第3讲 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 通信技术基础 数据传输方式 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 26000bps412000bps818000bps1624000bps 话音级线路的信道容量计算 3000Hz 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 noiseratio 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 10log10S 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 301Log2y 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 2H 1 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 FrequencyDivisionMultiplexing 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 TimeDivisionMultiplexing 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 1frame DS 1帧 channel 1 channel 2 channel 24 定帧位 193bits 数据率 24x8 1bit 125ms 1 544Mbps 8bit 125ms E1 帧 125ms 32时隙 2 048Mbps 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 WavelengthDivisionMultiplexing 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 CodeDivisionMultipleAccess 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 012345678910 600500400300200100 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0 600 分为28 256个阶距 每个阶距为600 256 2 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0 600 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81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 高级数据链路控制 通信规程 面向字符型