數(shù)據(jù)通信技術(shù)

1、高級(jí)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)第三章 數(shù)據(jù)通信技術(shù)目錄數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的模型及概念1信道的最高碼元傳輸速率2信道的極限信息傳輸速率3物理層下面的傳輸媒體43.1 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的模型傳輸系統(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)相關(guān)術(shù)語數(shù)據(jù)(data) 運(yùn)送信息的實(shí)體。信號(hào)(signal) 數(shù)據(jù)的電氣或電磁的表現(xiàn)。 “模擬的”(analogous) 數(shù)值是連續(xù)變化的。“數(shù)字的”(digital) 取值是離散數(shù)值。調(diào)制 把數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)的過程。解調(diào) 把

2、模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的過程。 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)送器有關(guān)信號(hào)的幾個(gè)基本概念單向通信（單工通信）只能有一個(gè)方向的通信而沒有反方向的交互。雙向交替通信（半雙工通信）通信的雙方都可以發(fā)送信息，但不能雙方同時(shí)發(fā)送(當(dāng)然也不能同時(shí)接收)。雙向同時(shí)通信（全雙工通信）通信的雙方可以同時(shí)發(fā)送和接收信息。 基帶(baseband)信號(hào)和寬帶(broadband)信號(hào) 基帶信號(hào)就是將數(shù)字信號(hào) 1 或 0 直接用兩種不同的電壓來表示，然后送到線路上去傳輸。 寬帶信號(hào)則是將基帶信號(hào)進(jìn)行調(diào)制后形成的頻分復(fù)用

3、模擬信號(hào)。 3.2 信道的最高碼元傳輸速率 任何實(shí)際的信道都不是理想的，在傳輸信號(hào)時(shí)會(huì)產(chǎn)生各種失真以及帶來多種干擾。 碼元傳輸?shù)乃俾试礁?，或信?hào)傳輸?shù)木嚯x越遠(yuǎn)，在信道的輸出端的波形的失真就越嚴(yán)重。 數(shù)字信號(hào)通過實(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)奈氏(Nyquist)準(zhǔn)則 每赫帶寬的理想低通信道的最高碼元傳輸速率是每秒 2 個(gè)碼元。 Baud 是波特，是碼元傳輸速率的單位，1 波特為每秒傳送 1 個(gè)碼元。 理想低通信道的最高碼元傳輸速率 =

4、2W Baud W 是理想低通信道的帶寬，單位為赫(Hz) 不能通過能通過0頻率(Hz)W (Hz) 另一種形式的奈氏準(zhǔn)則 每赫帶寬的理想低通信道的最高碼元傳輸速率是每秒 1 個(gè)碼元。理想帶通特性信道的最高碼元傳輸速率 = W Baud W 是理想帶通信道的帶寬，單位為赫(Hz) 不能通過能通過0頻率(Hz)W (Hz) 不能通過注意事項(xiàng) 實(shí)際的信道所能傳輸?shù)淖罡叽a元速率，要明顯地低于奈氏準(zhǔn)則給出上限數(shù)值。波特(Baud)和比特(bit)是兩個(gè)不同的概念。 波特是碼元傳輸?shù)乃俾蕟挝唬棵雮鞫嗌賯€(gè)碼元）。碼元傳輸速率也稱調(diào)制速率、波形速率或符號(hào)速率。比特是信息量的單位。 注意事項(xiàng) 信息的傳輸速率

5、“比特/秒”與碼元的傳輸速率“波特”在數(shù)量上卻有一定的關(guān)系。若 1 個(gè)碼元只攜帶 1 bit 的信息量，則“比特/秒”和“波特”在數(shù)值上相等。若 1 個(gè)碼元攜帶 n bit 的信息量，則 M Baud 的碼元傳輸速率所對應(yīng)的信息傳輸速率為 M n b/s。 3.3 信道的極限信息傳輸速率 香農(nóng)(Shannon)用信息論的理論推導(dǎo)出了帶寬受限且有高斯白噪聲干擾的信道的極限、無差錯(cuò)的信息傳輸速率。信道的極限信息傳輸速率 C 可表達(dá)為： C = W log2(1+S/N) b/s W 為信道的帶寬（以 Hz 為單位）； S 為信道內(nèi)所傳信號(hào)的平均功率； N 為信道內(nèi)部的高斯噪聲功率。 香農(nóng)公式表明

6、信道的帶寬或信道中的信噪比越大，則信息的極限傳輸速率就越高。 只要信息傳輸速率低于信道的極限信息傳輸速率，就一定可以找到某種辦法來實(shí)現(xiàn)無差錯(cuò)的傳輸。 若信道帶寬 W 或信噪比 S/N 沒有上限（當(dāng)然實(shí)際信道不可能是這樣的），則信道的極限信息傳輸速率 C 也就沒有上限。實(shí)際信道上能夠達(dá)到的信息傳輸速率要比香農(nóng)的極限傳輸速率低不少。 奈氏準(zhǔn)則和香農(nóng)公式源系統(tǒng)傳輸系統(tǒng)目的系統(tǒng)傳輸系統(tǒng)源點(diǎn)終點(diǎn)發(fā)送器接收器輸入信息輸出信息輸入數(shù)據(jù)輸出數(shù)據(jù)發(fā)送的信號(hào)接收的信號(hào)碼元傳輸速率受奈氏準(zhǔn)則的限制信息傳輸速率受香農(nóng)公式的限制在數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中的作用范圍3.4 物理層下面的傳輸媒體 3.5.1 導(dǎo)向傳輸媒體 3.5.2

7、 非導(dǎo)向傳輸媒體 3.5.3 模擬傳輸與數(shù)字傳輸無線電微波紅外線可見光紫外線X射線射線雙絞線同軸電纜衛(wèi)星地面微波 調(diào)幅無線電 調(diào)頻無線電 海事無線電光纖電視(Hz)f (Hz)fLFMFHFVHFUHFSHFEHFTHF波段104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016100 102 104 106 108 1010 1012 1014 1016 1018 1020 1022 1024 移動(dòng)無線電 電信領(lǐng)域使用的電磁波的頻譜3.5.1導(dǎo)向傳輸媒體數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)：發(fā)送部分、接收部分、通信線路。傳輸質(zhì)量與傳輸介質(zhì)及其特性有關(guān)。導(dǎo)向

8、傳輸媒體雙絞線屏蔽雙絞線 STP (Shielded Twisted Pair)非屏蔽雙絞線 UTP (Unshielded Twisted Pair) 非屏蔽雙絞線制定了布線標(biāo)準(zhǔn)， 5類UTP 1類線：電話傳輸 2類線：4Mbps 4對雙絞線 3類線：10Mbps 10Base T 以太網(wǎng) 4對雙 絞線 4類線：16Mbps 令牌環(huán)網(wǎng)及大型10Base T 測試速度可達(dá)20Mbps 5類線：100Mbps 快速以太網(wǎng) 4對銅芯雙絞線 導(dǎo)向傳輸媒體同軸電纜 50 同軸電纜 75 同軸電纜各種電纜銅線銅線聚氯乙烯 套層聚氯乙烯套層屏蔽層絕緣層絕緣層外導(dǎo)體屏蔽層絕緣層絕緣保護(hù)套層內(nèi)導(dǎo)體無屏蔽雙絞線

9、 UTP屏蔽雙絞線 STP同軸電纜導(dǎo)向傳輸媒體光纜：（光導(dǎo)纖維）光導(dǎo)光纖的特點(diǎn)光線在光纖中的折射 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） 包層纖芯光纖的工作原理高折射率(纖芯)低折射率(包層)光線在纖芯中傳輸?shù)姆绞绞遣粩嗟厝瓷漭斎朊}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失真 近距多模光纖無線通信： 利用空間電磁波實(shí)現(xiàn)站點(diǎn)之間的通信的網(wǎng)絡(luò)。無線網(wǎng)產(chǎn)品2個(gè)顯著特點(diǎn) ： 無線擴(kuò)頻技術(shù)； 有線網(wǎng)連接方便自然。衛(wèi)星通信特點(diǎn)3.5.2非導(dǎo)向傳輸媒體 非導(dǎo)向傳輸媒體 無線傳輸所使用的頻段很廣。短波通信主要是靠電離層的反射，但短波信道的通信質(zhì)量較差

10、。微波在空間上主要是直線傳播。 地面微波接力通信 衛(wèi)星通信 3.5.3 模擬傳輸與數(shù)字傳輸模擬傳輸系統(tǒng)調(diào)制解調(diào)器數(shù)字傳輸系統(tǒng)模擬傳輸系統(tǒng) 長途干線最初采用頻分復(fù)用 FDM 的傳輸方式 FDM (Frequency Division Multiplexing)目前我國長途通信線路已實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化，因而現(xiàn)在的模擬通信電路就只剩下從用戶電話機(jī)到市話交換機(jī)之間的這一段幾公里長的用戶線上。 調(diào)制解調(diào)器 數(shù)據(jù)經(jīng)過模擬傳輸系統(tǒng)后會(huì)出現(xiàn)差錯(cuò)。 出現(xiàn)差錯(cuò)010010100還原后的數(shù)據(jù)t接收到的失真信號(hào)010011100t發(fā)送的基帶信號(hào)t采樣時(shí)刻調(diào)制解調(diào)器的作用調(diào)制解調(diào)器(modem)包括：調(diào)制器(MOdulato

11、r)：把要發(fā)送的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻率范圍在 3003400 Hz 之間的模擬信號(hào)，以便在電話用戶線上傳送。解調(diào)器(DEModulator)：把電話用戶線上傳送來的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。本書中的調(diào)制解調(diào)器是指使用在標(biāo)準(zhǔn)的二線模擬話路（3.1 kHz 的標(biāo)準(zhǔn)話路帶寬）上的調(diào)制解調(diào)器。 調(diào)制解調(diào)器的作用調(diào)制器的主要作用就是個(gè)波形變換器，把基帶數(shù)字信號(hào)的波形變換成適合于模擬信道傳輸?shù)牟ㄐ?。解調(diào)器的作用就是個(gè)波形識(shí)別器，將經(jīng)過調(diào)制器變換過的模擬信號(hào)恢復(fù)成原來的數(shù)字信號(hào)。若識(shí)別不正確，則產(chǎn)生誤碼。在調(diào)制解調(diào)器中還要有差錯(cuò)檢測和糾正的設(shè)施。 幾種最基本的調(diào)制方法 調(diào)制就是進(jìn)行波形變換（頻譜變換）。 最基本的

12、二元制調(diào)制方法有以下幾種：調(diào)幅(AM)：載波的振幅隨基帶數(shù)字信號(hào)的變化而變化。 調(diào)頻(FM)：載波的頻率隨基帶數(shù)字信號(hào)的變化而變化。調(diào)相(PM) ：載波的初始相位隨基帶數(shù)字信號(hào)的變化而變化。 對基帶數(shù)字信號(hào)的幾種調(diào)制方法 010011100基帶信號(hào)調(diào)幅調(diào)頻調(diào)相一種正交調(diào)制 QAM QAM (Quadrature Amplitude Modulation) r(r, )可供選擇的相位有 12 種，而對于每一種相位有 1 或2 種振幅可供選擇。 由于4 bit 編碼共有16 種不同的組合，因此這 16 個(gè)點(diǎn)中的每個(gè)點(diǎn)可對應(yīng)于一種 4 bit 的編碼。 若每一個(gè)碼元可表示的比特?cái)?shù)越多，則在接收端進(jìn)行

13、解調(diào)時(shí)要正確識(shí)別每一種狀態(tài)就越困難。 調(diào)制解調(diào)器的速率 目前調(diào)制解調(diào)器的信息傳輸速率已很接近于香農(nóng)的信道容量極限了。 要提高信息傳輸速率，只能設(shè)法提高信噪比。 在電話的用戶線上，最大的噪聲來自模擬到數(shù)字的模數(shù)轉(zhuǎn)換所帶來的量化噪聲。 產(chǎn)生量化噪聲的地方A2/4A/DA/DD/AD/A數(shù)字信號(hào)數(shù)字信號(hào)交換機(jī) 1交換機(jī) 2V.34 33.6 kb/s 調(diào)制解調(diào)器BD/AA/D4/2V.34 33.6 kb/s 調(diào)制解調(diào)器產(chǎn)生量化噪聲產(chǎn)生量化噪聲使用 V.34 調(diào)制解調(diào)器（33.6 kb/s） 產(chǎn)生量化噪聲產(chǎn)生量化噪聲用戶環(huán)路模擬信號(hào)用戶環(huán)路模擬信號(hào)（經(jīng)過 A/D 變化的地方）產(chǎn)生量化噪聲的地方使用

14、V.90 調(diào)制解調(diào)器（56 kb/s） A2/4A/DA/D交換機(jī)因特網(wǎng)服務(wù)提供者V.90 56 kb/s調(diào)制解調(diào)器D/AV.90 56 kb/s調(diào)制解調(diào)器數(shù)字信號(hào)數(shù)字信號(hào) 至因特網(wǎng)（數(shù)字信號(hào)）用戶環(huán)路模擬信號(hào)僅在此處產(chǎn)生量化噪聲僅在此處產(chǎn)生量化噪聲 （經(jīng)過 A/D 變化的地方） 調(diào)制解調(diào)器使用異步通信方式 數(shù)據(jù)通信可分為同步通信和異步通信兩大類：同步通信要求接收端時(shí)鐘頻率和發(fā)送端時(shí)鐘頻率一致。發(fā)送端發(fā)送連續(xù)的比特流。異步通信時(shí)不要求接收端時(shí)鐘和發(fā)送端時(shí)鐘同步。發(fā)送端發(fā)送完一個(gè)字節(jié)后，可經(jīng)過任意長的時(shí)間間隔再發(fā)送下一個(gè)字節(jié)。 異步通信的通信開銷較大，但接收端可使用廉價(jià)的、具有一般精度的時(shí)鐘來進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。數(shù)字傳輸系統(tǒng) 現(xiàn)在的數(shù)字傳輸系統(tǒng)均采用脈碼調(diào)制 PCM (Pulse Code Modulation)體制。 采樣周期 Tt信號(hào)t采樣1001001111000010t編碼t解碼t還原時(shí)分復(fù)用 為了有效地利用傳輸線路，可將多個(gè)話路的PCM 信號(hào)用時(shí)分復(fù)用 TDM (Time Divi