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1、第二章 数据通信基本原理,9/2/2010,2.1 数字通信系统基础2.1.1 数据通信系统的组成,消息（Message）：是被交换的信息（或称数据）发送设备 接收设备 传输媒体 协议,2.1 数字通信系统基础2.1.2 数据与信号,数据数据是信息的表示形式，它是计算机处理的对象。数据的类型有：文本、图像、音频和视频。信号 信号是信息在媒体上的表示形式，它以电磁能量的方式在媒体上传输。在通信和网络中的信号有电信号和光信号两类信号。信号也分为模拟信号和数字信号两种形式。信号在媒体上传输时由于信道上存在信号衰减、信号失真、信号延迟及噪声和干扰对信号的影响，最终表现为数据传输的错误和传输性能（如传输
2、速率）的下降。,2.1 数字通信系统基础2.1.3 模拟通信系统和数字通信系统,几个术语模拟信号，数字信号，模拟传输系统，数字传输系统。常见的通信系统有模拟数据模拟信号传输系统（无线广播、传统的有线电视和电话）模拟数据数字信号传输系统（电力系统通信，PCM编码）数字数据模拟信号传输（需要MODEM，如早期电话，有线电视，无线LAN）数字数据数字信号传输（计算机网络）基带传输：数字信号直接加到信道上，信号频谱未发生变化；频带传输：把数字信号调制到另一高频信号上，进行传输，在接收端，还要把数字信号解调出来，被传输的信号频谱发生了变化。,2.1 数字通信系统基础2.1.4 数据通信模式,单工方式 通
3、信是单方向的，一端只能发送数据，另一端只能接收数据。如：无线广播、传统的有线电视、GPS等均是采用单工方式。半双工方式：通信可以是双向的，通信的两端设备既可以发送数据，也可以接收数据，但不能同时进行双向数据传输，在任意一个时刻，信道上只有一个方向能传输数据，例如步话机。全双工方式：同时在两个方向传输数据，如电话系统、计算机通信系统等。,2.1 数字通信系统基础2.1.5 数据传送方式,并行传送 并行传送效率高，一次传送多个比特数据，但要用多根数据线并行连接，用在要求高数据传输速率，且两个设备相距不远的场合。串行传送 异步传送：异步方式是一次传送一个字节，在一字节的前面加l比特的0作为起始位，在
4、后面加12比特的1作为停止位，构成10位至11位比特长的数据块进行传送。收发设备之间不必有同步时钟信号，在传送的字节之间可以有任意的空闲，这时线路上一直保持高电位1，当下一字节到来时，线路出现低电位0表示传送开始。同步传送：在收发设备之间利用同步信号传送由0和1组成的比特序列数据，不加起始位和停止位到数据上。,2.1 数字通信系统基础2.1.6 数据通信系统的主要性能指标,从两个方面：有效性和可靠性对于模拟信道有效性：用“传输频带”来衡量可靠性：用接收端输出“信噪比”来衡量对数字信道有效性：用“数据传输率”来衡量码元传输速率（波特率）信息传输速率（比特率）可靠性：用“差错率”来衡量误码率,2.
5、1 数字通信系统基础2.1.6 数据通信系统的主要性能指标,1.频带利用率在比较两个通信系统的效率时，只看他们的信息传输速率是不够的，或者说，即使两个系统的传输速率相同，它们的效率也可能不同，所以还要看传输信息所占的频带。通信系统占用的频带愈宽，传输信息的能力应该愈大。在通常情况下，可以认为二者成比例，用单位频带内的码元速率描述系统的传输效率，即每赫兹的波特数,2.1 数字通信系统基础2.1.6 数据通信系统的主要性能指标,2.数据传输率 波特率比特率两者的关系,2.1 数字通信系统基础2.1.6 数据通信系统的主要性能指标,无噪信道最大数据传输速率 1924年，Henry Nyquist推导
6、证明了在无噪声信道上的最大数据传输速率的计算公式，称为奈奎斯特速率。设信道的低通通带宽度为B，若一个有L级电平的信号通过该信道，则信道最大的数据传输速率为有噪信道的最大数据传输速率 在实际应用中信道总是含有噪声的，尤其是对于无线信道，噪声绝不可忽略。1944年Claude Shannon推导出一个公式。若信道的带宽为B，信道上的信号噪声比为S/N，则信道最大数据速率为,2.1 数字通信系统基础2.1.6 数据通信系统的主要性能指标,3.差错率差错率是一个统计平均值，因此，在测试或统计时，总的发送比特（字符、码组）数应达到一定的数量，否则得出的结果将失去意义。,2.1 数字通信系统基础2.1.7
7、 通信传输介质,双绞线：非屏蔽双绞线（Unshielded Twisted Pair，UTP）屏蔽双绞线（Shielded Twisted Pair，STP）,2.1 数字通信系统基础2.1.7 通信传输介质,同轴电缆,2.1 数字通信系统基础2.1.7 通信传输介质,光纤光在光纤中传输的原理：依据光在两种不同介质处，会产生折射这一原理实现的。,2.1 数字通信系统基础2.1.7 通信传输介质,多模光纤和单模光纤多模光纤：纤芯直径50100um，多次反射-收端，传输距离达几公里。单模光纤：810um，细，以直线方式传播，传输距离达几十公里。,2.1 数字通信系统基础2.1.7 通信传输介质,非
8、导向传输介质 是指信号的传输不需要物理的导体（如双绞线、同轴电缆和光纤），它是利用自由空间（也可以在真空中）传输电磁波或光波来实现信号传输的。通常称之为无线通信。电磁波的传输速度、频率和波长的关系为,2.2 信号分析2.2.1 信号的分析方法,时域分析法是关于时间的函数，绘出函数的图形，称为信号的波形。频域分析法是关于频率的函数方法：傅里叶变换称为频谱分析,2.2 信号分析2.2.2 信号的频谱分析,傅里叶变换F(w)-频谱密度函数-频谱函数-频谱F(w)-w曲线为频谱图。下面分析典型的信号,2.2 信号分析2.2.2 信号的频谱分析,冲激信号及频谱时域冲激信号：频域冲激信号：矩形脉冲信号,2
9、.2 信号分析2.2.2 信号的频谱分析,周期信号及频谱分析对周期信号Cn为傅里叶系数对于矩形周期信号，其频谱,2.2 信号分析2.2.3 信号通过线性系统,信号通过通信系统传输时，系统的特性及信道的噪声特性会影响信号传输的质量。分析信号通过系统后输入与输出之间的关系：时域关系：频域关系：对于无失真传输系统的特性，应满足无失真传输条件：,2.2 信号分析2.2.4 信号带宽和信道容量,系统带宽的定义：系统的带宽是指一个系统的幅频特性在给定的数值范围内分布的那段正频率期间。低通系统带宽 B=fm带通系统带宽 B=2fm,2.2 信号分析2.2.4 信号带宽和信道容量,3dB带宽定义为幅频特性在频带中心处取值的0.707倍以内（即3dB内）的频率范围，也称作3dB带宽。B=f2-f1,2.2 信号分析2.2.4 信号带宽和信道容量,信道容量指信道中无差错传输信息的最大速率，分为连续信道的信道容量和离散信道的信道容量。连续信道的信道容量，即Shannon 公式 对于离散信道的信道容量 其中，I为信道输入和输出随机序列之间的互信息，Q为输入分布。,
