计算机网络综合ppt

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1、1.1 数字通信系统,信息（Information)-关于事物运动的状态和规律的表征. 数据（Data)-经信息技术处理的信息集合。 数字（Digital)-在此指信息处理方法（相对模拟）。 通信（Communication)-信息的传递过程.,第一章 数据通信基础,信息源本身发出的就是数字形式（离散化信息）的信号(比如电报、数据、指令)，那么不管用数字传输还是用模拟传输方式来传输这个信号的通信方式均可称为数据通信。,1.1.1 数字与模拟信号 模拟信号-取值是连续的. Y =f(t) TbtTe 数字信号-离散时刻，有限个取值. Yi =f(ti) t Ti, 模拟的语音，以8kHz采样，8

2、bit量化，做64kbps传输,1.1.2 数字通信的特点 1）抗噪声能力强 2）记录、处理过程不易失真 3）集成化，处理元件制造工艺相对简单，便宜 4）适合离散信息表示和相应处理方法（如加密,压缩） 5）占用带宽大,1.1.3 数字通信系统典型结构,噪声整个系统噪声与干扰的总折合，用以表征信息在信道中传输时遭受的 干扰情况。在任何通信系统中，干扰的性质与强弱都是影响系统性能的重要因素。,1.1.4 典型传输媒体/信道,双绞线（电话）适用于近距离、低速传输（几公里，几百kbps） 优点：使用方便、成本低，可利用资源较多。 缺点：损耗大，易受电磁干扰，可靠性差。（误码率10-3-10-4）,同轴

3、电缆 通信常采用的传输媒体，较双绞线高频损耗小，辐射小， 有屏蔽。高带宽、低误码率（误码率10-7-10-9）、成本适中。,光纤 信道容量大（107Mbps)，可容纳几百个低速传输（话音） 低误码率（10-9 _ 10-11 ) 抗电磁干扰 损耗小（可上千公里无中继） 适合远距离、高速、大容量应用。 性能优良的信息传输媒体。,中、短波数传电台 利用空间或电离层做媒体，较受环境环境因素制约 （气候、电磁干扰、多种衰落、频率管制等因素），传输速率较低。,微波 可利用频段范围宽，约30GHz。（长、中、短波合计30MHz） 受环境影响小（天电、工业噪声） 不大受地形限制（相对有线），适合野外应用。

4、方向性强（相互干扰小，可空分复用） 经济（较同轴便宜50%）,卫星 微波频段，可用带宽大。传输距离远（万公里）。覆盖面大。 典型应用有互联网、卫星电话等。,移动通信含个人移动通信、集群移动。 （传呼、移动电话、无线局域网络等） 20世纪80年代，基于FDMA的第一代模拟系统(1G) 20世纪90年代，基于TDMA和CDMA的第二代数字系统 目前，基于发展的宽带CDMA的数字第三代系统 (3G)。 提供数据速率为2Mbps(静态环境)的多媒体业务。,信道描述模型 1）加性噪声信道 r(t)=s(t)+n(t) s(t)发送信号 r(t)接收信号 n(t)噪声信号 衰减因子 常见加性噪声 1）人为

5、噪声：电器开关、工业。 2）自然噪声：自然界电磁辐射 3）系统内部噪声：热噪声、脉冲噪声等,2）线性滤波器信道 r(t)=s(t)*c(t)+n(t) s(t)发送信号 r(t)接收信号 n(t)噪声 c(t)滤波函数（也可为乘性干扰） 电话线路对传输信号的带宽有限制，采用有滤波器，,3）时变滤波器信道 r(t)=s(t)*c( ，t)+n(t) 用于反映： 1）信号衰落随时间变化 2）传输时延随时间变化 3）多径传播,信道容量 是指信道无错误传输的最大信息速率，常记为C。 （单位时间内信道上所能传输的最大信息量称为信息容量） 对于波形、无记忆信道，有给定带宽B，在B内有理想频率响应。信号受加

6、性高斯白噪声损伤。 r(t)=s(t)+n(t) 有,S 信号功率 N n0B, n0 单边带噪声功率谱密度,由香农定理分析 噪声是阻碍信息传输的重要因素 1）在带宽一定时，要提高信道容量，应减少N或增加S。 2）在S/ n0一定时，B即使趋于无限，C是有限的。 3）要保持C不变，用增加信号功率来减少带宽要求，代价大。 用增加带宽来减小信号功率，代价较小。,根据香农定理，还有以下结论： 信道容量为C，信源的信息速率为R，如果RC，总可以找到一种信道编码方法实现无误传输 若RC，则不可能实现无错传输,任何一个给定的信道都有一个最大的无错误信息传输速率C，如果实际的信息传输速率R小于C，则总可以找

7、到一种合适的编码方法，使错误率达到任意小；反之，如果实际的信息传输速率大于C，则不论采用什么编码方法，错误都不可避免。,例1：有一个经调制解调器传输数据信号的电话网信道，该信道带宽为3000Hz，信道噪声为加性高斯白噪声，其信噪比为20dB，求该信道的信道容量。 解：,1.1.5 数字通信系统评价指标 有效性 在给定的信道内能够传输消息的内容 可靠性 在给定的信道内接收信号的准确程度 适应性 标准性 经济性 维护使用,模拟通信系统的性能指标 有效性指标：用每路信号所需的传输带宽来衡量，带宽越窄，有效性越好； 可靠性指标：用输出信噪比来衡量，信噪比越大，可靠性越好。信噪比 （dB） 。 数字通信

8、系统的性能指标 1)有效性指标： 码元传输速率（传码率）RB：单位时间内传输的码元数量，单位是波特（Baud）。 RB=1/TB (波特,Baud) 信息传输速率（传信率）Rb：单位时间内传输的信息量，单位是bit/s，或bps(bit per second) Rb=RBlog2M 比特/秒 传信率与传码率之间的关系：对于M进制的码元，Rb= RBlogM。,16= 8 x log24,2）可靠性指标： 误码率PB=接收的错误码元数/发出的总码元数； 误比特率Pb=接收的错误比特数/发出的总比特数； 实际中往往是以趋于无穷大的发送量做统计依据,例：某数据通信系统调制速率为1200，采用8电平传

9、输，假设100秒误了1个比特，求误码率。设系统的带宽为600Hz,求频带利用率为多少。 解：数据传信速率为 误码率接收出现差错的比特数总的发送比特数 ,现代通信的发展,当今通信的热点 1、卫星通信 2、移动通信 3、多媒体通信 4、用户数据接入 5、全光网,1.2 数字信号基带传输,1.2.1 数字信号波形与频谱 典型二进制矩形（脉冲）信号,此类信号形式是一般数字系统普遍采用的，可看作是数字信号的一般形式。,g(t)=A -T/2tT/2,G()=AT(sin(T/2)/ (T/2),可有以下判断： 1.二进制矩形脉冲（序列）包含丰富的频率成分（所占频带成基本频带） 2.要不失真的传输此信号，

10、需要无穷大带宽。 3.若定义频谱曲线第1过零点为最小信号带宽（主瓣带宽），则脉冲越窄，要求频带越宽。 4.在有限带宽信道传输，不同频率成分衰减、延迟不一致，码元之间有串扰问题。,半功率带宽：信号f(t)一个频率区间，在该区间内的频率分量对f(t) 功率的贡献是整个信号功率的一半。 功率比例带宽,矩形信号在不同信道上的波形,原始 保真 可识别 不可识别,眼图-用于评估波形失真、传输质量,1.2.2 基带传输,以数字矩形（脉冲）波形形式传输。 未经调制的基带数字信号直接送往信道传输。,由于矩形脉冲（序列）包含丰富的频率成分。 存在对信道要求高的问题。对信道利用率不高。 在有限带宽信道上，存在频率衰

11、减不一致，相位延迟导致码间串扰 故多用于近距离传输场合（如局域网） 优点：利用数字部件，设备简单，便宜。,1.2.3 数据码与传输码 数据码（位流）实际中不一定有利于传输，为达到有效传输的目的，常将其变换成传输码。 如：有的信道可能有隔直电容或耦合变压器，对直流有隔离衰减。当数据码出现连续的“1”或“0”时，无法有效传输（以太网接口就有耦合变压器）。 再：为了串行传输，需要有同步信号，为减少信号线，希望传输码提供自同步信号。,不同形式的数字基带信号或码型具有不同的频谱结构，合理地设计数字基带信号以使数字信息变换为适合于给定信道传输特性的频谱结构是基带传输首先要考虑的问题。,传输码设计原则： 对

12、于传输频带低端受限的信道，一般来说线路传输码型的频谱中应不含直流分量。 尽量减少基带信号频谱中的高频分量，以便节省传输频带和减小串扰。 信号的抗噪声能力强，波型间相关性越小越好。产生误码时，在译码中不产生误码的扩散或误差的增值，如果有，也希望越小越好。 便于从信号中提取定时信息；若采用分组形式传输时，不但要从基带信号中提取位定时信息，而且要便于提取分组同步信息。 要求基带传输信号具有内在的检错能力。 编译码的设备应尽量简单。,二进制传输码,双极性不归零码 Bipolar Nonreturn-to-zero Coding 用正电平和负电平分别表示二进制数字“1”和“0”，在码元期间电平保持不变。

13、 当“1”和“0”等概率时，无直流。,单极性差分码 Unipolar Differential Coding 以电平跳变和不变表示数字信息，分为两种，若以电平跳变表示“1”，不变表示“0”，则称为传号差分码，或“1”差分码。,CMI码 数字“1”交替用正电平、负电平表示，而“0 ”用确定相位（01）的方波表示。 优点是无直流分量，波形跳变频繁，便于提取定时信号，并具有一定的检测错误的能力,曼彻斯特（Manchester）码（双相玛） 它用一个周期的方波表示“1”，而用它的反相波形表示“0”。它的编码规则可以看作是当输入“1”时固定输出“10”，当输入“0”时固定输出“01”，使编码后的传输速率

14、为编码前的原信号速率的两倍，占用的频带加倍。 有自同步能力。 无直流成分。 以太网普遍采用的编码形式。,以太网帧起始为 11111110 10010100 共63个“1”和1个“0”，以此来实现帧起始和同步,5B6B（mBnB)码 对5位的数据码，用6位传输码进行传输。 编码方法： 00000000111 00010110001 10011110101 11111111000,在6位的码组中挑选含3个“1”和3个“0”的码组，共20个。再选用4个“1”及2个“0”，2个“1”及4个“0”的12个码组。共32个，来表示5位（32种）数据码。 特点是“0”和“1”出现的基本概率相等。 常用于光纤传

15、输。高速以太网有采用。,设输入随机数字信息序列为an，可将它表示为输入波形序列 用它激励发送滤波器产生发送信号s(t)，通过传输函数为C()的信道传送时，受到加性噪声ni(t) 的干扰，再经传输函数为GR()的接收滤波器整形后得到的抽样器的输入信号波形r(t)。,1.2.4 基带传输系统中的码间串扰和噪声干扰,1.无码间串扰的条件,2.采用理想低通滤波器，在KTb时刻对h(t)抽样，可满足无码间串扰的条件，此时，频带利用率达理论极限2bit秒赫。,3.实际中，无法形成以上理想结果，多采用部分响应基带传输系统和均衡技术来改善接收能力。,1.3 数字信号频带传输,数字信号的频带传输，就是指以载波（

16、正弦）信号传输数字信息的传输形式。 1.3.1 数字信号调制的原理,1 0,?,脉冲方波含丰富频率成分，在有限带宽信道传递，不同频率成分衰减、延迟不一致。载波频率成分单纯。 采用不同频率载波信号，通过频率迁移，实现多路复用，即在带宽大的信道传输多路信号，有利于资源利用。 传输需要（如无线发射）。 实际中，数字信号频带传输被普遍采用。,用正弦波作载波，调制信号为数字信号的调制方式称为连续波数字调制。,1）二进制幅移键控(2ASK，Amplitude Shift Key） 在幅度键控中载波幅度是随着调制信号而变化的。最简单的形式是在单极性二进制数字信息序列的控制下，为1时发送载波，为零时不发送载波.,调制信号,g(t)为基带信号波形； Tb为码元间隔；an为发送数字序列的第n个二进制信息码元。,已调信号,ASK 与 AM 有什么不同？,2）二进制频移键控(