1、信息技术学院主讲：吴晓刚 副教授20152015年年9 9月月北校区北校区1谢谢欣赏2019-7-92谢谢欣赏2019-7-9 2.1 数据通信的基础知识 2.2 物理层下面的传输媒体 2.3 无线传输 2.4 通信卫星 2.5 数字调制与多路复用 2.6 公共电话交换网络 2.7 移动电话系统 2.8 有线电视 2.9 本章总结3谢谢欣赏2019-7-9传输系统输入信息输入数据发送的信号接收的信号输出数据源点终点发送器接收器调制解调器PC 机公用电话网调制解调器数字比特流数字比特流模拟信号模拟信号 正文正文数据通信系统源系统目的系统传输系统输出信息PC 机4谢谢欣赏2019-7-90002(
2、)sin(2)2()cos(2)2()TnTnTnag tnft dtTbg tnft dtTcg t dtT傅里叶级数：任何周期函数可表示成正弦和余弦组成的 无穷级数。两边同乘sin(2kft)再从0到T求积分：两边同乘cos(2kft)再从0到T求积分：直接在等式两边求积分：5谢谢欣赏2019-7-96谢谢欣赏2019-7-92.1.2 带宽有限的信号带宽定义：带宽定义：在传输过程中振幅不会明显减弱的频率宽度。例1、设数据传输率为：b比特/利润留成，发送8比特所需时间：8/b秒，第一个谐波频率是b/8 Hz.语音线路频率在3000Hz以上，则可以通过的最大谐波数是24000/b.图2-2可
3、以计算出要想以9600bps发送数据需要把信号2-1a变成2-1c(2个谐波),而其最大数据传输率为38.4Kbps。7谢谢欣赏2019-7-9B是理想低通信道的带宽，单位为赫(Hz)频率(Hz)不能通过能通过0B(Hz)Nyquist证明了只要进行了每秒2B次采样，就可以完全重构出过虑的信号，如果信号中包含了V个离散等级尼奎斯特(Nyquist)定理：最大数据速率=2B log2V比特/秒例：无噪声的3KHz信道传播（两级）二进制信号的最大数据速率是：2*3000*log22=6000bps8谢谢欣赏2019-7-9 信噪比：信号功率S/噪声功率N 最大传输速率 C 可表达为 C=B log
4、2(1+S/N)b/s 举例：普通电话线上提供的ADSL使用大约1Mhz带宽，信噪比与距离有关（1-2公里约40分贝:10log10S/N）因此无论采样多少个信号等级（采样频率的快慢）永远不可能达到13M.实际上ADSL的最高速率为:12Mbps9谢谢欣赏2019-7-9 传输介质属于物理层，主要任务描述为确定与传输媒体的接口的一些特性，即：o 机械特性 o 电气特性 o 功能特性 o 规程特性 磁介质（B，KB，MB，GB，TB）o 磁带容量与传输能力，狗运磁带的能力。o 永远不要低估一辆满载着磁带在高速公路上飞跑的汽车的带宽。10谢谢欣赏2019-7-9 双绞线o 屏蔽双绞线 STP(Sh
5、ielded Twisted Pair)o 无屏蔽双绞线 UTP(Unshielded Twisted Pair)同轴电缆o 50 同轴电缆o 75 同轴电缆 光纤缆 11谢谢欣赏2019-7-9铜线铜线聚氯乙烯 套层聚氯乙烯套层屏蔽层绝缘层绝缘层外导体屏蔽层绝缘层绝缘保护套层内导体无屏蔽双绞线 UTP屏蔽双绞线 STP同轴电缆12谢谢欣赏2019-7-9折射角入射角 包层（低折射率的媒体）包层（低折射率的媒体）纤芯（高折射率的媒体）包层纤芯13谢谢欣赏2019-7-9高折射率(纤芯)低折射率(包层)光线在纤芯中传输的方式是不断地全反射14谢谢欣赏2019-7-9输入脉冲输出脉冲单模光纤输入脉
6、冲输出脉冲多模光纤P79定义15谢谢欣赏2019-7-9无线电微波红外线可见光紫外线X射线射线双绞线同轴电缆卫星地面微波 调幅无线电 调频无线电 海事无线电光纤电视(Hz)f(Hz)fLFMFHFVHF UHF SHFEHFTHF波段104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016100 102 104 106 108 1010 1012 1014 1016 1018 1020 1022 1024 移动无线电 电信领域使用的电磁波的频谱2.3 2.3 无线传输无线传输30000GHz16谢谢欣赏2019-7-9 用户喜欢光纤的
7、原因(香农定理分析）三种扩频技术：1、跳频扩频：每秒几百次速率变频 军方、蓝牙、旧版802.112、直接序列扩频：数据信号展开到一个很宽频段上，信号被赋予不同的码片：码分多址CDMA。3G移动电话、GPS全球定位系统3、超宽带通信UWB：快速脉冲17谢谢欣赏2019-7-9 无线电频率（RF：107-109HZ）干拢 例如：雨水、其他电气设备、障碍物会反射 路径损耗 例：信号沿双胶线传播每100米能量下降20分贝，无线信号下降的速度与距离平方成反比。可使用中继放大信号（交换机、无线AP）频率：100MHZ以上(108)微波塔之间的中继距离约80千米电磁频谱政策18谢谢欣赏2019-7-9 通信
8、卫星可以想象成一个大型的微波中继器。地球同步卫星o 高度为35800千米的轨道周期为24小时o 轨道槽与频率是争抢的资源，ITU作分配频率。中地球轨道卫星：主要用于导航 低地球轨道卫星：卫星与光纤对比：o 卫星：用于军事与灾难o 特殊地理环境：如印度尼西亚，13677个群岛之间拉数千根光缆的代价远高于发射一颗卫星。o 未来的主流通信是两者结合19谢谢欣赏2019-7-9概念与术语：P97 数字调制：比特与模糊信号的转换 基带传输：信号占传输介质从0到最大的全部频率 通带传输：调节载波信号的幅值、相们、频率 多路复用：多个信号共享一个信道20谢谢欣赏2019-7-91、不归零NRZ编码：正电表1
9、，负电表0，光纤：有光1，无光02、带宽效率：o 2个比特信号1、0交替才能在正电负电间循环，由尼奎斯定律：至少B/2Hz的宽带才能获得B bps的传输速率o 4个信号级别，可以携带2个比特，如00，01，10，11 减少了所需的带宽3、时钟恢复o 帮助接收器区分各个比特o 曼彻斯特编码：与0异或，产生从低到高的转变，表示逻辑0，1异或，产生从高到低的转变，表示逻辑1。4、不归零逆转NRZI：如通用串行总线USB采用此种编码5、平衡信号：双极编码21谢谢欣赏2019-7-9把信号移动到给定的频带，不同信号在传输介质上共存。数字调制可利用通带传输完成，调制方法：幅移键控ASK：采用两个不同的振幅
10、表示0、1频移键控FSK：采用两个不同的频率表示0、1相移键控PSK：采用两种不同的相位表示0、1QAM-16：以上3种技术的结合，如正交调幅格雷码：将QAM-16的比特映射到符号中22谢谢欣赏2019-7-92.5.3 频分复用FDM：把频谱分成多个频段分配给不同用户2.5.4 时分复用TDM 每个用户周期性的获得带宽非常短的时间2.5.5 码分复用CDM 扩频技术CDMA：把每个比特时间分成m个更短的时间间隔。原来每秒发送b个比特，现在每秒发送mb个比特23谢谢欣赏2019-7-9频率时间频率 1频率 2频率 3频率 4频率 524谢谢欣赏2019-7-9频率时间B C DB C DB C
11、 DB C DAAAA在 TDM 帧中的位置不变TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧25谢谢欣赏2019-7-9频率时间C DC DC DAAAABBBB C D在 TDM 帧中的位置不变TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧26谢谢欣赏2019-7-9频率时间BDBDBDAAAA BCCCC D在 TDM 帧中的位置不变TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧27谢谢欣赏2019-7-9频率时间B CB CB CAAAA B CDDDD在 TDM 帧中的位置不变TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧28谢谢欣赏2019-7-9ABCDaabbc
12、db cattttt4 个时分复用帧#1acbcd时分复用#2#3#4用户29谢谢欣赏2019-7-9 常用的名词是码分多址 CDMA (Code Division Multiple Access)。各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此彼此不会造成干扰。这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力，其频谱类似于白噪声，不易被敌人发现。每一个比特时间划分为 m 个短的间隔，称为码片(chip)。30谢谢欣赏2019-7-9 每个站被指派一个惟一的 m bit 码片序列。o 如发送比特 1，则发送自己的 m bit 码片序列。o 如发送比特 0，则发送该码片序列的二进制反码。例如，S 站的 8 bit
13、码片序列是 00011011。o 发送比特 1 时，就发送序列 00011011，o 发送比特 0 时，就发送序列 11100100。S 站的码片序列：(1 1 1+1+1 1+1+1)每个站分配的码片序列不仅必须各不相同，并且还必须互相正交(orthogonal)。31谢谢欣赏2019-7-9 令向量 S 表示站 S 的码片向量，令 T 表示其他任何站的码片向量。两个不同站的码片序列正交，就是向量 S 和T 的规一化内积(inner product)都是 0：011miiiTSmTS(2-4)举例n令向量 S 为(1 1 1+1+1 1+1+1)，向量 T 为(1 1+1 1+1+1+1 1
14、)。n把向量 S 和 T 的各分量值代入(2-4)式就可看出这两个码片序列是正交的。32谢谢欣赏2019-7-9 任何一个码片向量和该码片向量自己的规一化内积都是1。一个码片向量和该码片反码的向量的规一化内积值是 1。mimiimiiimSmSSm112211)1(111SS33谢谢欣赏2019-7-934谢谢欣赏2019-7-9S 站的码片序列 S110ttttttm 个码片tS 站发送的信号 SxT 站发送的信号 Tx总的发送信号 Sx+Tx规一化内积 S Sx规一化内积 S Tx数据码元比特发送端接收端35谢谢欣赏2019-7-9 公共电话交换网络PSTN：o 局域网可以采用一根电缆连接
15、两台计算机，距离远时必须依赖于PSTN。电话系统结构o 自贝尔1876年发明电话以来，电话需求非常广，线路全连接是行不通。o 从手工接线单交换局模式发展到二级交换局 现在的电话系统包括三部分o 本地回路：进入家庭或公司的模拟双绞线o 中继线：连接交换局的光纤o 交换局：电话呼入连接中继线36谢谢欣赏2019-7-9 调制解调器：调制解调器：Modem：2400bps56kbps 语音电话线的频率限制在3100HZ内，比以太网或802.11WIFI带宽小了4个数量级 数字用户线路数字用户线路ADSL：当电话传输数率达到56Kbps时，相比有线电视10Mbps的竞争，采用非对称数字用户线ADSL:
16、下行8Mbps，上行1Mbps,现在可达12Mbps 光纤到户：光纤到户：FttH,住宅的光纤捆绑后一根连接到端局。下行：光分离器splitters 上行：光合并器combiner P118页图2-3637谢谢欣赏2019-7-9 电话网络的核心传送的是数字信息而不是模拟信息。在长途传输中需要对信号转换。高带的中继线共享可用TDM和FDM多路复用实现。数字化语音信号 模拟信号数字化：编码解码器设备完成 时分多路复用 北美和日本使用的T1载波：每125微秒发送一个语音样值。24条复用语音信道，每信道8bit样值插入到输出流。那么每帧：24*8=192 bit,附加1bit信令控制38谢谢欣赏20
17、19-7-9 同步光纤网 SONET(Synchronous Optical Network)的各级时钟都来自一个非常精确的主时钟。第 1 级同步传送信号 STS-1(Synchronous Transport Signal)的传输速率是 51.84 Mb/s。同步数字系列 SDHo ITU-T 以美国标准 SONET 为基础，制订出国际标准同步数字系列 SDH(Synchronous Digital Hierarchy)。o 一般可认为 SDH 与 SONET 是同义词。o SDH 的基本速率为 155.52 Mb/s，称为第 1 级同步传递模块(Synchronous Transfer M
18、odule)，即 STM-1，相当于 SONET 体系中的 OC-3 速率。39谢谢欣赏2019-7-9线路速率(Mb/s)SONET符号ITU-T符号表示线路速率的常用近似值 51.840OC-1/STS-1 155.520*OC-3/STS-3STM-1155 Mb/s 466.560OC-9/STS-9STM-3 622.080*OC-12/STS-12STM-4622 Mb/s 933.120OC-18/STS-18STM-61244.160OC-24/STS-24STM-81866.240OC-36/STS-36STM-122488.320*OC-48/STS-48STM-162.5
19、 Gb/s4876.640OC-96/STS-96STM-329953.280OC-192/STS-192STM-6410 Gb/sSONET 的 OC 级/STS 级与 SDH 的 STM 级的对应关系 40谢谢欣赏2019-7-9从你或你的计算机发出一个电话呼叫时，电话系统的交换设备努力寻找一条到对方的物理路径。需要建立一条专线。拥塞发生在电路建立时无需建立一条专线，数据包交换中没有固定路径路由器采用存储-转发技术会产生排队延迟，拥塞发生在数据包转发时41谢谢欣赏2019-7-942谢谢欣赏2019-7-9 移动电话：移动电话：mobile phone应用于更广域的语音通信和数据通信经历了
20、三代：1G、2G、3G 三代不同技术：三代不同技术：o 模拟语音、o 数字语音、o 数字语音和数据43谢谢欣赏2019-7-9 共用天线电视共用天线电视20世纪40年代后期出现，解决农村山区的收视 线缆上的线缆上的Internet：o 有线电缆被替换成光纤后，而到家庭的是同轴电缆同轴电缆 这样的系统称为混合光纤电缆。频谱分配频谱分配:频分多路复用 线缆调制解调器线缆调制解调器:Cable modem ADSL与有线电视电缆与有线电视电缆o 光纤+双胶线（数据用户）o 光纤+同轴电缆（是双胶线几百倍，电视节目）44谢谢欣赏2019-7-9物理层是网络的基础带宽、数字调制、中继线习题布置：2，5，8，37,4645谢谢欣赏2019-7-9
