2022年数据通信基础(2)(1).ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,计算机网络教程电子教案,笫三讲,数据通信的基础知识与传输技术,本讲内容,第二章,数据通信基础,2.1,数据通信的基础,理论,2.1.1,通信系统模型,2.1.2,带宽与傅里叶分析,2.1.3,信道的最大数据速率,2.,2,传输技术,2.,2.1,模拟传输与数字传输,2.3.2 数字调制技术,2.3.3 模拟信号的脉码调制,2.1,数据通信的基础,理论,通信系统模型,图,2.1,通信系统的模型,一般点到点的通信系统都可由图加以概括,2.1,数据通信的基础,理论,（续）,通信系统模型,发送端,信源,的作用是把各种可能信息转换成原始电信号,变换器,转换成适合于在信道上传输的信号,信道,是信号的传输媒体及有关的设备如中继器等,通过信道传输到远地的电信号先由接收端的,反变换器,转换复原成原始的信号，再送给接收者,信宿,，而后由信宿将其转换成各种信息,噪声源，是信道中,噪声,(noise),，即对信号的干扰以及分散在通信系统其它各处的噪声的集中表示,2.1,数据通信的基础,理论,（续）,通信系统模型,单工,(simplex),通信,一端只发送，而另一端只接收,图,中给出的是一个单向通信系统的模型,双工,(duplex),通信,此时信源与信宿合为一体，变换器与反变换器也合为一体,分为：,全双工,(full duplex),和,半双工,(half duplex),2.1,数据通信的基础,理论,（续）,通信系统模型,模拟信号,例如电话线（信道）上传送的按照话音强弱幅度连续变化的电波就是一种连续变化的电信号,数字信号,计算机产生的电信号则是电脉冲序列串，每一瞬间的电压取值只可能是离散的有限个，比如说是,+3v,或,0v,两种不同的值,按照信道中传输的是模拟信号还是数字信号，可以相应地把信道分为两类：,模拟信道,数字信道,2.1,数据通信的基础,理论,（续）,通信系统模型,信源,和,信宿,都是计算机或其它数字终端装置，即,ITU,所称的数据终端设备,DTE,。,DTE,产生的是数字信号，接收的也是数字信号,图,2.2,通过模拟信道进行数据通信,2.1,数据通信的基础,理论,带宽与傅里叶分析,若将数字信号不经调制直接放到模拟信道上进行传输，会引起信号的,失真,（,distortion,，又译为,畸变,）,任何实际的模拟信道所能传输的信号的频率都有一定的范围，称之为该信道通频带的宽度或称为,带宽,（,bandwidth,）,信道的带宽是由传输媒体和有关的附加设备与电路的频率特性综合决定的,2.1,数据通信的基础,理论,（续）,带宽与傅里叶分析,一个低通信道，若对于从,0,到某个截止频率,fc,的信号通过时振幅不会衰减或衰减很小，而超过此截止频率的信号通过时就会大大衰减，则此信道的带宽为,fc Hz,。,一个具有有限持续时间的数字信号，可以看作为一个以此有限持续时间,T,为周期的周期阶梯函数,f(t),。此函数可展开成傅里叶（,Fourier,）级数。,2.1,数据通信的基础,理论,（续）,带宽与傅里叶分析,这里，,f=1/T,是基波频率。,是直流分量。,分别是,n,次谐波的正弦和余弦振幅值。,谐波次数越高，则其频率也越高。,2.1,数据通信的基础,理论,（续）,带宽与傅里叶分析,图,2.3,信道带宽和数字信号失真的关系,2.1,数据通信的基础,理论,（续）,带宽与傅里叶分析,图（,a,）左边是八位二进制数位编码,01100010,的数字信号波形，图（,a,）右边是该波形函数按傅里叶级数展开后各次谐波的均方根振幅。,由图可见，信道的带宽越宽，则它传输数字信号时失真越小。反之，若信道的带宽是固定的，则用它来直接传输数字信号的数据速率越高则失真越大,2.1,数据通信的基础,理论,（续）,带宽与傅里叶分析,假若信道的带宽为,3 k Hz,，用它来直接传输数据速率为,9600 b/s,的数字信号时，发送,8,比特的数据所需的时间为，即。其基波频率,f=1/T=1200 Hz,，即,1.2 k Hz,。,3 k Hz,带宽的信道仅能通过,2,次谐波，如图中（,c,）所示，有较大的失真。但是若用来直接传输数据速率为,2400 b/s,的数字信号，此时,T=3.33 ms,f=300 Hz,。,3 k Hz,带宽的信道就能通过,10,次谐波，比图（,e,）所示的情况还要好，即失真较小。,2.1,数据通信的基础,理论,信道的最大数据速率,奈奎斯特公式,和,香农公式,奈奎斯特公式,给出了无热噪声（热噪声是指由于信道中分子热运动引起的噪声，这里假定没有热噪声）时信道带宽对最大数据速率的限制，具体为,2.1,数据通信的基础,理论,（续）,信道的最大数据速率,H,是信道的带宽（以,Hz,为单位），而,L,表示任何给定时刻数字信号可能取的离散值的个数。,C,则是该信道最大的数据速率。例如，若某信道带宽为,4 k Hz,，任何时刻数字信号可取,0,、,1,、,2,和,3,四种电平之一（即,L,4,），则最大数据速率为,2.1,数据通信的基础,理论,（续）,信道的最大数据速率,香农则进一步研究了受噪声（服从高斯分布）干扰的信道的情况，给出了香农公式：,这里，,S,表示,信号功率,，,N,为,噪声功率,，,S/N,则为,信噪比,。由于实际使用的信道，信噪比都要足够大，常用,10log10,（,S/N,）以及,分贝,（,Decibel,，记为,dB,）为单位来计量，在使用上述公式时要特别注意。例如，信噪比为,30 dB,、带宽为,4000 Hz,的信道最大的数据速率为,本讲内容,第二章,数据通信基础,2.1,数据通信的基础,理论,2.1.1,通信系统模型,2.1.2,带宽与傅里叶分析,2.1.3,信道的最大数据速率,2.,2,传输技术,2.,2.1,模拟传输与数字传输,2.3.2 数字调制技术,2.3.3 模拟信号的脉码调制,2.3.4 多路复用,2.3.5 数字信号的编码方法,2.,2,传输技术,模拟传输与数字传输,模拟传输,是一种不考虑其内容的模拟信号传输方式。,在传输过程中，信号由于噪声的干扰和能量的损失总会发生畸变和衰减。,放大器,多级放大器,数字传输,则不一样，关心的是信号的内容,0,和,1,变化模式的数据就可以采用。,方波脉冲式的数字信号会衰减,也会更容易发生畸变,转发器,(repeater),：,再生器,(regenerator),2.,2,传输技术,(,续,),模拟传输与数字传输,在长距离通信中，数字传输技术逐步取代模拟传输技术已是一种必然的趋势。,但是，在如局域网这种近距离的通信中，由于衰减和畸变不太严重，甚至于不必经过放大器中继，模拟传输技术仍有一席之地。,1 数据通信的基础理论（续）信道的最大数据速率,由于在许多场合下，通常信号只能取两种不同的状态（即L2），此时码元速率B和数据速率C数值就相等了。,下图是贝尔公司的108系列调频方式的调制解调器,正弦振荡的载波可用A sin(2nft+)来表示，使其幅度A、频率f或相位随基带信号变化而变化，就可在载波上进行调制了。,1 数据通信的基础理论带宽与傅里叶分析,分为：全双工(full duplex)和半双工(half duplex),6 一种正交调制相位-幅值的星座图,1 数据通信的基础理论信道的最大数据速率,问:按奈奎斯特定理，最大限制的数据速率是多少？按香农定理最大限制的数据速率是多少？,由于相位差0代表没有相位偏移,改进是从前面的几个值预测将要到来的下一个值，然后对实际信号值和预测值间的差进行量化和编码,相移键控PSK(Phase Shift Keying),谐波次数越高，则其频率也越高。,2 传输技术(续)数字调制技术,2 传输技术(续)模拟信号的脉码调制,2.,2,传输技术,数字调制技术,基本概念,通信系统中,基带信号：由信源产生的原始电信号；,调制信号,（实际上是被调制的信号，即基带信号）,调制的过程就是按调制信号（基带信号）的变化规律去改变载波某些参数的过程,调制的方法分两大类,正弦型高频信号作为载波的正弦波调制,模拟（连续）调制：调制信号为连续型的正弦波调制,数字调制,：调制信号为数字型的正弦波调制,用脉冲串作为载波的脉冲调制,2.,2,传输技术,(,续,),数字调制技术,正弦振荡的载波可用,A sin(2nft+),来表示，使其幅度,A,、频率,f,或相位,随基带信号变化而变化，就可在载波上进行调制了。,这三者分别成为,幅度调制,(Amplitude Modulation),、,频率调制,(Frequency Modulation),或,相位调制,(Phase Modulation),，亦可分别简称为,调幅,(AM),、,调频,(FM),或,调相,(PM),。,2.,2,传输技术,(,续,),数字调制技术,调幅例子（图中,(a),）,在幅度调制方式中，两个不同载波信号的幅值分别,代表两个二进制数字,0,和,1,。有时，也用恒定幅度的载波的有或无来代表二进制数字,0,和,1,2.,2,传输技术,(,续,),数字调制技术,频率调制方式中，用两个不同频率的载波分别代表二进制数字,0,和,1,抗干扰能力优于调幅，但频带利用率不高，也只在传输较低速率的数字信号时得到广泛应用,2.,2,传输技术,(,续,),数字调制技术,调频例子（图中,(b),）,2.,2,传输技术,(,续,),数字调制技术,例子,下图是贝尔公司的,108,系列调频方式的调制解调器,在音频,300,3000 Hz,的范围内一分为二。一个方向的已调信号的频率范围在,300,1700 Hz,，另一个方向的已调信号的频率范围在,1700,3000 Hz,之间,图中每对频率周围的阴影区表示每个方向已调信号的实际带宽。阴影部分重叠极少，也就意味着相互干扰很小,2.,2,传输技术,(,续,),数字调制技术,相位调制方式中，可以用不同相位的载波，比如说用相位为,0,和,的载波分别表示二进制数字,0,和,1,，即下图公式，更多的是用载波的相位变化来表示二进制数字,0,和,1,。,2.,2,传输技术,(,续,),数字调制技术,调相例子（图中,(c),）,当两个间隔载波信号的相位差为,时，表示前后相邻两位的数字不同,(01,或,10),，而两个间隔的载波信号的相位差为,0,时，则表示前后相邻两位的数字相同（,00,或,11,）。由于相位差,0,代表没有相位偏移,2.,2,传输技术,(,续,),数字调制技术,以上所介绍的各种调制方式可适当地组合使用。最常用的有调相与调幅的结合，正交调制,QAM(Quadrature Amplitude Modulation),就是调相和调幅组合（如图,）,图,2.6,一种正交调制相位,-,幅值的星座图,2.,2,传输技术,(,续,),数字调制技术,下面是数字电路开关来实现,FSK,调制的原理图,2.,2,传输技术,模拟信号的,脉码调制,在发送端将模拟信号变换为数字信号的装置称为,编码器,（,Coder,），而在接收端将收到的数字信号复原成模拟信号的装置则称为,解码器,(Decoder),。通常进行的是双向通信，使用既能编码又能解码的装置，即,编码解码器,（,Codec,）。,将模拟信号变换为数字信号的常用方法是脉码调制,PCM(Pulse Code Modulation),。脉码调制的过程由取样、量化和编码三步构成。,2.,2,传输技术,(,续,),模拟信号的,脉码调制,图,2.8,模拟信号的数字传输,2.,2,传输技术,(,续,),模拟信号的,脉码调制,脉码调制,取样,按照一定的时间间隔采样测量模拟信号幅值,奈奎斯特定理可以证明，若模拟信号的带宽是,H Hz,，则,2H,的取样频率就足以捕获可恢复原有模拟信号的信息。,量化,将取样点处测得的信号幅值分级取整的过程,量化就是将模拟信号的最大可能幅值等分为若干级（通常为,2n,级），而后测量得到的幅值按此分级舍入取整，得到一个正整数。,编码,将量化后的整数值用二进制数来表示,2.,2,传输技术,(,续,),模拟信号的,脉码调制,图,2.9,脉码调制,脉码调制例子,该图中的例子是一个,4 kHz,的音频,模拟信号，故,125 s,取样一次。,量化时是按最大幅值等分为,16,级来,进行的，并采取了四舍五入的方法，故其量化误差小于等于最大幅值的,1/32,。量化后获得的整数要用,4,位二进制来编码，故该段信号最后得到的脉码为,2.,2,传输技术,(,续,),模拟信号的,脉码调制,差分脉码调制,DPCM(Differential Pulse Code Modulation),增量调制,（,Delta Modulation,）,预测性编码,（,Predictive Encoding,）,一般说来，越是复杂的编码方法实现起来也就更困难，编码解码器的价格也就更贵,2.,2,传输技术,(,续,),模拟信号的,脉码调制,差分脉码调制,DPCM(Differential Pulse Code Modulation),输出不是数字化的幅度本身，而是当前值和前一个值之差,这种压缩方法的一种变形只考虑每个取样值是大于或是小于前一个值,2.,2,传输技术,(,续,),模拟信号的,脉码调制,预测性编码,（,Predictive Encoding,）,改进是从前面的几个值预测将要到来的下一个值，然后对实际信号值和预测值间的差进行量化和编码,发送器和接收器必须使用同样的预测算法,它缩短了编码数字的长度，因而减少了需要发送的比特数,练习题,2.6 对于带宽为4,k Hz,的信道，若有8种不同的物理状态来表示数据，信噪比为30,dB。,问:按奈奎斯特定理，最大限制的数据速率是多少？按香农定理最大限制的数据速率是多少？,2.9 若要在一条50,k HzM bps,的,T1,载波，信噪比至少要多大？,调制解调器和编码解码器的功能有何异同点？能否用调制解调器的解调部分来代替编码解码器的编码部分？,5,一个4,k Hz,的模拟信号若采用4比特编码的,DPCM,方式进行数字传输，需要多大的数,据速率？若改采用增量调制的方法，需要多大的数据速率？,