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1、第2章 数据通信基础,2.1 概念和术语 2.2 数据通信基础理论 2.3 传输介质 2.4 编码与调制 2.5 多路复用 2.6 扩频 2.7 调制解调器 2.8 物理层接口,2.1 概念和术语,2.1.1 数据 2.1.2 信号 2.1.3 传输 2.1.4 传输方式,2.1.1 数据,模拟数据 音频（audio） 视频（vedio） 数字数据 文本（text） ASCII码文本,2.1.2 信号,信号 数据的电磁编码 模拟信号与数字信号 时域特性 以时间t为自变量，以某种物理量（如电压）为因变量 频域特性 以频率f为自变量，以某种物理量（如电压）为因变量,模拟信号和数字信号,模拟信号表示

2、,数字信号表示,2.1.3 传输,传输是指将信号从发送传到接收端，并且在接收端进行恢复 模拟传输和数字传输 是否考虑内容 数字传输的优点 数字技术：价格 数据完整性：转发器与放大器 容量利用性：数字多路复用 安全和保密 综合性,2.1.4 传输方式,并行传输和串行传输 异步方式和同步方式 异步传输是面向字符的传输，而同步传输是面向比特的传输。 异步传输的单位是字符，而同步传输的单位是帧 。 异步传输通过字符起止的开始和停止码抓住再同步的机会，而同步传输则是以数据中抽取同步信息。 异步传输对时序的要求较低，同步传输往往通过特定的时钟线路协调时序。 异步传输相对于同步传输效率较低。 单工、半双工和

3、全双工,2.2 数据通信基础理论,2.2.1 周期信号 2.2.2 信号频谱与带宽 2.2.3 数据率与信号带宽的关系 2.2.4 信道的截至频率与带宽 2.2.5 信道的最大数据率,2.2.1 周期信号,s（t）= A sin（2ft +）,2.2.2 信号频谱与带宽,傅立叶函数,其中：,信号频谱图,频域和信号带宽,频域图（频率-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

4、定的带宽。,常见信号带宽,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20Hz 20KHz 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”序列以及编码方式,话音和音乐的频谱和动态范围,具有直流分量的信号,2.2.3 数据率和信号带宽的关系,情形1：带宽=4MHz；数据率=2Mbps。,2.2.3 数据率和信号带宽的关系,情形2：带宽=8MHz；数据率=4Mbps。,2.2.3

5、 数据率和信号带宽的关系,情形3：带宽=4MHz；数据率=4Mbps。,方波的频率分量组成图,数据率与信号带宽,数据率越高的信号，其带宽就越大； 由于传输介质自身的物理特性将限制被传输信号的带宽。 信号带宽的限制引起了信号的失真。信号带宽越受限制，失真就越严重，接收器出错的概率就越大。 一般情况下，如果数据率为W bps的信号，当其带宽为2W Hz时，该信号就可以很好地表示原始数据信号。,2.2.4 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

6、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-off frequency)，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。,2.2.4 信道的最大数据率,数字传输系统的目标就是尽可能有效地利用给定的带宽下尽可能提高数据率（ 有效性），同时又将误码率（可靠性）限制在某个可接受的范围内。 限制我们达到上述目标的主要不利因素是各种噪声（热噪声、交调噪声、串扰以及脉冲噪声）。,码元速率与数据率,码元 时间轴上的一个信号单元。对于基带数字通信而言，一个数字脉冲称为一个码元。对于模拟频带通信，载波的某个参数

7、或某几个参数的变化就是一个码元。 码元速率（调制速率或信号速率） 码元速率就是信号每秒钟变化的次数，单位是波特率。 数据率 信号每秒钟传输的二进制位数，单位bps 。,波特率与比特率的关系,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*log 2V (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，

8、信噪比为S/N的有噪声信道，其最大数据率Rmax为 Rmax = H*log 2 (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-Noise Ratio)；我们一般使用分贝（等于10log10S/N ）来表示信噪比 例子 一个带宽为3000Hz，信噪比为30dB(S/N为1000)的话音信道其最大数据率不超过30Kbps 方法：增加线路带宽或改进信噪比,2.3 传输介质,2.3.1 双绞线 2.3.2 同轴电缆 2.3.3 光纤 2.3.4 无线介质,2.3.1 双绞线,屏蔽双绞线STP（IBM） 非屏蔽双绞线UTP（ EIA/TIA） 1类用于电话

9、通信，一般不适合传输数据。 2类可用于传输数据，最大数据率为4Mbps。 3类用于以太网，最大数据率为10Mbps。 4类用于令牌环网，最大数据率为16Mbps。 5类用于快速以太网，最大数据率为100Mbps。 6类用于吉比特以太网，最大数据率为1Gbps。,双绞线图示,2.3.2 同轴电缆,基带电缆（10 Mbps） 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） Cable Modem（宽带接入）,同轴电缆图示,2.3.3 光纤,传输与计算的比较 Computation：每10年增长

10、1个数量级 Communication：每10年增长2个数量级 带宽 频率范围：180370 THz 数据率：160*10Gbps = 1.6Tbps 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/1.55 m (250 300THz),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-mode fiber） 使用激光源 内芯直径较小 直径为810m 多模光纤（multi-mode fiber） 使用发光二极管 内芯直径稍大（外径为125 m ） 直径为62.4m,单模光纤与多模光纤的比较,光纤的特点,优点 高带宽、

11、高数据率 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 红外线和激光 卫星通信 无线介质只能传输模拟信号（高频载波信号）,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，

12、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,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。 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。 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。,红外线,红外系统采用光发射二极管LED、激光二极管ILD发射的红外线来进行站与站之间的数据交换。 点到点红外系统

13、广播式红外系统,2.4 编码与调制,2.4.1 数字数字编码 2.4.2 模拟数字编码 2.4.3 数字模拟调制 2.4.4 模拟模拟调制,2.4.1 数字数字编码,曼彻斯特和差分曼彻斯特编码,2.4.2 模拟数字编码,脉冲幅度调制PAM,脉冲编码调制PCM,脉冲编码调制PCM就是将脉冲振幅调制PAM所产生的采样结果变成完全数字化的信号。 三个过程 脉冲幅度调制PAM 量化（A/D转换） 编码（数字数字编码）,2.4.3 数字模拟调制,幅移键控ASK,频移键控FSK,相移键控PSK,4-QAM和8-QAM星座图,一个8-QAM信号的时域图,2.4.4 模拟模拟调制,调幅带宽,调频,调频带宽,2

14、.5 多路复用,2.5.1 频分多路复用 2.5.2 波分多路复用 2.5.3 时分多路复用 2.5.4 码分多路复用,2.5.1 频分多路复用,频分多路复用FDM(Frequency Division Multiplexing) 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。,频分多路复用示例图,2.5.2 波分多路复用,波分多路复用WDM(Wave Division Multiplexing) 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。,波分多路复用示例图,2.5.3 时分多路复用,时分多路复用TDM(Time Division M

15、ultiplexing） 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。,T1标准,E1标准,PDH标准,SDH标准,2.5.4 码分多路复用,常用的名词是码分多址 CDMA (Code Division Multiple Access)。 各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此彼此不会造成干扰。 这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力，其频谱类似于白噪声，不易被敌人发现。 每一个比特时间划分为 m 个短的间隔，称为码片(chip)。,码片序列(chip sequence),每个站被指派一个唯一的 m

16、bit 码片序列。 如发送比特 1，则发送自己的 m bit 码片序列。 如发送比特 0，则发送该码片序列的二进制反码。 例如，S 站的 8 bit 码片序列是 00011011。 发送比特 1 时，就发送序列 00011011， 发送比特 0 时，就发送序列 11100100。 S 站的码片序列：(1 1 1 +1 +1 1 +1 +1),CDMA 的重要特点,通信方式扩频 直接序列扩频：直接将每比特（0或1） 数据用n比特来代替。 跳频扩频：用源信号调制M个不同频率的载波信号。也就是说，在某个时刻用源信号调制一种频率的载波，在下一个时刻调制另一种频率的载波。,CDMA 的重要特点,每个站分

17、配的码片序列不仅必须各不相同，并且还必须互相正交(orthogonal)。 在实用的系统中是使用伪随机码序列。,码片序列的正交关系,令向量 S 表示站 S 的码片向量，令 T 表示其他任何站的码片向量。 两个不同站的码片序列正交，就是向量 S 和T 的规格化内积(inner product)都是 0：,(2-3),码片序列的正交关系举例,令向量 S 为(1 1 1 +1 +1 1 +1 +1)，向量 T 为(1 1 +1 1 +1 +1 +1 1)。 把向量 S 和 T 的各分量值代入(2-3)式就可看出这两个码片序列是正交的。,任何一个码片向量和该码片向量自己的规格化内积都是1 。 一个码片

18、向量和该码片反码的向量的规格化内积值是 1。,正交关系的另一个重要特性,CDMA 的工作原理,S 站的码片序列 S,1,1,0,t,t,t,t,t,t,m 个码片,t,S 站发送的信号 Sx,T 站发送的信号 Tx,总的发送信号 Sx + Tx,规格化内积 S Sx,规格化内积 S Tx,数据码元比特,发 送 端,接 收 端,2.6 扩频,扩频（spread spectrum）也是把来自某些源端的信号组合在一起以形成一个更大的带宽。 跳频扩频 直接序列扩频,跳频扩频（1/2）,用源信号调制M个不同频率的载波信号。在某一个时刻用源信号调制一种频率的载波，在下一个时刻调制另一种频率的载波。,跳频扩频（2/2）,假设发送站点的模式是101、111、001、000、010、110、011、101，这就是说在时刻（跳周期）1，模式是101，所选的载波频率是600kHz，源信号调制这个频率的载波；在时刻2，模式是111，所选频率的载波频率是800kHz；依次下