第三章数据通信的基本原理

第三章数据通信的基本原理主要内容3.1数据通信的理论基础3.1.1傅立叶分析3.1.2有限带宽信号3.1.3信道的最大数据传输速率3.2数据通信技术3.2.1数据通信系统的基本结构3.2.2数据编码技术3.2.3多路复用技术3.2.4通信线路的通信方式3.3通信交换技术3.3.1电路交换3.3.2报文交换3.3.3分组交换3.3.4交换结构3.1数据通信的理论基础(1)主要内容：信号在通信信道上传输时的数学表示及其所受到的限制。3.1.1傅立叶分析任何一个周期为T的有理周期性函数g(t)可分解为若干项（可能无限多项）正弦和余弦函数之和：g(t)=c++f=1/T基本频率an,bnn次谐波项的正弦和余弦振幅值21)2sin(1nftann)2cos(1nftbnn3.1数据通信的理论基础(２)已知g(t)，求c,an,bn1)将等式两边从０到Ｔ积分可得cc=2)用sin(2kft)乘等式两边，并从０到Ｔ积分，可得anan=3)用cos(2kft)乘等式两边，并从０到Ｔ积分，可得bnbn=T2Tdtnfttg0)2sin()(T2T2Tdttg0)(Tdtnfttg0)2cos()(3.1数据通信的理论基础(3)3.1.2有限带宽信号(BandwidthLimitedSignals)对于二进制编码０１１０００１０，其输出电压波形为：g(t)=01010TtTTtTTtTTtTTt8787868683838803.1数据通信的理论基础(4)其傅立叶分析的系数为：an=[cos(n/4)-cos(3n/4)+cos(6n/4)-cos(7n/4)]bn=[sin(3n/4)-sin(n/4)+sin(7n/4)-sin(6n/4)]c=3/8Fig.2-1信号在信道上传输时的特性：对不同傅立叶分量的衰减不同，因此引起输出失真；信道有截止频率fc,0~fc的振幅不衰减，fc以上的振幅衰减厉害，这主要由信道的物理特性决定，0~fc称为信道的有效带宽；实际使用时，可以接入滤波器，限制用户的带宽；通过信道的谐波次数越多，信号越逼真。n1n13.1数据通信的理论基础(5)波特率（baud）和比特率（bit）的关系：波特率：信号每秒钟变化的次数，也称调制速率。比特率：每秒钟传送的二进制位数。波特率与比特率的关系取决于信号值与比特位的关系。例：每个信号值可表示３位，则比特率是波特率的３倍；每个信号值可表示１位，则比特率和波特率相同。对于比特率为Ｂbps的信道，发送８位所需的时间为8/B秒，若８位为一个周期Ｔ，则一次谐波的频率是：f1=B/8Hz能通过信道的最高次谐波数目为：N=fc/f13.1数据通信的理论基础(6)音频线路的截止频率为3000HzN=fc/f1=3000/(B/8)=24000/BFig.2-2结论：即使对于完善的信道，有限的带宽限制了数据的传输速率。3.1数据通信的理论基础(7)3.1.3信道的最大数据传输速率1924年，奈魁斯特（H.Nyquist）推导出无噪声有限带宽信道的最大数据传输率公式：最大数据传输率=2Hlog2V(bps)任意信号通过一个带宽为Ｈ的低通滤波器，则每秒采样２Ｈ次就能完整地重现该信号，信号电平分为Ｖ级。1948年，香农（C.Shannon）把奈魁斯特的工作扩大到信道受到随机（热）噪声干扰的情况。热噪声出现的大小用信噪比（信号功率与噪声功率之比）来衡量。Ｓ：信号功率，Ｎ：噪声功率10log10S/N单位：分贝（db）3.1数据通信的理论基础(8)香农的主要结论是：带宽为H赫兹，信噪比为S/N的任意信道的最大数据传输率为最大数据传输率=Hlog2(1+S/N)(bps)电话系统的典型信噪比为30db;此式是利用信息论得出的，具有普遍意义；与信号电平级数、采样速度无关；此式仅是上限，难以达到。3.2数据通信技术(1)主要内容：数据在通信信道上的各种传输方式及其所采用的技术。3.2.1数据通信系统的基本结构基本结构数据传输计算机信号变换器计算机信号变换器信道差错控制3.2数据通信技术(2)数据表示和传输方式数据表示数据：模拟数据(AnalogData)连续值数字数据(DigitalData)离散值数据传输方式信号：模拟信号(AnalogSignals)数字信号(DigitalSignals)信号发送方式：模拟信号发送（模拟信道）数字信号发送（数字信道）3.2数据通信技术(3)模拟信号发送：模拟数据（声音）模拟信号数字数据（二进制脉冲）模拟信号数字信号发送：模拟数据数字信号数字数据（二进制脉冲）数字信号数字信号发送的优点是：价格便宜，对噪声不敏感；缺点是：易受衰减，频率越高，衰减越厉害。电话系统调制解调器MODEM编码解码器CODEC数字编码解码器3.2数据通信技术(4)3.2.2数据编码技术研究数据在信号传输过程中如何进行编码（变换）数字数据的数字传输（基带传输）基带：基本频带，指传输变换前所占用的频带，是原始信号所固有的频带。基带传输：在传输时直接使用基带信号。基带传输是一种最简单最基本的传输方式，一般用低电平表示“0”，高电平表示“1”。适用范围：低速和高速的各种情况。限制：因基带信号所带的频率成分很宽，所以对传输线有一定的要求。3.2数据通信技术(5)常用的几种编码方式：1）不归零制码（NRZ：Non-ReturntoZero）原理：用两种不同的电平分别表示二进制信息“0”和“1”，低电平表示“0”，高电平表示“1”。缺点：a难以分辨一位的结束和另一位的开始；b发送方和接收方必须有时钟同步；c若信号中“0”或“1”连续出现，信号直流分量将累加。结论：容易产生传播错误。2）曼彻斯特码（Manchester），也称相位编码原理：每一位中间都有一个跳变，从低跳到高表示“0”，从高跳到低表示“1”。优点：克服了NRZ码的不足。每位中间的跳变即可作为数据，又可作为时钟，能够自同步。3.2数据通信技术(6)3）差分曼彻斯特码（DifferentialManchester）原理：每一位中间都有一个跳变，每位开始时有跳变表示“0”，无跳变表示“1”。位中间跳变表示时钟，位前跳变表示数据。优点：时钟、数据分离，便于提取。4）逢“1”变化的NRZ码原理：在每位开始时，逢“1”电平跳变，逢“0”电平不跳变。5）逢“0”变化的NRZ码原理：在每位开始时，逢“0”电平跳变，逢“1”电平不跳变。001101NRZ曼彻斯特差分曼彻斯特逢“1”变化NRZ逢“0”变化NRZ3.2数据通信技术(7)数字数据的模拟传输（频带传输）•频带传输：指在一定频率范围内的线路上，进行载波传输。用基带信号对载波进行调制，使其变为适合于线路传送的信号。•调制（Modulation）：用基带脉冲对载波信号的某些参量进行控制，使这些参量随基带脉冲变化。•解调（Demodulation）：调制的反变换。•调制解调器MODEM（modulation-demodulation)FigureCaption:ModemshowingRS-232connectorforserialconnectiontocomputerandRJ-11jackforconnectiontophoneline.Caption:Computersystemwithmodems,showingserialcabletomodemandcabletophonejack.Caption:Dialupmodemforvoicetelephonelines.Caption:Modemsinacomputercenterfordial-upmodemaccesstotheorganizationnetwork.Caption:AnAscendPipelineISDNmodem.Caption:TwoexamplesofPCMCIAfax/modem/Ethernetadapters.3.2数据通信技术(8)根据载波Asin(t+)的三个特性：幅度、频率、相位，产生常用的三种调制技术：•幅移键控法Amplitude-shiftkeying(ASK)•频移键控法Frequency-shiftkeying(FSK)•相移键控法Phase-shiftkeying(PSK)3.2数据通信技术(9)1）幅移键控法（调幅）幅移就是把频率、相位作为常量，而把振幅作为变量，即：A(t)取不同的值表示不同的信息码。例如：A(t)取A1，A2，A1表示“0”，A2表示“1”。Fig.2-18NAAAtAtt,,)()()(21003.2数据通信技术(10)2）频移键控法（调频）频移就是把振幅、相位作为常量，而把频率作为变量，即：(t)取不同的值表示不同的信息码。例如：(t)取1，2，1表示“0”，2表示“1”。Fig.2-18NttAtA,,)()()(21003.2数据通信技术(11)3）相移键控法（调相）相移就是把振幅、频率作为常量，而把相位作为变量，即：(t)取不同的值表示不同的信息码。例如：(t)取1，2，1表示“0”，2表示“1”。Fig.2-18NttAtA,,)()()(21003.2数据通信技术(12)模拟数据数字传输解决模拟信号数字化问题，也称为脉冲代码调制PCM（PulseCodeModulation）。根据Nyquist原理进行采样。1）常用的PCM技术将模拟信号振幅分成多级（2n），每一级用n位表示。例如：贝尔系统的T1载波将模拟信号分成128级，每次采样用7位二进制数表示。2）差分脉冲代码调制原理：不是将振幅值数字化，而是根据前后两个采样值的差进行编码，输出二进制数字。3）调制原理：根据每个采样值与前一个值之间差“+1”或“-1”来决定输出二进制“1”或“0”。缺点：编码速度跟不上变化太快的信号。3.2数据通信技术(13)3.2.3多路复用技术由于一条传输线路的能力远远超过传输一个用户信号所需的能力，为了提高线路利用率，经常让多个信号同时共用一条物理线路。常用的有三种方法：时分复用TDM（TimeDivisionMultiplexing）主要用于数字数据传输T1载波，分成24个信道Fig.2-26频分复用FDM（FrequencyDivisionMultiplexing）Fig.2-24波分复用WDM（WavelengthDivisionMultiplexing）Fig.2-253.2数据通信技术(14)3.2.4通信线路的通信方式连接方式为适应不同的需要，通信线路采用不同的连接方式。点—点方式多点方式ABABCD3.2数据通信技术(15)通信方式从信息传送方向和时间的关系角度研究。单工通信方式信息只能单向传输，监视信号可回送。半双工通信方式信息可以双向传输，但在某一时刻只能单向传输。AB数据监视信号AB数据监视信号3.2数据通信技术(16)全双工通信方式信息可以同时双向传输，一般采用四线式结构。AB数据监视信号3.2数据通信技术(17)1)同步方式目的：接收方必须知道每一位信号的开始及其宽度，以便正确的采样接收。以字符传输（字符为基本传输单位）为例，在基于字符的信息传送中，可以采用异步方式，也可以采用同步方式。2）异步方式信息是以字符为单位传送的；每个字符由发送方异步产生，有随机性；字符一般采用5，6，7或8位二进制编码；需要辅助位，每个字符可能需要用10位或11位才能传送，例如：起始位，1位；字符编码，7位；奇偶校验位，1位；终止位，1~2位。3.2数据通信技术(18)特点：传输效率低；主要用于字符终端与计算机之间的通信。0101011001起始位字符编码奇偶校验终止位3.2数据通信技术(19)2）同步方式信息是以报文为单位传送的；传输开始时，以同步字符使收发双方同步；从传输信息中抽取同步信息，修正同步，保证正