網(wǎng)絡(luò)近期軟件學(xué)院2012通信原理

1、2022/8/91第二章 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)2022/8/922.1 概述一、基本概念信息：客觀事物屬性和相互聯(lián)系特性的表征，它反映了客觀事物的存在形式和運(yùn)動(dòng)形態(tài)。有用的才叫信息。數(shù)據(jù)：信息的數(shù)字化形式，數(shù)字化的信息形式，分為模擬數(shù)據(jù)和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)信號(hào)：攜帶信息的傳輸介質(zhì)，比如電信號(hào)，光信號(hào)，脈沖信號(hào)等。信息是以（介質(zhì)的）某種特性參數(shù)的變化來(lái)代表信息的。根基信號(hào)參量的取值不同信號(hào)也可以分為模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)。2022/8/932022/8/94信道:在發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備之間用于傳輸信號(hào)的介質(zhì),傳輸信息的必經(jīng)之路。分為物理信道和邏輯信道。物理信道：傳送信號(hào)或者數(shù)據(jù)的物理通路。物理信道由傳輸介質(zhì)和物理設(shè)備組

2、成。網(wǎng)絡(luò)中兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的物理通路稱為通信鏈路。邏輯信道：在物理信道基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的邏輯連接，通常稱為連接。2022/8/95信道上的信號(hào)傳輸可以有基帶傳輸，頻帶傳輸，寬帶傳輸?；鶐鬏敚簲?shù)字信號(hào)“0”，“1”直接在通信線路上傳輸。頻帶傳輸：數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)制后在通信線路上進(jìn)行傳輸。寬帶傳輸：傳輸介質(zhì)頻帶較寬，采用復(fù)用技術(shù)傳輸。2022/8/96信源變換器信道逆變換器噪聲源信宿圖2 通信系統(tǒng)模型2022/8/97 信源 信源編碼 信道編碼信道 信道解碼 信源解碼 信宿圖3 數(shù)字通信系統(tǒng)模型優(yōu)點(diǎn)是：抗干擾能力強(qiáng)，便于加密，易于實(shí)現(xiàn)保密通信，易于實(shí)現(xiàn)集成化，使通信設(shè)備的體積小，功耗低，數(shù)字信號(hào)便于存儲(chǔ)，交

3、換，處理，便于和計(jì)算機(jī)連接，也便于進(jìn)行計(jì)算機(jī)管理。2022/8/98從通信雙方的信息交互的角度可以分為：?jiǎn)喂ねㄐ?，半雙工通信，雙工通信。物理信道的連接方式：點(diǎn)點(diǎn)連接多點(diǎn)式連接：多個(gè)終端與計(jì)算機(jī)連接，終端作為從站，計(jì)算機(jī)控制信息的收與發(fā)集中式連接：集中器（多路復(fù)用器）連接多個(gè)終端，并與計(jì)算機(jī)連接2022/8/99二、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的主要質(zhì)量指標(biāo)模擬通信系統(tǒng)的質(zhì)量指標(biāo)：有效性：用有效傳輸帶寬來(lái)度量。對(duì)相同的信息采用不同的調(diào)制方式，則頻帶寬度越窄，有效性越好?？煽啃裕河媒邮斩说妮敵鲂旁氡葋?lái)衡量，信噪比越大，通信質(zhì)量越高。2022/8/910數(shù)字通信系統(tǒng)的質(zhì)量指標(biāo)：有效性通過(guò)傳輸速率來(lái)衡量，傳輸速率有兩

4、種表示方法：信號(hào)速率和調(diào)制速率。信號(hào)速率S：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)傳輸?shù)亩M(jìn)制的位數(shù)單位是Bit/s。調(diào)制速率B：脈沖信號(hào)調(diào)制以后的傳輸速率，單位是波特。S=B log2 N可靠性用誤碼率衡量，通常小于10-62022/8/911三、數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的數(shù)字信號(hào)編碼不歸零制編碼：高電平表示1，低電平表示0曼徹斯特編碼：自同步編碼，包含數(shù)據(jù)信息和時(shí)鐘信息，高電平躍變到低電平表示0，低電平躍變到高電平表示0差分曼徹斯特編碼：若一個(gè)碼元的前半個(gè)周期與上一個(gè)碼元的后半個(gè)周期電平相同表示1，若電平相反則為02022/8/912不歸零制曼徹斯特編碼差分曼徹斯特編碼2022/8/913四、數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的模擬信號(hào)編碼用模擬信號(hào)傳輸數(shù)字

5、數(shù)據(jù)幅移鍵控ASK頻移鍵控FSK相移鍵控PSK2022/8/914五、模擬數(shù)據(jù)的數(shù)字信號(hào)編碼模擬信號(hào)在數(shù)字通信系統(tǒng)中傳輸采樣：把時(shí)間上連續(xù)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成時(shí)間上離散的采樣信號(hào)采樣定理：一個(gè)頻帶限制在f HZ內(nèi)的連續(xù)時(shí)變信號(hào)，如果采樣頻率不小于2 f HZ，對(duì)他進(jìn)行等間隔采樣，則該連續(xù)時(shí)變信號(hào)將被所得到的采樣值完全的確定。量化：把幅度上連續(xù)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成幅度上離散的量化信號(hào)。編碼：用二進(jìn)制表示量化后的采樣值的過(guò)程。舉例：PCM用于數(shù)字化語(yǔ)音系統(tǒng)。聲音的頻率范圍為3100HZ，所以采樣頻率取為8KHZ，將聲音分為256個(gè)量化級(jí)，每個(gè)量化級(jí)用8位二進(jìn)制編碼表示。編碼器和解碼器進(jìn)行模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)

6、的互相轉(zhuǎn)換2022/8/915六、多路復(fù)用技術(shù)為了有效的利用通信線路，提高信道利用率。多路復(fù)用技術(shù)分為時(shí)分復(fù)用，頻分復(fù)用，波分復(fù)用和碼分復(fù)用。2022/8/9162022/8/917圖5 波分多路復(fù)用2022/8/918碼分復(fù)用碼分復(fù)用CDM (Code Division Multiplexing)是另一種共享信道的方法。實(shí)際上，人們更常用的名詞是碼分多址CDMA (Code Division Multiple Access)每一個(gè)用戶可以在同樣的時(shí)間使用同樣的頻帶進(jìn)行通信。由于各用戶使用經(jīng)過(guò)特殊挑選的不同碼型，因此不會(huì)造成干擾。碼分復(fù)用最初是用于軍事通信，因?yàn)檫@種系統(tǒng)發(fā)送的信號(hào)有很強(qiáng)的抗干擾

7、能力，其頻譜類似于白噪聲，不易被敵人發(fā)現(xiàn)。2022/8/9192.2 數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)傳輸媒體也稱為傳輸介質(zhì)或傳輸媒介，它就是數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中在發(fā)送器和接收器之間的物理通路。傳輸媒體可分為兩大類，即導(dǎo)向傳輸媒體和非導(dǎo)向傳輸媒體。在導(dǎo)向傳輸媒體中，電磁波被導(dǎo)向沿著固體媒體(銅線或光纖)傳播，而非導(dǎo)向傳輸媒體就是指自由空間，在非導(dǎo)向傳輸媒體中電磁波的傳輸常稱為無(wú)線傳輸。2022/8/9202022/8/921一、有線傳輸介質(zhì)1、雙絞線由兩根分別包有絕緣材料的銅線螺旋型地絞在一起，芯線為軟銅線，線徑為0.41.4mm不等，兩線絞合的目的是可減少相鄰線對(duì)間的電磁干擾。分為8芯與4芯兩種：RJ-45，RJ-1

8、1接頭。可以傳輸模擬和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)UTP無(wú)屏蔽雙絞線和STP屏蔽雙絞線長(zhǎng)距離傳送數(shù)字信號(hào)可達(dá)幾個(gè)Mbps，短距離傳送可達(dá)1Gbps。傳輸模擬信號(hào)，帶寬可以到約1MHZ。在電話系統(tǒng)中用的最廣可支持10/100/1000Mbps以太網(wǎng)傳輸衰減受頻率影響很大，對(duì)干擾和噪聲很脆弱。2022/8/922最常用3類線和5類線。3類UTP及其端接設(shè)備的傳輸特性定義為16MHz（模擬），用于10Mbps的以太網(wǎng)（數(shù)字）5類UTP及其端接設(shè)備的傳輸特性定義為100MHz，用于10/100/1000Mbps以太網(wǎng)2022/8/9232同軸電纜同軸電纜由內(nèi)導(dǎo)體銅質(zhì)芯線(單股實(shí)心線或多股絞合線)、絕緣層、網(wǎng)狀編織的外導(dǎo)體

9、屏蔽層(也可以是單股的)以及保護(hù)塑料外層所組成。2022/8/924通常按特性阻抗數(shù)值的不同，將同軸電纜分為兩類：（1）50 同軸電纜50 同軸電纜又稱為基帶同軸電纜。在傳輸基帶數(shù)字信號(hào)時(shí)，可以有多種不同的編碼方法。比如曼徹斯特(Manchester)編碼和差分曼徹斯特編碼。直接傳送基帶數(shù)字信號(hào)，傳輸速率最高可達(dá)10Mbps。2022/8/925（2）75 同軸電纜75 同軸電纜又稱為寬帶同軸電纜。 在計(jì)算機(jī)通信中，“寬帶系統(tǒng)”是指采用了頻分復(fù)用和模擬傳輸技術(shù)的同軸電纜網(wǎng)絡(luò)。常用的CATV電纜，在傳模擬信號(hào)時(shí)，頻帶高300450MHz，距離可達(dá)100公里。傳數(shù)字信號(hào)時(shí)，必須將其轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，

10、1比特占1-4赫茲的帶寬。帶寬為300MHz的CATV電纜可支持150Mbps。通常傳一路電視節(jié)目占6MHz的信道。寬帶系統(tǒng)中要用放大器來(lái)放大模擬信號(hào)，而放大器只能單向工作，因此雙工傳輸中，一定要有數(shù)據(jù)發(fā)送和接收兩條分開的數(shù)據(jù)通路。2022/8/926有兩種系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)：雙電纜系統(tǒng) ：發(fā)送和接收采用不同的電纜所以可以采取相同的頻率。頭端的作用是將各計(jì)算機(jī)從發(fā)送電纜發(fā)過(guò)來(lái)的信息轉(zhuǎn)換到接收電纜，使得各計(jì)算機(jī)能從接收電纜上收到發(fā)送給它們的信息。單電纜系統(tǒng) ：在一條電纜上進(jìn)行雙向通信，用低頻發(fā)送信息，頭端接受后變頻，將信息在高頻帶中發(fā)射出去。2022/8/9272022/8/9283、光纖光纖通常由非

11、常透明的石英玻璃拉成細(xì)絲，主要由纖芯和包層構(gòu)成雙層通信圓柱體。纖芯很細(xì)，其直徑只有8 100 m。正是這個(gè)纖芯用來(lái)傳導(dǎo)光波。原理：全反射（當(dāng)光線從高折射率的介質(zhì)射向低折射率介質(zhì)時(shí)，折射角將大于入射角。當(dāng)折射角足夠大時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)全反射。也就是當(dāng)入射角大于某個(gè)臨界角度時(shí)就會(huì)出現(xiàn)全反射。）可以存在許多條不同角度入射的光線在一條光纖中傳輸。這種光纖就稱為多模光纖。若光纖的直徑減小到只有一個(gè)光的波長(zhǎng)，則光纖就像一根波導(dǎo)那樣，它可使光線一直向前傳播，而不會(huì)產(chǎn)生多次反射。這樣的光纖就稱為單模光纖。2022/8/9292022/8/9302022/8/931光纖不僅具有通信容量非常大的優(yōu)點(diǎn)，而且還具有其他的一

12、些特點(diǎn)：（1）傳輸損耗小，中繼距離長(zhǎng)，對(duì)遠(yuǎn)距離傳輸特別經(jīng)濟(jì)。（2）抗雷電和電磁干擾性能好。這在有大電流脈沖干擾的環(huán)境下尤為重要。（3）無(wú)串音干擾，保密性好，也不易被竊聽或截取數(shù)據(jù)。（4）體積小，重量輕。2022/8/932二、非導(dǎo)向傳輸媒質(zhì)1 無(wú)線電短波通信與地面微波中繼通信2022/8/933無(wú)線電微波在數(shù)據(jù)通信中占有很重要的地位。它不能被電離層反射，在空間主要是直線傳輸。微波的頻率范圍為300MHZ300GHZ，主要在2GHZ40GHZ，定向配置，適合于點(diǎn)到點(diǎn)傳輸。不能穿透金屬，微波天線要位置比較高。所以一般在山頭上設(shè)立微波中繼站，這就是地面微波接力通信，另一種是衛(wèi)星通信。微波站的通信距離

13、一般為30-50公里。當(dāng)微波天線高度達(dá)100米時(shí)通信距離達(dá)80公里。中繼站的主要功能是變頻和放大。2022/8/934特點(diǎn)：微波波段頻率很高，其頻段范圍也很寬，因此其通信信道的容量很大；因?yàn)楣I(yè)干擾和天電干擾的主要頻譜成分比微波頻率低得多，對(duì)微波通信的危害比對(duì)短波和米波通信小得多，因而微波傳輸質(zhì)量較高；與相同容量和長(zhǎng)度的電纜載波通信比較，微波接力通信建設(shè)投資少，見效快。適合于有線線路難于跨越或不易架設(shè)的地區(qū)（高山，深水）有較大的靈活性，抗災(zāi)能力較強(qiáng)微波有擴(kuò)散，會(huì)有多路徑衰落和易被地表吸收，損耗大（10%信道空閑備用）通信隱蔽性和保密性差。對(duì)大量中繼站的使用和維護(hù)要耗費(fèi)一定的人力和物力。2022

14、/8/935無(wú)線電短波通信的頻率范圍為3M-30MHz，通稱為高頻（HF）段，用于短波通信。它是通過(guò)地面發(fā)射無(wú)線電波，經(jīng)電離層的多次反射到處接收端。由于電離層隨季節(jié)、晝夜以及太陽(yáng)黑子活動(dòng)而變化，所以通信質(zhì)量不穩(wěn)定。當(dāng)傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，在鄰近的傳輸碼元會(huì)引起干擾。另一個(gè)主要問(wèn)題就是多徑效應(yīng)。2022/8/9362、衛(wèi)星通信工作原理：衛(wèi)星通信利用衛(wèi)星上的微波天線接收地面發(fā)送站發(fā)送的信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大處理后再轉(zhuǎn)發(fā)回地面接受站。通信衛(wèi)星置于地球赤道上空35784公里處的對(duì)地靜止的軌道上。24小時(shí)轉(zhuǎn)一周，故稱為同步通信衛(wèi)星。實(shí)際上，它是一個(gè)懸空的微波中繼站。地球站發(fā)上行頻段信號(hào)經(jīng)衛(wèi)星接收，然后以下行頻段信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)。

15、可連通地面最長(zhǎng)達(dá)13000公里的兩個(gè)地球站間的通信。2022/8/937衛(wèi)星通信的最大特點(diǎn)是通信距離遠(yuǎn)，衛(wèi)星通信的另一特點(diǎn)就是具有較大的傳播時(shí)延。平均時(shí)延約為270ms。2022/8/9382.3 差錯(cuò)控制技術(shù)在差錯(cuò)控制系統(tǒng)中，常用的三種編碼方式是：前向糾錯(cuò)（FEC），自動(dòng)請(qǐng)求重發(fā)（ARQ），混合糾錯(cuò)（HEC）。2022/8/939簡(jiǎn)單奇偶檢驗(yàn)碼的生成原理為：若k（n1）位信息位 加上一位奇偶檢驗(yàn)位a0，構(gòu)成一個(gè)n位的碼字。則在接收端檢驗(yàn)時(shí)，可按關(guān)系式偶校驗(yàn)時(shí)S=0，奇校驗(yàn)時(shí)S=1。能檢測(cè)出一位差錯(cuò)。2022/8/940循環(huán)冗余碼將要發(fā)送的信息碼組看作是系數(shù)為0或者1的多項(xiàng)式，叫做報(bào)文多項(xiàng)式M（x）。發(fā)送方和接收方事先商定一個(gè)生成多項(xiàng)式G(X)（r階），用于產(chǎn)生校驗(yàn)位（r位）?；舅悸罚簩⑿ｒ?yàn)位加到信息碼組的末尾，使這個(gè)帶校驗(yàn)位的碼組能被G(X)除盡。當(dāng)接收端收到這個(gè)碼組時(shí)，用G(X)去除它，如果有余數(shù)則傳輸出錯(cuò)。2022/8/941校驗(yàn)位的計(jì)算：設(shè)信息碼組位m位，在信息碼組后添加r位的0，使碼組位mr位，相應(yīng)的多項(xiàng)式為XrM（X）用模2除法，用G(X)去除XrM（X），余數(shù)為R