Ch2 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)知識(shí) (2)課件

第二章數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)2.1概念和術(shù)語(yǔ)2.2數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)理論2.3傳輸介質(zhì)2.4編碼與調(diào)制2.5復(fù)用2.6調(diào)制解調(diào)器2.7物理層接口傳輸系統(tǒng)輸入信息輸入數(shù)據(jù)發(fā)送的信號(hào)接收的信號(hào)輸出數(shù)據(jù)源點(diǎn)終點(diǎn)發(fā)送器接收器調(diào)制解調(diào)器PC機(jī)公用電話(huà)網(wǎng)調(diào)制解調(diào)器數(shù)字比特流數(shù)字比特流模擬信號(hào)模擬信號(hào)正文正文數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)源系統(tǒng)目的系統(tǒng)傳輸系統(tǒng)輸出信息PC機(jī)物理層的基本概念物理層的主要任務(wù)描述為確定與傳輸媒體的接口的一些特性，即：機(jī)械特性指明接口所用接線(xiàn)器的形狀和尺寸、引線(xiàn)數(shù)目和排列、固定和鎖定裝置等等。電氣特性指明在接口電纜的各條線(xiàn)上出現(xiàn)的電壓的范圍。功能特性指明某條線(xiàn)上出現(xiàn)的某一電平的電壓表示何種意義。規(guī)程特性指明對(duì)于不同功能的各種可能事件的出現(xiàn)順序。

極低頻ELF(ExtremelyLowFrequency)3-30Hz超低頻SLF(SuperLowFrequency)30-300Hz特低頻ULF(UltraLowFrequency)300-3000Hz甚低頻VLF(VeryLowFrequency)3-30KHz低頻LF(LowFrequency)30-300KHz中頻MF(MediumFrequency)300-3MHz高頻HF(HighFrequency)3-30MHz甚高頻VHF(VeryHighFrequency)30-300MHz特高頻UHF(UltraHighFrequency)300-3000MHz超高頻SHF(SuperHighFrequency)3-30GHz極高頻EHF(ExtremelyHighFrequency)30-300GHz2.1概念和術(shù)語(yǔ)2.1.1數(shù)據(jù)2.1.2信號(hào)2.1.3傳輸2.1.4傳輸方式2.1.1數(shù)據(jù)信息：客觀(guān)事物屬性和相互關(guān)系的表征數(shù)據(jù)：信息的表現(xiàn)信息是在人們之間傳遞的知識(shí)，數(shù)據(jù)是信息的具體表現(xiàn)形式，其本身是各種各樣的物理符號(hào)或它們的組合2.1.2信號(hào)信號(hào)信號(hào)是數(shù)據(jù)的電子或電磁編碼，數(shù)據(jù)必須經(jīng)過(guò)編碼轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后才能在傳輸介質(zhì)中傳輸模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)模擬的和數(shù)字的數(shù)據(jù)、信號(hào)模擬數(shù)據(jù)模擬信號(hào)放大器調(diào)制器模擬數(shù)據(jù)數(shù)字信號(hào)

PCM編碼器數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)模擬信號(hào)調(diào)制器數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)數(shù)字信號(hào)數(shù)字發(fā)送器信道信道與電路并不等同，信道表示信號(hào)的通路，一般是用來(lái)表示向某一個(gè)方向傳輸信息的媒體一條通信電路往往包含一條發(fā)送信道和一條接收信道信道與傳輸介質(zhì)也是有區(qū)別的傳輸介質(zhì)是指用于連接兩個(gè)或多個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的物理傳輸線(xiàn)路

通信信道建立在傳輸介質(zhì)之上包括傳輸介質(zhì)和通信設(shè)備

差錯(cuò)率/誤碼率由于噪聲的影響和信道帶寬的限制，信號(hào)可能發(fā)生失真.差錯(cuò)率/誤碼率：傳輸比特總數(shù)與其中出錯(cuò)比特?cái)?shù)的比值

Pe=出錯(cuò)比特?cái)?shù)傳輸/比特總數(shù)例：傳輸10000bit,有2bit出錯(cuò)，Pe＝2/10000差錯(cuò)率越高表示信道的質(zhì)量越差

信道的差錯(cuò)率與信號(hào)的傳輸速率和傳輸距離成正比數(shù)字信號(hào)通過(guò)實(shí)際的信道失真不嚴(yán)重失真嚴(yán)重實(shí)際的信道（帶寬受限、有噪聲、干擾和失真）輸入信號(hào)波形輸出信號(hào)波形(失真不嚴(yán)重)輸入信號(hào)波形實(shí)際的信道（帶寬受限、有噪聲、干擾和失真）輸出信號(hào)波形(失真嚴(yán)重)2.1.4傳輸方式并行傳輸和串行傳輸串行（serial）通訊，每個(gè)字符的二進(jìn)制位按位排列進(jìn)行傳輸，速度慢，但傳輸距離相對(duì)較遠(yuǎn)，鼠標(biāo)口和USB口都是串行端口；并行（parallel）通訊，每個(gè)字符的二進(jìn)制位使用多條數(shù)據(jù)線(xiàn)同時(shí)進(jìn)行傳輸，傳輸速度相對(duì)要快些，但傳輸距離相對(duì)不能太遠(yuǎn)，計(jì)算機(jī)內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸一般都是采用這種方法，標(biāo)準(zhǔn)打印口是屬并行端口異步方式和同步方式異步傳輸以字符為獨(dú)立的傳輸單位。同步傳輸時(shí)，數(shù)據(jù)塊以穩(wěn)定的比特流的形式傳輸字符內(nèi)部的各個(gè)比特采用固定的時(shí)間模式，每個(gè)字符獨(dú)立傳輸，字符之間間隔任意，用獨(dú)特的起始位和終止位來(lái)限定每個(gè)字符。傳輸效率較低起終始止位11101010位

線(xiàn)路空閑

線(xiàn)路空閑起始位一個(gè)字符下一字符異步傳輸舉例2.2數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)理論話(huà)音信號(hào)話(huà)音信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)帶寬為300Hz～3400Hz音樂(lè)信號(hào)（CD音質(zhì)）要求的帶寬是20Hz~20KHz電視信號(hào)(PAL或NTSC制式)電視信號(hào)的帶寬約為4.2MHz二進(jìn)制信號(hào)(數(shù)字信號(hào))一般說(shuō)來(lái)，任何數(shù)字信號(hào)都具有無(wú)限帶寬，但它們不得不被近為有限帶寬信號(hào)數(shù)字信號(hào)的帶寬依賴(lài)于“0”、“1”序列以及編碼方式計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的速率計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中信號(hào)的速率涉及三種：傳播速率；調(diào)制速率；數(shù)據(jù)傳輸率信號(hào)的傳播速率是常量傳播速率，是一個(gè)常量，與光速聯(lián)系調(diào)制速率也稱(chēng)為碼元速率、波形速率或信號(hào)速率指的是每秒種發(fā)送信號(hào)的數(shù)目，單位為波特(baud)數(shù)據(jù)傳輸率為每秒種發(fā)送的二進(jìn)制位數(shù)單位為bps，讀作每秒位。調(diào)制速率與數(shù)據(jù)傳輸率之間的關(guān)系為：

C=Blog2N(bps)其中：C為數(shù)據(jù)傳輸率；B為調(diào)制速率；N為一個(gè)信號(hào)可能取值的個(gè)數(shù)

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的帶寬是指網(wǎng)絡(luò)可通過(guò)的最高數(shù)據(jù)率，即每秒多少比特。描述帶寬也常常把“比特/秒”省略。例如，帶寬是10M，實(shí)際上是10Mb/s。這里的M是106。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的帶寬2.3傳輸介質(zhì)2.3.1雙絞線(xiàn)2.3.2同軸電纜2.3.3光纖2.3.4無(wú)線(xiàn)介質(zhì)2.3.1雙絞線(xiàn)屏蔽雙絞線(xiàn)STP（IBM）非屏蔽雙絞線(xiàn)UTP（EIA/TIA）1類(lèi)——用于電話(huà)通信，一般不適合傳輸數(shù)據(jù)。2類(lèi)——可用于傳輸數(shù)據(jù)，最大數(shù)據(jù)率為4Mbps。3類(lèi)——用于以太網(wǎng)，最大數(shù)據(jù)率為10Mbps。4類(lèi)——用于令牌環(huán)網(wǎng)，最大數(shù)據(jù)率為16Mbps。5類(lèi)——用于快速以太網(wǎng)，最大數(shù)據(jù)率為100Mbps。6類(lèi)——用于吉比特以太網(wǎng)，最大數(shù)據(jù)率為1Gbps。雙絞線(xiàn)圖示銅線(xiàn)銅線(xiàn)聚氯乙烯套層聚氯乙烯套層屏蔽層絕緣層絕緣層無(wú)屏蔽雙絞線(xiàn)UTP屏蔽雙絞線(xiàn)STP2.3.2同軸電纜基帶電纜（10Mbps）粗纜非中繼傳輸距離500米需要使用收發(fā)器和收發(fā)電纜AUI接口細(xì)纜（便宜的同軸電纜）非中繼傳輸距離185米BNC接口寬帶電纜（CATV電纜）CableModem（寬帶接入）同軸電纜圖示同軸電纜50

同軸電纜75

同軸電纜2.3.3光纖帶寬頻率范圍：180~370THz數(shù)據(jù)率：160*10Gbps=1.6Tbps原因：光/電、電/光轉(zhuǎn)換的速度跟不上光電子技術(shù)/光子技術(shù)通過(guò)光纖中光的波長(zhǎng)0.85μm/1.3μm/1.55μm(250~300THz)光反射原理折射角入射角包層（低折射率的媒體）包層（低折射率的媒體）纖芯（高折射率的媒體）包層纖芯光纖及光纜構(gòu)成單模光纖和多模光纖單模光纖（single-modefiber）使用激光源內(nèi)芯直徑較小直徑為8～10μm多模光纖（multi-modefiber）使用發(fā)光二極管內(nèi)芯直徑稍大（外徑為125μm）直徑為62.4μm輸入脈沖輸出脈沖單模光纖多模光纖與單模光纖輸入脈沖輸出脈沖多模光纖單模光纖與多模光纖的比較光纖的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)高帶寬、高數(shù)據(jù)率安全、可靠抗腐蝕衰減小2.3.4無(wú)線(xiàn)介質(zhì)無(wú)線(xiàn)介質(zhì)是指信號(hào)通過(guò)空氣傳輸，信號(hào)不被約束在一物理導(dǎo)體內(nèi)無(wú)線(xiàn)介質(zhì)實(shí)際上就是無(wú)線(xiàn)傳輸系統(tǒng)，主要包括無(wú)線(xiàn)電微波紅外線(xiàn)和激光衛(wèi)星通信無(wú)線(xiàn)介質(zhì)只能傳輸模擬信號(hào)（高頻載波信號(hào)）無(wú)線(xiàn)電波（1）無(wú)線(xiàn)電通信就是利用地面發(fā)射的無(wú)線(xiàn)電波通過(guò)電離層的反射而到達(dá)接收端的一種遠(yuǎn)距離通信方式。無(wú)線(xiàn)電通信使用的頻率一般在3MHz至1GHz。無(wú)線(xiàn)電波的傳播特性與頻率有關(guān)。在低頻上，無(wú)線(xiàn)電波能輕易地繞過(guò)一般障礙物，但其能量隨著傳播距離的增大而急劇遞減。在高頻上，無(wú)線(xiàn)電波趨于直線(xiàn)傳播并易受障礙物的阻擋，還會(huì)被雨水吸收。無(wú)線(xiàn)電波（2）微波微波通信是利用無(wú)線(xiàn)電波在對(duì)流層的視距范圍內(nèi)進(jìn)行信息傳輸?shù)囊环N通信方式，它使用的頻率范圍一般在1GHz至20GHz左右。由于微波只能沿直線(xiàn)傳播，所以微波的發(fā)射天線(xiàn)和接收天線(xiàn)必須精確對(duì)準(zhǔn)，而且每隔一段距離就需要一個(gè)中繼站。中繼站之間的距離與微波塔的高度成正比例。對(duì)于100m高的微波塔，中繼站之間的距離可以達(dá)到80km。

紅外線(xiàn)紅外系統(tǒng)采用發(fā)光射二極管LED、激光二極管ILD發(fā)射的紅外線(xiàn)來(lái)進(jìn)行站與站之間的數(shù)據(jù)交換。點(diǎn)到點(diǎn)紅外系統(tǒng)廣播式紅外系統(tǒng)*2.4編碼與調(diào)制2.4.1數(shù)字－數(shù)字編碼2.4.2模擬－數(shù)字編碼2.4.3數(shù)字－模擬調(diào)制2.4.4模擬－模擬調(diào)制2.4.1數(shù)字—數(shù)字編碼例如：計(jì)算機(jī)到打印機(jī)曼徹斯特和差分曼徹斯特編碼2.4.2模擬—數(shù)字編碼如何在不損失信號(hào)質(zhì)量的前提下，將信息從無(wú)窮多的連續(xù)值轉(zhuǎn)換為有限個(gè)離散值脈沖幅度調(diào)制PAM脈沖振幅調(diào)制（PAM,PulseAmplitudeModulation）脈沖編碼調(diào)制PCM脈沖編碼調(diào)制PCM就是將脈沖振幅調(diào)制PAM所產(chǎn)生的采樣結(jié)果變成完全數(shù)字化的信號(hào)。三個(gè)過(guò)程脈沖幅度調(diào)制PAM量化（A/D轉(zhuǎn)換）編碼（數(shù)字—數(shù)字編碼）模擬數(shù)據(jù)編碼為數(shù)字信號(hào)脈沖編碼調(diào)制PCM（PulseCodeModulation）是用于模擬數(shù)據(jù)編碼為數(shù)字信號(hào)的技術(shù)PCM技術(shù)的實(shí)現(xiàn)有三個(gè)步驟：采樣；量化；編碼PCM技術(shù)的實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)是依據(jù)采樣定理

2.4.3數(shù)字—模擬調(diào)制例如：通過(guò)一條電話(huà)線(xiàn)，將數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)從一臺(tái)計(jì)算機(jī)傳送到另一臺(tái)計(jì)算機(jī)。幅移鍵控ASK頻移鍵控FSK相移鍵控PSK一個(gè)8-QAM信號(hào)的時(shí)域圖2.4.4模擬—模擬調(diào)制調(diào)頻2.5復(fù)用2.5.1頻分復(fù)用2.5.2時(shí)分復(fù)用*2.5.3碼分復(fù)用2.5.1頻分復(fù)用頻分復(fù)用FDM(FrequencyDivisionMultiplexing)主干線(xiàn)路的頻帶被劃分為若干邏輯信道，每個(gè)用戶(hù)獨(dú)占某些頻段；調(diào)頻廣播以及有線(xiàn)電視。頻分復(fù)用頻分復(fù)用(FDM)是最常用的技術(shù)信道的帶寬很寬，信道的可用帶寬大于一路信號(hào)所需的帶寬，把信道劃分為多個(gè)子信道，每個(gè)子信道傳輸一路信號(hào)在子信道之間要留有隔離頻帶，對(duì)每路信號(hào)以不同頻率的載波進(jìn)行調(diào)制，使其適應(yīng)不同子信道頻段的要求，傳輸?shù)侥康牡睾笤倩謴?fù)為原始信號(hào)

頻分復(fù)用示例圖2.5.2時(shí)分復(fù)用時(shí)分復(fù)用TDM(TimeDivisionMultiplexing）每個(gè)用戶(hù)輪流瞬間地占有主干線(xiàn)路的整個(gè)帶寬；在數(shù)字通信系統(tǒng)中，對(duì)主干線(xiàn)路的復(fù)用只能采用TDM，因?yàn)閿?shù)字信號(hào)的頻譜有可能占居整個(gè)信道帶寬。時(shí)分復(fù)用TDM

時(shí)分復(fù)用TDM（TimeDivisionMultiplexing）技術(shù)的依據(jù)是信道的數(shù)據(jù)傳輸率大于一路信號(hào)傳輸所需要的數(shù)據(jù)傳輸率可以把傳輸時(shí)間分成時(shí)間片幀，每一時(shí)間片幀包含若干時(shí)間隙，每個(gè)時(shí)間隙對(duì)應(yīng)一路信號(hào)的若干位

時(shí)分復(fù)用頻率f時(shí)間t23423423423411111在

TDM

幀中的位置不變TDM幀TDM幀TDM幀TDM幀…TDM幀時(shí)分復(fù)用頻率f時(shí)間t34343411112222342在

TDM

幀中的位置不變TDM幀TDM幀TDM幀TDM幀…TDM幀時(shí)分復(fù)用頻率f時(shí)間t24242411112333343在

TDM

幀中的位置不變TDM幀TDM幀TDM幀TDM幀…TDM幀時(shí)分復(fù)用頻率時(shí)間2323231111234444D在TDM幀中的位置不變TDM幀TDM幀TDM幀TDM幀…TDM幀T1標(biāo)準(zhǔn)E1標(biāo)準(zhǔn)PDH標(biāo)準(zhǔn)SDH標(biāo)準(zhǔn)FDMA和TDMAFDMA頻率時(shí)間TDMA頻率時(shí)間用戶(hù)C用戶(hù)D用戶(hù)B用戶(hù)ATDM與FDM的比較

TDM中每一路信號(hào)傳輸占用信道的全部帶寬在某一微小的時(shí)間間隔只有一路信號(hào)在傳輸FDM中每一路信號(hào)占用部分帶寬在某一微小的時(shí)間間隔有多路信號(hào)在傳輸

在應(yīng)用中TDM