1、第一部分 數(shù)據(jù)通信,信號與通信 模擬通信與數(shù)字通信 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)理論 傳輸介質(zhì) 多路復(fù)用技術(shù) 數(shù)據(jù)交換技術(shù) 調(diào)制解調(diào)技術(shù) 物理層接口,第二章 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)知識,2.1 基本概念 2.2 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)理論 2.3 傳輸介質(zhì) 2.4 多路復(fù)用 2.5 數(shù)據(jù)交換技術(shù) 2.6 調(diào)制解調(diào)器,2.1 基本概念,信號 是數(shù)據(jù)（或信息）的電磁編碼。信號的數(shù)學(xué)描述一般是以時間t為自變量，以某種物理量（如電壓）為因變量（信號的時域特性） 模擬信號與數(shù)字信號 通信（傳輸） 通信的任務(wù)是將信號從一方傳到另一方 模擬通信與數(shù)字通信,模擬信號和數(shù)字信號,2.1.2 模擬通信,模擬通信系統(tǒng)的組成,調(diào)制器 如果信源產(chǎn)生的是數(shù)

2、字?jǐn)?shù)據(jù)，調(diào)制器的功能是將調(diào)制為模擬信號（如撥號Modem） 如果信源產(chǎn)生的是模擬數(shù)據(jù)，調(diào)制器的功能是將其調(diào)制到某個頻段以便進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸或多路復(fù)用 解調(diào)器 是實(shí)現(xiàn)上述過程逆變換的設(shè)備 信道 包括傳輸介質(zhì)和介質(zhì)兩端的傳輸設(shè)備,2.1.3 數(shù)字通信,數(shù)字通信系統(tǒng)的組成（1）,信源編碼器 當(dāng)信源產(chǎn)生的是模擬數(shù)據(jù)（或信號）時，信源編碼器的主要工作是對模擬數(shù)據(jù)（或信號）進(jìn)行采樣、量化并編碼成二進(jìn)制數(shù)字信號 當(dāng)信源產(chǎn)生的是數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)（或信號）時，信源編碼器的主要工作是對原始的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)（或信號）進(jìn)行碼制變換，使其適合于傳輸或通信（如在數(shù)據(jù)信號中插入時鐘信號） 信道編碼器 是對傳輸?shù)臄?shù)字信號進(jìn)行檢錯或糾錯編碼，

3、以便接收方能進(jìn)行差錯檢測和糾正,數(shù)字通信系統(tǒng)的組成（2）,調(diào)制器 其功能是將基帶(數(shù)字)信號變換成頻帶(模擬)信號以通過模擬傳輸介質(zhì)進(jìn)行頻帶傳輸。（有些傳輸介質(zhì)只能傳輸模擬信號，如無線介質(zhì)） 時鐘 數(shù)字信號的發(fā)送和接收靠時鐘驅(qū)動 一般情況下，發(fā)送端和接收端使用各自的時鐘源，但接收時鐘與發(fā)送時鐘必須保持同步 外同步 內(nèi)同步,數(shù)字通信的主要特點(diǎn),優(yōu)點(diǎn) 抗干擾能力強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的遠(yuǎn)距離傳輸； 適應(yīng)各種傳輸業(yè)務(wù)； 方便實(shí)現(xiàn)高保密傳輸； 傳輸設(shè)備的集成化和微型化； 缺點(diǎn) 占用信道的帶寬大 例子：一路模擬電話占用4KHz信道帶寬，而一路數(shù)字電話所需要的數(shù)據(jù)傳輸率是64Kbps，所需占用的信道帶寬要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大

4、于4KHz。,2.2 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)理論,2.2.1 信號的頻譜和帶寬 2.2.2 信道的截止頻率與帶寬 2.2.3 信道的最大數(shù)據(jù)傳輸率,2.2.1 信號的頻譜和帶寬,傅立葉已經(jīng)證明：任何一個周期為T的函數(shù)f(t)都是由無窮多個正弦和余弦函數(shù)合成，即： f(t)= 其中： n= arctg(-bn/ an) 此處f=1/T是基頻，an和bn是n次正弦諧波和余弦諧波的振幅。,基本概念,頻域圖（頻率-最大振幅圖） 把f(t)各次諧波的振幅An按照頻率高低依次排列起來所形成譜狀圖形稱為信號f(t)的頻譜圖。 信號帶寬 信號頻域圖所覆蓋的頻率范圍稱為信號的絕對帶寬； 我們將信號大部分能量集中的那段頻帶

5、稱為信號的有效帶寬，簡稱為帶寬(bandwidth)； 任何信號都有一定的帶寬。,常見信號的帶寬,話音信號 話音信號的標(biāo)準(zhǔn)帶寬為300Hz3400Hz 音樂信號（CD音質(zhì)） 要求的帶寬是20Hz 20KHz 電視信號(PAL或NTSC制式) 電視信號的帶寬約為4.2MHz 單穩(wěn)脈沖信號 其帶寬為無窮大 二進(jìn)制信號(數(shù)字信號) 一般說來，任何數(shù)字信號都具有無限帶寬，但它們不得不被近為有限帶寬信號 數(shù)字信號的帶寬依賴于“0”、“1”序列以及數(shù)字編碼方式,2.2.2 信道的截止頻率與帶寬,任何信號通過信道時都會發(fā)生衰減，從而引起信號失真。 信道對不同頻率的信號其衰減幅度是不相同的；一般來說，頻率越高

6、的信號，其衰減幅度越大。 我們把信號在經(jīng)過信道時其中某個頻率分量的振幅衰減到原來的0.707(即信號的能量衰減到原來的一半)時所對應(yīng)的頻率稱為信道的截止頻率fc (cut-off frequency)，即信道的帶寬。 任何信道都有fc，信道的截止頻率或帶寬是由其固有的物理特性決定的。,信道截止頻率,數(shù)據(jù)傳輸率與帶寬,信道的帶寬決定對其通過信號的帶寬，因而對于有限帶寬信道必須限制信號的帶寬(有限帶寬信號) ；而帶寬越受限制，失真越嚴(yán)重，接收器產(chǎn)生差錯的概率越大； 信號的數(shù)據(jù)傳輸率越高，其有效帶寬就越大；要求傳輸系統(tǒng)的帶寬越大，費(fèi)用就越高； 為了保證數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性，在信道帶寬一定(鑒于經(jīng)濟(jì)上

7、和實(shí)現(xiàn)上的原因)的情況下，必須限制信號的帶寬，即限制數(shù)據(jù)傳輸率； 知道信道帶寬并不能完全說明其所能支持的數(shù)據(jù)傳輸率到底有多大？但就一般而言，信道的所能支持的數(shù)據(jù)傳輸率與其帶寬成正比。,2.2.3 信道的最大數(shù)據(jù)傳輸率,任何實(shí)際應(yīng)用的傳輸信道都是有限帶寬信道。 信道帶寬的限制是由傳輸介質(zhì)(信道)的物理特性決定的；或者可能是發(fā)送器故意限制了帶寬，以防止干擾或?yàn)榱硕嗦窂?fù)用。 數(shù)字傳輸?shù)哪繕?biāo)就是盡可能有效利用給定帶寬(有效性) ，這意味著我們希望在給定帶寬條件下盡可能提高數(shù)據(jù)傳輸率，同時又將誤碼率限制在某個范圍內(nèi)(可靠性)。 限制我們達(dá)到上述目標(biāo)的主要不利因素是噪聲(熱噪聲、交調(diào)噪聲、串?dāng)_和脈沖噪聲)

8、。,基本概念,帶寬(bandwidth) 噪聲(noise) 誤碼率(error rate) 調(diào)制速率或信號速率(signal rate) 數(shù)據(jù)傳輸率(data rate),波特率與比特率,基本概念 調(diào)制速率（單位：baud） 碼元速率，信號單元速率，波特率 數(shù)字信號電平改變的速率，取決于數(shù)字編碼的特性。 數(shù)據(jù)傳輸率（單位：bps） 信息速率，比特率 信號每秒鐘傳輸?shù)亩M(jìn)制位數(shù)。 兩者的關(guān)系,Nyquist定理,Nyquist推導(dǎo)出帶寬為H的理想(無噪聲)信道的最大數(shù)據(jù)傳輸率為（帶寬為H的理想信道，其可承受的最大碼元速率是2*H） Rmax = 2H*log 2V (bps) 其中V為離散信號

9、的個數(shù)或電壓值的個數(shù) 例子 一個帶寬為3000Hz的無噪聲話音信道在傳輸二進(jìn)制信號時其最大數(shù)據(jù)傳輸率不超過6000bps 方法：提高信號編碼能力，增大V的數(shù)值,Shannon定理,Shannon推導(dǎo)出對于帶寬為H，信噪比為S/N的有噪聲信道，其最大數(shù)據(jù)傳輸率Rmax為 Rmax = H*log 2 (1 + S/N) (bps) 其中信號功率與噪聲功率的比值稱為信噪比(Signal-to-Noise Ratio)；我們一般使用10log10S/N分貝(dB)來表示信噪比 例子 一個帶寬為3000Hz，信噪比為35dB(S/N為3165)的話音信道其最大數(shù)據(jù)傳輸率不超過34.86Kbps 方法：

10、增加線路帶寬或改進(jìn)信噪比,2.3 傳輸介質(zhì),有線介質(zhì) 雙絞線 同軸電纜 光纖 無線介質(zhì) 無線電 微波（大地微波、衛(wèi)星微波） 紅外線（毫米波）,2.3.1 雙絞線,屏蔽雙絞線STP（IBM） Type 1或Type 2 非屏蔽雙絞線UTP（ EIA/TIA） Cat 1 電話線； Cat 2 ISDN或T1/E1線路； Cat 3 10Mbps或100Mbps以太網(wǎng)電纜； Cat 5 100Mbps以太網(wǎng)電纜； 特點(diǎn) 距離100米 使用RJ-45接頭,2.3.2 同軸電纜,基帶電纜和寬帶電纜,基帶電纜（10 Mbps） 粗纜 非中繼傳輸距離500米 需要使用收發(fā)器和收發(fā)電纜 AUI接口 細(xì)纜（便

11、宜的同軸電纜） 非中繼傳輸距離185米 BNC接口 寬帶電纜（CATV電纜） Cable Modem（寬帶接入）,2.3.3 光纖,傳輸與計(jì)算的比較 Compution：每10年增長1個數(shù)量級 Communication：每10年增長2個數(shù)量級 帶寬 頻率范圍：180370 THz 數(shù)據(jù)傳輸率：100*10Gbps = 1 Tbps 原因：光/電、電/光轉(zhuǎn)換的速度跟不上 光電子技術(shù)/光子技術(shù) 通過光纖中光的波長 0.85m/1.3m/1.55 m (250 300THz),光反射原理,光纖及光纜構(gòu)成,單模光纖和多模光纖,單模光纖（single-mode fiber） 使用激光源 中繼距離100

12、公里 內(nèi)芯直徑較小 直徑為810m/125 m 多模光纖（multi-mode fiber） 使用普通發(fā)光二極管作為光源 中繼距離2公里 內(nèi)芯直徑稍大 直徑為62.5m/125m,單模光纖與多模光纖的比較,光纖的特點(diǎn),優(yōu)點(diǎn) 高帶寬、高數(shù)據(jù)傳輸率 對EMI、竊聽不敏感（安全、可靠） 抗腐蝕 衰減小 缺點(diǎn) 單向傳輸 光纖接口價格昂貴 工藝復(fù)雜、安裝技術(shù)復(fù)雜,2.3.4 無線介質(zhì),無線介質(zhì)是指信號通過空氣傳輸，信號不被約束在一物理導(dǎo)體內(nèi) 無線介質(zhì)實(shí)際上就是無線傳輸系統(tǒng)，主要包括 無線電 微波（地面微波、衛(wèi)星微波） 紅外線 無線介質(zhì)只能傳輸模擬信號,無線電波（1）,無線電通信就是利用地面發(fā)射的無線電波

13、通過電離層的反射而到達(dá)接收端的一種遠(yuǎn)距離通信方式。無線電通信使用的頻率一般在3MHz 至1GHz。 無線電波的傳播特性與頻率有關(guān)。在低頻上，無線電波能輕易地繞過一般障礙物，但其能量隨著傳播距離的增大而急劇遞減。在高頻上，無線電波趨于直線傳播并易受障礙物的阻擋，還會被雨水吸收。,無線電波（2）,微波,對于頻率在100MHz以上的無線電波，其能量將集中于一點(diǎn)并沿直線傳播，這就是微波。 微波通信是利用無線電波在對流層的視距范圍內(nèi)進(jìn)行信息傳輸?shù)囊环N通信方式，它使用的頻率范圍一般在1GHz至20GHz左右。 由于微波只能沿直線傳播，所以微波的發(fā)射天線和接收天線必須精確對準(zhǔn)，而且每隔一段距離就需要一個中繼

14、站。 中繼站之間的距離與微波塔的高度成正比例。對于100m高的微波塔，中繼站之間的距離可以達(dá)到80km。,2.4 多路復(fù)用,頻分多路復(fù)用FDM(Frequency Division Multiplexing) 主干線路的頻帶被劃分為若干邏輯信道，每個用戶獨(dú)占某些頻段； 調(diào)頻廣播以及有線電視。 波分多路復(fù)用WDM(Wave Division Multiplexing) FDM在光纖介質(zhì)中的應(yīng)用； 光纖系統(tǒng)使用的衍射光柵可以是無源的。 時分多路復(fù)用TDM(Time Division Multiplexing） 每個用戶輪流瞬間地占有主干線路的整個帶寬； 在數(shù)字通信系統(tǒng)中，對主干線路的多路復(fù)用只能采

15、用TDM，因?yàn)閿?shù)字信號的頻譜有可能占居整個信道帶寬。,FDM（1）,FDM（2）,WDM,脈碼調(diào)制PCM,數(shù)字編碼,TDM（1）,TDM（2）,同步TDM,同步TDM和統(tǒng)計(jì)TDM,CCITT標(biāo)準(zhǔn)（T1系列）,PDH數(shù)字傳輸系統(tǒng),2.5 數(shù)據(jù)交換技術(shù),電路交換(Circuit Switching) 傳統(tǒng)電話網(wǎng) 報(bào)文交換(Message Switching) 電報(bào)系統(tǒng) 分組交換(Packet Switching) X.25網(wǎng),電路交換,原理 在采用電路交換技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)中，傳輸雙方在數(shù)據(jù)傳輸之前要建立一條物理電路，該物理電路一直保持到雙方通話結(jié)束后才釋放。 特點(diǎn) 電路交換技術(shù)有兩大優(yōu)點(diǎn)，第一是傳輸延遲

16、小，唯一的延遲是物理信號的傳播延遲；第二是一旦電路建立，便不會發(fā)生數(shù)據(jù)傳輸沖突。 電路交換的缺點(diǎn)首先是建立物理電路所需的時間比較長；其次是在電路交換系統(tǒng)中，電路的帶寬是預(yù)先分配的。,報(bào)文交換,原理 報(bào)文交換不事先建立電路，當(dāng)發(fā)送方有數(shù)據(jù)要發(fā)送時，它把要發(fā)送的數(shù)據(jù)當(dāng)作一個整體交給中間交換設(shè)備，中間交換設(shè)備先將報(bào)文存儲起來，然后選擇一條合適的輸出線將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給下一個中間交換設(shè)備，直到將數(shù)據(jù)發(fā)送到目的結(jié)點(diǎn)。 特點(diǎn) 不限制報(bào)文的大小，這就有可能要求各個中間結(jié)點(diǎn)必須使用磁盤等外設(shè)來緩存較大的數(shù)據(jù)塊。 報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)可能會長時間占用線路，導(dǎo)致報(bào)文在中間結(jié)點(diǎn)的延遲非常大，這使得報(bào)文交換技術(shù)不適合交互式通信。,分組

17、交換,原理 是報(bào)文交換技術(shù)的改進(jìn) 在分組交換網(wǎng)中，將用戶的數(shù)據(jù)劃分成一個個分組(packet)，而且分組的大小有嚴(yán)格的上限，這樣使得分組可以被緩存在交換設(shè)備的內(nèi)存而不是磁盤中。 特點(diǎn) 吞吐率較高，非常適合于交互式通信。 實(shí)現(xiàn)方式 數(shù)據(jù)報(bào)(Datagram) 每個Packet單獨(dú)尋址，IP數(shù)據(jù)報(bào) 虛電路(Virtual Circuit) 在傳輸雙方先建立一條虛電路，所有Packet沿著同一條虛電路到達(dá)目的地：X.25/FR/ATM,三者的比較,電路交換和分組交換的比較,帶寬分配 電路交換技術(shù)靜態(tài)預(yù)留線路帶寬（物理電路）；而分組交換技術(shù)動態(tài)申請和釋放線路、帶寬（虛電路）。 透明性 電路交換是完全透

18、明的。發(fā)送方和接收方可以使用任何速率(當(dāng)然是在物理線路支持的范圍內(nèi))、幀格式來進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。而在分組交換中，發(fā)送方和接收方按一定的數(shù)據(jù)速率和幀格式進(jìn)行通信。 計(jì)費(fèi)方式 在電路交換中，通信費(fèi)用取決于通話時間和距離，而與通話量無關(guān)；而在分組交換中，通信費(fèi)用主要按通信流量(如字節(jié)數(shù))來計(jì)算，適當(dāng)考慮通話時間和距離。,2.6 調(diào)制解調(diào)器,2.6.1 調(diào)制方式,正交幅度調(diào)制,2.6.2 Modem標(biāo)準(zhǔn),傳輸速率( 9600bps, 14.4kbps, 33.6kbps, 56kbps) 調(diào)制方式(調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相、正交幅度調(diào)制) 數(shù)據(jù)壓縮 CCITT規(guī)范：CCITT V.42bis規(guī)范，使用Huffman編碼技術(shù) MNP(Microcom Networking Protocol)規(guī)范：MNP 5可以實(shí)現(xiàn)2：1的壓縮比，MNP 7的壓縮比可以達(dá)到3：1。 差錯控制 CCITT規(guī)范：CCITT V.42規(guī)范 MNP 規(guī)范：MNP 10級是功能非常齊全的差錯控制協(xié)議，用于向蜂窩電話這樣的噪聲環(huán)境。 物理接口(RS-232-C，RS-449，V.35),ITU有關(guān)Modem的標(biāo)準(zhǔn),ITU V.22 bis 2400bps ITU V.274800bps I