第3章数据传输.ppt

第3章数据传输 1 3 1数据通信模型3 2时域和频域概念3 3数据调制与编码3 4数字数据传输方式 3 5数字数据传输接口3 6传输介质3 7多路复用3 8铜环接入技术 3 1数据通信模型 2 信息 人对现实世界事物存在方式或运动状态的某种认识 信号 数据的具体的物理表现 信息的度量 3 信息量 消息中信息的不确定性的度量 可以通过消息发生的概率来测量 I 信息量 单位为比特bitP 消息发生的概率 平均熵 4 在由M个独立符号x1 xM所构成的消息中 每个符号出现的概率为Pj 则统计平均信息量为 H 信源的熵 Entropy 当独立符号等概率 Pj 1 M 出现时 H最大 3 1数据通信模型 5 信源 产生数据的设备或人 发送器 对信号进行变换以产生特定的信号以便在信道中传输 信道 连接信源与信宿的传输线路 接收器 将接收信号变换成信宿可以接收的信号 信宿 接收数据的设备或人 3 1 1模拟通信系统模型 6 优点 使用较窄的带宽 信道利用率较高 缺点 易受噪声干扰 难以保证安全性 难以集成化 3 1 2数字通信系统模型 7 优点 抗干扰 可靠性高 长距离传输 可集成为大规模系统 安全性高 缺点 需要较大带宽传输 发送设备 接收设备 3 2时域和频域概念3 2 1时域概念 8 离散信号 连续信号 3 2 2频域概念 9 f1为基本频率 3 2 3数据率和频带的关系 10 方波包含无穷多个频率成分 因此具有无限带宽 但方波的能量集中在少数低频分量所在的频带内 这个频带称为有效频带或频带 频宽 频带上限 频带下限 频宽 3f1 f1 2f1 3 2 3数据率和频带的关系 11 假设f1 1MHz 则该信号的频宽是4MHz 而信号周期T 1 f1 1 s 每一位占0 5 s 则数据速率为1 0 5 s 2Mbps 可见 数据率和频带具有确定的关系 频宽 5f1 f1 4f1 3 2 3数据率和频带的关系 12 任何数字传输媒介都只有有限的带宽 在媒介上传输数字波形 会使信号发生畸变 使得接收器产生差错 若想提高数据数率 也就是增大f1 而f1越大 则相应的频宽也会越大 nf1 f1 所需传输媒介的传输带宽就越宽 传输媒介的带宽越大 数字波形的畸变就越小 传输质量也就越好 而开销也就越大 3 2 4数据率的限制 13 Canwesendsignalasfastaswecan 3 2 4数据率的限制 14 RBmax 2f baud Nyquist定律 无噪声信道 在无噪声信道中 假设f是传输媒介的最高频率 若接收方每秒采样2f次 则可以完全重构原始信号 3 2 4数据率的限制 15 香农定律 Shannontheorem 噪声信道 受到高斯白噪声干扰的连续信道的容量为 B 信道带宽 Hz S N 信噪比 功率表示 非dB n0 噪声单边功率谱密度 W Hz 3 3数据调制与编码 16 几个概念 数据 有意义的实体信号 数据的具体的物理表现 为电磁或电子编码传输 传播和处理信号的过程 3 3数据调制与编码 17 为什么要调制 早期的通信系统都只能支持模拟信号传输 当前的一些通信系统 如电话线路 卫星通信和微波通信 也无法传输数字信号 对于只能传输模拟信号的无线通信系统 需要利用天线将无线电波辐射到空间 为了有效传输电磁波 天线的尺寸必须与所辐射的信号波长的尺寸大致相当 对于低频信号 例如1000Hz 其波长约为300km 则需要300km的天线才能发射 这显然是不可能的 为了传输低频信号 必须采用调制技术将信号变为高频模拟信号进行传输 调制后的信号都为模拟信号 解决天线尺寸问题 3 3数据调制与编码 18 为什么要编码 模拟信号在传输一定距离后都会衰减 为了实现长距离传输 可以在传输线路中加入放大器来放大信号 但是放大器在放大信号的同时也放大了噪声 如果串联多个放大器 则噪声会使原始信号发生严重的畸变 采用数字信号和数字传输技术可以克服以上问题 数字化使得信号的抗干扰能力大大加强 利用编码可以将模拟信号变成数字信号 解决抗干扰问题 3 3数据调制与编码 19 传输数据的方法 模拟数据 模拟信号 直接传输 或者调制后传输 数字数据 模拟信号 调制后传输 数字数据 数字信号 直接传输 或者编码后传输 模拟数据 数字信号 编码后传输 3 3 1模拟数据的模拟信号调制 20 模拟数据经由模拟信号传输时不需要进行变换 但考虑到天线尺寸问题 低频模拟信号需要调制成高频信号才能发射 调制技术分为调幅 AM 和调频 FM 3 3 2数字数据的模拟信号调制 21 Digitalsignal Amplitudemodulation Frequencymodulation Phaseshiftmodulation 3 3 3数字数据的数字信号编码 22 编码的原则 编码能提高信道带宽的利用率 传输媒介上没有直流分量流过 甚低频和甚高频分量尽可能小 时钟频率能嵌入到码字中 码字具有差错检测的功能 编码设备必须容易实现 3 3 3数字数据的数字信号编码 23 脉冲宽度 码元宽度Ts 用脉冲的有无来表示 1 或 0 占空比为100 只适用于极短矩离的传输 有直流 一般信道难以传输零频率附近的频率分量 不能提取同步信号 且要求传输线有一个接地 单极性非归零码NRZ NonReturnZero 3 3 3数字数据的数字信号编码 24 Ts 由于脉冲宽度窄 使得码元能量下降且占有更宽的频带 占空比为50 具有很高的直流和低频分量 但从中可以提取同步信息 可以作为其它码型提取同步信息时采取的一种过渡码型 单极性归零码RZ ReturnZero 3 3 3数字数据的数字信号编码 25 Ts 有正负电平 正负脉冲的占空比均为100 如果 1 和 0 等概率出现时 码流中无直流分量 否则 仍含有直流分量 可以在无接地的传输线路上传输 不能直接提取同步信息 双极性非归零码BNRZ Bi PolarityNRZ 3 3 3数字数据的数字信号编码 26 每个码元被分成两个相等的间隔 1 为半个码元宽度的正电平 后回到零电位 0 为半个码元宽度的负电平 后回到零电位 发送端不必按固定的频率发送信号 接收端也不必提取同步信息 可自同步 如果 1 和 0 不是等概率出现 码流中会有直流分量 双极性归零码BRZ 3 3 3数字数据的数字信号编码 27 将每一个码元划分成等宽的间隔 1 码为半个码元宽度的高电平而后为低电平 0 码则正好相反 从低电平变到高电平 由于每一个码元的正中间都出现一次电平的转换 它可以实现自同步 完全消除了码型的直流分量 但传输效率减半 曼彻斯特 Manchester 码 3 3 3数字数据的数字信号编码 28 单个码元与曼彻斯特码相同 差分 信号遇见1时保持原有电平 差分 Differential 曼彻斯特码 遇见0时反转 0变1不变 3 3 3数字数据的数字信号编码 29 传号反转码 CMI Example 30 3 3 4模拟数据的数字信号编码 31 模拟数据编码成数字信号最常见的技术是 脉冲编码调制PCM PulseCodeModulation PCM最初应用在电话系统 对语音进行数字化 PCM编码分三步走 采样 量化 编码 1 采样 32 定义将模拟信号转变成在时间上离散的数字信号的处理过程 方法 采样的分类 理想采样 33 输入信号 冲击函数序列 采样的分类 自然采样 平顶采样 34 脉冲函数序列 采样定律 35 低通信号采样定理 对于一个频率在 0 fH 内的时间连续信号x t 若以采样频率fs fs 2fH 对其进行等间隔采样 则x t 将被其采样信号xs nTs 完全确定 或者说 可以从采样信号xs nTs 中无失真地恢复出原始信号x t 显然有Ts 1 fs 其中1 2fH称为奈奎斯特间隔 记为TN 2fH称为奈奎斯特速率 记为fN 2 量化 36 定义将时间上离散但幅度上连续的采样信号转换成时间和幅度上都离散的信号的过程 量化的实质是用有限个离散电平值来表示模拟采样值的过程 量化的处理过程 37 确定量化范围 确定量化级数 确定量化电平 确定量化间隔 量化误差 38 有两种方法获得量化值 四舍五入法 和 舍去法 量化误差是随机的 它不能在量化过程中被消除 也不能从量化值中去掉误差从而恢复原始值 量化误差只能被减少 例如减小量化间隔 但是这种方法增加了量化级数 这就意味着编码时需要更多的比特 因此传输的数据量会增加 39 定义用k比特的二进制码元来表示用N个电压值代表的时间和幅度上都离散的信号的过程 3 编码 PCM输出 011100011011001100 011 100 40 脉冲代码波形 3 4数字数据传输方式3 4 1串行传输与并行传输 41 串行传输的三种方式 42 寻呼机 对讲机 电话 3 4 2异步传输和同步传输 43 3 5数字数据传输接口3 5 1DTE DCE接口 44 DTE DataTerminalEquipment数据终端设备 如键盘 打印机 电话机等 DCE DataCircuitterminalEquipment数据电路端接设备 如调制解调器 DTE DTE DCE DCE 3 5 2DTE与DCE的接口特性 也叫物理特性 指明硬件接口的形状 尺寸 引线数目及制作规范 规定了导线的电气连接及电路的特性 如高 低电平的电压值 0 1的电平值 最大传输速率 输入输出阻抗等 各个端口的名称和功能 如地 输入 输出口等 指明利用接口传输比特流的全过程及传输事件发生的合法顺序 45 机械特性 电气特性 功能特性 规程特性 3 5 3RS232C接口特性 1 机械特性 9针和25针两种 EIA制定的RS232C接口规范是DTE和DCE之间连接的最流行最基本的标准接口 几乎所有的DTE和DCE都支持RS232C标准 46 3 5 3RS232C接口特性 2 电气特性 1 5V 15V 0 5V 15V数据速率 20kb s 传输距离 15m 50feet 47 字符格式 3 5 3RS232C接口特性 3 功能特性 48 3 5 3RS232C接口特性 4 规程特性 49 3 6传输介质 三种类型的传输媒介 金属导体 铜 铁 传输电信号透明玻璃或塑料线 传输光信号空气 传输电磁波 50 3 6 1铜线 双绞线对 51 3 6 1铜线 同轴电缆 ThincableThickcable 52 3 6 2光纤 53 Snell sLawforlightenteringadensermedium Snell sLawforlightenteringalessdensemedium Snell定律 3 6 2光纤 54 Criticalangleforrefraction 全内反射 Totalinternalreflection qi q 3 6 2光纤 55 光信号穿越光纤 3 6 2光纤 56 单根纤芯 Kevlar纤维使光缆更加坚韧以防止折断 外绝缘覆盖层由Teflon或者PVC材料制成 中心 核心 是由玻璃或塑料制成的纤维 塑料保护层用来包裹光缆的内部纤芯 3 6 2光纤 优点 57 既不引起也不受到电的干扰 可以通过内部反射光信号 以比金属导体快得多的速度传输光脉冲 可以通过对光信号的编码 单位时间内传输比电信号更多的信息 3 6 3电磁波 卫星 58 地球同步轨道卫星低地球轨道卫星低地球轨道卫星阵列 3 6 3电磁波 其他 59 RadioMicrowaveInfraredLaser 总结 电磁波谱 60 3 7多路复用 61 多路复用Multiplex MUX 技术可以将来自多个输入源的低速独立信号在一条高速链路上传输 复用的目的是最大限度地使用昂贵的通信链路以为尽可能多的用户传输信息 3 7多路复用 62 在多路复用中 链路 link 指的是物理路径 而信道 channel 指的是逻辑连接 能在指定的传输线对之间进行信号传输 可以是某条链路或该链路的分割 一个链路可以包含很多 n 个信道 链路Linkvs 信道Channel 63 4条链路 Multiplexingvs NoMultiplexing 3 7 1频分复用FDM 64 传输信道的频带被分成若干个相互不重叠的频段 每个频段构成一个子信道 每路信号占用其中一个频段 在接收端采用适当的带通滤波器将多路信号分开 从而恢复信号 1 原理 2 FDM的特点 65 FDM使信道在同一时刻能同时独立传送多路模拟信号 每路信号占用不同的频带 在线路上传输的是各路信号经过调制后的叠加在一起的复合信号 FDM技术适用于宽带网络 需满足 B fi优点 原理简单 技术成熟 系统效率高 信道的频带利用率高 缺点 要求信道的非线性失真小 3 Example 66 复用器 时域中观察 3 Example 67 频域中观察 3 7 2时分复用TDM TDM技术可以将多条低速数字信道合并成一条高速数字信道 TDM将传输时间划分成许多时隙TS TimeSlots 每个信道的信号轮流占用某一个时隙 所有信道总的传输速率不能大于传输媒介的最大容量 1 TDM技术介绍 68 2 TDM原理 语音的最高频率是3400Hz 设计标准电话每条话路占用4000Hz 因此每路语音信号采样频率为8000Hz 取样值用8位二进制表示 容量为 8 8K 64Kbit s 因此每秒可取样1 000 000 8k 125路话音 其总容量为 64K 125 8Mbit s 若用双绞线传输 其带宽为10M 为了不浪费带宽 可以在单路话音取样点间的间隔时间内传送其他话路信息 若取样时间为1 s 则每秒可取样1 000 000次 69 TDM的理论基础 两路信号按相同的频率进行采样 采样脉冲宽度越窄 在两个采样值之间留有时间空隙就越大 若两路信号的采样值在时间上不发生重叠 就可以同时在一条物理信道上传输 在接收端只要在时间上与发送端同步 则两个信号就能分别正确恢复 70 TDM复用的步骤 71 Time 1s 特点 多个低速信号轮流使用一条高速媒介 应用 各种数字信号传输 电话主干线 1 1 1 1 2 2 2 2 只能用于数字信号 3 TDM分类 同步TDM 每个时隙固定分配给每一个数据源 哪怕时隙空闲也不能被其他数据源的数据占用 异步TDM 时隙是动态分配的 空闲时隙可以根据需要分配给任意的数据源 也称为统计时分复用StatisticalTDM STDM 72 3 7 3同步TDM 73 每隔T秒从某个线路上获取一次数据 每帧有3个时隙 每个时隙持续时间为T 3秒 Example 只有开始的3帧被填满 总共24个时隙里面有6个时隙是空的 这意味着1 4的传输能力被浪费了 复用过程 74 数字载波体系DS 75 DS和群 T线路和E线路是电话公司用于实现DS服务的数字电话线路 二者概念相同 容量不同 76 3 7 4统计TDM STDM 77 同步TDM中 一帧中可能会有许多时隙被浪费 使用STDM时 时隙并未预先分配给特定的数据源 而是按需进行动态分配 用户数据先进入缓存 然后被尽快地放入可用时隙传送出去 对统计复用器而言 TDM帧中有k个可用时隙 但可能存在n n k 条输入线路 所以复用线路上的数据率小于各输入线路数据率的总和 在输入端 复用器扫描输入缓存区 搜集数据 若一个帧被填满 则发送这个帧 在输出端 复用器接收一个帧 然后将各时隙中的数据分发给相应的输出缓存区 WhySTDM 1 STDM原理 帧和地址 在同步TDM中 在某一时隙中的数据属于哪个设备由时隙在帧中的位置指明 但是在STDM中 从同一个设备发出的数据在一帧中可能位于第一个时隙 而在另一帧中却可能位于第三个时隙 STDM中数据由于缺乏固定的位置关系 每个时隙必须携带一个地址来告诉解复用器如何为其中的数据定向 这个地址只用于局部 由复用器添加其中 而由解复用器去除 由于地址是一种额外开销 所以STDM只有在传输保持较大时隙的时候才有较高的效率 78 2 Example 只有三条输入线路发送数据 79 3 7 5码分多路复用CDMA 80 1 简介 3 7 5码分多路复用CDMA CDMA 码分多路复用 CodeDivisionMultipleAccess 是靠不同的编码来区分各路原始信号的一种复用方式 所有用户在同一时间 同一频