数据通信原理PPT课件(490页)-增加编码.ppt

闻兆海E mail zhwen968 中国地质大学机械与电子信息学院通信工程系 数据通信原理 一 课程介绍 数据通信原理是在介绍了数据通信系统构成及有关基本概念的基础上 对数据信号的基带传输 频带传输和数字数据传输这三种基本传输方式从理论上进行了详细的论述 然后介绍了差错控制的基本理论及应用 接着讨论了数据通信的几种交换方式 如电路交换 报文交换 分组交换和帧方式 继而分析了通信协议 最后介绍了分组交换网 帧中继网 数字数据网 DDN 的基本构成及应用 数据通信原理是一门非常重要的专业课 通过对本课程的学习 能使同学们对数据通信的基本概念 数据通信网等有一个较全面的了解 并能掌握一定的数据通信基本理论和有关数据通信技术的一些应用技能 学好这门课对学习后继课程打下一个良好的基础 同时也会对从事通信和计算机等方面的工作有所帮助 二 教学目的 数据通信的重要性 计算机之间的通信 数据通信通信网的发展趋势 电话网 三网融合 就是数据通信 可见它的重要性 计算机网 有线电视网 宽带IP网 目录 第1章绪论第2章数据通信基础知识第3章数据信号的基带传输第4章数据信号的频带传输第5章差错控制与信道编码第6章物理层接口与传输控制教程第7章数据交换技术 第1章绪论 目的要求 本章介绍数据通信有关的重要概念和定义 要求理解数据通信系统的构成 数据传输速率 方式 质量和信道容量的基本内容 授课内容 1 1数据通信及系统组成1 2数据通信传输方式1 3数据通信系统质量指标1 4数据通信网与计算机网络 返回目录 1 1数据通信及系统组成 1 1 1消息 信息及数据的关系1 1 2数据通信系统组成1 1 3数据通信及其特点 返回目录 1 1数据通信及系统组成 信息与网络的时代 几大互联网 CASNet CERnet CHINAGBN Chinanet 163网 UNInet CNCNET 与其他网络物理隔离服务于军队的军网这几大网络为我国数据通信的应用和发展提供强大而多样的网络平台 而数据通信也为这些网络提供了可靠而坚实的技术基础 1 1 1消息 信息及数据的关系 1 消息消息是指通信过程中传输的具体原始对象 如电话中语音 电视中图像 电报中电文 雷达中目标的距离 高度 方位 遥测系统中测量的数据等 这些消息在物理特征上各不相同 所以各种消息的组成亦不相同 特点 能够被通信双方理解可以传递 2 信号把消息转换成适合于信道传输的物理量 就是信号 信号携带着消息 它是消息的运载工具 通信中的信号有电信号和光信号两种 信号可以分为模拟信号和数字信号 模拟信号是指信号的某一参量可以取无穷多个值 并且与原始消息直接对应的信号 如话音信号及其按照抽样定理所得的PAM样值信号等 数字信号是指信号的某一参量只能取有限多个值 且与原始消息不直接对应的信号 如计算机终端输出的二进制信号及其经过PSK FSK等调制方式调制后所得的信号等 模拟信号与数字信号之间的相互转换 模拟信号一般通过PCM脉码调制 PulseCodeModulation 方法量化为数字信号 即让模拟信号的不同幅度分别对应不同的二进制值 例如采用8位编码可将模拟信号量化为2 8 256个量级 实用中常采取24位或30位编码 数字信号一般通过对载波进行移相 PhaseShift 的方法转换为模拟信号 计算机 计算机局域网与城域网中均使用二进制数字信号 讨论 1 数字信号与模拟信号的区别就在于是根据幅度取值上是否离散而定的 2 模拟信号与数字信号二者之间 在一定条件下是可以相互转换的 根据信道上传输的信号形式的不同 可以分为两类通信方式 模拟通信 以模拟信号的形式传递消息 采用频分复用实线多路通信 频分复用是利用各路信号在信道上占用不同的频率范围 同在一条信道上传输 并且互不干扰 数字通信 以数字信号的形式传递消息 采用时分复用实线多路通信 时分复用是利用各路信号咋信道上占有不同的时间间隙 同在一条信道上传输 并且互不干扰 3 信息香农认为 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 根据香农的有关信息的定义 那么信息是如何度量的呢 显然 信息量与不确定性消除程度有关 量度信息多少的测度就是信息量 一则离散消息包含的信息量可表示为 其中P表示该消息发生的概率 底数a决定了信息量的单位 它可以任意取值 常取2 10 e a 2I log2P单位为比特 bit a eI lnP单位为奈特 nat a 10I lgP单位为哈 hartley a MI logMP单位为M进制信息单位 数据通信中若数据采用二进制传输 此时将二进制的每个符号 0 或 1 称为码元 当两个码元等概出现时 每个码元包含的信息量为 I log22 1bit因此通常常将二进制序列称为比特流 但若两个码元出现的概率不等 此时每个码元包含的信息量已不是1bit 更一般的情况 当采用M进制传输时 此时共有 0 1 M 1 个码元 且各码元出现的概率不相等 分别为P0 P1 PM 1 此时每个码元包含的信息量并不相等 分别为 因为上式与热力学和统计力学中系统熵的计算公式相似 故常将平均信息量称为信息熵 可以证明上式中 当P0 P1 PM 1时取最大值 对上式求其期望 将其称作平均信息量H 表示平均每个码元包含信息的多少 单位为bit 符号如下式所示 4 数据数据就是赋予一定含义的数字 字母 文字等符号及其组合 它是消息的一种表现形式 数据涉及到事物的形式 而信息涉及的是这些数据的内容 数据又分为模拟数据和数字数据 模拟数据和数字数据都可以用模拟信号和数字信号表示和传播 而模拟信号和数字信号都可以在合适的传输介质上传输 通常 将传输过程中使用模拟信号的传输方式称为模拟数据传输 可能需要调制解调器 将传输过程中使用数字信号的传输方式称为数字数据传输 可能需要编解码 返回 1 1 2数据通信系统组成 1 数据通信系统的概念数据通信系统是通过数据电路将分布在远端的数据终端设备与计算机系统连接起来 实现数据传输 交换 存储和处理的系统 2 数据通信系统的组成 数据通信系统由数据终端设备DTE 数据电路终结设备DCE以及传输信道三部分组成 DTE 数据终端设备 指计算机 用户电报终端 可视图文终端 局域网设备等输入输出设备 其主要功能是完成数据的采集 存储及处理等功能 并提供人机接口 供操作人员访问通信系统或网络资源 DCE 数据电路终接设备 是DTE和信道的接口 使信道更有利于信道的传输 如调制解调器Modem 传输信道 根据不同的规则有不同的分类方法 例如可以分为模拟信道和数字信道 有线信道和无线信道 交换信道和专用信道等 数据电路 由DCE和传输线路构成 可视为广义信道 数据链路 具有通信协议功能的数据 传输更可靠 其误码率一般比数据电路下降10 4左右 数据通信过程 在模拟信道中 DCE是MODEM 数据终端先产生了数据 经过数据输入输出设备以后 用传输代码来表示变成数据信号 经过传输控制器完成各种传输控制功能 此时数据终端设备输出的是基带信号 发送方将DTE送来的数据信号进行调制 将其频带搬移到话音频带上 同时也将信号变成模拟信号 接收端则进行相反的变换 在数字信道中 DCE是数字适配器 数据终端先产生了数据 经过数据输入输出设备以后 用传输代码来表示变成数据信号 经过传输控制器完成各种传输控制功能 此时数据终端设备输出的还是基带信号 数字适配器执行码型和电平转换 定时 信号再生和同步功能 信道服务单元主要是执行信道均衡 信号整形等功能 接收端则进行相反的变换 讨论 1 数据电路与数据链路的关系 数据链路由数据电路及两端的传输控制器组成 对于只单独建立数据电路 是无法进行可靠有效地通信 2 只有建立了数据链路通信双方才能有效 可靠地进行数据通信 3 一个中央计算机系统 实际上也就是数据终端设备DTE 是可以通过通信线路连接多个数据终端 实现主机之间资源共享 返回 1 1 3数据通信及其特点 1 数据通信的概念数据通信是依照通信协议 利用数据传输技术在两个功能单元之间来传递数据通信信息 功能单元就是指数据终端 它可以实现计算机与计算机 计算机与终端或者终端与终端之间的数据信息传递 所谓通信协议就是通信双方事先约定好的双方都必须遵守的通信规则 它实际上是一些通信规则集 通信协议一般由语法 语义和时序组成 1 语法 Syntax 数据与控制信息的格式 数据编码等 2 语义 Semantics 控制信息的内容 需要做出的动作及响应 3 时序 Timing 事件先后顺序和速度匹配 2 数据通信的特点 1 计算机终端等机器作为主体直接参与通信 2 传输速率高 要求通信终端的响应速度快 3 DTE发出的数据是离散信号 数字信号 既可利用现有的PSTN 又可利用数据网络来完成 4 具有差错控制能力 5 具有灵活的接口能力 6 每次呼叫平均时间短 要求接续和传输响应时间快 7 抗干扰能力强 8 容易加密 且加密技术 加密手段优于传统通信方式 返回 1 2数据通信传输方式 1 2 1基带传输与频带传输1 2 2并行传输与串行传输1 2 3异步传输与同步传输1 2 4单工 半双工与双工传输 返回目录 1 2 1基带传输与频带传输 1 基带传输基带传输就是将DTE经过码型变换 电平转换等必要处理后直接在信道上传输 常用于短距离的数据传输系统中 2 频带传输频带传输是在数据传输之前首先经过调制器 将基带信号变换成频带信号 然后在信道中传输 返回 1 2 2并行传输与串行传输 1 并行传输并行传输是指将数据符号编码后 在两条以上的并行信道上同时传输 一般一次传输一个字符 如 采用8单位代码组成的字符时 可以用8条信道并行传输 特点 1 优点 对于每次只传输一个字符 因此它不需要额外的措施来实现收发双方的字符同步 2 缺点 必须有多条并行信道 成本比较高 不适宜远距离传输 适用场合 计算机等设备内部或两个设备之间距离比较近时的外线上采用 如计算机到打印机之间的数据传输 2 串行传输串行传输是指将数据编码按位或按码元依次在一条信道上传输 特点 1 优点 只需要一条传输信道 花费的成本低 易于实现 2 缺点 是要采取措施实现字符同步 适用场合 是目前外线上主要采用的一种传输方式 通常用于远距离通信 返回 1 2 3异步传输与同步传输 1 异步传输所谓异步传输是指只要DTE有数据需要发送 就可以在任何时刻向信道发送信号 而接收方通过检测信道上的电平变化与否就能自主判断何时接收数据 异步传输方式一般以字符为单位传输 每个字符的起始时刻可以是任意的 每次只传送由若干bit组成的一个字符的代码 在每次发送的一个字符代码前面 都要加一个 起始 信号 起始 信号极性规定为 0 长度为一个码元 该字符代码的后面 都要加一个 停止 信号 停止 信号的极性为 1 长度有两种 国际电报2号码的 停止 信号长度为1 5个码元 国际5号码或其他代码的 停止 信号长度为1或2个码元 特点 1 优点 收发双方的时钟信号不需要精确的同步 实现字符之间同步比较简单 2 缺点 对于每个字符都需要加入起始位和终止位 因此信息传输效率低适用场合 常用于1200比特 s及其以下的低速数据传输 2 同步传输所谓同步传输必须建立准确的同步系统 因此它都是以固定的时钟节拍来发送数据信号的 所以在一个串行数据流中 各信号码元之间的相对位置是固定的 也就是同步 同步系统首先要建立准确的位同步 若以该方式传输时 数据一般以帧的形式组织 故还必须建立帧同步 若是频带传输且收端需要相干接受 还需建立载波同步 特点 1 优点 不需要每字节都加同步信息 故传输效率较高 2 缺点 必须建立准确的时钟同步 实现起来比较复杂适用场合 常用于2400bit s及其以上的高速数据传输 返回 1 2 4单工 半双工和双工传输 1 单工传输单工传输是指两站之间只能沿一个方向传输数据 如数据由A站传到B站 称为正向信道 B站至A站只能传送联络信号 传输效率较低 一般不超过75bit s 称为反向信道 通常用于远程数据收集系统 例如气象数据的收集 如 计算机与监视器及键盘 计算机之间的数据传输 遥测等 2 半双工传输半双工传输是指两个站之间可以在两个方向上进行数据传输 但不能同时 只能轮流进行传输 即传输信号时占用信道的整个带宽 如 对讲机 使用同一载频工作的无线电机等 3 双工传输双工传输是指在两数据站之间 可以在两个方向上同时进行传输 可以是四线或二线传输 四线传输时有两条物理上独立的信道 一条发送一条接收 两个方向的信号可以采用频分复用或时分复用的方法将信道的带宽一分为二 二线传输可以采用回波抵消技术使两个方向的数据共享信道带宽 如普通电话 适用于高速数据通信系统 讨论 双工传输往往采用四线线路来实现 单工或半双工传输往往采用两线线路来实现 两线线路也可实现双工传输 但此时往往需要采用频率复用 时分复用或回波抵消技术等较为复杂的技术 返回 1 3数据通信系统的质量指标 1 3 1数据通信系统的有效性1 3 2数据通信系统的可靠性 返回目录 所谓质量指标是指用来衡量一个通信系统性能优劣的技术指标 对于数据通信系统 其质量指标有很多种 例如 标准性用来衡量描述系统结构 接口 协议等的标准化程度经济性用来描述系统的性能价格比可维护性用来描述系统故障处理与系统维护的复杂程度可用度用来描述系统正常工作能力的高低本节主要从数据传输的角度出发来讨论系统有效性和可靠性 1 3 1数据通信系统的有效性 有效性是指给定信道内传输信息的多少 常通过传输速率 频带利用率来描述 1 码元速率 RB 码元速率是指给定信道内单位时间传输码元的多少 其单位是波特 Baud 码元 携带数据信息的波形或信号脉冲 如二电平信号 一个码元有两种状态 0或1 四电平信号 一个码元有四种状态 00 01 10 11 任意的M进制有 0 1 M 1 共M个码元 等概条件下每个码元包含的信息量相等 例如此时M进制的每个码元包含的信息量为Log2M 二电平信号 四电平信号 调制速率反映信号波形变换的频繁程度 又称码元传输速率 码元速率 或传码率 波特率 符号速率 定义 每秒钟传输信号码元的个数 单位 波特 常用 Bd 表示标识符 RBRB 1 T 其中T为码元长度 即一个码元波形的持续时间 因此 RB与进制无关 2 信息速率信息速率是指给定信道内单位时间传输信息的多少 单位是比特 秒 bit s 信息速率又称为传信率 信息速率与码元速率有如下关系 对于M进制 各码元等概出现时有Rb RBlog2M若各码元不等概出现 则Rb RBH其中H为平均信息量 例1 某数据通信系统传输128个符号 其中有64个符号出现的概率分别为1 128 另外32个符号的出现概率分别为1 64 且每个符号的持续时间为0 1ms 求此时系统的信息速率 解 由题意可知系统的码元速率为RB 1 Tb 100Baud由于各符号出现概率不同 则平均信息量为H 64 1 256 log2 256 32 1 128 log2 128 32 1 64 log2 64 6 25bit 符号所以信息速率Rb RBH 100 6 25 625bit s 3 频带利用率频带利用率是指单位频带内实现的传输速率 单位为Baud Hz 或者bit s Hz 这主要取决于用哪种速率来计算 单位为Baud Hz 单位为bit s Hz 其中 B为系统带宽 单位为Hz 返回 1 3 2数据通信系统的可靠性 可靠性是指给定信道内传输信息的准确程度 常通过误码率 误比特率等来描述 1 误码率 Pe n 其中n表示系统传输的总码元数 ne表示传输出错的码元数目 也即误码率是指错误码元在总码元数目中所占的比率 2 误比特率 Pb nb 其中nb表示系统传输的总比特数 nbe表示传输出错的比特数目 也即误比特率是指错误比特在传输的总比特数目中所占的比率 例2 某数据通信系统调制速率为1200Bd 采用8电平传输 假设100秒误了1个比特 求误码率 设系统的带宽为600Hz 求频带利用率为多少bit s Hz 解 由于各个码元出现的概率相同 则信息速率Rb RBlog2M 1200 log28 3600bit s误比特率Pb 接收出现差错的比特数军 总的发送比特数 1 100 3600 2 8 10 6频带利用率r Rb B 3600 600 6bit s Hz 返回 1 4计算机网络与数据通信网 1 4 1计算机网络1 4 2数据通信网1 4 3计算机网络的发展过程 返回目录 1 4 1计算机网络 1 计算机网络组成计算机网通常分为资源子网和通信子网两部分如下图所示 资源子网由计算机系统 终端 各种外围设备以及各种信息资源库等组成 其作用是处理网内各种数据并向用户提供网络服务 通信子网由通信控制处理机 通信线路等组成 主要完成网络数据的传输与交换等通信处理功能 2 计算机通信网的分类按照拓扑结构的不同可以分为 星型网总线型网环型网按照网络覆盖的地理范围可分为 局域网LAN校园网CAN城域网MAN广域网WAN全球网GAN按照所属权限可分为 公用网专用网 返回 1 4 2数据通信网 数据通信网是在通信网络的基础上依靠分布在各处的数据传输设备 数据交换设备和通信线路所构成的网络 其根本任务是在网络上透明 无错 快速地交换和传输数据 即计算机网络中的通信子网 对其基本要求有快速的交换与传输 高度的标准化和完善的网络管理等 返回 1 4 3计算机网络的发展过程 计算机网络是计算机技术与通信技术结合的产物 它的出现根源于社会的需求 19世纪40年代 20世纪30年代电磁技术广泛用于通信20世纪30年代 60年代电子技术广泛用于通信60年代 80年代计算机技术和通信技术相结合 1 面向终端的计算机网络 T M M T PSTN CPU 通信控制器 T PSTN PublicSwitchedTelephoneNetworkModem 调制解调器 数模转换设备 串行接口 1 通信控制器的功能多个终端同时要求与主机通信时的争用问题串行信号与并行信号的转换控制Modem差错检测与控制 2 特点单机系统速率慢主机系统负荷过重线路利用率低 2 两级结构的计算机网络 IMP IMP IMP IMP IMP 通信子网 H H H H H H H H H H H H H 逻辑上形成了由资源与通信子网组成的两级网络结构 56 6kbps 1 通信子网由56kbps的通信线路把分散在不同地点的通信处理机 IMP 连接起来构成的 传输线 转发部件负责全网的数据通信工作 2 资源子网由主机系统的软硬件 数据库等各种资源组成 承接各种数据收集 查询及处理业务 3 优点提高通信线路的利用率充分发挥主机系统的效率减少传输线数目便于扩展网络 3 正式步入 网络标准化时代 1 1974年 IBM提出了系统网络体系结构 SNA 2 1975年 DEC公司提出了数字网络体系结构 DNA UNIVAC公司提出了分布式通信体系结构DCA 3 1977年 国际标准化组织 ISO 成立了计算机与信息处理标准化委员会 TC97 下属的开放系统互连 OSI 分技术委员会 SC16 并开始着手制定OSI的一系列国际标准 4 1981年 ISO正式提出了 开放系统互连 ISO 基本参考模型 的国际标准 4 局域网络时代 1 1980年Intel DEC及Xerox三个公司联合公布了Ethernet规范 2 1980年2月IEEE 美国电气与电子工程师协会 在旧会山成立了IEEE802局域网络标准委员会 并制定了一系列局域网络标准 后来被国际标准化组织所采纳 成为局域网的ISO8802的公共标准 3 特点新一代光纤局域网络 光纤分布式数据接口 FDDI 网络标准及产品也相继问世 LAN与WAN的结合 5 互联网络 LAN LAN LAN LAN的扩展 WAN WAN WAN的扩展 WAN LAN LAN LAN LAN 返回 第2章数据通信基础知识 目的要求 本章要求掌握信号带宽的概念 掌握信道容量的计算 了解信道分类及信道噪声 掌握FDM TDM的基本原理 了解数据通信的同步 授课内容 2 1信号与调制解调2 2传输信道2 3多路复用 返回目录 2 1信号与调制解调 2 1 1信号的频谱2 1 2信号的带宽2 1 3调制解调的基本原理 返回目录 2 1 1信号的频谱 确知信号的频谱为其傅氏变换 或随机信号的频谱常用其功率普密度表示 或功率谱密度与信号平均功率的关系 返回 2 1 2信号的带宽 信号带宽是信号频谱的宽度 也就是信号的最高频率分量与最低频率分量之差 实际上 带宽是衡量信号频带宽度的一个量 它表示我们通过测量仪器可以感受到的频率范围 也就是说 一个信号在频域看上去有多宽 1 零点带宽数据信号频谱主要能量是集中在第一个零点之内的 当其旁瓣不足以引起信号失真时 定义fb为信号的零点带宽 2 百分比带宽百分比带宽由下式来定义 其中fr称为百分比带宽 可以取96 98 99 等值 其含义是 在该带宽范围内信号的功率占总功率 3 矩形等效带宽对于具有在零点或中心频率处取最大值频谱结构的信号 如下图所示 可以定义矩形等效带宽BC 其含义为 4 3dB带宽3dB带宽又称半功率带宽 如下图所示 信号频谱在f0处取最大值 返回 2 1 3调制解调的基本概念 为什么要调制 首先 由于频率资源的有限性 限制了我们无法用开路信道传输信息 再者 通信的最终目的是远距离传递信息 由于传输失真 传输损耗以及保证带内特性的原因 基带信号是无法在无线信道或光纤信道上进行长距离传输的 为了进行长途传输 必须对数字信号进行载波调制将信号频谱搬移到高频处才能在信道中传输 最后 较小的倍频程也保证了良好的带内特性 1 调制的定义 1 时域定义 调制就是用基带信号去控制载波信号的某个或几个参量的变化 将信息荷载在其上形成已调信号传输 而解调是调制的反过程 通过具体的方法从已调信号的参量变化中将恢复原始的基带信号 2 频域定义 调制就是将基带信号的频谱搬移到信道通带中或者其中的某个频段上的过程 而解调是将信道中来的频带信号恢复为基带信号的反过程 2 调制器的模型x t 调制信号 即数据终端产生的基带信号C t 是载波 AC是载波幅度 fC是载波频率简称载频 0是载波的初始相位 s t 是已调信号 即调制后的频带信号 其中包含了x t 的全部信息 信道中传输的就是该信号 3 调制的分类 1 按照调制信号的类型 模拟调制 一般指调制信号和载波都是连续波的调制方式 它有调幅 调频和调相三种基本形式 数字调制 一般指调制信号是离散的 而载波是连续波的调制方式 它有四种基本形式 振幅键控 移频键控 移相键控和差分移相键控 2 按照载波类型 连续载波调制 载波是连续波形信号 例如正弦高频信号脉冲载波调制 载波是脉冲序列 常用的是矩形脉冲序列 3 按照调制器功能 幅度调制 调制信号控制载波幅度变化 例如AM ASK等频率调制 调制信号控制载波瞬时频率变化 例如FM FSK等相位调制 调制信号控制载波瞬时相位变化 例如PM PSK等 4 解调方式 1 相干解调通过本地相干载波进行相干运算 从已调信号的相位变化中恢复原始信号的方法 2 非相干解调其原理是从已调信号的幅度变化中提取调制信号 因为其不需要同步载波 所以又称之为非同步解调 5 调制解调的功能 1 实现信号与信道的匹配实现信号无线发射实现频分复用 2 选择合适的调制解调方式有利于提高传输可靠性 3 选择合适的调制解调方式有利于提高传输有效性 返回 2 2传输信道 2 2 1传输信道的分类2 2 2传输介质2 2 3信道噪声2 2 4信道容量 返回目录 信道的定义 信道 通俗地说 是指以传输媒质为基础的信号通路 具体地说 信道是指由有线或无线电线路提供的信号通路 信道的作用是传输信号 它提供一段频带让信号通过 同时又给信号加以限制和损害 2 2 1传输信道的分类 信道可以分为狭义信道和广义信道两种 1 狭义信道狭义信道是指在发端设备和收端设备中间的传输媒介 它包括有线信道和无线信道 2 广义信道广义信道通常也可分成两种 调制信道和编码信道 如下图所示 1 调制信道模型调制信道的范围是从调制器输出端到解调器输入端 通常它具有如下性质 有一对 或多对 输入端和一对 或多对 输出端 绝大部分信道都是线性的 即满足叠加原理 信号通过信道会出现迟延时间 信道对信号有损耗它包括固定损耗或时变损耗 即使没有信号输入 在信道的输出端仍可能有一定的功率输出 噪声 对于二对端的信道模型来说 其输出与输入之间的关系式可表示成 将上式进一步简化可以写成 这样信道对信号的影响可归纳为两点 一是乘性干扰k t 二是加性干扰n t 不同特性的信道 仅反映信道模型有不同的k t 及n t 根据信道中k t 的特性不同 可以将信道分为 恒参信道和变参信道 2 编码信道模型从编码器输出端到译码器输入端的所有转换器及传输媒质可用一个完成数字序列变换的方框加以概括 此方框称为编码信道 编码信道的模型可用数字信号的转移概率来描述 模型中 把 称为信道转移概率 以为例 其含义是 经信道传输 把0转移为1的概率 转移概率由编码信道的特性决定 一个特定的编码信道就会有相应确定的转移概率 编码信道可进一步分为无记忆编码信道和有记忆编码信道 返回 2 2 2传输介质 传输介质是通信中实际传送信息的载体 计算机网络中采用的物理传输可分为有线和无线两大类 双绞线 同轴电缆和光纤是常用的三种有线媒体 卫星 无线电通信 红外通信 激光通信以及微波通信传送信息的载体都是属于无线媒体 1 双绞线定义 将一对绝缘线纽绞在一起 任意拧成螺旋形就构成了双绞线 构造 双绞线线对绞合越紧密和均匀 双绞线的质量越好 特性 双绞线的优点是价格便宜 使用方便 安装容易 因此常作为用户与本地中心站及中心站与中心站间的连线 分类 双绞线根据有无屏蔽层可以分为 非屏蔽双绞线 UTP 和屏蔽双绞线 STP 2 同轴电缆定义 同轴电缆是对地不对称的同轴管构成的一种通信回路 构造 其内导体是一铜质芯线 外面包有绝缘层和网状编织物的外导体屏蔽层 最外面是塑料保护外层 特性 寿命长 通信容量大 质量稳定 外界干扰小 可靠性高和维护便利等优点 在有限通信中占有很大比重 在局域网中应用非常广泛 分类 按其阻抗特性来分主要有三大类 即50 75 93 3 光纤定义 光纤又称光导纤维 通常由非常透明的石英玻璃拉成细丝状 是一根很细很细的 能传导光束的介质 构造 和同轴电缆相似 但没有网状屏蔽层 中心是玻璃纤芯 芯外面包围着一层玻璃封套 又叫包层 再外面是一层薄的塑料外壳 用来保护玻璃封套 分类 目前广泛应用的光纤分为两大类 单模光纤和多模光纤 单模 细芯 要有激光源 端难接 色散小 效率高 价格昂贵 适于长距离与高速场合 多模 粗芯 端接容易 色散大 效率低 价格较便宜 用于短距离与低速场合 光纤的物理原理 塑料制成的外壳可以吸收光线 防止串音 保护外层表面 透明玻璃制成的纤芯和包层可使光线沿着纤芯传播 并在它们之间的接触面上进行光的反射 纤芯的折射率要高于包层 以保证光线在纤芯中传输时比在包层中慢 这样就使从纤芯向包层传送的光波能被反射回纤芯 并沿光纤传播 光纤的传输原理 利用光导纤维传递光脉冲来完成通信 光源被放置在发送端 如采用发光二极管或半导体激光器 并使之在电脉冲的作用下产生光脉冲 有光脉冲相当于 1 无光脉冲相当于 0 在接收端利用光电二极管制成光检测器 在检测到光脉冲时便可还原出电脉冲 返回 2 2 3信道噪声 根据信道中加性噪声的来源不同 可以粗略地分为以下四类 1 无线电噪声 2 工业噪声 3 天电噪声 4 内部噪声 从噪声性质来区分可有 1 单频噪声 2 脉冲干扰 3 起伏噪声 其中影响最大的是起伏噪声 它是通信系统最基本的噪声源 而起伏噪声主要包括 信道内所有的热噪声 散弹噪声和宇宙噪声等 通信中的常见噪声1 白噪声定义 白噪声是指它的功率谱密度函数在整个频域内是常数 即服从均匀分布 白噪声的功率谱密度函数为 双边谱密度 单边谱密度 2 高斯噪声定义 高斯噪声是指它的概率密度函数服从高斯分布 即正态分布 的一类噪声 其一维概率密度函数可用数学表达式表示为 a为噪声的数学期望值 也就是均值 为噪声的方差 3 高斯型白噪声定义 高斯型白噪声也称高斯白噪声 是指噪声的概率密度函数满足正态分布统计特性 同时它的功率谱密度函数是常数的一类噪声 4 窄带高斯白噪声定义 当高斯噪声通过以为中心角频率的窄带系统时 就可形成窄带高斯噪声 窄带高斯噪声可表示为 式中 为噪声的随机包络 为噪声的随机相位 相对于载波的变化而言 它们的变化要缓慢的多 返回 2 2 4信道容量 所谓的信道容量是指信道在单位时间内所能传送的最大信息量 即指信道的最大传信率 单位是每秒多少比特 由于信道有模拟信道和数字信道之分 那么信道容量也有模拟信道容量和数字信道容量之分 1 模拟信道的信道容量模拟信道的信道容量是可以根据香农定理来计算 香农定理指出 在信号平均功率受限的加性高斯白噪声信道中 信道的极限信息传输速率即信道容量 其中C为信道容量 B为带宽 单位是Hz S N为信噪功率比 S N db 10lg S N db 例1 有一个经调制解调器传输数据信号的电话网信道 该信道带宽为3000Hz 信道噪声为加性高斯白噪声 其信噪比为20db 求该信道的信道容量解 S N db 10lg S N db S N 102 100C Blog2 1 S N 3000log2 1 100 19974bit s 例2 已知仅存在加性高斯白噪声的信道容量为33 6kbit s 其信号噪声功率比为30db 求此模拟信道的带宽为多少 解 10lg S N 30dbS N 103 1000C Blog2 1 S N Blog2 1001 33 6kbit sB 33 6 log21001 3 37kHz 3371Hz 2 数字信道的信道容量典型的数字信道是平稳 对称 无记忆的离散信道 它可以用二进制或多进制传输离散 是指信道内传输的信号是离散的数字信号对称 是指任何码元正确传输和错误传输的概率与其他码元一样平稳 是指对任何码元来说 错误概率的取值都是相同的无记忆 是指接收到的第i个码元仅与发送的第i个码元有关 而与第i个码元以前的发送码元无关 根据奈奎斯特准则 带宽为B的信道所能传送的信号最高码元速率为2B波特 因此 无噪声数字信道容量为C 2Blog2M bit s 其中M为传输时数据信号的取值状态 也就是进制数 例 假设一个传四进制数字信号的无噪声数字信道 带宽为3000Hz 求其信道容量解 C 2Blog2M 2 3000 log24 12000 bit s 返回 2 3多路复用 2 3 1频分多路复用 FDM 2 3 2时分多路复用 TDM 2 3 3波分多路复用 WDM 返回目录 2 3 1频分多路复用 FDM FDM是把信道的可用频带分成多个互不交叠的频段 带 每个信号占其中一个频段 接收时用适当的滤波器分离出不同信号 分别进行解调接收 返回 2 3 2时分多路复用 TDM 时分复用原理是将信道占用时间分成若干个小的时间片 称之为时隙 每个时隙就是一条时分复用信道 可以传输一个用户的信号 也就是说各路信号可以同时在同一信道中传输时占有不同的时间间隔 这时就需要将时间分成均匀的时间间隔 将每路信号分配在不同的时间间隔内传输 一边达到互相分开的目的 时分多路复用可以分为同步时分复用和异步时分复用两种 1 同步时分复用 STDM STDM采用固定时间片分配方式 将传输信号的时间按特定长度连续地划分成特定时间段 一个周期 再将每一时间段划分成等长度的多个时隙 每个时隙以固定的方式分配给各路数字信号 各路数字信号在每一时间段都顺序分配到一个时隙 由于在同步时分复用方式中 时隙预先分配且固定不变 无论时隙拥有者是否传输数据都占有一定时隙 形成了时隙浪费 其时隙的利用率很低 2 异步时分复用 ATDM 异步时分复用技术又被称为统计时分复用 它能动态地按需分配时隙 避免每个时间段中出现空闲时隙 ATDM就是只有当某一路用户有数据要发送时才把时隙分配给它 当用户暂停发送数据时 则不给它分配时隙 电路的空闲时隙可用于其他用户的数据传输 在所有的数据帧中 除最后一个帧外 其他所有帧均不会出现空闲的时隙 从而提高了资源的利用率 也提高了传输速率 返回 2 3 3波分多路复用 WDM 波分复用是指在一根光纤上 同时传送多个波长不同的光载波 其基本原理与频分复用相同 区别仅在于FDM使用的是电载波 而WDM使用的是光载波 利用波分复用技术可以在不增建光缆线路或不改建原有光缆的基础上 使光缆传输容量扩大几倍甚至几十倍 上百倍 返回 第3章数据信号的基带传输 目的要求 掌握基带信号的码型 基带系统的组成 无码间干扰的基带传输的定义及条件 基带系统形成波形 奈奎斯特第一准则 部分响应和时域均衡的基本原理基本特点 本章是本课程的重点 授课内容 3 1数据基带信号分析3 2基带传输系统组成3 3无码间干扰的基带传输系统3 4眼图3 5基带传输系统性能分析3 6改善系统性能的几个措施 返回目录 3 1数据基带信号分析 3 1 1常用的基带信号3 1 2基带信号的功率谱密度 返回目录 3 1 1常用基带信号 基带传输是数据通信中的基本传输方式 数据终端只要经过简单的电平和码型变换后就可以在信道中直接传输 主要应用在局域网等短距离的数据传输中 不搬移基带信号频谱的传输方式 基带信号是代码的电表示形式 信号的主要能量集中于从0开始至某一频率的低通型频带 在实际基带传输中并不是所有代码的电波形都能在信道上传输 因此 选用传输码型应考虑以下原则 F传输码型中应不含有直流分量 且低频分量和过高频分量也不要太多 F传输码型中应含有定时时钟信息 以利于收端定时时钟的提取 F传输码型应具有误码检测能力 F码型变换设备简单 易于实现 F误码增殖要小 1 单极性码不归零 NRZ 码 编码规则 1表示高电平 0表示低电平 在整个码元期间电平保持不变 特点及应用 发送能量大有利于提高收端信比带宽窄但直流和低频成分大 不能提取同步信号判决电平不易稳定一般用于设备内部和短距离通信中 占空比 Tb 典型的取值是 Tb 50 2 单极性码归零 RZ 码 编码规则 传送1时发送一个宽度小于码元持续时间的归零脉冲 传送0时不发送脉冲 特点及应用 具有单极性码的大多特点但带宽增大 可以直接提取同步信息一般用于设备内部和短距离通信中 3 双极性码不归零 BNRZ 码 编码规则 1表示高电平 1表示低电平 在整个码元期间电平保持不变 特点及应用发送能量大有利于提高收端信比无直流但低频成份大不能提取同步信号判决电平容易稳定 无需线路接地 4 双极性码归零 BRZ 码 编码规则 构成原理与RZ相同 1 正 1 负 相邻脉冲间必有零电平存在 在接收端根据接收波形归于零电平便可知1比特信息结束 特点及应用 具有双极性码的优点比较容易提取同步信息 编码规则 差分码是用相邻两个电平变化与否表示 1 和 0 所以又称为相对码记作bn 5 差分码 差分码又可以分为两种 传号码和空号码 传号码是指相邻两个电平变化表示为1 如果不变表示为0 其中1用高电平来表示 0用低电平来表示 实际上他们的运算就是异或运算 而空号码则是相反的 特点及应用即使传输过程中所有电平都发生了反转 接收端仍能正确判决是数据传输系统中的一种常用码型 6 极性交替 AMI 码 编码规则 消息代码0仍变换为传输码的0 而把代码中的1交替地变换为传输码的 1 1 特点 无直流分量 且只有很小的低频成分 从一个二进制符号序列变成了一个三进制符号序列 编译码电路简单 并便于观察误码情况 缺点 当它用来获取定时信息时 由于它可能出现长的连0串 因而会造成提取定时信号的困难 7 三阶高密度双极性 HDB3 码 编码规则 1 按AMI码编码 2 用000V替代长连零小段0000 V的极性与前一个非零码的极性相同 3 检查V码是否极性交替 若不交替 把当前的000V用B00V代替 B的极性与前一个非零符号的极性相反 加B后 则后边所有非零符号反号 检查HDB3码正确与否 一看 1 与B合起来极性是否交替 二看V码是否交替 两者都交替则编码正确 例 信息流 01000011000001110 第一步 0 10000 1 100000 1 1 10 第二步 0 1000 V 1 1000 V0 1 1 10 第三步 0 1000 V 1 1 B00 V0 1 1 10 t 1 0 0 1 0 v 1 0 B 0 0 v 0 1 1 1 0 破坏脉冲 补救脉冲 特点 编码比较复杂 但译码却比较简单除保持了AMI码的优点外 还增加了使连0串减少到至多3个的优点 这对于定时信号的恢复是十分有利的 缺点 HDB3码若产生一个误码 可能造成假4连0 译码端会引起多于一个的误码 即HDB3码有误码增殖 译码 1 检测V码并识别B00V和000V 两个同极性码后一个为V码 2 用0000取代B00V或000V 3 全波整流还原成单极性码 编码规则 1 用高低电平表示 0 用低高电平表示 8 曼彻斯特码 特点及应用 不含直流分量 定时信息丰富具有编码冗余极性反转时会引起译码错误 编码规则 n个二进制码元 比特 用m个二进制码元 比特 编码 9 nB mB码 特点及应用 具有差分码的特点比较容易提取同步信息 返回 3 1 2基带信号的功率谱密度 单个脉冲信号的频谱可以通过付氏变换求出 在数据通信中 传输的是一系列二进制脉冲序列 那么在频域中怎样描述随机的二进制脉冲序列呢 既然是随机的 就不能用付氏变换去描述 而必须使用 功率谱密度 描述 一 二进制随机脉冲序列的波形和一般表示式 1 波形二进制随机脉冲序列具有随机性 无法画出它的波形 只能画出某一时刻的样本 数字信号的波形如下图所示 假设 1 用g1 t 表示 0 用g2 t 表示 假设在一个码元周期Tb内 1 出现的概率为P 0 出现的概率为1 P 2 一般表达式 其中 对于双极性信号 对于单极性信号有 3 信号对应的功率谱 fb 1 Tb 数值上等于码元速率RBG1 f 和G2 f 分别为g1 t 和g2 t 的傅氏变换式中的第一项表示连续谱 由其可以确定信号的带宽第二项是离散谱 由其可以判断信号有无直流分量以及是否包含同步信息 部分码型的功率谱结构如下图所示 例1 试求双极性归零码的功率谱密度 设 1 码出现的概率为p 1 2 脉冲宽度为 幅度为 A 解 因为是双极性归零码 所以g1 t g2 t g1 t 的波形如右图 即 g1 t 和g2 t 的傅里叶变换式为 将上式代入公式 得双极性归零码的功率谱密度为 可见 双极性归零码的功率谱密度只有连续谱 当时 p f 出现零点 而为p f 的第一零点 信号能量大部分集中在第一零点频率范围内 因此 要传输此信号 基带宽大约需 返回 3 2基带传输系统的组成 基带传输系统的模型如图所示 返回目录 码型变换器是将数据信号转换成更适合于信道传输的码型发送滤波器进行信号波形转换接收滤波器完成抑制带外噪声 均衡信号波形等功能 使其输出波形更有利于抽样判决同步系统作用是通过特定方法提取同步信息 并产生同步控制信号抽样判决器是在位同步脉冲的控制下对信号波形抽样 并按照特定码型的判决规则恢复原始数据信号 系统各部分波形如下图所示 基带脉冲 基带数据信号的波形 受噪声和干扰信号干扰的波形 通过接收滤波器滤波后接收到的信号 经抽样判决器恢复的数据基带信号 抽样后样值 抽样脉冲 数据序列 返回 3 3无码间干扰的基带传输 3 3 1码间干扰及其数学分析3 3 2无码间干扰的传输特性 返回目录 3 3 1码间干扰及其数学分析 1 码间干扰的定义 由于系统的传输特性不理想 致使码元波形畸变 引起前后码元相互干扰的现象 动画演示 基带传输系统的模型如图所示 DTE 发送滤波器GT w 信道C w 接收滤波器GR w 抽样判决 噪声 d t y t DTE 基带波形形成网络 基带传输系统的简化模型 只需要对H 作合理设计 在抽样判决器前就可以得到理想的波形 对于双级性二元码an的可能值为 A 所以可以写成 图中H 可看作传输频带有限的网络或系统 由于整个传输频带是有限的 所以从H 输入端送入该网络的冲激脉冲 到H 的输出信号已不再是冲激脉冲 而是展宽了的脉冲 且带有噪声 取样判决电路的作用是恢复发端的数码 由于存在噪声 恢复的数码可能有错 假设信道噪声为加性噪声记作n t 经过系统传输后输出为nR t 则 如果对第k个码元抽样 抽样时刻为t0 kTb 则所得的样值是 改写上式 得 第一项对应第k个码元的样值第三项nR t0 kTb 是抽样时刻噪声的样值第二项是其它码元在第k个码元抽样时刻的样值即码间干扰 通过设计h t 的波形 即设计系统的传输特性H 可以实现无码间干扰的传输 典型波形如下图所示 经过上面分析 可以得出当h t 满足下式时就可以消除码间干扰 令k n k 因为函数与自变量符号无关 所以把k 记作k 并设传输时延t0 0得到式 返回 3 3 2无码间干扰的传输特性 1 无码间干扰传输的频域条件 传输特性H 和单位冲激响应h t 是一对傅氏变换对 当t kTb时 对上式按照 b 2 Tb的长度用分段积分的形式表示为 用Hn 表示第n个区间内的H 则 令 n 则 n d d 所以 基带传输系统的等效传输特性 此时系统的冲激响应满足无码间干扰的时域条件 可实现无码间干扰的传输 BN Tb rad s fb 2 Hz 奈奎斯特带宽 实例分析 三角传输特性 2 理想低通传输特性 当系统的传输特性在奈氏带宽内就是理想低通特性 此时系统的单位冲激响应为 传输速率为RB 1 Tb fbBaud 信道带宽为B fb 2Hz 所以频带利用率r RB B 2Baud Hz 当系统的传输特性在奈氏带宽内是理想低通特性时 若发送端以其截至频率两倍的速率传输信号 接收端仍以间隔Tb在码元峰值处抽样就可以消除码间干扰 此时可以得到最大的频带利用率2Baud Hz 奈奎斯特第一准则 基于理想低通 存在两个问题 F非物理可实现 幅频特性尖锐截止F要求收端定时准确 冲激响应的前导 后尾很大 提出问题 寻找一个传输系统 既可实现 又能满足奈氏第一准则的基本要求 思路 对理想低通的幅频特性加以修改 使其在fN附近不是锐截止 物理可实现 3 实用传输特性 滚降特性 图中 N Tb 是奈氏带宽只要H1 正负频域部分分别关于 N 0 和 N 0 对称就可以产生滚降 r N为滚降系数 0 1 0时 就是理想低通特性 图中 对的频率部分增加了部分传输能力 即增加了 1 N 而对于小于 N的频率正好减少这部分传输能力 即关于点c旋转180o正好补平减少部分的传输缺口 且系统的相频特性仍是线性的 这样的系统 它的冲激脉冲响应的前导和后尾仍是每隔Tb N秒经过零点 从而满足按间隔T N的取样点上无符号间干扰的要求 幅频特性滚降的传递函数 证明 设系统时延t0 0 h t 为上图中H 的傅里叶逆变换 图中积分限本为 2 N 2 N 为便于运算 改为 3 N 3 N 在时间的取样值为h kTb 即