信链路是逐段占用 灵活以分组为传送单位和查找路由 迅速不必先建立连接就能向其他主机发送分组 充分使用链路的带宽 可靠完善的网络协议 自适应的路由选择协议使网络有很好的生存性 分组交换带来的问题 分组在各结点存储转发时需要排队 这就会造成一定的时延 分组必须携带的首部 里面有