第二章数据通基础

1、第二章数据通基础物理层的主要功能一、实现发送端和接收端之间的信号同步。二、为数据链路层提供物理连接,实现比特流的透明传输。.物理层的基本概念物理层的主要任务描述为确定与传输媒体的接口的一些特性，即： 机械特性 指明接口所用接线器的形状和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等等。电气特性 指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。功能特性 指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义。规程特性 指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。 数据通信系统的模型 传输系统输入信息输入数据发送的信号接收的信号输出数据源点终点发送器接收器调制解调器PC 机公用 网调制解调器数字比特流数字比特流模拟信号模拟

2、信号 正文正文数据通信系统源系统目的系统传输系统输出信息PC 机DTE数据终端设备DTE产生的是数字信号，接收的也是数字信号 。DCE数据线路端接设备DCE为DTE提供了入网的连接点，通常被认为是通信子网中的设备。几个术语信息信息(Information):是数据的内容或解释是数据的内容或解释 计算机通过数据表达信息计算机通过数据表达信息 计算机信息交换就是访问及传输数据计算机信息交换就是访问及传输数据 计算机通信就是一种数据通信计算机通信就是一种数据通信信号信号(Signal):是数据的具体表现形式是数据的具体表现形式,如电磁波或如电磁波或电编码电编码数据是借助信号来传输的数据是借助信号来传

3、输的 是通信中传输的主体是通信中传输的主体数据和信息数据和信息是有区别的。数据是独立的，是尚未组织起来的事实的集合，信息则是按照一定要求以一定格式组织起来的数据，凡经过加工处理或换算成人们想要得到的数据，即可称为信息。 信号是数据的物理表示形式。在数据通信系统中，传输媒体以适当形式传输的数据都是信号。电信号有模拟信号和数字信号两种形式。模拟数据和数字数据表达数据的方式和承载数据的媒体是紧密相关的，不同的媒体能够表达数据的方式是有限的。模拟数据和数字数据是表达数据的两种方式。当数据采用电信号方式表达时，由于受电物理特性所限，数据只能被表示成离散的编码和连续载波两种形式。当数据采用离散的电信号表示

4、时，这样的数据就被称为数字数据。当数据采用电波表示时，这样的数据就被称为模拟数据。 q模拟信号：时间上连续，包含无穷多个值模拟信号：时间上连续，包含无穷多个值q数字信号：时间上离散，仅包含有限数目的预定值数字信号：时间上离散，仅包含有限数目的预定值a) 模拟信号模拟信号(Analog) b) 数字信号数字信号(Digital)TT模拟信号和数字信号模拟信号和数字信号通信与通信系统通信是把信息从一个地方传送到另一个地方的过程，用任何方法，通过任何媒体将信息从一个地方传送到另一个地方均可称为通信。用来实现通信过程的系统被称为通信系统。通信系统都必须具备三个基本要素：信源、传输媒体和信宿。 通信系统

5、都必须具备三个基本要素：信源、传输媒体和信宿。通信系统中，除信源、通信媒体和信宿三个基本要素外，通常还需要有信号变换设备、信号复原设备，在传输媒体中存在的各种产生差错的噪声。信 道信道是传送电信号的一条道路信道也可以分为传送模拟信号的模拟信道和传送数字信号的数字信道两类。信号在信道上有两种传输方式:基带传输基带传输, 宽带宽带传输传输基带传输基带传输基带信号：将二进制码数字数据基带信号：将二进制码数字数据经过编码变换成经过编码变换成数字脉冲信号数字脉冲信号基带传输：不调制，编码后的基带传输：不调制，编码后的基基带信号带信号信号直接在信道上传送信号直接在信道上传送电压脉冲直接加到电缆，并且使用电

6、缆的电压脉冲直接加到电缆，并且使用电缆的整个信号频率范围整个信号频率范围宽带传输宽带传输在一路信道的全部频率范围上同时进行多路在一路信道的全部频率范围上同时进行多路不同频率的载波传输，一路信道包含多个逻不同频率的载波传输，一路信道包含多个逻辑信道。辑信道。 频分复用频分复用（FDM）电视电视ADSLISDN信道的几个主要技术指标任何实际的信道都不是理想的，在传输信号时会产生各种失真以及带来多种干扰。 码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远，在信道的输出端的波形的失真就越严重。 比特率：比特率： 数据传输率，指每秒传输多少二进制代码位数，数据传输率，指每秒传输多少二进制代码位数，单位用位单位用

7、位/秒，常记作秒，常记作bps(即即bit per second)。设设T为传输的电脉冲信号的宽度或周期，为传输的电脉冲信号的宽度或周期，N为电脉冲信号所为电脉冲信号所有可能的状态数，则数据率有可能的状态数，则数据率S=1/Tlog2N(bps)其中，其中，log2N是每一个电脉冲信号所表示的二进制数据的位是每一个电脉冲信号所表示的二进制数据的位数数(比特数比特数)。比如，设电信号的状态数。比如，设电信号的状态数N=2，即只有，即只有“0”和和“1”两个状态，则每个电信号只传送两个状态，则每个电信号只传送1位二进制数据。这位二进制数据。这时，时，S=1/T。比特率比特率波特率:又称码元速率，它

8、是数字信号经过调制后的传输速率，表示每秒钟传输多少电信号单元(或码元)，即调制后模拟电信号每秒钟的变化次数，它等于调制周期(即时间间隔)的倒数，单位为波特(Baud)。若用T(秒)表示调制周期，则调制速率B=1/T(Baud)1波特表示每秒传送一个码元。波特率波特率数字信号通过实际的信道 失真不严重失真严重 实际的信道（带宽受限、有噪声、干扰和失真）输入信号波形输出信号波形(失真不严重)输入信号波形实际的信道（带宽受限、有噪声、干扰和失真）输出信号波形(失真严重) 带宽与傅里叶分析若将数字信号不经调制直接放到模拟信道上进行传输，会引起信号的失真任何实际的模拟信道所能传输的信号的频率都有一定的范

9、围，称之为该信道通频带的宽度或称为带宽（bandwidth） 信道的带宽是由传输媒体和有关的附加设备与电路的频率特性综合决定的 一个低通信道，若对于从0到某个截止频率fc的信号通过时振幅不会衰减或衰减很小，而超过此截止频率的信号通过时就会大大衰减，则此信道的带宽为fc Hz。 一个具有有限持续时间的数字信号，可以看作为一个以此有限持续时间T为周期的周期阶梯函数 f(t)。此函数可展开成傅里叶（Fourier）级数。信道的带宽越宽，则它传输数字信号时失真越小。反之，若信道的带宽是固定的，则用它来直接传输数字信号的数据速率越高则失真越大 。信道的最大传输速率Nyquist 定理（有限带宽的无噪声信

10、道）如果一个任意的信号通过带宽为H的低通滤波器，那么每秒采样2H次就能完整地重现通过该滤波器的信号。最大数据传输率=2H log2V （b/s）Shannon定理对任何带宽为H Hz，信噪比为S/N的信道，最大数据传输速率=H log2（1+S/N） （b/s）信道的极限信息传输速率 香农(Shannon)用信息论的理论推导出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限、无差错的信息传输速率。信道的极限信息传输速率 C 可表达为 C = W log2(1+S/N) b/s W 为信道的带宽（以 Hz 为单位）；S 为信道内所传信号的平均功率；N 为信道内部的高斯噪声功率。 香农公式表明 信道的带宽

11、或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高。 只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定可以找到某种办法来实现无差错的传输。 若信道带宽 W 或信噪比 S/N 没有上限（当然实际信道不可能是这样的），则信道的极限信息传输速率 C 也就没有上限。实际信道上能够达到的信息传输速率要比香农的极限传输速率低不少。 奈氏准则和香农公式在数据通信系统中的作用范围 源系统传输系统目的系统传输系统源点终点发送器接收器输入信息输出信息输入数据输出数据发送的信号接收的信号码元传输速率受奈氏准则的限制信息传输速率受香农公式的限制几种最基本的调制方法 调制就是进行波形变换（频谱变换）。 最基本的二元制调

12、制方法有以下几种：调幅(AM)：载波的振幅随基带数字信号而变化。 调频(FM)：载波的频率随基带数字信号而变化。调相(PM) ：载波的初始相位随基带数字信号而变化。 对基带数字信号的几种调制方法 010011100基带信号调幅调频调相调制解调器使用异步通信方式 数据通信可分为同步通信和异步通信两大类：同步通信要求接收端时钟频率和发送端时钟频率一致。发送端发送连续的比特流。异步通信时不要求接收端时钟和发送端时钟同步。发送端发送完一个字节后，可经过任意长的时间间隔再发送下一个字节。 异步通信的通信开销较大，但接收端可使用廉价的、具有一般精度的时钟来进行数据通信。PCM系统现在的数字传输系统均采用脉

13、码调制 PCM (Pulse Code Modulation)体制。 采样周期 Tt信号t采样1001001111000010t编码t解码t还原多路复用技术 多路复用就是利用一条物理信道同时传输多路信号，以提高信道的利用率，做到一条线路可以同时由多个用户使用，而且互不影响。采用多路复用技术能把多个信号组合到一个物理信道上传输，这在远距离传输时，可大大节省电缆的安装和维护费用。 在通道系统常可看到多路复用器（MUX）及多路译码器（DEMUX），它们为构成多路复用技术的主要组件。其中，MUX用来合并多个数据源的信号，在一个共同信道上传输DEMUX用来分离合并的信号。 常用的多路复用技术有：频分多路

14、复用和时分多路复用。信道复用技术 频分复用、时分复用和统计时分复用 频分复用：所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源。时分复用：所有用户在不同的时间占用同样的频带宽度。 统计时分复用：一种改进的时分复用，能明显提高信道的利用率。 频分复用 频率时间频率 1频率 2频率 3频率 4频率 51超群5基群60音频信道时分复用 为了有效地利用传输线路，可将多个话路的PCM 信号用时分复用 TDM (Time Division Multiplexing)的方法装成时分复用帧，然后发送到线路上。中国采用欧洲体制，以 E1 为一次群。美国和日本等国采用北美体制，以 T1 为一次群。时分复用 频率时间B C

15、DB C DB C DB C DAAAA在 TDM 帧中的位置不变TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧时分复用 频率时间C DC DC DAAAABBBB C D在 TDM 帧中的位置不变TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧时分复用 频率时间BDBDBDAAAA BCCCC D在 TDM 帧中的位置不变TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧时分复用 频率时间B CB CB CAAAA B CDDDD在 TDM 帧中的位置不变TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧时分复用可能会造成线路资源的浪费 ABCDaabbcdb cattttt4 个时分复用帧#1acbcd时分复用#2#3#4用户统计时分复用 STDM 用户ABCDabcdttttt3 个 STDM 帧#1acba