第二部分-数据和信号

ComputerNetworks第二部分数据通信PartTwoDataCommunications莆田学院电子信息工程系计算机网络教研室数据通信DataCommunications第二章数据和信号(DataandSignals)第三章传输介质(TransmissionMedia)第四章数字传输(DigitalTransmission)第五章模拟传输(AnalogTransmission)第六章多路复用技术(Multiplexing)第七章检错与纠错(ErrorDetectionandCorrection)第八章数据链路控制(DataLinkControl)第二部分讨论的问题ISSUESFORPARTTWO两个直连设备之间的数据传送（非网络传送）。四个基本概念信号(signal)传输介质(medium)信号编码(encoding)数据链路控制(datalinkcontrol)两个重要方面可靠性(reliability)–传输减损,差错控制等效率(efficiency)–线路复用等通信质量三大指标CriterionsofCommunicationQuality有效性信息能够传输的速率（越高越好）可靠性接收方接收到的信息的准确率（越高越好）经济性实现通信所需的费用（越低越好）三者是互相矛盾而又互相联系的。第二章数据和信号Chapter2DataandSignals本章讲什么What’saboutThisChapter？本章研究:数字信号的有关特性什么是数字信号？如何分析数字信号？数字信号传输速率与传输通道带宽的关系数字信号传输通道的有关特性影响通信精度的通道因素如何估算通道的最大数据速率？通道的主要性能指标通道：用于传输信号的通信通路（包括传输线路和传输设备）本章主要内容Contents2.1模拟与数字(AnalogandDigital)2.2周期模拟信号(PeriodicAnalogSignals)2.3数字信号(DigitalSignals)2.4传输减损(TransmissionImpairment)2.5最大数据速率计算(DataRateLimits)2.6性能指标(Performance)2.1模拟与数字AnalogandDigital模拟数据和数字数据AnalogandDigitalData数据(data)各种需要传输和处理的信息（文字，图像、声音、动作等）。有模拟数据和数字数据两种形式。模拟数据(analogdata)具有可连续变化的值,通常用各种测量单位表示时间、身高、体重、温度、教师上课的声音等。数字数据(digitaldata)具有离散值且可以计数的。听课同学的人数，教室电灯开关的状态等。数据和信号DataandSignals数据要进行传输,必须将其转换为电磁信号。Tobetransmitted,datamustbetransformedtoelectromagneticsignals.Note数据通信第一步：数据→信号Fromdatatosignals模拟信号和数字信号AnalogandDigitalSignals信号(signals)数据的电气或电磁表示方式有模拟信号或数字信号两种形式。模拟信号(analogsignals)信号波形随时间连续变化；通常用连续变化的电压值表示。数字信号(digitalsignals)瞬时跳变直方形；只有有限个特定的电压值。P38图3.1信号的转换ConvertingSignals模拟信号和数字信号之间是可以互相转换的周期信号PeriodicSignals非周期信号NonperiodicSignals2.2周期模拟信号PeriodicAnalogSignals最简单的周期模拟信号：正弦波SimplestAnalogSignal:SineWave最基本的周期模拟信号，可用三个参数表示——峰值振幅(A)信号强度之峰值单位：伏特频率(f)信号变化的速率单位：赫芝(Hz)周期T=1/f相位()相对于时间0的波形位置正弦波可用下式表示s(t)=Asin(2πft+)正弦波的各种变化VaryingSineWaves初始波形振幅变化频率变化相位变化关于频率MoreaboutFrequency频率是信号值相对于时间的变化率。如果一个信号的值在极短时间内发生了变化，它就是高频率。如果一个信号的值在长时间内才发生变化，它就是低频率。两个极端：P41如果一个信号始终不发生变化，它的频率是0。如果一个信号在瞬时发生变化，它的频率是无穷大。频率为0频率为∞时域和频域Time-domainandFrequency-domain研究电磁信号的方法时域(timedomain)显示信号振幅随时间变化的情况信号随时间变化的情况（时间的函数）通常由电子线路设计师使用频域(frequencydomain)显示信号振幅随频率变化的情况信号中频率分量的组成情况（频率的函数）通常由通信系统设计师使用简单信号（正弦波）:时域和频域Example:SimpleSignal(sinewave)P43图3.7示例:三个正弦信号时Examples：ThreeSineWavesP43图3.8三个正弦波的时域和频域信号表示法：时域图Time-DomainPlot显示信号振幅随时间变化的情况示例:周期性复合信号(方波)非周期性复合信号(单方波)信号表示法：频域图Frequency-DomainPlot显示信号振幅(amplitude)随频率变化的情况示例:周期性复合信号(方波)非周期性复合信号(单方波)复合信号CompositeSignals单一频率的正弦波在数据通信中没有用处；我们需要发送复合信号,一个复合信号由许多简单的正弦波组成。Asingle-frequencysinewaveisnotusefulindatacommunications;weneedtosendacompositesignal,asignalmadeofmanysimplesinewaves.Note信号分析之路：分解成简单信号SignalAnalysis:Decomposition信号的分析通常是非常复杂的。为了便于信号分析，常用的做法是把复杂信号分解成一些基本信号的组合。最简单的信号是正弦信号。借助于数学工具，可以把任意信号分解成有限个（对周期信号）或无限个（对非周期信号）的组合或叠加。傅立叶JosephFourier傅立叶(Fourier,JeanBaptisteJoseph,1768-1830)法国数学家、物理学家。数学方面主要贡献是在研究热的传播时创立了一套数学理论，提出任一函数都可以展成三角函数的无穷级数，即傅立叶变换。从现代数学的眼光来看，傅里叶变换是一种特殊的积分变换。它能将满足一定条件的某个函数表示成正弦基函数的线性组合或者积分。物理方面创造性地提出了“傅立叶导热定律”，圆满地解决了热在非均匀加热的固体中分布传播问题。傅立叶分析FourierAnalysis将任意信号分解为简单正弦分量的一种数学工具。傅里叶分析（Fourieranalysis）表明：任何电磁信号都可以看做是由不同频率成分组成，即由一组不同振幅、频率和相位的正弦波构造而成（叠加）。其关系可用频域图表示。傅立叶分析使用的两种技术傅立叶级数–用于周期性信号傅立叶变换–用于非周期性信号傅里叶级数FourierSeries傅里叶级数–用于周期性信号傅里叶证明了任一个周期为T（频率f）的复合信号都可分解为一系列的正弦函数和余弦函数之和，其中每个函数是复合信号基频f的整数倍的谐函数。它的和称为“傅里叶级数”。1)2sin()2cos(2)(nononotnfBtnfAAts周期信号的分解DecompositionofPeriodicSignals任何一个具有有限持续时间的复合周期信号，都可以分解成由一个“基波”信号(频率为fo)加上n个谐波信号(频率f=nfo)组成。“基波”信号的频率(即“基础频率”)fo与复合周期信号频率相同。换言之，根据傅里叶分析，任何复合信号都是由具有不同频率、相位和振幅的简单正弦波组合而成。含有直流分量的复合信号SignalwithDCComponentP44例3.8用傅里叶级数近似表示复合信号FourierSeriesApproximation借助于傅里叶级数，我们可以一组周期性正弦波来近似表示各种非周期性信号。在实际应用中，可以通过逐步增加更高次谐波的方式，来获得与原始非周期性信号足够近似的波形。动态演示：~signals/fourier2/示例：方波的分解DecompositionofSquareWaves例如，一个频率为f、振幅为A方波可分解成:]))(2sin()1())5(2sin()51())3(2sin()31()2[sin(4)(tkfktftfftAtsK为奇数(1,3,5,7,…)方波信号分解图Example:aSquareWaveSignal谐波近似示意图ApproximationwithHarmonics小结BriefSummary对于周期信号分析技术-用傅里叶级数进行分解任何一个周期复合信号都可以分解成一组有限个或无限个正弦函数(傅里叶级数)频域:离散的频率分量一个基础频率(第一谐波)+有限个或无限个高次谐波+直流分量(ifAo≠0)傅立叶变换FourierTransform傅立叶变换–用于非周期性信号将一个复杂的非周期信号分解成一个简单正弦波的无限级数，每个正弦波都有不同的频率和相位。但频谱不是离散的，而是连续的。任何非周期信号则可分解成无限个连续频率的正弦波（叠加）。频域图：连续如果复合信号是周期性的，分解得到的是一组具有离散频率的信号。如果复合信号是非周期性的，分解得到的是具有连续频率的正弦波组合。Ifthecompositesignalisperiodic,thedecompositiongivesaseriesofsignalswithdiscretefrequencies;ifthecompositesignalisnonperiodic,thedecompositiongivesacombinationofsinewaveswithcontinuousfrequencies.非周期信号的分解DecompositionofNonperiodicSignalsNote非周期信号:频域是连续曲线NonperiodicSignal:frequencydomainP45图3.11非周期信号(人类语音片断)的时域和频域非周期信号的频率分解后得到的是一条连续曲线频谱与带宽SpectrumandBandwidth信号的频谱(spectrum)信号所包含的频率范围。带宽(bandwidth)频谱的宽度（最高频率减最低频率）信号的绝对带宽(absolutebandwidth)信号的频谱宽度。信号的带宽(bandwidth)信号频谱的某一窄小频带范围集中了信号的绝大部分能量。这一频带称为“有效带宽”或者“带宽”。请注意：此处指的是信号的带宽周期复合信号和非周期复合信号的带宽ThebandwidthofcompositesignalsP45图3.12带宽计算：最高频率-最低频率绝对带宽与有效带宽AbsoluteBandwidthandEffectiveBandwidth传输介质的带宽MediumBandwidth任何传输介质都只能传输某些频率范围内的信号，即具有一个有限的带宽。如果介质带宽小于信号的有效带宽，接收将会失真。2.3数字信号DigitalSignals数字信号:有限电平DigitalSignals:limitedlevelsP47图3.16如果传输信号具有L个电平，则每个电平可以传送的比特位数为:Log2L数字信号的时域和频域DigitalSignals:time&frequencydomains周期数字信号和