数据与计算机通信第三章幻灯片.ppt

数据与计算机通信第三章第1页，共55页，编辑于2022年，星期六数据通信内容 研究的数据通信系统 点对点或多点链路 讨论的主题 数据运载问题 3、数据传输形式、信号与信道特性 4、传输媒体 5、编码 6、数据通信接口 可靠性问题 7、数据链路控制协议 效率问题 8、复用2http:/第2页，共55页，编辑于2022年，星期六数据传输3.Data Transmissionv v 传输术语传输术语v 信号及其传输特性信号及其传输特性v v 模拟数据传输模拟数据传输v v 数字数据传输数字数据传输v 信号遭受损伤的类型信号遭受损伤的类型v v 信道容量信道容量第3页，共55页，编辑于2022年，星期六Data and Computer CommunicationsData and Computer Communications4http:/数据传输概述n数据传输的基本原理构成了本书涉及的所有技术和概念的基础q编码技术q复用技术q交换技术q差错控制技术n数字数据与模拟数据的区别n数字传输和模拟传输的区别n概念如衰减及噪声等第4页，共55页，编辑于2022年，星期六Data and Computer CommunicationsData and Computer Communications5http:/数据传输要点n电磁信号表示各种形式的信息q话音、数据、图像、视频n电磁信号由频率成分组成q带宽：组成该信号的频率范围的宽度n传输损伤q衰减、失真、噪声n通信设施考虑的因素q带宽、数据率、噪声、差错率第5页，共55页，编辑于2022年，星期六Data and Computer CommunicationsData and Computer Communications6http:/传输术语（1）n发送器n接收器n传输媒体q导向媒体（guided media）n双绞线、同轴电缆和光纤q非导向媒体（unguided media）（无线传播）n空气、真空和海水发送器发送器接收器接收器传输媒体传输媒体第6页，共55页，编辑于2022年，星期六Data and Computer CommunicationsData and Computer Communications7http:/传输术语（2）n直连链路（direct link）q没有中间设备存在n点对点（point-to-point）q一条直连链路q仅被两设备共享n多点（multipoint）q两个以上的设备共享同一传输媒体第7页，共55页，编辑于2022年，星期六8http:/Transmission Structure第8页，共55页，编辑于2022年，星期六9http:/Point-to-Point Examples第9页，共55页，编辑于2022年，星期六10http:/Multipoint Example第10页，共55页，编辑于2022年，星期六Data and Computer CommunicationsData and Computer Communications11http:/传输术语（3）n单工（simplex）q信号仅向一个方向传输ne.g.Televisionn半双工（half-duplex）q都可以发送信号，但同一时间只一方发送ne.g.police radion全双工（full-duplex）q可同时发送接收信号ne.g.telephone第11页，共55页，编辑于2022年，星期六12http:/Simplex/Half Duplex/Full Duplex第12页，共55页，编辑于2022年，星期六13http:/思考题n解释导向媒体和非导向媒体，并给出例子。n举例说明直接的链路有哪几种配置形式？n数据传输根据设备之间信号流动方向，有哪几种传输方式？结合自己所了解的，各举一例。第13页，共55页，编辑于2022年，星期六14http:/频率、频谱和带宽n信号的特性包括信号的特性包括时间特性时间特性和和频率特性频率特性n对信号时间特性的分析在对信号时间特性的分析在时域时域（Time Domain）上进行）上进行n振幅振幅、频率频率、相位相位是在时域上描述信号的主要参数是在时域上描述信号的主要参数n在时域上表示信号的图象称为在时域上表示信号的图象称为时域图时域图n任一信号都可看成由某个频率范围内的频谱成分组成任一信号都可看成由某个频率范围内的频谱成分组成n信号的频率特性对信号信号的频率特性对信号带宽带宽和和数据率数据率等至关重要等至关重要n对信号频率特性的分析在对信号频率特性的分析在频域频域（Frequency Domain）上进行）上进行n在频域上表示信号的图象称为在频域上表示信号的图象称为频域图频域图n频域图有频域图有最大振幅最大振幅-频率频率和和相位相位-频率频率两种图象两种图象n在频域上进行信号分析通常比在时域上简便在频域上进行信号分析通常比在时域上简便第14页，共55页，编辑于2022年，星期六Data and Computer CommunicationsData and Computer Communications15http:/频率、频谱和带宽n时域（time domain）概念q模拟信号n一段时间信号的变化模式是平滑的q数字信号n一段时间内信号强度保持某个常量值q周期信号n一段时间内信号模式重复q非周期信号n一段时间内信号没有重复第15页，共55页，编辑于2022年，星期六Data and Computer CommunicationsData and Computer Communications16http:/模拟波形和数字波形第16页，共55页，编辑于2022年，星期六Data and Computer CommunicationsData and Computer Communications17http:/周期信号第17页，共55页，编辑于2022年，星期六Data and Computer CommunicationsData and Computer Communications18http:/正弦波n峰值振幅 Peak Amplitude(A)q一段时间内信号值的最大值q单位伏voltsn频率Frequency(f)q信号循环的速度q用Hertz(Hz)表示q信号周期：信号重复一周所花的时间qT=1/fn相位Phase()q信号在不同时间点的相对位置第18页，共55页，编辑于2022年，星期六19http:/Varying Sine Waves第19页，共55页，编辑于2022年，星期六Data and Computer CommunicationsData and Computer Communications20http:/波长n信号循环一个周期所占的空间长度n信号的两个连续周期上相位相同两点间的距离n波长n假设信号运动速度为 q=Tqf=qc 3*108 ms-1(自由空间的光速)第20页，共55页，编辑于2022年，星期六Data and Computer CommunicationsData and Computer Communications21http:/频域概念n一个电磁信号是由多种频率组成的q频率成分叠加如P45之图3.4n傅立叶分析的方法得出任何信号由不同正弦波的频率成分组成n任何一个信号存在时域函数，也存在频域函数q频域的表示如P46之图3.5第21页，共55页，编辑于2022年，星期六22http:/Addition of FrequencyComponents第22页，共55页，编辑于2022年，星期六23http:/Time-Domain and Frequency-Domain Representations 第23页，共55页，编辑于2022年，星期六24http:/Signal with DC Componentn DC Componentq Component of zero frequency第24页，共55页，编辑于2022年，星期六25http:/Signal with DC Component第25页，共55页，编辑于2022年，星期六Data and Computer CommunicationsData and Computer Communications26http:/频谱&带宽n频谱Spectrumq信号包含的频谱范围n绝对带宽Absolute bandwidthq频谱宽度n有效带宽Effective bandwidthq通常就叫带宽q信号的绝大部分能量都集中在相当窄的频带范围n直流成分DC Componentq信号包含有频率为零的成分第26页，共55页，编辑于2022年，星期六Data and Computer CommunicationsData and Computer Communications27http:/数据率和带宽之间的关系n任何传输系统都只能容纳有限的频率范围n系统限制了数据在传输媒体上传送的数据率n数据率、中心频率与有效带宽成正比第27页，共55页，编辑于2022年，星期六Data and Computer CommunicationsData and Computer Communications28http:/模拟和数字数据传输n数据Data q传达某种意义或信息的实体n信号Signalsq数据的电器或电磁表示方式n信令Signalingq信号沿适当媒体的物理传播n传输Transmissionq用传播并处理信号的方式进行的数据通信的过程第28页，共55页，编辑于2022年，星期六Data and Computer CommunicationsData and Computer Communications29http:/模拟数据和数字数据n模拟数据q一段时间内具有连续的值qe.g.声音,视频n数字数据q值是离散的qe.g.正文,数字第29页，共55页，编辑于2022年，星期六Data and Computer CommunicationsData and Computer Communications30http:/模拟和数字信号n数据传播的方式n模拟信号q连续变化的q不同类型的媒体上传播n双绞线，同轴电缆，光纤，大气或空间q话音频谱范围在 100Hz 到 7kHz之间q电话系统的话音信号频谱范围在 300Hz 到 3400Hz间q视频的带宽是 4MHz左右n数字信号q电压脉冲序列q采用两个恒定电压值（dc）第30页，共55页，编辑于2022年，星期六Data and Computer CommunicationsData and Computer Communications31http:/数据和信号n模拟信号表示模拟数据n数字信号表示数字数据n数字数据可用模拟信号表示q如调制解调器Modemn模拟数据可用数字信号表示 q如编解码器Compact Disc audio第31页，共55页，编辑于2022年，星期六Data and Computer CommunicationsData and Computer Communications32http:/数据的模拟信令方式模拟信号模拟信号模拟信号模拟信号模拟数据模拟数据-模拟信号模拟信号 数字数据数字数据-模拟信号模拟信号第32页，共55页，编辑于2022年，星期六Data and Computer CommunicationsData and Computer Communications33http:/数据的数字信令方式+5v-5v数字信号数字信号模拟数据模拟数据-数字信号数字信号数字数据数字数据-数字信号数字信号第33页，共55页，编辑于2022年，星期六34http:/模拟信号载送模拟数据和数字数据第34页，共55页，编辑于2022年，星期六35http:/数字信号载送模拟数据和数字数据Analog Data第35页，共55页，编辑于2022年，星期六Data and Computer CommunicationsData and Computer Communications36http:/模拟传输n传输信号不考虑信号的内容n信号可能是模拟数据或数字数据n传输一段距离后，信号会衰减n使用放大器增强信号能量n同时也增强了噪声第36页，共55页，编辑于2022年，星期六Data and Computer CommunicationsData and Computer Communications37http:/数字传输n考虑信号的内容n数据的完整性受到衰减、噪声或其他损伤的威胁n使用转发器n转发器接收信号恢复为1，0模式n重新传输新信号n克服了衰减n噪声也不累积第37页，共55页，编辑于2022年，星期六Data and Computer CommunicationsData and Computer Communications38http:/数字传输的优势n数字技术数字技术Digital technologyq低价的低价的 LSI/VLSI 技术技术n数据完整性数据完整性Data integrityq远距离传输，较低线路质量要求远距离传输，较低线路质量要求n容量利用率容量利用率Capacity utilizationq经济的高带宽传输链路经济的高带宽传输链路q数字技术的高级复用技术有效利用其容量数字技术的高级复用技术有效利用其容量n安全和保密安全和保密Security&Privacyq加密技术加密技术n综合性综合性Integrationq能类似处理模拟数据和数字数据能类似处理模拟数据和数字数据第38页，共55页，编辑于2022年，星期六Data and Computer CommunicationsData and Computer Communications39http:/传输损伤n接收到的信号与传输信号有差异接收到的信号与传输信号有差异n模拟信号，损伤会模拟信号，损伤会降低信号质量降低信号质量n对数字信号则对数字信号则导致比特差错导致比特差错n重要的损伤：重要的损伤：q衰减和衰减失真衰减和衰减失真Attenuation and attenuation distortionq时延失真时延失真Delay distortionq噪声噪声Noise第39页，共55页，编辑于2022年，星期六Data and Computer CommunicationsData and Computer Communications40http:/衰减n衰减衰减q信号强度距离增长而减弱信号强度距离增长而减弱q衰减与传输媒体有关衰减与传输媒体有关q传输过程需要注意到三点传输过程需要注意到三点:n接收到的信号必须有足够的强度接收到的信号必须有足够的强度n信号电平必须保持高于噪声电平以接收无差错的数据信号电平必须保持高于噪声电平以接收无差错的数据n频率越高衰减越严重频率越高衰减越严重q即衰减是频率的递增函数即衰减是频率的递增函数q利用加感线圈改变线路的某些电气特性利用加感线圈改变线路的某些电气特性q使用放大器使用放大器第40页，共55页，编辑于2022年，星期六41http:/第41页，共55页，编辑于2022年，星期六Data and Computer CommunicationsData and Computer Communications42http:/时延失真n时延失真q接收到的信号因其频率成分延迟的不同产生了失真q在导向媒体中信号传播速度随频率不同变化q靠近中心频率传播速度最快，两侧较慢n导致频率之间的相移q均衡技术第42页，共55页，编辑于2022年，星期六43http:/何类信号对衰减与时延失真敏感？n数字信号受衰减失真影响较小数字信号受衰减失真影响较小q频率特定：绝大部分内容集中在基频附近频率特定：绝大部分内容集中在基频附近q幅度特性：二值判定幅度特性：二值判定n数字信号受时延失真影响较大数字信号受时延失真影响较大q产生比特序列混乱产生比特序列混乱n模拟信号主要受衰减影响模拟信号主要受衰减影响q幅值连续变化，信息分布在整个频带幅值连续变化，信息分布在整个频带第43页，共55页，编辑于2022年，星期六Data and Computer CommunicationsData and Computer Communications44http:/噪声n传送和接收之间的某个地方插入进来的无用信号传送和接收之间的某个地方插入进来的无用信号为为噪声噪声n热噪声热噪声 Thermalq导体内电子热运动造成的导体内电子热运动造成的q均匀分布白噪声均匀分布白噪声n互调噪声互调噪声 Intermodulation noiseq不同频率的信号共享同一传输媒体产生的不同频率的信号共享同一传输媒体产生的n串扰串扰Crosstalkq在一条线路上获得其他线路的信号在一条线路上获得其他线路的信号第44页，共55页，编辑于2022年，星期六45http:/第45页，共55页，编辑于2022年，星期六46http:/噪声的种类n噪声分为随机噪声、冲激噪声或自然噪声(大气噪声)等n随机噪声包括热噪声、交调噪声和串扰等，普遍存在且有着持续时间不断的影响，是信号传输的基本研究对象nThermal 热噪声qN0=k T (W/Hz)qDue to thermal agitation of electronsqUniformly distributedqWhite noise or Gaussian noise第46页，共55页，编辑于2022年，星期六47http:/噪声的种类nIntermodulationqSignals that are the sum and difference of original frequencies sharing a mediumn交调噪声q交调噪声产生于当发送设备、接收设备及它们之间的传输系统中存产生于当发送设备、接收设备及它们之间的传输系统中存在某些非线性之时在某些非线性之时qq或者产生于当不同频率的信号共用同一传输媒质之时或者产生于当不同频率的信号共用同一传输媒质之时qq交调噪声在系统的输出端产生一些附加的频率成分，它们是多个原交调噪声在系统的输出端产生一些附加的频率成分，它们是多个原输入信号的频率之和或差，甚至这些频率的多倍数的组合输入信号的频率之和或差，甚至这些频率的多倍数的组合qq交调噪声可以用人为的方法，通过校正其中的非线性而部分地得以交调噪声可以用人为的方法，通过校正其中的非线性而部分地得以补偿。补偿。第47页，共55页，编辑于2022年，星期六48http:/噪声的种类nCrosstalk 串扰qA signal from one line is picked up by anotherqInterference of noises on parallel linesqqNEXT NEXT and FEXT FEXTn n问题：目前双绞线的抗扰能力已经很强，说说它的原理？但仍然有近端串扰，这是什么原因？第48页，共55页，编辑于2022年，星期六49http:/平行线上的噪声效应平行线上的噪声效应第49页，共55页，编辑于2022年，星期六50http:/双绞线上的噪声效应双绞线上的噪声效应双绞线的扭绞结构是为了减少相邻导线之间的串扰和消除外界干扰双绞线的扭绞结构是为了减少相邻导线之间的串扰和消除外界干扰双绞线的扭绞结构是为了减少相邻导线之间的串扰和消除外界干扰双绞线的扭绞结构是为了减少相邻导线之间的串扰和消除外界干扰 第50页，共55页，编辑于2022年，星期六Data and Computer CommunicationsData and Computer Communications51http:/噪声的种类n冲激噪声Impulse noiseq不规则脉冲或尖峰q持续时间短q振幅较大q外部电磁波干扰ne.g.雷电，系统本身的故障和缺陷第51页，共55页，编辑于2022年，星期六Data and Computer CommunicationsData and Computer Communications52http:/信道容量n信道上最大数据传输数率n数据率Data rateq比特每秒q数据能够通信的速率n带宽Bandwidthq用赫兹或每秒的周期表示q在发送器和传输媒体的特性限制下的带宽n噪声Noisen误码率Error rateq差错发生率第52页，共55页，编辑于2022年，星期六Data and Computer CommunicationsData and Computer Communications53http:/奈奎斯特公式和香农容量公式nNyquist公式nShannon公式nSNR是信噪比n表达式Eb/E0第53页，共55页，编辑于2022年，星期六54http:/香农公式qq香农定理指出，如果信息源的信息速率香农定理指出，如果信息源的信息速率R R小于或者等于信道容量小于或者等于信道容量C C，那么，在理论上存在一种方法可使信息源的输出能够以任意小的差，那么，在理论上存在一种方法可使信息源的输出能够以任意小的差错概率通过信道传输。错概率通过信道传输。qq该定理还指出：如果该定理还指出：如果RCRC，则没有任何办法传递这样的信息，或者说传，则没有任何办法传递这样的信息，或者说传递这样的二进制信息的差错率为递这样的二进制信息的差错率为1/21/2。qq可以严格地证明；在被高斯白噪声干扰的信道中，传送的最大信息速可以严格地证明；在被高斯白噪声干扰的信道中，传送的最大信息速率率C C由下述公式确定：由下述公式确定：该式通常称为香农公式。该式通常称为香农公式。B B是信道带宽（赫），是信道带宽（赫），S S是信号功率（瓦），是信号功率（瓦），N N是噪声功率（瓦）。是噪声功率（瓦）。qq公式表明，信道带宽限制了比特率的增加，信道容量还取决于系统公式表明，信道带宽限制了比特率的增加，信道容量还取决于系统信噪比以及编码技术种类。信噪比以及编码技术种类。第54页，共55页，编辑于2022年，星期六Data and Computer CommunicationsData and Computer Communications55http:/建议阅读内容n第三章 3nAssignmentsqq3.13(b)3.13(b)qq3.15 qq3.16 3.16 qq3.19 3.19 第55页，共55页，编辑于2022年，星期六