2 数据通信基础知识.ppt
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1、1第二章第二章 数据通信基础知识数据通信基础知识 Networking Networking technotechno;ogyogy第一部分第一部分 数据通信数据通信信号与通信信号与通信模拟通信与数字通信模拟通信与数字通信数据通信基础理论数据通信基础理论传输介质传输介质多路复用技术多路复用技术数据交换技术数据交换技术调制解调技术调制解调技术物理层接口物理层接口2第二章第二章 数据通信基础知识数据通信基础知识 Networking Networking technotechno;ogyogy第二章第二章 数据通信基础知识数据通信基础知识2.1 基本概念基本概念 2.2 数据通信基础理论数据通信基
2、础理论2.3 传输介质传输介质2.4 多路复用多路复用2.5 数据交换技术数据交换技术2.6 调制解调器调制解调器3第二章第二章 数据通信基础知识数据通信基础知识 Networking Networking technotechno;ogyogy2.1 基本概念基本概念信号信号l是数据(或信息)的电磁编码。信号的数学描是数据(或信息)的电磁编码。信号的数学描述一般是以时间述一般是以时间t为自变量,以某种物理量(如为自变量,以某种物理量(如电压)为因变量(信号的时域特性)电压)为因变量(信号的时域特性)l模拟信号与数字信号模拟信号与数字信号通信(传输)通信(传输)l通信的任务是将信号从一方传到另
3、一方通信的任务是将信号从一方传到另一方l模拟通信与数字通信模拟通信与数字通信4第二章第二章 数据通信基础知识数据通信基础知识 Networking Networking technotechno;ogyogy模拟信号和数字信号模拟信号和数字信号5第二章第二章 数据通信基础知识数据通信基础知识 Networking Networking technotechno;ogyogy2.1.2 模拟通信模拟通信6第二章第二章 数据通信基础知识数据通信基础知识 Networking Networking technotechno;ogyogy模拟通信系统的组成模拟通信系统的组成调制器调制器l如果信源产生的
4、是数字数据,调制器的功能是将如果信源产生的是数字数据,调制器的功能是将调制为模拟信号(如拨号调制为模拟信号(如拨号Modem)l如果信源产生的是模拟数据,调制器的功能是将如果信源产生的是模拟数据,调制器的功能是将其调制到某个频段以便进行远距离传输或多路复其调制到某个频段以便进行远距离传输或多路复用用解调器解调器l是实现上述过程逆变换的设备是实现上述过程逆变换的设备信道信道l包括传输介质和介质两端的传输设备包括传输介质和介质两端的传输设备7第二章第二章 数据通信基础知识数据通信基础知识 Networking Networking technotechno;ogyogy2.1.3 数字通信数字通信
5、8第二章第二章 数据通信基础知识数据通信基础知识 Networking Networking technotechno;ogyogy数字通信系统的组成(数字通信系统的组成(1)信源编码器信源编码器l当信源产生的是模拟数据(或信号)时,信源编码当信源产生的是模拟数据(或信号)时,信源编码器的主要工作是对模拟数据(或信号)进行采样、器的主要工作是对模拟数据(或信号)进行采样、量化并编码成二进制数字信号量化并编码成二进制数字信号l当信源产生的是数字数据(或信号)时,信源编码当信源产生的是数字数据(或信号)时,信源编码器的主要工作是对原始的数字数据(或信号)进行器的主要工作是对原始的数字数据(或信号)
6、进行码制变换,使其适合于传输或通信(如在数据信号码制变换,使其适合于传输或通信(如在数据信号中插入时钟信号)中插入时钟信号)信道编码器信道编码器l是对传输的数字信号进行检错或纠错编码,以便接是对传输的数字信号进行检错或纠错编码,以便接收方能进行差错检测和纠正收方能进行差错检测和纠正9第二章第二章 数据通信基础知识数据通信基础知识 Networking Networking technotechno;ogyogy数字通信系统的组成(数字通信系统的组成(2)调制器调制器l其功能是将基带其功能是将基带(数字数字)信号变换成频带信号变换成频带(模拟模拟)信号以信号以通过模拟传输介质进行频带传输。(有些
7、传输介质只通过模拟传输介质进行频带传输。(有些传输介质只能传输模拟信号,如无线介质)能传输模拟信号,如无线介质)时钟时钟l数字信号的发送和接收靠时钟驱动数字信号的发送和接收靠时钟驱动l一般情况下,发送端和接收端使用各自的时钟源,但一般情况下,发送端和接收端使用各自的时钟源,但接收时钟与发送时钟必须保持同步接收时钟与发送时钟必须保持同步u外同步外同步u内同步内同步10第二章第二章 数据通信基础知识数据通信基础知识 Networking Networking technotechno;ogyogy数字通信的主要特点数字通信的主要特点优点优点l抗干扰能力强,可实现高质量的远距离传输;抗干扰能力强,可
8、实现高质量的远距离传输;l适应各种传输业务;适应各种传输业务;l方便实现高保密传输;方便实现高保密传输;l传输设备的集成化和微型化;传输设备的集成化和微型化;缺点缺点l占用信道的带宽大占用信道的带宽大u 例子:一路模拟电话占用例子:一路模拟电话占用4KHz信道带宽,而一路信道带宽,而一路数字电话所需要的数据传输率是数字电话所需要的数据传输率是64Kbps,所需占所需占用的信道带宽要远远大于用的信道带宽要远远大于4KHz。11第二章第二章 数据通信基础知识数据通信基础知识 Networking Networking technotechno;ogyogy2.2 数据通信基础理论数据通信基础理论2
9、.2.1 信号的频谱和带宽信号的频谱和带宽2.2.2 信道的截止频率与带宽信道的截止频率与带宽2.2.3 信道的最大数据传输率信道的最大数据传输率12第二章第二章 数据通信基础知识数据通信基础知识 Networking Networking technotechno;ogyogy2.2.1 信号的频谱和带宽信号的频谱和带宽傅立叶已经证明:任何一个周期为傅立叶已经证明:任何一个周期为T的函数的函数f(t)都是由都是由无穷多个正弦和余弦函数合成,即:无穷多个正弦和余弦函数合成,即:f(t)=其中:其中:n=arctg(-bn/an)此此处处f=1/T是是基基频频,an和和bn是是n次次正正弦弦谐谐
10、波波和和余余弦弦谐谐波波的的振振幅。幅。13第二章第二章 数据通信基础知识数据通信基础知识 Networking Networking technotechno;ogyogy基本概念基本概念频域图(频率频域图(频率-最大振幅图)最大振幅图)l把把f(t)各次谐波的振幅各次谐波的振幅An按照频率高低依次排列起来所按照频率高低依次排列起来所形成谱状图形称为信号形成谱状图形称为信号f(t)的频谱图。的频谱图。信号带宽信号带宽l信号频域图所覆盖的频率范围称为信号的绝对带宽;信号频域图所覆盖的频率范围称为信号的绝对带宽;l我们将信号大部分能量集中的那段频带称为信号的有我们将信号大部分能量集中的那段频带称
11、为信号的有效带宽,简称为效带宽,简称为带宽带宽(bandwidth);l任何信号都有一定的带宽。任何信号都有一定的带宽。14第二章第二章 数据通信基础知识数据通信基础知识 Networking Networking technotechno;ogyogy常见信号的带宽常见信号的带宽话音信号话音信号l话音信号的标准带宽为话音信号的标准带宽为300Hz3400Hz音乐信号(音乐信号(CD音质)音质)l要求的带宽是要求的带宽是20Hz 20KHz电视信号电视信号(PAL或或NTSC制式制式)l电视信号的带宽约为电视信号的带宽约为4.2MHz单稳脉冲信号单稳脉冲信号l其带宽为无穷大其带宽为无穷大二进制
12、信号二进制信号(数字信号数字信号)l一般说来,任何数字信号都具有无限带宽,但它们不得不一般说来,任何数字信号都具有无限带宽,但它们不得不被近为有限带宽信号被近为有限带宽信号l数字信号的带宽依赖于数字信号的带宽依赖于“0”、“1”序列以及数字编码方序列以及数字编码方式式15第二章第二章 数据通信基础知识数据通信基础知识 Networking Networking technotechno;ogyogy2.2.2 信道的截止频率与带宽信道的截止频率与带宽任何信号通过信道时都会发生衰减,从而引起信号任何信号通过信道时都会发生衰减,从而引起信号失真。失真。信道对不同频率的信号其衰减幅度是不相同的;一信
13、道对不同频率的信号其衰减幅度是不相同的;一般来说,频率越高的信号,其衰减幅度越大。般来说,频率越高的信号,其衰减幅度越大。我们把信号在经过信道时其中某个频率分量的振幅我们把信号在经过信道时其中某个频率分量的振幅衰减到原来的衰减到原来的0.707(即信号的能量衰减到原来的一半即信号的能量衰减到原来的一半)时所对应的频率称为信道的时所对应的频率称为信道的截止频率截止频率fc(cut-off frequency),即信道的带宽。即信道的带宽。任何信道都有任何信道都有fc,信道的截止频率或带宽是信道的截止频率或带宽是由其固有由其固有的物理特性决定的。的物理特性决定的。16第二章第二章 数据通信基础知识
14、数据通信基础知识 Networking Networking technotechno;ogyogy信道截止频率信道截止频率17第二章第二章 数据通信基础知识数据通信基础知识 Networking Networking technotechno;ogyogy数据传输率与带宽数据传输率与带宽信道的带宽决定对其通过信号的带宽,因而对于有限带信道的带宽决定对其通过信号的带宽,因而对于有限带宽信道必须限制信号的带宽宽信道必须限制信号的带宽(有限带宽信号有限带宽信号);而带宽;而带宽越受限制,失真越严重,接收器产生差错的概率越大;越受限制,失真越严重,接收器产生差错的概率越大;信号的数据传输率越高,其有
15、效带宽就越大;要求传输信号的数据传输率越高,其有效带宽就越大;要求传输系统的带宽越大,费用就越高;系统的带宽越大,费用就越高;为了保证数字数据传输的正确性,在信道带宽一定为了保证数字数据传输的正确性,在信道带宽一定(鉴鉴于经济上和实现上的原因于经济上和实现上的原因)的情况下,必须限制信号的的情况下,必须限制信号的带宽,即限制数据传输率;带宽,即限制数据传输率;知道信道带宽并不能完全说明其所能支持的数据传输率知道信道带宽并不能完全说明其所能支持的数据传输率到底有多大?但就一般而言,信道的所能支持的数据传到底有多大?但就一般而言,信道的所能支持的数据传输率与其带宽成正比。输率与其带宽成正比。18第
16、二章第二章 数据通信基础知识数据通信基础知识 Networking Networking technotechno;ogyogy2.2.3 信道的最大数据传输率信道的最大数据传输率任何实际应用的传输信道都是有限带宽信道。任何实际应用的传输信道都是有限带宽信道。信道信道带宽带宽的限制是由传输介质的限制是由传输介质(信道信道)的物理特性决的物理特性决定的;或者可能是发送器故意限制了带宽,以防止定的;或者可能是发送器故意限制了带宽,以防止干扰或为了多路复用。干扰或为了多路复用。数字传输的目标就是尽可能有效利用给定带宽数字传输的目标就是尽可能有效利用给定带宽(有效有效性性),这意味着我们希望在给定带宽
17、条件下尽可能提,这意味着我们希望在给定带宽条件下尽可能提高高数据传输率数据传输率,同时又将,同时又将误码率误码率限制在某个范围内限制在某个范围内(可靠性可靠性)。限制我们达到上述目标的主要不利因素是限制我们达到上述目标的主要不利因素是噪声噪声(热噪热噪声、交调噪声、串扰和脉冲噪声声、交调噪声、串扰和脉冲噪声)。19第二章第二章 数据通信基础知识数据通信基础知识 Networking Networking technotechno;ogyogy基本概念基本概念带宽带宽(bandwidth)噪声噪声(noise)误码率误码率(error rate)调制速率或信号速率调制速率或信号速率(signal
18、 rate)数据传输率数据传输率(data rate)20第二章第二章 数据通信基础知识数据通信基础知识 Networking Networking technotechno;ogyogy波特率与比特率波特率与比特率基本概念基本概念l调制速率(单位:调制速率(单位:baud)u码元速率,信号单元速率,码元速率,信号单元速率,波特率波特率u数字信号电平改变的速率,取决于数字编码的特性。数字信号电平改变的速率,取决于数字编码的特性。l数据传输率(单位:数据传输率(单位:bps)u信息速率,信息速率,比特率比特率u信号每秒钟传输的二进制位数。信号每秒钟传输的二进制位数。l两者的关系两者的关系21第二
19、章第二章 数据通信基础知识数据通信基础知识 Networking Networking technotechno;ogyogyNyquist定理定理Nyquist推推导导出出带带宽宽为为H的的理理想想(无无噪噪声声)信信道道的的最最大大数数据据传传输输率率为为(带带宽宽为为H的的理理想想信信道道,其其可可承承受受的的最大码元速率是最大码元速率是2*H)Rmax=2H*log 2V(bps)其中其中V为为离散信号的个数或电压值的个数离散信号的个数或电压值的个数例子例子l一一个个带带宽宽为为3000Hz的的无无噪噪声声话话音音信信道道在在传传输输二二进进制制信信号号时其最大数据传输率不超过时其最大
20、数据传输率不超过6000bpsl方法:方法:提高信号编码能力,增大提高信号编码能力,增大V的数值的数值22第二章第二章 数据通信基础知识数据通信基础知识 Networking Networking technotechno;ogyogyShannon定理定理Shannon推推导导出出对对于于带带宽宽为为H,信信噪噪比比为为S/N的的有有噪噪声声信信道,其最大数据传输率道,其最大数据传输率Rmax为为Rmax=H*log 2(1+S/N)(bps)l其其中中信信号号功功率率与与噪噪声声功功率率的的比比值值称称为为信信噪噪比比(Signal-to-Noise Ratio);我们一般使用我们一般使用
21、10log10S/N分贝分贝(dB)来表示信噪比来表示信噪比例子例子l一一个个带带宽宽为为3000Hz,信信噪噪比比为为35dB(S/N为为3165)的的话话音音信信道道其其最大数据传输率不超过最大数据传输率不超过34.86Kbpsl方法:方法:增加线路带宽或改进信噪比增加线路带宽或改进信噪比23第二章第二章 数据通信基础知识数据通信基础知识 Networking Networking technotechno;ogyogy2.3 传输介质传输介质有线介质有线介质l双绞线双绞线l同轴电缆同轴电缆l光纤光纤无线介质无线介质l无线电无线电l微波(大地微波、卫星微波)微波(大地微波、卫星微波)l红外
22、线(毫米波)红外线(毫米波)24第二章第二章 数据通信基础知识数据通信基础知识 Networking Networking technotechno;ogyogy2.3.1 双绞线双绞线屏蔽双绞线屏蔽双绞线STP(IBM)lType 1或或Type 2非屏蔽双绞线非屏蔽双绞线UTP(EIA/TIA)lCat 1 电话线;电话线;lCat 2 ISDN或或T1/E1线路线路;lCat 3 10Mbps或或100Mbps以太网电缆;以太网电缆;lCat 5 100Mbps以太网电缆以太网电缆;l特点特点u距离距离100米米u使用使用RJ-45接头接头25第二章第二章 数据通信基础知识数据通信基础知
23、识 Networking Networking technotechno;ogyogy2.3.2 同轴电缆同轴电缆26第二章第二章 数据通信基础知识数据通信基础知识 Networking Networking technotechno;ogyogy基带电缆和宽带电缆基带电缆和宽带电缆基带电缆(基带电缆(10 Mbps)l粗缆粗缆u非中继传输距离非中继传输距离500米米u需要使用收发器和收发电缆需要使用收发器和收发电缆uAUI接口接口l细缆(便宜的同轴电缆)细缆(便宜的同轴电缆)u非中继传输距离非中继传输距离185米米uBNC接口接口宽带电缆(宽带电缆(CATV电缆电缆)lCable Modem
24、(宽带接入)宽带接入)27第二章第二章 数据通信基础知识数据通信基础知识 Networking Networking technotechno;ogyogy2.3.3 光纤光纤传输与计算的比较传输与计算的比较lCompution:每每10年增长年增长1个数量级个数量级lCommunication:每每10年增长年增长2个数量级个数量级带宽带宽l频率范围:频率范围:180370 THzl数据传输率数据传输率:100*10Gbps=1 Tbpsu原因:光原因:光/电、电电、电/光转换的速度跟不上光转换的速度跟不上u光电子技术光电子技术/光子技术光子技术通过光纤中光的波长通过光纤中光的波长l0.85
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