2 数据通信基础知识

1第二章数据通信基础知识Networkingtechno;ogy第一部分数据通信信号与通信模拟通信与数字通信数据通信基础理论传输介质多路复用技术数据交换技术调制解调技术物理层接口2第二章数据通信基础知识Networkingtechno;ogy第二章数据通信基础知识2.1基本概念2.2数据通信基础理论2.3传输介质2.4多路复用2.5数据交换技术2.6调制解调器3第二章数据通信基础知识Networkingtechno;ogy2.1基本概念信号是数据（或信息）的电磁编码。信号的数学描述一般是以时间t为自变量，以某种物理量（如电压）为因变量（信号的时域特性）模拟信号与数字信号通信（传输）通信的任务是将信号从一方传到另一方模拟通信与数字通信4第二章数据通信基础知识Networkingtechno;ogy模拟信号和数字信号x(nT)(b)数字信号(a)模拟信号1001100111f(t)tnT5第二章数据通信基础知识Networkingtechno;ogy2.1.2模拟通信信源调制器信道调制器信宿噪声6第二章数据通信基础知识Networkingtechno;ogy模拟通信系统的组成调制器如果信源产生的是数字数据，调制器的功能是将调制为模拟信号（如拨号Modem）如果信源产生的是模拟数据，调制器的功能是将其调制到某个频段以便进行远距离传输或多路复用解调器是实现上述过程逆变换的设备信道包括传输介质和介质两端的传输设备7第二章数据通信基础知识Networkingtechno;ogy2.1.3数字通信信源编码器噪声发送端时钟信源信道编码器信宿调制信道解调信道译码器信源译码器接收端时钟8第二章数据通信基础知识Networkingtechno;ogy数字通信系统的组成（1）信源编码器当信源产生的是模拟数据（或信号）时，信源编码器的主要工作是对模拟数据（或信号）进行采样、量化并编码成二进制数字信号当信源产生的是数字数据（或信号）时，信源编码器的主要工作是对原始的数字数据（或信号）进行码制变换，使其适合于传输或通信（如在数据信号中插入时钟信号）信道编码器是对传输的数字信号进行检错或纠错编码，以便接收方能进行差错检测和纠正9第二章数据通信基础知识Networkingtechno;ogy数字通信系统的组成（2）调制器其功能是将基带(数字)信号变换成频带(模拟)信号以通过模拟传输介质进行频带传输。（有些传输介质只能传输模拟信号，如无线介质）时钟数字信号的发送和接收靠时钟驱动一般情况下，发送端和接收端使用各自的时钟源，但接收时钟与发送时钟必须保持同步外同步内同步10第二章数据通信基础知识Networkingtechno;ogy数字通信的主要特点优点抗干扰能力强，可实现高质量的远距离传输；适应各种传输业务；方便实现高保密传输；传输设备的集成化和微型化；缺点占用信道的带宽大例子：一路模拟电话占用4KHz信道带宽，而一路数字电话所需要的数据传输率是64Kbps，所需占用的信道带宽要远远大于4KHz。11第二章数据通信基础知识Networkingtechno;ogy2.2数据通信基础理论2.2.1信号的频谱和带宽2.2.2信道的截止频率与带宽2.2.3信道的最大数据传输率12第二章数据通信基础知识Networkingtechno;ogy2.2.1信号的频谱和带宽傅立叶已经证明：任何一个周期为T的函数f(t)都是由无穷多个正弦和余弦函数合成，即：f(t)=其中：n=arctg(-bn/an)此处f=1/T是基频，an和bn是n次正弦谐波和余弦谐波的振幅。)nftdtf(t)Sin(2T2a0nT11nnnn)nftCos(2AC/2)2Sin2(aC/2nnnftCosbnft)nftdtf(t)Cos(2T2b0nTT0f(t)dtC22Annnba13第二章数据通信基础知识Networkingtechno;ogy基本概念频域图（频率-最大振幅图）把f(t)各次谐波的振幅An按照频率高低依次排列起来所形成谱状图形称为信号f(t)的频谱图。信号带宽信号频域图所覆盖的频率范围称为信号的绝对带宽；我们将信号大部分能量集中的那段频带称为信号的有效带宽，简称为带宽(bandwidth)；任何信号都有一定的带宽。14第二章数据通信基础知识Networkingtechno;ogy常见信号的带宽话音信号话音信号的标准带宽为300Hz～3400Hz音乐信号（CD音质）要求的带宽是20Hz~20KHz电视信号(PAL或NTSC制式)电视信号的带宽约为4.2MHz单稳脉冲信号其带宽为无穷大二进制信号(数字信号)一般说来，任何数字信号都具有无限带宽，但它们不得不被近为有限带宽信号数字信号的带宽依赖于“0”、“1”序列以及数字编码方式15第二章数据通信基础知识Networkingtechno;ogy2.2.2信道的截止频率与带宽任何信号通过信道时都会发生衰减，从而引起信号失真。信道对不同频率的信号其衰减幅度是不相同的；一般来说，频率越高的信号，其衰减幅度越大。我们把信号在经过信道时其中某个频率分量的振幅衰减到原来的0.707(即信号的能量衰减到原来的一半)时所对应的频率称为信道的截止频率fc(cut-offfrequency)，即信道的带宽。任何信道都有fc，信道的截止频率或带宽是由其固有的物理特性决定的。16第二章数据通信基础知识Networkingtechno;ogy信道截止频率10.707fAfc10.707fAf1f2f2(a)单通滤波器(b)双通滤波器17第二章数据通信基础知识Networkingtechno;ogy数据传输率与带宽信道的带宽决定对其通过信号的带宽，因而对于有限带宽信道必须限制信号的带宽(有限带宽信号)；而带宽越受限制，失真越严重，接收器产生差错的概率越大；信号的数据传输率越高，其有效带宽就越大；要求传输系统的带宽越大，费用就越高；为了保证数字数据传输的正确性，在信道带宽一定(鉴于经济上和实现上的原因)的情况下，必须限制信号的带宽，即限制数据传输率；知道信道带宽并不能完全说明其所能支持的数据传输率到底有多大？但就一般而言，信道的所能支持的数据传输率与其带宽成正比。18第二章数据通信基础知识Networkingtechno;ogy2.2.3信道的最大数据传输率任何实际应用的传输信道都是有限带宽信道。信道带宽的限制是由传输介质(信道)的物理特性决定的；或者可能是发送器故意限制了带宽，以防止干扰或为了多路复用。数字传输的目标就是尽可能有效利用给定带宽(有效性)，这意味着我们希望在给定带宽条件下尽可能提高数据传输率，同时又将误码率限制在某个范围内(可靠性)。限制我们达到上述目标的主要不利因素是噪声(热噪声、交调噪声、串扰和脉冲噪声)。19第二章数据通信基础知识Networkingtechno;ogy基本概念带宽(bandwidth)噪声(noise)误码率(errorrate)调制速率或信号速率(signalrate)数据传输率(datarate)20第二章数据通信基础知识Networkingtechno;ogy波特率与比特率基本概念调制速率（单位：baud）码元速率，信号单元速率，波特率数字信号电平改变的速率，取决于数字编码的特性。数据传输率（单位：bps）信息速率，比特率信号每秒钟传输的二进制位数。两者的关系V2log波特率比特率VRRBb2log21第二章数据通信基础知识Networkingtechno;ogyNyquist定理Nyquist推导出带宽为H的理想(无噪声)信道的最大数据传输率为（带宽为H的理想信道，其可承受的最大码元速率是2*H）Rmax=2H*log2V(bps)其中V为离散信号的个数或电压值的个数例子一个带宽为3000Hz的无噪声话音信道在传输二进制信号时其最大数据传输率不超过6000bps方法：提高信号编码能力，增大V的数值22第二章数据通信基础知识Networkingtechno;ogyShannon定理Shannon推导出对于带宽为H，信噪比为S/N的有噪声信道，其最大数据传输率Rmax为Rmax=H*log2(1+S/N)(bps)其中信号功率与噪声功率的比值称为信噪比(Signal-to-NoiseRatio)；我们一般使用10log10S/N分贝(dB)来表示信噪比例子一个带宽为3000Hz，信噪比为35dB(S/N为3165)的话音信道其最大数据传输率不超过34.86Kbps方法：增加线路带宽或改进信噪比23第二章数据通信基础知识Networkingtechno;ogy2.3传输介质有线介质双绞线同轴电缆光纤无线介质无线电微波（大地微波、卫星微波）红外线（毫米波）24第二章数据通信基础知识Networkingtechno;ogy2.3.1双绞线屏蔽双绞线STP（IBM）Type1或Type2非屏蔽双绞线UTP（EIA/TIA）Cat1电话线；Cat2ISDN或T1/E1线路；Cat310Mbps或100Mbps以太网电缆；Cat5100Mbps以太网电缆；特点距离100米使用RJ-45接头25第二章数据通信基础知识Networkingtechno;ogy2.3.2同轴电缆26第二章数据通信基础知识Networkingtechno;ogy基带电缆和宽带电缆基带电缆（10Mbps）粗缆非中继传输距离500米需要使用收发器和收发电缆AUI接口细缆（便宜的同轴电缆）非中继传输距离185米BNC接口宽带电缆（CATV电缆）CableModem（宽带接入）27第二章数据通信基础知识Networkingtechno;ogy2.3.3光纤传输与计算的比较Compution：每10年增长1个数量级Communication：每10年增长2个数量级带宽频率范围：180~370THz数据传输率：100*10Gbps=1Tbps原因：光/电、电/光转换的速度跟不上光电子技术/光子技术通过光纤中光的波长0.85μm/1.3μm/1.55μm(250~300THz)28第二章数据通信基础知识Networkingtechno;ogy光反射原理29第二章数据通信基础知识Networkingtechno;ogy光纤及光缆构成30第二章数据通信基础知识Networkingtechno;ogy单模光纤和多模光纤单模光纤（single-modefiber）使用激光源中继距离100公里内芯直径较小直径为8～10μm/125μm多模光纤（multi-modefiber）使用普通发光二极管作为光源中继距离2公里内芯直径稍大直径为62.5μm/125μm31第二章数据通信基础知识Networkingtechno;ogy单模光纤与多模光纤的比较项目单模光纤多模光纤距离长短数据传输率高低光源激光发光二极管信号衰减小大端接较难较易造价高低32第二章数据通信基础知识Networkingtechno;ogy光纤的特点优点高带宽、高数据传输率对EMI、窃听不敏感（安全、可靠）抗腐蚀衰减小缺点单向传输光纤接口价格昂贵工艺复杂、安装技术复杂33第二章数据通信基础知识Networkingtechno;ogy2.3.4无线介质无线介质是指信号通过空气传输，信号不被约束在一物理导体内无线介质实际上就是无线传输系统，主要包括无线电微波（地面微波、卫星微波）红外线无线介质只能传输模拟信号34第二章数据通信基础知识Networkingtechno;ogy无线电波（1）无线电通信就是利用地面发射的无线电波通过电离层的反射而到达接收端的一种远距离通信方式。无线电通信使用的频率一般在3MHz至1GHz。无线电波的传播特性与频率有关。在低