計(jì)算機(jī)通信及網(wǎng)絡(luò) 第3章

ComputerTelecommunications&Networks計(jì)算機(jī)通信與網(wǎng)絡(luò)物理層數(shù)據(jù)傳輸和接口設(shè)計(jì)--組網(wǎng)第3章數(shù)據(jù)傳輸與通信接口——“組網(wǎng)”傳輸介質(zhì)及其特性3.1數(shù)字傳輸與模擬傳輸3.2數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量參數(shù)3.3多路復(fù)用技術(shù)3.4傳輸系統(tǒng)3.5數(shù)據(jù)通信接口3.6數(shù)據(jù)傳輸是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信的基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)通信是為了實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)或計(jì)算機(jī)與終端之間信息交互而產(chǎn)生的一種通信技術(shù)，是計(jì)算機(jī)與通信相結(jié)合的產(chǎn)物。數(shù)據(jù)通信著重于數(shù)據(jù)的傳輸，不涉及數(shù)據(jù)所表示的原始信息，而計(jì)算機(jī)通信則著重于信息的交互。內(nèi)容概要3.1傳輸介質(zhì)及其特性數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)發(fā)送部分傳輸系統(tǒng)接收部分信源和信宿：信源就是信息的發(fā)送端，是發(fā)出待傳送信息的設(shè)備；信宿就是信息的接收端，是接收所傳送信息的設(shè)備。信號(hào)轉(zhuǎn)換設(shè)備：是將信源發(fā)出的信息轉(zhuǎn)換成適合于在信道上傳輸?shù)男盘?hào)的設(shè)備。數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)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)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)舉例

(a)用戶通過(guò)電話網(wǎng)撥號(hào)通信數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)舉例(b)局域網(wǎng)用戶通過(guò)Internet上網(wǎng)通信傳輸介質(zhì)線傳輸介質(zhì)（有線線路）傳輸介質(zhì)軟傳輸介質(zhì)

（無(wú)線信道）AddYourTitleAddYourTitleAddYourTitle雙絞線同軸電纜光纜AddYourTitleAddYourTitleAddYourTitle地面微波衛(wèi)星微波紅外線雙絞線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無(wú)屏蔽雙絞線UTP屏蔽雙絞線STP把兩根互相絕緣的銅導(dǎo)線并排放置，再用規(guī)則的方法絞合起來(lái)。絞合的導(dǎo)線可以減少相鄰線對(duì)的相互干擾。多對(duì)絞合導(dǎo)線構(gòu)成了雙絞線電纜。雙絞線可用于模擬傳輸和數(shù)字傳輸。價(jià)格低，安裝方便，但帶寬窄，抗干擾性能較差。雙絞線雙絞線A扭絞距線徑0.4～1.4mmB近端串?dāng)_遠(yuǎn)端串?dāng)_白綠綠白橙藍(lán)白藍(lán)橙白棕棕12345678局域網(wǎng)EIA/TIA568A

UTP內(nèi)4對(duì)8線的編號(hào)與線色類型

阻抗

返回?fù)p耗 近端串?dāng)_ >1Mhz100m100m3類UTP10012db43db4類UTP10012db58db5類UTP10012db64db雙絞線同軸電纜外導(dǎo)體屏蔽層絕緣層絕緣保護(hù)套層內(nèi)導(dǎo)體同軸電纜由內(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)體屏蔽層以及保護(hù)塑料外層組成。由于外導(dǎo)體屏蔽層的作用，同軸電纜具有較好的抗干擾特性（特別是高頻段），適合高速數(shù)據(jù)傳輸。通常按特性阻抗數(shù)值不同，可分為兩類：50Ω同軸電纜：數(shù)據(jù)通信中傳輸基帶信號(hào)75Ω同軸電纜：模擬傳輸系統(tǒng)（CATV）

同軸電纜RG-8/RG-1110Base5阻抗50粗纜0.4”

RG-58A/U10Base2阻抗50細(xì)纜0.18”

RG-59U10Broad3600阻抗75CATV0.25”

RG-63ARCnet阻抗930.25”(0.635cm)同軸電纜傳輸特性光纜遠(yuǎn)供電源光纖及包層填充物外護(hù)套包帶層包層纖芯（a）光纜結(jié)構(gòu)剖面圖（b）光波在纖芯中傳播光纖通常由非常透明的石英玻璃拉成細(xì)絲，主要由纖芯和包層構(gòu)成。纖芯很細(xì)，直徑為8－100um，且折射率較高，包層相對(duì)折射率較低。多根光纖構(gòu)成光纜。光波利用光的全反射原理通過(guò)纖芯傳導(dǎo)。通過(guò)傳遞光脈沖進(jìn)行通信。光纖通信衰耗小，距離長(zhǎng)，抗干擾能力強(qiáng)，傳輸容量大，保密性好。多模光纖：多條不同入射角光線在一條光纖中傳輸。單模光纖：直徑只有一個(gè)光波長(zhǎng)大小，直線傳輸。光纜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）包層纖芯光纜高折射率(纖芯)低折射率(包層)光線在纖芯中傳輸?shù)姆绞绞遣粩嗟厝瓷涔饫w輸入脈沖輸出脈沖單模光纖輸入脈沖輸出脈沖多模光纖在交通不便、施工不便的地方（高山、海洋、城市），或距離較遠(yuǎn)的情況下，使用無(wú)線傳輸方式，成本較低。信息技術(shù)的發(fā)展，人們要求在運(yùn)動(dòng)中進(jìn)行電話通信或計(jì)算機(jī)通信。無(wú)線電波可以在自由空間各個(gè)方向傳播，實(shí)現(xiàn)多種通信。這種通信不使用前述的各種導(dǎo)向傳輸媒體，故稱為“非導(dǎo)向傳輸媒體”。電信領(lǐng)域使用的電磁波的頻譜無(wú)線電微波紅外線可見(jiàn)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(wú)線電調(diào)頻無(wú)線電海事無(wú)線電光纖電視(Hz)f(Hz)fLFMFHFVHFUHFSHFEHFTHF波段104105106107108109101010111012101310141015101610010210410610810101012101410161018102010221024移動(dòng)無(wú)線電無(wú)線傳輸所使用的頻段很廣，人們可以根據(jù)需要使用不同頻段特性進(jìn)行通信。傳統(tǒng)無(wú)線電：長(zhǎng)波、中波、短波甚高頻、特高頻、超高頻、極高頻微波通信（2－40GHz，直線傳播)地面接力微波：在地面建立若干微波中繼站，中繼站將前一站信號(hào)接收，放大后轉(zhuǎn)發(fā)到下一站，實(shí)現(xiàn)“接力”式傳輸。衛(wèi)星通信：將微波中繼站放在衛(wèi)星上實(shí)現(xiàn)。通信建立遠(yuǎn)，覆蓋面積大。地面微波的工作頻率范圍一般為1～20GHz，其特點(diǎn)是直線傳播，因此只能在視距范圍內(nèi)進(jìn)行傳輸。由于受到地形和天線高度的限制，兩微波站間的通信距離一般為30～50km。地面微波衛(wèi)星通信的最大特點(diǎn)是通信距離遠(yuǎn)，且通信費(fèi)用與通信距離無(wú)關(guān)。同步衛(wèi)星發(fā)射出的電磁波能輻射到地球上的通信覆蓋區(qū)的跨度達(dá)18000多公里。只要地球赤道上空的同步軌道上，等距離地放置3顆相隔120度的衛(wèi)星，就能基本上實(shí)現(xiàn)全球的通信。衛(wèi)星微波衛(wèi)星微波無(wú)線電波是一個(gè)廣義的概念，從含義上講，無(wú)線電波是全向傳播，而微波是定向傳播。無(wú)線電波不同頻段用于不同通信方式3~30MHz，用于短波通信；30~300MHz，用于數(shù)據(jù)通信；蜂窩無(wú)線電移動(dòng)通信。無(wú)線電波紅外線技術(shù)已經(jīng)在計(jì)算機(jī)通信中得到了應(yīng)用，例如兩臺(tái)筆記本電腦對(duì)著紅外接口，可傳輸文件。紅外線鏈路只需一對(duì)收發(fā)器，可調(diào)制不相干的紅外光，在視線距離的范圍內(nèi)傳輸，具有很強(qiáng)的方向性。紅外線技術(shù)紅外線技術(shù)調(diào)制非相干紅外線光3.2數(shù)字傳輸與模擬傳輸1、數(shù)據(jù)、信息和信號(hào)數(shù)據(jù)(data)——通常是指預(yù)先約定的具有某種含義的數(shù)字、符號(hào)和字母的組合。信號(hào)(signal)——數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中的電磁波的表示形式?！澳M的”(analogous)——連續(xù)變化的?！皵?shù)字的”(digital)——取值是離散的。調(diào)制——把數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)的過(guò)程。解調(diào)——把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的過(guò)程。信道——表示向某一方向傳送數(shù)據(jù)的傳輸介質(zhì)。模擬數(shù)據(jù)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)信息數(shù)據(jù)模擬信號(hào)數(shù)字信號(hào)有意義的實(shí)體涉及數(shù)據(jù)的內(nèi)容和解釋.有一定含義的、有邏輯的、經(jīng)過(guò)加工處理的、對(duì)決策有價(jià)值的數(shù)據(jù)流在某個(gè)區(qū)間產(chǎn)生連續(xù)的值產(chǎn)生離散的值是數(shù)據(jù)的電磁(或電子)編碼涉及到事物的形式是一種連續(xù)變化的電磁波是一系列的電壓脈沖信號(hào)1、數(shù)據(jù)、信息和信號(hào)的基本概念模擬數(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)送器數(shù)據(jù)、信息和信號(hào)數(shù)據(jù)傳輸方式1、并行傳輸與串行傳輸2、異步傳輸與同步傳輸3、單工、半雙工和全雙工傳輸

并行傳輸1、并行傳輸與串行傳輸并行傳輸指的是數(shù)據(jù)以成組的方式，在多條并行信道上同時(shí)進(jìn)行傳輸。

串行傳輸串行傳輸指的是組成字符的若干位二進(jìn)制碼排列成數(shù)據(jù)流在一條信道上逐位順序傳輸。

異步傳輸2、異步傳輸與同步傳輸不論字符所采用的代碼為多少位，在發(fā)送每一個(gè)字符代碼（即字符的數(shù)據(jù)位）時(shí)，都要在前面加上一個(gè)起始位，表示一個(gè)字符的開始；后面加上一個(gè)停止位，表示一個(gè)字符的結(jié)束。

同步傳輸3、單工、半雙工和全雙工傳輸單工傳輸——只能有一個(gè)方向的通信而沒(méi)有反方向的交互。半雙工傳輸——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)然也就不能同時(shí)接收)。全雙工傳輸——通信的雙方可以同時(shí)發(fā)送和接收信息。數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)傳碼速率：傳碼速率又稱為調(diào)制速率、波特率，記作NBd，是指在數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中，每秒鐘傳輸信號(hào)碼元的個(gè)數(shù)，單位是波特（Baud）。傳信速率：又稱為比特率，記作Rb，是指在數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中，每秒鐘傳輸二進(jìn)制碼元的個(gè)數(shù)，單位是比特/秒（bit/s,或kbit/s或Mbit/s）。

1.數(shù)據(jù)傳輸速率[例]若信號(hào)碼元持續(xù)時(shí)間為1×10-4秒，試問(wèn)傳送8電平信號(hào)，則傳碼速率和傳信速率各是多少？解：由于T=1×10-4秒，所以傳碼速率NBd=1/T=10000波特由于傳送的信號(hào)是8電平，所以，M=8。則傳信速率Rb=NBdlog2

M=30000bit/s。

2.信道帶寬信號(hào)帶寬：(bandwidth)是指信號(hào)具有的頻帶寬度，單位是赫（或千赫、兆赫、吉赫等）。模擬信道：表示通信線路允許通過(guò)的信號(hào)頻帶范圍就稱為線路帶寬(通頻帶)。數(shù)字信道：“帶寬”是所能傳送的“最高數(shù)據(jù)率”同義語(yǔ)，單位是“比特每秒”。

信道帶寬常用的帶寬單位是千比每秒，即kb/s（103b/s）兆比每秒，即Mb/s（106b/s）吉比每秒，即Gb/s（109b/s）太比每秒，即Tb/s（1012b/s）請(qǐng)注意：在計(jì)算機(jī)界，數(shù)據(jù)量的表示K=210,M=220,G=230,T=240。時(shí)間軸上信號(hào)的寬度隨速率的增大而變窄，對(duì)應(yīng)的信號(hào)頻率增加，則占用帶寬也增加。每秒

106

個(gè)比特時(shí)間1

01

0

111s帶寬為1Mb/s

時(shí)間每秒

4

106

個(gè)比特0.25s帶寬為4Mb/s

帶寬

3.誤碼率和誤組率誤碼率：在一定時(shí)間內(nèi)接收到出錯(cuò)的比特?cái)?shù)e1與總的傳輸比特?cái)?shù)e2之比。Pe＝（e1/e2)×100％由于實(shí)際的傳輸信道及通信設(shè)備存在隨機(jī)差錯(cuò)與突發(fā)差錯(cuò)，而數(shù)據(jù)通信常采用數(shù)據(jù)塊或幀為單位進(jìn)行傳輸，使用誤組率可以更好反映傳輸效率。誤組率：在一定時(shí)間內(nèi)接收出錯(cuò)的組數(shù)b1與總的傳輸組數(shù)b2之比。Pb＝（b1/b2)×100％發(fā)送時(shí)延（傳輸時(shí)延）：發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)塊從結(jié)點(diǎn)進(jìn)入到傳輸媒體所需要的時(shí)間。信道帶寬：數(shù)據(jù)在信道上的發(fā)送速率。常稱為數(shù)據(jù)在信道上的傳輸速率。發(fā)送時(shí)延=數(shù)據(jù)塊長(zhǎng)度（比特）信道帶寬（比特/秒）

4.時(shí)延傳播時(shí)延：電磁波在信道中需要傳播一定的距離而花費(fèi)的時(shí)間。信號(hào)傳輸速率（即發(fā)送速率）和信號(hào)在信道上的傳播速率是完全不同的概念。傳播時(shí)延=信道長(zhǎng)度（米）信號(hào)在信道上的傳播速率（米/秒）

時(shí)延處理時(shí)延：交換結(jié)點(diǎn)為存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)而進(jìn)行一些必要的處理所花費(fèi)的時(shí)間。結(jié)點(diǎn)緩存隊(duì)列中分組排隊(duì)所經(jīng)歷的時(shí)延是處理時(shí)延中的重要組成部分。處理時(shí)延的長(zhǎng)短往往取決于網(wǎng)絡(luò)中當(dāng)時(shí)的通信量。有時(shí)可用排隊(duì)時(shí)延作為處理時(shí)延。

時(shí)延數(shù)據(jù)從源點(diǎn)經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳送，到達(dá)目的點(diǎn)所經(jīng)歷的總時(shí)延就是發(fā)送時(shí)延、傳播時(shí)延和處理時(shí)延之和：總時(shí)延=發(fā)送時(shí)延+傳播時(shí)延+處理時(shí)延

時(shí)延1011001…發(fā)送器隊(duì)列在鏈路上產(chǎn)生傳播時(shí)延結(jié)點(diǎn)

B結(jié)點(diǎn)

A在發(fā)送器產(chǎn)生發(fā)送時(shí)延(即傳輸時(shí)延)在隊(duì)列中產(chǎn)生處理時(shí)延數(shù)據(jù)從結(jié)點(diǎn)A向結(jié)點(diǎn)B發(fā)送數(shù)據(jù)鏈路所謂高速網(wǎng)絡(luò)鏈路，我們提高的僅僅是數(shù)據(jù)的發(fā)送速率而不是比特在鏈路上的傳播速率。提高鏈路帶寬減小了數(shù)據(jù)的發(fā)送時(shí)延。提高網(wǎng)絡(luò)傳輸速率，減小網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延，主要是減少發(fā)送時(shí)延和處理時(shí)延。

時(shí)延

時(shí)延[例]若AB兩臺(tái)計(jì)算機(jī)之間的距離為1000km，假定在電纜內(nèi)信號(hào)的傳播速度是2×108m/s，試對(duì)下列類型的鏈路分別計(jì)算發(fā)送時(shí)延和傳播時(shí)延。（1）數(shù)據(jù)塊長(zhǎng)度為108bit，數(shù)據(jù)發(fā)送速率為1Mb/s；（2）數(shù)據(jù)塊長(zhǎng)度為1000bit，數(shù)據(jù)發(fā)送速率為1Gbit/s

2.3數(shù)據(jù)傳送技術(shù)1、數(shù)據(jù)序列的電信號(hào)表示2、信道容量的概念3、基帶傳輸4、頻帶傳輸5、數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸3.2.3數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的數(shù)字信號(hào)編碼1、數(shù)據(jù)序列的電信號(hào)表示數(shù)據(jù)序列單極性不歸零碼單極性歸零碼雙極性不歸零碼雙極性歸零碼0100110001111、數(shù)據(jù)序列的電信號(hào)表示數(shù)據(jù)序列偽三元編碼曼徹斯特編碼差分曼徹斯特編碼差分編碼0100110001113.3.2信道容量任何實(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(lái)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。信道容量的概念失真不嚴(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)

數(shù)字信號(hào)通過(guò)實(shí)際的信道信道容量是指在一定的條件下，給定通信路徑（信道）上所能達(dá)到的最大數(shù)據(jù)傳輸速率。信道容量的概念信道容量噪聲誤碼率帶寬數(shù)據(jù)傳輸速率理想低通信道的最高碼元傳輸速率N=2WBaudW是理想低通信道的帶寬，單位為赫(Hz)奈奎斯特(Nyquist)定理不能通過(guò)能通過(guò)0頻率(Hz)W(Hz)在理想低通信道中，如果信道帶寬WHz，則最高碼元傳輸速率是每秒

2

W

個(gè)碼元。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。奈奎斯特(Nyquist)定理實(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）。碼元傳輸速率也稱為調(diào)制速率、波形速率或符號(hào)速率。比特是信息量的單位。

要強(qiáng)調(diào)以下兩點(diǎn)信息的傳輸速率“比特/秒”與碼元的傳輸速率“波特”在數(shù)量上有一定的關(guān)系。若1個(gè)碼元只攜帶1bit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nbit的信息量，則NBaud的碼元傳輸速率所對(duì)應(yīng)的信息傳輸速率為N

nb/s。信道容量的概念傳輸比特流10011100……10011100…………2bit一組4種幅度,1個(gè)碼元攜帶2bit信息,n=log2M(M碼元狀態(tài)數(shù))t3210無(wú)噪聲的情況下，在帶寬為W的信道，其最大的數(shù)據(jù)傳輸速率C（信道容量）為

C=2Wlog2M[例]一個(gè)無(wú)噪聲的話音帶寬為4000Hz，采用8相調(diào)制解調(diào)器傳送二進(jìn)制信號(hào)，試問(wèn)信道容量是多少？香（仙）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(wú)差錯(cuò)的信息傳輸速率。信道的極限信息傳輸速率C(信道容量）

可表達(dá)為

C=Wlog2(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（仙）農(nóng)(Shannon)定理[例]一個(gè)數(shù)字信號(hào)通過(guò)兩種物理狀態(tài)經(jīng)信噪比為20dB的3kHz帶寬的信道傳送，其數(shù)據(jù)率不會(huì)超過(guò)多少？

應(yīng)用舉例解：已知信噪比電平為20dB，則信噪功率比S/N=100 C=3000log2(1+100)=30006.66=19.98kbit/s數(shù)據(jù)率不會(huì)超過(guò)19.98kbit/s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(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)差錯(cuò)的傳輸。若信道帶寬

W

或信噪比

S/N

沒(méi)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(méi)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。

香農(nóng)公式表明

奈氏準(zhǔn)則和香農(nóng)公式在數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)作用范圍源系統(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)公式的限制基帶傳輸

基帶信號(hào)

在數(shù)據(jù)通信中，表示計(jì)算機(jī)中二進(jìn)制比特序列的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)信號(hào)是典型的矩形脈沖信號(hào)。人們把矩形脈沖信號(hào)的固有頻帶稱作基本頻帶(簡(jiǎn)稱為基帶)，這種矩形脈沖信號(hào)就叫做基帶信號(hào)。在數(shù)字信道上，計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)是以矩形脈沖信號(hào)直接傳送的，這種傳送方法稱為基帶傳輸。

頻帶傳輸(P553.2.2數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的模擬信號(hào)調(diào)制)頻帶傳輸又稱為調(diào)制傳輸，就是先將基帶信號(hào)變換成便于在模擬信道中傳輸?shù)?、具有較高頻率范圍的信號(hào)（頻帶信號(hào)），再將這種頻帶信號(hào)在信道中傳輸。頻帶傳輸

數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，模擬傳輸有些傳輸媒體只適合于傳輸模擬信號(hào)，為充分利用現(xiàn)有的傳輸資源，必須將數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)才能傳輸。將數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)的過(guò)程叫調(diào)制（實(shí)際上是用數(shù)字信號(hào)控制模擬信號(hào)的某些參數(shù)，使模擬信號(hào)攜帶信息）。將攜帶信息的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)（或稱從已調(diào)制的模擬信號(hào)中提取數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)）的過(guò)程叫解調(diào)。最常用的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)－模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換設(shè)備是調(diào)制解調(diào)器（MODEM），同時(shí)具有調(diào)制和解調(diào)的功能，在數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中，是一種典型的DCE設(shè)備。常用的調(diào)制技術(shù)：載波：一種便于發(fā)射和接收，及技術(shù)實(shí)現(xiàn)的高頻簡(jiǎn)諧波或周期性脈沖信號(hào)。當(dāng)載波為高頻簡(jiǎn)諧波時(shí)，可用三個(gè)參數(shù)描述：振幅、頻率、相位?？刂七@三個(gè)參數(shù)變化，可以實(shí)現(xiàn)調(diào)制功能。以數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)控制載波的幅度，稱為數(shù)字調(diào)幅，又稱幅移鍵控，簡(jiǎn)稱ASK。以數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)控制載波的相位，稱為數(shù)字調(diào)相，又稱相移鍵控，簡(jiǎn)稱PSK。以數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)控制載波的頻率，稱為數(shù)字調(diào)頻，又稱頻移鍵控，簡(jiǎn)稱FSK。

數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，模擬傳輸頻帶傳輸010011100基帶信號(hào)調(diào)幅調(diào)頻調(diào)相數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸(3.2.4模擬數(shù)據(jù)的數(shù)字信號(hào)編碼)在數(shù)字信道中傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)稱為數(shù)據(jù)信號(hào)的數(shù)字傳輸，簡(jiǎn)稱為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸。抽樣量化編碼模擬數(shù)據(jù)數(shù)字信號(hào)數(shù)字信道解碼恢復(fù)數(shù)字信號(hào)模擬數(shù)據(jù)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸時(shí)間量化幅值量化采樣間隔fs

≥

2fc模擬數(shù)據(jù)數(shù)字信號(hào)隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，通信終端和交換設(shè)備的性能不斷提高，而價(jià)格卻迅速降低。傳輸媒體由于資源有限，制造成本增加，即使采用原料豐富的光纖線路，但鋪設(shè)費(fèi)用也在增長(zhǎng)。其投資在整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)占有的比重越來(lái)越大。信道復(fù)用技術(shù)是在一條傳輸信道中傳輸多路信號(hào)，以提高傳輸媒體的利用率。3.4多路復(fù)用技術(shù)1、頻分復(fù)用2、時(shí)分復(fù)用3、碼分復(fù)用4、波分復(fù)用1、頻分復(fù)用(FDM，F(xiàn)requencyDivisionMultiplexing)當(dāng)傳輸信道的帶寬較大，而所傳輸?shù)男盘?hào)只需部分帶寬就可實(shí)現(xiàn)有效傳送，則可以在信道中同時(shí)傳輸多路信號(hào)，每路信號(hào)占用部分帶寬。頻分復(fù)用是按頻率劃分不同的子信道，每個(gè)子信道占用不同的頻率范圍。采用調(diào)制技術(shù)，將信號(hào)搬移到信道相應(yīng)的頻段上。頻分復(fù)用常用于載波電話系統(tǒng)、電視等。頻率1頻率3頻率2頻率4時(shí)間頻率T4T3T2T1T1T2T3T41、頻分復(fù)用(FDM，F(xiàn)requencyDivisionMultiplexing)2、時(shí)分復(fù)用(TimeDivisionMultiplexer,TDM)時(shí)分復(fù)用是采用時(shí)間分片方式來(lái)實(shí)現(xiàn)傳輸信道的多路復(fù)用，即每一路信號(hào)傳輸都使用信道的全部帶寬，但只能使用其中某個(gè)時(shí)隙。靜態(tài)時(shí)分復(fù)用中，多個(gè)數(shù)據(jù)終端的信號(hào)分別在預(yù)定的時(shí)隙內(nèi)傳輸，其分配關(guān)系固定，周期性使用，收發(fā)雙方保持同步，又稱同步時(shí)分復(fù)用。若無(wú)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，對(duì)應(yīng)時(shí)隙空閑。靜態(tài)時(shí)分復(fù)用時(shí)高速傳輸介質(zhì)容量等于各個(gè)低速終端數(shù)據(jù)速率之和。2、時(shí)分復(fù)用頻率時(shí)間BCDBCDBCDBCDAAAA在

TDM

幀中的位置不變TDM幀TDM幀TDM幀TDM幀…TDM幀2、時(shí)分復(fù)用頻率時(shí)間CDCDCDCDAAAATDM幀TDM幀TDM幀TDM幀…TDM幀BBBB在

TDM

幀中的位置不變2、時(shí)分復(fù)用頻率時(shí)間BDBDBDBDAAAATDM幀TDM幀TDM幀TDM幀…TDM幀CCCC在

TDM

幀中的位置不變2、時(shí)分復(fù)用頻率時(shí)間BCBCBCBCAAAATDM幀TDM幀TDM幀TDM幀…TDM幀在

TDM

幀中的位置不變DDDD2、時(shí)分復(fù)用靜態(tài)時(shí)分復(fù)用中，每個(gè)數(shù)據(jù)終端的信號(hào)與傳輸時(shí)隙分配關(guān)系固定，無(wú)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，對(duì)應(yīng)時(shí)隙空閑。因此效率較低。動(dòng)態(tài)時(shí)分復(fù)用又稱異步時(shí)分復(fù)用，或稱統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用（STDM），是按需分配媒體資源，提高了傳輸媒體的利用率。動(dòng)態(tài)時(shí)分復(fù)用中，用戶數(shù)據(jù)傳輸速率之和可以大于高速線路傳輸容量。動(dòng)態(tài)時(shí)分復(fù)用中需要使用緩沖存儲(chǔ)和流量控制技術(shù)來(lái)保證數(shù)據(jù)正確傳送。2、時(shí)分復(fù)用ABCDaabbcdbcattttt4個(gè)時(shí)分復(fù)用幀#1④③②①acbcd靜態(tài)時(shí)分復(fù)用#2#3#4用戶2、時(shí)分復(fù)用用戶ABCDabcdttttt3個(gè)STDM幀#1④③②①acbabbcacd#2#3統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用3、碼分復(fù)用(CodingDivisionMultiplexing,CDM)碼分復(fù)用是蜂窩移動(dòng)通信中迅速發(fā)展的一種信號(hào)處理方式。常用的名詞是碼分多址CDMA(CodeDivisionMultipleAccess)。這種系統(tǒng)發(fā)送的信號(hào)有很強(qiáng)的抗干擾能力，其頻譜類似于白噪聲，不易被敵人發(fā)現(xiàn)。每一個(gè)比特時(shí)間劃分為m個(gè)短的間隔，稱為碼片(chip)。3、碼分復(fù)用每個(gè)站被指派一個(gè)惟一的mbit碼片序列。如發(fā)送比特1，則發(fā)送自己的mbit碼片序列。如發(fā)送比特0，則發(fā)送該碼片序列二進(jìn)制反碼。

例如，S站的8bit碼片序列是00011011。發(fā)送比特1時(shí)，就發(fā)送序列00011011，發(fā)送比特0時(shí)，就發(fā)送序列11100100。S站的碼片序列：(–1–1–1+1+1–1+1+1)3、碼分復(fù)用每個(gè)站分配的碼片序列不僅必須各不相同，并且還必須互相正交(orthogonal)。在實(shí)用的系統(tǒng)中是使用偽隨機(jī)碼序列。令向量S表示站S的碼片向量，令T表示其他任何站的碼片向量。兩個(gè)不同站的碼片序列正交，就是向量S和T的規(guī)格化內(nèi)積(innerproduct)都是0：3、碼分復(fù)用3、碼分復(fù)用令向量S為(–1–1–1+1+1–1+1+1)，向量T為(–1–1+1–1+1+1+1–1)。把向量S和T的各分量值代入公式就可看出這兩個(gè)碼片序列是正交的。任何一個(gè)碼片向量和該碼片向量自己的規(guī)格化內(nèi)積都是1。一個(gè)碼片向量和該碼片反碼的向量的規(guī)格化內(nèi)積值是–1。3、碼分復(fù)用3、碼分復(fù)用S站的碼片序列S110ttttttm個(gè)碼片tS站發(fā)送的信號(hào)SxT站發(fā)送的信號(hào)Tx總的發(fā)送信號(hào)Sx+Tx規(guī)格化內(nèi)積S

Sx規(guī)格化內(nèi)積S

Tx數(shù)據(jù)碼元比特發(fā)送端接收端4、波分復(fù)用(WaveDivisionMultiplexing)波分復(fù)用就是光的頻分復(fù)用，即在一根光纖上傳輸多路光載波信號(hào)。密集波分復(fù)用（DWDM）是一種支持巨大數(shù)量信道的系統(tǒng)。波分復(fù)用技術(shù)可以進(jìn)一步提高光纖的傳輸容量，滿足通信需求量的迅速增長(zhǎng)和多媒體通信。4、波分復(fù)用1550nm01551nm11552nm21553nm31554nm41555nm51556nm61557nm701550nm11551nm21552nm31553nm41554nm51555nm61556nm71557nm82.5Gb/s1310nm20Gb/s復(fù)用器分用器EDFA120km3.5傳輸系統(tǒng)(按書完善)模擬傳輸模擬信號(hào)：時(shí)間和幅度取值連續(xù)變化的信號(hào)量。模擬信道：適于模擬信號(hào)傳輸?shù)男诺滥M傳輸系統(tǒng)：傳輸模擬信號(hào)的通信系統(tǒng)數(shù)字傳輸數(shù)字信號(hào)：時(shí)間和幅度取值離散（不連續(xù)變化）的信號(hào)量。數(shù)字信道：適于數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)男诺罃?shù)字傳輸系統(tǒng)：傳輸數(shù)字信號(hào)的通信系統(tǒng)幅度時(shí)間幅度時(shí)間3.6數(shù)據(jù)通信接口物理層基本概念物理層是OSI參考模型中的最低一層，向下是與物理設(shè)備之間的接口，直接與傳輸介質(zhì)相連接，使二進(jìn)制數(shù)據(jù)位流通過(guò)該接口從一臺(tái)設(shè)備傳送給相鄰的另一臺(tái)設(shè)備；向上為數(shù)據(jù)鏈路層提供透明的比特流傳輸服務(wù)。物理層接口不僅包括DTE－DCE之間的接口，也包括DCE－DCE之間的接口。物理層協(xié)議物理層通過(guò)執(zhí)行建立物理連接和數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ芟驍?shù)據(jù)鏈路層提供服務(wù)。從物理鏈路的構(gòu)成來(lái)看，物理層可處于多種環(huán)境之中，不同類型和特性的物理鏈路由不同的物理層協(xié)議描述。物理層協(xié)議與通信設(shè)備的接口特性密切相關(guān)，通信設(shè)備接口有機(jī)械、電氣、功能、規(guī)程四個(gè)方面的特性。通信接口特性是指DTE和DCE之間連接的物理特性。這種連接特性與所選用的DCE類型、傳輸信道（模擬/數(shù)字）、通信方式（半雙工/全雙工）和通信速率有關(guān)。物理層標(biāo)準(zhǔn)主要描述了通信接口的相關(guān)特性。包括機(jī)械特性、電氣特性、功能特性和規(guī)程特性。由于歷史原因，通信接口相關(guān)特性標(biāo)準(zhǔn)大多采用CCITT的有關(guān)建議標(biāo)準(zhǔn)。V系列建議是為了在模擬傳輸系統(tǒng)（電話網(wǎng)）中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信而制定的標(biāo)準(zhǔn)。X系列建議是專門為數(shù)據(jù)通信制定的，符合開放系統(tǒng)互連參考模型的標(biāo)準(zhǔn)。其它通信接口標(biāo)準(zhǔn)，如I系列、G系列。為了減少標(biāo)準(zhǔn)數(shù)量，也可使用其它標(biāo)準(zhǔn)，如ISO的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。物理層的主要任務(wù)描述為確定與傳輸媒體的接口的一些特性，即：機(jī)械特性：指明接口所用接線器的形狀和尺寸、引線數(shù)目和排列、固定和鎖定裝置等等。電氣特性：指明在接口電纜的各條線上出現(xiàn)的電壓的范圍。功能特性：指明某條線上出現(xiàn)的某一電平的電壓表示何種意義。規(guī)程特性：指明對(duì)于不同功能的各種可能事件的出現(xiàn)順序和條件。

數(shù)據(jù)通信接口特性1、通信接口的機(jī)械特性2、通信接口的電氣特性3、通信接口的功能特性4、通信接口的規(guī)程特性5、其它通信接口標(biāo)準(zhǔn)1、機(jī)械特性機(jī)械特性描述接口接插件的插頭、插座的規(guī)格、尺寸、幾何形狀，插針/插孔的數(shù)量與排列情況等。機(jī)械特性主要使用ISO標(biāo)準(zhǔn)。 ISO211025芯（2排，13/12） ISO259334芯（4排，9/8/9/8） ISO490237芯（2排，19/18） ISO490315芯（2排，8/7） 9芯（2排，5/4）數(shù)據(jù)通信接口特性1、機(jī)械特性X.21接口/ISO4903V.24接口/RS-232/ISO2110V.35接口/ISO2593ABDCHMSWafjEKPUYchmJNTXbgkFLRVZdln113142518915

常見(jiàn)接口的機(jī)械特性數(shù)據(jù)通信接口特性2、電氣特性電氣特性描述通信接口的發(fā)信器（驅(qū)動(dòng)器）和接收器的電氣連接方法及其電氣參數(shù)。電氣連接方法：不平衡型、半平衡型、平衡型電氣參數(shù)：電壓（電流）值、單極性/雙極性，等效電路和阻抗值、分布電容、信號(hào)上升時(shí)間等。數(shù)據(jù)通信接口特性

V.28建議不平衡雙流接口電路

V.35建議平衡雙流接口電路

V.10/X.26建議準(zhǔn)平衡雙流接口電路（不平衡驅(qū)動(dòng)，平衡接收）

V.11/X.27建議平衡雙流接口電路不平衡接口節(jié)約電路，平衡接口抗干擾能力強(qiáng)。在實(shí)際接口應(yīng)用中，平衡/不平衡接口電路?；旌鲜褂?。2、電氣特性(表3-7)數(shù)據(jù)通信接口特性隨著距離增加，電路的電容作用增強(qiáng)，影響信號(hào)波形，信號(hào)速率應(yīng)降低。2、電氣特性距離速率數(shù)據(jù)通信接口特性V.28V.10/RS-423V.11/RS-422DRDRDRRS2322、電氣特性數(shù)據(jù)通信接口特性3、功能特性功能特性描述接口執(zhí)行的功能，定義接插件的每一引腳