数据通信的理论基础课件.ppt
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1、数据通信的理论基础n傅立叶分析n周期为T的函数g(t)可展开成多个或无限个正弦和余弦函数的和。带宽:传输过程中振幅不会明显减弱(通常保留一半能量处)的频率范围。n带宽对于信号传输影响P74数据传输系统数据传输系统传输系统输入信息输入数据发送的信号接收的信号输出数据源点终点发送器接收器调制解调器PC 机公用电话网调制解调器数字比特流数字比特流模拟信号模拟信号 正文正文数据通信系统源系统目的系统传输系统输出信息PC 机几个术语n数据(data)运送信息的实体。n信号(signal)数据的电气的或电磁的表现。 n“模拟的”(analogous)连续变化的。n“数字的”(digital)取值是离散数值
2、。n调制把数字信号转换为模拟信号的过程。n解调把模拟信号转换为数字信号的过程。 模拟的和数字的数据、信号 模拟数据模拟信号放大器调制器模拟数据数字信号 PCM编码器数字数据模拟信号调制器数字数据数字信号 数字发送器数据传输系统数据传输系统n单向通信(单工通信)只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。n双向交替通信(半双工通信)通信的双方都可以发送信息,但不能双方同时发送(当然也就不能同时接收)。n双向同时通信(全双工通信)通信的双方可以同时发送和接收信息。 基带(baseband)信号和宽带(broadband)信号 n基带信号就是将数字信号 1 或 0 直接用两种不同的电压来表示,然后送到线
3、路上去传输。 n宽带信号则是将基带信号进行调制后形成的频分复用模拟信号。 2.2.3 信道的最高码元传输速率 n任何实际的信道都不是理想的,在传输信号时会产生各种失真以及带来多种干扰。 n码元传输的速率越高,或信号传输的距离越远,在信道的输出端的波形的失真就越严重。 数字信号通过实际的信道 n失真不严重n失真严重 实际的信道(带宽受限、有噪声、干扰和失真)输入信号波形输出信号波形(失真不严重)输入信号波形实际的信道(带宽受限、有噪声、干扰和失真)输出信号波形(失真严重)数据传输系统数据传输系统1、数字信号模拟传输(1)信号调制A、幅移键控法 ASKB、频移键控法 FSKC、相移键控法 PSKA
4、sin(t+)数据传输系统数据传输系统1、数字信号模拟传输010011100基带信号调幅调频调相数据传输系统数据传输系统1、数字信号模拟传输(2)调制解调器原理调制解调器 n数据经过模拟传输系统后可能会出现差错。 出现差错010010 0100还原后的数据t接收到的失真信号010011100t发送的基带信号t采样时刻调制解调器的作用n调制解调器(modem)包括:n调制器(MOdulator):把要发送的数字信号转换为频率范围在 3003400 Hz 之间的模拟信号,以便在电话用户线上传送。n解调器(DEModulator):把电话用户线上传送来的模拟信号转换为数字信号。n本书中的调制解调器是
5、指使用在标准的二线模拟话路(3.1 kHz 的标准话路带宽)上的调制解调器。 调制解调器的作用(续)n调制器的主要作用就是个波形变换器,它把基带数字信号的波形变换成适合于模拟信道传输的波形 n解调器的作用就是个波形识别器,它将经过调制器变换过的模拟信号恢复成原来的数字信号。n若识别不正确,则产生误码。n在调制解调器中还要有差错检测和纠正的设施。 数据传输系统数据传输系统1、数字信号模拟传输nQPSK:正交相移键控,即每个码元采用四种相移实现传输。nQAM-16:正交振幅调制。即每个码元采用4种振幅、4种相移nQAM-64:振幅与相位有64种组合。n星座图:每个Modem都有自己的星座模型。P1
6、07nTCM:格子架编码调制。每个采样中增加一位,用于查错和纠错。数据传输系统数据传输系统n1、数字信号模拟传输nV.32bis:2400Baud上,每个采样传输6个数据位和1个奇偶位,得14400bps。即QAM-128nV.34: 2400Baud上,每个采样传输12个数据位,得传输率28.8kbps。nV.34bis: 2400Baud上,每个采样传输14个数据位,得33.6kbps。(香农限制35kbps)数据传输系统数据传输系统n1、数字信号模拟传输n全双工(full duplex):允许两个方向上同时进行数据传输。n半双工(half duplex):允许两个方向上进行数据传输,但某
7、一时刻只能单向数据传输。n单工(simplex):只允许一个方向数据通过。nV.90:提供了33.6k上行,56kbps下行。 A2/4A/DA/DD/AD/A数字信号数字信号交换机 1交换机 2V.34 33.6 kb/s 调制解调器BD/AA/D4/2V.34 33.6 kb/s 调制解调器产生量化噪声产生量化噪声使用 V.34 调制解调器(33.6 kb/s) 产生量化噪声产生量化噪声用户环路模拟信号用户环路模拟信号使用 V.90 调制解调器(56 kb/s) A2/4A/DA/D交换机因特网服务提供者V.90 56 kb/s调制解调器D/AV.90 56 kb/s调制解调器数字信号数字
8、信号 至因特网(数字信号)用户环路模拟信号仅在此处产生量化噪声仅在此处产生量化噪声数据传输系统数据传输系统2、数字信号数字传输(1)数字信号编码A、不归零制编码B、曼彻斯特编码C、微分曼彻斯特编码数据传输系统数据传输系统2、数字信号数字传输nNRZ编码原理:直接用高低电平来表示数字0或1。n曼彻斯特编码原理:每位中间都有一次跳变既用于时钟同步,跳变又方向表示数据,电平翻转仅在每位起始位置出现。下跳变0,上跳变1n微分曼彻斯特编码原理:每位中间的跳变仅用于时钟同步,每位起始时有无跳变来表示数据。有为0,无为1数据传输系统数据传输系统2、数字信号数字传输1 1 0 0 1 01 1 0 0 1 0
9、0 0 1 1 0 1数据传输系统数据传输系统1、数字信号数字传输(2)同步方法A、异步方式:由起始位、数据位、校 验位和停止位构成。每次传输一个字节。数据传输系统数据传输系统2、数字信号数字传输(2)同步方法B、同步方式:每次传输一个数据块。通常采用曼彻斯特编码。数据传输系统数据传输系统3、模拟信号数字传输脉冲编码调制PCM包括采样、量化和编码三个阶段数据传输系统数据传输系统3、模拟信号数字传输信道的主要技术指标1、数据率:指每秒传输多少个二进制代码位数,又称比特率。单位bps或b/s。2、波特率:又称码元速率,它是数字信号经过调制后的传输速率,指每秒钟传输的码元数。单位是波特(Baud)。
10、 SB*log2N3、信道容量:是指信道能够传送的最大数据率。信道的主要技术指标n4、信道最大数据传输率n尼奎斯特(Henrry Nyquiest)定理(无噪声)n最大数据传输率=2 H log2V (位/秒)n其中H:带宽。V:信号的离散级数n香农(Claude Shannon)公式(考虑热噪声)n最大数据传输率=H log2(1+S/N)n其中H:带宽。S/N:信噪比,即信号功率与噪声功能比值。n常用单位分贝dB的计算公式:10 lg S/N信道的主要技术指标5、吞吐量:为信道 在单位时间内成功传输的总信息量。6、误码率:也称为出错率,是指二进制位在传输中被传错的概率。其值为传输的总位数除
11、以传错的位数。7、信道的传播速率:指信号在单位时间内传送的距离。如电信在电缆中的传播速率约为光速的77%。时分复用 n为了有效地利用传输线路,可将多个话路的PCM 信号用时分复用 TDM (Time Division Multiplexing)的方法装成时分复用帧,然后发送到线路上。n中国采用欧洲体制,以 E1 为一次群。n美国和日本等国采用北美体制,以 T1 为一次群。n频分复用、时分复用和统计时分复用 n频分复用:所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源。n时分复用:所有用户在不同的时间占用同样的频带宽度。 频分复用 频率时间频率 1频率 2频率 3频率 4频率 5频分复用n长途干线最初采用
12、频分复用 FDM 的传输方式nFDM (Frequency Division Multiplexing)n目前我国长途通信线路已实现了数字化,因而现在的模拟通信电路就只剩下从用户电话机到市话交换机之间的这一段几公里长的用户线上。 时分复用 频率时间B C DB C DB C DB C DAAAA在 TDM 帧中的位置不变TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧时分复用 频率时间C DC DC DAAAABBBB C D在 TDM 帧中的位置不变TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧时分复用 频率时间BDBDBDAAAA BCCCC D在 TDM 帧中的位置不变TDM 帧T
13、DM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧时分复用 频率时间B CB CB CAAAA B CDDDD在 TDM 帧中的位置不变TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧E1 的时分复用帧 2.048 Mb/s传输线路CH0CH16CH17CH15CH15CH16CH17CH31CH31CH0CH1CH1时分复用帧T CH0 CH1 CH2 CH15 CH16 CH17 CH30 CH31 CH08 bitt时分复用帧时分复用帧T = 125 us15 个话路15 个话路时分复用可能会造成线路资源的浪费 ABCDaabbcdb cattttt4 个时分复用帧#1acbcd时分复用#2#3#
14、4用户统计时分复用 STDM 用户ABCDabcdttttt3 个 STDM 帧#1acbab bcacd#2#3统计时分复用 1550 nm 0 1551 nm 1 1552 nm 2 1553 nm 3 1554 nm 4 1555 nm 5 1556 nm 6 1557 nm 70 1550 nm 1 1551 nm 2 1552 nm 3 1553 nm 4 1554 nm 5 1555 nm 6 1556 nm 7 1557 nm 波分复用 WDM n波分复用就是光的频分复用。 8 2.5 Gb/s1310 nm20 Gb/s复用器分用器EDFA120 km码分复用 CDMA n常用
15、的名词是码分多址 CDMA (Code Division Multiple Access)。n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。n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。 n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) n每个站被指派一个惟一的 m bit 码片序列。n如发送比特 1,则发送自己的 m bit 码片序列。n如发送比特 0,则发送该码片序列的二进制反码。 n例如,S 站的 8 bit 码片序列是 00011011。n发送比特 1 时,就发送序列 00011011,n发送
16、比特 0 时,就发送序列 11100100。nS 站的码片序列:(1 1 1 +1 +1 1 +1 +1) CDMA 的重要特点n每个站分配的码片序列不仅必须各不相同,并且还必须互相正交(orthogonal)。n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 n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。 n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: 011miiiTSmTS(2-4)码片序列的正交关系举例 n令向量 S 为(1 1 1 +1 +1 1 +1 +1),向量 T 为(1 1 +1 1 +1
17、 +1 +1 1)。 n把向量 S 和 T 的各分量值代入(2-4)式就可看出这两个码片序列是正交的。 n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 。n一个码片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 mimiimiiimSmSSm112211) 1(111SSCDMA 的工作原理 S 站的码片序列 S110ttttttm 个码片tS 站发送的信号 SxT 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传输媒体(传输介质)传输媒体(传输介质)0、磁介质1、双绞线twisted pair(UT
18、P、STP)2、同轴电缆(细缆、粗缆、宽带同 轴电缆)3、光缆(单模、多模)4、无线传输(微波、红外线、激光)传输媒体(传输介质)传输媒体(传输介质)1、双绞线(1)无屏蔽双绞线(Unshielded Twisted Pair,UTP) 粗约1mm的互相绝缘的一对铜线扭在一起,双绞的结构是为了减少相邻导线的电磁于扰。 分为三类、四类、五类线,五类线利用增加缠绕密度、高质量绝缘材料改善了传输媒体的性质。 五类线在 100m内可传送达100Mbps以上的速度。各种电缆铜线铜线聚氯乙烯 套层聚氯乙烯套层屏蔽层绝缘层绝缘层外导体屏蔽层绝缘层绝缘保护套层内导体无屏蔽双绞线 UTP屏蔽双绞线 STP同轴电
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