一部分数据通信市公开课金奖市赛课一等奖课件

第一部分数据通信第二章：数据通信基础知识信号与通信模拟通信与数字通信信号频谱与带宽，信道带宽及最大数据传播率等传播介质多路复用技术数据互换技术信号变换第三章：物理层接口（RS232C串口）第1页第1页2.1基本概念信号是消息或数据电磁编码。信号时域特性表示为时间t函数，信号数学描述普通是以时间t为自变量，以某种物理量（如电压）为因变量。分为模拟信号与数字信号。通信通信任务是将表示消息信号从发送方传递到接受方。分为模拟通信与数字通信。

x(nT)(b)数字信号(a)模拟信号

1001100111

f(t)

tnT1001100111第2页第2页2.1.2模拟通信信源调制器信道解调器信宿噪声模拟通信：利用模拟信号来传递消息。实质上是一个信号变换器，由于信源产生是模拟信号，因此调制器功效是将其调制到某个频段以便进行远距离传播或多路复用。包括传播介质和介质两端传播设备第3页第3页2.1.3数字通信

信源编码器

噪声

发送端时钟

信

源

信道编码器

信

宿

调

制

信

道

解

调

信道译码器

信源译码器

接受端时钟

数字通信：利用数字信号来传递消息。是对传播数字信号进行检错或纠错编码,以便接受方能进行差错检测和纠正。信源编码器主要作用：一是进行模/数转换；二是减少信号数码率。它使变换后信号能在传播介质中传播，或提升信道传播效率发送端和接受端使用各自时钟；接受时钟与发送时钟必须保持同时第4页第4页数字通信主要特点长处抗干扰能力强，可实现高质量远距离传播；能适应各种传播业务；能实现高保密传播；传播设备集成化和微型化；缺点占用信道带宽敞；并且需要复杂同时技术。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数据传播率是64Kbps，所需占用信道带宽要远远不小于4KHz。第5页第5页模拟放大与数字再生第6页第6页2.2数据通信基础理论2.2.1信号频谱和带宽任何信号经过信道时都会发生衰减；假如全部频率分量被等量衰减，那么结果信号虽在振幅上有所衰减，但没有畸变。然而：信道对不同频率信号其衰减幅度是不相同，因而会发生畸变。普通来说，频率越高信号，其衰减幅度越大2.2.2信道截止频率与带宽2.2.3信道最大数据传输率第7页第7页 傅立叶已经证实：任何一个周期为T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振幅。f(t)2.2.1信号频谱和带宽第8页第8页基本概念信号带宽信号频域图所覆盖频率范围称为信号带宽我们将信号大部分能量集中那段频带称为信号有效带宽，简称为带宽(Bandwidth)；任何信号都有一定带宽。频域图（频率-最大振幅图）把f(t)各次谐波振幅An按照频率高下依次排列起来所形成谱状图形,称为信号f(t)频谱图。第9页第9页绝对带宽和有效带宽第10页第10页常见信号带宽话音信号话音信号原则带宽为300Hz～3400Hz。音乐信号（CD音质）要求带宽是20Hz~20KHz。电视信号电视信号带宽为几Hz～4MHz。单脉冲信号其带宽为无穷大二进制信号普通情况下，其带宽依赖于“0”、“1”序列顺序以及详细数字编码方式。第11页第11页脉冲信号频谱图信号脉冲宽度与其带宽成反比，因此信号数据率越高，信号带宽也就越宽。第12页第12页2.2.2信道截止频率与带宽信道带宽是指该系统不失真传播信号频率范围我们把信号在通过信道时其中某个频率分量振幅衰减到本来0.707(即信号能量衰减到本来二分之一)时所相应频率称为信道截止频率fc。(cut-offfrequency)即低通信道有效带宽(0~fc）任何信道都有fc，信道截止频率或带宽是由其固有物理特性决定。第13页第13页信道截止频率10lg2

3第14页第14页结论信道带宽决定对其通过信号带宽，因而对于有限带宽信道必须限制信号带宽，即限制信号数据传播率；不然输出信号就会畸变。第15页第15页以01100010为周期信号频谱第16页第16页2.2.3

信道最大数据传播率基本概念码元速率调制速率，波特率，信号单元速率信号每秒钟传播脉冲（码元）数：数据传播率信息速率信号每秒钟传播信息量（比特/秒）：V为信号电平级数两者关系：第17页第17页码元同时脉冲t码元1码元2码元3码元4码元5信号码元(CodeCell)：时间轴上一个信号编码单元第18页第18页信息量度量香农要求：一个消息所荷载信息量I，等于它所表示事件发生概率P倒数对数。信息量计算公式：I=loga(1/P)=-loga(P)信息量单位：假如对数以2为底，单位为比特（b）。假如对数以e为底，单位为奈特（nat)。假如对数以10为底，单位为哈特莱（Hartley）。事件发生概率越高，信息量越少。第19页第19页Nyquist定理Nyquist（1924）推导出带宽为H抱负(无噪声)信道最大数据传播率为Rmax=2H*log2V(bps) 其中V为信号电平量化等级。公式阐明数据传播率随信号编码级数增长而增长。例子一个带宽为3000Hz无噪声信道在传播二进制数字信号其最大数据传播率不超出6000bps。第20页第20页Shannon定理Shannon（1948）推导出对于带宽为H，信噪比为S/N有噪声信道，其最大数据传播率Rmax为：

其中信号功率与噪声功率比值称为信噪比(Signal-to-NoiseRatio)；我们普通使用分贝(dB)来表示信噪比。例子：一个带宽为3000Hz信噪比为30dB信道其最大数据传播率不超出C=3000*log2(1+1000)≈30KbpsS/NdB=10log10S/NRmax=H*log2(1+S/N)(bps)第21页第21页结论若把信息传播速率增长到信息容量以上，哪怕超出一点，那么被正确接受概率就会趋于零。在实际信道上能够达到信息传播速率要比香农极限传播速率低不少。这是由于在实际信道中，信号还要受到其它损伤，如各种系统外噪声干扰以及在传播和处理中产生其它失真等。当信噪比太小，不能确保通信质量时，可用增长带宽来提升信道容量，即以带宽换功率。无论信号编码分多少级，香农公式给出了信道能达到最高传播速率，原因是噪声存在将使编码级数不也许无限增长。第22页第22页2.3传播介质数据传播总是通过某种传播媒体在发送设备和接受设备之间进行。传播媒体可以划分为导线或无导线两类。无论属于哪一种类别，通信都以电磁波形式发生。使用导线媒体，波传播被限制到一条物理通路；导线媒体例子有双绞线、同轴电缆和光导纤维。无导线媒体提供发射电磁波手段，但不约束传播通路；无导线传播例子有通过空气、真空和海水通信。常用无线通信系统有无线电、微波、卫星、红外线、激光等等。第23页第23页2.3.1双绞线双绞线由两条互相绝缘铜线构成，其典型粗细为直径1mm，这两条线像螺纹同样拧在一起，这样能够减少邻近线路电气干扰。双绞线最常见应用是电话系统。即使双绞线主要是用来传播模拟声音信息,但同样适合用于数字信号传播,尤其适合用于较短距离信息传播。采用双绞线局域网带宽取决于所用导线质量、长度、铜线粗细及传播技术。普通能够在几公里内达到几兆bps传播率。双绞线可分为屏蔽双绞线STP(IBM)和非屏蔽双绞线UTP（EIA/TIA）第24页第24页双绞线第25页第25页双绞线EIA/TIA为双绞线电缆定义了五种不同质量型号。计算机网络综合布线使用第三、四、五类。这五种型号以下：第一类：主要用于传输语音（一类标准主要用于八十年代初之前电话线缆），不用于数据传输。

第二类：传输频率为1MHz，用于语音传输和最高传输速率4Mbps数据传输，常见于使用4Mbps规范令牌传递协议旧令牌网。

第三类:指当前在ANSI和EIA/TIA568标准中指定电缆。该电缆传输频率为16MHz,用于语音传输及最高传输速率为10Mbps数据传输，主要用于10base-T。

第26页第26页双绞线第四类:该类电缆传播频率为20MHz,用于语音传播和最高传播速率16Mbps数据传播，主要用于基于令牌局域网和10base-T/100base-T。

第五类:该类电缆增长了绕线密度,外套一个高质量绝缘材料,传播频率为100MHz,用于语音传播和最高传播速率为100Mbps数据传播，主要用于100base-T和10base-T网络，这是最惯用以太网电缆。3类和5类UTP关键差别在于单位距离上螺旋数目。5类旋得较紧，普通为每英寸3-4转，而3类则普通是每英尺3-4转；旋得越紧，价格越贵，但性能也好得多。另外尚有超5类双绞线电缆，通过对其“信道”性能测试结果表明，与普通5类双绞线电缆比较，它近端串扰、衰减和结构回波等主要性能指标都有很大提升。第27页第27页屏蔽双绞线以铝箔屏蔽以减少干扰和串音需要配有支持屏蔽功效特殊连接器和相应安装技术。100m内可达155Mbps，但价格高。主要用于IBM网络产品（16Mbps速率)，并未普遍流行起来。

第28页第28页2.3.2同轴电缆第29页第29页同轴电缆基带电缆特性阻抗50欧姆，主要用于传播数字信号，可作为计算机局域网传播介质，速率可达10Mbps有可分为粗缆和细缆，粗缆无中继传播距离可达500m，安装难度大，但可靠。细缆无中继传播距率185m，安装时需切断电缆，不可靠。宽带电缆（CATV电缆）特性阻抗为75欧姆，主要用于传播模拟信号，可用于有线电视传播线路。频带高达300MHz或更高，传播距离可达100km。第30页第30页光纤及光缆构成第31页第31页光反射原理第32页第32页2.3.3光纤传播与计算比较Compution：每增长1个数量级Communication：每增长2个数量级带宽频率范围：180~370THz数据传播率：100*10Gbps=1Tbps原因：光/电、电/光转换速度跟不上光电子技术/光子技术通过光纤中光波长0.85μm/1.3μm/1.55μm(250~300THz)第33页第33页单模光纤和多模光纤多模光纤（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62.5μm/125μm单模光纤（single-modefiber）使用激光源中继距离100公里内芯直径与光源波长相近直径为8～10μm第34页第34页光纤示意图第35页第35页单模光纤与多模光纤比较第36页第36页光纤信道普通构成第37页第37页光纤特点长处高带宽、高数据传播率，衰减小对电磁干扰EMI、窃听不敏感（安全、可靠）抗腐蚀重量轻，原料丰富，生产成本低。缺点单向传播光纤接口价格昂贵工艺复杂、安装技术复杂第38页第38页2.3.4无线介质无线介质是指信号通过空气传播，信号不被约束在一物理导体内。由无线介质构成无线传播系统，主要包括：无线电微波（地面微波、卫星微波）红外线激光第39页第39页无线电波频段划分无线电、微波、卫星语音红外线光紫外X、伽玛射线0

3kHz

300GHz430～750THz第40页第40页无线电无线通信就是利用地面发射无线电波通过电离层反射而到达接受端一个远距离通信方式。无线通信使用频率普通在3MHz至300MHz。无线电波传播特性与频率相关。在低频上，无线电波能容易地绕过普通障碍物，但其能量伴随传播距离增大而急剧递减。在高频上，无线电波趋于直线传播并易受障碍物阻挡，还会被雨水吸取。第41页第41页微波对于频率在100MHz以上无线电波，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视距范围内进行信息传播一个通信方式，它使用频率范围普通在300MHz至3GHz左右。由于微波只能沿直线传播，因此微波发射天线和接受天线必须准确对准，并且每隔一段距离就需要一个中继站。中继站之间距离与微波塔高度成正百分比。对于100m高微波塔，中继站之间距离能够达到80km。第42页第42页地面微波接力地球两个地面站之间传送距离：50-100km地面站之间直视线路微波传送塔第43页第43页地球同时卫星35860公里地球与地面站相对固定位置使用3个卫星覆盖全球传播延迟时间长第44页第44页卫星通信卫星通信：微波通信特殊形式，它以距地面35860km同时卫星为中继站，实现地球上18000km

范围内多点之间连接。主要由卫星、地球站、上下行线构成。频率范围在

3～30GHz波段下行线上行线C3.7～4.25.925～6.425Ku11.7～12.214～14.5Ka17.7～2127.5～31L1.545～1.55851.6465～1.66卫星频带（GHz）第45页第45页甚小口径地球终端VSATVSAT网通常由一个卫星转发器、一个大型主站和大量VSAT小站构成，能单双向传播数据、语音、图像、视频等多媒体综合业务。尤其适合用于大量分散业务量较小用户共享主站，因此许多部门和公司多使用VSAT网来建设内部专用网。第46页第46页多路复用复用——多个信息源共享一个公共信道

主要目－减少线路成本，提高线路利用率DEMUX复用器解复用器共享信道MUX第47页第47页2.4多路复用频分多路复用FDM(FrequencyDivisionMultiplexing)主干线路频带被划分为若干逻辑信道，每个用户独占一些频段；调频广播以及有线电视。波分多路复用WDM(WaveDivisionMultiplexing)FDM在光纤介质中应用；光纤系统使用衍射光栅能够是无源。时分多路复用TDM(TimeDivisionMultiplexing）每个用户轮流瞬间地占有主干线路整个带宽；在数字通信系统中，对主干线路多路复用只能采用TDM，由于数字信号频谱有也许占居整个信道带宽。第48页第48页多路复用统计(异步）TDM:用户不固定占用某个通道，有空槽就将数据放入，可节约带宽。第49页第49页FDM第50页第50页频分多路复用FDM图第51页第51页FDM第52页第52页WDM第53页第53页时分多路复用TDM图第54页第54页统计时分多路复用ABCD待发数据t1t2t3A1B1C1D1C2D2A2B2周期1周期2同时TDM带宽浪费A1B1C2B2周期1周期2统计TDM可用带宽TDM缺点：某用户无数据发送，其它用户也不能占用该通道，将会造成带宽浪费。改进：统计时分多路复用（STDM），用户不固定占用某个通道，有空槽就将数据放入。第55页第55页电话通信网传播技术光纤电缆明线光纤电缆明线基站用户用户线市内交换设备移动交换局基站长途交换设备多路复用设备地球站微波站终端增音设备用户用户线市内交换设备移动交换局基站长途交换设备多路复用设备地球站微波站终端增音设备基站增音设备通信卫星第56页第56页64kbps单路PCMCCITT原则（T，E系列）×57680路564992kbps96路6312kbps1920路13926kbps480路34368kbps120路8448kbps30路2048kbps672路44736kbps480路32064kbps24路1544kbps×24×4×4×4×4×4北美日本欧洲日本北美×7第57页第57页PDH数字传播系统第58页第58页T1线路帧格式第59页第59页E1帧格式0121631125ms=32时隙=2.048Mbps帧同时信令信道30路话音数据信道+2路控制信道第60页第60页同时数字体系SDH最早由美国贝尔通信所提出，称为SONET,1988年CCITT更名为SDH，要求了原则光信号多路复用数字业务同时帧结构和传播速率系列等级、信号格式操作规程。它在帧结构内安排了丰富比特开销用于网络维护，操作和管理采用大量软件进行智能化便于实现低速信号分流和插入。新研制SONET原则则是OC-192（大约10Gbps）以及更高级别。两种原则几乎同等第61页第61页SONET/SDH复用级别第62页第62页第63页第63页SONET多路复用第64页第64页2.5数据互换技术电路互换(CircuitSwitching)老式电话网报文互换(MessageSwitching)报文指含有完整消息含义数据单元。比如电报，电子邮件，数据文献等。分组互换(PacketSwitching)分组大小有严格上限。比如，X.25网。第65页第65页电路互换节点incominglinksoutgoinglinksNode第66页第66页电路互换原理在采用电路互换技术网络中，传播双方在传播之前通过呼喊建立一条物理线路，该线路带宽是固定并且该物理线路始终保持到双方通话结束才释放。特点电路互换技术有两大长处，第一是传播延迟小，唯一延迟是物理信号传播延迟；第二是一旦线路建立便不会发生冲突。电路互换缺点首先是建立物理线路所需时间比较长；另一方面是在电路互换系统中，物理线路带宽是预先分派好。第67页第67页报文（Message）互换原理报文互换不事先建立物理电路，当发送方有数据要发送时，它把要发送数据当作一个整体交给中间互换设备，中间互换设备先将报文存储起来，然后选择一条适当空闲输出线将数据转发给下一个互换设备，如此循环往复直至将数据发送到目的结点。特点不限制报文大小，这就要求各个中间结点必须使用磁盘等外设来缓存较大数据块。报文转发也许会长时间占用线路，造成报文在中间结点延迟非常大，这使得报文互换技术不适合交互式通信。第68页第68页原理是报文互换技术改进；在分组互换网中，将用户数据划分成一个个分组(packet)，并且分组大小有严格上限，这样使得分组能够被缓存在互换设备内存而不是磁盘中。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单独寻址虚电路(VirtualCircuit)在传播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实例分组互换第69页第69页分组互换节点incominglinksoutgoinglinksNodeMemory第70页第70页电路和分组互换示意图第71页第71页三者比较第72页第72页电路互换和分组互换比较带宽分派电路互换技术静态预留带宽（物理线路）；而分组互换技术动态申请和释放带宽（虚电路）。透明性电路互换是完全透明。发送方和接受方能够使用任何速率(当然是在物理线路支持范围内)、帧格式来进行数据通信。而在分组互换中，发送方和接受方按一定数据速率和帧格式进行通信。计费方式在电路互换中，通信费用取决于通话时间和距离，而与通话量无关；而在分组互换中，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。第73页第73页信号变换话音模拟传播模拟数字调制解调模拟模拟编码解码数字数字数字编码数字模拟信号，模拟信号数字信号，模拟信号数字信号，数字信号模拟信号，数字信号10101010第74页第74页2.6调制解调器计算机发出二进制数据在模拟用户线上直接传播时会发生信号衰减和畸变；因此在计算机与用户电话线之间必须引入Modem；拨号Modem就是对数字信号进行调制以便数字信号能够在普通模拟话音信道上进行传播设备调制就是用载波一个参量改变来反应调制信号改变过程，实现调制过程设备叫做调制器；从已调制信号恢复出原始信号过程叫解调，相应设备叫解调器。第75页第75页调制原理第76页第76页相位调制解调原理第77页第77页2.6.1调制方式第78页第78页多级调制办法1-单参量多级调制0110000+90+180+27011数据率=信号速率×log2M M：调制级数+900010000+270011+1800104-PSK4v2v-2v-4v第79页第79页正交幅度QAM调制第80页第80页16-QAM(正交振幅调制):使用振幅和相位16种组合04516-QAM星座图90180270135315225多级调制办法2–多参量多级调制第81页第81页2.6.2Modem原则传播速率(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能够实现2：1压缩比，MNP7压缩比能够达到3：1。差错控制CCITT规范：CCITTV.42规范MNP规范：MNP10级是功效非常齐全差错控制协议，用于向蜂窝电话这样噪声环境。物理接口(RS-232-C，RS-449，V.35)第82页第82页ITU相关Modem原则ITUV.22bis 2400bpsITUV.27 4800bps ITUV.32 9600bps QAM(16points)ITUV.32bis 14.4kbps QAM(64points)ITUV.34 28.8kbps 12bits/SampleITUV.34bis 33.6kbps 14bits/SampleITUV.42bis CompressITUV.90 56kbps 第83页第83页2.6.3Modem分类按调制信号电话拨号Modem（人工呼喊/应答、自动呼喊/应答）专线Modem（2线、4线）射频Modem（CableModem）OpticalModem（光调制解调器）按调制方式调幅/调频/调相/正交幅度调制按数据传播方式同时Modem/异步Modem按传播方式单工/半双工/全双工第84页第84页3.23.92.83.41.24.2343314011100011011001100原始信号PAM脉冲PCM脉冲（有量化误差）011100011011001100PCM输出模/数转换 第85页第85页PCM转换波形图BACDABCD模拟话音采样时钟PAM信号PCM信号采样电路量