数据通信的基本原理

第三章数据通信的基本原理主要内容3.1数据通信的理论基础3.1.1傅立叶分析3.1.2有限带宽信号3.1.3信道的最大数据传输速率3.1 数据通信的理论基础(1)主要内容：信号在通信信道上传输时的数学表示及其所受到的限制。3.1.1傅立叶分析 任何一个周期为T的有理周期性函数 g(t)可分解为若干项（可能无限多项）正弦和余弦函数之和：g(t)=c+f=1/T基本频率an,bnn次谐波项的正弦和余弦振幅值21)2sin(1nftann)2cos(1nftbnn3.1 数据通信的理论基础()已知 g(t)，求c,an,bn1)将等式两边从到积分可得cc=2)用sin(2kft)乘等式两边，并从到积分，可得an an=3)用cos(2kft)乘等式两边，并从到积分，可得bnbn=T2Tdtnfttg0)2sin()(T2T2Tdttg0)(Tdtnfttg0)2cos()(3.1 数据通信的理论基础(3)3.1.2有限带宽信号(Bandwidth Limited Signals)01010TtTTtTTtTTtTTt8787868683838803.1 数据通信的理论基础(4)其傅立叶分析的系数为：an=cos(n/4)-cos(3 n/4)+cos(6 n/4)-cos(7 n/4)bn=sin(3n/4)-sin(n/4)+sin(7 n/4)-sin(6 n/4)c=3/8Fig.2-1信号在信道上传输时的特性：n1n13.1 数据通信的理论基础(5)波特率（baud）和比特率（bit）的关系：3.1 数据通信的理论基础(6)音频线路的截止频率为3000HzN=fc/f1=3000/(B/8)=24000/BFig.2-2：即使对于完善的信道，有限的带宽限制了数据的传输速率。3.1 数据通信的理论基础(7)3.1.3信道的最大数据传输速率1924年，奈魁斯特（H.Nyquist）推导出的最大数据传输率公式：最大数据传输率=2Hlog2V(bps)任意信号通过一个带宽为的低通滤波器，则每秒采样次就能完整地重现该信号，信号电平分为级。1948年，香农（C.Shannon）把奈魁斯特的工作扩大到信道受到干扰的情况。热噪声出现的大小用信噪比（信号功率与噪声功率之比）来衡量。：信号功率，：噪声功率10log10S/N单位：分贝（db）3.1 数据通信的理论基础(8)香农的主要结论是：带宽为 H 赫兹，信噪比为S/N的任意信道的最大数据传输率为最大数据传输率=Hlog2(1+S/N)(bps)3.2 数据通信技术(1)主要内容：数据在通信信道上的各种传输方式及其所采用的技术。3.2.1数据通信系统的基本结构基本结构计算机信号变换器计算机信号变换器信道差错控制3.2 数据通信技术(2)数据表示和传输方式3.2 数据通信技术(3)模拟信号发送：模拟数据（声音）模拟信号数字数据（二进制脉冲）模拟信号数字信号发送：模拟数据数字信号数字数据（二进制脉冲）数字信号数字信号发送的优点是：价格便宜，对噪声不敏感；缺点是：易受衰减，频率越高，衰减越厉害。电话系统调制解调器MODEM编码解码器CODEC数字编码解码器3.2 数据通信技术(4)3.2.2数据编码技术研究数据在信号传输过程中如何进行编码（变换）3.2 数据通信技术(5)常用的几种编码方式：1）不归零制码（NRZ：Non-Return to Zero）3.2 数据通信技术(6)3）差分曼彻斯特码（Differential Manchester）原理：每一位中间都有一个跳变，每位开始时有跳变表示0，无跳变表示1。位中间跳变表示时钟，位前跳变表示数据。优点：时钟、数据分离，便于提取。001101NRZ曼彻斯特差分曼彻斯特逢“1”变化NRZ逢“0”变化NRZ3.2 数据通信技术(7)n数字数据的模拟传输（频带传输）nCaption:Modem showing RS-232 connector for serial connection to computer and RJ-11 jack for connection to phone line.nCaption:Computer system with modems,showing serial cable to modem and cable to phone jack.nCaption:Dialup modem for voice telephone lines.nCaption:Modems in a computer center for dial-up modem access to the organization network.nCaption:An Ascend Pipeline ISDN modem.nCaption:Two examples of PCMCIA fax/modem/Ethernet adapters.3.2 数据通信技术(8)n根据载波 Asin(t+)的三个特性：幅度、频率、相位，产生常用的三种调制技术：幅移键控法 Amplitude-shift keying(ASK)频移键控法 Frequency-shift keying(FSK)相移键控法 Phase-shift keying(PSK)3.2 数据通信技术(9)1）幅移键控法（调幅）幅移就是把频率、相位作为常量，而把振幅作为变量，即：A(t)取不同的值表示不同的信息码。例如：A(t)取A1，A2，A1表示0，A2表示1。Fig.2-18NAAAtAtt,)()()(21003.2 数据通信技术(10)2）频移键控法（调频）频移就是把振幅、相位作为常量，而把频率作为变量，即：(t)取不同的值表示不同的信息码。例如：(t)取 1，2，1表示0，2表示1。Fig.2-18NttAtA,)()()(21003.2 数据通信技术(11)3）相移键控法（调相）相移就是把振幅、频率作为常量，而把相位作为变量，即：(t)取不同的值表示不同的信息码。例如：(t)取 1，2，1表示0，2表示1。Fig.2-18NttAtA,)()()(21003.2 数据通信技术(12)模拟数据数字传输解决模拟信号数字化问题，也称为脉冲代码调制PCM（Pulse Code Modulation）。根据Nyquist原理进行采样。1）常用的PCM技术将模拟信号振幅分成多级（2n），每一级用 n 位表示。例如：贝尔系统的 T1 载波将模拟信号分成128级，每次采样用7位二进制数表示。3.2 数据通信技术(13)3.2.3多路复用技术由于一条传输线路的能力远远超过传输一个用户信号所需的能力，为了提高线路利用率，经常让多个信号同时共用一条物理线路。常用的有三种方法：时分复用 TDM（Time Division Multiplexing）主要用于数字数据传输T1载波，分成 24 个信道Fig.2-26频分复用 FDM（Frequency Division Multiplexing）Fig.2-24波分复用 WDM（Wavelength Division Multiplexing）Fig.2-253.2 数据通信技术(14)3.2.4通信线路的通信方式连接方式为适应不同的需要，通信线路采用不同的连接方式。ABABCD3.2 数据通信技术(15)通信方式从信息传送方向和时间的关系角度研究。AB数据监视信号AB数据监视信号3.2 数据通信技术(16)全双工通信方式信息可以同时双向传输，一般采用四线式结构。AB数据监视信号3.2 数据通信技术(17)1)同步方式目的：接收方必须知道每一位信号的开始及其宽度，以便正确的采样接收。以字符传输（字符为基本传输单位）为例，在基于字符的信息传送中，可以采用异步方式，也可以采用同步方式。2）异步方式3.2 数据通信技术(18)特点：0 1 0 1 0 11 00 1起始位字符编码奇偶校验终止位3.2 数据通信技术(19)2）同步方式SYN SYN 信 息 SYN SYN3.2 数据通信技术(20)3）基于位的传送中，采用同步方式。标记 二进制位流 标记nCommunication networks can be classified based on the way in which the nodes exchange information:A Taxonomy of Communication NetworksCommunication Communication NetworkNetworkSwitchedSwitchedCommunication Communication NetworkNetworkBroadcastBroadcastCommunication Communication NetworkNetworkCircuit-SwitchedCircuit-SwitchedCommunication Communication NetworkNetworkPacket-SwitchedPacket-SwitchedCommunication Communication NetworkNetworkDatagramDatagram Network NetworkVirtual Circuit NetworkVirtual Circuit Network3.3 通信交换方式（1）n在多结点通信网络中，为有效利用通信设备和线路，一般希望动态地设定通信双方间的线路。动态地接通或断开通信线路，n交换方式分类：电路交换 报文交换存储转发方式 分组交换（包交换）存储转发方式 混合交换 3.3 通信交换方式（2）3.3.1电路交换（circuit switching）3.3 通信交换方式（4）nA node(switch)in a circuit switching networkincoming linksoutgoing linksNode3.3 通信交换方式（5）nMultiplexing/Demultiplexing3.3 通信交换方式（6）3.3.2 报文交换（message switching）3.3 通信交换方式（7）3.3.3分组交换（packet switching）3.3 通信交换方式（8）易于开始新的传输，让紧急信息优先通过；额外信息增加。n分组交换分为 数据报（datagram）和虚电路（virtual circuit）3.3 通信交换方式（9）nA node in a packet switching networkincoming linksoutgoing linksNodeMemory3.3 通信交换方式（10）nData from any conversation can be transmitted at any given timenHow to tell them apart?3.3 通信交换方式（11）n数据报 每个分组均带有全称网络地址（源、目的），可走不同的路径。例:IP networks3.3 通信交换方式（12）分三个阶段n建立：发带有全称网络地址的呼叫分组，建立虚电路n传输：沿建立好的虚电路传输数据；n拆除：拆除虚电路。nFig.2-43 Note:packet headers dont need to contain the full destination address of the packet 例3.3 通信交换方式（13）n电路交换与分组交换的比较3.3 通信交换方式（14）n结论：3.3 通信交换方式（15）3.3.3交换结构（switch fabric）crossbar 交换Fig.2-38空分交换Fig.2-39时分交换Fig.2-40