數(shù)據(jù)通信原理PPT課件(490頁(yè))-增加編碼.ppt

1、聞?wù)缀?E-mail： 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)機(jī)械與電子信息學(xué)院通信工程系,數(shù)據(jù)通信原理,一、課程介紹,數(shù)據(jù)通信原理是在介紹了數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)構(gòu)成及有關(guān)基本概念的基礎(chǔ)上，對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)的基帶傳輸、頻帶傳輸和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸這三種基本傳輸方式從理論上進(jìn)行了詳細(xì)的論述，然后介紹了差錯(cuò)控制的基本理論及應(yīng)用，接著討論了數(shù)據(jù)通信的幾種交換方式（如電路交換、報(bào)文交換、分組交換和幀方式），繼而分析了通信協(xié)議，最后介紹了分組交換網(wǎng)、幀中繼網(wǎng)、數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)網(wǎng)（DDN）的基本構(gòu)成及應(yīng)用。,數(shù)據(jù)通信原理是一門(mén)非常重要的專業(yè)課，通過(guò)對(duì)本課程的學(xué)習(xí)，能使同學(xué)們對(duì)數(shù)據(jù)通信的基本概念、數(shù)據(jù)通信網(wǎng)等有一個(gè)較全面的了解，并能掌握一定的數(shù)據(jù)通信基本理論和

2、有關(guān)數(shù)據(jù)通信技術(shù)的一些應(yīng)用技能。 學(xué)好這門(mén)課對(duì)學(xué)習(xí)后繼課程打下一個(gè)良好的基礎(chǔ)，同時(shí)也會(huì)對(duì)從事通信和計(jì)算機(jī)等方面的工作有所幫助。,二、教學(xué)目的,數(shù)據(jù)通信的重要性： 計(jì)算機(jī)之間的通信：數(shù)據(jù)通信 通信網(wǎng)的發(fā)展趨勢(shì)：,電話網(wǎng),三網(wǎng)融合,就是數(shù)據(jù)通信 （可見(jiàn)它的重要性）,計(jì)算機(jī)網(wǎng),有線電視網(wǎng),寬帶IP網(wǎng),目錄,第1章 緒論 第2章 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)知識(shí) 第3章 數(shù)據(jù)信號(hào)的基帶傳輸 第4章 數(shù)據(jù)信號(hào)的頻帶傳輸 第5章 差錯(cuò)控制與信道編碼 第6章 物理層接口與傳輸控制教程 第7章 數(shù)據(jù)交換技術(shù),第1章 緒論,目的要求,本章介紹數(shù)據(jù)通信有關(guān)的重要概念和定義，要求理解數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的構(gòu)成、數(shù)據(jù)傳輸速率、方式、質(zhì)量和信

3、道容量的基本內(nèi)容。,授課內(nèi)容,1.1 數(shù)據(jù)通信及系統(tǒng)組成 1.2 數(shù)據(jù)通信傳輸方式 1.3 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)質(zhì)量指標(biāo) 1.4 數(shù)據(jù)通信網(wǎng)與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò),返回目錄,1.1 數(shù)據(jù)通信及系統(tǒng)組成,1.1.1 消息、信息及數(shù)據(jù)的關(guān)系 1.1.2 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)組成 1.1.3 數(shù)據(jù)通信及其特點(diǎn),返回目錄,1.1 數(shù)據(jù)通信及系統(tǒng)組成,信息與網(wǎng)絡(luò)的時(shí)代，幾大互聯(lián)網(wǎng)：CASNet、CERnet、CHINAGBN、Chinanet(163網(wǎng))、UNInet、CNCNET、與其他網(wǎng)絡(luò)物理隔離服務(wù)于軍隊(duì)的軍網(wǎng) 這幾大網(wǎng)絡(luò)為我國(guó)數(shù)據(jù)通信的應(yīng)用和發(fā)展提供強(qiáng)大而多樣的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，而數(shù)據(jù)通信也為這些網(wǎng)絡(luò)提供了可靠而堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

4、,1.1.1 消息、信息及數(shù)據(jù)的關(guān)系,1、消息 消息是指通信過(guò)程中傳輸?shù)木唧w原始對(duì)象，如電話中語(yǔ)音，電視中圖像，電報(bào)中電文，雷達(dá)中目標(biāo)的距離、高度、方位，遙測(cè)系統(tǒng)中測(cè)量的數(shù)據(jù)等。這些消息在物理特征上各不相同，所以各種消息的組成亦不相同。 特點(diǎn)： 能夠被通信雙方理解 可以傳遞,2、信號(hào) 把消息轉(zhuǎn)換成適合于信道傳輸?shù)奈锢砹浚褪切盘?hào)。信號(hào)攜帶著消息，它是消息的運(yùn)載工具。通信中的信號(hào)有電信號(hào)和光信號(hào)兩種。 信號(hào)可以分為模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)。 模擬信號(hào)是指信號(hào)的某一參量可以取無(wú)窮多個(gè)值，并且與原始消息直接對(duì)應(yīng)的信號(hào)，如話音信號(hào)及其按照抽樣定理所得的PAM樣值信號(hào)等；,數(shù)字信號(hào)是指信號(hào)的某一參量只能取有限

5、多個(gè)值，且與原始消息不直接對(duì)應(yīng)的信號(hào)，如計(jì)算機(jī)終端輸出的二進(jìn)制信號(hào)及其經(jīng)過(guò)PSK、FSK等調(diào)制方式調(diào)制后所得的信號(hào)等,模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)之間的相互轉(zhuǎn)換：模擬信號(hào)一般通過(guò)PCM脈碼調(diào)制(Pulse Code Modulation)方法量化為數(shù)字信號(hào)，即讓模擬信號(hào)的不同幅度分別對(duì)應(yīng)不同的二進(jìn)制值，例如采用8位編碼可將模擬信號(hào)量化為28=256個(gè)量級(jí)，實(shí)用中常采取24位或30位編碼；數(shù)字信號(hào)一般通過(guò)對(duì)載波進(jìn)行移相(Phase Shift)的方法轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)。 計(jì)算機(jī)、計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)與城域網(wǎng)中均使用二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)。,討論： （1）數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)的區(qū)別就在于是根據(jù)幅度取值上是否離散而定的。 （2）模

6、擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)二者之間，在一定條件下是可以相互轉(zhuǎn)換的。,根據(jù)信道上傳輸?shù)男盘?hào)形式的不同，可以分為兩類通信方式。 模擬通信：以模擬信號(hào)的形式傳遞消息。采用頻分復(fù)用實(shí)線多路通信（頻分復(fù)用是利用各路信號(hào)在信道上占用不同的頻率范圍，同在一條信道上傳輸，并且互不干擾）。 數(shù)字通信：以數(shù)字信號(hào)的形式傳遞消息。采用時(shí)分復(fù)用實(shí)線多路通信（時(shí)分復(fù)用是利用各路信號(hào)咋信道上占有不同的時(shí)間間隙，同在一條信道上傳輸，并且互不干擾）。,3、信息 香農(nóng)認(rèn)為：信息是有秩序的量度，是人們對(duì)事物了解的不確定性的消除或減少。信息是對(duì)組織程度的一種測(cè)度，信息能使物質(zhì)系統(tǒng)有序性增強(qiáng)，減少破壞、混亂和噪音。 根據(jù)香農(nóng)的有關(guān)信息的定義，

7、那么信息是如何度量的呢？ 顯然，信息量與不確定性消除程度有關(guān)，量度信息多少的測(cè)度就是信息量。,一則離散消息包含的信息量可表示為：,其中P表示該消息發(fā)生的概率；底數(shù)a決定了信息量的單位，它可以任意取值，常取2、10、e：,a=2 I= -log2P 單位為比特（bit） a=e I= -lnP 單位為奈特（nat） a=10 I= -lg P 單位為哈（hartley） a=M I= -logMP 單位為M進(jìn)制信息單位,數(shù)據(jù)通信中若數(shù)據(jù)采用二進(jìn)制傳輸，此時(shí)將二進(jìn)制的每個(gè)符號(hào)“0”或“1”稱為碼元。 當(dāng)兩個(gè)碼元等概出現(xiàn)時(shí)，每個(gè)碼元包含的信息量為： I=log22=1 bit 因此通常常將二進(jìn)制序列

8、稱為比特流，但若兩個(gè)碼元出現(xiàn)的概率不等，此時(shí)每個(gè)碼元包含的信息量已不是1bit。,更一般的情況，當(dāng)采用M進(jìn)制傳輸時(shí)，此時(shí)共有“0，1， ，M-1”個(gè)碼元，且各碼元出現(xiàn)的概率不相等，分別為P0，P1，PM-1，此時(shí)每個(gè)碼元包含的信息量并不相等，分別為：,因?yàn)樯鲜脚c熱力學(xué)和統(tǒng)計(jì)力學(xué)中系統(tǒng)熵的計(jì)算公式相似，故常將平均信息量稱為信息熵。可以證明上式中，當(dāng)P0=P1= =PM-1時(shí)取最大值,對(duì)上式求其期望，將其稱作平均信息量H，表示平均每個(gè)碼元包含信息的多少，單位為bit/符號(hào)如下式所示：,4、數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù)就是賦予一定含義的數(shù)字、字母、文字等 符號(hào)及其組合，它是消息的一種表現(xiàn)形式。 數(shù)據(jù)涉及到事物的形式，

9、而信息涉及的是這些數(shù)據(jù) 的內(nèi)容。數(shù)據(jù)又分為模擬數(shù)據(jù)和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。 模擬數(shù)據(jù)和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)都可以用模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào) 表示和傳播.而模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)都可以在合適 的傳輸介質(zhì)上傳輸.通常,將傳輸過(guò)程中使用模擬信 號(hào)的傳輸方式稱為模擬數(shù)據(jù)傳輸(可能需要調(diào)制解 調(diào)器);將傳輸過(guò)程中使用數(shù)字信號(hào)的傳輸方式稱為 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸(可能需要編解碼)。,返回,1.1.2 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)組成,1、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的概念 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)是通過(guò)數(shù)據(jù)電路將分布在遠(yuǎn)端的數(shù)據(jù)終端設(shè)備與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸、交換、存儲(chǔ)和處理的系統(tǒng)。,2、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的組成,數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)由數(shù)據(jù)終端設(shè)備DTE、數(shù)據(jù)電路 終結(jié)設(shè)備DCE以及傳輸信道

10、三部分組成,DTE：數(shù)據(jù)終端設(shè)備,指計(jì)算機(jī)、用戶電報(bào)終端、可視圖文終端、局 域網(wǎng)設(shè)備等輸入輸出設(shè)備,其主要功能是完成數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)及處 理等功能，并提供人機(jī)接口,供操作人員訪問(wèn)通信系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)資源。,DCE: 數(shù)據(jù)電路終接設(shè)備，是DTE和信道的接口，使信道更有利于信道的傳輸。如調(diào)制解調(diào)器Modem 。,傳輸信道：根據(jù)不同的規(guī)則有不同的分類方法，例如可以分為模擬信道和數(shù)字信道、有線信道和無(wú)線信道、交換信道和專用信道等。,數(shù)據(jù)電路：由DCE和傳輸線路構(gòu)成.可視為廣義信道。,數(shù)據(jù)鏈路：具有通信協(xié)議功能的數(shù)據(jù)，傳輸更可靠，其誤碼率一般比數(shù)據(jù)電路下降10-4左右。,數(shù)據(jù)通信過(guò)程： 在模擬信道中，DCE是

11、MODEM，數(shù)據(jù)終端先產(chǎn)生了數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)輸入輸出設(shè)備以后，用傳輸代碼來(lái)表示變成數(shù)據(jù)信號(hào)，經(jīng)過(guò)傳輸控制器完成各種傳輸控制功能，此時(shí)數(shù)據(jù)終端設(shè)備輸出的是基帶信號(hào)，發(fā)送方將DTE送來(lái)的數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，將其頻帶搬移到話音頻帶上，同時(shí)也將信號(hào)變成模擬信號(hào)，接收端則進(jìn)行相反的變換。 在數(shù)字信道中，DCE是數(shù)字適配器，數(shù)據(jù)終端先產(chǎn)生了數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)輸入輸出設(shè)備以后，用傳輸代碼來(lái)表示變成數(shù)據(jù)信號(hào)，經(jīng)過(guò)傳輸控制器完成各種傳輸控制功能，此時(shí)數(shù)據(jù)終端設(shè)備輸出的還是基帶信號(hào)，數(shù)字適配器執(zhí)行碼型和電平轉(zhuǎn)換、定時(shí)、信號(hào)再生和同步功能，信道服務(wù)單元主要是執(zhí)行信道均衡、信號(hào)整形等功能。接收端則進(jìn)行相反的變換。,討論： （

12、1）數(shù)據(jù)電路與數(shù)據(jù)鏈路的關(guān)系數(shù)據(jù)鏈路由數(shù)據(jù)電路及兩端的傳輸控制器組成，對(duì)于只單獨(dú)建立數(shù)據(jù)電路，是無(wú)法進(jìn)行可靠有效地通信。 （2）只有建立了數(shù)據(jù)鏈路通信雙方才能有效，可靠地進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。 （3）一個(gè)中央計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，實(shí)際上也就是數(shù)據(jù)終端設(shè)備DTE，是可以通過(guò)通信線路連接多個(gè)數(shù)據(jù)終端，實(shí)現(xiàn)主機(jī)之間資源共享。,返回,1.1.3 數(shù)據(jù)通信及其特點(diǎn),1、數(shù)據(jù)通信的概念 數(shù)據(jù)通信是依照通信協(xié)議，利用數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)在兩個(gè)功能單元之間來(lái)傳遞數(shù)據(jù)通信信息。（功能單元就是指數(shù)據(jù)終端）它可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)、計(jì)算機(jī)與終端或者終端與終端之間的數(shù)據(jù)信息傳遞。,所謂通信協(xié)議就是通信雙方事先約定好的雙方都必須遵守的通信規(guī)則，

13、它實(shí)際上是一些通信規(guī)則集。 通信協(xié)議一般由語(yǔ)法、語(yǔ)義和時(shí)序組成： （1）語(yǔ)法（Syntax）：數(shù)據(jù)與控制信息的格式、數(shù)據(jù)編碼等。 （2）語(yǔ)義（Semantics）：控制信息的內(nèi)容，需要做出的動(dòng)作及響應(yīng)。 （3）時(shí)序（Timing）：事件先后順序和速度匹配。,2、數(shù)據(jù)通信的特點(diǎn) （1）計(jì)算機(jī)終端等機(jī)器作為主體直接參與通信 （2） 傳輸速率高，要求通信終端的響應(yīng)速度快 （3）DTE發(fā)出的數(shù)據(jù)是離散信號(hào)（數(shù)字信號(hào)），既可利用現(xiàn)有的PSTN，又可利用數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)來(lái)完成。 （4）具有差錯(cuò)控制能力 （5）具有靈活的接口能力 （6）每次呼叫平均時(shí)間短，要求接續(xù)和傳輸響應(yīng)時(shí)間快 （7）抗干擾能力強(qiáng) （8）容易加密

14、，且加密技術(shù)、加密手段優(yōu)于傳統(tǒng)通信方式,返回,1.2 數(shù)據(jù)通信傳輸方式,1.2.1 基帶傳輸與頻帶傳輸 1.2.2 并行傳輸與串行傳輸 1.2.3 異步傳輸與同步傳輸 1.2.4 單工、半雙工與雙工傳輸,返回目錄,1.2.1 基帶傳輸與頻帶傳輸,1、基帶傳輸 基帶傳輸就是將DTE經(jīng)過(guò)碼型變換、電平轉(zhuǎn)換等必要處理后直接在信道上傳輸，常用于短距離的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中。 2、頻帶傳輸 頻帶傳輸是在數(shù)據(jù)傳輸之前首先經(jīng)過(guò)調(diào)制器，將基帶信號(hào)變換成頻帶信號(hào)，然后在信道中傳輸。,返回,1.2.2 并行傳輸與串行傳輸,1、并行傳輸 并行傳輸是指將數(shù)據(jù)符號(hào)編碼后，在兩條以上的并行信道上同時(shí)傳輸，一般一次傳輸一個(gè)字符；

15、如：采用8單位代碼組成的字符時(shí)，可以用8條信道并行傳輸。,特點(diǎn)： （1）優(yōu)點(diǎn)：對(duì)于每次只傳輸一個(gè)字符，因此它不需要額外的措施來(lái)實(shí)現(xiàn)收發(fā)雙方的字符同步； （2）缺點(diǎn)：必須有多條并行信道，成本比較高，不適宜遠(yuǎn)距離傳輸。 適用場(chǎng)合： 計(jì)算機(jī)等設(shè)備內(nèi)部或兩個(gè)設(shè)備之間距離比較近時(shí)的外線上采用，如計(jì)算機(jī)到打印機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸。,2、串行傳輸 串行傳輸是指將數(shù)據(jù)編碼按位或按碼元依次在一條信道上傳輸。 特點(diǎn)： （1）優(yōu)點(diǎn)：只需要一條傳輸信道，花費(fèi)的成本低，易于實(shí)現(xiàn) （2）缺點(diǎn)：是要采取措施實(shí)現(xiàn)字符同步。 適用場(chǎng)合： 是目前外線上主要采用的一種傳輸方式，通常用于遠(yuǎn)距離通信。,返回,1.2.3 異步傳輸與同步傳輸

16、,1、異步傳輸 所謂異步傳輸是指只要DTE有數(shù)據(jù)需要發(fā)送，就可以在任何時(shí)刻向信道發(fā)送信號(hào)，而接收方通過(guò)檢測(cè)信道上的電平變化與否就能自主判斷何時(shí)接收數(shù)據(jù)。異步傳輸方式一般以字符為單位傳輸，每個(gè)字符的起始時(shí)刻可以是任意的。,每次只傳送由若干bit組成的一個(gè)字符的代碼,在每次發(fā)送的一個(gè)字符代碼前面，都要加一個(gè)“起始”信號(hào)，“起始”信號(hào)極性規(guī)定為“0”，長(zhǎng)度為一個(gè)碼元,該字符代碼的后面，都要加一個(gè)“停止”信號(hào)，“停止”信號(hào)的極性為“1”，長(zhǎng)度有兩種：國(guó)際電報(bào)2號(hào)碼的“停止”信號(hào)長(zhǎng)度為1.5個(gè)碼元，國(guó)際5號(hào)碼或其他代碼的“停止”信號(hào)長(zhǎng)度為1或2個(gè)碼元,特點(diǎn)： （1）優(yōu)點(diǎn)：收發(fā)雙方的時(shí)鐘信號(hào)不需要精確的同

17、步，實(shí)現(xiàn)字符之間同步比較簡(jiǎn)單 （2）缺點(diǎn)：對(duì)于每個(gè)字符都需要加入起始位和終止位，因此信息傳輸效率低 適用場(chǎng)合： 常用于1200比特/s及其以下的低速數(shù)據(jù)傳輸,2、同步傳輸 所謂同步傳輸必須建立準(zhǔn)確的同步系統(tǒng)，因此它都是以固定的時(shí)鐘節(jié)拍來(lái)發(fā)送數(shù)據(jù)信號(hào)的，所以在一個(gè)串行數(shù)據(jù)流中，各信號(hào)碼元之間的相對(duì)位置是固定的，也就是同步。,同步系統(tǒng)首先要建立準(zhǔn)確的位同步，若以該方式傳輸時(shí)，數(shù)據(jù)一般以幀的形式組織，故還必須建立幀同步，若是頻帶傳輸且收端需要相干接受，還需建立載波同步。,特點(diǎn)： （1）優(yōu)點(diǎn)：不需要每字節(jié)都加同步信息，故傳輸效率較高 （2）缺點(diǎn)：必須建立準(zhǔn)確的時(shí)鐘同步，實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較復(fù)雜 適用場(chǎng)合： 常

18、用于2400bit/s及其以上的高速數(shù)據(jù)傳輸,返回,1.2.4 單工、半雙工和雙工傳輸,1、單工傳輸 單工傳輸是指兩站之間只能沿一個(gè)方向傳輸數(shù)據(jù)，如數(shù)據(jù)由A站傳到B站，稱為正向信道。（B站至A站只能傳送聯(lián)絡(luò)信號(hào)，傳輸效率較低，一般不超過(guò)75bit/s，稱為反向信道。通常用于遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)，例如氣象數(shù)據(jù)的收集）如：計(jì)算機(jī)與監(jiān)視器及鍵盤(pán)、計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸、遙測(cè)等,2、半雙工傳輸 半雙工傳輸是指兩個(gè)站之間可以在兩個(gè)方向上進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，但不能同時(shí)，只能輪流進(jìn)行傳輸。即傳輸信號(hào)時(shí)占用信道的整個(gè)帶寬。如：對(duì)講機(jī)、使用同一載頻工作的無(wú)線電機(jī)等。,3、雙工傳輸 雙工傳輸是指在兩數(shù)據(jù)站之間，可以在兩個(gè)方向

19、上同時(shí)進(jìn)行傳輸。可以是四線或二線傳輸：四線傳輸時(shí)有兩條物理上獨(dú)立的信道，一條發(fā)送一條接收，兩個(gè)方向的信號(hào)可以采用頻分復(fù)用或時(shí)分復(fù)用的方法將信道的帶寬一分為二；二線傳輸可以采用回波抵消技術(shù)使兩個(gè)方向的數(shù)據(jù)共享信道帶寬。如普通電話。 適用于高速數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)。,討論： 雙工傳輸往往采用四線線路來(lái)實(shí)現(xiàn)。單工或半雙工傳輸往往采用兩線線路來(lái)實(shí)現(xiàn)。兩線線路也可實(shí)現(xiàn)雙工傳輸，但此時(shí)往往需要采用頻率復(fù)用、時(shí)分復(fù)用或回波抵消技術(shù)等較為復(fù)雜的技術(shù)。,返回,1.3 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的質(zhì)量指標(biāo),1.3.1 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的有效性 1.3.2 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的可靠性,返回目錄,所謂質(zhì)量指標(biāo)是指用來(lái)衡量一個(gè)通信系統(tǒng)性能優(yōu)劣的技術(shù)指

20、標(biāo)，對(duì)于數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，其質(zhì)量指標(biāo)有很多種，例如： 標(biāo)準(zhǔn)性用來(lái)衡量描述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、接口、協(xié)議等的標(biāo)準(zhǔn)化程度 經(jīng)濟(jì)性用來(lái)描述系統(tǒng)的性能價(jià)格比 可維護(hù)性用來(lái)描述系統(tǒng)故障處理與系統(tǒng)維護(hù)的復(fù)雜程度 可用度用來(lái)描述系統(tǒng)正常工作能力的高低 本節(jié)主要從數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕嵌瘸霭l(fā)來(lái)討論系統(tǒng)有效性和可靠性,1.3.1 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的有效性,有效性是指給定信道內(nèi)傳輸信息的多少，常通過(guò)傳輸速率、頻帶利用率來(lái)描述； 1、碼元速率（RB） 碼元速率是指給定信道內(nèi)單位時(shí)間傳輸碼元的多少。其單位是波特(Baud)。 碼元：攜帶數(shù)據(jù)信息的波形或信號(hào)脈沖，如二電平信號(hào)，一個(gè)碼元有兩種狀態(tài)：0或1，四電平信號(hào)，一個(gè)碼元有四種狀態(tài)：00、01

21、、10、11。 任意的M進(jìn)制有“0,1,M-1”共M個(gè)碼元。等概條件下每個(gè)碼元包含的信息量相等，例如此時(shí)M進(jìn)制的每個(gè)碼元包含的信息量為L(zhǎng)og2M,二電平信號(hào),四電平信號(hào),調(diào)制速率反映信號(hào)波形變換的頻繁程度。又稱碼元傳輸速率(碼元速率)或傳碼率、波特率、符號(hào)速率。 定義：每秒鐘傳輸信號(hào)碼元的個(gè)數(shù)。 單位：波特，常用“Bd”表示 標(biāo)識(shí)符：RB RB = 1/T，其中T為碼元長(zhǎng)度，即一個(gè)碼元波形的持續(xù)時(shí)間。 因此， RB與進(jìn)制無(wú)關(guān)。,2、信息速率 信息速率是指給定信道內(nèi)單位時(shí)間傳輸信息的多少,單位是比特/秒（bit/s）,信息速率又稱為傳信率。 信息速率與碼元速率有如下關(guān)系： 對(duì)于M進(jìn)制，各碼元等概

22、出現(xiàn)時(shí)有 Rb=RBlog2M 若各碼元不等概出現(xiàn)，則 Rb=RBH 其中H為平均信息量。,例1：某數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)傳輸128個(gè)符號(hào)，其中有64個(gè)符號(hào)出現(xiàn)的概率分別為1/128，另外32個(gè)符號(hào)的出現(xiàn)概率分別為1/64，且每個(gè)符號(hào)的持續(xù)時(shí)間為0.1ms，求此時(shí)系統(tǒng)的信息速率。 解：由題意可知系統(tǒng)的碼元速率為 RB=1/Tb=100Baud 由于各符號(hào)出現(xiàn)概率不同，則平均信息量為 H=64(1/256)*log2(256)+(32(1/128) *log2 (128)+(32(1/64)*log2 (64) =6.25bit/符號(hào) 所以信息速率Rb=RBH =1006.25=625bit/s,3、頻帶

23、利用率 頻帶利用率是指單位頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)的傳輸速率，單位為Baud/Hz，或者bit/s. Hz，這主要取決于用哪種速率來(lái)計(jì)算。 （單位為Baud/Hz） （單位為bit/s.Hz） 其中，B為系統(tǒng)帶寬，單位為Hz。,返回,1.3.2 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的可靠性,可靠性是指給定信道內(nèi)傳輸信息的準(zhǔn)確程度，常通過(guò)誤碼率、誤比特率等來(lái)描述。 1、誤碼率（Pe） (n) 其中n表示系統(tǒng)傳輸?shù)目偞a元數(shù)，ne表示傳輸出錯(cuò)的碼元數(shù)目，也即誤碼率是指錯(cuò)誤碼元在總碼元數(shù)目中所占的比率。,2、誤比特率（Pb） (nb) 其中nb表示系統(tǒng)傳輸?shù)目偙忍財(cái)?shù)，nbe表示傳輸出錯(cuò)的比特?cái)?shù)目，也即誤比特率是指錯(cuò)誤比特在傳輸?shù)目偙忍財(cái)?shù)目

24、中所占的比率。,例2：某數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)調(diào)制速率為1200Bd，采用8電平傳輸，假設(shè)100秒誤了1個(gè)比特，求誤碼率 。設(shè)系統(tǒng)的帶寬為600Hz，求頻帶利用率為多少bit/（s.Hz）。 解：由于各個(gè)碼元出現(xiàn)的概率相同，則信息速率Rb=RBlog2M=1200log28=3600bit/s 誤比特率Pb接收出現(xiàn)差錯(cuò)的比特?cái)?shù)軍/總的發(fā)送比特?cái)?shù)(1/100)/3600=2.8106 頻帶利用率r=Rb/B=3600/6006bit/(s.Hz),返回,1.4 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)通信網(wǎng),1.4.1 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò) 1.4.2 數(shù)據(jù)通信網(wǎng) 1.4.3 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展過(guò)程,返回目錄,1.4.1 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò),1、計(jì)

25、算機(jī)網(wǎng)絡(luò)組成 計(jì)算機(jī)網(wǎng)通常分為資源子網(wǎng)和通信子網(wǎng)兩部分如下圖所示,資源子網(wǎng)由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、終端、各種外圍設(shè)備以及各種信息資源庫(kù)等 組成，其作用是處理網(wǎng)內(nèi)各種數(shù)據(jù)并向用戶提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。,通信子網(wǎng)由通信控制處理機(jī)、通信線路等組成，主要完成網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸與交換等通信處理功能。,2、計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)的分類 按照拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的不同可以分為：星型網(wǎng) 總線型網(wǎng) 環(huán)型網(wǎng) 按照網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地理范圍可分為：局域網(wǎng)LAN 校園網(wǎng)CAN 城域網(wǎng)MAN 廣域網(wǎng)WAN 全球網(wǎng)GAN 按照所屬權(quán)限可分為：公用網(wǎng) 專用網(wǎng),返回,1.4.2 數(shù)據(jù)通信網(wǎng),數(shù)據(jù)通信網(wǎng)是在通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上依靠分布在各處的數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備、數(shù)據(jù)交換設(shè)備和通信線路所構(gòu)

26、成的網(wǎng)絡(luò)，其根本任務(wù)是在網(wǎng)絡(luò)上透明、無(wú)錯(cuò)、快速地交換和傳輸數(shù)據(jù)，即計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的通信子網(wǎng)，對(duì)其基本要求有快速的交換與傳輸、高度的標(biāo)準(zhǔn)化和完善的網(wǎng)絡(luò)管理等 。,返回,1.4.3 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展過(guò)程,計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是計(jì)算機(jī)技術(shù)與通信技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，它的出現(xiàn)根源于社會(huì)的需求。 19世紀(jì)40年代20世紀(jì)30年代 電磁技術(shù)廣泛用于通信 20世紀(jì)30年代60年代 電子技術(shù)廣泛用于通信 60年代80年代 計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)相結(jié)合,1、面向終端的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò),T,M,M,T,PSTN,CPU,通信控制器,T,PSTN：Public Switched Telephone Network Modem(調(diào)制解調(diào)器)：

27、數(shù)模轉(zhuǎn)換設(shè)備,串行接口,（1）通信控制器的功能 多個(gè)終端同時(shí)要求與主機(jī)通信時(shí)的爭(zhēng)用問(wèn)題 串行信號(hào)與并行信號(hào)的轉(zhuǎn)換 控制Modem 差錯(cuò)檢測(cè)與控制 （2）特點(diǎn) 單機(jī)系統(tǒng) 速率慢 主機(jī)系統(tǒng)負(fù)荷過(guò)重 線路利用率低,2、兩級(jí)結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò),IMP,IMP,IMP,IMP,IMP,通信子網(wǎng),H,H,H,H,H,H,H,H,H,H,H,H,H,邏輯上形成了由資源與通信子網(wǎng)組成的兩級(jí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),56.6kbps,（1）通信子網(wǎng) 由56kbps的通信線路把分散在不同地點(diǎn)的通信處理機(jī)(IMP)連接起來(lái)構(gòu)成的。 傳輸線 +轉(zhuǎn)發(fā)部件 負(fù)責(zé)全網(wǎng)的數(shù)據(jù)通信工作。 （2）資源子網(wǎng) 由主機(jī)系統(tǒng)的軟硬件、數(shù)據(jù)庫(kù)等各種資源組成

28、。 承接各種數(shù)據(jù)收集、查詢及處理業(yè)務(wù)。 （3）優(yōu)點(diǎn) 提高通信線路的利用率 充分發(fā)揮主機(jī)系統(tǒng)的效率 減少傳輸線數(shù)目 便于擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò),3、 (正式步入)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)代 （1）1974年：IBM提出了系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)（SNA）。 （2）1975年：DEC公司提出了數(shù)字網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)（DNA）；UNIVAC公司提出了分布式通信體系結(jié)構(gòu)DCA。 （3）1977年：國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)成立了計(jì)算機(jī)與信息處理標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)(TC97)下屬的開(kāi)放系統(tǒng)互連(OSI)分技術(shù)委員會(huì)(SC16)，并開(kāi)始著手制定OSI的一系列國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。 （4）1981年：ISO正式提出了“開(kāi)放系統(tǒng)互連(ISO)基本參考模型”的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。

29、,4、局域網(wǎng)絡(luò)時(shí)代 （1）1980年 Intel、DEC及Xerox三個(gè)公司聯(lián)合公布了Ethernet規(guī)范。 （2）1980年2月 IEEE(美國(guó)電氣與電子工程師協(xié)會(huì))在舊會(huì)山成立了IEEE 802局域網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)，并制定了一系列局域網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，后來(lái)被國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織所采納，成為局域網(wǎng)的ISO 8802的公共標(biāo)準(zhǔn)。 （3）特點(diǎn) 新一代光纖局域網(wǎng)絡(luò)光纖分布式數(shù)據(jù)接口(FDDI)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)及產(chǎn)品也相繼問(wèn)世。,LAN與WAN的結(jié)合,5、互聯(lián)網(wǎng)絡(luò),LAN,LAN,LAN,LAN的擴(kuò)展,WAN,WAN,WAN的擴(kuò)展,WAN,LAN,LAN,LAN,LAN,返回,第2章 數(shù)據(jù)通信 基礎(chǔ)知識(shí),目的要求,本章要求

30、掌握信號(hào)帶寬的概念、掌握信道容量的計(jì)算、了解信道分類及信道噪聲、掌握FDM、TDM的基本原理、了解數(shù)據(jù)通信的同步。,授課內(nèi)容,2.1 信號(hào)與調(diào)制解調(diào) 2.2 傳輸信道 2.3 多路復(fù)用,返回目錄,2.1 信號(hào)與調(diào)制解調(diào),2.1.1 信號(hào)的頻譜 2.1.2 信號(hào)的帶寬 2.1.3 調(diào)制解調(diào)的基本原理,返回目錄,2.1.1 信號(hào)的頻譜,確知信號(hào)的頻譜為其傅氏變換： 或 隨機(jī)信號(hào)的頻譜常用其功率普密度表示： 或 功率譜密度與信號(hào)平均功率的關(guān)系：,返回,2.1.2 信號(hào)的帶寬,信號(hào)帶寬是信號(hào)頻譜的寬度，也就是信號(hào)的最高頻率分量與最低頻率分量之差。實(shí)際上，帶寬是衡量信號(hào)頻帶寬度的一個(gè)量，它表示我們通過(guò)測(cè)

31、量?jī)x器可以感受到的頻率范圍，也就是說(shuō)，一個(gè)信號(hào)在頻域看上去有多寬。,1、零點(diǎn)帶寬 數(shù)據(jù)信號(hào)頻譜主要能量是集中在第一個(gè)零點(diǎn)之內(nèi)的，當(dāng)其旁瓣不足以引起信號(hào)失真時(shí)，定義 fb 為信號(hào)的零點(diǎn)帶寬。,2、百分比帶寬 百分比帶寬由下式來(lái)定義： 其中 fr 稱為百分比帶寬，可以取96%、98%、99%等值，其含義是，在該帶寬范圍內(nèi)信號(hào)的功率占總功率,3、矩形等效帶寬 對(duì)于具有在零點(diǎn)或中心頻率處取最大值頻譜結(jié)構(gòu)的信號(hào)，如下圖所示，可以定義矩形等效帶寬BC 。 其含義為：,4、3dB帶寬 3dB帶寬又稱半功率帶寬，如下圖所示： 信號(hào)頻譜在 f0 處取最大值，,返回,2.1.3 調(diào)制解調(diào)的基本概念,為什么要調(diào)制？

32、首先，由于頻率資源的有限性，限制了我們無(wú)法用開(kāi)路信道傳輸信息。再者，通信的最終目的是遠(yuǎn)距離傳遞信息。由于傳輸失真、傳輸損耗以及保證帶內(nèi)特性的原因，基帶信號(hào)是無(wú)法在無(wú)線信道或光纖信道上進(jìn)行長(zhǎng)距離傳輸?shù)?。為了進(jìn)行長(zhǎng)途傳輸，必須對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行載波調(diào)制將信號(hào)頻譜搬移到高頻處才能在信道中傳輸。最后，較小的倍頻程也保證了良好的帶內(nèi)特性。,1、調(diào)制的定義： （1）時(shí)域定義：調(diào)制就是用基帶信號(hào)去控制載波信號(hào)的某個(gè)或幾個(gè)參量的變化，將信息荷載在其上形成已調(diào)信號(hào)傳輸，而解調(diào)是調(diào)制的反過(guò)程，通過(guò)具體的方法從已調(diào)信號(hào)的參量變化中將恢復(fù)原始的基帶信號(hào)。 （2）頻域定義：調(diào)制就是將基帶信號(hào)的頻譜搬移到信道通帶中或者其中的

33、某個(gè)頻段上的過(guò)程，而解調(diào)是將信道中來(lái)的頻帶信號(hào)恢復(fù)為基帶信號(hào)的反過(guò)程。,2、調(diào)制器的模型 x(t) 調(diào)制信號(hào)，即數(shù)據(jù)終端產(chǎn)生的基帶信號(hào) C(t)是載波，AC是載波幅度，fC是載波頻率簡(jiǎn)稱載頻,0是載波的初始相位。 s(t)是已調(diào)信號(hào)，即調(diào)制后的頻帶信號(hào)，其中包含了x(t)的全部信息，信道中傳輸?shù)木褪窃撔盘?hào)。,3、調(diào)制的分類 （1）按照調(diào)制信號(hào)的類型： 模擬調(diào)制：一般指調(diào)制信號(hào)和載波都是連續(xù)波的調(diào)制方式。它有調(diào)幅、調(diào)頻和調(diào)相三種基本形式。 數(shù)字調(diào)制 ：一般指調(diào)制信號(hào)是離散的，而載波是連續(xù)波的調(diào)制方式。它有四種基本形式：振幅鍵控、移頻鍵控、移相鍵控和差分移相鍵控。,（2）按照載波類型： 連續(xù)載波調(diào)

34、制：載波是連續(xù)波形信號(hào)，例如正弦高頻信號(hào) 脈沖載波調(diào)制：載波是脈沖序列，常用的是矩形脈沖序列 （3）按照調(diào)制器功能： 幅度調(diào)制：調(diào)制信號(hào)控制載波幅度變化，例如AM、ASK等 頻率調(diào)制：調(diào)制信號(hào)控制載波瞬時(shí)頻率變化，例如FM、FSK等 相位調(diào)制：調(diào)制信號(hào)控制載波瞬時(shí)相位變化，例如PM、PSK等。,4、解調(diào)方式 （1）相干解調(diào) 通過(guò)本地相干載波進(jìn)行相干運(yùn)算，從已調(diào)信號(hào)的相位變化中恢復(fù)原始信號(hào)的方法。 （2）非相干解調(diào) 其原理是從已調(diào)信號(hào)的幅度變化中提取調(diào)制信號(hào)，因?yàn)槠洳恍枰捷d波，所以又稱之為非同步解調(diào)。,5、調(diào)制解調(diào)的功能 （1）實(shí)現(xiàn)信號(hào)與信道的匹配 實(shí)現(xiàn)信號(hào)無(wú)線發(fā)射 實(shí)現(xiàn)頻分復(fù)用 （2）選擇

35、合適的調(diào)制解調(diào)方式有利于提高傳輸可靠性 （3）選擇合適的調(diào)制解調(diào)方式有利于提高傳輸有效性,返回,2.2 傳輸信道,2.2.1 傳輸信道的分類 2.2.2 傳輸介質(zhì) 2.2.3 信道噪聲 2.2.4 信道容量,返回目錄,信道的定義：信道，通俗地說(shuō)，是指以傳輸媒質(zhì)為基礎(chǔ)的信號(hào)通路。具體地說(shuō)，信道是指由有線或無(wú)線電線路提供的信號(hào)通路。信道的作用是傳輸信號(hào)，它提供一段頻帶讓信號(hào)通過(guò)，同時(shí)又給信號(hào)加以限制和損害。,2.2.1 傳輸信道的分類,信道可以分為狹義信道和廣義信道兩種 。 1、狹義信道 狹義信道是指在發(fā)端設(shè)備和收端設(shè)備中間的傳輸媒介，它包括有線信道和無(wú)線信道。 2、廣義信道 廣義信道通常也可分成

36、兩種，調(diào)制信道和編碼信道。如下圖所示。,（1）調(diào)制信道模型 調(diào)制信道的范圍是從調(diào)制器輸出端到解調(diào)器輸入端。通常它具有如下性質(zhì)： 有一對(duì)(或多對(duì))輸入端和一對(duì)(或多對(duì))輸出端； 絕大部分信道都是線性的，即滿足疊加原理； 信號(hào)通過(guò)信道會(huì)出現(xiàn)遲延時(shí)間； 信道對(duì)信號(hào)有損耗它包括固定損耗或時(shí)變損耗； 即使沒(méi)有信號(hào)輸入，在信道的輸出端仍可能有一定的功率輸出（噪聲）。,對(duì)于二對(duì)端的信道模型來(lái)說(shuō)，其輸出與輸入之間的關(guān)系式可表示成： 將上式進(jìn)一步簡(jiǎn)化可以寫(xiě)成： 這樣信道對(duì)信號(hào)的影響可歸納為兩點(diǎn)：一是乘性干擾k(t)，二是加性干擾n(t)。 不同特性的信道，僅反映信道模型有不同的k(t)及n(t)。 根據(jù)信道中k

37、(t)的特性不同，可以將信道分為：恒參信道和變參信道。,（2）編碼信道模型 從編碼器輸出端到譯碼器輸入端的所有轉(zhuǎn)換器及傳輸媒質(zhì)可用一個(gè)完成數(shù)字序列變換的方框加以概括，此方框稱為編碼信道。 編碼信道的模型可用數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)移概率來(lái)描述。,模型中，把 、 、 、 稱為信道轉(zhuǎn)移概率。以 為例，其含義是“經(jīng)信道傳輸，把0轉(zhuǎn)移為1的概率”。 轉(zhuǎn)移概率由編碼信道的特性決定，一個(gè)特定的編碼信道就會(huì)有相應(yīng)確定的轉(zhuǎn)移概率。 編碼信道可進(jìn)一步分為無(wú)記憶編碼信道和有記憶編碼信道。,返回,2.2.2 傳輸介質(zhì),傳輸介質(zhì)是通信中實(shí)際傳送信息的載體。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中采用的物理傳輸可分為有線和無(wú)線兩大類。雙絞線、同軸電纜和光纖是

38、常用的三種有線媒體。衛(wèi)星、無(wú)線電通信、紅外通信、激光通信以及微波通信傳送信息的載體都是屬于無(wú)線媒體。,1、雙絞線 定義：將一對(duì)絕緣線紐絞在一起，任意擰成螺旋形就構(gòu)成了雙絞線。 構(gòu)造：雙絞線線對(duì)絞合越緊密和均勻，雙絞線的質(zhì)量越好。 特性：雙絞線的優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格便宜、使用方便、安裝容易。因此常作為用戶與本地中心站及中心站與中心站間的連線。 分類：雙絞線根據(jù)有無(wú)屏蔽層可以分為：非屏蔽雙絞線(UTP)和屏蔽雙絞線(STP)。,2、同軸電纜 定義：同軸電纜是對(duì)地不對(duì)稱的同軸管構(gòu)成的一種通信回路。 構(gòu)造：其內(nèi)導(dǎo)體是一銅質(zhì)芯線，外面包有絕緣層和網(wǎng)狀編織物的外導(dǎo)體屏蔽層，最外面是塑料保護(hù)外層。 特性：壽命長(zhǎng)、通信

39、容量大、質(zhì)量穩(wěn)定、外界干擾小、可靠性高和維護(hù)便利等優(yōu)點(diǎn)。在有限通信中占有很大比重。在局域網(wǎng)中應(yīng)用非常廣泛。 分類：按其阻抗特性來(lái)分主要有三大類，即50、75、93。,3、光纖 定義：光纖又稱光導(dǎo)纖維，通常由非常透明的石英玻璃拉成細(xì)絲狀，是一根很細(xì)很細(xì)的、能傳導(dǎo)光束的介質(zhì)。 構(gòu)造：和同軸電纜相似，但沒(méi)有網(wǎng)狀屏蔽層。中心是玻璃纖芯，芯外面包圍著一層玻璃封套，又叫包層，再外面是一層薄的塑料外殼，用來(lái)保護(hù)玻璃封套。 分類：目前廣泛應(yīng)用的光纖分為兩大類，單模光纖和多模光纖。 單模：細(xì)芯，要有激光源；端難接；色散小，效率高；價(jià)格昂貴；適于長(zhǎng)距離與高速場(chǎng)合。多模：粗芯；端接容易；色散大，效率低；價(jià)格較便宜；

40、用于短距離與低速場(chǎng)合。,光纖的物理原理：塑料制成的外殼可以吸收光線，防止串音，保護(hù)外層表面；透明玻璃制成的纖芯和包層可使光線沿著纖芯傳播，并在它們之間的接觸面上進(jìn)行光的反射；纖芯的折射率要高于包層，以保證光線在纖芯中傳輸時(shí)比在包層中慢，這樣就使從纖芯向包層傳送的光波能被反射回纖芯，并沿光纖傳播。 光纖的傳輸原理：利用光導(dǎo)纖維傳遞光脈沖來(lái)完成通信。光源被放置在發(fā)送端，如采用發(fā)光二極管或半導(dǎo)體激光器，并使之在電脈沖的作用下產(chǎn)生光脈沖，有光脈沖相當(dāng)于“1”，無(wú)光脈沖相當(dāng)于“0”，在接收端利用光電二極管制成光檢測(cè)器，在檢測(cè)到光脈沖時(shí)便可還原出電脈沖。,返回,2.2.3 信道噪聲,根據(jù)信道中加性噪聲的來(lái)

41、源不同，可以粗略地分為以下四類： （1）無(wú)線電噪聲； （2）工業(yè)噪聲； （3）天電噪聲； （4）內(nèi)部噪聲。,從噪聲性質(zhì)來(lái)區(qū)分可有： （1）單頻噪聲 ; （2）脈沖干擾 ; （3）起伏噪聲。 其中影響最大的是起伏噪聲，它是通信系統(tǒng)最基本的噪聲源。 而起伏噪聲主要包括：信道內(nèi)所有的熱噪聲、散彈噪聲和宇宙噪聲等。,通信中的常見(jiàn)噪聲 1、白噪聲 定義：白噪聲是指它的功率譜密度函數(shù)在整個(gè)頻域內(nèi)是常數(shù)，即服從均勻分布。 白噪聲的功率譜密度函數(shù)為： 雙邊譜密度： 單邊譜密度：,2、高斯噪聲 定義：高斯噪聲是指它的概率密度函數(shù)服從高斯分布（即正態(tài)分布）的一類噪聲。其一維概率密度函數(shù)可用數(shù)學(xué)表達(dá)式表示為： a為

42、噪聲的數(shù)學(xué)期望值，也就是均值； 為噪聲的方差。,3、高斯型白噪聲 定義：高斯型白噪聲也稱高斯白噪聲，是指噪聲的概率密度函數(shù)滿足正態(tài)分布統(tǒng)計(jì)特性，同時(shí)它的功率譜密度函數(shù)是常數(shù)的一類噪聲。 4、窄帶高斯白噪聲 定義：當(dāng)高斯噪聲通過(guò)以 為中心角頻率的窄帶系統(tǒng)時(shí)，就可形成窄帶高斯噪聲。,窄帶高斯噪聲可表示為： 式中， 為噪聲的隨機(jī)包絡(luò)； 為噪聲的隨機(jī)相位，相對(duì)于載波的變化而言，它們的變化要緩慢的多。,返回,2.2.4 信道容量,所謂的信道容量是指信道在單位時(shí)間內(nèi)所能傳送的最大信息量，即指信道的最大傳信率。單位是每秒多少比特。由于信道有模擬信道和數(shù)字信道之分。那么信道容量也有模擬信道容量和數(shù)字信道容量之

43、分。,1、模擬信道的信道容量 模擬信道的信道容量是可以根據(jù)香農(nóng)定理來(lái)計(jì)算。香農(nóng)定理指出：在信號(hào)平均功率受限的加性高斯白噪聲信道中，信道的極限信息傳輸速率即信道容量。 其中C為信道容量，B為帶寬，單位是Hz，S/N為信噪功率比 。 （S/N）db=10lg(S/N)(db),例1、有一個(gè)經(jīng)調(diào)制解調(diào)器傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)的電話網(wǎng)信道，該信道帶寬為3000Hz，信道噪聲為加性高斯白噪聲，其信噪比為20db，求該信道的信道容量 解：（S/N）db=10lg(S/N)(db) S/N=102=100 C=Blog2(1+S/N) =3000log2(1+100) =19974bit/s,例2、已知僅存在加性高斯

44、白噪聲的信道容量為33.6kbit/s，其信號(hào)噪聲功率比為30db，求此模擬信道的帶寬為多少？ 解：10lg(S/N)=30db S/N=103=1000 C=Blog2(1+S/N) =Blog2(1001) =33.6kbit/s B=33.6/log21001 =3.37kHz=3371Hz,2、數(shù)字信道的信道容量 典型的數(shù)字信道是平穩(wěn)、對(duì)稱、無(wú)記憶的離散信道，它可以用二進(jìn)制或多進(jìn)制傳輸 離散是指信道內(nèi)傳輸?shù)男盘?hào)是離散的數(shù)字信號(hào) 對(duì)稱是指任何碼元正確傳輸和錯(cuò)誤傳輸?shù)母怕逝c其他碼元一樣 平穩(wěn)是指對(duì)任何碼元來(lái)說(shuō)，錯(cuò)誤概率的取值都是相同的 無(wú)記憶是指接收到的第i個(gè)碼元僅與發(fā)送的第i個(gè)碼元有關(guān)，

45、而與第i個(gè)碼元以前的發(fā)送碼元無(wú)關(guān),根據(jù)奈奎斯特準(zhǔn)則，帶寬為B的信道所能傳送的信號(hào)最高碼元速率為2B波特。因此，無(wú)噪聲數(shù)字信道容量為 C2Blog2M (bit/s) 其中M為傳輸時(shí)數(shù)據(jù)信號(hào)的取值狀態(tài)，也就是進(jìn)制數(shù),例：假設(shè)一個(gè)傳四進(jìn)制數(shù)字信號(hào)的無(wú)噪聲數(shù)字信道，帶寬為3000Hz，求其信道容量 解：C=2Blog2M =23000log24 =12000（bit/s）,返回,2.3 多路復(fù)用,2.3.1 頻分多路復(fù)用（FDM） 2.3.2 時(shí)分多路復(fù)用（TDM） 2.3.3 波分多路復(fù)用（WDM）,返回目錄,2.3.1 頻分多路復(fù)用（FDM）,FDM是把信道的可用頻帶分成多個(gè)互不交疊的頻段（帶）

46、 ，每個(gè)信號(hào)占其中一個(gè)頻段。接收時(shí)用適當(dāng)?shù)臑V波器分離出不同信號(hào)，分別進(jìn)行解調(diào)接收。,返回,2.3.2 時(shí)分多路復(fù)用（TDM）,時(shí)分復(fù)用原理是將信道占用時(shí)間分成若干個(gè)小的時(shí)間片，稱之為時(shí)隙，每個(gè)時(shí)隙就是一條時(shí)分復(fù)用信道，可以傳輸一個(gè)用戶的信號(hào)。 也就是說(shuō)各路信號(hào)可以同時(shí)在同一信道中傳輸時(shí)占有不同的時(shí)間間隔。這時(shí)就需要將時(shí)間分成均勻的時(shí)間間隔，將每路信號(hào)分配在不同的時(shí)間間隔內(nèi)傳輸，一邊達(dá)到互相分開(kāi)的目的。 時(shí)分多路復(fù)用可以分為同步時(shí)分復(fù)用和異步時(shí)分復(fù)用兩種,1、同步時(shí)分復(fù)用（STDM） STDM采用固定時(shí)間片分配方式，將傳輸信號(hào)的時(shí)間按特定長(zhǎng)度連續(xù)地劃分成特定時(shí)間段（一個(gè)周期），再將每一時(shí)間段劃分

47、成等長(zhǎng)度的多個(gè)時(shí)隙，每個(gè)時(shí)隙以固定的方式分配給各路數(shù)字信號(hào)，各路數(shù)字信號(hào)在每一時(shí)間段都順序分配到一個(gè)時(shí)隙。,由于在同步時(shí)分復(fù)用方式中，時(shí)隙預(yù)先分配且固定不變，無(wú)論時(shí)隙擁有者是否傳輸數(shù)據(jù)都占有一定時(shí)隙，形成了時(shí)隙浪費(fèi)，其時(shí)隙的利用率很低 。,2、異步時(shí)分復(fù)用（ATDM） 異步時(shí)分復(fù)用技術(shù)又被稱為統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用，它能動(dòng)態(tài)地按需分配時(shí)隙，避免每個(gè)時(shí)間段中出現(xiàn)空閑時(shí)隙。 ATDM就是只有當(dāng)某一路用戶有數(shù)據(jù)要發(fā)送時(shí)才把時(shí)隙分配給它。當(dāng)用戶暫停發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，則不給它分配時(shí)隙。電路的空閑時(shí)隙可用于其他用戶的數(shù)據(jù)傳輸 。 在所有的數(shù)據(jù)幀中，除最后一個(gè)幀外，其他所有幀均不會(huì)出現(xiàn)空閑的時(shí)隙，從而提高了資源的利用率，也

48、提高了傳輸速率。,返回,2.3.3 波分多路復(fù)用（WDM）,波分復(fù)用是指在一根光纖上，同時(shí)傳送多個(gè)波長(zhǎng)不同的光載波， 其基本原理與頻分復(fù)用相同，區(qū)別僅在于FDM使用的是電載波，而 WDM使用的是光載波。 利用波分復(fù)用技術(shù)可以在不增建光纜線路或不改建原有光纜的基礎(chǔ)上，使光纜傳輸容量擴(kuò)大幾倍甚至幾十倍、上百倍 。,返回,第3章 數(shù)據(jù)信號(hào)的基帶傳輸,目的要求,掌握基帶信號(hào)的碼型、基帶系統(tǒng)的組成、無(wú)碼間干擾的基帶傳輸?shù)亩x及條件、基帶系統(tǒng)形成波形、奈奎斯特第一準(zhǔn)則、部分響應(yīng)和時(shí)域均衡的基本原理基本特點(diǎn)。本章是本課程的重點(diǎn)。,授課內(nèi)容,3.1 數(shù)據(jù)基帶信號(hào)分析 3.2 基帶傳輸系統(tǒng)組成 3.3 無(wú)碼間干

49、擾的基帶傳輸系統(tǒng) 3.4 眼圖 3.5 基帶傳輸系統(tǒng)性能分析 3.6 改善系統(tǒng)性能的幾個(gè)措施,返回目錄,3.1 數(shù)據(jù)基帶信號(hào)分析,3.1.1 常用的基帶信號(hào) 3.1.2 基帶信號(hào)的功率譜密度,返回目錄,3.1.1 常用基帶信號(hào),基帶傳輸是數(shù)據(jù)通信中的基本傳輸方式，數(shù)據(jù)終端只要經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的電平和碼型變換后就可以在信道中直接傳輸，主要應(yīng)用在局域網(wǎng)等短距離的數(shù)據(jù)傳輸中。不搬移基帶信號(hào)頻譜的傳輸方式。 基帶信號(hào)是代碼的電表示形式，信號(hào)的主要能量集中于從0開(kāi)始至某一頻率的低通型頻帶。在實(shí)際基帶傳輸中并不是所有代碼的電波形都能在信道上傳輸，因此，選用傳輸碼型應(yīng)考慮以下原則：,F傳輸碼型中應(yīng)不含有直流分量，且

50、低頻分量和過(guò)高頻分量也不要太多； F傳輸碼型中應(yīng)含有定時(shí)時(shí)鐘信息，以利于收端定時(shí)時(shí)鐘的提??； F傳輸碼型應(yīng)具有誤碼檢測(cè)能力； F碼型變換設(shè)備簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)； F誤碼增殖要小；,1、單極性碼不歸零（NRZ）碼：,編碼規(guī)則：1表示高電平，0表示低電平，在整個(gè)碼元期間電平保持不變,特點(diǎn)及應(yīng)用: 發(fā)送能量大有利于提高收端信比 帶寬窄但直流和低頻成分大； 不能提取同步信號(hào) 判決電平不易穩(wěn)定 一般用于設(shè)備內(nèi)部和短距離通信中。,占空比：/Tb ，典型的取值是/Tb=50%,2、單極性碼歸零（RZ）碼：,編碼規(guī)則：傳送1時(shí)發(fā)送一個(gè)寬度小于碼元持續(xù)時(shí)間的歸零脈沖，傳送0時(shí)不發(fā)送脈沖。,特點(diǎn)及應(yīng)用： 具有單極性碼

51、的大多特點(diǎn)但帶寬增大， 可以直接提取同步信息 一般用于設(shè)備內(nèi)部和短距離通信中。,3、雙極性碼不歸零（BNRZ）碼：,編碼規(guī)則： 1表示高電平，-1表示低電平，在整個(gè)碼元期間電平保持不變,特點(diǎn)及應(yīng)用 發(fā)送能量大有利于提高收端信比 無(wú)直流但低頻成份大 不能提取同步信號(hào) 判決電平容易穩(wěn)定，無(wú)需線路接地,4、雙極性碼歸零（BRZ）碼：,編碼規(guī)則：構(gòu)成原理與RZ相同，1正，-1負(fù)，相鄰脈沖間必有零電平存在。在接收端根據(jù)接收波形歸于零電平便可知1比特信息結(jié)束。,特點(diǎn)及應(yīng)用： 具有雙極性碼的優(yōu)點(diǎn) 比較容易提取同步信息,編碼規(guī)則：差分碼是用相鄰兩個(gè)電平變化與否表示“1”和“0”，所以又稱為相對(duì)碼記作bn,5、

52、差分碼,差分碼又可以分為兩種：傳號(hào)碼和空號(hào)碼：傳號(hào)碼是指相鄰兩個(gè)電平變化表示為1，如果不變表示為0。其中1用高電平來(lái)表示，0用低電平來(lái)表示。實(shí)際上他們的運(yùn)算就是異或運(yùn)算。而空號(hào)碼則是相反的。,特點(diǎn)及應(yīng)用 即使傳輸過(guò)程中所有電平都發(fā)生了反轉(zhuǎn)，接收端仍能正確判決 是數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中的一種常用碼型,6、極性交替（AMI）碼：,編碼規(guī)則：消息代碼0仍變換為傳輸碼的0，而把代碼中的1交替地變換為傳輸碼的 +1、-1、 ,特點(diǎn)： 無(wú)直流分量，且只有很小的低頻成分； 從一個(gè)二進(jìn)制符號(hào)序列變成了一個(gè)三進(jìn)制符號(hào)序列； 編譯碼電路簡(jiǎn)單，并便于觀察誤碼情況； 缺點(diǎn)：當(dāng)它用來(lái)獲取定時(shí)信息時(shí)，由于它可能出現(xiàn)長(zhǎng)的連0串，因

53、而會(huì)造成提取定時(shí)信號(hào)的困難。,7、三階高密度雙極性（HDB3）碼：,編碼規(guī)則： （1）按AMI碼編碼； （2）用000V替代長(zhǎng)連零小段0000，V的極性與前一個(gè)非零碼的極性相同； （3）檢查V碼是否極性交替。若不交替，把當(dāng)前的000V用B00V代替，B的極性與前一個(gè)非零符號(hào)的極性相反；加B后，則后邊所有非零符號(hào)反號(hào)。 檢查HDB3碼正確與否，一看“1”與B合起來(lái)極性是否交替，二看V碼是否交替，兩者都交替則編碼正確。,例：,信息流： 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 1 1 1 0,第一步： 0+1 0 0 0 0-1+1 0 0 0 0 0-1+1-1 0,第二步： 0+1

54、0 0 0+V-1+1 0 0 0+V 0-1+1-1 0,第三步： 0+1 0 0 0+V-1+1-B 0 0-V 0+1-1+1 0,t,+1,0,0,+1,0,+v,-1,0,-B,0,0,-v,0,+1,-1,+1,0,破壞脈沖,補(bǔ)救脈沖,特點(diǎn)： 編碼比較復(fù)雜，但譯碼卻比較簡(jiǎn)單 除保持了AMI碼的優(yōu)點(diǎn)外，還增加了使連0串減少到至多3個(gè)的優(yōu)點(diǎn)，這對(duì)于定時(shí)信號(hào)的恢復(fù)是十分有利的。 缺點(diǎn)：HDB3碼若產(chǎn)生一個(gè)誤碼，可能造成假4連0，譯碼端會(huì)引起多于一個(gè)的誤碼，即HDB3碼有誤碼增殖。,譯碼： （1）檢測(cè)V碼并識(shí)別B00V和000V；兩個(gè)同極性碼后一個(gè)為V碼； （2）用0000取代B00V或0

55、00V； （3）全波整流還原成單極性碼。,編碼規(guī)則： “1”用高低電平表示，“0”用低高電平表示 ；,8、曼徹斯特碼：,特點(diǎn)及應(yīng)用： 不含直流分量，定時(shí)信息豐富 具有編碼冗余 極性反轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)引起譯碼錯(cuò)誤,編碼規(guī)則：n個(gè)二進(jìn)制碼元(比特)用m個(gè)二進(jìn)制碼元(比特)編碼,9、nB/mB碼 ：,特點(diǎn)及應(yīng)用： 具有差分碼的特點(diǎn) 比較容易提取同步信息,返回,3.1.2 基帶信號(hào)的功率譜密度,單個(gè)脈沖信號(hào)的頻譜可以通過(guò)付氏變換求出。 在數(shù)據(jù)通信中，傳輸?shù)氖且幌盗卸M(jìn)制脈沖序列，那么在頻域中怎樣描述隨機(jī)的二進(jìn)制脈沖序列呢？既然是隨機(jī)的，就不能用付氏變換去描述，而必須使用功率譜密度描述。,一、二進(jìn)制隨機(jī)脈沖序列的

56、波形和一般表示式,1、波形 二進(jìn)制隨機(jī)脈沖序列具有隨機(jī)性，無(wú)法畫(huà)出它的波形，只能畫(huà)出某一時(shí)刻的樣本： 數(shù)字信號(hào)的波形如下圖所示，假設(shè)“1”用g1(t)表示， “0”用g2(t)表示,假設(shè)在一個(gè)碼元周期Tb內(nèi)“1”出現(xiàn)的概率為P，“0”出現(xiàn)的概率為1-P，,2、一般表達(dá)式,其中,對(duì)于雙極性信號(hào)：,對(duì)于單極性信號(hào)有：,3、信號(hào)對(duì)應(yīng)的功率譜,fb=1/Tb，數(shù)值上等于碼元速率RB G1(f)和G2(f)分別為g1(t)和g2(t)的傅氏變換 式中的第一項(xiàng)表示連續(xù)譜，由其可以確定信號(hào)的帶寬 第二項(xiàng)是離散譜，由其可以判斷信號(hào)有無(wú)直流分量以及是否包含同步信息,部分碼型的功率譜結(jié)構(gòu)如下圖所示 ：,例1：試求

57、雙極性歸零碼的功率譜密度。設(shè)“1”碼出現(xiàn)的概率為p=1/2，脈沖寬度為 ，幅度為 A。,解：因?yàn)槭请p極性歸零碼，所以 g1(t) = g2(t) g1(t)的波形如右圖：,即：,g1(t) 和g2(t)的傅里葉變換式為,將上式代入公式，得雙極性歸零碼的功率譜密度為,可見(jiàn)，雙極性歸零碼的功率譜密度只有連續(xù)譜，當(dāng) 時(shí)，p(f)出現(xiàn)零點(diǎn)，而 為p(f)的第一零點(diǎn)，信號(hào)能量大部分集中在第一零點(diǎn)頻率范圍內(nèi)，因此，要傳輸此信號(hào)，基帶寬大約需 。,返回,3.2 基帶傳輸系統(tǒng)的組成,基帶傳輸系統(tǒng)的模型如圖所示：,返回目錄,碼型變換器是將數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)換成更適合于信道傳輸?shù)拇a型 發(fā)送濾波器進(jìn)行信號(hào)波形轉(zhuǎn)換 接收濾波

58、器完成抑制帶外噪聲、均衡信號(hào)波形等功能，使其輸出波形更有利于抽樣判決 同步系統(tǒng)作用是通過(guò)特定方法提取同步信息，并產(chǎn)生同步控制信號(hào) 抽樣判決器是在位同步脈沖的控制下對(duì)信號(hào)波形抽樣，并按照特定碼型的判決規(guī)則恢復(fù)原始數(shù)據(jù)信號(hào),系統(tǒng)各部分波形如下圖所示,基帶脈沖,基帶數(shù)據(jù) 信號(hào)的波形,受噪聲和干擾信號(hào)干擾的波形,通過(guò)接收濾波器濾波后接收到的信號(hào),經(jīng)抽樣判決器恢復(fù)的數(shù)據(jù)基帶信號(hào),抽樣后樣值,抽樣脈沖,數(shù)據(jù)序列,返回,3.3 無(wú)碼間干擾的基帶傳輸,3.3.1 碼間干擾及其數(shù)學(xué)分析 3.3.2 無(wú)碼間干擾的傳輸特性,返回目錄,3.3.1 碼間干擾及其數(shù)學(xué)分析,1、碼間干擾的定義由于系統(tǒng)的傳輸特性不理想，致使碼元波形畸變，引起前后碼元相互干擾的現(xiàn)象。,動(dòng)畫(huà)演示,基帶傳輸系統(tǒng)的模型如圖所示：,DTE,發(fā)送濾波器GT(w),信道 C(w),接收濾波器GR(w),抽樣判決,噪聲,d (t),y (t),DTE,基帶波形形成網(wǎng)絡(luò),基帶傳輸系統(tǒng)的簡(jiǎn)化模型,只需要對(duì)H()作合理設(shè)計(jì)，在抽樣判決器前就可以得到理想的波形。對(duì)于雙級(jí)性二元碼an的可能值為A 。所以可以寫(xiě)成,圖中H()，可看作傳輸頻帶有限的網(wǎng)絡(luò)或系統(tǒng)。由于整個(gè)傳輸頻帶是有限的，所以從H()輸入端送入該網(wǎng)絡(luò)的沖激脈沖，到H()的輸出信號(hào)已不再是沖激脈沖，而是展寬了的脈沖，且?guī)?/p>