2.数据通信基础知识.ppt

第一部分数据通信,信号与通信模拟通信与数字通信数据通信基础理论传输介质多路复用技术数据交换技术调制解调技术物理层接口,第二章数据通信基础知识,2.1基本概念2.2数据通信基础理论2.3传输介质2.4多路复用2.5数据交换技术2.6调制解调器,2.1基本概念,信号是数据（或信息）的电磁编码。信号的数学描述一般是以时间t为自变量，以某种物理量（如电压）为因变量（信号的时域特性）模拟信号与数字信号通信（传输）通信的任务是将信号从一方传到另一方模拟通信与数字通信,模拟信号和数字信号,2.1.2模拟通信,模拟通信系统的组成,调制器如果信源产生的是数字数据，调制器的功能是将调制为模拟信号（如拨号Modem）如果信源产生的是模拟数据，调制器的功能是将其调制到某个频段以便进行远距离传输或多路复用解调器是实现上述过程逆变换的设备信道包括传输介质和介质两端的传输设备,2.1.3数字通信,数字通信系统的组成（1）,信源编码器当信源产生的是模拟数据（或信号）时，信源编码器的主要工作是对模拟数据（或信号）进行采样、量化并编码成二进制数字信号当信源产生的是数字数据（或信号）时，信源编码器的主要工作是对原始的数字数据（或信号）进行码制变换，使其适合于传输或通信（如在数据信号中插入时钟信号）信道编码器是对传输的数字信号进行检错或纠错编码，以便接收方能进行差错检测和纠正,数字通信系统的组成（2）,调制器其功能是将基带(数字)信号变换成频带(模拟)信号以通过模拟传输介质进行频带传输。（有些传输介质只能传输模拟信号，如无线介质）时钟数字信号的发送和接收靠时钟驱动一般情况下，发送端和接收端使用各自的时钟源，但接收时钟与发送时钟必须保持同步外同步内同步,数字通信的主要特点,优点抗干扰能力强，可实现高质量的远距离传输；适应各种传输业务；方便实现高保密传输；传输设备的集成化和微型化；缺点占用信道的带宽大例子：一路模拟电话占用4KHz信道带宽，而一路数字电话所需要的数据传输率是64Kbps，所需占用的信道带宽要远远大于4KHz。,2.2数据通信基础理论,2.2.1信号的频谱和带宽2.2.2信道的截止频率与带宽2.2.3信道的最大数据传输率,2.2.1信号的频谱和带宽,傅立叶已经证明：任何一个周期为T的函数f(t)都是由无穷多个正弦和余弦函数合成，即：f(t)=其中：n=arctg(-bn/an)此处f=1/T是基频，an和bn是n次正弦谐波和余弦谐波的振幅。,基本概念,频域图（频率-最大振幅图）把f(t)各次谐波的振幅An按照频率高低依次排列起来所形成谱状图形称为信号f(t)的频谱图。信号带宽信号频域图所覆盖的频率范围称为信号的绝对带宽；我们将信号大部分能量集中的那段频带称为信号的有效带宽，简称为带宽(bandwidth)；任何信号都有一定的带宽。,常见信号的带宽,话音信号话音信号的标准带宽为300Hz3400Hz音乐信号（CD音质）要求的带宽是20Hz20KHz电视信号(PAL或NTSC制式)电视信号的带宽约为4.2MHz单稳脉冲信号其带宽为无穷大二进制信号(数字信号)一般说来，任何数字信号都具有无限带宽，但它们不得不被近为有限带宽信号数字信号的带宽依赖于“0”、“1”序列以及数字编码方式,2.2.2信道的截止频率与带宽,任何信号通过信道时都会发生衰减，从而引起信号失真。信道对不同频率的信号其衰减幅度是不相同的；一般来说，频率越高的信号，其衰减幅度越大。我们把信号在经过信道时其中某个频率分量的振幅衰减到原来的0.707(即信号的能量衰减到原来的一半)时所对应的频率称为信道的截止频率fc(cut-offfrequency)，即信道的带宽。任何信道都有fc，信道的截止频率或带宽是由其固有的物理特性决定的。,信道截止频率,数据传输率与带宽,信道的带宽决定对其通过信号的带宽，因而对于有限带宽信道必须限制信号的带宽(有限带宽信号)；而带宽越受限制，失真越严重，接收器产生差错的概率越大；信号的数据传输率越高，其有效带宽就越大；要求传输系统的带宽越大，费用就越高；为了保证数字数据传输的正确性，在信道带宽一定(鉴于经济上和实现上的原因)的情况下，必须限制信号的带宽，即限制数据传输率；知道信道带宽并不能完全说明其所能支持的数据传输率到底有多大？但就一般而言，信道的所能支持的数据传输率与其带宽成正比。,2.2.3信道的最大数据传输率,任何实际应用的传输信道都是有限带宽信道。信道带宽的限制是由传输介质(信道)的物理特性决定的；或者可能是发送器故意限制了带宽，以防止干扰或为了多路复用。数字传输的目标就是尽可能有效利用给定带宽(有效性)，这意味着我们希望在给定带宽条件下尽可能提高数据传输率，同时又将误码率限制在某个范围内(可靠性)。限制我们达到上述目标的主要不利因素是噪声(热噪声、交调噪声、串扰和脉冲噪声)。,基本概念,带宽(bandwidth)噪声(noise)误码率(errorrate)调制速率或信号速率(signalrate)数据传输率(datarate),波特率与比特率,基本概念调制速率（单位：baud）码元速率，信号单元速率，波特率数字信号电平改变的速率，取决于数字编码的特性。数据传输率（单位：bps）信息速率，比特率信号每秒钟传输的二进制位数。两者的关系,Nyquist定理,Nyquist推导出带宽为H的理想(无噪声)信道的最大数据传输率为（带宽为H的理想信道，其可承受的最大码元速率是2*H）Rmax=2H*log2V(bps)其中V为离散信号的个数或电压值的个数例子一个带宽为3000Hz的无噪声话音信道在传输二进制信号时其最大数据传输率不超过6000bps方法：提高信号编码能力，增大V的数值,Shannon定理,Shannon推导出对于带宽为H，信噪比为S/N的有噪声信道，其最大数据传输率Rmax为Rmax=H*log2(1+S/N)(bps)其中信号功率与噪声功率的比值称为信噪比(Signal-to-NoiseRatio)；我们一般使用10log10S/N分贝(dB)来表示信噪比例子一个带宽为3000Hz，信噪比为35dB(S/N为3165)的话音信道其最大数据传输率不超过34.86Kbps方法：增加线路带宽或改进信噪比,2.3传输介质,有线介质双绞线同轴电缆光纤无线介质无线电微波（大地微波、卫星微波）红外线（毫米波）,2.3.1双绞线,屏蔽双绞线STP（IBM）Type1或Type2非屏蔽双绞线UTP（EIA/TIA）Cat1电话线；Cat2ISDN或T1/E1线路；Cat310Mbps或100Mbps以太网电缆；Cat5100Mbps以太网电缆；特点距离100米使用RJ-45接头,2.3.2同轴电缆,基带电缆和宽带电缆,基带电缆（10Mbps）粗缆非中继传输距离500米需要使用收发器和收发电缆AUI接口细缆（便宜的同轴电缆）非中继传输距离185米BNC接口宽带电缆（CATV电缆）CableModem（宽带接入）,2.3.3光纤,传输与计算的比较Compution：每10年增长1个数量级Communication：每10年增长2个数量级带宽频率范围：180370THz数据传输率：100*10Gbps=1Tbps原因：光/电、电/光转换的速度跟不上光电子技术/光子技术通过光纤中光的波长0.85m/1.3m/1.55m(250300THz),光反射原理,光纤及光缆构成,单模光纤和多模光纤,单模光纤（single-modefiber）使用激光源中继距离100公里内芯直径较小直径为810m/125m多模光纤（multi-modefiber）使用普通发光二极管作为光源中继距离2公里内芯直径稍大直径为62.5m/125m,单模光纤与多模光纤的比较,光纤的特点,优点高带宽、高数据传输率对EMI、窃听不敏感（安全、可靠）抗腐蚀衰减小缺点单向传输光纤接口价格昂贵工艺复杂、安装技术复杂,2.3.4无线介质,无线介质是指信号通过空气传输，信号不被约束在一物理导体内无线介质实际上就是无线传输系统，主要包括无线电微波（地面微波、卫星微波）红外线无线介质只能传输模拟信号,无线电波（1）,无线电通信就是利用地面发射的无线电波通过电离层的反射而到达接收端的一种远距离通信方式。无线电通信使用的频率一般在3MHz至1GHz。无线电波的传播特性与频率有关。在低频上，无线电波能轻易地绕过一般障碍物，但其能量随着传播距离的增大而急剧递减。在高频上，无线电波趋于直线传播并易受障碍物的阻挡，还会被雨水吸收。,无线电波（2）,微波,对于频率在100MHz以上的无线电波，其能量将集中于一点并沿直线传播，这就是微波。微波通信是利用无线电波在对流层的视距范围内进行信息传输的一种通信方式，它使用的频率范围一般在1GHz至20GHz左右。由于微波只能沿直线传播，所以微波的发射天线和接收天线必须精确对准，而且每隔一段距离就需要一个中继站。中继站之间的距离与微波塔的高度成正比例。对于100m高的微波塔，中继站之间的距离可以达到80km。,2.4多路复用,频分多路复用FDM(FrequencyDivisionMultiplexing)主干线路的频带被划分为若干逻辑信道，每个用户独占某些频段；调频广播以及有线电视。波分多路复用WDM(WaveDivisionMultiplexing)FDM在光纤介质中的应用；光纤系统使用的衍射光栅可以是无源的。时分多路复用TDM(TimeDivisionMultiplexing）每个用户轮流瞬间地占有主干线路的整个带宽；在数字通信系统中，对主干线路的多路复用只能采用TDM，因为数字信号的频谱有可能占居整个信道带宽。,FDM（1）,FDM（2）,WDM,脉码调制PCM,数字编码,TDM（1）,TDM（2）,同步TDM,同步TDM和统计TDM,CCITT标准（T1系列）,PDH数字传输系统,2.5数据交换技术,电路交换(CircuitSwitching)传统电话网报文交换(MessageSwitching)电报系统分组交换(PacketSwitching)X.25网,电路交换,原理在采用电路交换技术的网络中，传输双方在数据传输之前要建立一条物理电路，该物理电路一直保持到双方通话结束后才释放。特点电路交换技术有两大优点，第一是传输延迟小，唯一的延迟是物理信号的传播延迟；第二是一旦电路建立，便不会发生数据传输冲突。电路交换的缺点首先是建立物理电路所需的时间比较长；其次是在电路交换系统中，电路的带宽是预先分配的。,报文交换,原理报文交换不事先建立电路，当发送方有数据要发送时，它把要发送的数据当作一个整体交给中间交换设备，中间交换设备先将报文存储起来，然后选择一条合适的输出线将数据转发给下一个中间交换设备，直到将数据发送到目的结点。特点不限制报文的大小，这就有可能要求各个中间结点必须使用磁盘等外设来缓存较大的数据块。报文转发可能会长时间占用线路，导致报文在中间结点的延迟非常大，这使得报文交换技术不适合交互式通信。,分组交换,原理是报文交换技术的改进在分组交换网中，将用户的数据划分成一个个分组(packet)，而且分组的大小有严格的上限，这样使得分组可以被缓存在交换设备的内存而不是磁盘中。特点吞吐率较高，非常适合于交互式通信。实现方式数据报(Datagram)每个Packet单独寻址，IP数据报虚电路(VirtualCircuit)在传输双方先建立一条虚电路，所有Packet沿着同一条虚电路到达目的地：X.25/FR/ATM,三者的比较,电路交换和分组交换的比较,带宽分配电路交换技术静态预留线路带宽（物理电路）；而分组交换技术动态申请和释放线路、带宽（虚电路）。透明性电路交换是完全透明的。发送方和接收方可以使用任何速率(当然是在物理线路支持的范围内)、帧格式来进行数据通信。而在分组交换中，发送方和接收方按一定的数据速率和帧格式进行通信。计费方式在电路交换中，通信费用取决于通话时间和距离，而与通话量无关；而在分组交换中，通信费用主要按通信流量(如字节数)来计算，适当考虑通话时间和距离。,2.6调制解调器,2.6.1调制方式,正交幅度调制,2.6.2Modem标准,传输速率(9600bps,14.4kbps,33.6kbps,56kbps)调制方式(调幅、调频、调相、正交幅度调制)数据压缩CCITT规范：CCITTV.42bis规范，使用Huffman编码技术MNP(MicrocomNetworkingProtocol)规范：MNP5可以实现2：1的压缩比，MNP7的压缩比可以达到3：1。差错控制CCITT规范：CCITTV.42规范MNP规范：MNP10级是功能非常齐全的差错控制协议，用于向蜂窝电话这样的噪声环境。物理接口(RS-232-C，RS-449，V.35),ITU有关Modem的标准,ITUV.22bis2400bpsITUV.274800bpsITUV.329600bps32-QAM(4+1)ITUV.32bis14.4kbpsQAM(64points)ITUV.3314.4Kbps128-QAM(6+1)ITUV.3428.8kbps12bits/SampleITUV.34bis33.6kbps14bits/SampleITUV.42bisCompressITUV.9056kbps,V.32,Figure6-28,V.33,Figure6-29,2.6.3Modem的分类,按调制信号电话拨号Modem（人工呼叫/应答、自动呼叫/应答）专线Modem（2线、4线）射频Modem（CableModem）Opti