第四讲数据通信基础

第三讲数据通信的基础知识5.基带传输和宽带传输6.多路复用技术基本概念1.数字信号的傅立叶分析2.数据通信概念3.信道和信道基本参数4.数据传输1.数字信号的Fourier分析傅立叶级数：任何正常周期为T的函数g(t)，都可由（无限个）正弦和余弦函数合成：11)2cos()2sin(21)(nnnnnftbnftactg其中，f=1/T是基频，an和bn称为正弦和余弦函数的n次谐波的振幅，c是常数任何信号的传输都可理解为以傅立叶级数的形式传递如每个傅立叶级数的信号分量被等量衰减，则合成后，振幅有所衰减，基本形状不变对任何已知的g(t)，可求得：TTnTndttgTcdtnfttgTbdtnfttgTa000)(2)2cos()(2)2sin()(2谐波数越高，传输质量越好如传输ASCII字符b，即01100010，可求得：4/3)]4/6sin()4/7sin()4/sin()4/3[sin(1)]4/7cos()4/6cos()4/3cos()4/[cos(1cnnnnnbnnnnnannt/µst/µst/µst/µs1111)2cos()2sin(21)(nnnnnftbnftactg21nn21nnnft)cos(2bnft)sin(2ac21g(t)41412221nnnn)nftcos(b)nftsin(ac)t(g8181)2cos()2sin(21)(nnnnnftbnftactg对指定的最高频率，传输带宽是有限的波特率：信号变化次数（每秒采样的次数）比特率：数据传输速率bps如果信号分为2级：01，则波特率=比特率如果信号分为8级：01234567，则波特率=3比特率即一次信号变化（一次采样）可表示3bit如信号分为V级，则比特率=log2V波特率设波特率=比特率=bbps则：发送8bit(1B)需要T=8/b秒，因而基频f=1/T=b/8Hz如：截止频率为F则：最大的谐波次数n满足nf=F，即：n=F/f=8F/b当截止频率为F为3000HZ时03840011920029600548001024002012004060080300发送的谐波数n数据传输速率(bps)03840011920029600548001024002012004060080300发送的谐波数n数据传输速率(bps)传传传传传传传传传传波特率和比特率两者数值上的差别在于每次采样的量化值0110001011100010000110100011011000000011101100100110001011100010011000101110001000011010001101100000001110110010000110100011011000000011101100102.数据通讯的基本概念2.1数据与信号传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传模拟数据是指在某个时间段产生的连续的值。例如声音和视频，温度和压力等都是时间的连续函数数字数据是指产生的离散的值。传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传信号有模拟信号和数字信号两种基本形式传输信号的信道也有模拟信道和数字信道之分2.2数据传输数据传输以信号为载体传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传3信道参数和名称解释数据的传输速率、带宽信号的传播速率载波频率采样频率量化噪声、信噪比Nyquist定理传传传传传传传传传传传传HHz传传传传传传V传传传传数据传输速率=2Hlog2Vb/s传V传传传传传传传传传传传传传传传传传0传1传传传传传传传传传传2H传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传Shannon定理传传传传传传传传传传传HHz传传传传传S/N传传传最大数据传输速率(b/s)=Hlog2(1+S/N)传传传传传传传传传传传传dB传传传传传传传dB传=10log10S/N传传传传传传30dB传传S/N=1000举例：噪声信道中的传输速率在噪声信道（话音信道）中，当带宽为3500Hz，信噪比为30dB（较为典型的电话信道），则：最大数据传输速率(b/s)=Hlog2(1+S/N)=3500log2(1+1000)35000(b/s)最大数据传输速率为35kbps，这是在噪声信道中的传输速率极限，实际上是不可能达到的信道工作方式单工通信：单向传输，如广播、电视半双工：双方都可以发送或接收，但不能同时，即当一方发送时，另一方接收全双工：双方同时可以发送和接收信息全双工则需要两条信道4.数据传输数字数据在模拟信道上传输数字数据在数字信道上传输模拟数据在数字信道上传输数字数据在模拟信道上传输将数字数据调制成模拟信号进行传输，通常有三种基本的调制方式：1)调幅ASK(AmplitudeShiftKeying)2)调频FSK(FrequencyShiftKeying)3)调相PSK(PhaseShiftKeying)目前广泛应用的调制技术是正交调相：QPSK(QuadraturePhaseShiftKeying)调幅ASK(AmplitudeShiftKeying)用载波的两个不同的振幅来表示两个二进制值如用无信号表示0，有信号表示101ASK0101ASK调频FSK(FrequencyShiftKeying)用载波附近的两个不同的频率来表示两个二进制值如用信号频率为f表示0，信号频率为2f表示101FSK0101FSK调相PSK(PhaseShiftKeying)用载波的相位移动来表示两个二进制值如用信号相位角为0表示0相位角为表示1PSK01PSK0101数字数据的调制举例基带信号调幅调频调相010011100正交调相QPSK(QuadraturePhaseShiftKeying)QAM-646bit/采样QAM-646bit/采样QAM-164bit/采样QAM-164bit/采样QPSK2bit/采样QPSK2bit/采样数字数据的数字信号传输最简单的方法是用两个不同的电压信号值来表示两个二进制的数字数据值0和1常用的数字信号编码有：不归零编码曼切斯特编码差分曼切斯特编码不归零编码NRZ（nonreturn-tozero）10100110时钟脉冲二进制bit流不归零制编码10100110时钟脉冲二进制bit流不归零制编码正电平表示1，零电平表示0曼切斯特编码（Manchesterencoding）bit中间有信号低-高跳变为00011bit中间有信号高-低跳变为1差分曼彻斯特编码（differentialManchesterencoding）bit中间有信号跳变，bit与bit之间也有信号跳变，表示下一个bit为0bit中间有信号跳变，bit与bit之间无信号跳变，表示下一个bit为11100与111001111000000编码举例bit流二进制编码曼切斯特编码差分曼切斯特编码bit与bit之间有跳变，下一个bit为0100001011110100001011110bit与bit之间无跳变，下一个bit为1模拟数据在数字信道上传输采用脉冲编码调制PCM技术（PulseCodeModulation）PCM以采样定理为基础采样定理：如果在规定的时间间隔内，以有效信号f(t)最高频率的二倍或二倍以上的速率对该信号进行采样，则这些采样值中包含了全部原始信号信息采样、量化和编码ABCDEFGHt256192128640ABCDEFGHt25619212864011001000011111000100100001010000100100001111000011110100101111002001227280144240244188HGFEDCBA11001000011111000100100001010000100100001111000011110100101111002001227280144240244188HGFEDCBA话音信道话音信道允许的最高频率通常为3500Hz如果以8000Hz的采样频率对话音信号进行采样的话，则在采样值中包含了话音信号的完整特征，由此而还原出的话音是完全可理解的和可识别的话音信道的数据传输速率对于每一个采样值还需要用一个（一位或多位的）二进制代码来表示，二进制代码的位数代表了采样值的量化精度，在主干上，对每一路话音信号通常采用8位二进制代码来表示一个采样值，那么，对话音信号进行PCM编码后所得到的数据传输速率为：8bit×8000次采样/秒＝64kb/s5.基带传输信号源产生的原始电信号称为基带信号，即：将数字数据0、1直接用两种不同的电压表示，然后送到线路上去传输用于数字传输：局域网，50Ω，通常传输距离为185M（细缆）、500M（粗缆）宽带传输将基带信号进行调制后形成模拟信号，然后采用频分复用技术实现宽带传输有线电视网：带宽可达750MHz，由于以模拟信号传输，所以传输距离可达100km宽带系统可分为多个信道，所以模拟和数字数据可混合使用，但通常需解决数据双向传输的问题在混合光纤电缆HFC（HybridFiberCoax）中，频段54~550MHz是电视信号，550-750MHz是数字数据6.多路复用无论是广域网还是局域网，都存在这样一个事实，即传输介质的带宽大于传输单一信号所需的带宽，为了有效地利用传输系统，通常采用多路复用（Multiplexing）技术以同时携带多路信号来高效率地使用传输介质，多路复用主要有三种：传传传传传传FDM传FrequencyDivisionMultiplexing传传传传传传传TDM传TimedivisionMultiplexing传传传传传传传CDMA传CodeDivisionMultiplexing传频分多路复用FDM音频信号调制基频调制后信号信号的频分多路复用音频信号调制基频调制后信号信号的频分多路复用波分复用——光的频分复用原理：整个波长频带被划分为若干个波长范围，每路信号占用一个波长范围来进行传输。F2F3F1F2F3共享光纤的光谱光纤2光纤3光纤1共享光纤棱柱/衍射光栅时分多路复用TDM传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传TDM图示多路复用部件通道D多路复用部件物理主干通道C通道B通道AD6D7D8D9D6D7D8D9C6C7C8C9C6C7C8C9B6B7B8B9B6B7B8B9A6A7A8A9A6A7A8A9titi+1ti+2ti+3ti+4ti+5ti+6ti+7A4B4C4D4A5B5C5D5titi+1ti+2ti+3ti+4ti+5ti+6ti+7A4B4C4D4A5B5C5D5D0D1D2D3D0D1D2D3C0C1C2C3C0C1C2C3B0B1B2B3B0B1B2B3A0A1A2A3A0A1A2A3帧帧TDM的同步和异步时间片与输入装置一一对应，即同步如某个时间片对应的输入装置无数据发送，则该时间片空闲（浪费）同步TDM同步TDM图示通道D物理主干A3…C2D2A1B1C1A2D1A3…C2D2A1B1C1A2D1A3A4…A1A2A3A4…A1A2通道C通道B通道AB2…B1B2…B1C2C3…C1C2C3…C1D2D3…D1D2D3…D1A…ABCDABCDABCDA…ABCDABCDABCD帧TDM的同步和异步时间片是按需动态分配的时间片与输入装置之间没有对应关系，任何一个时间片都可以被用于传输