《通信技术基础知识》由会员分享,可在线阅读,更多相关《通信技术基础知识(96页珍藏版)》请在人人文库网上搜索。
1、4/11/40 page 1本章重点本章重点l基本概念基本概念 多路复用多路复用l信道信道 数据交换技术数据交换技术l传输媒体传输媒体 差错控制差错控制l编码编码4/11/40 page 2l数据数据(Data):传递(携带)信息的实体,信息传递(携带)信息的实体,信息(Information)则是数据的内容或解释。则是数据的内容或解释。
-模拟模拟(Analog)数据与数据与数字数字(Digital)数据数据l信号信号(Signal):数据的物理量编码(数据的物理量编码(通常为电子通常为电子或电磁编码)或电磁编码),数据以信号的形式传播。,数据以信号的形式传播。 -模拟模拟信号与信号与数字数
3l发送设备发送设备:用于匹配信息源和传输介质,即将:用于匹配信息源和传输介质,即将信息源产生的报文经过编码变换为便于传输的信息源产生的报文经过编码变换为便于传输的信号形式,送给传输介质。例如:广播电台、信号形式,送给传输介质。例如:广播电台、电视发射塔、计算机等。电视发射塔、计算机等。l接受设备接受设备:解调、译码、解密等。从带有干扰:解调、译码、解密等。从带有干扰的信号中正确恢复出原始信息,对于多路复用的信号中正确恢复出原始信息,对于多路复用信号,其任务
3、还包括解除多路复用,实现正确信号,其任务还包括解除多路复用,实现正确分路。分路。l在工业网络通信系统中,发送设备与接受设备在工业网络通信系统中,发送设备与接受设备往往都与往往都与 数据源紧密连接为一个整体。(测数据源紧密连接为一个整体。(测量控制装置)量控制装置)4/11/40 page
4l在在工业网络通信系统中典型的发送与接受设工业网络通信系统中典型的发送与接受设备:备:l各种各种变送器变送器、传感器、执行机构、传感器、执行机构l各种数据采集和控制装置各种数据采集和控制装置l智能仪表,如无纸记录仪、显示仪表、多功能控制智能仪表,如无纸记录仪、显示仪表、多功能控制仪仪l可编程逻辑控制器可编程
4、逻辑控制器l变频器、视觉识别系统、伺服驱动器、机器人变频器、视觉识别系统、伺服驱动器、机器人l作为监视操作设备的监控计算机、数据服务器或工作为监视操作设备的监控计算机、数据服务器或工作站作站l网络连接设备,如中继器、网桥、网关等。网络连接设备,如中继器、网桥、网关等。4/11/40 page 5
智能式变送器是由传感器和微处理器(微机)相智能式变送器是由传感器和微处理器(微机)相结构而成的。它充分利用了微处理器的运算和存储能结构而成的。它充分利用了微处理器的运算和存储能力,可对传感器的数据进行处理,包括对测量信号的力,可对传感器的数据进行处理,包括对测量信号的调理(如滤波、放大、调理(如滤波、
5、放大、A/D转换等)、数据显示、自转换等)、数据显示、自动校正和自动补偿等。动校正和自动补偿等。
微处理器是智能式变送器的核心。它不但可以对微处理器是智能式变送器的核心。它不但可以对测量数据进行计算、存储和数据处理,还可以通过反测量数据进行计算、存储和数据处理,还可以通过反馈回路对传感器进行调节,以使采集数据达到最佳。馈回路对传感器进行调节,以使采集数据达到最佳。由于微处理器具有各种软件和硬件功能,因而它可以由于微处理器具有各种软件和硬件功能,因而它可以完成传统变送器难以完成的任务。所以智能式变送器完成传统变送器难以完成的任务。所以智能式变送器降低了传感器的制造难度,并在很大程主上提高了传降低
6、了传感器的制造难度,并在很大程主上提高了传感器的性能。另外,智能式变送器还具有以下特点:感器的性能。另外,智能式变送器还具有以下特点: 4/11/40 page 61.具有自动补偿能力,可通过软件对传感器的非线性、温具有自动补偿能力,可通过软件对传感器的非线性、温漂、时漂等进行自动补偿。漂、时漂等进行自动补偿。
可自诊断,通电后可对传感可自诊断,通电后可对传感器进行自检,以检查传感器各部分是否正常,并作出判器进行自检,以检查传感器各部分是否正常,并作出判断。断。 数据处理方便准确,可根据内部程序自动处理数据数据处理方便准确,可根据内部程序自动处理数据,如进行统计处理、去除异常数值等。,如进行统
7、计处理、去除异常数值等。2.具有双向通信功能。微处理器不但可以接收和处理传感具有双向通信功能。微处理器不但可以接收和处理传感器数据,还可将信息反馈至传感器,从而对测量过程进器数据,还可将信息反馈至传感器,从而对测量过程进行调节和控制。可进行信息存储和记忆,能存储传感器行调节和控制。可进行信息存储和记忆,能存储传感器的特征数据、组态信息和补偿特性等。的特征数据、组态信息和补偿特性等。3.具有数字量接口输出功能,可将输出的数字信号方便地具有数字量接口输出功能,可将输出的数字信号方便地和计算机或现场总线等连接。和计算机或现场总线等连接。4/11/40
8、息的线路(或通路)。传送信息的线路(或通路)。l比特率比特率(Bit Rate):数据传输速率数据传输速率 (bps,b/s)。l码元码元(Code
Cell):时间轴上的一个信号编码单元时间轴上的一个信号编码单元t码元码元1码元码元2码元码元3码元码元4码元码元5信号信号同步脉冲同步脉冲同步脉冲:用于码元的同步定时,识别码元的开始同步脉冲:用于码元的同步定时,识别码元的开始4/11/40 page 8l波特率波特率(Baud):每秒传送的码元数每秒传送的码元数(即信号传送速率即信号传送速率)。 1 Baud = (log2M)
bps 其中其中M是信号的编码级数。也可以写成是信号的编码级数。
9、也可以写成 Rbit = Rbaud log2M例如:例如:4级编码(级编码(p23图图2.3b) 一个信号往往可以携带多个二进制位,所以在固定的一个信号往往可以携带多个二进制位,所以在固定的信息传输速率下,比特率往往大于波特率。信息传输速率下,比特率往往大于波特率。 换句话说,一个码元中可以传送多个比特(换句话说,一个码元中可以传送多个比特(bit)。)。4/11/40 page
9 带宽带宽(Bandwidth):信号或信道占据的频率范围信号或信道占据的频率范围 信道容量信道容量(Channel capacity):信道的最大数据率信道的最大数据率 误码率误码率(Bit error rat
10、e):信道传输可靠性指标信道传输可靠性指标 P= 错误的位数错误的位数 / 传输的总位数传输的总位数信息编码:信息编码:将信息用二进制数表示的方法将信息用二进制数表示的方法。数据编码数据编码:将数据用物理量表示的规则将数据用物理量表示的规则。 例如:字母例如:字母A的的ASCII编码为编码为,其数据编码可能为,其数据编码可能为/11/40 page
10通信系统模型通信系统模型通信的三个要素:通信的三个要素:信源、信宿和信道信源、信宿和信道任何一个通信系统都可以抽象为以下模型:任何一个通信系统都可以抽象为以下模型:噪声噪声信源信源编码编码调制调制信道信道解调
11、解调解解码码信宿信宿编码器:编码器:数据数据适合传输的适合传输的信号信号便于识别、纠错便于识别、纠错调制器:调制器:信号信号适合传输的形适合传输的形式式按按频率、幅度、相位频率、幅度、相位解调器:接收波形解调器:接收波形数字数字信号信号序列序列解码器:传输信号解码器:传输信号原始数据原始数据4/11/40 page
11信息信息数据数据信号信号在介质上传输在介质上传输信号信号数据数据信息信息通信系统的任务通信系统的任务信息通过通信系统传输信息通过通信系统传输 把携带信息的数据用物理信号形式通过介质传把携带信息的数据用物理信号形式通过介质传送到目的地。送到目的地。信息和数据(信息和数据(0、1比
12、特)不能直接在介质上传输比特)不能直接在介质上传输。4/11/40 page 12通信系统的构成通信系统的构成数据传输系统:数据传输系统: 1)传输线路(包括传输介质和中继设备)传输线路(包括传输介质和中继设备)
2)传输设备:调制解调器、多路复用器、交换机、)传输设备:调制解调器、多路复用器、交换机、路由器等路由器等数据处理系统:主要是指计算机。数据处理系统:主要是指计算机。通信基本过程通信基本过程包含两项内容:数据传输和通信控制包含两项内容:数据传输和通信控制建立物理连接建立物理连接建立逻辑连接建立逻辑连接数据传送数据传送断开逻辑断开逻辑连接连接断开物理连接(对比:打电话的过程)断开物理连
13、接(对比:打电话的过程)4/11/40 page 131.数字信道和模拟信道数字信道和模拟信道数字信道:以数字脉冲形式(离散信号)传输数字信道:以数字脉冲形式(离散信号)传输数据的信道。数据的信道。模拟信道:以连续模拟信号形式传输数据的信模拟信道:以连续模拟信号形式传输数据的信道。道。4/11/40 page
142.模拟信号和数字信号模拟信号和数字信号模拟信号:时间上连续,包含无穷多个值模拟信号:时间上连续,包含无穷多个值数字信号:时间上离散,仅包含有限数目的预定值数字信号:时间上离散,仅包含有限数目的预定值tta) 模拟信号b) 数字信号4/11/40 page 153.周期信号和非周期信
14、号周期信号和非周期信号周期信号:信号由不断重复的固定模式组成周期信号:信号由不断重复的固定模式组成(如正弦(如正弦波)波)非周期信号:信号没有固定的模式和波形循环非周期信号:信号没有固定的模式和波形循环(如语(如语音的音波信号)音的音波信号),能被分解成无数个周期信号的叠加。,能被分解成无数个周期信号的叠加。ttTTTTTT周期信号周期信号4/11/40 page
164/11/40 page 17数字通信的优点数字通信的优点 抗噪声(干扰)能力强抗噪声(干扰)能力强 可以控制差错,提高了传输质量可以控制差错,提高了传输质量 便于用计算机进行处理便于用计算机进行处理 易于加密、保密性强易于加密
15、、保密性强 可以传输语音、数据、影像,通用、灵活可以传输语音、数据、影像,通用、灵活 仅在不得已的情况下,才会采用模拟通信仅在不得已的情况下,才会采用模拟通信。 如用如用modem通过拨号线路传输数字信号通过拨号线路传输数字信号。4/11/40 page 184.传输模式传输模式(通信方式通信方式)数据流动的方向数据流动的方向
单工:数据单向单工:数据单向传输传输(无线电广播)(无线电广播) 半双工:数据半双工:数据可以可以双向双向传输传输,但不能,但不能在在同同一时刻双向一时刻双向传输传输(对讲机)(对讲机) 全全双工:数据可同时双向双工:数据可同时双向传输传输(电话)(电话) 两个方向的信
16、号共享链路带宽:两个方向的信号共享链路带宽: 1)链路具有两条物理上独立的传输线路,或)链路具有两条物理上独立的传输线路,或 2)将带宽一分为二,分别用于不同方向的信号传输)将带宽一分为二,分别用于不同方向的信号传输4/11/40 page
195.数字数据的传输方式数字数据的传输方式基带传输:不基带传输:不需要需要调制调制解调器解调器,编码后的数,编码后的数字字脉冲信号脉冲信号直接在信道上传送直接在信道上传送。传输距离。传输距离=25km,信号随距离增加,信号随距离增加衰减,随频率增加畸变。价格便宜。衰减,随频率增加畸变。价格便宜。例如:以太网例如:以太网即将数字信号即将数字信号“1”或或“
17、0”直接用两种不同的电压表示,直接用两种不同的电压表示,这这种高电平和低电平不断交替的信号称为种高电平和低电平不断交替的信号称为基带信号基带信号,而,而基带基带就是这种原始信号所占的基本频带。将基带信号直接送到就是这种原始信号所占的基本频带。将基带信号直接送到线路上传输称为基带传输。基带传输要求信道有较宽的频线路上传输称为基带传输。基带传输要求信道有较宽的频带。带。 4/11/40
page 20l载波传输:长距离传输。增加了调制与解调环节,即载波传输:长距离传输。增加了调制与解调环节,即在复接器后增加了一个调制器,在分接器前增加一个在复接器后增加了一个调制器,在分接器前增加一个解调器。在许多
18、情况下,可以把载波信号等效成基带解调器。在许多情况下,可以把载波信号等效成基带信号数字信号的调制方式称为键控:信号数字信号的调制方式称为键控:ASK、FSK、PSK。l宽带传输:基带网不适于传输语音、图像等信息。宽宽带传输:基带网不适于传输语音、图像等信息。宽待传输系统在数据通信领域则指数据传输速率超过待传输系统在数据通信领域则指数据传输速率超过1Mbps的传输系统,宽带传输系统传输的是模拟信号,的传输系统,宽带传输系统传输的是模拟信号,需采用适当的调制解调技术,采用频分多路复用技术需采用适当的调制解调技术,采用频分多路复用技术(信道容量大大增加),支持多路信号传输(使系统(信道容量大大增加)
19、,支持多路信号传输(使系统具有多种用途)。具有多种用途)。4/11/40 page
21l即若将多路基带信号、音频信号和视频信号的频谱分即若将多路基带信号、音频信号和视频信号的频谱分别移到一条电缆的不同频段传输,这种传输方式称为别移到一条电缆的不同频段传输,这种传输方式称为宽带传输宽带传输。宽带传输所传输的信号都是经过调制后的。宽带传输所传输的信号都是经过调制后的模拟信号。因此可用宽带传输系统实现文字、声音和模拟信号。因此可用宽带传输系统实现文字、声音和图像的一体化传输。在宽带系统中,要用放大器增加图像的一体化传输。在宽带系统中,要用放大器增加传输距离。传输距离。l宽带传输与基带传输相比的优点
20、:宽带传输与基带传输相比的优点:l能在一个信道中传输声音、图像和数据信息,使系统具有多种用能在一个信道中传输声音、图像和数据信息,使系统具有多种用途。途。l一条宽带信道能划分为多条逻辑基带信道,能实现多路复用,因一条宽带信道能划分为多条逻辑基带信道,能实现多路复用,因此信道的容量大大增加。此信道的容量大大增加。l宽带传输的距离比基带远,因为基带直接传输数字信号,传输的宽带传输的距离比基带远,因为基带直接传输数字信号,传输的速率越高,传输的距离越远。速率越高,传输的距离越远。4/11/40
page 226.数据数据同步方式同步方式 目的是使目的是使接收端与发送端在时间基准上接收端与发送端在时间
21、基准上一致一致 (包括开始时间、包括开始时间、位边界、位边界、重复频率重复频率等等)。 有三种同步方法:有三种同步方法: 位同步位同步 字符同步(异步传输)字符同步(异步传输) 帧同步(同步传输)帧同步(同步传输)4/11/40 page 23位同步:位同步:目的是使接收端接收的目的是使接收端接收的每一每一位信息位信息都都与与发送端发送端保持同步保持同步
外同步外同步发送发送端端发送发送同步时钟信号,接收方用它同步时钟信号,接收方用它来锁定自己的时钟脉冲频率。来锁定自己的时钟脉冲频率。 自自同步同步通过特殊编码通过特殊编码(如曼彻斯特编码),这(如曼彻斯特编码),这些数据编码信号包含了同步脉冲
22、,接收方提取些数据编码信号包含了同步脉冲,接收方提取同步信号来锁定自己的时钟脉冲频率。同步信号来锁定自己的时钟脉冲频率。 4/11/40 page 24字符同步:以字符为边界实现字符的同步接收字符同步:以字符为边界实现字符的同步接收,也称为,也称为起止式起止式或或异异步制步制每两个字符之间的间隔时间每两个字符之间的间隔时间不固定。不固定。 每个字符的传输需要:每个字符的传输需要:
l l1个起始位个起始位 l l5,6,7,8个数据位个数据位 l l1,1.5,2个停止位个停止位 频率的漂移不会积累,每个字符频率的漂移不会积累,每个字符开始时开始时都会重都会重新同步新同步 增加了增加了辅助位,
23、所以效率低辅助位,所以效率低 例如,1个起始位、 8个数据位、 2个停止位时,其效率为8/ page
25l异步传输:异步传输:将比特分成小组进行传输,小组可以是将比特分成小组进行传输,小组可以是8比比特位的特位的1个字符或更长。发送方可以在任何时刻发送这个字符或更长。发送方可以在任何时刻发送这些比特组,而接受方不知道他们何时到达。些比特组,而接受方不知道他们何时到达。例如:例如:计计算机键盘与主机的通信。算机键盘与主机的通信。l实现容易;但却产生了较多开销。如:键盘上数字实现容易;但却产生了较多开销。如:键盘上数字“1”按照按照8比特位的扩展比特位的扩展ASCII编码将
24、发送编码将发送“”,加上,加上1个起始位和个起始位和1个停止位,总的传个停止位,总的传输负载就增加了输负载就增加了25%。对于数据传输量很大的高速设。对于数据传输量很大的高速设备来说,备来说, 25%负荷增值就相当严重。负荷增值就相当严重。4/11/40 page 264/11/40 page
27帧(帧(Frame)包含数据和控制信息的数据块(包)包含数据和控制信息的数据块(包)帧帧起始起始控制信息控制信息数据数据帧帧结束结束校验和校验和0 - n8bit8bit8-32m面向比特的面向比特的以特殊位序列(以特殊位序列(7EH)作为帧(起始)标志作为帧(起始)标志来标识一个帧
25、的开始,适用于任意数据类型的来标识一个帧的开始,适用于任意数据类型的帧。帧。面向字符的面向字符的以以同步字符同步字符(SYN,16H)来标识一个帧的来标识一个帧的开始,适用于数据为字符类型的帧。开始,适用于数据为字符类型的帧。帧同步:帧同步:识别一个帧的起始和结束。识别一个帧的起始和结束。4/11/40 page
28l同步传输:同步传输:所有设备都使用一个共同的时钟(可由参所有设备都使用一个共同的时钟(可由参与通信的设备中的一台产生,也可由外部时钟信号源与通信的设备中的一台产生,也可由外部时钟信号源提供;可以固定频率,也可不规则切换),所有传输提供;可以固定频率,也可不规则切换),所有传输的
26、数据位都和这个时钟信号同步,即传输的每个数据的数据位都和这个时钟信号同步,即传输的每个数据位只在时钟信号跳变(上升或下降)之后的一个规定位只在时钟信号跳变(上升或下降)之后的一个规定时间内有效。接受方利用时钟跳变来决定什么时候读时间内有效。接受方利用时钟跳变来决定什么时候读取一个输入的数据位。取一个输入的数据位。l可用于一个单块电路板元件之间的数据传输,或用于可用于一个单块电路板元件之间的数据传输,或用于连接在连接在3040cm甚至更短距离的数据通信。甚至更短距离的数据通信。l代价较高,需要一条额外的线来传输时钟信号,易受代价较高,需要一条额外的线来传输时钟信号,易受到噪声干扰。到噪声干扰。4
Hz)Nyquist公式为估算已知带宽信道的最高速率提供了依据。公式为估算已知带宽信道的最高速率提供了依据。4/11/40 page 30非理想信道非理想信道实际的信道上存在三类损耗:实际的信道上存在三类损耗:衰减、延迟、噪声衰减、延迟、噪声。a)衰减衰减 信
28、道的损耗引起信号强度减弱,导致信道的损耗引起信号强度减弱,导致信噪比信噪比S/N降低降低。b)延迟延迟 信号中的各种频率成分在信道上的延迟时间各不相同,信号中的各种频率成分在信道上的延迟时间各不相同,在接收端会产生在接收端会产生信号畸变信号畸变。c)噪声噪声 热噪声热噪声:由导体内的热扰动引起,又称为白噪声。由导体内的热扰动引起,又称为白噪声。
串扰串扰:信道间产生的不必要的耦合。例:多对双绞线信道间产生的不必要的耦合。例:多对双绞线 脉冲噪声脉冲噪声:非连续、随机、振幅较大。多由外部电磁干非连续、随机、振幅较大。多由外部电磁干扰造成(闪电、大功率电机启动等)。扰造成(闪电、大功率电机启动等)
30、加。增加而增加。 C = W log2(1+S/N) 无论采样频率多高,信号编码分多少级,无论采样频率多高,信号编码分多少级,此公式给出了信道能达到的最高传输速率。此公式给出了信道能达到的最高传输速率。原因:噪声的存在将使编码级数不可能无限原因:噪声的存在将使编码级数不可能无限 增加。增加。4/11/40 page
33l磁介质磁介质高带宽、低费用、高延时(小时)高带宽、低费用、高延时(小时) 例:例:7GB/8mm,1000盘盘/50*50*50cm,24h可送到任何地方。可送到任何地方。 总容量总容量=7*1000*8Gbits,总时间总时间=24*60*60=86400s 传送速率传送速
31、率=56000Gb/8Mb/s l金属导体金属导体双绞线、双绞线、 同轴电缆同轴电缆(粗、细粗、细)l光纤光纤l无线介质无线介质无线电、短波、微波、卫星、光波无线电、短波、微波、卫星、光波4/11/40 page 34内导体芯线内导体芯线绝缘绝缘箔屏蔽箔屏蔽铜屏蔽铜屏蔽外套外套-螺旋绞合的双导线螺旋绞合的双导线,
1mm-每根每根4对、对、25对、对、1800对对-典型连接距离典型连接距离100m(LAN)-RJ45插座、插头插座、插头-优缺点:优缺点: 成本低成本低 密度高、节省空间密度高、节省空间 安装容易(综合布线系统)安装容易(综合布线系统) 平衡传输(高速率)平衡传
32、输(高速率) 抗干扰性一般抗干扰性一般 连接距离较短连接距离较短4/11/40 page 35l以铝箔屏蔽以减少 干扰和串音3类、5类、6类(16M、155M、1200M)双绞线外没有任何附加屏蔽4/11/40 page 36l基带同轴电缆基带同轴电缆 一条电缆只用于一个信道,50,用于数字传输l宽带同轴电缆宽带同轴电缆 一条电缆同时传输不同频率的多路模拟信号,75
,用于模拟传输,300450MHz,100km,需要放大器铜芯铜芯绝缘层绝缘层外导体外导体屏蔽层屏蔽层保护套保护套4/11/40 page 37 细同轴细同轴 -50 ,D=1.02cm,10Mbps -185m、4中继、中继、5
33、段(段(925m) -优缺点:价格低 安装方便(T型连接器、BNC接头、Terminator) 抗干扰能力强 距离短 可靠性差 粗粗同轴同轴 -50 ,D=2.54cm,10Mbps -500m、4中继、中继、5段(段(2500m) -优缺点:价格稍高 安装方便(收发器、收发器电缆、Terminator) 抗干扰能力强 距离中等 可靠性好 4/11/40 page
38l依靠光波承载信息依靠光波承载信息l速率高,通信容量大速率高,通信容量大 仅受光电转换器件的限制(仅受光电转换器件的限制(100Gb/s)l传输损耗小,适合长距离传输传输损耗小,适合长距离传输l抗干扰性能极好,保密性好抗干扰性能
34、极好,保密性好l轻便轻便4/11/40 page 39光纤传输光纤传输原理原理利用了光的反射利用了光的反射 l l光从一种介质入射到另一种介质时会产生折射。光从一种介质入射到另一种介质时会产生折射。折射量取决于两种介质的折射率。折射量取决于两种介质的折射率。当当入射角入射角临界值临界值时时产生全反射,不会泄漏。产生全反射,不会泄漏。 l
l光纤:纤芯光纤:纤芯-折射率高、玻璃包层折射率高、玻璃包层-折射率低折射率低 l l亮度调制,有脉冲亮度调制,有脉冲-1,无脉冲,无脉冲-0 l l光传输系统:光源、介质、光检测器光传输系统:光源、介质、光检测器光源光源: 850nm/1300nm/1500
35、nm 发光二极管发光二极管 / 激光二极管激光二极管介质介质: 光纤光纤光检测器光检测器: 光电二极管光电二极管PIN/雪崩二极管雪崩二极管APD l l单向传输,双向需两根光纤单向传输,双向需两根光纤4/11/40 page 40光纤的直径减小到一个光波波长多束光线以不同的反射角传播多束光线以不同的反射角传播单束光线沿直线传播单束光线沿直线传播4/11/40 page
41玻璃封套玻璃封套塑料外套塑料外套玻璃内芯玻璃内芯玻璃内芯玻璃内芯塑料外套塑料外套玻璃封套玻璃封套外壳外壳常见规格:玻璃内芯常见规格:玻璃内芯50um缓变型缓变型MMF 62.5um缓变缓变/增强型增强型MMF 8.3um突
36、变型突变型SMF 玻璃包层玻璃包层125um4/11/40 page 42芯芯封套封套外套加强芯光纤光纤外鞘外鞘加强芯加强芯光纤束光纤束4/11/40 page 43l使用电磁波或光波携带信息使用电磁波或光波携带信息l无需物理连接无需物理连接l适用于长距离或不便布线的场合适用于长距离或不便布线的场合l易受干扰易受干扰4/11/40 page
44l固定终端点(基站)和终端之间是无线链路BS基站基站 用户计算机和终端用户计算机和终端BSF1, F2, F3 = 使用的频率4/11/40 page 454/11/40 page 46l两个地面站之间传送两个地面站之间传送l距离:距离:50 -100
47地面微波接力:地面微波接力:一种在对流层视距范围内,利用一种在对流层视距范围内,利用微波波段的电磁波进行信息传输的通信方式。以微波波段的电磁波进行信息传输的通信方式。以这种方式进行长途通信时,需要在终端之间建立这种方式进行长途通信时,需要在终端之间建立中继站。中继站。中继站:中继站:进行变频、放大和功率补偿,数量的多进行变频、放大和功率补偿,数量的多少则与传输距离和地形地貌有关。少则与传输距离和地形地貌有关。微波通信特点:微波通信特点:一次只能朝一个方向传播信号,一次只能朝一个方向传播信号,要实现双向通信(电话),需采用两个频率分别要实现双向通信(电话),需
38、采用两个频率分别用于不同方向的信息传播。每种频率信号要有各用于不同方向的信息传播。每种频率信号要有各自的接受装置和发送装置。自的接受装置和发送装置。4/11/40 page 48l与地面站相对固定位置l使用3个卫星覆盖全球l传输延迟时间长4/11/40 page
49卫星:卫星:实际相当于一个中继站,两个或多个地球实际相当于一个中继站,两个或多个地球站通过它实现相互间的通信。一个通信卫星可以站通过它实现相互间的通信。一个通信卫星可以在多个频段上工作。从一个频段接受信号,信号在多个频段上工作。从一个频段接受信号,信号经放大和再生后再从另一个频段发送出去。经放大和再生后再从另一个频段发送出去。同步
39、卫星:同步卫星:为了保证在通信卫星的协助下,地球为了保证在通信卫星的协助下,地球站之间能够进行持续通信,卫星应与地球站保持站之间能够进行持续通信,卫星应与地球站保持相对静止,为此卫星的飞行周期应与地球的自转相对静止,为此卫星的飞行周期应与地球的自转周期一致。周期一致。4/11/40 page 50 传传输输媒媒体体 速速率率 传传输输距距离离 性性能能(抗抗干干扰扰性性) 价价格格
应应用用 双双绞绞线线 10-1000Mb/s 几几十十kM 可可以以 低低 模模拟拟/数数字字传传输输 50 同同轴轴电电缆缆 10Mb/s 3kM 内内 较较好好 略略 高高 于于双双绞绞线线 基基带带数数字字
40、信信号号 75 同同轴轴电电缆缆 300-450MHz 100kM 较较好好 较较高高 模模拟拟传传输输电电视视、数数据据及及音音频频 光光纤纤 几几十十Gbps 30kM up 很很好好 较较高高 远远距距离离传传输输 短短波波 50MHz 全全球球 较较差差 较较低低 远远程程低低速速通通信信 地地面面微微波波接接力力 4-6GHz 几几百百kM 好好 中中等等
远远程程通通信信 卫卫星星 500MHz 18000kM 很很好好 与与 距距 离离无无关关 远远程程通通信信 常用传输媒体的比较常用传输媒体的比较4/11/40 page 51数据:模拟数据、数字数据数据:模拟数据、数字数据信号
41、:模拟信号、数字信号信号:模拟信号、数字信号 信道:模拟信道、数字信道信道:模拟信道、数字信道不同类型的信号在不同类型的信道上传输有不同类型的信号在不同类型的信道上传输有4种组合,种组合,每一种相应地需要进行不同的编码处理。每一种相应地需要进行不同的编码处理。4/11/40 page
52话音话音模拟传输模拟传输模拟模拟数字数字模拟模拟模拟模拟CODEC数字数字数字数字数字编码数字编码数字数字模拟数据,模拟信号模拟数据,模拟信号数字数据,模拟信号数字数据,模拟信号数字数据,数字信号数字数据,数字信号模拟数据,数字信号模拟数据,数字信号Modem4/11/40 page 53En
42、coderDecoderModulatorDemodulator用数字信号承载数字或模拟数据用数字信号承载数字或模拟数据编码编码用模拟信号承载数字或模拟数据用模拟信号承载数字或模拟数据调制调制4/11/40 page 541. 数字数据的数字信号编码数字数据的数字信号编码 l l不不归零制归零制(NRZ,Non-Return to Zero)
二进制数字二进制数字0、1分别用两种电平来表示。传输分别用两种电平来表示。传输0时时用高电平;传输用高电平;传输1,反之。,反之。 NRZ指在一个比特位的传指在一个比特位的传输时间内电压是保持不变的(如不回到零点)输时间内电压是保持不变的(如不回到零点)
43、 常常用常常用5V表示表示1,5V表示表示0。 缺点:存在直流分量,传输中不能使用变压器;缺点:存在直流分量,传输中不能使用变压器; 不具备自同步机制,必须使用外同步。不具备自同步机制,必须使用外同步。如如CAN总线。总线。4/11/40 page 55l曼彻斯特编码曼彻斯特编码(Manchester code)
用电压的变化表示用电压的变化表示0和和1。规定在规定在每个码元的中间每个码元的中间发生跳变:发生跳变:高高 低的跳变低的跳变0,低,低高的跳变高的跳变1如:如:Profibus,FF,Worldfip4/11/40 page 56每个码元中间都要发生跳变,接收端可将此变每个码元中间都
44、要发生跳变,接收端可将此变化提取出来作为同步信号,使接收端的时钟与发化提取出来作为同步信号,使接收端的时钟与发送设备的时钟保持一致。送设备的时钟保持一致。 曼彻斯特编码也称为曼彻斯特编码也称为自同步码(自同步码(Self-Synchronizing Code)。)。它它具有自同步机制,无需外同步信号。具有自同步机制,无需外同步信号。
缺点:需要双倍的传输带宽(即信号速率是数缺点:需要双倍的传输带宽(即信号速率是数据速率的据速率的2倍)。倍)。4/11/40 page 57l l差分曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码(Differancial Manchester code) 与与曼彻斯特编码相同,曼
45、彻斯特编码相同,在每个码元的中间,信在每个码元的中间,信号都会发生跳变;不同之处在于:号都会发生跳变;不同之处在于: 用在码元开始处有无跳变来表示用在码元开始处有无跳变来表示0和和1 : 码元开始处有跳变码元开始处有跳变0 码元开始处无跳变码元开始处无跳变14/11/40 page 58三种数字编码的波形图三种数字编码的波形图4/11/40 page 592.
数字数据的调制编码数字数据的调制编码 载波载波 S(t) = Acos( t+ ) S(t)的参量包括的参量包括: 幅度幅度A、频率频率 、相位相位 调制就是调制就是要使这三个参量随要使这三个参量随数字数字基带信号的变化而变化基带信号的
46、变化而变化4/11/40 page 60PSK:用载波的两个不同振幅表示用载波的两个不同振幅表示0(0v)和和1(+5v)FSK:用载波的两个不同频率表示用载波的两个不同频率表示0(1.2KHz)和和1(2.4KHz)PSK:用载波的起始相位的变化表示用载波的起始相位的变化表示0 (同相同相)和和1(反相反相)4/11/40 page 61l数据率数据率 = 信号速率信号速率 x
47、来源于最大的噪声来源于模数转换模数转换的量化噪声,信道容量极限值约的量化噪声,信道容量极限值约 35kbpsD/AA/DD/A V.90(56kbps)交换机交换机1交换机交换机2ISP
V.34(28.8-33.6kbps)模拟模拟模拟模拟数字数字数字数字数字数字数字数字模拟模拟上行仍需上行仍需模数模数(A/D)转换转换,速率最高为,速率最高为35kbps;下行则可达下行则可达56Kbps4/11/40 page 643. 模拟数据的数字信号编码模拟数据的数字信号编码奈奎斯特定理(采样定理):奈奎斯特定理(采样定理):
如果连续变化的模拟信号最高频率为如果连续变化的模拟信号最高频率为F,若以
48、若以2F的采样频率对其采样,则采样得到的离散信的采样频率对其采样,则采样得到的离散信号序列就能完整地恢复出原始信号。号序列就能完整地恢复出原始信号。语音信号要在数字线路上传输,必须将语音信号转换语音信号要在数字线路上传输,必须将语音信号转换成数字信号。这需要经过三个步骤:成数字信号。这需要经过三个步骤: 1)采样)采样按一定间隔对语音信号进行采样按一定间隔对语音信号进行采样
2)量化)量化对每个样本舍入到量化级别上对每个样本舍入到量化级别上 3)编码)编码对每个舍入后的样本进行编码对每个舍入后的样本进行编码4/11/40 page 65采样电路采样电路量化和编码量化和编码-话音信道带宽话音信道
49、带宽 2倍倍话音话音最大频率最大频率)-量化级数:量化级数:256级级 (8位二进制码表示位二进制码表示)-数据率:数据率:8000次次/s*8bit = 64Kb/s 每路每路PCM信号信号的速率的速率 = 64000bps编码后的信号称为编码后的信号称为PCM(Pulse Coded Modulation)信号(脉码调制信号(脉码调制信号)信号)4/11/40 page
50、Telephone Network) -端到端的数据传输率:端到端的数据传输率:104 b/s -干线的数据传输率:干线的数据传输率:1010 b/s -总体总体误码率:误码率:10-5 -通信通信干线采用光纤干线采用光纤或或微波微波数字传输系统数字传输系统。
优点:出错率低、优点:出错率低、可传输可传输语音语音/数据数据/图像图像、速率高、成本低、维护容易、速率高、成本低、维护容易4/11/40 page 69构成构成:本地回路、交换局、干线:本地回路、交换局、干线端局端局端局端局长途局长途局中心局中心局长途局长途局本地回路本地回路准长途干线准长途干线高带宽长途高带宽长途干线干线准长途干线准
51、长途干线本地回路本地回路光纤、微波、同轴光纤、微波、同轴双绞线双绞线双绞线双绞线4/11/40 page
70本地回路本地回路编码解码器编码解码器Codec编码解码器编码解码器Codec用户设备用户设备用户设备用户设备ModemModem端局端局端局端局长途局长途局数字干线数字干线模拟线路模拟线路(本地回路)(本地回路)模拟线路模拟线路(本地回路)(本地回路)绝大多数绝大多数为为模拟模拟线路线路计算机间传输:以计算机间传输:以模拟模拟为主,为主,所以信号要经所以信号要经过多次变换:过多次变换:数字数字模拟模拟数字数字模拟模拟数字数字4/11/40
CH3带宽复用带宽复用f原理:整个传输频带被划分为若干个频率通道,每个用原理:整个传输频带被划分为若干个频率通道,每个用户占用一个频率通道。频率通道之间留有防护频带。户占用一个频率通道。频率通道之间留有防护频带。适用于模拟信号传输适用于模拟信号传输 4/11/40 page 74F2F1F3 光谱光谱F1F
53、2F3共享光纤的光谱共享光纤的光谱光纤光纤2光纤光纤3光纤光纤1共享光纤共享光纤 采用无源设备,更可靠采用无源设备,更可靠棱柱棱柱/衍射光栅衍射光栅原理:整个波长频带被划分为若干个波长范围,每个用原理:整个波长频带被划分为若干个波长范围,每个用户占用一个波长范围来进行传输。户占用一个波长范围来进行传输。4/11/40 page
75原理:把时间分割成小的时间片,每个时间片分为若干个原理:把时间分割成小的时间片,每个时间片分为若干个通道(时隙)通道(时隙) ,每个用户占用一个通道传输数据。,每个用户占用一个通道传输数据。 A2A1A3原始信号D2D1D3数字化信号MUX复用后数据复用后数据时隙时
TDM带宽浪费A1B1C2B2周期周期1周期周期2统计统计TDM可用带宽TDM的缺点:某用户无数据发送,其他用户也不能占用该通道,将会的缺点:某用户无数据发送,其他用户也不能占用该通道,将会造成带宽浪费。造成带宽浪费。改进:统计时分多路复用(改进:统计时分多路复用(STDM),),用户不固定占用某个通道,有空用户不固定占用某个通道,有空槽就将数据放入。槽就将数据放入。4/11/40
55、77l北美、日本l欧洲、中国、南美用数字信号传输语音和数据的用数字信号传输语音和数据的时分复用标准时分复用标准。4/11/40 page 78 每每125us为一个时间片,每时间片分为为一个时间片,每时间片分为32个通道(个通道(供供32个用户轮流使用)。个用户轮流使用)。 每通道占用每通道占用125 us /32=3.90625 us
每通道一次传送每通道一次传送8位二进制数据,即每个二进制位位二进制数据,即每个二进制位占用占用0. us,所以所以 E1速率速率 = 1/0..048Mb/s E1标准标准4/11/40 page 帧同步帧
56、同步信令信道信令信道30 路话音数据信道路话音数据信道 + 2 路控制信道路控制信道4/11/40 page 802.6
交换交换技术技术为降低通信线路造价,大型网络主要采用部分连为降低通信线路造价,大型网络主要采用部分连接的拓扑结构。接的拓扑结构。两个端节点之间的通信连接一般都要通过中间节两个端节点之间的通信连接一般都要通过中间节点的转接,中间节点要在它所连接几条线路中选点的转接,中间节点要在它所连接几条线路中选择一条进行接续。择一条进行接续。就像电话交换机为通话双方接续线路一样,这个就像电话交换机为通话双方接续线路一样,这个过程被称为过程被称为交换交换。
实现交换的方法主要有:实现交换的方
57、法主要有:电路交换、报文交换、电路交换、报文交换、分组交换分组交换。 4/11/40 page
81电路交换电路交换交换设备在通信双方找出一条实际的物理线路交换设备在通信双方找出一条实际的物理线路的的过程过程。(最早的电路交换连接是由最早的电路交换连接是由电话接线员电话接线员通过插塞建立的通过插塞建立的,现在现在则则由计算机化的由计算机化的程控程控交换机实现交换机实现。)特点:数据传输前需要建立一条端到端的通路。特点:数据传输前需要建立一条端到端的通路。
呼叫呼叫建立连接建立连接传输传输挂断挂断 优缺点:优缺点: 建立连接的时间长;建立连接的时间长; 一旦建立连接就独占线路,线路利用率低;一旦
58、建立连接就独占线路,线路利用率低; 无纠错机制;无纠错机制; 建立连接后,传输延迟小。建立连接后,传输延迟小。4/11/40 page 82
报文交换报文交换整个报文作为一个整体一起发送。整个报文作为一个整体一起发送。在交换过程中,在交换过程中,交换设备将接收交换设备将接收到的到的报文先报文先存储,存储,待信道空闲时待信道空闲时再转发出去再转发出去,一级一级中一级一级中转转,直到目的地,直到目的地。这种。这种数据传输数据传输技术称为技术称为存储存储-转发转发。缺点:缺点:1)报文大小不一,造成缓冲区管理复杂报文大小不一,造成缓冲区管理复杂。2)大报文造成存储转发的延时过长;大报文造成存储转发的
59、延时过长;3)出错后整个报文全部重发。出错后整个报文全部重发。4/11/40 page
83分组交换分组交换(包交换)(包交换)将报文划分将报文划分为若干个大小相等为若干个大小相等的分组的分组(Packet)进行存进行存储转发。储转发。优点:优点:1)存储量要求较小,)存储量要求较小,可以用内存来缓冲分组可以用内存来缓冲分组速度速度快;快;2)转发延时小)转发延时小适用于交互式通信适用于交互式通信;3)某个分组出错仅重发该分组某个分组出错仅重发该分组效率效率高;高;4)各分组可通过不同路径传输,可靠性高。各分组可通过不同路径传输,可靠性高。特点:特点:1)数据传输前不需要建立一条端到端的通路。
60、数据传输前不需要建立一条端到端的通路。2)有强大的纠错机制、流量控制和路由选择功能。有强大的纠错机制、流量控制和路由选择功能。如:如:X.25,FR 4/11/40 page
84三种交换方式的事件顺序三种交换方式的事件顺序呼叫请求呼叫应答数数据据ABCD分组分组1分组分组2分组分组3报文报文ABCDABCD寻路延迟排队延迟线路交换线路交换报文交换报文交换分组交换分组交换4/11/40 page
85异步传输模式异步传输模式ATMATM是一种高速分组交换技术,采用了以信元是一种高速分组交换技术,采用了以信元(cell)为单位的存储转发方式,故又称为信元为单位的存储转发方式,故又称为信元交换。交