第2章-物联网通信技术(曾宪武)LXX2014.7

1、第2章数据通信基础理论1 1第2章数据通信基础理论2.1数据信号分析基础数据信号分析基础2.2数据率与频带的关系数据率与频带的关系2.3交换技术交换技术本章小结本章小结第2章数据通信基础理论2 22.1 数据信号分析基础数据信号分析基础数据信号是与时间有关的， 因此数据信号是时间的函数； 与此同时， 数据信号也是与频率有关的， 即一个数据信号是由各种不同频率成分构成的， 因此数据信号也是频率的函数。 频率函数与时间函数之间在一定条件下是一一对应的， 可以相互变换。 数据信号分析可从时间-时域、 频率-频域以及从时频域这三方面进行分析。 第2章数据通信基础理论3 32.1.1 时域分析时域分析信

2、号以时间上的表现形式不同， 可以分为连续信号和离散信号两种， 如图2.1.1所示。 图2.1.1 连续信号与离散信号第2章数据通信基础理论4 4不论是连续信号还是离散信号， 如果相同的信号形式以周期性的方式重复， 则称为周期信号。 图2.1.2所示的就是周期信号。 图2.1.2 周期信号第2章数据通信基础理论5 5周期信号可用数学表达式表示为s（t+T）=s（t）， t+ (2.1.1)式中， T为信号的周期。 周期与频率f之间有如下的关系：(2.1.2) 正弦信号是最基本的信号之一， 它可用三个参数来表示： 幅度(A)、 频率(f)和相位(j)， 即s（t）=A sin（2ft+ j ）。

3、正弦波的传播速度v与波长、 频率f及周期T之间有如下关系：=vT， f=v (2.1.3)第2章数据通信基础理论6 62.1.2 频域分析频域分析一般， 一个信号是由多个频率成分组成的， 如图2.1.3所示。图2.1.3(c)所示的多频率成分构成的信号可用数学式表示为 该信号由频率f1和频率3f1的两个正弦信号构成， 两信号的振幅分别为1和1/3， 初始相位均为0。 频率f1和频率3f1是整数倍数关系， f1是整个信号的基本频率， 称为基频， 信号的周期与正弦信号sin(2f1t)一致， 都等于T=1.0。 第2章数据通信基础理论7 7图2.1.3 多个频率成分构成的信号第2章数据通信基础理论

4、8 8也可以在频域上来表示图2.1.3(c)所示的时域函数， 用S(f)表示频域函数， 其结果如图2.1.4所示。 第2章数据通信基础理论9 9对于一个单脉冲信号， 它的取值区间为, ， 幅度为1， 它的频域函数是连续的， 如图2.1.5所示。图2.1.5 单脉冲时域及频域波形第2章数据通信基础理论10 102.1.3 傅里叶分析傅里叶分析对于一个原始的信号g(t)， 可以用基本频率为f（简称基频）的无限多个正弦和余弦函数的级数来逼近， 即 (2.1.4)式中， C为常数， f为基频， 周期T=1/f, an和bm分别是n次和m次正弦及余弦函数的幅值， 有第2章数据通信基础理论11 11如果单

5、个脉冲的幅度为A， 宽度为， 在时间轴两边对称， 这样的矩形脉冲经傅里叶变换后， 将时域函数变为了频域函数， 即第2章数据通信基础理论12 12式中， =2f。 当=2/时， sin=0， S()=0, 近似地把S()的第一个零点处=2/(或f=1/)看做传输带宽为的矩形脉冲所需要的带宽， 即带宽为(2.1.6) 从式(2.1.6)可以看出， 带宽与脉冲宽度成反比， 即数据率越高， 脉冲宽度就越窄， 从而要求的信道传输带宽就越宽。 第2章数据通信基础理论13 13 2.2 数据率与频带的关系数据率与频带的关系一般来说， 数据信号的波形是由多个脉冲组成的， 每个脉冲的频谱是无限宽的连续频域函数。

6、 一个脉冲信号可以用无限多个振幅不同、 频率不同的正弦波叠加来近似， 如可近似为式中， A是实数， f1是某个频率。 第2章数据通信基础理论14 14随着k的增加， 1/k逐渐趋近于0， 这就是说式(2.2.1)中的前几项对该信号的能量贡献较大， 而后面的项则贡献较小， 因此我们可以取前几项（如前3项）来近似地表示一个脉冲信号， 于是式(2.2.1)所示信号的带宽为B=2kMf1 f1=f1(kM1) (2.2.2)式中， B为信号的带宽， kM为所取的项数的值， 如kM=1, 3, 5, 7, 9, 。第2章数据通信基础理论15 15由于每个比特持续时长为TB=T/2=1/（2f1）， 故该

7、系统的传输速率即数据率为 (2.2.3) 一般来说， 任何数字信号的带宽是无限宽的， 而信道的传输带宽是有限的， 这将限制传输信号带宽， 因此在传输数字信号前， 应采用适当的技术来限制信号的带宽， 使其适合信道的传输。 第2章数据通信基础理论16 16由式(2.2.1)可以看出， k的取值越多， 所逼近的信号就越精确于脉冲波形， 但同时也带来了信号带宽的增加， 信号带宽的增加必然要求信道传输带宽的增加， 这就意味着信道将不能传输较多路的信号， 因此在设计数字通信系统时应综合考虑， 既不能由于考虑增加额外的信道传输带宽而限制信号的带宽， 也不能由于过度精确地逼近而增加信道超额的带宽， 需在两者之

8、间权衡。 第2章数据通信基础理论17 172.3 交交 换换 技技 术术物联网中的通信网络是由许多交换节点连接构成的。 物联网的信息传输要经过一系列的交换节点， 从一条条传输信道（线路）到另一条条传输信道（线路）后， 才能到达最终的接收端（目的地）。 交换节点的作用相当于交通运输中的“换乘车站”， 交换节点的信息“换乘”方式称为信息的交换方式。 一般， 交换方式有电路交换、 报文交换和分组交换三种基本方式， 其工作原理如图2.3.1所示。 第2章数据通信基础理论18 18图2.3.1 三种交换方式原理图第2章数据通信基础理论19 192.3.1 电路交换电路交换电路交换(Circuit Swi

9、tching)是最常用的一种交换方式。 在通信时， 通信网需对两个收发用户建立一条专用的临时电路， 当通信结束时， 释放该电路。 电路交换进行数据通信时须经过三个阶段， 即建立电路阶段、 传送数据阶段和拆除电路阶段。 当电路建立以后， 不论双方有无数据传送， 电路一直被占用， 直到通信双方有一方要求拆除电路为止。 电路交换有空分交换和时分交换两种方式。 第2章数据通信基础理论20202.3.2 报文交换报文交换报文交换是以“存储转发”方式进行的， 在数据通信时， 先将报文传到一节点后将信息存储起来， 节点根据报文提供的目的地址， 在通信网中确定信息的通路， 并将要发送的报文送到输出电路队列中排

10、队等候， 一旦该输出电路空闲， 就立即将报文传送给下一个节点，依次完成从源节点向目标节点的传送。 第2章数据通信基础理论21 212.3.3 分组交换分组交换分组交换也采用“存储转发”的技术， 但它不像报文交换， 以整个报文为交换单位， 而是将一个较长的报文分解成若干固定长度的“段”， 每一段报文按一定的格式形成一个交换单位， 这个规定格式的交换单位称为“报文分组”， 简称“分组”。 第2章数据通信基础理论2222分组作为一个独立的实体， 既可断续地传送， 也可经不同的传输路径来传送。 由于分组长度固定且较短， 又具有统一的格式， 这样便于节点存储、 分析和快速转发。 分组进入节点进行排队和处

11、理的时间很短， 一旦确定了新的传输路径， 就立即转发到下一个节点或终端。 分组交换有数据报和虚电路两种交换方式。第2章数据通信基础理论23231. 数据报与报文交换方式类似， 每个分组在通信网中的传输路径完全由网络当前的状况随机决定。 由于每个分组都有完整的地址等控制信息， 所以都可以到达目的地， 但到达目的地的顺序可能与发送端的顺序不一致， 这需要在发送端对数据信息进行分组和编号， 在接收端也要对收到的分组拆去头尾及重新排序， 具有这种工作的设备称为分组拆装设备(Packet Assembly and Disassembly device, PAD)， 通信的收发两端均有一个这样的设备。 第

12、2章数据通信基础理论24242. 虚电路在虚电路交换方式中， 数据传输前， 必须在源与目的地之间建立一条逻辑连接， 即虚电路。虚电路是两个通信设备之间完整的双向透明的数据流路径， 而不是物理电路。 当虚电路建立后， 各数据分组均沿着已建立起来的虚电路传送信息。 一旦交换接收， 立即拆除连接。 从现象上来看， 虚电路与电路交换方式所建立的专用电路一样， 但从本质上来看， 在虚电路交换中各分组还需要“存储转发”。 第2章数据通信基础理论2525 本本 章章 小小 结结数据信号是与时间有关的， 因此数据信号是时间的函数； 与此同时， 数据信号也是与频率有关的， 即一个数据信号是由各种不同频率成分构成

13、的， 因此数据信号也是频率的函数； 频率函数与时间函数之间在一定条件下是一一对应的， 可以相互变换。 第2章数据通信基础理论2626数据信号分析可从时间-时域、 频率-频域以及从时频域三方面进行分析。 信号以时间上的表现形式不同， 可以分为连续信号和离散信号两种。 不论是连续信号还是离散信号， 如果相同的信号形式以周期性的方式重复， 则称为周期信号。 正弦信号是最基本的信号之一， 它可用三个参数来表示， 即用幅度(A)、 频率(f)和相位(j)。 第2章数据通信基础理论2727有效带宽是指信号大部分能量集中的高低频率范围。 虽然信号的频谱可能覆盖整个频率范围，但是大部分能量却集中在有限的频率范

14、围内， 这个范围就是信号的频带。 一般来说， 任何数字信号的带宽是无限宽的， 而信道的传输带宽是有限的， 这将限制传输信号带宽， 因此在传输数字信号前， 应采用适当的技术来限制信号的带宽， 使其适合信道的传输。 第2章数据通信基础理论2828数据率与频带宽度有直接的关系。 信号数据率越高， 所需要的有效频带越宽。 也就是说，传输系统的频带越宽， 系统传输的数据就越多， 如数据率为f1， 则2f1带宽就能很好地满足传输的要求。 一般， 交换方式有电路交换、 报文交换和分组交换三种基本方式。 电路交换的缺点是建立电路的过程需要较长的时间， 电路资源的利用率不高； 它的优点是传输时延小且时延固定， 没有信息格式的限制， 而且是“透明”传输的。 第2章数据通信基础理论2