第二章數(shù)據(jù)通基礎(chǔ)

1、第二章數(shù)據(jù)通基礎(chǔ)物理層的主要功能一、實現(xiàn)發(fā)送端和接收端之間的信號同步。二、為數(shù)據(jù)鏈路層提供物理連接,實現(xiàn)比特流的透明傳輸。.物理層的基本概念物理層的主要任務(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。 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)送的信號接收的信號輸出數(shù)據(jù)源點終點發(fā)送器接收器調(diào)制解調(diào)器PC 機公用 網(wǎng)調(diào)制解調(diào)器數(shù)字比特流數(shù)字比特流模擬信號模擬

2、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DTE數(shù)據(jù)終端設(shè)備DTE產(chǎn)生的是數(shù)字信號，接收的也是數(shù)字信號 。DCE數(shù)據(jù)線路端接設(shè)備DCE為DTE提供了入網(wǎng)的連接點，通常被認為是通信子網(wǎng)中的設(shè)備。幾個術(shù)語信息信息(Information):是數(shù)據(jù)的內(nèi)容或解釋是數(shù)據(jù)的內(nèi)容或解釋 計算機通過數(shù)據(jù)表達信息計算機通過數(shù)據(jù)表達信息 計算機信息交換就是訪問及傳輸數(shù)據(jù)計算機信息交換就是訪問及傳輸數(shù)據(jù) 計算機通信就是一種數(shù)據(jù)通信計算機通信就是一種數(shù)據(jù)通信信號信號(Signal):是數(shù)據(jù)的具體表現(xiàn)形式是數(shù)據(jù)的具體表現(xiàn)形式,如電磁波或如電磁波或電編碼電編碼數(shù)據(jù)是借助信號來傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是借助信號來傳

3、輸?shù)?是通信中傳輸?shù)闹黧w是通信中傳輸?shù)闹黧w數(shù)據(jù)和信息數(shù)據(jù)和信息是有區(qū)別的。數(shù)據(jù)是獨立的，是尚未組織起來的事實的集合，信息則是按照一定要求以一定格式組織起來的數(shù)據(jù)，凡經(jīng)過加工處理或換算成人們想要得到的數(shù)據(jù)，即可稱為信息。 信號是數(shù)據(jù)的物理表示形式。在數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中，傳輸媒體以適當形式傳輸?shù)臄?shù)據(jù)都是信號。電信號有模擬信號和數(shù)字信號兩種形式。模擬數(shù)據(jù)和數(shù)字數(shù)據(jù)表達數(shù)據(jù)的方式和承載數(shù)據(jù)的媒體是緊密相關(guān)的，不同的媒體能夠表達數(shù)據(jù)的方式是有限的。模擬數(shù)據(jù)和數(shù)字數(shù)據(jù)是表達數(shù)據(jù)的兩種方式。當數(shù)據(jù)采用電信號方式表達時，由于受電物理特性所限，數(shù)據(jù)只能被表示成離散的編碼和連續(xù)載波兩種形式。當數(shù)據(jù)采用離散的電信號表示

4、時，這樣的數(shù)據(jù)就被稱為數(shù)字數(shù)據(jù)。當數(shù)據(jù)采用電波表示時，這樣的數(shù)據(jù)就被稱為模擬數(shù)據(jù)。 q模擬信號：時間上連續(xù)，包含無窮多個值模擬信號：時間上連續(xù)，包含無窮多個值q數(shù)字信號：時間上離散，僅包含有限數(shù)目的預(yù)定值數(shù)字信號：時間上離散，僅包含有限數(shù)目的預(yù)定值a) 模擬信號模擬信號(Analog) b) 數(shù)字信號數(shù)字信號(Digital)TT模擬信號和數(shù)字信號模擬信號和數(shù)字信號通信與通信系統(tǒng)通信是把信息從一個地方傳送到另一個地方的過程，用任何方法，通過任何媒體將信息從一個地方傳送到另一個地方均可稱為通信。用來實現(xiàn)通信過程的系統(tǒng)被稱為通信系統(tǒng)。通信系統(tǒng)都必須具備三個基本要素：信源、傳輸媒體和信宿。 通信系統(tǒng)

5、都必須具備三個基本要素：信源、傳輸媒體和信宿。通信系統(tǒng)中，除信源、通信媒體和信宿三個基本要素外，通常還需要有信號變換設(shè)備、信號復(fù)原設(shè)備，在傳輸媒體中存在的各種產(chǎn)生差錯的噪聲。信 道信道是傳送電信號的一條道路信道也可以分為傳送模擬信號的模擬信道和傳送數(shù)字信號的數(shù)字信道兩類。信號在信道上有兩種傳輸方式:基帶傳輸基帶傳輸, 寬帶寬帶傳輸傳輸基帶傳輸基帶傳輸基帶信號：將二進制碼數(shù)字數(shù)據(jù)基帶信號：將二進制碼數(shù)字數(shù)據(jù)經(jīng)過編碼變換成經(jīng)過編碼變換成數(shù)字脈沖信號數(shù)字脈沖信號基帶傳輸：不調(diào)制，編碼后的基帶傳輸：不調(diào)制，編碼后的基基帶信號帶信號信號直接在信道上傳送信號直接在信道上傳送電壓脈沖直接加到電纜，并且使用電

6、纜的電壓脈沖直接加到電纜，并且使用電纜的整個信號頻率范圍整個信號頻率范圍寬帶傳輸寬帶傳輸在一路信道的全部頻率范圍上同時進行多路在一路信道的全部頻率范圍上同時進行多路不同頻率的載波傳輸，一路信道包含多個邏不同頻率的載波傳輸，一路信道包含多個邏輯信道。輯信道。 頻分復(fù)用頻分復(fù)用（FDM）電視電視ADSLISDN信道的幾個主要技術(shù)指標任何實際的信道都不是理想的，在傳輸信號時會產(chǎn)生各種失真以及帶來多種干擾。 碼元傳輸?shù)乃俾试礁撸蛐盘杺鬏數(shù)木嚯x越遠，在信道的輸出端的波形的失真就越嚴重。 比特率：比特率： 數(shù)據(jù)傳輸率，指每秒傳輸多少二進制代碼位數(shù)，數(shù)據(jù)傳輸率，指每秒傳輸多少二進制代碼位數(shù)，單位用位單位用

7、位/秒，常記作秒，常記作bps(即即bit per second)。設(shè)設(shè)T為傳輸?shù)碾娒}沖信號的寬度或周期，為傳輸?shù)碾娒}沖信號的寬度或周期，N為電脈沖信號所為電脈沖信號所有可能的狀態(tài)數(shù)，則數(shù)據(jù)率有可能的狀態(tài)數(shù)，則數(shù)據(jù)率S=1/Tlog2N(bps)其中，其中，log2N是每一個電脈沖信號所表示的二進制數(shù)據(jù)的位是每一個電脈沖信號所表示的二進制數(shù)據(jù)的位數(shù)數(shù)(比特數(shù)比特數(shù))。比如，設(shè)電信號的狀態(tài)數(shù)。比如，設(shè)電信號的狀態(tài)數(shù)N=2，即只有，即只有“0”和和“1”兩個狀態(tài)，則每個電信號只傳送兩個狀態(tài)，則每個電信號只傳送1位二進制數(shù)據(jù)。這位二進制數(shù)據(jù)。這時，時，S=1/T。比特率比特率波特率:又稱碼元速率，它

8、是數(shù)字信號經(jīng)過調(diào)制后的傳輸速率，表示每秒鐘傳輸多少電信號單元(或碼元)，即調(diào)制后模擬電信號每秒鐘的變化次數(shù)，它等于調(diào)制周期(即時間間隔)的倒數(shù)，單位為波特(Baud)。若用T(秒)表示調(diào)制周期，則調(diào)制速率B=1/T(Baud)1波特表示每秒傳送一個碼元。波特率波特率數(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) 帶寬與傅里葉分析若將數(shù)字信號不經(jīng)調(diào)制直接放到模擬信道上進行傳輸，會引起信號的失真任何實際的模擬信道所能傳輸?shù)男盘柕念l率都有一定的范

9、圍，稱之為該信道通頻帶的寬度或稱為帶寬（bandwidth） 信道的帶寬是由傳輸媒體和有關(guān)的附加設(shè)備與電路的頻率特性綜合決定的 一個低通信道，若對于從0到某個截止頻率fc的信號通過時振幅不會衰減或衰減很小，而超過此截止頻率的信號通過時就會大大衰減，則此信道的帶寬為fc Hz。 一個具有有限持續(xù)時間的數(shù)字信號，可以看作為一個以此有限持續(xù)時間T為周期的周期階梯函數(shù) f(t)。此函數(shù)可展開成傅里葉（Fourier）級數(shù)。信道的帶寬越寬，則它傳輸數(shù)字信號時失真越小。反之，若信道的帶寬是固定的，則用它來直接傳輸數(shù)字信號的數(shù)據(jù)速率越高則失真越大 。信道的最大傳輸速率Nyquist 定理（有限帶寬的無噪聲信

10、道）如果一個任意的信號通過帶寬為H的低通濾波器，那么每秒采樣2H次就能完整地重現(xiàn)通過該濾波器的信號。最大數(shù)據(jù)傳輸率=2H log2V （b/s）Shannon定理對任何帶寬為H Hz，信噪比為S/N的信道，最大數(shù)據(jù)傳輸速率=H log2（1+S/N） （b/s）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、無差錯的信息傳輸速率。信道的極限信息傳輸速率 C 可表達為 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 信道的帶寬

11、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現(xiàn)無差錯的傳輸。 若信道帶寬 W 或信噪比 S/N 沒有上限（當然實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。實際信道上能夠達到的信息傳輸速率要比香農(nóng)的極限傳輸速率低不少。 奈氏準則和香農(nóng)公式在數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中的作用范圍 源系統(tǒng)傳輸系統(tǒng)目的系統(tǒng)傳輸系統(tǒng)源點終點發(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)送的信號接收的信號碼元傳輸速率受奈氏準則的限制信息傳輸速率受香農(nóng)公式的限制幾種最基本的調(diào)制方法 調(diào)制就是進行波形變換（頻譜變換）。 最基本的二元制調(diào)

12、制方法有以下幾種：調(diào)幅(AM)：載波的振幅隨基帶數(shù)字信號而變化。 調(diào)頻(FM)：載波的頻率隨基帶數(shù)字信號而變化。調(diào)相(PM) ：載波的初始相位隨基帶數(shù)字信號而變化。 對基帶數(shù)字信號的幾種調(diào)制方法 010011100基帶信號調(diào)幅調(diào)頻調(diào)相調(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鐘頻率和發(fā)送端時鐘頻率一致。發(fā)送端發(fā)送連續(xù)的比特流。異步通信時不要求接收端時鐘和發(fā)送端時鐘同步。發(fā)送端發(fā)送完一個字節(jié)后，可經(jīng)過任意長的時間間隔再發(fā)送下一個字節(jié)。 異步通信的通信開銷較大，但接收端可使用廉價的、具有一般精度的時鐘來進行數(shù)據(jù)通信。PCM系統(tǒng)現(xiàn)在的數(shù)字傳輸系統(tǒng)均采用脈

13、碼調(diào)制 PCM (Pulse Code Modulation)體制。 采樣周期 Tt信號t采樣1001001111000010t編碼t解碼t還原多路復(fù)用技術(shù) 多路復(fù)用就是利用一條物理信道同時傳輸多路信號，以提高信道的利用率，做到一條線路可以同時由多個用戶使用，而且互不影響。采用多路復(fù)用技術(shù)能把多個信號組合到一個物理信道上傳輸，這在遠距離傳輸時，可大大節(jié)省電纜的安裝和維護費用。 在通道系統(tǒng)?？煽吹蕉嗦窂?fù)用器（MUX）及多路譯碼器（DEMUX），它們?yōu)闃?gòu)成多路復(fù)用技術(shù)的主要組件。其中，MUX用來合并多個數(shù)據(jù)源的信號，在一個共同信道上傳輸DEMUX用來分離合并的信號。 常用的多路復(fù)用技術(shù)有：頻分多路

14、復(fù)用和時分多路復(fù)用。信道復(fù)用技術(shù) 頻分復(fù)用、時分復(fù)用和統(tǒng)計時分復(fù)用 頻分復(fù)用：所有用戶在同樣的時間占用不同的帶寬資源。時分復(fù)用：所有用戶在不同的時間占用同樣的頻帶寬度。 統(tǒng)計時分復(fù)用：一種改進的時分復(fù)用，能明顯提高信道的利用率。 頻分復(fù)用 頻率時間頻率 1頻率 2頻率 3頻率 4頻率 51超群5基群60音頻信道時分復(fù)用 為了有效地利用傳輸線路，可將多個話路的PCM 信號用時分復(fù)用 TDM (Time Division Multiplexing)的方法裝成時分復(fù)用幀，然后發(fā)送到線路上。中國采用歐洲體制，以 E1 為一次群。美國和日本等國采用北美體制，以 T1 為一次群。時分復(fù)用 頻率時間B C

15、DB C DB C DB C DAAAA在 TDM 幀中的位置不變TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀時分復(fù)用 頻率時間C DC DC DAAAABBBB C D在 TDM 幀中的位置不變TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀時分復(fù)用 頻率時間BDBDBDAAAA BCCCC D在 TDM 幀中的位置不變TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀時分復(fù)用 頻率時間B CB CB CAAAA B CDDDD在 TDM 幀中的位置不變TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀時分復(fù)用可能會造成線路資源的浪費 ABCDaabbcdb cattttt4 個時分復(fù)用幀#1acbcd時分復(fù)用#2#3#4用戶統(tǒng)計時分復(fù)用 STDM 用戶ABCDabcdttttt3 個 STDM 幀#1acba