第2章數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)2.1數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)學問2.2數(shù)據(jù)通信中的基本概念2.3傳輸介質(zhì)

2.4數(shù)據(jù)交換技術(shù)

2.5多路復用技術(shù)

2.6光纖技術(shù)

2.7移動通信及蜂窩無線通信

2.1數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)學問2.1.1數(shù)據(jù)通信模型 數(shù)據(jù)通信是把信息從源主機傳輸?shù)侥繕酥鳈C的過程，數(shù)據(jù)通信模型如圖2.1所示。圖2.1數(shù)據(jù)通信模型2.1.2并行傳輸和串行傳輸1．并行傳輸 并行傳輸指的是數(shù)據(jù)的每一位各占一條信號線同時進行傳輸。2．串行傳輸 串行傳輸指的是數(shù)據(jù)信號的若干位依次按位串行排列成數(shù)據(jù)流，在一條信道上傳輸。2.1.3同步傳輸和異步傳輸1．同步傳輸（1）位同步要求傳輸數(shù)據(jù)的收發(fā)雙方的時鐘頻率嚴格保持一樣，即稱收發(fā)雙方的時鐘是同步的。（2）幀同步“幀”是數(shù)據(jù)鏈路層傳輸?shù)臄?shù)據(jù)單元，其長度并沒有硬性規(guī)定。圖2.3幀同步傳輸圖2.4異步傳輸2.1.4傳輸方式

1．單工通信 2．半雙工通信 3．全雙工通信2.1.5數(shù)字傳輸和模擬傳輸 模擬傳輸（AnalogTransmission）是指信道中傳輸?shù)亩际悄M信號，即連續(xù)變更的信號。 數(shù)字傳輸（DigitalTransmission）：是指信道中傳輸?shù)氖菙?shù)字序列。（1）傳輸質(zhì)量高，時延短，通信速率可按用戶需求選擇。（2）支持多媒體業(yè)務。（3）可以利用VLSI器件，體積小，成本低，質(zhì)量高。（4）雖然須要中繼放大，但干擾信號不會同時被放大，特殊適合高保真的遠程傳輸。（5）可以利用數(shù)據(jù)壓縮與解壓技術(shù)大大削減存儲空間和傳輸流量。（6）可以利用查錯糾錯技術(shù)保證通信質(zhì)量。（7）能夠利用加密與解密技術(shù)保證通信平安。2.2數(shù)據(jù)通信中的基本概念2.2.1頻率、頻譜和帶寬圖2.5信號的時域表示方法圖2.6數(shù)字信號圖2.8對稱方波由多個奇次諧波構(gòu)成圖2.98個諧波疊加的結(jié)果圖2.10s(t)的頻譜圖2.11數(shù)字信號及其頻譜2.2.2數(shù)據(jù)傳輸速率1．數(shù)據(jù)傳輸速率 數(shù)據(jù)傳輸速率簡稱數(shù)據(jù)率，是指單位時間內(nèi)發(fā)送端和接收端之間傳輸數(shù)據(jù)的平均比特數(shù)，或指發(fā)送端的發(fā)送速率，單位為每秒位（bit/s），它反映了終端設(shè)備之間的信息傳輸實力，是一段時間的平均值。2．最大數(shù)據(jù)傳輸速率Cmax與帶寬的關(guān)系（1）波特（Baud）率和比特率：波特率是每秒鐘傳送信息位的數(shù)量。它是所傳送代碼的最短碼元占有時間的倒數(shù)。課件制作人：謝希仁信道能夠通過的頻率范圍1924年，奈奎斯特(Nyquist)就推導出了著名的奈氏準則。他給出了在假定的志向條件下，為了避開碼間串擾，碼元的傳輸速率的上限值志向低通信道的最高碼元傳輸速率=2WBaud在任何信道中，碼元傳輸?shù)乃俾适怯猩舷薜模駝t就會出現(xiàn)碼間串擾的問題，使接收端對碼元的判決（即識別）成為不行能。假如信道的頻帶越寬，也就是能夠通過的信號高頻重量越多，那么就可以用更高的速率傳送碼元而不出現(xiàn)碼間串擾。（2）最大數(shù)據(jù)傳輸速率與帶寬的關(guān)系 Cmax＝2Blog2N3．誤碼率 誤碼率＝[接收方出現(xiàn)差錯的位數(shù)(比特數(shù))/總的傳輸位數(shù)(比特數(shù))]×100%。課件制作人：謝希仁(2)信噪比香農(nóng)(Shannon)用信息論的理論推導出了帶寬受限且有高斯白噪聲干擾的信道的極限、無差錯的信息傳輸速率。信道的極限信息傳輸速率C可表達為C=Wlog2(1+S/N)b/sW為信道的帶寬（以Hz為單位）；S為信道內(nèi)所傳信號的平均功率；N為信道內(nèi)部的高斯噪聲功率。

課件制作人：謝希仁香農(nóng)公式表明信道的帶寬或信道中的信噪比越大，則信息的極限傳輸速率就越高。只要信息傳輸速率低于信道的極限信息傳輸速率，就確定可以找到某種方法來實現(xiàn)無差錯的傳輸。若信道帶寬W或信噪比S/N沒有上限（當然實際信道不行能是這樣的），則信道的極限信息傳輸速率C也就沒有上限。實際信道上能夠達到的信息傳輸速率要比香農(nóng)的極限傳輸速率低不少。2.2.3基帶傳輸和寬帶傳輸1．基帶傳輸 基帶傳輸即數(shù)字傳輸?；鶐е傅氖腔绢l帶，就是傳輸數(shù)據(jù)編碼電信號所固有的頻帶，這種信號可稱為基帶信號。2．寬帶傳輸2.3傳輸介質(zhì)2.3.1雙絞線圖2.12雙絞線圖2.13雙絞線和平行線的抗噪聲比較2.3.2同軸電纜圖2.14同軸電纜2.3.3光纖 1．光纖的分類（1）依據(jù)折射率分布，有勻整光纖（如圖2.15（a）和圖2.15（c）所示）和非勻整光纖（如圖2.15（b）所示）。（2）依據(jù)傳輸?shù)目偰?shù)，光纖通常又分為單模光纖（SingleModeFiber，SMF）和多模光纖（MultiModeFiber，MMF）①單模（SM）光纖②多模（MM）光纖2．光纜的結(jié)構(gòu)圖2.16光纜的結(jié)構(gòu)3．光纖的損耗特性（1）吸取損耗（2）散射損耗4．光纖的色散特性（1）模式色散同一頻率同一波長的光在傳輸中有多種模式，不同的模式傳輸速度不同，模式之間存在時延差，這種色散稱為模式色散。它是影響多模光纖傳輸距離和速度的主要緣由之一。 （2）材料色散 （3）波導色散 5．光纖通信的優(yōu)點 （1）光纖可供應更高的帶寬 （2）中繼距離長（3）可以節(jié)約銅和鉛（4）抗干擾實力強，保密性好（5）重量輕，耐腐蝕（6）數(shù)字化光纖系統(tǒng)可以大量運用VLSI器件，牢靠性高，成本低。（7）數(shù)字化光纖系統(tǒng)運用PCM技術(shù)，將模擬數(shù)據(jù)數(shù)字化，可以便利地連接計算機，實現(xiàn)對全系統(tǒng)的監(jiān)控。（8）接受混合光纖同軸電纜技術(shù)（HybridFiberCoax，HFC），可以便利地用于有線電視系統(tǒng)。（9）接受波分多路復用（WavelengthDvisionMltiplexing，WDM）和密集波分多路復用DWDM（DenseWDM）技術(shù)可以大幅度地擴容，而不必增加光纖的芯數(shù)。2.3.4無線傳輸1．電磁波譜圖2.17電磁波譜無線電波段劃分（部分）2．環(huán)境對電磁波的影響（1）地表層：（2）大氣層：（3）電離層：

圖2.18電磁波傳播3．無線電波的傳輸4．微波傳輸（地面微波）5．紅外線及毫米波（室內(nèi)通信）2.4數(shù)據(jù)交換技術(shù)2.4.1數(shù)據(jù)交換技術(shù)概述 數(shù)據(jù)交換技術(shù)是數(shù)據(jù)通信過程中，對數(shù)據(jù)表示格式、傳輸方式的選擇和優(yōu)化的技術(shù)1．電路交換（CircuitSwitching）圖2.19電路交換示意圖圖2.20電路交換過程示意圖 （1）電路建立階段 （2）傳輸數(shù)據(jù)階段 （3）電路拆除階段 電路交換具有下述幾個特點。 （1）呼叫建立時間長且存在呼損。（2）電路連通后供應應用戶的是“透亮通路”（3）信號或數(shù)據(jù)的傳輸時延短且時延固定不變，適用于實時大批量連續(xù)的數(shù)據(jù)傳輸。（4）線路（信道）利用率低。2．報文交換（MessageSwitching） 與電路交換相比，報文交換方式不要求交換網(wǎng)為通信雙方預先建立一條專用的數(shù)據(jù)通路，因此就不存在建立電路和拆除電路的過程。3．分組交換（又稱包交換，Packetswitching）（1）數(shù)據(jù)報傳輸分組交換①傳輸質(zhì)量高②電路利用率高③信息傳遞平安、牢靠④傳送信息有確定時延⑤通過申請賬號、密碼（NUI），可實現(xiàn)全國漫游，經(jīng)濟性能好。（2）虛電路傳輸分組交換2.4.2交換技術(shù)的比較圖2.21電路交換圖2.22報文交換圖2.23數(shù)據(jù)報交換圖2.24虛電路交換三種交換的比較P1P2P3P4P1P2P3P4P3P4報文報文報文ABCDABCDABCD報文交換電路交換分組交換t連接建立數(shù)據(jù)傳送報文P2P1連接釋放數(shù)據(jù)傳送的特點比特流直達終點報文報文報文分組分組分組存儲轉(zhuǎn)發(fā)存儲轉(zhuǎn)發(fā)存儲轉(zhuǎn)發(fā)存儲轉(zhuǎn)發(fā)2.5多路復用技術(shù)圖2.25多路復用技術(shù)示意圖課件制作人：謝希仁+()復用(multiplexing)是通信技術(shù)中的基本概念。

+A1A2B1B2C1C2A1A2B1B2C1C2共享信道(a)運用單獨的信道(b)運用共享信道復用分用課件制作人：謝希仁頻分復用FDM

(FrequencyDivisionMultiplexing)用戶在安排到確定的頻帶后，在通信過程中自始至終都占用這個頻帶。頻分復用的全部用戶在同樣的時間占用不同的帶寬資源（請留意，這里的“帶寬”是頻率帶寬而不是數(shù)據(jù)的發(fā)送速率）。頻率時間頻帶1頻帶2頻帶3頻帶n課件制作人：謝希仁時分復用TDM

(TimeDivisionMultiplexing)時分復用則是將時間劃分為一段段等長的時分復用幀（TDM幀）。每一個時分復用的用戶在每一個TDM幀中占用固定序號的時隙。每一個用戶所占用的時隙是周期性地出現(xiàn)（其周期就是TDM幀的長度）。TDM信號也稱為等時(isochronous)信號。時分復用的全部用戶是在不同的時間占用同樣的頻帶寬度。課件制作人：謝希仁時分復用頻率時間BCDBCDBCDBCDAAAATDM幀TDM幀TDM幀TDM幀…TDM幀周期性出現(xiàn)課件制作人：謝希仁時分復用可能會造成

線路資源的奢侈ABCDaabbcdbcattttt4個時分復用幀#1④③②①acbcd時分復用#2#3#4用戶運用時分復用系統(tǒng)傳送計算機數(shù)據(jù)時，由于計算機數(shù)據(jù)的突發(fā)性質(zhì)，用戶對安排到的子信道的利用率一般是不高的。課件制作人：謝希仁統(tǒng)計時分復用

STDM

(StatisticTDM)用戶ABCDabcdttttt3個STDM幀#1④③②①acbabbcacd#2#3統(tǒng)計時分復用2.5.2同步時分多路復用（STDM）圖2.27同步時分復用示意圖2.5.3異步時分多路復用（ATDM）圖2.28E1標準的TDM幀格式圖2.29T1標準的TDM幀格式課件制作人：謝希仁2.4.3碼分復用CDM

(CodeDivisionMultiplexing)

常用的名詞是碼分多址CDMA(CodeDivisionMultipleAccess)。各用戶運用經(jīng)過特殊選擇的不同碼型，因此彼此不會造成干擾。這種系統(tǒng)發(fā)送的信號有很強的抗干擾實力，其頻譜類似于白噪聲，不易被敵人發(fā)覺。每一個比特時間劃分為m個短的間隔，稱為碼片(chip)。

課件制作人：謝希仁碼片序列(chipsequence)每個站被指派一個唯一的mbit碼片序列。如發(fā)送比特1，則發(fā)送自己的mbit碼片序列。如發(fā)送比特0，則發(fā)送該碼片序列的二進制反碼。

例如，S站的8bit碼片序列是00011011。發(fā)送比特1時，就發(fā)送序列00011011，發(fā)送比特0時，就發(fā)送序列11100100。S站的碼片序列：(–1–1–1+1+1–1+1+1)課件制作人：謝希仁CDMA的重要特點每個站安排的碼片序列不僅必需各不相同，并且還必需相互正交(orthogonal)。在好用的系統(tǒng)中是運用偽隨機碼序列。課件制作人：謝希仁碼片序列的正交關(guān)系令向量S表示站S的碼片向量，令T表示其他任何站的碼片向量。兩個不同站的碼片序列正交，就是向量S和T的規(guī)格化內(nèi)積(innerproduct)都是0：(2-3)課件制作人：謝希仁碼片序列的正交關(guān)系舉例令向量S為(–1–1–1+1+1–1+1+1)，向量T為(–1–1+1–1+1+1+1–1)。把向量S和T的各重量值代入(2-3)式就可看出這兩個碼片序列是正交的。課件制作人：謝希仁任何一個碼片向量和該碼片向量自己的規(guī)格化內(nèi)積都是1。一個碼片向量和該碼片反碼的向量的規(guī)格化內(nèi)積值是–1。正交關(guān)系的另一個重要特性課件制作人：謝希仁CDMA的工作原理S站的碼片序列S110ttttttm

個碼片tS站發(fā)送的信號SxT站發(fā)送的信號Tx總的發(fā)送信號Sx+Tx規(guī)格化內(nèi)積S

Sx規(guī)格化內(nèi)積S

Tx數(shù)據(jù)碼元比特發(fā)送端接收端課件制作人：謝希仁1550nm01551nm11552nm21553nm31554nm41555nm51556nm61557nm701550nm11551nm21552nm31553nm41554nm51555nm61556nm7