第2章：数据通信基础与物理层基础

1第2章数据通信基础与物理层22.1数据通信的基本概念2.1.1信息、数据与信号1.信息信息是对客观事物属性和特性的表征。它反映了客观事物的存在形式与运动状态。其载体可以是数字、文字、语音、视频和图像等。32.数据•它是关于事件的一组离散的客观的事实描述，是构成信息和知识的原始材料。•数据可分为模拟数据和数字数据两大类。•数据指计算机加工的“原料”，如图形、声音、文字、数、字符和符号等。数据与信息的区别：数据是装载信息的载体，信息则是数据的内在含义或解释。43.信号信号是数据的表示形式,如电信号、光信号、载波信号、脉冲信号等；数字信号和模拟信号在一定的条件下可以相互转换.信号有两种表示形式：模拟信号与数字信号模拟信号随时间连续变化；数字信号是离散的阶跃信号；54.信道信道是信号从发送地传输到接收地的一个通路，它一般由传输介质及相应的传输设备组成。同一传输介质上可以有多条信道----多路复用信道分类:按传输介质分，可分为有线信道和无线信道。按传输信号类型分，可分为模拟信道和数字信道。6数据通信系统模型信道72.1.2数据传输方式•按照信号类型：模拟通信、数字通信•按照一次传输的数据位数:串行通信、并行通信•按照信号传送的方向与时间的关系单工通信、半双工、全双工通信•按照数据的同步方式:同步通信、异步通信8按照信道传输信号类型分：模拟通信与数字通信数字通信系统与模拟通信系统相比有很多的优点：①抗干扰能力强、无噪声积累。（使用转发器而不是放大器）②便于加密处理。③便于存储、处理和交换。④设备便于集成化、微型化。9按照一次传输的数据位数:串行通信与并行通信发送端接收端串行通信信道(a)发送端b0b1b2b3b4b5b6b7b7b6b5b4b3b2b1b0接收端b0b1b2b3b4b5b6b7并行通信信道(b)10按照信号传送的方向与时间的关系分：单工、半双工与全双工通信发送接收单向通道双向通道双向通道(a)(b)(c)发送接收发送接收接收发送接收发送11按照数据的同步方式分：同步通信与异步通信•同步技术:要求通信的收发双方在时间基准上保持一致.•数据通信的同步分为:位同步----同步通信字符同步----异步通信12位同步----同步通信•位同步:要求接收端根据发送端发送数据的时钟频率与比特流的起始时刻,来校正自己的时钟频率与接收数据的起始时刻•实现位同步的方法:1.外同步法2.内同步法同步通信：多个字符一起发送，数据以稳定的比特流传输以太网帧格式曼彻斯特编码SYNSYN......一个或多个SYN字符控制字符数据字符控制字符BSC13字符同步-----异步通信•字符同步:保证收发双方正确传输字符的过程异步通信：每个字符作为独立的整体发送,字符间隔任意142.2数据通信基础数字通信系统与模拟通信系统相比有很多的优点：①抗干扰能力强、无噪声积累②便于加密处理。③便于存储、处理和交换。④设备便于集成化、微型化。15•基带信号：在数据通信中，表示计算机二进制比特序列的矩形脉冲信号；•基带传输：在数字通信信道上，直接传送基带信号的方法；•基带传输是当前一种最基本的数据传输方式；一、基带传输的定义16二、信号的频谱特性1.时域法：电压u与时间t的关系（p34图2-6）;2.频域法：振幅E与角频率w的关系（p34图2-7a）；傅立叶分析（频域法的研究工具）（p33公式）矩形脉冲信号是直流分量、基波、多次谐波等无数个频谱分量的叠加。17三、信道的截止频率与带宽•数字信号在通过某种传输介质或信道进行传输时，信号中不同的频率分量衰减的程度不同：频率较低的谐波分量衰减较小，频率较高的谐波分量衰减大一些，从而导致输出信号发生畸变•把信号在经过一定距离的信道传输过程中某个分量的振幅衰减为原来的0.707时所对应的频率称为信道的截止频率，即该信道的带宽。•信道的截止频率和带宽反映了信道本身固有的物理属性•信道带宽越宽，信号传输的失真越小。18a为理想情况，bcde依次为通过1248次谐波得到的信号时域图频域图19四、数据通信系统主要技术指标①数据传输速率:传输线路上信号的传输速度。它有两种表示形式：波特率、比特率波特率是指单位时间内通过信道传输的码元个数。码元是时间轴上一个信号编码单元。比特率指单位时间内通过信道传输的比特数，单位为比特/秒，简记为b/s或bpst码元1码元2码元3码元4码元5信号20•一个码元可能携带多个二进制数据位数t码元1码元2码元3码元4码元5信号比特率R与波特率B的关系R=BM（M表示一个码元携带的二进制位数）P51图2-2521②误码率误码率=接受的错误比特数/传输的总比特数计算机网络中，通常要求误码率低于10-9③信道延迟信道延迟是指信号从信源发出经过信道到达信宿所需的时间，它与信源到信宿间的距离及信号在信道中的传播速度有关。④信道容量信道容量是指信道传输信息的最大能力，通常用信道的最大数据传输率来表示。22⑤信道的最大数据传输速率奈奎斯特(Nyquist)定理香农（Shannon）定理23奈奎斯特(Nyquist)定理A、前提：有限带宽无噪声的通信信道B、已知：信道带宽为H(Hz)，被传输信号电平分为V级。C、公式：该信道的最高数据传输率Rb为：Rb=2H*log2V（bps）D、用途：估算已知带宽的信道最高速率-----远高于实际速率E、举例：一个无噪音的信道带宽为3kHz,传输四进制（四电平）信号，它的最大传输速率为多少？24Rb=2H*log2V（bps）要提高信息的传输速率，就必须设法使每一个码元能携带更多个比特的信息量。这就需要采用多元制(又称为多进制)的编码方法。25香农（Shannon）定理A、前提：有限带宽有噪声的通信信道B、已知：信道带宽为H(Hz)；信噪比为S/N：S表示信号功率，N表示噪声功率注意：一般信噪比以分贝的形式给出S/N=10*lg(S/N)，单位为dB（分贝）当S/N=10时，转换为分贝：S/N=10*lg(S/N)dB=10*lg10dB=10dB当S/N=100时，转换为分贝：S/N=10*lg(S/N)dB=10*lg100dB=20dB26香农（Shannon）定理C、公式：在该信道最大数据传输速率Rb是：Rb=H*log2（1+S/N）（bps）注：S/N通常以分贝的形式给出，需要转换D、用途:估算有噪声信道的最大数据传输速率，该值为理论极限，只考虑了白噪声所有频率具有相同能量的随机噪声称为白噪声。27已知：信道带宽H为3000Hz，信噪比为30dB，则极限速率为Rb：Rb=H*log2（1+S/N）=3000*log2(1+1000)=3000*lg1001/lg2=3000*9.9672约等于30000bps281.对于带宽为3KHz的信道,若用8种不同的物理状态表示数据,信噪比为20分贝,问按奈奎斯特定理或香农定理最大限制的数据传输速率是多少?奈奎斯特定理:Rb=2H*log2V（bps）香农定理:Rb=H*log2（1+S/N）（bps）2．奈奎斯特定理描述了有限带宽、无噪声信道的最大数据传输速率与信道带宽的关系。对于二进制电平信号，若信道带宽B=3000Hz，则最大数据传输速率为A）300bpsB）3000bpsC）6000bpsD）2400bps292.3传输介质•双绞线•同轴电缆•光纤•无线与卫星通信信道30双绞线1.传输信号类型:模拟信号、数字信号2.分类：屏蔽双绞线(STP)和非屏蔽双绞线(UTP)STP价格高,安装困难;比UTP抗干扰能力强,传输速度快,防窃听双绞线非屏蔽双绞线和RJ-45连接器屏蔽双绞线非屏蔽双绞线更常用32非屏蔽双绞线分类举例电缆类别带宽(MHz)传输速度(Mbps)主要应用3类1610以太网4类2016令牌环5类100100高速以太网和ATM6类200-400最高622千兆以太网和ATM33同轴电缆：•根据带宽分为：基带同轴电缆和宽带同轴电缆•基带同轴电缆：传输数字信号；宽带同轴电缆：传输数字信号、模拟信号（多路）内导体绝缘层外屏蔽层外部保护层34光纤光纤芯包层外部保护层(a)保护层包层光纤芯(b)光电转换LED发送端输入光电转换PIN接收端输出光纤光信号1.工作原理：全反射；2.分类：单模光纤、多模光纤3.特点：高抗干扰性，高数据传输率，低误码率，安全保密性好。幅移键控法35无线介质：无线电波、微波、红外线36微波通信（1）地面微波地球表面37（2）卫星通信卫星地球表面卫星发送多点接收多点接收下载频段：3.7---4.2GHz，上传频段：5.93---6.42GHz382.4数据编码技术（1）数字数据模拟信号（2）数字数据数字信号（3）模拟数据数字信号（4）模拟数据模拟信号392.4.1数字数据的数字信号编码•不归零制编码•曼彻斯特编码•差分曼彻斯特编码数字数据信号的编码方式主要有：4001001011数据(a)非归零码同步时钟(b)曼彻斯特编码(c)差分曼彻斯特编码数字数据编码信号的波形411.非归零码NRZ•优点:方法简单,易于实现•缺点:无法判断一位的开始与结束，收发双方不能保持同步；为保证收发双方的同步，必须在发送NRZ码的同时，用另一个信道同时传送同步信号；422.曼彻斯特（manchester）编码曼彻斯特编码的规则：•每比特的周期T分为前T/2与后T/2两部分；•通过前T/2传送该比特的反码，通过后T/2传送该比特的原码(或相反)；优点：•每个比特的中间有一次电平跳变，两次电平跳变的时间间隔可以是T/2或T；利用电平跳变可以产生收发双方的同步信号；曼彻斯特编码信号又称做“自含时钟编码”信号缺点:需要为每一比特编码，编码效率低43差分曼彻斯特（differencemanchester）编码•每个比特的中间有一次电平跳变；利用电平跳变可以产生收发双方的同步信号；•差分曼彻斯特编码与曼彻斯特编码不同点主要是：–每比特的值来决定每一个开始边界是否发生跳变;–一个比特开始处出现电平跳变表示传输二进制0,不发生跳变表示传输二进制1。•差分曼彻斯特编码是曼彻斯特编码的变种,实现相对复杂,但抗噪声能力较强。442.4.2模拟数据的数字信号编码•首先进行脉冲振幅调制PAM,然后进行PCM等编码调制1.采样2.量化3.编码采样定理:若采样频率大于或等于模拟信号最高频率的2倍,则采样后的离散序列就能不失真的恢复原来的模拟信号.脉冲编码调制(PCM):45PCM用于数字语音系统：•声音分为256个量化级；采样速率为8000样本/秒；数据传输速率应达到？；如果每个量化级采用8位二进制编码表示;数据传输速率应达到8位×8000/秒=64kb/s。P48462.4.3数字数据的模拟信号调制•调制：根据输入信号的取值，对载波信号的振幅、频率、相位分别或组合进行调整，获得对数字信号的编码。47•载波信号um·sin（ω1t+φ0）um:振幅ω1:角频率φ0:相位•数字数据的模拟信号调制的基本方法：幅移键控法（ASK）频移键控法（FSK）相移键控法（PSK）正交调幅48数字数据的模拟信号调制491.幅移键控法（amplitudeshiftkeying,ASK）采用改变载波信号振幅来表示1、0um·sin（ω1t+φ0）数字1u（t）=0数字0•幅移键控ASK信号实现容易，技术简单，但抗干扰能力较差(在0时串扰)。502.频移键控法（frequency-shiftkeying，FSK）通过改变载波信号的频率来表示1、0um·sin（ω1t+φ0）数字1u（t）=um·sin（ω2t+φ0）数字0•ω1ω2一般是以载波频率为中心偏移•移频键控FSK信号实现容易，技术简单，抗干扰能力较强，是目前最常用的调制方法之一。但受带宽限制•举例：实现FSK的调制解调器51实现FSK的调制解调器振荡器523.相移键控法（phase-shiftkeying，PSK）通过改变载波信号的相位来表示1、0•绝对调相：用起始相位的绝对值表示1、0um·sin（ωt+0）数字1u（t）=um·sin（ωt+π）数字0•相对调相：用起始相位的偏移值表示1、0,当输入1,相