信号与带宽

1第二章数据通信基础知识Networkingtechno;ogy第一部分数据通信第二章：数据通信基础知识信号与通信模拟通信与数字通信信号的频谱与带宽，信道的带宽及最大数据传输率等传输介质多路复用技术数据交换技术信号变换第三章：物理层接口（RS232C串口）2第二章数据通信基础知识Networkingtechno;ogy2.1基本概念信号是消息或数据的电磁编码。信号的时域特性表示为时间t的函数，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。分为模拟信号与数字信号。通信通信的任务是将表示消息的信号从发送方传递到接收方。分为模拟通信与数字通信。x(nT)(b)数字信号(a)模拟信号1001100111f(t)tnT10011001113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解调器信宿噪声模拟通信：利用模拟信号来传递消息。实质上是一种信号变换器，由于信源产生的是模拟信号，所以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。包括传输介质和介质两端的传输设备4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数字通信：利用数字信号来传递消息。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。信源编码器的主要作用：一是进行模/数转换；二是降低信号的数码率。它使变换后的信号能在传输介质中传输，或提高信道的传输效率发送端和接收端使用各自的时钟；接收时钟与发送时钟必须保持同步5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；能适应各种传输业务；能实现高保密传输；传输设备的集成化和微型化；缺点占用信道的带宽大；而且需要复杂的同步技术。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。6第二章数据通信基础知识Networkingtechno;ogy模拟放大与数字再生7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任何信号通过信道时都会发生衰减；如果所有频率分量被等量衰减，那么结果信号虽在振幅上有所衰减，但没有畸变。然而：信道对不同频率的信号其衰减幅度是不相同的，因而会发生畸变。一般来说，频率越高的信号，其衰减幅度越大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8第二章数据通信基础知识Networkingtechno;ogy)nftdtf(t)Cos(2T2b0nTT0f(t)dtC22nnnbaA)nftdtf(t)Sin(2T2a0nT10nnnn)nftCos(2A)2Sin2(aC/2nnnftCosbnft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。f(t)2.2.1信号的频谱和带宽9第二章数据通信基础知识Networkingtechno;ogy基本概念信号带宽信号频域图所覆盖的频率范围称为信号的带宽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。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。10第二章数据通信基础知识Networkingtechno;ogy绝对带宽和有效带宽11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电视信号的带宽为几Hz～4MHz。单脉冲信号其带宽为无穷大二进制信号一般情况下，其带宽依赖于“0”、“1”序列的顺序以及具体的数字编码方式。12第二章数据通信基础知识Networkingtechno;ogy脉冲信号频谱图信号的脉冲宽度与其带宽成反比，因此信号的数据率越高，信号的带宽也就越宽。13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信道带宽是指该系统不失真传输信号的频率范围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)即低通信道的有效带宽(0~fc）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。14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10lg2315第二章数据通信基础知识Networkingtechno;ogy结论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，即限制信号的数据传输率；否则输出信号就会畸变。16第二章数据通信基础知识Networkingtechno;ogy以01100010为周期信号的频谱17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基本概念码元速率调制速率，波特率，信号单元速率信号每秒钟传输的脉冲（码元）数：数据传输率信息速率信号每秒钟传输的信息量（比特/秒）：V为信号的电平级数两者的关系：nlog2波特率比特率nlogRRBb2VTRb2log1)Baud(TRB118第二章数据通信基础知识Networkingtechno;ogy码元同步脉冲t码元1码元2码元3码元4码元5信号码元(CodeCell)：时间轴上的一个信号编码单元19第二章数据通信基础知识Networkingtechno;ogy信息量的度量香农规定：一个消息所荷载信息量I，等于它所表示事件发生的概率P的倒数的对数。信息量的计算公式：I=loga(1/P)=-loga(P)信息量的单位：如果对数以2为底，单位为比特（b）。如果对数以e为底，单位为奈特（nat)。如果对数以10为底，单位为哈特莱（Hartley）。事件发生的概率越高，信息量越少。20第二章数据通信基础知识Networkingtechno;ogyNyquist定理Nyquist（1924）推导出带宽为H的理想(无噪声)信道的最大数据传输率为Rmax=2H*log2V(bps)其中V为信号电平的量化等级。公式说明数据传输率随信号编码级数增加而增加。例子一个带宽为3000Hz的无噪声信道在传输二进制数字信号其最大数据传输率不超过6000bps。21第二章数据通信基础知识Networkingtechno;ogyShannon定理Shannon（1948）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：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(dB)来表示信噪比。例子：一个带宽为3000Hz信噪比为30dB的信道其最大数据传输率不超过C=3000*log2(1+1000)≈30KbpsS/NdB=10log10S/NRmax=H*log2(1+S/N)(bps)22第二章数据通信基础知识Networkingtechno;ogy结论若把信息传输速率增加到信息容量以上，哪怕超过一点，那么被正确接受的概率就会趋于零。在实际信道上能够达到的信息传输速率要比香农的极限传输速率低不少。这是因为在实际的信道中，信号还要受到其他损伤，如各种系统外的噪声干扰以及在传输和处理中产生的其他失真等。当信噪比太小，不能保证通信质量时，可用增加带宽来提高信道容量，即以带宽换功率。无论信号编码分多少级，香农公式给出了信道能达到的最高传输速率，原因是噪声的存在将使编码级数不可能无限增加。23第二章数据通信基础知识Networkingtechno;ogy2.3传输介质数据传输总是通过某种传输媒体在发送设备和接收设备之间进行。传输媒体可以划分为导线的或无导线的两类。无论属于哪一种类别，通信都以电磁波的形式发生。使用导线媒体，波的传播被限制到一条物理通路；导线媒体的例子有双绞线、同轴电缆和光导纤维。无导线媒体提供发射电磁波的手段，但不约束传播的通路；无导线传播的例子有通过空气、真空和海水的通信。常用的无线通信系统有无线电、微波、卫星、红外线、激光等等。24第二章数据通信基础知识Networkingtechno;ogy2.3.1双绞线双绞线由两条互相绝缘的铜线组成，其典型粗细为直径1mm，这两条线像螺纹一样拧在一起，这样可以减少邻近线路的电气干扰。双绞线最常见的应用是电话系统。虽然双绞线主要是用来传输模拟声音信息的,但同样适用于数字信号的传输,特别适用于较短距离的信息传输。采用双绞线的局域网的带宽取决于所用导线的质量、长度、铜线的粗细及传输技术。一般可以在几公里内达到几兆bps的传输率。双绞线可分为屏蔽双绞线STP(IBM)和非屏蔽双绞线UTP（EIA/TIA）25第二章数据通信基础知识Networkingtechno;ogy双绞线Pin#8Pin#1下面是PC机不经过HUB直接通过网线相连的参考图橘白橘绿白蓝蓝白绿褐白褐RJ-45色序图3类UTP线26第二章数据通信基础知识Networkingtechno;ogy双绞线EIA/TIA为双绞线电缆定义了五种不同质量的型号。计算机网络综合布线使用第三、四、五类。这五种型号如下：第一类：主要用于传输语音（一类标准主要用于八十年代初之前的电话线缆），不用于数据传输。第二类：传输频率为1MHz，用于语音传输和最高传输速率4Mbps的数据传输，常见于使用4Mbps规范令牌传递协议的旧的令牌网。第三类:指目前在ANSI和EIA/TIA568标准中指定的电缆。该电缆的传输频率为16MHz,用于语音传输及最高传输速率为10Mbps的数据传输，主要用于10base-T。27第二章数据通信基础知识Networkingtechno;ogy双绞线第四类:该类电缆的传输频率为20MHz,用于语音传输和最高传输速率16Mbps的数据传输，主要用于基于令牌的局域网和10base-T/100base-T。第五类:该类电缆增加了绕线密度,外套一种高质量的绝缘材料,传输频率为100MHz,用于语音传输和最高传输速率为100Mbps的数据传输，主要用于100base-T和10base-T网络，这是最常用的以太网电缆。3类和5类UTP的关键差别在于单位距离上的螺旋的数目。5类旋得较紧，一般为每英寸3-4转，而3类则一般是每英尺3-4转；旋得越紧，价格越贵，但性能也好得多。另外还有超5类双绞线电缆，通过对其“信道”性能测试结果表明，与普通5类双绞线电缆比较，它的近端串扰、衰减和结构回波等主要性能指标都有很大提高。28第二章数据通信基础知识Networkingtechno;ogy屏蔽双绞线以铝箔屏蔽以减少干扰和串音需要配有支持屏蔽功能的特殊连接器和相应的安装技术。100m内可达155Mbps，但价格高。主要用于IBM网络产品（16Mbps速率)，并未普遍流行起来。29第二章数据通信基础知识Networkingtechno;ogy2.3.2同轴电缆30第二章数据通信基础知识Networkingtechno;ogy同轴电缆基带电缆特性阻抗50欧姆，主要用于传输数字信号，可作为计算机局域网的传输介质，速率可达10Mbps有可分为粗缆和细缆，粗