1、1,第二部分,数据通信,宋娟 软件学院,2,第二部分数据通信,数据传输问题 数据传输的基本概念 传输媒体 信号编码技术 数据通信技术 数据可靠性问题 数据链路控制协议 效率 复用 扩频,3,第三章 数据传输,通信系统的分类 信号的相关概念 数据和信号 信息及其度量 传输损伤 性能指标 信道容量,4,通信系统的分类,按传输媒介分类有线通信VS无线通信 按信号特征分类模拟通信系统VS数字通信系统 按调制方式分类基带传输VS频带传输 按通信方式分类单工VS半双工VS双工 按链路共享方式分类点对点VS多点通信,5,信号的相关概念,信号携带一定信息的电磁信号，可以表示为时间的函数，也可以表示为频率的函数
2、。 时域模拟信号：时间和幅值上连续数字信号：幅度取有限个常量值,6,信号时域,周期信号：经过一段时间，不断重复非周期信号：时间上无法重现,7,最基本的信号正弦波,峰值振幅 Peak Amplitude (A) 一段时间内信号值的最大值 单位伏volts 频率Frequency (f) 信号循环的速度 用Hertz (Hz) 表示 信号周期：信号重复一周所花的时间 T = 1/f 相位Phase () 信号在不同时间点的相对位置,8,8 http:/,正弦波,9,波长,信号循环一个周期所占的空间长度 信号的两个连续周期上相位相同两点间的距离 波长 假设信号运动速度为 = T f = c 3*10
3、8 ms-1 (自由空间的光速),10,数据率,每秒钟产生或传递的信息量，单位为比特/秒（bps） 对于一个周期为T的方波信号，那么传输一个0或1的脉冲需要的时间为0.5T，对应的数据率R就为,11,信号-频域,电磁信号具有一定的频率 在数据传输中，用频域的观点解释比在用时域观点重要得多 在频域中，我们可以分析信号的频率，频谱和带宽等特性，这些特点和数据传输的效率关系非常密切。 通常采用傅立叶分析将信号从时域变换到频域,12,傅立叶变换,周期信号傅里叶级数展开任何一个周期信号可以展开为傅立叶级数之和其中 称为基频， 的倍数称为谐波。所以一个周期为T信号可以看作是由基频 和它的整数倍谐波的正弦函
4、数展开。如果 不为0，该信号还包含直流分量。,13,以矩形周期脉冲为例,14,周期信号的频谱,为了直观的表示信号所含分量的振幅，以频率为横坐标，以各 谐波的振幅为纵坐标，可以画出信号的频谱图,15,周期信号的频谱,周期信号频谱有以下几个特点：1. 离散性：这种频谱由不连续的线条组成，每一条线代表一个正弦分量，这样的频谱称为不连续频谱或离散频谱。2.谐波性：这种频谱的每条谱线，都只能出现在基波频率的整数倍的频率上，频谱中不可能存在任何具有频率为基波频率非整数倍的分量。3. 收敛性：各条谱线的高度，即各次谐波的振幅，总的趋势是随着谐波次数的增高而逐渐减小的；当谐波次数无限增高时，谐波分量的振幅就无
5、限趋小。,16,傅里叶变换,非周期信号,傅里叶正变换,傅里叶反变换,17,非周期信号的频谱,(a) F(f)是一个密度函数的概念;(b) F(f)是一个连续谱;(c) F(f)包含了从零到无限高频的所有频率分量;(d) 各频率分量的频率不成谐波关系.,18,常用性质,卷积定理,19,带宽,绝对带宽：信号所占据的频谱宽度 有效带宽：信号大部分能量都集中在相当窄的频带范围内，通常用半功率带宽作为有效带宽，即功率谱下降至其功率峰值的一半时，或低于其峰值3dB是频率的宽度。 数据带宽vs传输带宽,20,数据率和传输带宽的关系,例：方波脉冲近似为情况1：传输带宽Bc=4MHz，要传输这个信号，信号带宽B
6、s=5f-f=4f， ，f=1MHz，得出数据率Rb=2Mbps； 情况2：传输带宽Bc=8MHz，可以推出Rb=4Mbps； 结论：系统的传输带宽越宽，数据的传输速率就越高,21,数据率和传输带宽的关系,情况3：传输带宽Bc=4MHz，仍然要达到数据率Rb=4Mbps，也就是基频f=2MHz，那么只能传输2个频率分量，数据的质量受损。结论：在给定的带宽下，要加大数据传输率，数据的质量就会受损！也就是说给定的带宽可以根据接收器的接收能力支持不同的数据率。,22,数据率和传输带宽的关系,信号在媒体上传输，该媒体自身的特性将限制该信号的带宽； 媒体传输带宽越宽，传输的数据率越高； 传输带宽越宽，该
7、媒体的花费越高； 鉴于经济和实现上的原因，信号不得不被限制于有限带宽的信号； 带宽的限制引起了信号的失真，带宽越受限制，接收器产生差错的机会也越多。,23,模拟和数字数据传输,数据Data 传达某种意义或信息的实体 信号Signals 数据的电气或电磁表示方式 传输Transmission 用传播并处理信号的方式进行的数据通信的过程,24,模拟数据和数字数据,模拟数据自然界产生的数据都是模拟信号 一段时间内具有连续的值 e.g. 声音, 视频 话音频谱范围在 100Hz 到 7kHz之间 电话系统的话音信号频谱范围在 300Hz 到 3400Hz间 视频的带宽是 4MHz左右 传感器采集到的数
8、据温度，压力,25,模拟数据和数字数据,26,模拟数据和数字数据,数字数据 取值是离散的，通常采用有限个常量表示 自然界本没有数字数据，人们为了便于处理，将模拟数据转换为数字数据 e.g. 音乐, 数字视频 人为产生的数据 e.g.文本信息、计算机数据,27,信号,数据传播的载体 具有一定强度的包含一定信息的电磁波信号 模拟信号：幅值连续变换的电磁波信号，可以在各种媒体上进行传播 数字信号：电压脉冲序列，用恒量电压来表示数字数据，可以在导向媒体中传播,28,数据的信号表现形式,模拟数据用模拟信号表示 模拟数据用数字信号表示 数字数据用数字信号表示 数字数据用模拟信号表示,29,数据的模拟信令方
9、式,30,数据的数字信令方式,+5v,-5v,数字信号,模拟数据 - 数字信号,数字数据 - 数字信号,31,模拟传输,传输信号不考虑信号的内容 信号可能是模拟数据或数字数据 传输一段距离后，信号会衰减 使用放大器增强信号能量 同时也增强了噪声 抗干扰能力差！,32,数字传输,考虑信号的内容 数据的完整性受到衰减、噪声或其他损伤的威胁 使用转发器 转发器接收信号恢复为1，0模式 重新传输新信号 克服了衰减 噪声也不累积,33,数字传输的优势,抗干扰能力强在中继时可以对数字信号进行再生，消除噪声的累积； 传输差错可控制可以采用各种检错纠错技术，提高系统的抗误码能力和传输质量； 各种现代数字信号处
10、理技术对数字信号处理起来更加方便； 加密数字信息可以很方便的对其进行加密处理； 数字技术的发展VLSI、FPGA技术的发展，使得数字电路设备的体积和价格不断降低； 数字通信可以综合传递各种消息，通信系统功能加强,34,信息及其度量,信号是信息的载体，信息是消息中包含的有效内容。但并不是所有的信号都有信息，信息和什么有关？怎么来衡量信息的大小？ 信息论香农,35,香农（Shannon）信息论之父,美国著名的数学家，信息论及数字通信时代的奠基人 （19162001） 香农在1948发表了具有深远影响的论文通讯的数学原理。1949年，香农又发表了另一著名论文噪声下的通信。 在这两篇论文中，香农阐明了
11、通信的基本问题，给出了通信系统的模型，提出了信息量的数学表达式，并解决了信道容量、信源统计特性、信源编码、信道编码等一系列基本技术问题。两篇论文成为了信息论的奠基性著作。,36,信息量,信息量的度量准则 能度量任何消息，并与消息的种类无关。 度量方法应该与消息的重要程度无关。 消息中所含信息量和消息内容的不确定性有关 度量信息量的方法 事件的不确定程度可以用其出现的概率来描述：消息出现的概率越小，则消息中包含的信息量就越大。,37,信息量,设：P(x) 消息发生的概率，I 消息中所含的信息量 则 P(x) 和 I 之间应该有如下关系： I 是 P(x) 的函数： I I P(x) P(x) ，
12、I ； P(x) ，I ； P(x) = 1时，I 0； P(x) = 0时，I ；通过上述关系，可以得到信息量的表达式,38,信息量,对于等概率信源 【例】 设一个二进制离散信源，以相等的概率发送数字“0”或“1”，则信源每个输出的信息含量为,39,若有M个等概率波形（P = 1/M），且每一个波形的出现是独立的，则传送M进制波形之一的信息量为若M是2的整幂次，即 M = 2k，则有当M = 4时，即4进制波形，I = 2比特， 当M = 8时，即8进制波形，I = 3比特。,40,对于非等概率情况 设：一个离散信源是由M个符号组成的集合，其中每个符号xi (i = 1, 2, 3, , M
13、)按一定的概率P(xi)独立出现，即 且有 则x1 , x2, x3, xM 所包含的信息量分别为,41,熵,信源符号具有的平均信息量由于H(x)同热力学中的熵形式相似，故称它为信息源的熵 当信源符号等概时，即 ，熵最大，最大熵值等于,42,【例1】 一离散信源由“0”，“1”，“2”，“3”四个符号组成，它们出现的概率分别为3/8，1/4，1/4，1/8，且每个符号的出现都是独立的。试求某消息2010201302130 01203210100321010023102 002010312032100120210的信息量。 【解】此消息中，“0”出现23次，“1”出现14次，“2”出现13次，“
14、3”出现7次，共有57个符号，故该消息的信息量每个符号的算术平均信息量为,43,若用熵的概念来计算：则该消息的信息量,44,传输损伤,由于各种传输损伤的存在，接收到的信号与传输信号有差异 模拟信号，损伤会降低信号质量 对数字信号则导致比特差错,45,重要的损伤：,衰减和衰减失真Attenuation and attenuation distortion 时延失真Delay distortion 噪声Noise,46,衰减,信号强度距离增长而减弱 衰减与传输媒体有关对于导向媒体，通常呈指数变化，常常可以表示为单位距离的常数分贝值；对于非导向媒体，衰减是距离的复杂函数，与大气成分有关。,47,传输
15、过程需要注意到三点: 接收到的信号必须有足够的强度 信号电平必须保持高于噪声电平以接收无差错的数据 频率越高衰减越严重,48,放大,发送器的信号要足够强，使接收器能识别信号，但也不能过强，使得发送器或接收器的电路过载，导致生成的信号失真； 当一定距离之外，失真程度超出可承受范围，需要定距离使用放大器或转发器增强信号,49,50,衰减均衡,衰减是频率的函数，频率越高，衰减越严重，会导致信号的严重失真 采用衰减均衡技术，使得各频率成分的衰减程度相当 利用加感线圈改变线路的某些电气特性 使用放大器,51,52,时延失真 接收到的信号因其频率成分延迟的不同产生了失真 在导向媒体中信号传播速度随频率不同
16、变化 靠近中心频率传播速度最快，两侧较慢 导致频率之间的相移 均衡技术,53,54,何类信号对衰减与时延失真敏感？,数字信号受衰减失真影响较小 频率特定：绝大部分内容集中在基频附近 幅度特性：二值判定 数字信号受时延失真影响较大 某个比特的一些频率成分会溢出到其他比特上，产生比特序列混乱 模拟信号主要受衰减影响 幅值连续变化，信息分布在整个频带,55,噪声,传送和接收之间的某个地方插入进来的不希望有的信号为噪声 热噪声 Thermal 互调噪声 Intermodulation noise 串扰Crosstalk 冲激噪声-impulse noise,56,热噪声,由导体内电子热运动造成，存在于
17、所有的电子设备和传输媒体中，是温度的函数。 热噪声均匀的分布在通信系统的整个频率范围内，因此成为白噪声； 热噪声是无法消除的，为通信系统的性能带来一个上限。 对卫星通信的影响最严重,57,热噪声,热噪声的频谱 功率谱密度其中k=波尔兹曼常量=1.38x10-23（J/K）T为温度，以开尔文为单位,58,热噪声,例2：假设接收器的有效噪声温度为294K，带宽为10MHz，其输出端的噪声功率为多少？解：N0=KT，N=N0B=KTB用分贝-瓦表示：NdBW=10logN=10logKTB=10logK+10logT+10logB=-228.6dBW+10log294+10log107=-228.6
18、+24.7+70=-133.9dBW,59,互调噪声,互调噪声产生于当发送设备、接收设备及它们之间的传输系统中存在某些非线性因素 或者产生于当不同频率的信号共用同一传输媒质时 互调噪声在系统的输出端产生一些附加的频率成分，它们是多个原输入信号的频率之和或差，甚至这些频率的多倍数的组合 交调噪声可以用人为的方法，通过校正其中的非线性而部分地得以补偿。,60,串扰,举例：在打电话时听到别人的声音 有不同信号通道之间的耦合产生 比如载有多路信号的相邻双绞线之间，同轴电缆中偶尔也会产生； 无线媒体中天线微波中也会产生。,61,冲激噪声Impulse noise 不规则脉冲或尖峰 持续时间短 振幅较大
19、外部电磁波干扰 e.g.雷电，系统本身的故障和缺陷 对数字通信影响比较大，例如一个持续时间为0.01s的能量尖峰不会破坏话音数据，按有可能毁掉560个以56kbps速率传输的数字数据,62,63,系统性能指标,有效性消息传输的速度 可靠性消息传输的质量 两个指标是互相矛盾的，如何在这两个指标中取得最佳平衡是值得研究的问题。,64,模拟通信系统,有效性信息传输速率：单位时间内传送的信息量 可靠性信噪比：SNR=信号功率/噪声功率,65,数字通信系统,有效性数据传输速率：每秒钟传输码元或比特的个数（bps） 可靠性误码率（pe）：错误接收的码元数占传送总码元个数的比例误比特率（pb）：错误接收的信
20、息量在传送总信息量中所占的比例,66,数字通信系统,Eb/N0，即每比特信号的能量Eb与噪声功率谱密度N0之比。 数字数据的误码率是Eb/N0的一个递减函数，也是度量数字通信系统性能好坏的指标。 如果用信号功率S，还可以表示为用分贝形式表示为 结论：在给定的误码率要求下，要提高传输数据率R，就必须要增加信号的功率！,67,数字通信系统,例3：对于二进制相移键控编码方式，如果误码率要达到10-4，那么就需要Eb/N0 =8.4dB。如果有效噪声温度为290K（室温），且数据率为2400bps，那么要求接收到的信号功率为多少？ 解：根据公式，我们可得最后得,68,Eb/N0,我们也可以换算出Eb/
21、N0 和信噪比SNR的关系：,69,奈奎斯特带宽和信道容量,传输数据率所受的限制 带宽信道传输带宽对数据率有限制，带宽越宽，数据率越高，在给定传输带宽下，数据率越高，数据失真越大； 信道损伤数据传输过程中，数据势必受到失真或损坏，对数据率带来什么限制？,70,奈奎斯特带宽和信道容量,信道上理论上的最大数据传输数率 数据率Data rate 比特每秒 数据能够通信的速率 带宽Bandwidth 用赫兹或每秒的周期表示 在发送器和传输媒体的特性限制下的带宽 噪声Noise 误码率Error rate 差错发生率,71,奈奎斯特带宽,无噪声的情况，数据率的限制仅来自于带宽。 奈奎斯特定理（抽样定理）
22、：对于二进制信号，如果信号的带宽为B，那么信号的最大传输速率C=2B，否则会产生码间干扰。 对于具有多电平个数的信号，每个信号单元代表的比特数自然增加，所以它的最大传输速率为C=2Blog2M。,72,奈奎斯特带宽,可以通过增加不同信号单元的个数来提高数据率，但是接收器的负担为加重，需要从M个可能得信号中区分出一个来。 例：考虑使用语音信道并通过调制解调器传送数字数据。带宽B=3100Hz，该信道的奈奎斯特带宽C=2B=6200bps，如果M=8，对于同样的带宽，C=2Blog2M=18600bps,73,信道容量,考虑数据率和带宽、噪声、信噪比之间的关系。如果数据率增加，那么比特会变短，给定
23、的噪声会影响更多的比特。所以信道的误码率或信噪比会限制数据率的提高。 信道容量公式（香农公式）给出了在给定的带宽和信噪比条件下，可达数据率的上限,74,信道容量,香农定理指出，如果信息源的信息速率R小于或者等于信道容量C，那么，在理论上存在一种方法可使信息源的输出能够以任意小的差错概率通过信道传输。 该定理还指出：如果RC，则没有任何办法可以以任意小的错误概率传递这样的信息。,75,信道容量,香农公式得到的是理论上的数据率最大值，在实际应用中可达速率要低的多。其中一个原因是公式假定噪声是白噪声，即没有考虑到冲激噪声，也没有考虑到衰减和时延失真。 即使在理想噪声环境下，由于编码的原因，目前的技术
24、仍然无法达到香农容量。,76,信道容量,信道容量C和信号功率S的关系但事实上S增大，会导致系统的非线性程度增大，互调噪声就会增大，因此实际上，信道容量不会随着功率S无限增大。 信道容量C和噪声功率谱密度n0可以通过提高信号的功率或减小信道噪声的方法，提高信道容量。 信道容量C和带宽B的关系，如果,77,信道容量,利用关系式,无限制的增大带宽，并不能使得信道容量C无限大， 这是因为带宽无限增大的同时，噪声功率n0B也无限 增大了。,78,信道容量,例：假设某个信道的频谱在3MHz到4MHz之间，信噪比为24dB，那么该信道的信道容量是多少？假设可以达到这个极限，传输信号需要用多少电平来表示？ 解：B=4MHz-3MHz=1MHz， SNRdB=24dB=10log10（SNR） SNR=251, 用香农公式得：,79,信道容量,假设传输速率可以达到这个理论值，根据奈奎斯特带宽得得到M=16,80,作业 3.13(a，b) 3.16 3.20,
