第一部分数据通信

1/84第二章数据通信基础知识Networkingtechno;ogy第二章数据通信基础2.1概念和术语2.2数据通信基础理论2.3传输介质2.4编码与调制2.5复用2.6扩频2.7调制解调器2.8物理层接口2/84第二章数据通信基础知识Networkingtechno;ogy2.1概念和术语2.1.1数据2.1.2信号2.1.3传输2.1.4传输方式3/84第二章数据通信基础知识Networkingtechno;ogy2.1.1数据模拟数据音频（audio）视频（vedio）数字数据文本（text）ASCII码文本4/84第二章数据通信基础知识Networkingtechno;ogy2.1.2信号信号数据的电磁编码模拟信号与数字信号时域特性以时间t为自变量，以某种物理量（如电压）为因变量频域特性以频率f为自变量，以某种物理量（如电压）为因变量5/84第二章数据通信基础知识Networkingtechno;ogy模拟信号和数字信号6/84第二章数据通信基础知识Networkingtechno;ogy模拟信号表示7/84第二章数据通信基础知识Networkingtechno;ogy数字信号表示8/84第二章数据通信基础知识Networkingtechno;ogy2.1.3传输传输是指将信号从发送传到接收端，并且在接收端进行恢复模拟传输和数字传输数字传输的优点9/84第二章数据通信基础知识Networkingtechno;ogy2.1.4传输方式并行传输和串行传输异步方式和同步方式单工、半双工和全双工10/84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周期信号2.2.2信号频谱与带宽2.2.3信道的截至频率与带宽2.2.4数据率与信号带宽的关系2.2.4信道的最大数据率11/84第二章数据通信基础知识Networkingtechno;ogy2.2.1周期信号12/84第二章数据通信基础知识Networkingtechno;ogys（t）=Asin（2πft+φ）13/84第二章数据通信基础知识Networkingtechno;ogy2.2.2信号频谱与带宽s（t）=（4/π）（（sin（2πft））+（1/3）sin（2π（3f）t）））14/84第二章数据通信基础知识Networkingtechno;ogy傅立叶函数其中：1nnn010)Cos(2C/2C)2Sin2(/2CtgnftnftCosbnftannndtnftaTn0)g(t)Sin(2T2dtnftTn)g(t)Cos(2T2b0T00g(t)dtC22Cnnnba)/(nnnabarctg15/84第二章数据通信基础知识Networkingtechno;ogy信号频谱图16/84第二章数据通信基础知识Networkingtechno;ogy频域和信号带宽频域图（频率-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。17/84第二章数据通信基础知识Networkingtechno;ogy常见信号带宽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”序列以及编码方式18/84第二章数据通信基础知识Networkingtechno;ogy话音和音乐的频谱和动态范围19/84第二章数据通信基础知识Networkingtechno;ogy具有直流分量的信号20/84第二章数据通信基础知识Networkingtechno;ogy2.2.3数据率和信号带宽的关系情形1：带宽=4MHz；数据率=2Mbps。情形2：带宽=8MHz；数据率=4Mbps。情形3：带宽=4MHz；数据率=4Mbps。21/84第二章数据通信基础知识Networkingtechno;ogy方波的频率分量组成图22/84第二章数据通信基础知识Networkingtechno;ogy数据率与信号带宽数据率越高的信号，其带宽就越大；由于传输介质自身的物理特性将限制被传输信号的带宽。信号带宽的限制引起了信号的失真。信号带宽越受限制，失真就越严重，接收器出错的概率就越大。一般情况下，如果数据率为Wbps的信号，当其带宽为2WHz时，该信号就可以很好地表示原始数据信号。23/84第二章数据通信基础知识Networkingtechno;ogy2.2.4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。24/84第二章数据通信基础知识Networkingtechno;ogy2.2.4信道的最大数据率数字传输系统的目标就是尽可能有效地利用给定的带宽下尽可能提高数据率（有效性），同时又将误码率（可靠性）限制在某个可接受的范围内。限制我们达到上述目标的主要不利因素是各种噪声（热噪声、交调噪声、串扰以及脉冲噪声）。25/84第二章数据通信基础知识Networkingtechno;ogy码元速率与数据率码元时间轴上的一个信号单元。对于基带数字通信而言，一个数字脉冲称为一个码元。对于模拟频带通信，载波的某个参数或某几个参数的变化就是一个码元。码元速率（调制速率或信号速率）码元速率就是信号每秒钟变化的次数，单位是波特率。数据率信号每秒钟传输的二进制位数，单位bps。26/84第二章数据通信基础知识Networkingtechno;ogy波特率与比特率的关系V2log波特率比特率VRRBb2log27/84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率不超过6000bps方法：提高信号编码能力，增大V的数值28/84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)；我们一般使用分贝（等于10log10S/N）来表示信噪比例子一个带宽为3000Hz，信噪比为30dB(S/N为1000)的话音信道其最大数据率不超过30Kbps方法：增加线路带宽或改进信噪比29/84第二章数据通信基础知识Networkingtechno;ogy2.3传输介质2.3.1双绞线2.3.2同轴电缆2.3.3光纤2.3.4无线介质30/84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）非屏蔽双绞线UTP（EIA/TIA）1类——用于电话通信，一般不适合传输数据。2类——可用于传输数据，最大数据率为4Mbps。3类——用于以太网，最大数据率为10Mbps。4类——用于令牌环网，最大数据率为16Mbps。5类——用于快速以太网，最大数据率为100Mbps。6类——用于吉比特以太网，最大数据率为1Gbps。31/84第二章数据通信基础知识Networkingtechno;ogy双绞线图示32/84第二章数据通信基础知识Networkingtechno;ogy2.3.2同轴电缆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）33/84第二章数据通信基础知识Networkingtechno;ogy同轴电缆图示34/84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Computation：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数据率：160*10Gbps=1.6Tbps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)35/84第二章数据通信基础知识Networkingtechno;ogy光反射原理36/84第二章数据通信基础知识Networkingtechno;ogy光纤及光缆构成37/84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内芯直径较小直径为8～10μm多模光纤（multi-modefiber）使用发光二极管内芯直径稍大（外径为125μm）直径为62.4μm38/84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39/84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40/84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红外线和激光卫星通信无线介质只能传输模拟信号（高频载波信号）41/84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。在低频上，无线电波能轻易地绕过一般障碍物，但其能量随着传播距离的增大而急剧递减。在高频上，无线电波趋于直线传播并易受障碍物的阻挡，还会被雨水吸收。42/84第二章数据通信基础知识Networkingtechno;ogy无线电波（2）43/84第二章数据通信基础知识Networkingtechno;ogy微波微波通信是利用无线电波在对流层的视距范围内进行信息传输的一种通信方式，它使用的频率范围一般在1GHz至20GHz左右。对于频率在100MHz以上的无线电波，其能量将集中于一点并沿直线传播，这就是微波。由于微波只能沿直线传播，所以微波的发射天线和接收天线必须精确对准，而且每隔一段距离就需要一个中继站。中继站之间的距离与微波塔的高度成正比例。对于100m高的微波塔，中继站之间的距离可以达到80km。44/84第二章数据通信基础知识N