第2章 数据通信基础

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1、第 2 章 数据通信基础,2.1 数据通信的基本概念 2.2 信道特性 2.3 传输介质 2.4 数据编码 2.5 数字调制技术,第 2 章 数据通信基础（续）,2.6 脉冲编码调制 2.7 扩频通信 2.8 通信方式和交换方式 2.9 多路复用技术 2.10 差错控制,2.1 数据通信的基本概念 2.1.1 数据通信系统的模型,调制解调器,PC 机,公用电话网,调制解调器,数字比特流,数字比特流,模拟信号,模拟信号,输入 汉字,显示 汉字,PC 机,几个术语,信号(signal)数据的电气的或电磁的表现。 源点源点设备产生的要传输的数据，例如，从PC机的键盘输入的汉字、PC机产生输出的数字比

2、特流。源点又称为信源。 发送器通常源点生成的数字比特流要通过发送器编码后才能在传输系统中进行传输。典型的发送器就是调制器。现在很多PC机使用内置的调制解调器(包含调 制器和解调器)，用户在PC机外面看不见调制解调器。,几个术语,接收器接收传输系统传送过来的信号，并把它转换为能够被目的设备处理的信息。典型的接收器就是解调器，它把来自传输线路上的模拟信号进行解调，提取出 在送端置入的消息，还原出发送端产生的数字比特流。 终点终点设备从接收器攻取传送来的数据比特流，然后把信息输出（例如，把汉字在PC机屏幕上显示出来）。终点又称为信宿。,几个术语,模拟信号(analogous data)表示连续变化的

3、物理量，如声音大小、光的强弱、电流、电压等。 数字信号(data digital)表示离散不连续的量，如二进制信息“0”、“1”等。 在使用时间域(或间称为时域)的波形表示数字信号时，则代表不同离散数值的基本波形就称为码元。在使用二进制编码时，只有两种不同的码元，一种代表0状态而另一种代表1状态。 码元(code)在使用时间域（或简称为时域）的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形。,2.1.2 有关信号的几个基本概念,信道（channel）和电路并不等同。它一般都是用来表示向某一个方向传送信息的媒体。因此，一条通信电路往往包含一条发送信道和一条接收信道。,2.1.2 有关信号的几个基

4、本概念,单向通信（单工通信）只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。 双向交替通信（半双工通信）通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送(当然也就不能同时接收)。 双向同时通信（全双工通信）通信的双方可以同时发送和接收信息。,基带(baseband)信号和 带通(band pass)信号,基带信号（即基本频带信号）来自信源的信号。像计算机输出的代表各种文字或图像文件的数据信号都属于基带信号。 基带信号往往包含有较多的低频成分，甚至有直流成分，而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量。因此必须对基带信号进行调制(modulation)。 带通信号把基带信号经过载波调制后，把信号的频率范围搬

5、移到较高的频段以便在信道中传输（即仅在一段频率范围内能够通过信道）。,几种最基本的调制方法,基带信号往往包含有较多的低频成分，甚至有直流成分，而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量。为了解决这一问题，就必须对基带信号进行调制(modulation)。 最基本的二元制调制方法有以下几种： 调幅(AM)：载波的振幅随基带数字信号而变化。 调频(FM)：载波的频率随基带数字信号而变化。 调相(PM) ：载波的初始相位随基带数字信号而变化。,对基带数字信号的几种调制方法,0,1,0,0,1,1,1,0,0,基带信号,调幅,调频,调相,正交振幅调制 QAM (Quadrature Amplitude

6、 Modulation),r,(r, ),可供选择的相位有 12 种， 而对于每一种相位有 1 或 2 种振幅可供选择。,由于4 bit 编码共有16 种不同的 组合，因此这 16 个点中的每个 点可对应于一种 4 bit 的编码。,若每一个码元可表示的比特数越多，则在接收端进行 解调时要正确识别每一种状态就越困难。,举例,课件制作人：叶安新,2.2 信道特性,2.2.1 信道的带宽 模拟信号的带宽如下图所示，信道带宽W=f1-f2,图2-2 模拟信道的带宽,课件制作人：叶安新,2.2 信道特性,信道的带宽决定了信道中能不失真地传输的脉冲序列的最高速率。一个数字脉冲称为一个码元，用码元的速率表

7、示单位时间内信号波形的变换次数，若一个信号码元宽度 为T秒，即码元速率B=1/T。码元速率的单位叫波特（Baud），所以码元速率好叫波特率。,课件制作人：叶安新,2.2 信道特性,早在1924年，贝尔实验室的研究员亨利尼奎斯特(Harry Nyquist)就推导出了有限带宽无噪声信道的极限波特率，称为尼奎斯特定理。若信道带宽为W，则尼奎斯特定理指出最大码元速率为 B=2W（ Baud ）,课件制作人：叶安新,2.2 信道特性,一个码元携带的信息量n(位)与码元的种类数N有如下关系: n=log2N (N=2n) 例如，假定我们的基带信号是: 101011000110111010 如果直接传送，

8、则每一个码元所携带的信息量是1 bit。,课件制作人：叶安新,2.2 信道特性,课件制作人：叶安新,2.2 信道特性,课件制作人：叶安新,2.2 信道特性,任何实际的信道都不是理想的，在传输信号时会产生各种失真以及带来多种干扰。 码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远，在信道的输出端的波形的失真就越严重。,数字信号通过实际的信道,有失真，但可识别 失真大，无法识别,实际的信道 （带宽受限、有噪声、干扰和失真）,发送信号波形,接收信号波形,课件制作人：叶安新,香农定理,香农(Shannon)用信息论的理论推导出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限、无差错的信息传输速率。 信道的极限信息传输

9、速率 C 可表达为 C = W log2(1+S/N) b/s W 为信道的带宽（以 Hz 为单位）； S 为信道内所传信号的平均功率； N 为信道内部的高斯噪声功率。,课件制作人：叶安新,香农公式表明,信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高。 只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定可以找到某种办法来实现无差错的传输。 若信道带宽 W 或信噪比 S/N 没有上限（当然实际信道不可能是这样的），则信道的极限信息传输速率 C 也就没有上限。 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。,课件制作人：叶安新,请注意,对于频带宽度已确定的信道，如果信噪

10、比不能再提高了，并且码元传输速率也达到了上限值，那么还有办法提高信息的传输速率。这就是用编码的方法让每一个码元携带更多比特的信息量。,课件制作人：叶安新,2.2.2 误码率,课件制作人：叶安新,2.2.3 信道延迟,信号在信道中传播，从源端到达宿端需要一定的时间。这个时间与源端和宿端的距离有关，也与具体信道中的信号传播速度有关。,课件制作人：叶安新,2.2.3 信道延迟,以后考虑的信号主要是电信号，这种信号一般以接近光速的速度(300000Km/S)传播，但随传输介质的不同而略有差别。例如，在电缆中的传播速度一般为光速的77%，即 230000Km/S 。,课件制作人：叶安新,2.3 传输介质

11、,传输媒体也称为传输介质或传输媒介，它就是数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路。传输媒体可分为两大类，即导向传输媒体和非导向传输媒体。在导向传输媒体中，电磁波被导向沿着固体媒体(铜线或光纤)传播，而非导向传输媒体就是指自由空间，在非导向传输媒体中电磁波的传输常称为无线传输。下图是电信领域使用的电磁波的频谱。,课件制作人：叶安新,2.3 传输介质,无线电,微波,红外线,可见光,紫外线,X射线,射线,双绞线,同轴电缆,卫星,地面微波,调幅 无线电,调频 无线电,海事 无线电,光纤,电视,LF,MF,HF,VHF,UHF,SHF,EHF,THF,波段,104 105 106 107 108

12、109 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016,100 102 104 106 108 1010 1012 1014 1016 1018 1020 1022 1024,移动 无线电,电信领域使用的电磁波的频谱,课件制作人：叶安新,2.3.1 导向传输媒体,双绞线 屏蔽双绞线 STP (Shielded Twisted Pair) 无屏蔽双绞线 UTP (Unshielded Twisted Pair) 同轴电缆 50 同轴电缆 75 同轴电缆 光缆,课件制作人：叶安新,各种电缆,铜线,铜线,聚氯乙烯 套层,聚氯乙烯 套层,屏蔽层,绝缘层,绝缘层,外导体屏蔽层,绝缘

13、层,绝缘保护套层,内导体,无屏蔽双绞线 UTP,屏蔽双绞线 STP,同轴电缆,双绞线 实物图,课件制作人：叶安新,表2-1 计算机综合布线使用的双绞线,课件制作人：叶安新,光线在光纤中的折射,折射角,入射角,包层 （低折射率的媒体）,包层 （低折射率的媒体）,纤芯 （高折射率的媒体）,包层,纤芯,课件制作人：叶安新,光纤的工作原理,高折射率 (纤芯),低折射率 (包层),光线在纤芯中传输的方式是不断地全反射,课件制作人：叶安新,多模光纤与单模光纤,多模光纤,课件制作人：叶安新,2.3.2 非导向传输媒体,无线传输所使用的频段很广。 短波通信主要是靠电离层的反射，但短波信道的通信质量较差。 微波

14、在空间主要是直线传播。 地面微波接力通信 卫星通信,课件制作人：叶安新,2.4 数据编码,二进制数字信息在传输过程中可以采用不同的代码，各种代码的抗噪声特性和定时能力各不相同，实现费用也不一样。下面介绍几种常用的编码方案，如图2-9所示。,课件制作人：叶安新,2.4 数据编码,课件制作人：叶安新,1.单极性码,在这种编码方案中，只用正的(或负的)电压表示数据。例如，在图2-9中用+3 V表示二进制数字“0“，而用0V表示二进制数字“1“。单极性码用在电传打字机(TTY)接口以及PC与TTY兼容的接口中，这种代码需要单独的时钟信号配合定时，否则，当传送一长串0或1时，发送机和接收机的时钟将无法定

15、时，单极性码的抗噪声特性也不好。,课件制作人：叶安新,2.极性码,在这种编码方案中，分别用正和负电压表示二进制数+3 V表示二进制数字“0”，而用一V表示二进制数字“1”而抗干扰特性好，但仍然需要另外的时钟信号。这种代码的电平差比单极码大，因而抗干扰特性好，但仍然需要另外的时钟信号。,课件制作人：叶安新,3.双极性码,在双极性编码方案中，信号在三个电平(正、负、零)之间变化。一种典型的双极性码就是所谓的信号交替反转编码(Alternate Mark Inversion AMI )。在AMI信号中，数据流中遇到“1”时使电平在正和负之间交替翻转，而遇到“0”时则保持零电平。,课件制作人：叶安新,4.归零码,在归零码(Return to Zero RZ)中，码元中间的信号回归到零电平，因此任意两个码元之间被零电平隔开。与以上仅在码元之间有电平转换的编码方案相比，这种编码方案有更好的噪声抑制特性。因为噪声对电平的干扰比对电平转换的干扰要强，而这种