第1章基本通信原理

福建师范大学教育技术专业2006级2008年2月学习要点：数据通信的概念信道与传输介质数据编码与解码同步原理多路复用技术数据交换技术所谓数据通信，是指由一个地方向另一个地方进行消息的有效传递。消息有不同的形式。数据通信将快速传递数据的通信技术和数据处理、加工及存储的计算机技术相结合，从而为用户提供及时准确的数据。1.1.1数据通信系统的组成数据通信系统是通过数据电路将分布在异地的计算机连接起来，实现数据传输、交换、存储和处理的系统。1.1.1数据通信系统的组成信息源（信源）和接收者（信宿）发送设备信道：信号传输的通道，有线/无线，接收设备1.1.2通信线路的连接方式发送和接收数据的设备统称为数据终端设备（DTE，DataTerminalEquipment）。DTE与计算机之间的通信线路有三种连接方式：点对点连接方式、多点连接方式、集线式连接方式。1.1.2通信线路的连接方式点到点连接方式：适用于通信量较大的场合▪DTE与计算机之间直接用线路连接▪DTE与计算机之间通过调制解调器用线路连接1.1.2通信线路的连接方式多点连接方式：▪为了提高通信线路的利用率，多个终端通过一条公用通信线路与计算机连接▪需要解决信号冲突问题1.1.2通信线路的连接方式集线式连接方式▪多个相距较近的终端都要与距离较远的计算机通信时，为了节省通信线路，先将各个终端连接到集中器上，再用频带较宽的高速线路将集中器与计算机连接。1.1.3通信线路的通信方式根据信息在通信线路上所允许的传输方向和时间，数据通信的方式可分为单工、半双工、全双工三种。1.1.3通信线路的通信方式单工通信：▪数据只能沿一个固定方向传输，即传输是单向的，任何时间都不改变方向。（如，读卡器、打印机）发送装置接收装置信息流向单工通信方式1.1.3通信线路的通信方式半双工通信▪允许数据沿两个方向传输，但在每一个时刻信息只能在一个方向传输。（如，对讲机）发收发收半双工通信方式1.1.3通信线路的通信方式全双工通信▪允许信息同时沿两个方向传输。（如，电话）发收发收全双工通信方式1.1.4数据传输系统的主要技术指标衡量一个数据传输系统性能的主要技术指标是有效性和可靠性。▪有效性：消息传输的速度▪可靠性：消息传输的质量1.1.4数据传输系统的主要技术指标在模拟通信中，有效性常使用传输频带带宽来度量，可靠性用接收端输出的信噪比来度量。▪带宽：是指信道所能传送的信号的频率宽度，也就是可传送信号的最高频率和最低频率之差。由传输介质、接口部件、传输协议以及传输信息的特性等因素决定。▪信噪比：是指接收端信号的平均功率和噪声的平均功率之比。信噪比越大，系统的抗干扰性越强。1.1.4数据传输系统的主要技术指标在数字通信中：▪有效性一般使用信息传输速率来衡量。▪可靠性一般使用误码率来衡量。▪信息：可被理解为消息中包含的有意义的内容。1.1.4数据传输系统的主要技术指标信息传输速率▪简称传信率，又称信息速率、比特率，它表示单位时间（每秒）内传输实际信息的比特数。▪单位：比特/秒，记为bit/s、b/s、bps▪比特：一个二进制位叫一个比特（bit）1.1.4数据传输系统的主要技术指标码元传输速率▪简称传码率，又称符号速率、码元速率、波特率、调制速率。▪它表示单位时间（每秒）内信道上实际传输码元的个数，单位是波特（Baud），常用符号“B”来表示。▪传信率与传码率之间的关系为：▪N为码元的进制数Nlog2传码率传信率1.1.4数据传输系统的主要技术指标误码率▪又称码元差错率，是指系统正常工作时传输中发生差错的码元数占传输的总码元数的比例：▪误码率是衡量系统可靠性的指标，在计算机网络中一般要求数字信号的误码率要低于10-6。传输总码元数数传输中发生差错的码元误码率1.1.4数据传输系统的主要技术指标信道容量▪是指信道传输信息的最大能力，一般用单位时间内可传送信息的最大比特数来表示。▪信道容量的大小受信道质量和可使用时间的影响。▪当信道质量较差时，实际传输信息的能力将降低。1.2.1信道信道是数据传输的通路，在计算机网络中信道分为物理信道和逻辑信道。▪物理信道指信息传输的通道和介质，由传输介质和有关的通信设备组成；▪逻辑信道指在物理信道的基础上，发送与接收数据信号的双方通过中间节点所实现的逻辑联系，由此为传输数据信号形成的逻辑通路。可以是连接的，也可以是无连接的。1.2.1信道物理信道的分类：▪按传输介质划分▪有线信道：双绞线、同轴电缆、光纤等▪无线信道：微波、卫星等▪按信道传输的信号形式划分▪数字信道：传送的信号是离散信号，即数字信号▪模拟信道：传送的信号是连续信号，即模拟信号1.2.2线缆介质有线传输介质在数据传输中只作为传输介质，而不是信号载体。计算机网络中使用的有线传输介质（WiredTransmissionMedia）为：铜线和光纤。常用的两种基本铜线类型为：双绞线和同轴电缆。1.2.2线缆介质双绞线（TwistedPair）▪双绞线是最常用的一种计算机网络传输介质，它由呈螺旋形排列的两根绝缘导线组成，两根导线相互扭绞在一起，目的是使线对之间的电磁干扰减至最小。1.2.2线缆介质双绞线（TwistedPair）▪通常将若干对双绞线对（2对或4对）组成一条双绞线电缆，并以坚韧的护套包裹着，如图所示。1.2.2线缆介质双绞线（TwistedPair）▪非屏蔽双绞线（UnshieldedTwistedPair，UTP）▪1类线到5类线，超5类线，6类线▪屏蔽双绞线（ShieldedTwistedPair，STP）1.2.2线缆介质同轴电缆：▪按带宽和用途来划分，同轴电缆可以分为基带同轴电缆和宽带同轴电缆。▪基带同轴电缆传输的是数字信号，宽带同轴电缆传输的是不同频率的模拟信号。1.2.2线缆介质光纤：▪光纤是一种由石英玻璃纤维或塑料制成的，直径很细，能传导光信号的媒体。▪光纤的组成：光纤芯、包层和保护外层。1.2.2线缆介质光纤▪分类：单模光纤和多模光纤1.2.2线缆介质光纤▪优点▪⑴通信容量大，传输速率高。▪⑵抗电磁干扰能力强，安全无辐射，安全保密性能好。▪⑶传输衰减极小，误码率低，可实现长距离、无中继、高速数据传输。▪缺点▪⑴价格较贵。▪⑵光纤的安装、连接和分接都较困难，且在分接时信号损失较大。1.2.3无线介质微波通信▪优点：调制技术成熟，通信容量大，传输频率宽，受外界干扰小，初建成本低；▪缺点：保密性差，误码率高。1.2.3无线介质卫星通信▪优点：覆盖面积大，可靠性高，信道容量大，传输距离远，传输成本不随距离的增加而增大，主要适用于远距离广域网络的传输。▪缺点：卫星成本高、传播延迟时间长、受气候影响大，保密性较差1.2.3无线介质红外通信激光通信蓝牙通信1.3.1数字信号编码数据：是把事件的某些属性规范化后的表现形式，它能被识别，也可以被描述。信息：是人对现实世界事物存在方式和运动状态的某种认识。信号：是数据的具体的物理表现，具有确定的物理描述。1.3.1数字信号编码模拟数据：取某一区间内的连续值。模拟信号：连续变化的物理量。数字数据：取某一区间内的有限个离散值。数字信号：取几个不连续的物理状态来代表数字。1.3.1数字信号编码基带信号：从计算机中直接产生的未经任何处理的二进制（或其他进制）脉冲序列信号。基带传输：在某些有线信道中，特别是传输距离不太远的情况下，可以不经过调制和解调过程而直接传输数字基带信号，称之为数字信号的基带传输。1.3.1数字信号编码常用数字基带信号▪单极性不归零码：在每一码元时间间隔内，有电流发出表示二进制1，无电流发出表示二进制0。▪双极性不归零码：在每一码元时间间隔内，发正电流表示二进制1，发负电流表示二进制0。正的幅值和负的幅值相等。1.3.1数字信号编码常用数字基带信号▪单极性归零码：在每一码元时间间隔内，有一半的时间发出正电流，而另一半时间则不发出电流表示二进制1。整个码元时间间隔内无电流发出表示二进制0。▪双极性归零码：在每一码元时间间隔内，当发1时，发出正的窄脉冲，当发0时，则发出负的窄脉冲。1.3.1数字信号编码数字信号的常用传输码▪在实际的基带传输系统中，并不是所有的数字基带波形都适合在信道中传输。▪由于实际信道的特性和系统工作的条件不同，为了适用于信道传输而设计的基带码型称为传输码。1.3.1数字信号编码数字信号的常用传输码▪一般来讲，选择基带传输码型时应考虑以下因素：▪相应的基带信号无直流分量，且低频分量少。▪从信号中提取定时信息比较容易。▪信号中高频分量尽量少，以节省传输频带并减少码间串扰。▪编码、译码设备要尽可能简单。1.3.1数字信号编码常用的基带传输码有：▪曼切斯特编码▪差分曼切斯特编码▪AMI码▪HDB3码曼彻斯特编码的规则是：每比特的周期T分为前T/2和后T/2两部分；通过前T/2传送该比特的反码，通过后T/2传送该比特的原码。曼彻斯特编码的优点：①每个比特的中间有一次电平跳变，两次电平跳变的时间间隔可以是T/2或T；利用电平跳变可以产生收发双方的同步信号；因此曼彻斯特编码信号又称做“自含钟编码”信号，发送曼彻斯特编码信号时无需另发同步信号。②曼彻斯特编码信号不含直流分量。缺点是效率较低。差分曼彻斯特编码是对曼彻斯特编码的改进。差分曼彻斯特编码与曼彻斯特编码不同点是：①每比特的中间跳变仅做同步之用；②每比特的值根据其开始边界是否发生跳变来决定；一个比特开始处出现电平跳变表示传输二进制0，不发生跳变表示传输二进制1。差分曼彻斯特编码与曼彻斯特编码也有明显的缺点，那就是它需要的编码的时钟信号频率是发送信号频率的两倍。AMI码（AlternativeMarkInversedEncoding）又称双极方式码(BipolarEncoding)、平衡对称码或传号交替反转码，它属于单极性码的变型，当遇0码时为0电平，当遇1码则交替转换极性，这样成为确保正负极性个数相等的“伪三进制”码。优点：确保无直流，零频附近低频分量小，便于变量器耦合匹配；有一定检错能力。缺点：码流中当连0过多时，同步不易提取。HDB3码是AMI(传号交替反转码)的改进型，用于信道编码，也称为三阶高密度双极性码。它没有了AMI码的长0串出现。编码原则：（略）HDB3码是CCITT推荐使用的码型之一。CCITT：现在称作ITU-T(国际电信协会电信标准部分)1.3.2数字信号的调制编码基带传输的距离一般不超过2KM，不适合长距离传输。一般需要对载波进行调制。调制：用数字基带信号去控制载波波形的某个参量，使这个参量随基带信号的变化而变化。常见的调制方法有：振幅调制、频率调制、相位调制。首先，由于频率资源的有限性，限制了我们无法用开路信道传输信息。再者，通信的最终目的是远距离传递信息。由于传输失真、传输损耗以及保证带内特性的原因，基带信号是无法在无线信道或光纤信道上进行长距离传输的。为了进行长途传输，必须对数字信号进行载波调制将信号频谱搬移到高频处才能在信道中传输。最后，较小的倍频程也保证了良好的带内特性。所以调制就是将基带信号搬移到信道损耗较小的指定的高频处进行传输（即载波传输），调制后的基带信号称为通带信号，其频率比较高。数字信号的载波传输与基带传输的主要区别就是增加了调制与解调的环节，是在复接器后增加了一个调制器，在分接器前增加一个解调器而已。1.3.2数字信号的调制编码在将数字信号变换成模拟信号的调制过程中，一般选择某一频率的正弦信号s(t)作为载波，用它运载要传送的数字信号，该载波信号可表示为：其中，A表示振幅，ω表示角频率，表示相位)()(tASints1.3.2数字信号的调制编码振幅调制（ASK）▪振幅调制保持载波s(t)的角频率和相位不变，通过改变载波信号的幅度（A）来表示信号“1”和“0”。1.3.2数字信号的调制编码频率调制（FSK）▪频率