第三章数据通信的基本原理Word文件下载.docx
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3.1.2有限带宽信号(BandwidthLimitedSignals)
对于二进制编码01100010,其输出电压波形为:
g(t)=
其傅立叶分析的系数为:
an=[cos(n/4)-cos(3n/4)+cos(6n/4)-cos(7n/4)]
bn=[sin(3n/4)-sin(n/4)+sin(7n/4)-sin(6n/4)]
c=3/8
Fig.2-1
信号在信道上传输时的特性:
对不同傅立叶分量的衰减不同,因此引起输出失真;
信道有截止频率fc,0~fc的振幅不衰减,fc以上的振幅衰减厉害,这主要由信道的物理特性决定,0~fc称为信道的有效带宽;
实际使用时,可以接入滤波器,限制用户的带宽;
通过信道的谐波次数越多,信号越逼真。
波特率(baud)和比特率(bit)的关系:
波特率:
信号每秒钟变化的次数,也称调制速率。
比特率:
每秒钟传送的二进制位数。
波特率与比特率的关系取决于信号值与比特位的关系。
例:
每个信号值可表示3位,则比特率是波特率的3倍;
每个信号值可表示1位,则比特率和波特率相同。
对于比特率为Bbps的信道,发送8位所需的时间为8/B秒,若
8位为一个周期T,则一次谐波的频率是:
f1=B/8Hz
能通过信道的最高次谐波数目为:
N=fc/f1
音频线路的截止频率为3000Hz
N=fc/f1=3000/(B/8)=24000/B
Fig.2-2
结论:
即使对于完善的信道,有限的带宽限制了数据的传输速率。
1924年,奈魁斯特(H.Nyquist)推导出无噪声有限带宽信道的最大数据传输率公式:
最大数据传输率=2Hlog2V(bps)
任意信号通过一个带宽为H的低通滤波器,则每秒采样2H次就能完整地重现该信号,信号电平分为V级。
1948年,香农(C.Shannon)把奈魁斯特的工作扩大到信道受到随机(热)噪声干扰的情况。
热噪声出现的大小用信噪比(信号功率与噪声功率之比)来衡量。
S:
信号功率,N:
噪声功率
10log10S/N单位:
分贝(db)
香农的主要结论是:
带宽为H赫兹,信噪比为S/N的任意信道的最大数据传输率为
最大数据传输率=Hlog2(1+S/N)(bps)
电话系统的典型信噪比为30db;
此式是利用信息论得出的,具有普遍意义;
与信号电平级数、采样速度无关;
此式仅是上限,难以达到。
3.1
数据通信技术
数据在通信信道上的各种传输方式及其所采用的技术。
基本结构
计算机
信号变器
信道
差错控制
数据:
传递某种含义的实体。
信号发送:
沿着某种介质传播信号的技术。
数据传输:
通过传输和处理信号而进行的数据通信。
数据表示和传输方式
数据表示
模拟数据(AnalogData)连续值
数字数据(DigitalData)离散值
数据传输方式
信号:
模拟信号(AnalogSignals)
数字信号(DigitalSignals)
信号发送方式:
模拟信号发送(模拟信道)
数字信号发送(数字信道)
模拟信号发送:
电话系统
模拟数据(声音)模拟信号
调制解调器
MODEM
数字数据(二进制脉冲)模拟信号
数字信号发送:
编码解码器
CODEC
模拟数据数字信号
数字
数字数据(二进制脉冲)数字信号
数字信号发送的优点是:
价格便宜,对噪声不敏感;
缺点是:
易受衰减,频率越高,衰减越厉害。
研究数据在信号传输过程中如何进行编码(变换)
数字数据的数字传输(基带传输)
基带:
基本频带,指传输变换前所占用的频带,是原始信号所固有的频带。
基带传输:
在传输时直接使用基带信号。
基带传输是一种最简单最基本的传输方式,一般用低电平表示“0”,高电平表示“1”。
适用范围:
低速和高速的各种情况。
限制:
因基带信号所带的频率成分很宽,所以对传输线有一定的要求。
常用的几种编码方式:
1)不归零制码(NRZ:
Non-ReturntoZero)
原理:
用两种不同的电平分别表示二进制信息“0”和“1”,低电平表示“0”,高电平表示“1”。
缺点:
a难以分辨一位的结束和另一位的开始;
b发送方和接收方必须有时钟同步;
c若信号中“0”或“1”连续出现,信号直流分量将累加。
结论:
容易产生传播错误。
2)曼彻斯特码(Manchester),也称相位编码
每一位中间都有一个跳变,从低跳到高表示“0”,从高跳到低表示“1”。
优点:
克服了NRZ码的不足。
每位中间的跳变即可作为数据,又可作为时钟,能够自同步。
3)差分曼彻斯特码(DifferentialManchester)
每一位中间都有一个跳变,每位开始时有跳变表示“0”,无跳变表示“1”。
位中间跳变表示时钟,位前跳变表示数据。
时钟、数据分离,便于提取。
4)逢“1”变化的NRZ码
在每位开始时,逢“1”电平跳变,逢“0”电平不跳变。
5)逢“0”变化的NRZ码
在每位开始时,逢“0”电平跳变,逢“1”电平不跳变。
逢“0”变化NRZ
逢“1”变化NRZ
差分曼彻斯特
曼彻斯特
NRZ
数字数据的模拟传输(频带传输)
频带传输:
指在一定频率范围内的线路上,进行载波传输。
用基带信号对载波进行调制,使其变为适合于线路传送的信号。
调制(Modulation):
用基带脉冲对载波信号的某些参量进行控制,使这些参量随基带脉冲变化。
解调(Demodulation):
调制的反变换。
调制解调器MODEM(modulation-demodulation)Figure
根据载波Asin(t+)的三个特性:
幅度、频率、相位,产生常用的三种调制技术:
幅移键控法Amplitude-shiftkeying(ASK)
频移键控法Frequency-shiftkeying(FSK)
相移键控法Phase-shiftkeying(PSK)
Caption:
ModemshowingRS-232connectorforserialconnectiontocomputerandRJ-11jackforconnectiontophoneline.
Computersystemwithmodems,showingserialcabletomodemandcabletophonejack.
AnAscendPipelineISDNmodem.
TwoexamplesofPCMCIAfax/modem/Ethernetadapters.
Modemsinacomputercenterfordial-upmodemaccesstotheorganizationnetwork.
1)幅移键控法(调幅)
幅移就是把频率、相位作为常量,而把振幅作为变量,即:
A(t)取不同的值表示不同的信息码。
例如:
A(t)取A1,A2,A1表示“0”,A2表示“1”。
Fig.2-18
2)频移键控法(调频)
频移就是把振幅、相位作为常量,而把频率作为变量,即:
(t)取不同的值表示不同的信息码。
(t)取1,2,1表示“0”,2表示“1”。
3)相移键控法(调相)
相移就是把振幅、频率作为常量,而把相位作为变量,即:
(t)取1,2,1表示“0”,2表示“1”。
模拟数据数字传输
解决模拟信号数字化问题,也称为脉冲代码调制PCM(PulseCodeModulation)。
根据Nyquist原理进行采样。
1)常用的PCM技术
将模拟信号振幅分成多级(2n),每一级用n位表示。
例如:
贝尔系统的T1载波将模拟信号分成128级,每次采样用7位二进制数表示。
2)差分脉冲代码调制
不是将振幅值数字化,而是根据前后两个采样值的差进行编码,输出二进制数字。
3)调制
根据每个采样值与前一个值之间差“+1”或“-1”来决定输出二进制“1”或“0”。
编码速度跟不上变化太快的信号。
由于一条传输线路的能力远远超过传输一个用户信号所需的能力,为了提高线路利用率,经常让多个信号同时共用一条物理线路。
常用的有三种方法:
时分复用TDM(TimeDivisionMultiplexing)
主要用于数字数据传输
T1载波,分成24个信道
Fig.2-26
频分复用FDM(FrequencyDivisionMultiplexing)
Fig.2-24
波分复用WDM(WavelengthDivisionMultiplexing)
Fig.2-25
连接方式
为适应不同的需要,通信线路采用不同的连接方式。
点—点方式
A
B
多点方式
D
C
通信方式
从信息传送方向和时间的关系角度研究。
单工通信方式
信息只能单向传输,监视信号可回送。
半双工通信方式
信息可以双向传输,但在某一时刻只能单向传输。
全双工通信方式
信息可以同时双向传输,一般采用四线式结构。
同步方式
目的:
接收方必须知道每一位信号的开始及其宽度,以便正确的采样接收。
以字符传输(字符为基本传输单位)为例,在基于字符的信息传送中,可以采用异步方式,也可以采用同步方式。
1)异步方式
信息是以字符为单位传送的;
每个字符由发送方异步产生,有随机性;
字符一般采用5,6,7或8位二进制编码;
需要辅助位,每个字符可能需要用10位或11位才能传送,例如:
起始位,1位;
字符编码,7位;
奇偶校验位,1位;
终止位,1~2位。
特点:
传输效率低;
主要用于字符终端与计算机之间的通信。
2)同步方式
信息是以报文为单位传送的;
传输开始时,以同步字符使收发双方同步;
从传输信息中抽取同步信息,修正同步,保证正确采样。
可以不间断地传输信息,传输效率较高;
字符间减少了辅助信息;
传输的信息中不能有同步字符出现,透明性较差。
3)基于位的传送中,采用同步方式。
信息以二进制位流为单位传送;
传输过程中收发双方以位为单位同步;
传输的开始和结束由特定的八位二进制位同步。
传输效率高;
通明性好。
3.3通信交换方式
在多结点通信网络中,为有效利用通信设备和线路,一般希望动态地设定通信双方间的线路。
动态地接通或断开通信线路,称为“交换”
交换方式分类:
电路交换
报文交换存储转发方式
分组交换(包交换)存储转发方式
混合交换
3.3.1电路交换(circuitswitching)
直接利用可切换的物理通信线路,连接通信双方。
Fig.2-34Fig.2-35
在发送数据前,必须建立起点到点的物理通路;
建立物理通路时间较长,数据传送延迟较短;
3.3.2报文交换(messageswitching)
信息以报文(逻辑上完整的信息段)为单位进行存储转发。
Fig.2-35
1线路利用率高;
2要求中间结点(网络通信设备)缓冲大;
3延迟时间长。
3.3.3分组交换(packetswitching)
信息以分组为单位进行存储转发。
源结点把报文分为分组,在中间结点存储转发,目的结点把分组合成报文。
分组:
比报文还小的信息段,可定长,也可变长。
1延迟短,线路利用率高;
2结点存储器利用率高;
3易于重传,可靠性高;
4易于开始新的传输,让紧急信息优先通过;
5额外信息增加。
分组交换分为:
数据报(datagram)和虚电路(virtualcircuit)
数据报:
每个分组均带有全称网络地址(源、目的),可走不同的路径。
虚电路:
分三个阶段
建立:
发带有全称网络地址的呼叫分组,建立虚电路;
传输:
沿建立好的虚电路传输数据;
拆除:
拆除虚电路。
Fig.2-43
电路交换与分组交换的比较
Fig.2-36
电路交换适用于实时信息和模拟信号传送,在线路带宽比较低的情况下使用比较经济;
报文交换适用于线路带宽比较高的情况,可靠灵活,但延迟大;
分组交换缩短了延迟,也能满足一般的实时信息传送。
在高带宽的通信中更为经济、合理、可靠。
是目前公认较(最)好的一种交换技术。
3.3.3交换结构(switchfabric)
crossbar交换Fig.2-38
空分交换Fig.2-39
时分交换Fig.2-40