第3章数据通信技术.

第三章数据通信技术主要内容数据通信的理论基础传输介质数据编码信道复用技术数据交换技术物理层规程3.1数据通信的理论基础主要内容：信号在通信信道上传输时的数学表示及其所受到的限制。一、傅立叶分析1.传输介质上是利用电压或电流这些物理量的变化来传送二进制位流。并将电压或电流表示成为时间的单值函数f(t)。这样就可以用数学的方法来描述信号的变化，并对其进行数学分析。2.19世纪中叶，法国数学家傅立叶证明，任何正常的周期为T的函数g(t)，都可以由无限个正弦和余弦函数组成（不同频段的谐波）。傅立叶分析（1）任何一个周期为T的有理周期性函数g(t)可分解为若干项（可能无限多项）正弦和余弦函数之和：其中：f=1/T基本频率即一次谐波频率an,bnn次谐波项的正弦和余弦振幅值11)2cos()2sin(21)(nnnnnftbnftactg傅立叶分析（2）已知g(t)，求c,an,bn1)将等式两边从０到Ｔ积分可得c2)用sin(2kft)乘等式两边，并从０到Ｔ积分，可得an3)用cos(2kft)乘等式两边，并从０到Ｔ积分，可得bnTndtnfttgTa0)2sin()(2TdttgT0)(2cTndtnfttgTb0)2cos()(2二、信号的信道传输特性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的衰减度小，fc以上的衰减度大，这主要由信道的物理特性决定，0~fc称为信道的有效带宽；通过信道的谐波次数越多，信号越逼真。3.2数据通信系统模型主要内容：数据在通信信道上的各种传输方式及其所采用的技术。一、数据通信系统的基本结构数据传输计算机信号变换器计算机信号变换器信道差错控制二、数据表示和传输方式数据表示数据：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）通信系统的任务：把携带信息的数据用物理信号形式通过介质（信道）传送到目的地。信息和数据（0、1比特）不能直接在介质上传输。信息→数据→信号→在介质上传输→信号→数据→信息模拟信号和数字信号的发送模拟信号发送：模拟数据（声音）模拟信号数字数据（二进制脉冲）模拟信号数字信号发送：模拟数据数字信号数字数据（二进制脉冲）数字信号数字信号发送的优点：价格便宜，抗噪声（干扰）能力强；缺点：易受衰减，频率越高，衰减越厉害。电话系统调制解调器MODEM编码解码器CODEC数字编码解码器基带传输和频带传输无论是模拟信号还是数字信号，传输方式有两大类：基带传输和频带传输；将基带信号直接送到通信线路上的传输方式称为基带传输；由模拟信号源变换得到的信号成为模拟基带信号，由计算机产生的二进制信号称为数字基带信号。将基带信号经过调制后送到通信线路上的传输方式称为频带传输；频带传输更适宜传输更远的距离；三、数字数据的数字传输（基带传输）主要内容：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：因基带信号所占的频率成分很宽，所以对传输线有一定的要求。核心内容：编码方式四、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)五、数据同步方式所谓同步，是指接收端严格地按照发送端所发送的每个码元的重复频率以及起止时间来接收数据，也就是要在时间基准上必须取得一致。根据同步所面向的对象可分为位同步、字符同步和帧同步。1、位同步t101100发送站同步信号数据接收的同步信号锁定后的同步信号接收站接收站收到的数据数据(a)外同步(b)自同步图3-7位同步机制2、字符同步字符同步有异步制和同步制两种方式。逻辑0逻辑1一个字符时间起始位8个数据位2个停止位字符间时间0到任意长下一字符的起始位图3-9异步制字符同步字符n字符间隔时间=0字符n+1图3-10同步制字符同步3、帧同步两工作站进行信息传送时，在字符正确同步的基础上，还必须将线路上的字符流（实际上字节流）划分成一定大小的数据段，如HDLC规程的帧。HDLC帧标志为7FH（01111110），当检测出该帧标志时，认为帧开始或结束。帧同步除使用帧同步信号外，还可在帧间加入定位码，这些定位码有着特定的码型，以便能够与正常的信号编码相区别。六、通信线路的通信方式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多点方式ABABCD七、通信方式从信息传送方向和时间的关系角度研究。单工通信方式特点：信息只能单向传输，监视信号可回送。半双工通信方式特点：信息可以双向传输，但在某一时刻只能单向传输。全双工通信方式特点：信息可以同时双向传输，一般采用四线式结构。图3-6单工、半双工和全双工通信开关发送器发送器接收器数据信道监视信号数据监视信号信道发送器接收器(a)单工通信(b)半双工通信发送器接收器监视信号发送器接收器监视信号(c)全双工通信接收器开关数据信道数据信道3.3传输介质一、传输介质的分类有线介质如：同轴电缆、双绞线、光纤等。特点：需布线，抗干扰性好无线介质通过大气进行各种形式的传播，如：微波、红外线、卫星等。特点：无需布线，抗干扰性差二、有线介质1、双绞线由按螺旋结构排列的两根绝缘线构成。线为铜线或铜包钢。双绞线主要是用来传输模拟声音信息的，但同样适用于数字信号的传输，特别适用于较短距离的信息传输。具体带宽取决于铜线的粗细、传输的距离和采用的技术。双绞线可分为：STP屏蔽双绞线和UTP无屏蔽双绞线。多采用点到点的连接方式。抗干扰性取决于适当的屏蔽和线对的扭曲程度，在低频传输时接近于同轴电缆，高频传输时劣于其他有线介质。价格在有线介质中最低。传输距离取决于具体采用的技术，如在模拟传输时很容易到达15km或更大的距离，对100BaseT点到点最大距离为100m。内导体芯线绝缘箔屏蔽铜屏蔽外套STP：以铝箔屏蔽以减少干扰和串音UTP：3类、5类、6类（16M、155M、200M）双绞线外没有任何附加屏蔽水晶头剥线钳网线模块2、同轴电缆同轴电缆在20世纪80年代初的局域网中使用最为广泛，其结构是一个空心外部导体围裹着一个内部导体。同轴电缆按阻抗可分为：75同轴电缆：即CATV电缆。宽带宽（300~400MHz），适于传输模拟信号，传输距离可达几十公里。50同轴电缆：仅用户传输数字信号，传输距离可达几公里，又可分为：细缆（10Base2,1.02mm）和粗缆(10Base5,2.54mm）。一般采用多点连接方式。抗干扰性和价格介于双绞线和光纤之间。3、光纤由三个同心部分组成：纤芯、包层和护套。光纤可由塑料、玻璃或超高纯石英玻璃组成，不同的材料构成的光线的损耗、传输距离和价格也不同。光纤通过光信号的有无来表示二进制信号0和1。在发送方需要电光转换设备，在接收方有光电转换设备。布线中直接使用的是光缆，一根光缆由多根光纤组成采用数字传输技术组网方式点到点：四根线（两根用于保护倒换）环：两根线（一根用于保护倒换）不受电磁干扰。价格昂贵。包括：光纤本身、相关设备、安装和维护费用等。目前，在试验室中光纤带宽超过50Tbps；82.5Gbps，810Gbps，3210Gbps的光纤传输已经实用；光纤分类：单模光纤和多模光纤模式（mode）：是一个与很多参数有关的量，可以简单地理解为偏振方向，单模光纤可以传输多种波长，但每个波长只能有一种模式。常用的三个波长窗口（光纤波段）850m：衰减（attenuation)大，传输速率和距离受限制，但价格便宜；1310nm：衰减小，无色散（dispersion）补偿、功率放大情况下，最大传40km（最坏情况）；1550nm：衰减小，无色散补偿、功率放大情况下，最大传80km（最坏情况）光纤传送模式MMF、SMF多模MMF输入电信号输出电信号单模SMF波长:1300,1550nm波长:850,1300nmh2h1芯/封套特性h1h2光纤的直径减小到一个光波波长多束光线以不同的反射角传播单束光线沿直线传播三、无线介质描述以下无线通信的基本原理：电磁频谱无线电传输微波传输红外线和毫米波光波传输卫星通信●无线电无线电固定终端点（基站）和终端之间是无线链路BS基站用户计算机和终端BS基站覆盖的无线电区域基站覆盖的无线电区域FF22FF33FF11FF22FF33FF11FF22FF33FF11FF22FF22FF33FF11F1,F2,F3=使用的频率●地球同步卫星地球同步卫星与地面站相对固定位置使用3个卫星覆盖全球传输延迟时间长22,30022,300公里公里地球地球传输介质的选择费用：材料,安装及维护的费用；速度信号衰减电磁干扰安全性3.4数据通信性能指标一、时延与时延带宽积计算机网络中，时延（delay）指一个数据块（帧、分组、报文段等）从链路或网络的一端传送到另一端所需要的时间。时延由以下3个部分组成：发送时延（transmissiondelay）传播时延（propagationdelay）转发时延（relaydelay）3.4数据通信性能指标（2）时延带宽积即传播时延和带宽的乘积：时延带宽积＝传播时延×带宽时延带宽积又称为比特长度，即以比特为单位的链路长度。二、误码率与误比特率误码率Pc是指传输的码元被传错的概率，当传输的码元总数很大时，Pc可以近似定义为：Pc＝传错的码元数⁄传输的码元总数3.4数据通信性能指标（3）误比特率又称为比特误码率（BER-biterrorrate），是指传输的比特被传错的概率，当传输的总比特数很大时，Pb误比特率可以近似为：Pb＝传错的比特数⁄传输的比特总数计算机网络的速率一般用信息传输速率即比特率，而传输差错也一般使用比特误码率，有时简称为误码率。三、信息传输速率与码元传输速率信息传输速率是指每秒传输的编码前的数字数据的二进制比特数，单位是比特/秒，即b/s（bit/second）。信息传输速率又称为比特率。计算机网络中，和信息传输速率具有同样含义的另一个术语称为带宽(bandwidth)。数字数据经线路编码后的传输信号在信道上的传输速率称为码元传输速率，它是指每秒传输的码元数，即每秒钟传输信号变化的次数，单位是波特（baud）。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。一个信号往往可以携带多个二进制位，所以在固定的信息传输速率下，比特率往往大于波特率。换句话说，一个码元中可以传送多个比特（bit）。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。Rb=RBlog2V(V为电平的级数)编码效率=Rb/RB四、信道的最大数据传输率早在1924年，尼奎斯特就认识到这一根本性限制，并推导出一个有限带宽无噪声信道的最大数据传输速率的表达式；尼奎斯特证明：如果一个任意信号通过带宽为H的低通滤波器，那么每秒采样2H就能完整地重现通过这个滤波器的信号。1948年，香农进一步把尼奎斯特的结论扩展到随机（动态）噪声影响的信道。V最大数据率(C)26000bps412000bps818000bps1624000bps3