物理层及数据通信基础.

Chapter2物理层及数据通信基础数据处理系统+数据传输系统=数据通信系统2.1数据通信系统简介（1）2.1.1通信系统模型说明：信源：信息源，有模拟信号、数字信号信宿：信息的接收点变换：调制解调、多路复用、数据编码信道：信号的传输介质及有关的传输设备。噪声：信道中的噪声及分散在通信系统其它各处的噪声的集中表示信源信宿变换变换噪声信道2.1数据通信系统简介（2）2.1.2数据通信过程一般分为五个阶段：阶段一：数据通信线路的建立（建立物理连接）阶段二：建立数据传输链路（建立逻辑连接）阶段三：传送数据和控制信息阶段四：结束数据链路的连接（断开逻辑连接）阶段五：断开通信线路（断开物理连接）说明：并非所有通信过程都需要这五个阶段。如租用专用线的通信方式。2.1数据通信系统简介（3）2.1.3数据通信方式1按连接方式划分(1)点—点连接方式(2)多点连接方式(3)环形连接方式计算机M计算机M计算机MMTMTMT2按信息传送方向划分(1)单工通信方式信息只能单向传输，监视信号可回送。(2)半双工通信方式信息可以双向传输，但在某一时刻只能单向传输。AB数据监视信号AB数据监视信号(3)全双工通信方式信息可以同时双向传输，一般采用四线式结构。AB数据监视信号3按交换方式划分交换：在多结点通信网络中，为有效利用通信设备和线路，一般希望动态地设定通信双方间的线路。动态地接通或断开通信线路的过程，称为“交换”。主要的交换方式分为：电路交换报文交换存储转发方式分组交换（包交换）存储转发方式混合交换（1）电路交换（circuitswitching）原理：直接利用可切换的物理通信线路，连接通信双方。特点：在发送数据前，必须建立起点到点的物理通路；建立物理通路时间较长，数据传送延迟较短；（2）报文交换（messageswitching）原理：信息以报文（逻辑上完整的信息段）为单位进行存储转发。特点：(1)线路利用率高；(2)要求中间结点（网络通信设备）缓冲大；(3)延迟时间长。(3)分组交换（packetswitching）原理：信息以分组为单位进行存储转发。源结点把报文分为分组，在中间结点存储转发，目的结点把分组合成报文。分组：比报文还小的信息段，可定长，也可变长。特点：(1)延迟短，线路利用率高；(2)结点存储器利用率高；(3)易于重传，可靠性高；(4)易于开始新的传输，让紧急信息优先通过；(5)额外信息增加。分组交换分为：数据报（datagram）和虚电路（virtualcircuit）2.2数据通信原理和技术介绍（1）2.2.1数据通信的理论基础傅立叶分析任何一个周期为T的有理周期性函数g(t)可分解为若干项（可能无限多项）正弦与余弦函数之和：g(t)=c++其中：f=1/T基本频率an,bnn次谐波项的正弦和余弦振幅值)2sin(1nftann)2cos(1nftbnnan=bn=c=是直流分量讨论：*一个周期信号可以分解成无穷多个不同频率的正、余弦分量*反过来，当一个二进制序列脉冲通过信道传输，如果信道的带宽足够宽，则大量的频率成分能够通过，接收端的信号失真就小。如图所示：T2Tdttg0)(T2Tdtnfttg0)2sin()(Tdtnfttg0)2cos()(T22.2数据通信原理和技术介绍（2）2.2.2常用参数指标1.数据传输率波特率：每秒钟信号电平变化的次数，也称调制速率。单位为波特（Baud）比特率：每秒钟传送的二进制位数。单位为比特/秒记为：bit/s或bps波特率（baud）和比特率（bit）的关系：Rb=RBlog2L其中：Rb—比特率；RB—波特率；L：多进制电平数，一般为L=2N例如：一个传输系统采用四进制码元表示信号，即有四个电平，L=4，则Rb=2*RB。若波特率为1200波特，则比特率为2400bps。2.误码率二进制码元在传输系统中被传错的概率。设：传输的二进制码元总数为N，传错的码元数为Ne，则误码率为：Pe=Ne/N误码率是衡量系统可靠性的指标。3.带宽带宽：信道所能传输信号的频率范围。带宽由传输介质的电气特性及信道上传输设备与电路的频率特性综合决定。4.信道容量信道容量：信道所能达到的最大传输能力。单位：bit/s。(1)对无噪声有限带宽信道奈奎斯特（H.Nyquist）公式：C=2Hlog2L(bps)式中H：信道带宽；L：某时刻信号可能取的电平数例：某信道带宽为4KHz，数字信号可取0,1,2,3四种电平之一。则：C=2*4*log24=16Kbps(2)对有噪声有限带宽信道香农（C.Shannon）公式：C=Hlog2(1+S/N)(bps)式中H：信道带宽；Ｓ：信号功率；Ｎ：噪声功率例：某信道带宽为3000Hz，信噪比20dB，求此信道的最大传输速率。解：信噪比20dB，即：10lgS/N=20dB∴S/N=100则：C=3000*log2(1+100)≈19980(bps)≈20Kbps说明：(1)电话系统的典型信噪比一般能达到30dB;(2)此式是利用信息论得出的，具有普遍意义；(3)与信号电平级数、采样速度无关；(4)此式仅是上限，难以达到。2.2数据通信原理和技术介绍（3）2.2.3通信码通信码：数据传输系统中，将字符按一定的规则用二进制序列的代码表示。当这些代码用于交换信息时，称为信息交换码，或通信码。通信码的种类有：BCD码、ASCII码、EBCDIC码、国际2号五单位电传码、ISO/R646七单位码等。ASCII码ASCII码是对字符、数字和其它符号进行编码的一种规定。ASCII码中，前32个编码（十进制0到31）专门起控制作用。部分控制字符的涵义如下：•SOH（StartofHeader）：报文标题开始符，表示标题开始。•STX（StartofText）：正文开始符，表示标题结束和正文开始。•ETX（EndofText）：正文结束符，表示正文已发送完毕。•EOT（EndofTransmission）：传送结束符。•ACK（Acknowledge）：肯定符。•NAK（NegativeAcknowledge）：否定符。•DLE（DataLinkEscape）：数据链转义码控制符，用来改变有限数量的后续字符的含义。例如，使用上面的部分控制字符装配如下传输数据：SOH目的地址STX正文ETX校验EOT2.2数据通信原理和技术介绍（4）2.2.4基带传输和频带传输1.数字数据的数字传输（基带传输）基带：基本频带，指传输变换前所占用的频带，是原始信号所固有的频带。基带传输：在传输时直接使用基带信号基带传输是一种最简单最基本的传输方式，一般用低电平表示“0”，高电平表示“1”。限制：因基带信号所带的频率成分很宽，所以要求信道有较宽的带宽。※常用的几种编码方式：（对码波形编码）1）不归零制码（NRZ：Non-ReturntoZero）规则：用两种不同的电平分别表示二进制信息“0”和“1”。例如，低电平表示“0”，高电平表示“1”。缺点：(1)难以分辨一位的结束和另一位的开始；(2)发送方和接收方必须有时钟同步；(3)若信号中“0”或“1”连续出现，信号直流分量将累加。结论：不适宜作为传输码形。适宜与系统内部。2）曼彻斯特码（Manchester），也称相位编码规则：每一位中间都有一个跳变，从低跳到高表示“0”，从高跳到低表示“1”。优点：克服了NRZ码的不足。每位中间的跳变即可作为数据，又可作为时钟，能够自同步。3）差分曼彻斯特码（DifferentialManchester）规则：若本码周期前半个码元电平与上一个码周期后半个码元电平一样,则表示“1”；若两者电平相反，则表示“0”。特点：每个码周期的1/2处，有电平跳变。便于时钟提取，抗干扰能力强。10110011100时钟NRZManchester差分Manchester0T2T3T4T5T6T7T8T9T10T11T码周期t2.数字数据的模拟传输（频带传输）频带传输：指在一定频率范围内的线路上，进行载波传输。用基带信号对载波进行调制，使其变为适合于线路传送的信号。调制（Modulation）：用基带脉冲对载波信号的某些参量进行控制，使这些参量随基带脉冲变化。解调（Demodulation）：调制的反变换。2.2数据通信原理和技术介绍（5）2.2.5多路复用技术由于一条传输线路的能力远远超过传输一个用户信号所需的能力，为了提高线路利用率，经常让多个信号同时共用一条物理线路。常用的有三种方法：频分多路复用FDM（FrequencyDivisionMultiplexing）时分多路复用TDM（TimeDivisionMultiplexing）主要用于数字数据传输波分多路复用WDM（WavelengthDivisionMultiplexing）频分多路复用FDM示意图MUXCH1CH2CH3频分复用fCH2CH1CH3原始信号ffffffCH1CH2CH3调制后的信号时分多路复用TDM示意图A2A1A3原始信号D2D1D3数字化信号MUX复用后数据时隙1234D3D2D1波分多路复用WDM示意图2.2.6并行传输(parallel)与串行传输(serial)并行传输：多位数据同时传输的方式，如图(a)。计算机内部的数据多是并行传输。串行传输：数据一位一位地由源向目的地传输的方式，如图(b)。成本因素，远距离通信一般采用串行传输。b7b6b5b4b3b2b1b0b7b6b5b4b3b2b1b0b7b6b5b4b3b2b1b0b7b6b5b4b3b2b1b0b0b1b2b3b4b5b6b7串行信道并行信道(a)并行数据传输(b)串行数据传输2.2.7异步传输和同步传输数据通信的一个基本要求是接收方必须知道它所接收的每一位的开始时间和持续时间。满足上述要求的办法有两类：异步传输和同步传输。※异步传输工作原理：以字符作为数据单位进行传输，字符之间的传输间隔任意。为了标志字符的开始和结尾，在每个字符的开始加一位起始位，结尾加1位、1.5位或2位停止位，数据位的长度由不同的编码规则决定。如下图所示：起始位数据位0数据位1数据位2数据位3数据位4数据位5数据位6校验位停止位停止位字符2字符1字符3字符4┗─┳─┛┗┳┛┗┳┛任意间隔任意间隔任意间隔※同步传输工作原理：以若干字符组成的数据块作为数据单位进行传输。同步的方法是在数据块前面加特殊模式的位组合(如01111110)或同步字符(SYN)，并且通过位填充或字符填充技术保证数据块中的数据不会与同步字符混淆。SYNSYNBAX......SYN同步字符(一个或多个)01111110BAX......01111110同步位模式可变长度的位数据块可变长度的字符数据块2.3模拟传输和数字传输2.3.1数据和信号数据分为：模拟数据和数字数据模拟数据：在一定的数据区间内可连续取值的数据，即连续变化的数据。数字数据：只能取离散数值的数据。信号分为：模拟信号和数字信号信号发送方式：模拟信号发送（模拟信道）和数字信号发送（数字信道）利用模拟信号发送：利用数字信号发送：电话系统调制解调器MODEM模拟数据（声音）模拟信号模拟信号数字数据编码解码器CODEC数字编码解码器数字信号数字信号数字数据模拟数据2.3.2模拟传输※调制技术调制：利用调制信号对载波信号进行调制，使载波信号的某些量随调制信号的规律变化的过程。例如：普通调幅波t调制信号t载波信号t普通调幅波包络根据载波ASin(2πft+φ)的三个特性：幅度、频率、相位，产生常用的三种调制技术：调幅、调频、调相。数字调制：调制信号为数字信号的正弦波调制。利用模拟信道进行数据通信时要使用数字调制。分为：•幅移键控法Amplitude-shiftkeying(ASK)原理：用恒定幅值的载波的有或无分别代表“0”和“1”。•频移键控法Frequency-shiftkeying(FSK)原理：用两个不同频率的载波分别代表“0”和“1”。•相移键控法Phase-shiftkeying(PSK)原理：用载波的相位变化分别代表“0”和“1”。例如，前后