第二章 数据通信基础知识--数据通信原理

第二章数据通信基础知识结束放映学习目录学习要求内容简介InternetModemPSTN主讲教师：刘兴顺内容简介数据可靠传输将涉及很多内容和具体技术，本章将介绍信号带宽的概念、调制解调的基本概念、传输信道的性质、信道复用技术、数据编码标准、语言编码及IP电话原理，数据压缩编码以及数据通信系统的同步技术等内容。返回结束学习要求1.了解信号分类方式，掌握信号频谱与带宽的概念。2.了解调制解调的基本原理3.了解信道噪声的种类及特点，掌握信道容量公式。4.了解各种信道的特点。5.了解话音信道传输数据信号的基本要求。6.掌握频分复用、时分复用技术的基本原理。7.掌握语音压缩比编码和数据压缩编码的基础知识。8.掌握数据通信系统同步类型及其实现方式返回结束学习目录返回2.1信号与调制解调2.2传输信道2.3多路复用2.4数据编码2.5数据通信的同步结束2.1信号与调制解调本节内容提要：下一页上一页返回信号分类：模拟信号与数字信号基带信号与频带信号周期信号与非周期信号确知信号与随机信号能量信号与功率信号dttxE)(2信号x(t)的能量E焦耳(J)信号x(t)平均功率S2/2/2)(1limTTTdttxTS瓦特(W)本节将介绍信号的频谱、带宽以及调制解调的基本概念。2.1.1信号的频谱下一页上一页返回确值信号的频谱为其傅氏变换：dtetxXtj)()(dtetxfXftj2)()(或随机信号的频谱常用其功率普密度表示：TFELimPt2|)(|)(功率普密度与信号平均功率的关系：dffPS)(2.1.2信号的带宽信号的绝对带宽(B)通常是指信号频谱正频域非零部分对应的频率范围，如下图所示：下一页上一页返回基带数据信号的一般都具有无穷大的绝对带宽，如下图所示：0fbf-fbP(f)BP(f)ffbB82.1.2信号的带宽实际应用中依据信号功率谱定义了以下几种等效带宽。下一页上一页返回(1)零点带宽数据信号频谱主要能量是集中在第一个零点之内的，当其旁瓣不足以引起信号失真时，定义fb为信号的零点带宽。P(f)ffb零点带宽2.1.2信号的带宽下一页上一页返回(2)百分比带宽百分比带宽由下式来定义：其中fr称为百分比带宽，可以取96%、98%、99%等值，其含义是，在该带宽范围内信号的功率占总功率%%%)()(00dffPdffPrf2.1.2信号的带宽下一页上一页返回(3)矩形等效带宽对于具有在零点或中心频率处取最大值频谱结构的信号，如下图所示，可以定义矩形等效带宽BC。P(f)f矩形等效带宽P000)(dffPBPC其含义为：2.1.2信号的带宽下一页上一页返回(4)3dB带宽3dB带宽又称半功率带宽，如下图所示：P(f)ff2f1f0B3dBP0P0/2),(210fff2/)()()(021fPfPfP信号频谱在f0处取最大值，且2.1.3调制解调的基本概念1.调制解调定义下一页上一页返回时域定义：调制就是用基带信号去控制载波信号的某个或几个参量的变化，将信息荷载在其上形成已调信号传输，而解调是调制的反过程，通过具体的方法从已调信号的参量变化中将恢复原始的基带信号。频域定义：调制就是将基带信号的频谱搬移到信道通带中或者其中的某个频段上的过程，而解调是将信道中来的频带信号恢复为基带信号的反过程。调制解调器(Modem)就是调制和解调的统称2.1.3调制解调的基本概念下一页上一页返回x(t)调制信号，即数据终端产生的基带信号C(t)是载波，AC是载波幅度，fC是载波频率简称载频,θ0是载波的初始相位。s(t)是已调信号，即调制后的频带信号，其中包含了x(t)的全部信息，信道中传输的就是该信号。)2cos()()(0ccftxAts2.调制器模型x(t)s(t))2cos()(0tfAtCcc　2.1.3调制解调的基本概念下一页上一页返回按照调制信号x(t)的类型按照载波类型3.调制分类按照调制器功能模拟调制：x(t)是模拟基带信号，例如AM、FM等数字调制：x(t)是数字基带信号，例如FSK、PSK等连续载波调制：载波是连续波形信号，例如正弦高频信号脉冲载波调制：载波是脉冲序列，常用的是矩形脉冲序列幅度调制：调制信号控制载波幅度变化，例如AM、ASK等频率调制：调制信号控制载波瞬时频率变化，例如FM、FSK等相位调制：调制信号控制载波瞬时相位变化，例如PM、PSK等。2.1.3调制解调的基本概念下一页上一页返回相干解调：通过本地相干载波进行相干运算，从已调信号的相位变化中恢复原始信号的方法。其模型如下图所示：4.解调分类s(t)LPFxd(t)x0(t)0'()cos(2)ccCtAft　tftxAtCtstxccd2cos)()(')()(2tftxtxAcc4cos)(21)(212/)()(0txAtxc假设初始相位是0，则：所以经理向低通滤波器LPF之后，输出信号为：2.1.3调制解调的基本概念下一页上一页返回非相干解调：其原理是从已调信号的幅度变化中提取调制信号，因为其不需要同步载波，所以又称之为非同步解调。和相干解调相比，非相干解调设备更简单，实现更容易，例如常用的包络检波器，非相干解调器通常存在门限效应，故小信噪比输入时并不适用。所谓门限效应是指当解调器输入信噪比下降到一定程度时，输出信噪比急剧恶化的现象。输出信噪比是输出信号与输出噪声平均功率之比，是衡量通信可靠性的一个指标，与误码率有直接关系。2.1.3调制解调的基本概念下一页上一页返回实现无线发射实现频分复用5.调制解调的功能选择合适的调制解调方式可以提高传输的有效性选择合适的调制解调方式可以提高传输的可靠性2.2传输信道本节内容提要：下一页上一页返回传输信道是任何通信系统中必不可少的组成部分，信道的传输性如何将直接影响系统的信能。本节将介绍通信信道的基本概念、各种传输介质的特性、信道噪声、信道容量以及话音信道传输数据信号时的要求与性能等内容。2.2.1传输信道分类2.2.2传输介质2.2.3信道噪声2.2.4信道容量2.2.5话音信道传输数据信号2.2.1传输信道分类下一页上一页返回广义信道狭义信道信道调制信道编码信道有线信道无线信道恒参信道变参信道无记忆编码信道有记忆编码信道双绞线同轴电缆光纤长波信道短波信道微波信道…1.狭义信道和广义信道狭义信道即传输媒介广义信道由传输媒介和部分收发端的通信设备组成2.2.1传输信道分类下一页上一页返回2.调制信道和编码信道发端DTE编码器调制器传输媒介收端DTE译码器解调器调制信道编码信道调制信道：从调制器出发到解调器为至的所有通信设备和传输媒介编码信道：从编码器出发到译码器为至的所有通信设备和传输媒介2.2.1传输信道分类下一页上一页返回3.恒参信道和变参信道恒参信道是指在信号传输过程中，信道传输特性对信号的影响是确定的或者是变化极其缓慢的，可将其视为一个非时变的线性网络。变参信道：其传输特性随时间变化而变化，一般将其等效成时变线性网络或者时变非线性网络来分析。典型的恒参信道如如双绞线、同轴电缆、光纤等有线信道以及微波信道、卫星信道等。典型的变参信道如电离层反射信道、对流层散射信道以及移动通信信道等。2.2.1传输信道分类下一页上一页返回4.无记忆编码信道和有记忆编码信道无记忆信道是指传输过程中错误码元相互统计独立的信道有记忆信道是指错误码元之间具有某种统计相关性的信道实例分析：二进制无记忆信道模型如下图所示0011P(0/0)P(1/1)P(0/1)P(1/0)正确转移概率错误转移概率其对应的误码率公式为:)0/1()0()1/0()1(PPPPPe2.2.2传输介质下一页上一页返回1.双绞线双绞线由两根相互绝缘的铜线以均匀的扭矩对称扭绞在一起形成。绞合的目的:(1)减少线对之间的相互干扰，(2)同时还增强了机械和电气稳定性扭距两根绝缘铜线非屏蔽双绞线UTP3类UTP5类UTP阻值为100欧姆，每英尺绞合3-5次，应用如电话线，10Base-T阻值为100欧姆，每英寸绞合3-5次，应用如，100Base-T等。屏蔽双绞线STP阻值为150欧姆，外部加一金属包层来屏蔽干扰，应用如令牌环等分类2.2.2传输介质下一页上一页返回2.同轴电缆同轴电缆由内导体，绝缘层外导体和塑料保护外套组成，如下图示：分类内外导体组成一组线对，外导体同时起到屏蔽外界电磁干扰的作用内导体绝缘材料外导体塑料外皮基带同轴电缆：阻抗为50欧姆，用于局域网数据传输10Base-2等宽带同轴电缆：阻抗为75欧姆，CATV网以及PSTN局间传输2.2.2传输介质下一页上一页返回3.光纤光纤可以由超纯硅、合成玻璃甚至塑料制造，其结构如下图示：光纤有单模光纤和多模光纤两类，前者具有较宽的频带，传输损耗小，后者频带较窄、传输衰减也比较大。纤芯包层涂敷层光传输系统发端DTE基带信号处理电/光转换光/电转换数据检测收端DTE光纤2.2.2传输介质下一页上一页返回4.无线信道长波信道：30Hz~300KHz，用带宽小，天线尺寸大，常用于电报、电话、水下通信、海上导航等领域中波信道：0.3~3MHz，用于广播，业余无线电以及海上无线电通信等领域，其中500~1500KHz是标准民用调幅广播短波信道：3~30MHz，信道干扰大，但其投资少，建设快，常用于军用通信和国际定点通信等微波信道：3~300GHz，天线方向性通信容量大，可用于微波、卫星通信，射电天文，科学研究等超短波信道：30MHz~3GHz，天线尺寸小，可用于移动通信，雷达，航天航空，卫星通信等2.2.3信道噪声下一页上一页返回1.起伏噪声起伏噪声是以热噪声、散弹噪声和宇宙噪声为代表的噪声。起伏噪声的特点是时域和频域表现平稳，在所有通信系统中普遍存在且不可避免。起伏噪声对数据通信的影响是产生随机错误，随机错误表现为错误码元随机出现，彼此无相关性。起伏噪声是无记忆信道中噪声的主要表现形式。t2.2.3信道噪声下一页上一页返回2.脉冲噪声脉冲噪声在时域表现为无规则突发的短促噪声，从频域来看，脉冲噪声通常有较宽的频带，但频率越高，频谱强度越小。脉冲噪声特点在于突发性、幅度大、持续时间短，且相邻脉冲之间有较长的寂静区，脉冲噪声是记忆信道中噪声的主要表现形式。脉冲噪声对数据通信的影响是产生的突发错误，错误码元比较集中，且相互之间具有某种相关性t2.2.3信道噪声下一页上一页返回3.高斯白噪声可以从以下两方面对高斯白噪声下定义：其任意维概率密度函数都服从高斯分布(即正态分布)——高斯噪声在整个频域具有均匀分布的功率谱密度——白噪声fnfPn2/)(0P(f)fn0/2均匀功率谱2.2.4信道容量1.奈奎斯特信道容量公式下一页上一页返回奈奎斯特研究了理想信道(无噪声、无码间干扰)时带宽与速率的关系，并得到以下结论：sbitMBC/log22其中B为带宽单位是Hz，M为传输时数据信号的取值状态，即采用M进制传输2.香农信道容量公式香农研究了用模拟信道传输数字信号时的信道容量问题，并得出了著名的香农公式：sbitNSBC/)/1(log2其中B为带宽，单位是Hz，S/N为信噪功率比。2.2.5话音信道传输数据信号下一页上一页返回1.线性系统分析冲激响应h(t)传输函数H(f)x(t)X(f)y(t)Y(f)时域：频域：线性系统输入端输出端时域分析（卷积）)(*)()(thtxty-dτ)()(thx-dτ)()(txh频域分析（乘积）Y(f)=X(f)H(f)2.2.5话音信道传输数据信号下一页上一页返回2.信号无失真传输信号无失真传输的定义信号无失真传输是指信号经过线性系统后只有幅度的衰减或放大，以及时延，而无波形失真。dftjefKXfY2)()(对应的频域信号为：)()(dttKxty对应的时域信号为：2.2.5话音信道传输数据信号下一页上一页返回即系统的幅频特性和相频特性满足下式，就可以实现信号无失真传输