《通信基础》PPT课件.ppt

1 数据通信基础 参考教材第10章 2 本章学习目的 数据通信的基本术语 原理 分类存在的问题及其解决方法和技术 通信图示 4 远程通信图示 5 通信原理图 6 数据通信基础 数据和信号信道和带宽传输介质数据编码数据通信控制多路复用技术数据交换技术本章小结 7 数据通信 利用传输 通信 介质传输信息数据是信息的表达形式利用通信介质传输数据 8 两类数据 模拟数据在某时间间隔中具有连续的值 如声音数字数据是离散的值 如字符将数据编码 变换 为电信号电信号 电压或电流等之类的物理量 9 两类电信号 Signals 模拟信号幅值连续变化的电信号数字信号幅值离散的电信号 数字信号和模拟信号图 a 数字信号 b 模拟信号 11 数据和信号 模拟数据用模拟信号或数字信号来传递数字数据用模拟信号或数字信号来传递 12 信道 信号传输的通道通信设备和传输介质按传输介质分类有线信道 如电缆 光纤 无线信道 如微波 无线电 按传输信号分类模拟信道 传输模拟信号数字信道 传输数字信号 13 双绞线 14 同轴电缆 15 光纤 16 微波传播 17 通信卫星 18 蜂窝传输 19 两类通信 模拟通信数字通信 20 模拟通信 利用模拟信号来传递数据的过程称为模拟通信 普通电话 广播 电视等都属于模拟通信模拟通信系统一般由信源 调制器 信道 解调器 信宿以及噪声源组成 模拟通信系统模型 模拟通信系统模型 22 数字通信 利用数字信号来传递数据的过程称为数字通信 计算机通信 数字电话 数字电视等都属于数字通信 数字通信系统一般由信源 编码器 信道 解码器 信宿以及发送端和接收端时钟同步组成 数字通信系统模型 数字通信系统模型 24 数字通信的优点 1 抗干扰能力强模拟通信系统在传输模拟信号过程中 噪声将叠加在有用的模拟信号上 接收端很难将信号和噪声分开 因而模拟通信系统的抗干扰能力比较差 25 数字通信的优点 2 实现高质量的远距离通信由于模拟通信时 噪声是叠加在有用的模拟信号上 而通信系统中的模拟放大器无法将有用的信号与噪声分开 因此只好将有用信号和噪声同时放大 26 数字通信的优点 3 适应各种通信业务在数字通信系统中 各种数据 电报 电话 图像和语音等 都可以被变换为统一的二进制数字信号进行传输 所以数字通信系统能灵活地适应各种通信业务 27 数字通信的优点 4 保密性强由于数字通信系统中传输的是数字信号 因而在传输过程中 可以对信号进行各种数字处理 如存储 转发 复制 加密 检错 纠错等 28 数字通信的缺点 占用的频带宽例 一路模拟电话占用4kHz信道带宽一路数字电话占用 信道带宽 29 带宽 信号是时间的函数 也可以表示为频率的函数 根据傅立叶信号分析理论 任何信号都是由各种频率的成分组成 其中每一成分都是正弦波 或余弦波 例如某信号按傅立叶变换后为 s t sin2 ft 1 3sin3 2 ft 1 5sin5 2 ft 图1 16信号及其频谱 a s t 信号的频谱图 b 非周期矩形脉冲数字信号及其频谱 信号及其频谱图 31 带宽 信号带宽信号频谱中最高频率与最低频率之差话音信号 3kHz 电视信号 4MHz信道带宽信道的截止频率fcfc分量的振幅衰减到原来的0 707 32 带宽 上下截止频率之差 信道的带宽为保证数据传输的正确性信号的带宽 信道的带宽 33 带宽与数据传输率 信道在单位时间内能传输的二进制位数提高数据传输率意味着增大信号带宽有限带宽的信道限制了信道的数据传输率信号的带宽越大 利用其传送数据的速率就越大 信道的带宽要求也越大 34 信道的最大数据传输速率 尼奎斯特 H Nyquist 1924 定理 最大数据传输速率 b s 2Hlog2VH 信道频率V 电平级数条件 无噪声例 一个无噪声的3kHz信道不能以高于6000b s的速率传输二进制 即二电平 的信号 35 信道的最大数据传输速率 香农 Shannon 1948 关于噪声信道的结论 最大数据传输速率 b s Hlog2 1 S N H 信道频率S 信号功率N 噪声功率例 一条带宽为3kHz 信噪比为30dB的信道 模拟电话系统 不管使用多少信号级电平 决不能以高于30000b s的速率传输数据 36 数据经编码成数字 或模拟 信号后才能传输 四种情况数字数据编码成数字信号数字数据编码成模拟信号模拟数据编码成数字信号模拟数据编码成模拟信号 数据编码 37 信号的传输方向 单工方式半双工方式全双工方式 38 数字数据编码成数字信号 数字信号是一系列离散的不连续的电压脉冲 每一脉冲称为一个信号码元 编码技术就是从数据比特到信号码元的变换 单极性不归零 NRZ 编码技术比特和信号码元之间建立一一对应的关系缺点 难以确定一位的结束和另一位的开始曼切斯特编码差分蔓切斯特编码 自同步编码 数字信号编码 图1 18数字信号编码 a 单极性不归零制编码 NRZ b 曼彻斯特编码 c 差分曼彻斯特编码 40 数字数据编码成模拟信号 将数字数据转换为模拟信号的编码 调制 技术有 调幅 ASK 调频 FSK 调相 PSK a ASK b FSK c PSK 三种调制技术 010001100 42 模拟数据编码为数字信号 将模拟数据转换为数字数据 即模拟数据数字化 43 模拟数据数字化 1 1 脉码调制 PCM 基于取样理论 如果信号f t 以均匀时间间隔 高于最高的明显信号频率的两倍速率取样 那么样本包含了原信号的所有信息 可以从样本重现出函数f t 图1 20PCM编码 a 原始信号 b PAM脉冲 c PCM脉冲 d PCM输出 PCM编码 45 模拟数据数字化 2 2 增量调制 DM 对于模拟数据 在每一个取样时刻上移或下移一个量化电平 电平的一个数量单位 使得原信号由一阶梯函数近似表示 在阶梯函数中 若某取样时刻是上移则产生一个1 若是下移则产生一个0 即将模拟信号数字化为DM编码 图1 21DM编码 a 原信号及阶梯函数 b DM编码 DM编码 47 模拟数据编码为模拟信号 调制就是将输入信号与频率为fc的载波结合起来 以产生通常带宽中心位于fc的信号的过程 若模拟数据不加变换地在原频谱上经信道传输 称为模拟基带传输 有很多局限性 基带传输占有信道的全部带宽 为有效地传输 就要对信号进行一些处理 即调制 变为频带传输 48 数据通信问题 数据同步异步方式同步方式差错控制 49 数据同步 数据通信中 通信双方要交换数据 需要有高度的协同动作 数据经信道一次一比特的传播 比特的计时 速率 持续时间 间隔 对于接收方和发送方必须相同 同步 50 数据同步方法 一 异步方式起始位 加在每个传送的字符码前 表示字符代码的开始停止位 加在字符代码和校验码后 表示字符代码的结束优点 实现容易 计时漂移累积小缺点 2 3位的开销 字符适用 低速终端设备面向 字符 51 数据同步方法 二 同步方式每个字符前后并不附加起止位作为字符的边界 而是在发送字符之前先发送一组同步字符 通常为8位或16位 使收发双方进入同步 优点 数据传输效率高缺点 计时漂移问题 需时钟同步适用 高速的数据传输设备面向 字符和比特 52 差错控制 判断数据是否有错 自动纠错或要求重发常见的差错控制技术有 奇偶校验循环冗余校验海明码 53 多路复用技术 Multiplexing 在通信系统中 一些高容量的同轴电缆 地面微波 卫星设施以及光缆 其可传输的频率带宽很宽为了高效合理地利用资源 通常采用多路复用技术 使多路数据信号共同使用一条线路进行传输 即利用一个物理信道同时传输多个信号 多路复用技术图示 图1 22多路复用技术 55 多路复用技术 1 频分多路复用 FDM 把线路或空间的频带资源分成多个频段各个频段成为逻辑信道为避免干扰 各频段间设有保护带例如 无线电广播 无线电视 有线电视等适用于模拟信号 56 多路复用技术 2 时分复用 TDM 将传输信号的时间进行分割 使不同的信号在不同时间内传送 即将整个传输时间分为许多时间间隔 称为时隙 时间片等 slottime 每个时间片被一路信号占用适用于数字信号 多路复用技术分类图示 图1 23多路复用技术分类 a 频分多路复用 b 时分多路复用 58 数据交换技术 简单情形 在两个用某种传输介质直接连接的设备之间进行通信通常情况 要经过有中间节点的网络来把数据从源地发往目的地 以实现通信这些中间节点并不关心数据内容 其目的是提供一个交换设备 用它把数据从一个节点传到另一个节点直至到达目的地 一般交换网络图 60 数据交换技术 电路交换 circuitswitching 报文交换 messageswitching 分组交换 packetswitching 61 电路交换 一种直接的交换方式 它为一对需要进行通信的站点之间提供一条临时的专用传输链路 它既可以是物理链路又可以是逻辑链路 使用时分或频分复用技术 通信包括三个阶段电路建立 建立起一条由源站到目的站的传输链路数据传输 信号从A经建立的链路传送到D 通常为全双工传输 电路拆除 释放由该电路占用的节点和信道资源 62 电路交换的特点 呼叫建立时间长且存在呼损 呼叫建立时间电路连通后提供给用户的是 透明通路 即交换网对用户信息的编码方法 信息格式以及传输控制程序等都不加以限制 但对通信双方而言 必须做到双方的收发速度 编码方法 信息格式 传输控制等一致才能完成通信一旦电路建立后 数据以固定的数据率传输 除通过传输链路的传播延迟以外 没有别的延迟 在每个节点的延迟是可以忽略的 适用于实时大批量连续的数据传输 线路利用率低 63 报文交换 网络节点通常为一台专用计算机 有足够的存储 用于存储转发 storeandforward 优点 没有呼损线路利用率高数据传输的可靠性高缺点 节点存储 转发的延时