[理学]Ch2—数据通信基础.ppt

第2章数据通信基础 2 1数据传输的基本概念2 2传输损耗2 3数据编码方法2 4通信传输媒介 2 1数据传输的基本概念 2 1 1并行传输与串行传输2 1 2单工 半双工和全双工2 1 3异步传输与同步传输2 1 4传输速率 2 1 1并行传输与串行传输 信号传输方式 描述确定了数据具体如何在通信设备间进行传输 串行 并行传输 在计算机内部各部件之间以及计算机与计算机之间进行通信时 根据一次传输数据的多少可将数据传输方式分为串行和并行 2 1 1并行传输与串行传输 1 并行传输 1 多个数据位同时在多条通道上传输 并且每个bit都占用一条专用的传输通道 2 用于短距离设备间的通阠 设备内部通信方式 相对速率较快如 Computer Printer 并行传输 2 1 1并行传输与串行传输 2 串行传输 1 一位一位按顺序的在一条通道上传输 2 适合远距离设备间的通讯 但传输速率较慢 例如 Computer与mouse和keyboard间 串行传输 2 1 2单工 半双工和全双工 根据通信在通信线路上的传输方向及其与时间的关系 串行通信可分为三种方式 单工 半双工 全双工方式 1 单工传输 数据始终只能在一个方向上传输 任何时间不能进行反向传输 如广播电视 2 1 2单工 半双工和全双工 2 半双工传输 数据允许在两个方向上传输 但在某一时刻数据只允许在一个方向传输 分时传输 如对讲机 2 1 2单工 半双工和全双工 3 全双工传输 允许数据同时在两个方向上传输 称为全双工 特点 提高传输速率 但增加一条传输通道电话系统 计算机网络等大多数通信系统都是全双工方式 串行通信过程中 数据是一位一位依次传输的 发送端与接收端在相应的时钟脉冲控制下进行发送和接收的 为使接收端能准确接收所传输信息 接收端必须知道 2 1 2单工 半双工和全双工 位 比特 同步 即同步每一位的时间宽度 即传输的比特率 字符同步 即每一个字符或字节的起始和结束 块 帧 同步 即每一个完整的数据块 帧 的起始和结束 同步方式有两种 一种是异步传输 一种是同步传输 2 1 3异步传输与同步传输 1 异步传输 起止式传输 它是利用起止方法来保持收发双方同步的 1 每次只能传输一个编码 随机进行单独发送2 起始位表示字符传输的开始 长度为1bit 0 停止位表示字符传输的结束 长度1bit 1 5bit 2bit 1 3 发送端数据格式 起始位 字符代码 校验位 停止位15 811 1 5 2位数取决于编码方案提高传输可靠性 2 1 3异步传输与同步传输 4 接收端 通过检测起始位和停止位来判断新近到达的字符 保持收发双方每传输一个字符就重新校验一次同步关系 不易造成时钟误差 2 1 3异步传输与同步传输 5 应用 低速传输系统 因为其传输效率较低 如传输一个ASC 码 数据代码7位 1位起止位 2位停止位 1位校验位 其效率7 7 1 1 2 64 且字符之间还可能有空隙异步传输是字符内的同步 字符间的异步 2 1 3异步传输与同步传输 2 1 3异步传输与同步传输 异步传输 2 同步传输 不是以字符而是以数据块为传输单位 其传输速率较高每次传输多个字符 数据块 且它们之间没间隙以及起始位 停止位保持收发同步 在数据块之前加上前文 在数据之后加上后文 帧 frame 2 1 3异步传输与同步传输 接收端 检测帧中的前文和后文 特定的标志序列 保持与发送端同步数据格式 前文和后文的具体格式视传输控制规程而定 有面向字符与面向比特型两种方案 应用 高速传输系统中 其传输效率较高 因为字符间无需加入附加位和间隙 2 1 3异步传输与同步传输 同步传输每次传送的是一个完整的数据帧 发送端无需在字符间加入附加位和间隙 因而同步传输的效率比异步传输的效率高 但由于收发双方需建立准确的同步关系 所以实现起来比较复杂 SYN 同步符SOH 报文头开始STX 正文开始ETX 正文结束BCC 校验二进制同步通信规程 高级数据链路控制帧格式 HDLC 同步传输 2 1 4传输速率 传输速率就是指在单位时间内传输的信息量 即信息速率 它是评价通信系统好坏优劣的重要标准 在数据传输经常用到的指标有调制速率 数据信号速率和数据传输速率 2 1 4传输速率 1 调制速率 码元传输速率 又称波特率 传码率或 记作RB 指单位时间所传送的码元 即脉冲 数目 或者表示信号调制过程中单位时间内调制信号波形的变换次数 单位为波特 Baud或Bd 调制速率可表示为 RB 1 T 2 1 T为码元或调制信号周期 2 1 4传输速率 例2 1 如图2 8所示的调频波 其中一个 0 或 1 状态的最短时间长度为417 10 6秒 试求调制速率 解 根据以上公式 2 1 4传输速率 2 数据信号速率 单位时间内通过信道的信息量 简称比特率 记作Rb 单位为bit s bps i 串行方式 一路 并行方式 多路 RB为波特率 M为调制信号波的状态数 叫M进制数字传输 T为单位调制信号波的时间长度 公式2 2 2 1 4传输速率 i 在串行传输方式下波特率与比特率之间的关系取决于调制信号波的状态数 如果只使用两种状态进行调制 那么两种速率在数值上是相等的 2 1 4传输速率 i 例2 2 若采用串行传输方式 且一个单位调制信号波的时间长度为417 10 6秒 那么在使用2状态调制时 数据信号速率为多少 若使用4状态调制 则数据信号速率又为多少 2 1 4传输速率 i 解 当M 2时RB 1 T 2400 波特 根据公式 2 2 可得Rb RBlog2M 2400 log22 2400 1 2400 bit s 当M 4时RB 1 T 2400 波特 Rb RBlog2M 2400 log24 2400 2 4800 bit s 二者关系 与基数有关 如 波特率1200120012001200调制相数24816比特率1200240036004800 2 1 4传输速率 3 数据传输速率 单位时间内传输的数据量 数据量的单位为 比特 字符等 时间的单位可以是s m h等 如果数据量单位bit 时间单位s 则数据传输率即为数据信号速率如果数据量单位字符 时间单位min 则需作个转换 2 1 4传输速率 例2 4若以若以异步方式传输EBCDIC码 数据信号速率为2400bps 且停止位的长度是2位 试求相应的数据传输速率 2 1 4传输速率 解 若以字符 分为单位 则数据传输速率为2400X60 1 8 2 13091 字符 分 分母中的 1 和 2 分别是附加在字符代码前后的起始位和停止位的长度 3 带宽 带宽 Bandwidth 信号或信道占据的频率范围 信道带宽 信道可以不失真地传输信号的频率范围 即信道能够传输的信号的最高频率和最低频率的差值 系统的带宽 或者说信道带宽 通常是指系统的频率响应 幅度特性 曲线的幅度保持在其频带中心的取值的倍 即70 以内的频率区间 该频率区间宽度是最高分量频率与最低分量频率之差 复杂 3 带宽 信号带宽 谐波的最高频率fh与最低频率fl之差 fh fl 叫做信号的频带宽度 简称带宽 一般而言 任何一个有限时间的信号之频谱宽度是无限的即信号频谱中各分量的频率理论上可扩展至无限 然而 信号的大部分功率实际上只集中在某个有限的频谱宽度内 所谓信号的有效带宽就是指包含信号大部分功率的这部分频谱的宽度 实际频谱与有效频谱 有效带宽 1 模拟信号 带宽 频宽2 数字信号 带宽 传输速率 单位时间通过的数据量 信号的半功带宽 信号的半功带宽 是通用的带宽定义 半功率带宽是信号f t 一个频率区间 在该区间内的频率分量对f t 功率的贡献是整个信号功率的一半 信号的带宽和传输信号的系统的带宽 或者说信道带宽 是有区别的 为了减小系统失真 要求系统有足够的带宽 而且信号带宽越宽 系统的带宽相应地也要越宽 信号带宽 由于信道带宽不足导致数字信号讹误 2 2传输损耗 2 2 1衰损2 2 2失真2 2 3噪声2 2 4信噪比2 2 5香农定理2 2 6信道容量 2 2 1衰损 衰损 信号在传输介质中传输时将会有部分能量转化为热能或者被传输介质吸收 从而造成信号强度不断减弱 特别是在远距离通信时不可忽视 在适当位置设立放大器 转发器 中继器来增加强度 2 2 1衰损 衰损用分贝来描述 它是衡量两个功率电平之间差别的度量 D 10lg p1 p2 D单位 dB 例2 5 假设在传输系统上传输的信号具有12mW的功率 而在一定距离远的某处测得功率为7mW 试求出这段线路上信号的衰损 解 根据公式 2 4 可得D 10lg p1 p2 10lg 7 12 2 34 dB 2 2 2失真 失真 信号不同频率的分量在传输过程中受到不同程度的衰减和延迟的影响 最终使到达接收端的信号与发送端送出的初始信号在波形上有所差异 把这种传输过程中信号波形的变化称为失真 2 2 2失真 根据产生的原因不同分为振幅失真 延迟失真 振幅失真 由各个频率分量振幅值发生不同变化而引起的失真 是由传输设备和线路引起的衰损造成的延迟失真 由各频率分量的传播速度不一致所造成的失真 容易造成码间串扰 图2 9失真的信号波形 2 2 3噪声 噪声 传输过程中插入到数据信号中不希望有的信号 根据产生原因不同分为四类 热噪声 交调噪声串音脉冲噪声 2 2 3噪声 热噪声 由带电粒子在导电媒介中进行的分子热运动造成的 绝对存在的 无法被消除的 噪声功率密度可作为热噪声值的度量 N0 KTN0 W HZ K 波尔兹曼常数1 38 10 23J K T 绝对温度K 2 2 3噪声 高斯噪声 n维分布都服从高斯分布 白噪声 功率谱密度在这个频率范围内分布均匀的噪声 热噪声是一种高斯白噪声 如何克服 2 2 3噪声 交调噪声 多个不同频率的信号共享一个传输媒介时可能产生的噪声 通常是通信系统中存在非线性因素造成的 非线性因素 元件故障引起的 通常情况 发送端和接收端是以线性系统模式工作的 即输出为输入的常数倍 干扰信号频率可能是 f1 f2 f1 f2 2f12f2 2f1 f2 mf1 mf2 串音 又称串扰 它是由一个信道中的信号对另一个信道中的信号产生的干扰 2 2 3噪声 脉冲噪声 是一种由突发的振幅很大持续时间很短 耦合到信号通路中的非连续尖峰脉冲引起的干扰 通常是由一些无法预知的因素造成的 如电火花 雷电 脉冲噪声对模拟数据传输不会造成明显影响但数字数据传输中脉冲噪声是产生差错的主要来源 2 2 3噪声 噪声对数字信号传输造成的影响 2 2 3噪声 脉冲噪声造成的干扰是不易被消除的 必须通过差错控制手段来确保数据传输的可靠性 2 2 4信噪比 信噪比 信号在传输过程中不可避免地要受到噪声的影响 信噪比是用来描述在此过程中信号受噪声影响程度的量 它是衡量传输系统性能的重要指标之一 2 2 4信噪比 信噪比通常是指某一点上的信号功率与噪声功率之比 可用下面的公式表示信噪比其中 是信噪比 Ps是信号的平均功率 Pn是噪声的平均功率 2 2 4信噪比 有时为了使用方便也会采用分贝 dB 来表示信噪比 公式如下 2 2 5香农定理 给出了一种计算传输速率上限的方法 香农定理指出 在高斯白噪声干扰条件下 通信系统的极限传输速率为 2 11 式中C是极限传输速率 其单位是bit s B是信道带宽 其单位是Hz S N是信噪比 其中S为信号功率 N为噪声功率 由香农公式可得以下结论 1 增大信号功率S可以增加信道容量 若信号功率趋于无穷大 则信道容量也趋于无穷大 即 2 减小噪声功率N 或减小噪声功率谱密度n0 可以增加信道容量 若噪声功率趋于零 或噪声功率谱密度趋于零 则信道容量趋于无穷大 3 增大信道带宽B可以增加信道容量 但不能使信道容量无限制增大 4 任何一个信道都有C如果信息速率R C 理论上存在一种方法能以任意小的差错率通过信道数据如果信息速率R C 理论上不存在一种方法能以任意小的差错率通过信道数据 信息论的创始人 香农 史劳德 埃尔伍德 香农 ClaudeElwoodShannon 1916 2001 美国数学家 信息论的创始人 1940年获麻省理工学院数学博士学位和电子工程硕士学位 1941年进入贝尔实验室数学部工作 1 信息论的创始人 香农 香农在贝尔实验室工作期间 先后发表了 通信的数学原理 和 噪声下的通信 两篇论文 明确地表达了在不同噪声情况下传输速率与失真的定量关系的公式 经典地阐明了通信的基本问题 提出了通信系统的模型 给出了信息量的数学表达式 解决了信道容量 信源统计特性 信源编码 信道编码 信息度量和信道容量与噪声的关系等有关精确传送通信符号的基本技术问题 香农认为 信息是有秩序的量度 是人们对事物了解的不确定性的消除或减少 信息是对组织程度的一种测度 信息能使物质系统有序性增强 减少破坏 混乱和噪音 即 信息是能够减少或消除不确定性的东西 1 1信息与信息科学 第3章 差错控制的理论基础 差错编码的想法是否可行 有没有理论依据 香农信道编码定理 香农信道编码定理 每个信道都具有确定的信道容量C 只要信息传输速率 Rb bps C则理论上就一定存在一种编码方式 使其译码差错概率Pe满足 Pe Ae nE Rb 式中香农另一个定理 通信系统极限传输速率 n 码字长度 码长 E Rb 误差指数 当Rb0 A 正系数Pe Ne N误码率是指二进制码元在数据传输系统中被传错的概率 N为传输的二进制码元总数 Ne为被传错的码元数 香农信道编码定理 E Rb 与Rb的关系如图所示 C 使E Rb 或n 使e nE Rb 可见要使Pe满足要求 一是增加信道容量C 从而使E Rb 增加 通信硬件系统设计人员通常采用的方法 另一种方法是只要Rb C增加码长n可使Pe随n的增加而指数下降 如果n 则Pe 香农信道编码定理是差错控制编码的理论基础 通过编译码过程来降低误码率 香农信道编码定理 从而差错控制编码的基本原理就是 在保持信息位数不变 信息码元 情况下 采用增加码长的方法来降低误码率 4 差错控制编码的基本原理 例2 8假设一个音频电话线路支持的频率范围为300Hz到3400Hz 其信噪比是25dB 试求这个线路传输速率的上限 解 由题可知 这条线路的带宽B 3400 300 3100 Hz 又因为信噪比为25dB 故由公式 2 10 P27 可得 316因此根据公式 2 11 线路传输速率的上限约为 3100log2 317 25761 bit s 也就是说 这条线路传输速率的上限将近26kbit s 2 2 6信道容量 补充 比特率与有效频谱的关系当比特率上升时 有效频谱也变宽 而有效带宽则根据系统中的噪声程度也会有所不同地增加 如图 假如比特率是1000bps 有效带宽是200Hz 则当比特率增加到2000bps 有效带宽可能会相应为400Hz 比特率与有效带宽 信道容量 信道容量 信道所能允许的不产生错误的最快的传输速率 对连续信道若B为信道带宽 在加性高斯白噪声的干扰下 根据香农 Shannon 信息论 其信道容量C 信道容量 香农公式表明的是当信号与信道高斯白噪声的平均功率给定时 在具有一定频带宽度的信道上 理论上单位时间内可能传输的信息量的极限数值 只要传输速率小于等于信道容量 则总可以找到一种信道编码方式 实现无差错传输 若传输速率大于信道容量 则不可能实现无差错传输 信道容量 由香农公式可得以下结论 1 增大信号功率S可以增加信道容量 若信号功率趋于无穷大 则信道容量也趋于无穷大 即 2 减小噪声功率N 或减小噪声功率谱密度n0 可以增加信道容量 若噪声功率趋于零 或噪声功率谱密度趋于零 则信道容量趋于无穷大 3 增大信道带宽B可以增加信道容量 但不能使信道容量无限制增大 信道容量 4 任何一个信道都有C如果信息速率R C 理论上存在一种方法能以任意小的差错率通过信道数据如果信息速率R C 理论上不存在一种方法能以任意小的差错率通过信道数据 信道容量 奈奎斯特准则香农定理是针对噪声信道而言的 它对模拟信道和数字信道都适用 对于无噪声的数字信道而言 另有奈奎斯特 Nyquist 准则指明其信道容量 信道容量 奈奎斯特准则奈奎斯特准则指出 频带宽度为B 赫兹 的无噪声数字信道 所能传输的信号的最高码元速率为2B波特 则最大信息速率C可由下式确定 C 2Blog2N比特 秒式中 N为码元所能取的离散值的个数 信道对信号传播的影响 信号随着在信道上传输而变化 信道传播影响当变化过大时 受信端有可能无法辨别它们 信道影响可能包含带宽限制 衰减 失真 噪声 干扰等 无线信道还包含空间的散射 折射 障碍反射 大气吸收等 信道对信号传播的影响 2 3数据编码方法 2 3 1字符编码2 3 2码型及其编码方式 2 3数据编码方法 将数字消息和模拟消息转换成通信硬件能够接受和易于传输的信号 称这一过程为编码 根据编码功能的不同 可分为 1 第一次编码 把各种信息用二进制表示 2 第二次编码 把二进制数转换成脉冲信号 3 第三次编码 差错控制编码 4 第四次编码 基带信号变成频带信号 本章主要讲述第一 二次编码 第三次编码将在第三章讲述 第四次编码将在第五章讲述 2 3 1字符编码 由于通信计算机处理设备只能识别 存储 和处理二进制的信息 而字符信息又是最重要的数据信息 这样为了使计算机能处理字符 规定了字符和二进制数之间的对应关系 又称字符编码 这也是一种信源编码 它涉及到信息的表示 交换 处理 传输和存储 国家或国际标准的形式来实施 2 3 1字符编码 2 3 1字符编码1 国际5号码2 EBCDIC码3 国际2号码4 计算机中的汉字编码 1 国际5号码 1 国际5号码 由ANSI提出ISO CCITT 国际通用的信息交换用标准码 即ASCII码 每个字符用7bit表示 于是IA5编码集中总共有27 128个不同编码字符 0列 1列以及Space和DEL均属于控制字符 不可被显示和打印 34个 0 9 Ox30 Ox39CR 0 xDspace 0 x20 A Z Ox41 Ox5a a z Ox61 OX7a增加可靠性 在7位码组增加1位奇偶校验位构成8位码组 见书上表2 1 2 EBCDIC码 2 EBCDIC码 extended扩充的BCD交换码它是一种8位BCD 共可表示256个字符 实际仅定义了134个字符 大量未定义的状态用户根据需要自行定义 8bit码长无法添加奇偶校验位 不适合远距离传输 见书上表2 2 3 国际2号码 3 国际2号码 IA2码 它是一种5位二进制数表示字符的编码 本来只能表示32个字符 无法满足36个基本字符 26 10 的需要 但通过转义控制码来转变紧随其后的编码所具有的含义 最终实现5位二进制数表示58个字符的功能 广泛用在电报通信领域 4 计算机中的汉字编码 在计算机上处理汉字要比处理西文字符复杂得多 处理汉字首先要确定汉字集合的大小 要解决汉字的输入 传输 存储 输出等一系列问题 在处理过程中每一个环节需要各自不同的编码 因此产生了汉字编码系统和汉字处理技术 1 汉字字符集 汉字字符集确定了计算机处理汉字的数量 目前 常用的汉字字符集有如下几种 1 GB2312 80汉字编码GB2312码是中华人民共和国国家标准汉字信息交换用编码 全称 信息交换用汉字编码字符集一基本集 标准号为GB2312 80 字符集收录了6763个汉字和682个非汉字图形字符 2 GBK编码 ChineseInternalCodeSpecification GBK是又一个汉字编码标准 GB即 国标 K是 扩展 的汉语拼音第一个字母 全称 汉字内码扩展规范 它共收录了21003个汉字和883个符号 并提供1894个造字码位 简 繁体字融于一库 3 UCS编码 UniversalMultiple OctetCodedCharacterSet UCS是国际标准化组织ISO公布的一个编码标准 即UniversalMultiple OctetCodedCharacterSet 简称UCS 译为 通用多八位编码字符集 在该字符集中 总共收录了20902个汉字 4 BIG 5码BIG 5码是通行于台湾 香港地区的一个繁体字编码方案 俗称 大五码 它广泛地应用于电脑业和因特网 Internet 中 它是一个双字节编码方案 收录了13461个符号和汉字 其中包括408个符号 13053个汉字 汉字分常用字5401个和次常用字7652个 各部分中的汉字按笔画或部首排列 2 汉字编码系统 在计算机上处理汉字要经过输入 存储 输出等过程 汉字在处理过程节中要用到不同的编码形式 汉字编码中涉及的编码如下 1 区位码 2 机内码 3 输入码 4 字形码 5 汉字地址码 6 内码和外码 2 3 2码型及编码方法 码型 表示二进制数中0和1的信号形式被称为码形 通信用直流信号表示二进制数中的0和1 数字数据基带信号常用码型有二电平码 差分码 交替反转码 AMI 曼彻斯特码 差分曼彻斯特码 密勒码 多电平码 和二进制编码等 DigitaltoDigitalEncoding 数字 数字编码 2 3 2码型及编码方法 一 单极性编码1 单极性非归零编码2 单极归零编码二 极化编码分类图1 非归零电平码 NRZ L 2 非归零反相码 NRZ I 3 极化编码 双极性归零编码4 极化编码 双相位编码5 双极性编码6 二电平码7 差分码8 多电平码9 双二进制码 数字 数字编码分类 数字 数字编码 单极性编码Unipolar 极化编码Polar 双极性编码Bipolar mBnB编码mBnB 一 单极性编码 数字编码用电压改变来指示比特位的变化单极性编码只使用一个电压值 代表二进制中的一个状态 而以零电压代表另一个状态 RZ码与NRZ码 归零码 RZ码 ReturnZerocode在整个码元期间高电平只维持一段时间 其余时间返回零电平 即归零码的有电脉冲宽度比码元宽度窄 即占空比 1 每个脉冲在还没有到一个码元终止时刻就回到零值 非归零码 NRZ码 NotReturnZerocode在整个码元期间电平保持不变 占空比 占空比为脉冲宽度 与码元宽度Ts之比 Ts 如下图所示 1 单极性非归零编码 单极性非归零编码图 2 单极归零编码 单极性归零编码图 单极性编码 两个问题使得单极性编码较少采用 直流分量 平均振幅不为零 含有直流分量 不能在没有处理直流分量能力的媒质 如微波 上传输同步 1 连续0或连续1 接收端无法识别每比特的开始和结束 2 需外加同步定时脉冲传送线路 从而使系统成本增加 二 极化编码分类图 极化编码 极化编码使用一正一负两个电压值 即双极性 代表二进制比特值 平均电压值下降 减轻了直流分量 尤其是在双相位编码方法中 每个比特均含有正电压与负电压 彻底解决了直流分量问题 极化编码 在极化编码各种变型中 只讨论三类最普遍的 非归零制非归零电平编码非归零反相编码归零制 双极性归零码双相位制曼彻斯特编码用于以太 Ethernet 局域网中差分曼彻斯特编码用于令牌环 TokenRing 局域网中 极化编码 非归零编码 NRZ 1 非归零电平码 NRZ L 电压为0 说明线路上没有信号传输 优缺点 思想简单易于实现 不易提取同步信息 特别是在长0长1串时 归零码 2 非归零反相码 NRZ I 1 比特的起始时刻发生了电平跳变0 比特的起始时刻没有发生电平跳变 非归零编码 NRZ 零电压代表线路空闲非归零电平编码 NRZ L 中 信号的电平取决于所代表的比特 非归零反相编码 NRZ I 中 如遇到比特值1 信号电平反转 非归零制仍然不是自同步编码 接收端易失去同步 NRZ I只解决了连续1同步 非归零编码减轻了直流分量 3 极化编码 双极性归零编码 双极性归零编码使用正 负二个电平 归零码是自同步编码 通过归零 使每个比特位 码元 都发生信号变化 接收端可利用信号跳变建立与发送端之间的同步 它比单极性和非归零编码有效 缺点 每个比特位发生两次信号变化 多占用了带宽 结论 一个编码良好的数字信号必须携带同步信息 双极性归零码图 4 极化编码 双相位编码 双相位编码使用两种电平自同步编码 每个比特位间隙中信号出现一次电平跳变 相位改变 但不归零 频率高 1倍 传输效率减小 一半 1 曼彻斯特编码 1一比特中点位置上从负电平到正电平的跳变0一比特中点位置上从正电平到负电平的跳变 2 差分曼彻斯特编码 比特中点位置上出现跳变 但这不表示数据信息1一比特起始时刻不出现电平跳变0一比特起始时刻出现电平跳变 曼码与差曼的区别 1 曼码的中间跳变即表示信息又表示同步 而差曼中间跳变只表示同步 2 差曼是采用信号开始时的跳变为0 而差分码开始时的跳变为1 3 密勒码 密勒码也是一种利用电平的跳变表示数据信息的码型 用来解决裂相码带宽太宽的问题 1 比特中点的电平跳转0 比特中点没有出现电平跳转连续两个0时 后边的0改变极性 密勒码 密勒码 曼彻斯特编码中 比特位中的信号跳变同时是同步信息和比特编码 差分曼彻斯特编码中 比特间隙中的信号跳变只表示同步信息 不同比特通过在比特开始位置有无电平反转来表示 在比特开始位置电平跳变代表0 否则为1 密勒码较好地解决了带宽问题 密勒码与曼码相似 比特位中的信号跳变同时是同步信息和比特编码 但它只有1才跳变 0不跳变 而且1的跳变可正可负 单极性编码与极化编码特点归纳 归纳单极性编码占用带宽小 传输效率高 但存在直流分量和同步两大问题 非归零编码减轻了直流分量 但仍存在同步问题 其中NRZ I只解决了连续1的同步问题 单极性编码与极化编码特点归纳 归零编码减轻了直流分量 解决了同步 但有三个电平 占用带宽过大 双相位编码解决了直流分量和同步问题 且只有两个电平 每个比特位信号跳变比归零编码少 占用带宽比它小 但传输效率是单极性的一半 双极性编码中采用三阶信号像归零编码一样 也使用正 负 零三个电平 但与归零编码不同的是 0电平代表比特值 表示二进制0 正负电平交替表示比特值1 主要用来解决单极性码中的长1和长0问题和极化编码带宽问题 5 双极性编码 双极性编码 常用的双极性编码 1 双极性信号交替反转码 AMI 1 零电平代表二进制0 交替出现的正负电压表示1 2 信号交替反转码用交替变换的正 负电平表示比特1的方法使其所含的直流分量为零 双极性编码 3 AMI alternatemarkinversioncode 实现了两个目标 一是直流分量为零 二是可对连续的比特1进行同步 4 但对一连串的比特0并无同步确保机制 5 为解决比特0的同步 有两种AMI的变型B8ZS和HDB3 前者在北美使用 后者用于日本和欧洲 2 双极性8零替换编码 B8ZS 在AMI编码中 当连续出现8个比特0时 强行加入称为扰动的人工信号变化 根据连续0的前导比特1之极性 采用两种改变比特模式的编码方式之一 如果前导1是正电平 则8个0被编码为0 0 0 正 负 0 负 正 当前导1为负电平时 比特的编码模式为0 0 0 负 正 0 正 负 双极性8零替换编码B8ZS 8零替换码的替换方式 双极性8零替换编码B8ZS 例2 3 采用B8ZS码对数据10100000000010进行编码 假设序列中第一个比特1的极性为正 B8ZS 双极性8零替换编码B8ZS 8零替换码在一定程度上解决了为长0串提供同步信息的问题 无论选择哪种模式 替换后的序列中均会出现两次相邻非零电平同极的现象 接收端正是通过检测这个特征来确定被替换序列的位置 以便把它还原成连续的8个比特0 特点 3 高密度双极性3零码 HDB3 1 虽然名称是3零编码 实际是当连续出现4个比特0时 就在AMI编码中引入变动 2 根据前导1的极性和自上一次替换后传输的比特1个数的奇偶性 以四种编码方式改变比特模式 3 编码方法 双极性编码 A 自上次替换以来传输的比特1个数为奇数时 用000D代替0000 否则 用100D D为破坏点 B 0 0电平 1 正或负 与前边最近的1相反D 正或负 与前边最近的1相同C 接收端通过比较最近的两个比特1的极性来确定需还原的序列的位置 双极性编码 例2 4 试写出将数据100000000010000编制成HDB3码的过程 假设位于这段数据序列首部的比特1极性为正 且其前继数据是4个连续的比特0 双极性编码 高密度双极性3零码 6 多电平码 多电平码是一种以M个电平状态表示由n个比特组成的码元的编码 其中n与M的关系是n log2M 较为常见的多电平码有自然码和格雷码 一般地 多电平码所需的M个电平是以0电平为中心对称等距设置的 M 电平状态数n 比特数 多电平码 M 4时自然码和格雷码的定义表 多电平码 多电平码的优点是提高了传输效率和频带利用率 在输入比特率一定的情况下 M的取值越大频带利用率就越高 在发送功率一定的情况下 M越大抗噪声干扰的能力就越低 鉴于此M的取值一般不宜超过16 例2 4 分别采用四电平自然码和四电平格雷码对数据001110011000进行编码 四电平自然码 四电平自然码 四电平格雷码 四电平格雷码 7 双二进制码 双二进制码是一种通过电平状态表示数据信息的码型 编码方法 与AMI码类似 1 1 无电压状态 2 0 用正 负电平交替表示二进制的0 3 当两个比特0之间出现奇数个比特1时 则位置靠后的那个比特0需改变电平极性 双二进制码 2 4通信传输介质 传输介质 信道的物理形式 它是通信系统中连接收发双方的物理通路 是信息传输的物理载体 传输介质分为硬介质 导向性 和软介质 非导向性 介质的两大类 导向性介质 介质本身会引导信号的传输方向 包括双绞线 同轴电缆 和光纤 非导向性介质 介质本身不会引导信号的传输 信号通过空气传播 包括无线电波 微波 激光 和红外线等 2 4通信传输介质 2 4 1双绞线2 4 2同轴电缆2 4 3光纤2 4 4无线通信 2 4 1双绞线 twistedpair 双绞线 由两根彼此绝缘的导线组成 这两根导线是按一定的规则以螺旋状绞合在一起的多对双绞线捆扎在一起再加上塑料外皮组成双绞线电缆 最常用传输媒介 2 4 1双绞线 twistedpair 分类 屏蔽双绞线 STP ShieldedTwistedPair 抗干扰性好 性能高 用于远程中继线时 最大距离可以达到十几公里 但成本也较高 所以一直没有广泛使用 非屏蔽双绞线 UTP UnshieldedTwistedPair 非屏蔽双绞线的传输距离一般为100米 由于它较好的性能价格比 目前被广泛使用 屏蔽双绞线 STP 以铝箔屏蔽以减少干扰和串音 3类 5类 6类 16M 155M 1200M 双绞线外没有任何附加屏蔽 非屏蔽双绞线 UTP STP和UTP EIA规定了6种质量等级的双绞线电缆 其中 类线的档次最低 类线的档次最高 类 基本双绞线 传输语音 类 语音和4Mb s的数字数据传输 类 目前在大多数电话系统中使用的标准电缆 其传输频率为16MHZ 数据传输可达10Mb s主要用于10base T 双绞线种类 类 20MHZ 16Mbit s主要用于10base T 100base T和令牌环局域网 类 100MHz 100Mbit s主要用于10base T 100base T网络 类 250MHz常用的是3类线和5类线 5类线既可支持100Mbps的快速以太网连接 又可支持到150Mbps的ATM数据传输 是连接桌面设备的首选传输介质 双绞线种类 双绞线 twistedpair 应用 传输模拟信号 电话线 1对双绞线 传输数字信号 局域网网线 4对双绞线 双绞线电缆 特点 最常用 便宜的传输媒介易受环境中电信号的干扰通常用于较短距离的连接 2 4 2同轴电缆 coaxialcable 结构 同轴电缆由同轴的内外两个导体组成 内导体是一根金属线 铜质 外导体是一根圆柱形的套管 一般是细金属线编制成的网状结构 内外导体之间有绝缘层 另外 同轴电缆的两端需要有终结器 中间连接需要收发器 T形头 筒形连接器等器件 2 4 2同轴电缆 coaxialcable 2 4 2同轴电缆 coaxialcable 2 4 2同轴电缆 coaxialcable 分类与应用 等效阻抗为50欧和75欧同轴电缆 基带同轴电缆 50欧同轴电缆 用于基带数字信号传输 它又分为粗缆和细缆 宽带同轴电缆 75欧同轴电缆 用于CATV信号传输 一条电缆可以同时传输不同频率的多路模拟信号 300 450MHz 100km 需要放大器 2 4 2同轴电缆 coaxialcable 粗缆 D 2 54cm 10兆比特每秒非中继传输距离500米需要使用收发器和收发电缆AUI接口细缆 D 1 02cm 便宜的同轴电缆10兆比特每秒非中继传输距离185米BNC接口 什么是AUI接口 AUI端口是用来与粗同轴电缆连接的接口 它是一种 D 型15针接口 这在令牌环网或总线型网络中是一种比较常见的端口之一 路由器可通过粗同轴电缆收发器实现与10Base 5网络的连接 但更多的是借助于外接的收发转发器 AUI to RJ 45 实现与10Base T以太网络的连接 当然也可借助于其他类型的收发转发器实现与细同轴电缆 10Base 2 或光缆 10Base F 的连接 cisco2500系列路由器上就有AUI接口 可以通过一个DB15 RJ45的转发器接入网络 AUI对BNC细缆以太网转发器遵循IEEE802 3标准 15针D型AUI连接头连接主机 另一端连接细缆 含SQE开关 转发器与主机最大距离为50米 而转发器与转发器间的最短距离为0 5米 适用场合 这类产品常用于把早期AUI接口的网卡或其它设备 接入10BASE 2同轴电缆网络中 收发器类型AUI对BNC网络接口类型BNC最大传输距离50M 2 4 2同轴电缆 coaxialcable 粗缆优缺点 价格稍高安装方便 收发器 收发器电缆 Terminator 抗干扰能力强距离中等可靠性好 2 4 2同轴电缆 coaxialcable 细缆优缺点 价格低安装方便 T型连接器 BNC接头 Terminator 抗干扰能力强距离短可靠性差 2 4 2同轴电缆 2 4 3光缆 opticalfiber 光纤即光导纤维 利用光导纤维作为光的传输介质 以光波为信号载体的光纤通信 只有20 30年的历史 1960年 美MAINMAN 红宝石激光器1966年 英籍华人高锟 C K KAO 博士提出 Sio2石英玻璃制成光纤 低消耗1970年 美国康宁公司制出了损耗为20分贝的光纤 光纤通信的原理 2 4 3光缆 opticalfiber 光纤通信的原理 2 4 3光缆 opticalfiber 见图 入射角 逐渐增大 1 2 是折射角 当入光纤通信的原理 是基于光线由光密介质进入光疏介质时 在入射角足够大的情况下会发生全反射的特性射角 达到 3时 发生全反射 即光波能量几乎全部反射 这样才可以达到长距离高速传输的目的 2 4 3光缆 opticalfiber 结构 纤芯 光导纤维 玻璃 塑料 包层 折射率比纤维小外套分类 根据制作材料不同 塑料 玻璃 石英根据传输模式不同 多模 单模根据光纤总折射率不同 突变型 渐变型根据工作状态 短波长 长波长 超长波长 2 4 3光缆 opticalfiber 单模光纤 single mode 使用激光源100公里不中继内芯直径与光源波长相近 直径为8 10 m 125 m 2 4 3光缆 opticalfiber 突变多模光纤 multi mode 内芯密度均匀使用普通发光二极管 2公里不中继 内芯直径稍大 直径为62 5 m 125 m 2 4 3光缆 opticalfiber 渐变多模光纤 multi mode 内芯密度不均匀 纤芯的折射率由中心向外按一定的规律逐渐减小 直至与包层交界处为最小 使用普通发光二极管 2公里不中继 内芯直径稍大 直径为62 5 m 125 m 单模光纤与多模光纤的比较 光纤传送模式 MMF 波长 850 1300nm 光纤传送模式 SMF 波长 1300 1550nm 典型的光缆 常见规格 玻璃内芯 50 m缓变型MMF62 5 m缓变 增强型MMF8 3 m突变型SMF玻璃包层 125 m 典型的光缆 常见规格 玻璃内芯 50um缓变型MMF62 5um缓变 增强型MMF8 3um突变型SMF玻璃包层 125um 多芯光缆 高密度多芯光缆剖面结构 光纤 依靠光波承载信息速率高 通信容量大仅受光电转换器件的限制 100Gb s 传输损耗小 适合长距离传输抗干扰性能极好 保密性好轻便 2 4 4无线通信 2 4 4 1短波传输2 4 4 2地面微波传输2 4 4 3卫星微波通信2 4 4 4电磁波传输2 4 4 5蜂窝电话 2 4 4无线通信 电磁波电磁波是发射天线感应电流而产生的电磁振荡辐射 这些电磁波在自由空间或空中传播 最后被接收天线所感应 免费的无线电广播和电视就是以这种方式传输信号的 无线通信 无线通信 在真空中 所有的电磁波以相同的速度传播 与频率无关 大约为3 108m s 在铜线和光纤中 电磁波的传播速度为光速的2 3 而且变得与频率相关 无线电波 微波 红外线和可见光部分都可通过调节振幅 频率或相位来传输信息 无线通信 紫外线 X射线和伽玛射线也可以用来传输信息且可以获得更好的效果 但它们难以生成和调制 穿过建筑物的特性不好 且对生物有害 电磁波可运载的信息量与它的带宽有关 无线通信 无线电波用于无线电广播和电视的传输 例如 电视频道中的VHF 甚高频 的播送频率为30MHz 300MHz UHF 超高频 的播送频率为300MHz 3GHz 无线电波也用于AM和PM广播 业余无线电 蜂窝电话和短波广播 每一种通信都必须无线电管理委员会申请一个频率波段 无线通信 短波通信是一种以波长为10 100m的电磁波进行信号传输的一种通信方式 其工作频率的范围在3 30MHz微波通信是指用频率在300MHz到10GHz的微波信号进行通信 微波通信分为地面微波通信和卫星微波通信 2 4 4 1短波传输 短波可以通过两种形式进行传播 沿地球的表面以地波的形式传播和通过电离层的反射以天波的形式传播 这两种传播形式有其各自的频率范围和传输距离 无线通信 短波传输 由于短波在以地波的形式进行传播时 陆地和海洋均会引起信号的衰损 所以短波一般采用天波的形式进行传播 在这种方式下 电波在经过电离层的一次反射或电离层与地面之间的多次反射后才能到达目的地 2 4 4 2地面微波传输 微波传输一般发生在两个地面站之间 微波传输的两个特性限制了它的使用范围 首先 微波是直线传播的 它无法象某些低频波那样沿着地球的曲面传播 其次 大气条件和固体物将妨碍微波的传播 比如说 微波就无法穿过建筑物 无线通信 地面微波传输 如果要实现长途传送 可以在中间设置几个中继站 中继站上的天线依次将信号传递给相邻的站点 这种传递不断持续下去就可以实现视线被地表切断的两个站点间的传输 无线通信 地