第二章数据通信基础

第二章数据通信基础 • 数据通信的系统构成 • 数据通信的理论基础 • 调制解调与数据编码/解码技术 • 错误检测及纠正技术 • 复用技术 • 通信交换技术

噪声源 信源变换器反变换器信宿载体(信道) 差错控制 1. 数据通信的系统构成（1） • 功能结构

动态 1. 数据通信的系统构成（2） • 信源/信宿 • 信号的发送/接收者 • 数据：静态存储于不同的介质之上 • 信号：模拟信号 (Analog Signals)？数字信号(Digital Signals)？

1. 数据通信的系统构成（3） • 通信信道 • 信息传输的途径，含传输媒体和中继设施 • 信道的分类 • 有线信道：双绞线、电缆、光纤等，能量集中在导线附近（各自特点？） • 无线信道：自由空间，红外、微波、无线电波等，能量向空间发散（各自特点？） • 模拟信道：支持模拟信号传输，电话线、双绞线等 • 数字信道：支持数字信号传输，光纤等

1. 数据通信的系统构成（4） • 信号变换器 • 变换器：进行信号变换以适合信道传输，或者信宿接收光电转换光电转换数字型信源数字信道数字型信宿 Modem Modem Codec Codec 模拟型信源模拟信道模拟型信宿频率转换频率转换

1. 数据通信的系统构成（5） • 两个实例 • 拨号上网（Dial-up） Modem Ha Hb

1. 数据通信的系统构成（6） • 网络电话（netphone） internet Codec Mrs. Mr.

2. 数据通信理论基础 • 信号的分解特性 • 信道的传输特性

A f A t 2.1 信号的分解特性(1) • 时域和频域

A Time 0 1 1 0 1 1 0 0 0 1 2.1信号的分解特性（2） • 傅里叶变换 • 周期信号和非周期信号

2.1信号的分解特性(3) • 傅里叶变换 • 已经证明傅里叶变换可以将非周期信号分解为无数个周期信号的叠加。 • 研究周期信号的传输特性具有普遍意义

2.1 信号的分解特性(4) • 傅里叶分析 • 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, bn n次谐波项的正弦和余弦振幅值

2.1 信号的分解特性(5) • 数字信号的分解 • 一个数字信号可以分解为多个被称为谐波的简单正弦波，每个谐波都有不同的振幅、频率和相位。 • 每个数字信号在介质上传输时，实际上是在发送其不同的谐波分量。 • 该信号的每个谐波分量都必须被忠实的传送，才能保证接受信号副本精确性。 • 否则

2.2 信道的传输特性（1） • 信道速率（bps）vs. 波特率（baud） • 波特率：每秒钟传送信号的次数，也称调制速率。 • 比特率：每秒钟传送的二进制位数，也称信道速率。 • 信道速率=波特率xlog2N(N为信号的状态数） • 波特率与比特率的关系取决于信号值表示位数与比特位的关系，在计算机二进制信号时，两者象等。 • 例：每个信号值可表示３位，则比特率是波特率的３倍；每个信号值可表示１位，则比特率和波特率相同。交通信号（红、绿、黄）？

2.2 信道的传输特性（2） • 香农定理（Max传输速率）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) Ｓ：信号功率，Ｎ：噪声功率

2.2 信道的传输特性（3） • 奈魁斯特采样定理任意信号通过一个带宽为Ｈ的低通滤波器，则每秒采样２Ｈ次就能完整地重现该信号。

2.2 信道的传输特性（4） • 信道差错率 • 原因：噪声、信道的带宽限制 • 误码率：传输二进制位的总数与出错位数的比值。 • 误分组率：传输分组总数与出错分组数的比值 • 误字符率：传输字符总数与出错字符数的比值

2.2 信道的传输特性（7） • 信道传输模式(?) • 单工

2.2 信道的传输特性（8） • 半双工

2.2 信道的传输特性（9） • 全双工

2.2 信道的传输特性（10） • 数据传输模式(?) • 并行传输

2.2 信道的传输特性（11） • 串行传输（异步、同步）(?)

2.2 信道的传输特性（12） • 异步传输

2.2 信道的传输特性（13） • 同步传输(依靠双方始终的精确同步)

光电转换 光电转换数字型信源数字信道数字型信宿 Modem Modem Codec Codec 模拟型信源模拟信道模拟型信宿频率转换频率转换 3. 调制解调与编解码技术（1）

3. 调制解调与编解码技术（2） • 数据编码与信号转换数字编码数字化调制和解调

3.调制解调与编解码技术（3） • 数字－数字信号 • 数字到数字信号不同的转换方法－数字编码

3.调制解调与编解码技术（4） • 数字编码 NRZ

3.调制解调与编解码技术（5） • 归零编码(RZ) 特点：含同步信息每位三个状态处理复杂

3.调制解调与编解码技术（6） • 非归零编码(NRZ) （非归零电平编码和转换编码） • NRZ-L vs. NRZ-I 特点：不含同步信息无法传送大量信息，1位边界有跃变

3.调制解调与编解码技术（7） • 同步和数值信息 • Manchester vs. Diff. Manchester 波特率和信道速率的关系？ • 同步信息 • 数值信息特点：含同步信息（位中间变化）适合局域网络

3.调制解调与编解码技术（9） • Manchester编码每位中间都发生变化，这种变化既作为同步信号又作为1和0的区别 • Diff. Manchester编码每位中间的变化仅作为同步时钟，而位周期的起始跃变作为0，没有跃变则为1 • 两种编码虽然解决了同步问题，但造成了带宽的浪费，效率为50%

3.调制解调与编解码技术（10） 4b/5b编码（p24） • 使用5位符号表示4位数据 • 仍然采用NRZI进行编码解决了连续1的同步问题，没有解决连续0的同步问题 • 编码的约束条件（提高同步精度）每个编码前导0不多于1个、编码的结尾0不多于2个且每个编码有2个以上的1 • 特点：在解决了同步问题的前提下，提高了带宽利用效率（80%），适合光纤高速通信。 11110 01001 10100 10101 （0-3） 01010 01011 01110 01111 （4-7） 10010 10011 10110 10111 （8-11） 11010 11011 11100 11101 （12-15）

3. 调制解调与编解码技术(11) ？ • 模拟信号的数字化 • 采样： Analog  Digital • 量化(量化级别选择) • 编码

3. 调制解调与编解码技术(12) • 采样-量化-编码-处理

？ 3. 调制解调与编解码技术（13） • 数字信息的调制解调 • 已有物理信道（analog） • 数字传输信道（cost） • 调制：Digital Analog • 解调： Analog  Digital

3. 调制解调与编解码技术(14) • 数字信息的调制 • 模拟信号的三个要素 • 幅度（A） • 频率（ω） • 相位（Ф） • 调制的三种技术 • 调幅 • 调频 • 调相

1 0 1 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 0 3. 调制解调与编解码技术(15) 调幅（同频异幅）：调频（同幅异频）

1 0 1 0 1 1 0 3. 调制解调与编解码技术(14) • 调相（相位变化）

3. 调制解调与编解码技术(16) • Mothed

3. 调制解调与编解码技术(17) • AM

3. 调制解调与编解码技术(18) • FM

4. 错误检测与纠错技术(1) • 差错出现：随机、连续突发（burst） • 处理差错的两种基本策略 • 使用检错码：发送方在每个数据块中加入足够的冗余信息，使得接收方能够判断接收到的数据是否有错，但不能判断哪里有错。 • 使用纠错码：发送方在每个数据块中加入足够的冗余信息，使得接收方能够判断接收到的数据是否有错，并能纠正错误。

4. 错误检测与纠错技术(2) • Types of Errors

4. 错误检测与纠错技术(3) • Single-bit error

4. 错误检测与纠错技术(4) • Multiple-bit error

4. 错误检测与纠错技术(5) • Burst error

4. 错误检测与纠错技术(6) • 错误检测（Detection） • 基本途径，在信息中增加冗余信息（redundancy） • 奇偶校验（parity） • 循环校验（CRC）

4. 错误检测与纠错技术(7) • 冗余（redundancy）

4. 错误检测与纠错技术(8) • 奇偶校验 • （互补错误无法检测）？

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