网络与通信技术数字通信系统基本原理PPT

网络与通信技术,第2章数字通信系统基本原理,中继台,第2章知识点:,数字通信系统基本知识数字传输模拟传输复用技术交换技术传输介质,2.1数据通信系统基本知识2.1.1模拟与数字,数据分为：模拟数据和数字数据模拟数据：是指连续状态的信息，采用连续值。例：数字数据：是指离散状态的信息，采用离散值。例：信号分为：模拟信号（连续信号）和数字信号（离散信号）模拟信号：在一段时间内有无穷多个强度等级。例：数字信号：只有有限个已定义的数值。例：,2.1数据通信系统基本知识2.1.1模拟与数字,信号的分类：四种周期模拟信号周期数字信号非周期模拟信号非周期数字信号常用的：周期模拟信号和非周期数字信号（原因？）,2.1数据通信系统基本知识2.1.2周期模拟信号,正弦信号振幅频率相位时域和频域频域信号只与峰值和频率相关，不显示一个周期中的振幅变化。,2.1数据通信系统基本知识2.1.2周期模拟信号,单频模拟信号,2.1数据通信系统基本知识2.1.2周期模拟信号,周期模拟复合信号,2.1数据通信系统基本知识2.1.2周期模拟信号,非周期模拟信号,2.1数据通信系统基本知识2.1.2周期模拟信号,信号的带宽复合信号包含的频率范围称为带宽。通常，带宽用信号最高频率与最低频率的差值表示。其它的定义？信道的带宽？,2.1数据通信系统基本知识2.1.2周期模拟信号,模拟信号的特征：无论是周期信号还是非周期信号，两个信号的频率分布（带宽）都是在有限范围内；周期模拟信号的频谱图是离散的；而非模拟周期信号的频谱图是连续的。,2.1数据通信系统基本知识2.1.3数字信号,数字信号的表示一个二进制数字信号用两个电平表示。1可以编码为正电平，0可以编码为0电平；一个数字信号也可以用多个电平表示，此时，每个电平就可以发送多个位。一般，如果信号有L个电平，则每个电平需要（log2L）个bit位。,2.1数据通信系统基本知识2.1.3数字信号,比特率（又称数据速率）比特率是一秒种发送的位数。其单位bps。用Rb表示。波特率（又称信号速率）是每秒发送信号元素的数量，单位是Bd。用RB表示。两者的关系,2.1数据通信系统基本知识2.1.3数字信号,数字信号的特征对于数字信号，两个带宽都是无穷大的；周期信号有离散谱，而非周期信号有连续谱。,2.1数据通信系统基本知识2.1.3数字信号,数字信号的传输基带传输：基带传输就是所发送的数字信号不转换成模拟信号，直接进行传输。基带传输需要一个带宽下限频率接近0的低通通道。低通通道可分为窄带宽的低通通道和宽带宽的低通通道。宽带传输：又称频带传输或调制，使用带通通道。,2.1数据通信系统基本知识2.1.4传输损耗,衰减：衰减意味着能量的损失。原因？信号损失或增益的强度的表示：分贝分贝是用于计算两种信号之间，或者同一信号在两个不同位置之间的相对强度。公式：dB=10log10(P2/P1),2.1数据通信系统基本知识2.1.4传输损耗,失真：意味着信号改变了形状或形态。失真主要产生在由不同频率成分组成的复合信号当中。原因？,2.1数据通信系统基本知识2.1.4传输损耗,噪声：是另一个损耗原因。有以下几种类型的噪声：热噪声：是电缆中的电子随机移动而产生的额外信号，而不是信号发送装置发送的。感应噪声：来源是发动机和设备，这些设备工作时相当于发射天线，而传输介质称为接收天线。串扰：是电缆之间的相互影响。脉冲噪声：是一种尖峰信号，来自输电线、闪电等。信噪比（Signal-to-noise，SNR）SNR=平均信号功率/噪声信号功率用分贝表示时：SNRdB=10log10SNR,2.1数据通信系统基本知识2.1.5数据传输速率限制,描述：在一个通道中能够以多快的速率发送数据？数据传输速率取决于三种因素：有效带宽使用的信号电平数通道的质量无噪声信道最大数据传输速率最大比特率=2Blog2L（bps）有噪声信道最大数据传输速率C=Blog2(1+SNR),2.1数据通信系统基本知识2.1.6数据传输网络的性能,带宽（Bandwidth）以频率衡量的带宽：是指复合信号包含的频率范围，或通道能通过的频率范围。以比特率衡量的带宽：是指通道或链路中bit的传输速率。吞吐量（throughput）吞吐量用于衡量通过网络发送数据的快慢。例：延迟（delay）延迟定义了第一个位从源开始发出到整个报文完全到达目标所经历的时间。延迟=传播时间+传输时间+排队时间+处理时间传播时间=距离/传播速度传输时间=报文长度/带宽,2.2数字传输本节主要内容,传输编码传输编码要求：信号中没有直流成分；信号自带同步时钟；以较少的带宽获得较高的数据率；有抗干扰的能力；有发现传输错误的能力；实现要简单常用的传输编码技术线路编码（数字信号）块编码（数字数字）模拟信号数字化传输传输模式,2.2数字传输2.2.1线路编码,单极性/双极性编码不归零编码（NRZ）定义：特点：信号的两个状态对应1比特的两个值；1比特占用一个脉冲，数据率等于波特率；都有直流成分；都没有自带同步时钟。,2.2数字传输2.2.1线路编码,归零码（RZ）定义：特点：信号是3电平（-，0，+）产生信号和判别其值均较复杂；1比特时间有2个脉冲，即比特率是波特率的一半。波特率高要求转输的带宽就高，这不符合用较少带宽传送更高速率数据的要求。,2.2数字传输2.2.1线路编码,曼彻斯特编码和差分曼彻斯特码定义：特点：？没有直流成分，自带同步时钟，实现简单；波特率是比特率的两倍，要求的带宽大。避免了归零码的多电平，但存在同步问题应用：10Mbps以太网,2.2数字传输2.2.1线路编码,多电平编码定义：表示：mBnL例子：8B6T应用：100Base-T4,2.2数字传输2.2.2块编码,块编码描述：表示：mB/nB三个步骤：分组置换组合特点：当nm时，这一变换，就增加了许多冗余码，对于前面的多种编码方法，加上块编码可以弥补它们的不足，提高其性能。,2.2数字传输2.2.2块编码,常用的mB/nB4B/5B8B/10B块编码4B/5B,2.2数字传输2.2.2块编码,块编码与NRZ-I结合可以克服NRZ-I的缺陷同步问题，但没有解决DC成分问题。,2.2数字传输2.2.3模拟信号数字化传输,描述方法波形编码：直接把时域波形变换为数字代码序列。比特率在1664kbps范围内，接收端重建信号质量好。常用的波形编码：PCM，ADPCM，DM参数编码：利用信号处理技术，提取语音信号的特征参数，再变换成数字代码。其比特率在16kpbs，接收端恢复信号的质量不够好，如新型预测编码（LP）。,2.2数字传输2.2.3模拟信号数字化传输-PCM,描述PCM编码过程采样：必须满足“采样定理”，否则，会出现“混叠失真”量化：均匀量化和非均匀量化编码,2.2数字传输2.2.3模拟信号数字化传输-PCM,2.2数字传输2.2.3模拟信号数字化传输-PCM,非均匀量化均匀量化的缺陷理想的对数压扩律A律压扩特性律压扩特性,2.2数字传输2.2.3模拟信号数字化传输-PCM,编码要注意的问题码字和码型的选择对于M个量化电平，可以用n位二进制码来表示，其中的每一个码组称为一个码字。码型指的是代码的编码规律。码位数的选择与安排码位数的选择，它不仅关系到通信质量的好坏，而且还涉及到设备的复杂程度。码位数的多少，决定了量化分层的多少，反之，若信号量化分层数一定，则编码位数也被确定。如信号量化分层数为8，则码位数为3。,2.2数字传输2.2.4传输模式,传输模式分类,2.2数字传输2.2.4传输模式,并行传输,2.2数字传输2.2.4传输模式,串行传输,2.2数字传输2.2.4传输模式,异步传输,2.2数字传输2.2.4传输模式,同步传输,2.3模拟传输2.3.1数字信号调制与解调,描述如果只有带通信道，怎么办哪？载波采用正弦信号调制方式：调幅调频调相,2.3模拟传输2.3.1数字信号调制与解调调幅,描述：是正弦信号的振幅随数字基带信号变化的的数字调制。当数字基带信号为二进制时，称为幅移键控（2ASK）。基带信号的表示2ASK信号的产生,2.3模拟传输2.3.1数字信号调制与解调2ASK,2ASK信号的频谱由连续谱和离散谱组成；调幅信号的带宽是基带信号的两倍。,2.3模拟传输2.3.1数字信号调制与解调调频,描述：是正弦信号的频率随数字基带信号在频率f1和f2两个频率点间变化。当数字基带信号为二进制时，称为频移键控（2FSK）。基带信号的表示2FSK信号的产生,2.3模拟传输2.3.1数字信号调制与解调2FSK,2FSK信号的频谱由连续谱和离散谱组成；带宽为BFSK=2Bb+|f2-f1|。,2.3模拟传输2.3.1数字信号调制与解调调相,描述：是正弦信号的相位随数字基带信号离散变化而变化。当数字基带信号为二进制时，称为相移键控（2PSK）。两种：2PSK和2DPSK2PSK信号的产生“倒相”现象,2.3模拟传输2.3.1数字信号调制与解调2DPSK,2DPSK信号的产生=00=18012DPSK的实现方法先对二进制基带信号进行差分编码，将绝对码变为相对码；再进行绝对调相PSK信号的频谱,2.4复用技术,描述复用分用常用的复用方式频分复用时分复用波分复用,2.4复用技术2.4.1频分复用（FDM）,描述复用方法把各个输入的低频信号调制到各不相同的载波高频信号上，实现频谱平移，平移后的频谱互不重叠；把各个已调信号相加，得到复合信号；将复合信号送链路。,2.4复用技术2.4.1频分复用（FDM）,分用方法将复合信号用中心频率各不相同的带通滤波器进行滤波，分为多个独立的调制信号；用解调器还原为低频信号；将低频信号送各接收端。,2.4复用技术2.4.2波分复用（WDM）,描述光纤的速率可达50000Gbps，由于光电转换器件达不到那样的高速度，所以目前在光纤中的数据速率是2.5Gbps和10Gbps。显然，如果一根光纤上只传输一路光信号，光纤的使用效率是很低的。WDM就是光纤上光信号的复用技术。,2.4复用技术2.4.3时分复用（TDM）,描述：分类：同步时分复用和统计时分复用同步时分复用的基本原理,2.4复用技术2.4.3时分复用（TDM）,采用TDM的收、发两端的工作原理,2.4复用技术2.4.3时分复用（TDM）,采用TDM的收、发两端的工作原理,2.4复用技术2.4.3时分复用（TDM）,公共电话系统的TDMTDM采用PCM调制方式。国际上将PCM基群分为两种标准：PCM24路制式（律压扩特性）和PCM30/32路（A律压扩特性）PCM24路复用方式,2.4复用技术2.4.3时分复用（TDM）,PCM30/32基群的帧结构,2.4复用技术2.4.3时分复用（TDM）,T线标准和E线标准,2.4复用技术2.4.3时分复用（TDM）,统计TDM是时隙不固定分配给输入信道的时分复用方式。当输入信道有数据到来时，只要有空时隙存在，就将它的数据放在时隙，由共享信道传输。可以说是“有空座位就入座”。,2.5交换技术,描述在网络通信中，最好的方案是交换（switching）交换机能够在连接到交换机的多台设备之间，建立临时连接。根据交换的方式和交换的特点，分为电路交换、报文交换和分组交换（对应的网络）,2.5交换技术2.5.1电路交换网络,描述电路交换网是由一组交换机通过物理链路连接形成的。每条链路用FDM或TDM划分成n个通道，每一次连接将独占每条链路上的一个专用通道。电路交换的实现步骤建立连接数据传输释放连接,2.5交换技术2.5.1电路交换网络,电路交换的特点交换在物理层；独占信道，信道利用率不高；数据传输的延迟很小，而连接建立时间往往较长；传输的数据既不带地址也不分为帧和包，是无结构的比特流。,2.5交换技术2.5.2报文交换网络,描述报文交换采用存储转发的方式进行交换。一个报文是用户要发送的完整信息，它的大小根据用户的需求而定。报文交换的特点不需要建立连接；采用存储转发的方式进行交换。报文交换的应用Internet的电子邮件就是报文交换，不过它是在应用层实现的。,2.5交换技术2.5.3分组交换网络,描述它采用存储转发方式来转发数据；这一点与报文交换式相同的，但是它不是把整个报文存储转发，而是把一个报文分成一个个分组（Packet），以分组作为存储转发的数据单元。分组的大小不是由用户定的，而是由网络和网络协议决定的，通常为几千个字节到几十千个字节。分组交换的分类数据报网络虚电路网络,2.5交换技术2.5.3分组交换网络数据报网络,描述是不需要建立连接的分组交换网络，也称无连接网络；数据报交换通常是在网络层；(传统上称数据报网中的交换机为路由器)举例：,2.5交换技术2.5.3分组交换网络数据报网络,路由表数据报网络的特点没有对网络资源进行任何预先分配。网络资源共享，信道利用率高，非常适于数据传输；同一报文的各个分组可以走不同的路由；同一报文的各个分组可以以不同于发送时的顺序到达目的地。接收端需要整序，恢复发送时的顺序，再交给上一层。效率数据报网的效率比电路交换网高。仅当有传输的分组时，才分配资源。,2.5交换技术2.5.3分组交换网络数据报网络,延迟数据报的延迟比虚电路交换网长；由于报文中所有分组不需要通过同一交换机传输，因此，报文的各分组延迟不一致。,2.5交换技术2.5.4分组交换网络虚电路网络,描述虚电路网络既具有电路交换又具有数据报网络的某些特点。虚电路的特点在传输之前，必须建立连接，数据传输结束后要释放连接。连接建立的传输路径称为“虚电路”；同一源的所有分组沿同一虚电路传输；每个数据分组带有虚电路的标识符（VCI）。,2.5交换技术2.5.4分组交换网