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1、二章节数据通信基础 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望课件网址课件网址http:/ signaln数据的载体，一般为电磁波或电脉冲。可数据的载体，一般为电磁波或电脉冲。可分为模拟信息与数据信号。分为模拟信息与数据信号。n信源与信宿信源与信宿n信源：数据源，发出待传送信息的设备；信源：数据源，发出待传送信息的设备；n信宿：接收传输信息的设备信宿：接收传输信息的设备2数据通信概述n发送设备发送设备n使信源与信道相匹配的信号变换设备使信源与信道相匹配的信号变
2、换设备n接收设备接收设备n完成发送设备的反变换（解调完成发送设备的反变换（解调/译码译码/解密）解密）n信道信道 Channeln传送信息的媒体。（干扰传送信息的媒体。（干扰/噪声噪声/衰减）衰减）n分为数字信道和模拟信道分为数字信道和模拟信道3通信系统概念模型信道信道通信系统通信系统发送信号发送信号接收信号接收信号发送发送设备设备接收接收设备设备信宿信宿信源信源4n通信系统分类通信系统分类n模拟通信系统模拟通信系统/数字通信系统数字通信系统n基带传输系统基带传输系统/调制传输系统调制传输系统PCM：Pulse Code Modulation,脉冲编码调脉冲编码调制制n数据通信系统数据通信系统
3、n除利用模拟信号传输模拟数据的通信方式除利用模拟信号传输模拟数据的通信方式的其它数据通信系统的其它数据通信系统n数字信号的模拟传输数字信号的模拟传输/数字信号的数字传数字信号的数字传输输/模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输5数据通信举例声音声音A/DD/A电话系统电话系统数据数据信号信号传输传输信号信号数据数据信源信源信宿信宿6数据通信定义n将携带信息的数据从信源（发送方）将携带信息的数据从信源（发送方）传输到信宿（接收方）。传输到信宿（接收方）。n在发送方将数据处理成适于信道传输在发送方将数据处理成适于信道传输的信号的信号n在信道中传输信号在信道中传输信号n可靠性可靠性n快速性快速性n保密
4、性保密性n在接收方从信号中恢复数据在接收方从信号中恢复数据74 通信系统的性能指标通信系统的性能指标1 有效性：使用信息速率和码元速率表示。有效性：使用信息速率和码元速率表示。n比特率比特率(bps)与波特率与波特率(baud)的关系的关系01072电平，每个信号携带信息量为电平，每个信号携带信息量为1比特。比特。8电平，每个信号携带信息量为电平，每个信号携带信息量为3比特。比特。如果：如果：波特率为波特率为B，电平数为电平数为V，则则比特率为：比特率为：b=B log2V82 可靠性：传输信息的质量可靠性：传输信息的质量n模拟通信系统用信噪比衡量模拟通信系统用信噪比衡量(信噪比：信噪比：db
5、 分贝）分贝）n数据通信系统用错误率衡量数据通信系统用错误率衡量n误比特率误比特率 Pb:错误比特数错误比特数/传输总比特数传输总比特数n误码元率误码元率P s:错误码元数错误码元数/传输总码元数传输总码元数3 适应性：使用时的环境条件适应性：使用时的环境条件4 经济性：分摊到每一个用户的成本（铱星系统）经济性：分摊到每一个用户的成本（铱星系统）5 保密性：系统对所传信号的加密措施保密性：系统对所传信号的加密措施6 标准性：接口、结构及协议合乎国家、国际标准标准性：接口、结构及协议合乎国家、国际标准7 维护性：是否维修方便维护性：是否维修方便8 工艺性：各种工艺要求工艺性：各种工艺要求92.2
6、 通信系统的性能指标通信系统的性能指标n数字信道和模拟信道数字信道和模拟信道10模拟信号模拟信号n振幅：波形信号强度的度量n频率：波形重复的频度n相位：该波形相对于参照波形信号的位置关系11数字信号数字信号12信道分类n模拟信道n适于模拟信号传输n模拟信号：时间和幅度连续n数字信道n适于数字信号传输n数字信号：时间和幅度离散模拟信号模拟信号数字信号数字信号时间时间时间时间幅值幅值幅值幅值133.1.3 信道容量信道容量n信道带宽：信道所能传送电磁波的信道带宽：信道所能传送电磁波的有效频率范围。有效频率范围。n人耳人耳 20 20 000 Hz n数据传输速率：信道每秒能传输的数据传输速率：信道
7、每秒能传输的二进制位数，二进制位数，bps(比特每秒比特每秒)，Kbps Mbps Gbpsn信道最大传输速率（信道容量）信道最大传输速率（信道容量）n与信道的带宽有直接联系与信道的带宽有直接联系14傅里叶变换与频谱分析傅里叶变换与频谱分析n信道上传输的电磁波信号可将其表示成若干个信道上传输的电磁波信号可将其表示成若干个正弦正弦/余弦函数之和的形式。余弦函数之和的形式。其频率为其频率为f,2f,3f,.,mf 信道的带宽限制信道的带宽限制,只能传输只能传输f,2f,3f,.,nf的频率的频率当当m n 时只有部分谐波通过，高于时只有部分谐波通过，高于nf的频率的频率被丢弃。被丢弃。g(t)=c
8、/2+an sin(2 nft)+bn cos(2 nft)（1）式）式 i=1 i=115带宽和数据率的关系带宽和数据率的关系1 1次和次和33次谐波次谐波1,31,3和和5 5次谐波次谐波1,3,51,3,5及及7 7次谐波次谐波全部谐波全部谐波结论：限制了带宽，就限制了数据率结论：限制了带宽，就限制了数据率16n信道带宽一定的情况下：信道带宽一定的情况下：n数据传输速率越高数据传输速率越高,f 越大越大,信道信道所能通过的谐波数就越少，信号所能通过的谐波数就越少，信号失真就大，直到信息无法识别为失真就大，直到信息无法识别为止止17奈奎斯特(Nyquist)抽样定理n定义n在理想的无噪声信
9、道，若 f 是传输媒体的最大传输频率,采样频率为2*f 时，接收方才可以从采样脉冲信号中完全 恢复原信号n对有限带宽（截止频率为）fc 的信号进行时间抽样，如果采样频率 fs 的选择满足以下条件：fs 2 fc 则此抽样信号可以唯一恢复。18无噪音信道的最大传输速率n由抽样定理：fs 2 fc n由信道对信号的限制：fc Bn信号频率大于B的成分会被信道过滤掉n选择 fs 2B无意义n信道带宽B：B=fs n信道容量C：C=2B log2 V (bps)注:lb 表示 log21901072电平，每个信号携带信息量为电平，每个信号携带信息量为1比特。比特。8电平，每个信号携带信息量为电平，每个
10、信号携带信息量为3比特。比特。果：果：波特率为波特率为B，电平数为电平数为V，则则比特率为：比特率为：b=B log2V2021n不论信号的电平V是多少，当考虑信道噪声干扰时，信道的最大传输速率由信道的带宽和信噪比决定。nShannon公式Cmax=B log2 V（1+S/N）(bps)S/N是信号与噪声的功率之比，单位dB。采用 10 lg S/N 单位为分贝香农(Shannon)定理有噪音信道的最大传输速率223.2 数据通信方式并行与串行传输异步传输与同步传输连接方式基带与频带传输23通信线路的连接方式通信线路的连接方式n点到点连接方式点到点连接方式n分支连接方式分支连接方式n集线连接
11、方式集线连接方式24并行与串行传输发送方发送方接收方接收方发送方发送方接收方接收方数据线数据线并行并行串行串行数据线数据线25信道的通信方式信道的通信方式据信号在通信线路上的传方向，数据据信号在通信线路上的传方向，数据通信方式有：通信方式有：单工通信单工通信半双工通信半双工通信全双工通信全双工通信26单工（单工（simplex）“单工单工单工单工”发送方发送方 接收方接收方2线环回线环回地线做回路地线做回路信息只能单方向传输信息只能单方向传输 发送方发送方 接收方接收方27半双工（半双工（half-duplex）2线线发送方发送方/接收方接收方发送方发送方/接收方接收方双向交替通信双向交替通信
12、28全双工（全双工（duplex）双方可同时收发信息双方可同时收发信息“A Phone Conversation”A Phone Conversation”292.数据的传输方式数据的传输方式n基带传输：信道上原封不动地传基带传输：信道上原封不动地传输输0或或1的数字脉冲信号。的数字脉冲信号。n传输线中的电容电感对信号波形传输线中的电容电感对信号波形衰减影响大衰减影响大n距离距离PC-头端）头端）高频用于出境（头端高频用于出境（头端-PC-PC）双电缆系统双电缆系统单电缆系统单电缆系统宽带同轴电缆系统宽带同轴电缆系统462.双绞线双绞线(Twisted Pair)内导体芯线内导体芯线绝缘绝缘箔
13、屏蔽箔屏蔽铜屏蔽铜屏蔽外套外套47屏蔽双绞线屏蔽双绞线(STP)非屏蔽双绞线非屏蔽双绞线(UTP)n以箔屏蔽以减少 干扰和串音双绞线外没有任何附加屏蔽 (3类、5类)48UTPn长距离的并行导体中传输信号会产生串长距离的并行导体中传输信号会产生串扰（相邻线对间的信号干扰）扰（相邻线对间的信号干扰）n严格控制导体绞距严格控制导体绞距n3.8cm14cmn相邻线对绞距差相邻线对绞距差1.27cm以上以上n3类线类线/5类线类线/超超5类线类线/6类线类线 49UTP的优点的优点n优点：轻便，节省空间，容易安装优点：轻便，节省空间，容易安装n平衡传输，避免外界干扰平衡传输，避免外界干扰n线对间串扰小
14、线对间串扰小n支持高速数据应用支持高速数据应用n标准化和开放性，适用于结构化综合布标准化和开放性，适用于结构化综合布线线503.光纤光纤(Fiber Optics)n依靠光波承载信息依靠光波承载信息n高传送速率，通信容量大高传送速率，通信容量大n传输损耗小，适合长距离传输传输损耗小，适合长距离传输n抗干扰性能好，保密性好抗干扰性能好，保密性好n轻便轻便51折射定律折射定律媒体媒体2 媒体媒体1q qi入射入射q qr反射反射q qt折射折射nqi=入射角nqr=折射角nqt=反射角当光由折射率较大的光密介质以某一入射角射向折射率较小的光疏介质时，如果入射角大于某一特定的值，会发生全反射现象。5
15、2光纤传送模式光纤传送模式多模阶跃光纤多模阶跃光纤多模阶跃光纤多模阶跃光纤输入电信号输入电信号输入电信号输入电信号多模缓变光纤多模缓变光纤多模缓变光纤多模缓变光纤单模光纤单模光纤单模光纤单模光纤 波长波长波长波长:1300,1550nm:1300,1550nm:1300,1550nm:1300,1550nmh2h2h2h2h1h1h1h1h1h1h1h1h2h2h2h2波长波长波长波长:850,1300nm:850,1300nm:850,1300nm:850,1300nmh2h2h2h2h1h1h1h1芯芯芯芯/封套特性封套特性封套特性封套特性输出电信号输出电信号输出电信号输出电信号光纤的直径
16、减小到光纤的直径减小到一个光波波长一个光波波长53典型的光缆典型的光缆玻璃封套玻璃封套塑料外套塑料外套玻璃内芯玻璃内芯单芯光缆单芯光缆单芯光缆单芯光缆多芯光缆多芯光缆多芯光缆多芯光缆玻璃内芯玻璃内芯塑料外套塑料外套玻璃封套玻璃封套外外壳壳54剖面结构剖面结构芯芯封套封套外套外套加强芯加强芯光纤光纤外鞘外鞘加强芯加强芯光纤束光纤束55光源光源1200-1600 nm1200-1600 nm500-1000 nm500-1000 nmLED半导体激光半导体激光光纤传输系统的组成：光源、传输媒体、光接收器光纤传输系统的组成：光源、传输媒体、光接收器56n多模光纤：短距离多模光纤：短距离n中心玻璃芯较
17、粗中心玻璃芯较粗(50或或62.5m)，可传多种，可传多种模式的光。但其模间色散较大，这就限制模式的光。但其模间色散较大，这就限制了传输数字信号的频率，而且随距离的增了传输数字信号的频率，而且随距离的增加会更加严重加会更加严重n单模光纤：长距离单模光纤：长距离n中心玻璃芯很细中心玻璃芯很细(芯径一般为芯径一般为9或或10m)，只能传一种模式的光。因此，其模间色散只能传一种模式的光。因此，其模间色散很小，适用于远程通讯，但还存在着材料很小，适用于远程通讯，但还存在着材料色散和波导色散，这样单模光纤对光源的色散和波导色散，这样单模光纤对光源的谱宽和稳定性有较高的要求，即谱宽要窄，谱宽和稳定性有较高
18、的要求，即谱宽要窄，稳定性要好稳定性要好57光纤的特性光纤的特性n不会泄漏信号，不易受外界的信号干扰不会泄漏信号，不易受外界的信号干扰n不易分支，常用于点对点链路不易分支，常用于点对点链路584.无线媒体无线媒体n使用电磁波使用电磁波n无需物理连接无需物理连接n适用于长距离适用于长距离n允许设备移动允许设备移动无线传输媒体有两类：定向的和全方位的无线传输媒体有两类：定向的和全方位的59几种媒体的传输频带几种媒体的传输频带双绞线双绞线双绞线双绞线电话业务电话业务电话业务电话业务同轴电缆同轴电缆同轴电缆同轴电缆AM AM 无线电无线电无线电无线电FM FM 无线电和无线电和无线电和无线电和 TV
19、TV地面微波接力地面微波接力地面微波接力地面微波接力 光纤光纤光纤光纤卫星卫星卫星卫星10102 210103 310104 410105 510106 610107 710108 810109 910101010101011111010121210101313101014141010151510101616无线无线无线无线电电电电红外线红外线红外线红外线紫外线紫外线紫外线紫外线可见光可见光可见光可见光微波微波微波微波 Hz Hz60无线电无线电(Radio)n全方位全方位n固定终端点（基站）和固定终端点（基站）和终端之间是无线链路终端之间是无线链路n频率：频率：3kHz-300GHzBS基站
20、基站 用户计算机和终端用户计算机和终端BS基站覆盖的无线电区域基站覆盖的无线电区域基站覆盖的无线电区域基站覆盖的无线电区域F F2 2F F3 3F F1 1F F2 2F F3 3F F1 1F F2 2F F3 3F F1 1F F2 2F F2 2F F3 3F F1 1F1,F2,F3=使用的频率使用的频率61地面微波接力地面微波接力(Microwave)n两个地面站之间传送两个地面站之间传送n距离：距离：50-100 km；频率：；频率：2G-40GHzn依赖于天气和频率依赖于天气和频率n应用：长距离传输话音和电视应用：长距离传输话音和电视信号；大厦之间信号；大厦之间LAN互连互连地
21、球地球地球地球地面站之间的地面站之间的地面站之间的地面站之间的直视线路直视线路直视线路直视线路 微波传送塔微波传送塔微波传送塔微波传送塔62通信卫星：微波中继站通信卫星：微波中继站n使用微波使用微波n使用转发器接收和转发使用转发器接收和转发n可支持点到多点传送可支持点到多点传送地球地球地球地球地面站地面站地面站地面站地面站地面站地面站地面站C波段波段 4/6 GHz 上行上行5.925-6.425 GHz 下行下行3.7-4.2 GHz KU波段波段 12/14 GHz 上行上行14-14.5 GHz 下行下行11.7-12.2 GHz 应用：传输电视信号、远距离话音传输、组建专用网应用：传输
22、电视信号、远距离话音传输、组建专用网63地球同步卫星地球同步卫星n与地面站相对固与地面站相对固定位置定位置n使用使用3个卫星覆盖个卫星覆盖全球全球36,00036,000公里公里公里公里地球地球地球地球64红外线红外线(Infrared)(Infrared)和毫米波和毫米波(MillimeterWaves)(MillimeterWaves)用于短距离通信，如电视、录象机等的遥控用于短距离通信，如电视、录象机等的遥控也可用于无线也可用于无线LANLAN缺点：不能穿透固体缺点：不能穿透固体光波光波(lightwave)(lightwave)传输传输 应用：在屋顶用激光连接两个建筑物的应用：在屋顶用
23、激光连接两个建筑物的LANLAN缺点：不能穿透雨和浓雾，易受天气影响缺点：不能穿透雨和浓雾，易受天气影响选择传输媒体要考虑的因素：价格、带宽选择传输媒体要考虑的因素：价格、带宽/数据率、数据率、传输距离传输距离65常用传输媒体的比较常用传输媒体的比较传输媒体传输媒体双绞线双绞线5050 同轴电缆同轴电缆 7575同轴电缆同轴电缆光纤光纤短波短波卫卫星星地面地面微波接力微波接力远距离速率远距离速率模拟：模拟：300-3400Hz300-3400Hz数字：数字：4Mbps4Mbps10Mbps10Mbps300-450MHz300-450MHz2Gbps2Gbps几十几十-几百几百bpsbps2-
24、40GHz2-40GHz500MHz500MHz 传输距离传输距离性能性能价格价格应用应用应用示例应用示例5-65-6公里公里2-32-3公里公里1-101-10公里公里100100公里公里10-10010-100公公里里全球全球几百公里几百公里一万八千公里一万八千公里可以可以较好较好 较好较好 很好很好 很好很好 很好很好 较差较差 很低很低很很低低 较低较低较高较高较高较高与距离无与距离无关关卫星及火箭卫星及火箭造价较高造价较高用户环用户环线线LANLANLANLANCATVCATV 模拟传输模拟传输数字传输数字传输数字数字 模拟、数字模拟、数字远距离传远距离传输输远程、低速通远程、低速通
25、信信 远程通信远程通信远程通信远程通信主干网、长主干网、长话话 广播广播长话、电视长话、电视数据、电视数据、电视662.4 数据编码技术数据编码技术n2.4.1 数字数据的调制编码数字数据的调制编码调幅调频调相载波67数字数据的信号编码数字数据的信号编码n编码的必要性编码的必要性n直流分量为零直流分量为零n含有时钟分量或经过简单变换就含有位定含有时钟分量或经过简单变换就含有位定时时钟分量时时钟分量n具有一定的误码检测能力具有一定的误码检测能力n设备的经济性设备的经济性68基带数字信号的编码方法基带数字信号的编码方法 时钟时钟时钟时钟不归零制不归零制NRZManchester曼彻斯特编码曼彻斯特
26、编码差分曼彻斯特差分曼彻斯特编码编码Manchester0 01 10 00 01 11 10 00 00 01 11 1位间为时钟位中间跳变低到高为0高到低为1位中为时钟位间跳变为0无跳变为169模拟数据-数字信号采样采样编码编码模拟数据模拟数据数字信号数字信号时间量化时间量化幅值量化幅值量化采样间隔采样间隔Ts 2 fc数字数字信道信道解码解码恢复恢复模拟数据模拟数据数字信号数字信号数字信号数字信号模拟数据模拟数据量化量化703.5 数据复用技术n多路复用（Multiplexing）概念n多个信号同时占用信道进行数据传输n多路复用方式的分类71多路复用方式的分类n频分复用FDM(Frequ
27、ency Division Multiplexing)n波分复用WDM(Wavelength DM)n时分复用TDM(Time DM)n码分复用(CDMA)723.5.1 频分复用数据数据1数据数据2数据数据3数据数据4数据数据1数据数据2数据数据3数据数据4f1f2f3f4 信道带宽信道带宽f 信道频谱信道频谱 模拟模拟信道信道73频分复用举例数据频谱（话音）数据频谱（话音）信号频谱（相互隔离，共用信道）信号频谱（相互隔离，共用信道）f1 f2 f3 f3 f f 3KHz4KHz分配给一路话音的带宽分配给一路话音的带宽一路话音的带宽一路话音的带宽743.5.2 时分复用数据数据1数据数据2
28、数据数据3数据数据4数据数据1数据数据2数据数据3数据数据4Byte1Byte2Byte3Byte4 时间时间 t 信号的帧信号的帧数字数字信道信道01010011 11000110111100000101000075时分复用举例n电话系统n用户本地电话系统（local）n电话主干系统(backbone)n数字主干线路nT1nE1nSONET/SDH76用户本地电话系统举例ModemModem编编码码解解码码器器时时分分复复用用器器至主干至主干T1载波载波电话端局电话端局用户系统用户系统PCM数字数据数字数据模拟信号模拟信号数字信号数字信号fs=8KHz77电话主干系统举例时分复用时分复用时分
29、复用时分复用时分复用时分复用24路话音路话音PCMT1T2T3 1.544Mbps6.312Mbps46.304Mbps78T1载波n帧格式n最大传输速率=位数/帧*采样频率fs =（1+8*24）*8000 =1.544(Mbps)分分帧帧位位控控制制位位7654321*24（对应（对应24路话音）路话音）数据位数据位798位位同步同步*30（对应（对应30路话音）路话音）E1载波8位位信令信令8位位数据数据803.5.3 统计时分复用统计时分复用ABCD待发数据待发数据t1 t2 t3A1B1C1D1C2D2A2B2周期周期1周期周期2同步同步 TDM带宽浪费带宽浪费A1B1C2B2周期周
30、期1周期周期2统计统计TDM可用带宽可用带宽81码分复用码分复用nCDMA所有用户使用同一频率所有用户使用同一频率n需要有足够多的地址码需要有足够多的地址码n地址码需要完全同步地址码需要完全同步n使用扩展频谱使用扩展频谱(扩频扩频)技术技术82n各地址码要求两两正交各地址码要求两两正交n内积为内积为0nA:00010 B:11000 C:00101 码片码片nA站向站向B站发数据站发数据1:11000 发零则为反码发零则为反码833.5.4 波分复用n与频分复用概念相同，为每路信号分配相互隔离的光谱频带。n波分复用的物理概念共享光纤共享光纤光纤光纤1光纤光纤2光纤光纤1,光纤光纤2,棱柱或衍射
31、光栅棱柱或衍射光栅843.6 数据交换技术数据交换技术n线路交换线路交换(Circuit Switching)n报文交换报文交换(Message Switching)n分组交换分组交换(Packet switching)85线路交换线路交换n建立连接建立连接n数据传输数据传输n拆除连接拆除连接86线路交换线路交换n优点优点:传输可靠传输可靠延迟小延迟小实时性好实时性好n据点据点:建立连接时间长建立连接时间长线路利用率低线路利用率低87报文交换报文交换n存储转发存储转发(存储交换存储交换)n报头报头/正文正文/报尾报尾88报文交换报文交换n优点优点:无需预先建立通路无需预先建立通路线路利用率高线
32、路利用率高传输可靠传输可靠(进行差错检测进行差错检测/冗余通路冗余通路)n缺点缺点:n时延较大时延较大(与报文长度与报文长度/转发路径有关转发路径有关)n缓冲器分配困难缓冲器分配困难n出错重传整个报文出错重传整个报文,效率低效率低89分组交换分组交换把要传输的报文分成若干个小的数据块把要传输的报文分成若干个小的数据块,称为分组称为分组(Packet),然后以分组为单位按然后以分组为单位按照与报文交换同样的方法进行传输。照与报文交换同样的方法进行传输。分组头部包含分组编号，各分组到达目的节分组头部包含分组编号，各分组到达目的节点后，目的结点按编号重组报文。点后，目的结点按编号重组报文。90分组交
33、换方式分组交换方式n数据报方式（数据报方式（Datagram)n虚电路方式虚电路方式 (Virtual Circuit)91数据报方式（数据报方式（Datagram)n优点：短报文效率高优点：短报文效率高/通信开销小通信开销小/故障故障适应能力强适应能力强n缺点：分组时延大缺点：分组时延大/不能保证按序到达不能保证按序到达92虚电路方式虚电路方式 (Virtual Circuit)93虚电路方式虚电路方式 (Virtual Circuit)n有建立和拆除连接操作，不适合短报文有建立和拆除连接操作，不适合短报文传输传输n建立连接时各交换设备已预留缓存等资建立连接时各交换设备已预留缓存等资源，不会发生网络拥塞现象源，不会发生网络拥塞现象n类别：类别：n永久虚电路永久虚电路 PVCn交换虚电路交换虚电路 SVC94