Ch2 數(shù)據(jù)通信基礎知識 (2)課件

第二章數(shù)據(jù)通信基礎2.1概念和術語2.2數(shù)據(jù)通信基礎理論2.3傳輸介質2.4編碼與調制2.5復用2.6調制解調器2.7物理層接口傳輸系統(tǒng)輸入信息輸入數(shù)據(jù)發(fā)送的信號接收的信號輸出數(shù)據(jù)源點終點發(fā)送器接收器調制解調器PC機公用電話網調制解調器數(shù)字比特流數(shù)字比特流模擬信號模擬信號正文正文數(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機物理層的基本概念物理層的主要任務描述為確定與傳輸媒體的接口的一些特性，即：機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)程特性指明對于不同功能的各種可能事件的出現(xiàn)順序。

極低頻ELF(ExtremelyLowFrequency)3-30Hz超低頻SLF(SuperLowFrequency)30-300Hz特低頻ULF(UltraLowFrequency)300-3000Hz甚低頻VLF(VeryLowFrequency)3-30KHz低頻LF(LowFrequency)30-300KHz中頻MF(MediumFrequency)300-3MHz高頻HF(HighFrequency)3-30MHz甚高頻VHF(VeryHighFrequency)30-300MHz特高頻UHF(UltraHighFrequency)300-3000MHz超高頻SHF(SuperHighFrequency)3-30GHz極高頻EHF(ExtremelyHighFrequency)30-300GHz2.1概念和術語2.1.1數(shù)據(jù)2.1.2信號2.1.3傳輸2.1.4傳輸方式2.1.1數(shù)據(jù)信息：客觀事物屬性和相互關系的表征數(shù)據(jù)：信息的表現(xiàn)信息是在人們之間傳遞的知識，數(shù)據(jù)是信息的具體表現(xiàn)形式，其本身是各種各樣的物理符號或它們的組合2.1.2信號信號信號是數(shù)據(jù)的電子或電磁編碼，數(shù)據(jù)必須經過編碼轉換為電信號后才能在傳輸介質中傳輸模擬信號與數(shù)字信號模擬信號和數(shù)字信號模擬的和數(shù)字的數(shù)據(jù)、信號模擬數(shù)據(jù)模擬信號放大器調制器模擬數(shù)據(jù)數(shù)字信號

PCM編碼器數(shù)字數(shù)據(jù)模擬信號調制器數(shù)字數(shù)據(jù)數(shù)字信號數(shù)字發(fā)送器信道信道與電路并不等同，信道表示信號的通路，一般是用來表示向某一個方向傳輸信息的媒體一條通信電路往往包含一條發(fā)送信道和一條接收信道信道與傳輸介質也是有區(qū)別的傳輸介質是指用于連接兩個或多個網絡節(jié)點的物理傳輸線路

通信信道建立在傳輸介質之上包括傳輸介質和通信設備

差錯率/誤碼率由于噪聲的影響和信道帶寬的限制，信號可能發(fā)生失真.差錯率/誤碼率：傳輸比特總數(shù)與其中出錯比特數(shù)的比值

Pe=出錯比特數(shù)傳輸/比特總數(shù)例：傳輸10000bit,有2bit出錯，Pe＝2/10000差錯率越高表示信道的質量越差

信道的差錯率與信號的傳輸速率和傳輸距離成正比數(shù)字信號通過實際的信道失真不嚴重失真嚴重實際的信道（帶寬受限、有噪聲、干擾和失真）輸入信號波形輸出信號波形(失真不嚴重)輸入信號波形實際的信道（帶寬受限、有噪聲、干擾和失真）輸出信號波形(失真嚴重)2.1.4傳輸方式并行傳輸和串行傳輸串行（serial）通訊，每個字符的二進制位按位排列進行傳輸，速度慢，但傳輸距離相對較遠，鼠標口和USB口都是串行端口；并行（parallel）通訊，每個字符的二進制位使用多條數(shù)據(jù)線同時進行傳輸，傳輸速度相對要快些，但傳輸距離相對不能太遠，計算機內部數(shù)據(jù)傳輸一般都是采用這種方法，標準打印口是屬并行端口異步方式和同步方式異步傳輸以字符為獨立的傳輸單位。同步傳輸時，數(shù)據(jù)塊以穩(wěn)定的比特流的形式傳輸字符內部的各個比特采用固定的時間模式，每個字符獨立傳輸，字符之間間隔任意，用獨特的起始位和終止位來限定每個字符。傳輸效率較低起終始止位11101010位

線路空閑

線路空閑起始位一個字符下一字符異步傳輸舉例2.2數(shù)據(jù)通信基礎理論話音信號話音信號的標準帶寬為300Hz～3400Hz音樂信號（CD音質）要求的帶寬是20Hz~20KHz電視信號(PAL或NTSC制式)電視信號的帶寬約為4.2MHz二進制信號(數(shù)字信號)一般說來，任何數(shù)字信號都具有無限帶寬，但它們不得不被近為有限帶寬信號數(shù)字信號的帶寬依賴于“0”、“1”序列以及編碼方式計算機網絡中的速率計算機網絡中信號的速率涉及三種：傳播速率；調制速率；數(shù)據(jù)傳輸率信號的傳播速率是常量傳播速率，是一個常量，與光速聯(lián)系調制速率也稱為碼元速率、波形速率或信號速率指的是每秒種發(fā)送信號的數(shù)目，單位為波特(baud)數(shù)據(jù)傳輸率為每秒種發(fā)送的二進制位數(shù)單位為bps，讀作每秒位。調制速率與數(shù)據(jù)傳輸率之間的關系為：

C=Blog2N(bps)其中：C為數(shù)據(jù)傳輸率；B為調制速率；N為一個信號可能取值的個數(shù)

計算機網絡的帶寬是指網絡可通過的最高數(shù)據(jù)率，即每秒多少比特。描述帶寬也常常把“比特/秒”省略。例如，帶寬是10M，實際上是10Mb/s。這里的M是106。計算機網絡的帶寬2.3傳輸介質2.3.1雙絞線2.3.2同軸電纜2.3.3光纖2.3.4無線介質2.3.1雙絞線屏蔽雙絞線STP（IBM）非屏蔽雙絞線UTP（EIA/TIA）1類——用于電話通信，一般不適合傳輸數(shù)據(jù)。2類——可用于傳輸數(shù)據(jù)，最大數(shù)據(jù)率為4Mbps。3類——用于以太網，最大數(shù)據(jù)率為10Mbps。4類——用于令牌環(huán)網，最大數(shù)據(jù)率為16Mbps。5類——用于快速以太網，最大數(shù)據(jù)率為100Mbps。6類——用于吉比特以太網，最大數(shù)據(jù)率為1Gbps。雙絞線圖示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屏蔽雙絞線UTP屏蔽雙絞線STP2.3.2同軸電纜基帶電纜（10Mbps）粗纜非中繼傳輸距離500米需要使用收發(fā)器和收發(fā)電纜AUI接口細纜（便宜的同軸電纜）非中繼傳輸距離185米BNC接口寬帶電纜（CATV電纜）CableModem（寬帶接入）同軸電纜圖示同軸電纜50

同軸電纜75

同軸電纜2.3.3光纖帶寬頻率范圍：180~370THz數(shù)據(jù)率：160*10Gbps=1.6Tbps原因：光/電、電/光轉換的速度跟不上光電子技術/光子技術通過光纖中光的波長0.85μm/1.3μm/1.55μm(250~300THz)光反射原理折射角入射角包層（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）包層纖芯光纖及光纜構成單模光纖和多模光纖單模光纖（single-modefiber）使用激光源內芯直徑較小直徑為8～10μm多模光纖（multi-modefiber）使用發(fā)光二極管內芯直徑稍大（外徑為125μm）直徑為62.4μm輸入脈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多模光纖單模光纖與多模光纖的比較光纖的特點優(yōu)點高帶寬、高數(shù)據(jù)率安全、可靠抗腐蝕衰減小2.3.4無線介質無線介質是指信號通過空氣傳輸，信號不被約束在一物理導體內無線介質實際上就是無線傳輸系統(tǒng)，主要包括無線電微波紅外線和激光衛(wèi)星通信無線介質只能傳輸模擬信號（高頻載波信號）無線電波（1）無線電通信就是利用地面發(fā)射的無線電波通過電離層的反射而到達接收端的一種遠距離通信方式。無線電通信使用的頻率一般在3MHz至1GHz。無線電波的傳播特性與頻率有關。在低頻上，無線電波能輕易地繞過一般障礙物，但其能量隨著傳播距離的增大而急劇遞減。在高頻上，無線電波趨于直線傳播并易受障礙物的阻擋，還會被雨水吸收。無線電波（2）微波微波通信是利用無線電波在對流層的視距范圍內進行信息傳輸?shù)囊环N通信方式，它使用的頻率范圍一般在1GHz至20GHz左右。由于微波只能沿直線傳播，所以微波的發(fā)射天線和接收天線必須精確對準，而且每隔一段距離就需要一個中繼站。中繼站之間的距離與微波塔的高度成正比例。對于100m高的微波塔，中繼站之間的距離可以達到80km。

紅外線紅外系統(tǒng)采用發(fā)光射二極管LED、激光二極管ILD發(fā)射的紅外線來進行站與站之間的數(shù)據(jù)交換。點到點紅外系統(tǒng)廣播式紅外系統(tǒng)*2.4編碼與調制2.4.1數(shù)字－數(shù)字編碼2.4.2模擬－數(shù)字編碼2.4.3數(shù)字－模擬調制2.4.4模擬－模擬調制2.4.1數(shù)字—數(shù)字編碼例如：計算機到打印機曼徹斯特和差分曼徹斯特編碼2.4.2模擬—數(shù)字編碼如何在不損失信號質量的前提下，將信息從無窮多的連續(xù)值轉換為有限個離散值脈沖幅度調制PAM脈沖振幅調制（PAM,PulseAmplitudeModulation）脈沖編碼調制PCM脈沖編碼調制PCM就是將脈沖振幅調制PAM所產生的采樣結果變成完全數(shù)字化的信號。三個過程脈沖幅度調制PAM量化（A/D轉換）編碼（數(shù)字—數(shù)字編碼）模擬數(shù)據(jù)編碼為數(shù)字信號脈沖編碼調制PCM（PulseCodeModulation）是用于模擬數(shù)據(jù)編碼為數(shù)字信號的技術PCM技術的實現(xiàn)有三個步驟：采樣；量化；編碼PCM技術的實現(xiàn)基礎是依據(jù)采樣定理

2.4.3數(shù)字—模擬調制例如：通過一條電話線，將數(shù)字數(shù)據(jù)從一臺計算機傳送到另一臺計算機。幅移鍵控ASK頻移鍵控FSK相移鍵控PSK一個8-QAM信號的時域圖2.4.4模擬—模擬調制調頻2.5復用2.5.1頻分復用2.5.2時分復用*2.5.3碼分復用2.5.1頻分復用頻分復用FDM(FrequencyDivisionMultiplexing)主干線路的頻帶被劃分為若干邏輯信道，每個用戶獨占某些頻段；調頻廣播以及有線電視。頻分復用頻分復用(FDM)是最常用的技術信道的帶寬很寬，信道的可用帶寬大于一路信號所需的帶寬，把信道劃分為多個子信道，每個子信道傳輸一路信號在子信道之間要留有隔離頻帶，對每路信號以不同頻率的載波進行調制，使其適應不同子信道頻段的要求，傳輸?shù)侥康牡睾笤倩謴蜑樵夹盘?/p>

頻分復用示例圖2.5.2時分復用時分復用TDM(TimeDivisionMultiplexing）每個用戶輪流瞬間地占有主干線路的整個帶寬；在數(shù)字通信系統(tǒng)中，對主干線路的復用只能采用TDM，因為數(shù)字信號的頻譜有可能占居整個信道帶寬。時分復用TDM

時分復用TDM（TimeDivisionMultiplexing）技術的依據(jù)是信道的數(shù)據(jù)傳輸率大于一路信號傳輸所需要的數(shù)據(jù)傳輸率可以把傳輸時間分成時間片幀，每一時間片幀包含若干時間隙，每個時間隙對應一路信號的若干位

時分復用頻率f時間t23423423423411111在

TDM

幀中的位置不變TDM幀TDM幀TDM幀TDM幀…TDM幀時分復用頻率f時間t34343411112222342在

TDM

幀中的位置不變TDM幀TDM幀TDM幀TDM幀…TDM幀時分復用頻率f時間t24242411112333343在

TDM

幀中的位置不變TDM幀TDM幀TDM幀TDM幀…TDM幀時分復用頻率時間2323231111234444D在TDM幀中的位置不變TDM幀TDM幀TDM幀TDM幀…TDM幀T1標準E1標準PDH標準SDH標準FDMA和TDMAFDMA頻率時間TDMA頻率時間用戶C用戶D用戶B用戶ATDM與FDM的比較

TDM中每一路信號傳輸占用信道的全部帶寬在某一微小的時間間隔只有一路信號在傳輸FDM中每一路信號占用部分帶寬在某一微小的時間間隔有多路信號在傳輸

在應用中TDM