網(wǎng)絡(luò)通信_ch3_數(shù)據(jù)傳輸

1、1Bilingual CourseNetwork Communications網(wǎng)絡(luò)通信網(wǎng)絡(luò)通信(For Master Students in the Department of Electronic Engineering)Chapter 3 Data TransmissionInstructor: Dr. Tianshuang QiuSchool of the Electronic and Information EngineeringFall of 20102PART II DATA COMMUNICATIONSnPart II deals with the transfer of dat

2、a between two devices that are directly connected, that is, the two devices are linked by a single transmission path rather than a network.nFirst, we need to understand something about the process of transmitting signals across a communication link. Both analog and digital transmission techniques ar

3、e used. nThe transmission properties of the signal depends on which frequencies are involved. Also the type of impairments are dependent of frequency.nAgain the encoding technique is a factor in transmission performance.nReliability and efficiency.3第3章的主要內(nèi)容n各種形式的信息都可以用電磁信號來表示；各種形式的信息都可以用電磁信號來表示；n任何信

4、號（模擬、數(shù)字）都由一些頻率成分組成。任何信號（模擬、數(shù)字）都由一些頻率成分組成。信信號的帶寬越大，其攜帶信息的能力越強(qiáng)號的帶寬越大，其攜帶信息的能力越強(qiáng)；n傳輸損傷包括衰減、失真等，使信號質(zhì)量下降；傳輸損傷包括衰減、失真等，使信號質(zhì)量下降；n設(shè)計通信設(shè)施考慮下列因素：設(shè)計通信設(shè)施考慮下列因素：n信號的帶寬；信號的帶寬；n數(shù)據(jù)率；數(shù)據(jù)率；n噪聲；噪聲；n差錯率等級差錯率等級n帶寬是稀有資源，要充分利用。帶寬是稀有資源，要充分利用。43-1 Concepts and TerminologiesnExpressions of signalsnIn time domainnContinuous ti

5、me signal nDiscrete time signalnPeriodic signal nAperiodic signal nIn frequency domainnFourier series nFourier transformnDiscrete Fourier seriesnDiscrete time Fourier transformnDiscrete Fourier transformnFast Fourier transform)(tx)(nx)()(Ttxtx)()(NnxnxttxTaTtjkkde)(10ttxjXtjde)()(NnnjkkenxNa01mtjjen

6、xeX)(102)(NnNnkjenxkX5Relationsn連續(xù)非周期n離散周期)()()()()(zXsXeXjXaanxtxjkk6Analogue & Digital Signals7Examples of Signals and spectra (Figure 3.3, E.6)8Figure 3.49Figure 3.610Figure 3.511Other ConceptsnGuided media（導(dǎo)向媒體）n電磁波或電信號由導(dǎo)線引導(dǎo)沿某一物理路徑前進(jìn)，例如雙絞線（twisted pair），同軸電纜（coaxial cable），光纖（optical fiber）n

7、Unguided media（非導(dǎo)向媒體）n不限定傳播方向，例如真空（vacuum），空氣，海水等nDirect Link（直接鏈路）n指兩個設(shè)備之間直接傳輸?shù)穆窂絥Point-to-Point（點對點）n兩個設(shè)備之間有直接鏈路，且被二者共享nMultipoint （多點）n兩個以上設(shè)備共享同一媒體12The relations between the Bandwidth and the Data raten信號的帶寬：信號頻譜的最高頻率與最低頻率之差；n數(shù)據(jù)率：數(shù)據(jù)產(chǎn)生（傳輸）的速率；n二者的關(guān)系：n信號信號的數(shù)據(jù)率越高，其有效帶寬越寬；n系統(tǒng)系統(tǒng)的帶寬越寬，其所能傳輸?shù)臄?shù)據(jù)率越高。n數(shù)字波

8、形的帶寬是無限的，而媒體的帶寬不可能無限；n對于媒體，帶寬越寬，費用越高；n通常將數(shù)字信息近似為帶寬有限信號（參見Figure 3.7(c), in P.77）；n系統(tǒng)帶寬的限制，引起信號的失真，不易恢復(fù)，會引起差錯；n信號的數(shù)據(jù)率越高，信號的有效帶寬越寬；n若傳輸系統(tǒng)的帶寬越寬，則能夠傳輸?shù)臄?shù)據(jù)率越高。13n例n方波的周期：T=1/f1 (f1是基頻)n每個bit的持續(xù)時間為：Tb=T/2=1/2f1n數(shù)據(jù)率=2/T=2f1T1011415Examples (計算數(shù)據(jù)率計算數(shù)據(jù)率)nCase1: Seeing Figure 3.7(a) in P.77, the base frequency

9、 of the signal is f1=1MHz, the period is T=1us, and Tb=0.5us. Taking 5 harmonics, B=fmax-f1=4MHz. Then the data rate is R=1/Tb=2Mbps.nCase 2: Seeing Figure 3.7(a) in P.77, the base frequency of the signal is f1=2MHz, the period is T=0.5us, and Tb=0.25us. Taking 5 harmonics, B=10-2=8MHz. Then the dat

10、a rate is R=1/Tb=4Mbps.nCase3: Base frequency f1=2MHz, T=0.5us, Tb=0.25us. Taking 3 harmonics, B=fmax-f1=6-2=4MHz, then R=1/Tb=4Mbps（Tb為一個為一個bit信號波形的時間寬度信號波形的時間寬度）16系統(tǒng)帶寬系統(tǒng)帶寬對信號的影響對信號的影響17Figure 3.7183-2 Analog and Digital Data TransmissionnData: 傳達(dá)某種意義的實體nSignaling：信號沿適當(dāng)媒體的實際傳播動作nTransmission: 進(jìn)行數(shù)據(jù)通

11、信的過程nData-Signal模擬信號數(shù)字信號模擬數(shù)據(jù)直接傳輸模擬調(diào)制模擬數(shù)據(jù)由編解碼器產(chǎn)生數(shù)字bit流數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)經(jīng)Modem產(chǎn)生模擬信號基帶編碼19Analog Signals Carrying Analog and Digital Data20Digital Signals Carrying Analog and Digital Data21Signal-Transmission模擬傳輸數(shù)字傳輸模擬信號經(jīng)由放大器放大器傳輸,無論模擬數(shù)據(jù)還是數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù),處理方式相同假設(shè)這個模擬信號表示的是數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，信號通過再生器再生器傳播。在每個再生器上，根據(jù)入口信號恢復(fù)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，并用它來生生成新的輸

12、出模擬信號成新的輸出模擬信號。數(shù)字信號不使用數(shù)字信號表示的是0，1比特流，它代表了數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)或者是經(jīng)過編碼的模擬數(shù)據(jù)。信號經(jīng)過再再生器生器傳播。在每個再生器上，根據(jù)入口信號恢復(fù)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，并用它來生成新的輸出數(shù)字信生成新的輸出數(shù)字信號號。22Video Interlacing Signals2324Spectrum of Speech and Music (Figure 3.9)253-3 Transmission Impairments(傳輸損傷傳輸損傷)nAttenuationn信號強(qiáng)度隨傳輸距離減弱（dB/單位距離）。由于衰減，傳輸工程需要考慮三個問題：n接收信號需要有足夠的強(qiáng)度（采用放大器

13、、轉(zhuǎn)發(fā)器解決）；n信號電平需要高于噪聲電平（保證一定的信噪比）；n由于頻率越高，衰減越嚴(yán)重，故需考慮信號的高頻分量問題（解決方法：均衡技術(shù)，改善信道的特性，盡可能滿足線性相位）。nDelay Distortionn對于導(dǎo)向媒體，信號的傳輸速度隨頻率變化。n對于頻帶有限的信號，在靠近中心頻率處的傳播速度最快，而兩側(cè)較慢。（參見圖3.12, P.91）26Attenuation of Digital Signals27Conversion of Voice Input into Analog Signal28Conversion of PC Input to Digital Signal2930N

14、oisesnClassification nThermal noise: 導(dǎo)體內(nèi)電子熱運動引起，是無法消除的白噪聲nIntermodulation noise: 由不同頻率的信號共享一個傳輸媒體而引起（非線性效應(yīng)），其結(jié)果是產(chǎn)生額外的信號nCrosstalk: 是不希望有的信道之間的耦合現(xiàn)象。載有多路信號的相鄰雙絞線之間發(fā)生電耦合。例如打電話時聽到了別人的談話。nImpulse noise: 由非連續(xù)的、不規(guī)則的脈沖或噪聲尖峰所組成，持續(xù)時間短而振幅大，由外部電磁干擾（雷電）及通信系統(tǒng)本身故障引起。31The Calculation of Thermal Noisesn1Hz帶寬內(nèi)的熱噪聲值n

15、帶寬為B時，n 為噪聲功率密度，單位為n 為玻爾茲曼常數(shù)n若對N 取以10為底的對數(shù)再乘以10，則單位為dBW,nExamplen在室溫T=17C（290K）時，噪聲功率密度為0(W /Hz)NkT0N(W/Hz)231.3803 10(J/K )k0(W)N kTB N BBTBTkNkTBNBNlog10log10dBW6 .228log10log10log10WHz,dBW/Hz204W/Hz104290)1038. 1 (21230瓦表示為或者用分貝表示為帶寬內(nèi)的熱噪聲用由于噪聲是寬帶的32nExamplen對于一個有效噪聲溫度為100K，帶寬為10MHz的接收器，其輸出端的熱噪聲電平

16、為dBW6 .13870206 .22810log1010log10dBW6 .22872N33Analog TransmissionnAnalog signal transmitted without regard to content;nMay be analog or digital data;nAttenuated over distance ;nUse amplifiers to boost signal;nAlso amplifies noise34Digital TransmissionnConcerned with content;nIntegrity endangered b

17、y noise, attenuation etc.;nRepeaters used;nRepeater receives signal;nExtracts bit pattern;nRetransmits;nAttenuation is overcome;nNoise is not amplified35Advantages of Digital TransmissionnDigital technologynLow cost LSI/VLSI technologynData integritynLonger distances over lower quality linesnCapacit

18、y utilizationnHigh bandwidth links economicalnHigh degree of multiplexing easier with digital techniquesnSecurity & PrivacynEncryptionnIntegrationnCan treat analog and digital data similarly363-4 Channel Capacityn信道容量信道容量n在給定條件下，某一通信信道上所能達(dá)到的最大數(shù)據(jù)傳輸速在給定條件下，某一通信信道上所能達(dá)到的最大數(shù)據(jù)傳輸速率稱為率稱為信道容量。信道容量。n其他相關(guān)概

19、念其他相關(guān)概念nData rate: 是指數(shù)據(jù)能夠通信的速率，用是指數(shù)據(jù)能夠通信的速率，用bps表示。表示。nBandwidth：是指在發(fā)送器和傳輸媒體的特性限制下的帶寬，：是指在發(fā)送器和傳輸媒體的特性限制下的帶寬，用用Hz表示。表示。nNoise：通信通路上的平均噪聲電平。：通信通路上的平均噪聲電平。nError rate：這里的差錯是指發(fā)送的：這里的差錯是指發(fā)送的0而接收的為而接收的為1，或者相，或者相反。反。37Nyquist Bandwidth n在無噪聲的條件下，若系統(tǒng)的帶寬為在無噪聲的條件下，若系統(tǒng)的帶寬為B，則最大可承載的信號傳，則最大可承載的信號傳輸速率為輸速率為2B 。n對于

20、對于二進(jìn)制信號二進(jìn)制信號，B Hz帶寬所能承載的數(shù)據(jù)率為帶寬所能承載的數(shù)據(jù)率為2B bps。n對于對于M進(jìn)制的信號進(jìn)制的信號（即每個信號單元可代表多個（即每個信號單元可代表多個bit），），Nyquist Bandwidth為：為：nExample 已知已知:B=3100Hz, M=8, 求求C=？ 解：解：C=2Blog2M=2*3100*log28=18600 bpsnNyquist公式的缺點：沒有考慮噪聲對信道的影響。但是實際上，公式的缺點：沒有考慮噪聲對信道的影響。但是實際上，噪聲對數(shù)據(jù)率、誤碼率均有影響。噪聲對數(shù)據(jù)率、誤碼率均有影響。 （對照香農(nóng)公式：）（對照香農(nóng)公式：）)bps(l

21、og22MBC 38Shannon Channel CapacitynNyquist公式的缺點公式的缺點n沒有考慮噪聲對信道的影響。n實際上，噪聲對數(shù)據(jù)率、誤碼率等均有影響n噪聲對傳輸?shù)挠绊懀ɡ娤马摚﹏信噪比的定義：n香農(nóng)公式：)(log10SNR)(10dBnsPP)Hz()bps(,)dB()SNR1 (log2信道帶寬信道容量式中BCBC39NyquistNyquistn奈奎斯特（奈奎斯特（Harry Nyquist），美國物理學(xué)家，），美國物理學(xué)家，1889年出生在年出生在瑞典。瑞典。1976年在德克薩斯逝世，他對年在德克薩斯逝世，他對信息信息論做出了重大的貢獻(xiàn)。論做出了重大的貢獻(xiàn)

22、。n奈奎斯特奈奎斯特1907年移民到美國并于年移民到美國并于1912年進(jìn)入北達(dá)克塔大學(xué)年進(jìn)入北達(dá)克塔大學(xué)學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)。1917年在耶魯大學(xué)獲得物理學(xué)博士學(xué)位。年在耶魯大學(xué)獲得物理學(xué)博士學(xué)位。1917年年1934年在年在AT&T公司工作，后轉(zhuǎn)入貝爾電話實驗室工作。作為貝爾電話實公司工作，后轉(zhuǎn)入貝爾電話實驗室工作。作為貝爾電話實驗室的工程師，在熱噪聲驗室的工程師，在熱噪聲(Johnson-Nyquist noise)和反饋放大和反饋放大器穩(wěn)定性方面做出了很大的貢獻(xiàn)。他早期的理論性工作是關(guān)于確器穩(wěn)定性方面做出了很大的貢獻(xiàn)。他早期的理論性工作是關(guān)于確定傳輸信息的需滿足的帶寬要求，為后來香農(nóng)的信息論

23、奠定了基定傳輸信息的需滿足的帶寬要求，為后來香農(nóng)的信息論奠定了基礎(chǔ)。礎(chǔ)。1927年年，奈奎斯特確定了如果對某一帶寬的有限時間連續(xù)，奈奎斯特確定了如果對某一帶寬的有限時間連續(xù)信號（模擬信號）進(jìn)行抽樣，且在抽樣率達(dá)到一定數(shù)值時，根據(jù)信號（模擬信號）進(jìn)行抽樣，且在抽樣率達(dá)到一定數(shù)值時，根據(jù)這些抽樣值可以在接收端準(zhǔn)確地恢復(fù)原信號。為不使原波形產(chǎn)生這些抽樣值可以在接收端準(zhǔn)確地恢復(fù)原信號。為不使原波形產(chǎn)生“半波損失半波損失”，采樣率至少應(yīng)為信號最高頻率的兩倍，這就是著，采樣率至少應(yīng)為信號最高頻率的兩倍，這就是著名的奈奎斯特采樣定理。名的奈奎斯特采樣定理。1954年，他從貝爾實驗室退休。年，他從貝爾實驗室退休。 40Shan