1、第2章数据通信基础理论2.1数据信号分析基础数据信号分析基础2.2数据率与频带的关系数据率与频带的关系2.3交换技术交换技术本章小结本章小结2.1 数据信号分析基础数据信号分析基础数据信号是与时间有关的，因此数据信号是时间的函数；与此同时，数据信号也是与频率有关的，即一个数据信号是由各种不同频率成分构成的，因此数据信号也是频率的函数。频率函数与时间函数之间在一定条件下是一一对应的，可以相互变换。数据信号分析可从时间-时域、频率-频域以及从时频域这三方面进行分析。2.1.1 时域分析时域分析信号以时间上的表现形式不同，可以分为连续信号和离散信号两种，如图2.1.1所示。图2.1.1 连续信号与离
2、散信号不论是连续信号还是离散信号，如果相同的信号形式以周期性的方式重复，则称为周期信号。图2.1.2所示的就是周期信号。图2.1.2 周期信号周期信号可用数学表达式表示为s（t+T）=s（t），t+(2.1.1)式中，T为信号的周期。周期与频率f之间有如下的关系：(2.1.2)正弦信号是最基本的信号之一，它可用三个参数来表示：幅度(A)、频率(f)和相位(j)，即s（t）=A sin（2ft+j）。正弦波的传播速度v与波长、频率f及周期T之间有如下关系：=vT，f=v (2.1.3)2.1.2 频域分析频域分析一般，一个信号是由多个频率成分组成的，如图2.1.3所示。图2.1.3(c)所示的多
3、频率成分构成的信号可用数学式表示为 该信号由频率f1和频率3f1的两个正弦信号构成，两信号的振幅分别为1和1/3，初始相位均为0。频率f1和频率3f1是整数倍数关系，f1是整个信号的基本频率，称为基频，信号的周期与正弦信号sin(2f1t)一致，都等于T=1.0。图2.1.3 多个频率成分构成的信号也可以在频域上来表示图2.1.3(c)所示的时域函数，用S(f)表示频域函数，其结果如图2.1.4所示。对于一个单脉冲信号，它的取值区间为,，幅度为1，它的频域函数是连续的，如图2.1.5所示。图2.1.5 单脉冲时域及频域波形2.1.3 傅里叶分析傅里叶分析对于一个原始的信号g(t)，可以用基本频
4、率为f（简称基频）的无限多个正弦和余弦函数的级数来逼近，即(2.1.4)式中，C为常数，f为基频，周期T=1/f,an和bm分别是n次和m次正弦及余弦函数的幅值，有如果单个脉冲的幅度为A，宽度为，在时间轴两边对称，这样的矩形脉冲经傅里叶变换后，将时域函数变为了频域函数，即式中，=2f。当=2/时，sin=0，S()=0,近似地把S()的第一个零点处=2/(或f=1/)看做传输带宽为的矩形脉冲所需要的带宽，即带宽为(2.1.6)从式(2.1.6)可以看出，带宽与脉冲宽度成反比，即数据率越高，脉冲宽度就越窄，从而要求的信道传输带宽就越宽。2.2 数据率与频带的关系数据率与频带的关系一般来说，数据信
5、号的波形是由多个脉冲组成的，每个脉冲的频谱是无限宽的连续频域函数。一个脉冲信号可以用无限多个振幅不同、频率不同的正弦波叠加来近似，如可近似为式中，A是实数，f1是某个频率。随着k的增加，1/k逐渐趋近于0，这就是说式(2.2.1)中的前几项对该信号的能量贡献较大，而后面的项则贡献较小，因此我们可以取前几项（如前3项）来近似地表示一个脉冲信号，于是式(2.2.1)所示信号的带宽为B=2kMf1 f1=f1(kM1)(2.2.2)式中，B为信号的带宽，kM为所取的项数的值，如kM=1,3,5,7,9,。由于每个比特持续时长为TB=T/2=1/（2f1），故该系统的传输速率即数据率为(2.2.3)一
6、般来说，任何数字信号的带宽是无限宽的，而信道的传输带宽是有限的，这将限制传输信号带宽，因此在传输数字信号前，应采用适当的技术来限制信号的带宽，使其适合信道的传输。由式(2.2.1)可以看出，k的取值越多，所逼近的信号就越精确于脉冲波形，但同时也带来了信号带宽的增加，信号带宽的增加必然要求信道传输带宽的增加，这就意味着信道将不能传输较多路的信号，因此在设计数字通信系统时应综合考虑，既不能由于考虑增加额外的信道传输带宽而限制信号的带宽，也不能由于过度精确地逼近而增加信道超额的带宽，需在两者之间权衡。2.3 交交 换换 技技 术术物联网中的通信网络是由许多交换节点连接构成的。物联网的信息传输要经过一
7、系列的交换节点，从一条条传输信道（线路）到另一条条传输信道（线路）后，才能到达最终的接收端（目的地）。交换节点的作用相当于交通运输中的“换乘车站”，交换节点的信息“换乘”方式称为信息的交换方式。一般，交换方式有电路交换、报文交换和分组交换三种基本方式，其工作原理如图2.3.1所示。图2.3.1 三种交换方式原理图2.3.1 电路交换电路交换电路交换(Circuit Switching)是最常用的一种交换方式。在通信时，通信网需对两个收发用户建立一条专用的临时电路，当通信结束时，释放该电路。电路交换进行数据通信时须经过三个阶段，即建立电路阶段、传送数据阶段和拆除电路阶段。当电路建立以后，不论双方
8、有无数据传送，电路一直被占用，直到通信双方有一方要求拆除电路为止。电路交换有空分交换和时分交换两种方式。2.3.2 报文交换报文交换报文交换是以“存储转发”方式进行的，在数据通信时，先将报文传到一节点后将信息存储起来，节点根据报文提供的目的地址，在通信网中确定信息的通路，并将要发送的报文送到输出电路队列中排队等候，一旦该输出电路空闲，就立即将报文传送给下一个节点，依次完成从源节点向目标节点的传送。2.3.3 分组交换分组交换分组交换也采用“存储转发”的技术，但它不像报文交换，以整个报文为交换单位，而是将一个较长的报文分解成若干固定长度的“段”，每一段报文按一定的格式形成一个交换单位，这个规定格
9、式的交换单位称为“报文分组”，简称“分组”。分组作为一个独立的实体，既可断续地传送，也可经不同的传输路径来传送。由于分组长度固定且较短，又具有统一的格式，这样便于节点存储、分析和快速转发。分组进入节点进行排队和处理的时间很短，一旦确定了新的传输路径，就立即转发到下一个节点或终端。分组交换有数据报和虚电路两种交换方式。1.数据报与报文交换方式类似，每个分组在通信网中的传输路径完全由网络当前的状况随机决定。由于每个分组都有完整的地址等控制信息，所以都可以到达目的地，但到达目的地的顺序可能与发送端的顺序不一致，这需要在发送端对数据信息进行分组和编号，在接收端也要对收到的分组拆去头尾及重新排序，具有这
10、种工作的设备称为分组拆装设备(Packet Assembly and Disassembly device,PAD)，通信的收发两端均有一个这样的设备。2.虚电路在虚电路交换方式中，数据传输前，必须在源与目的地之间建立一条逻辑连接，即虚电路。虚电路是两个通信设备之间完整的双向透明的数据流路径，而不是物理电路。当虚电路建立后，各数据分组均沿着已建立起来的虚电路传送信息。一旦交换接收，立即拆除连接。从现象上来看，虚电路与电路交换方式所建立的专用电路一样，但从本质上来看，在虚电路交换中各分组还需要“存储转发”。本本 章章 小小 结结数据信号是与时间有关的，因此数据信号是时间的函数；与此同时，数据信号
11、也是与频率有关的，即一个数据信号是由各种不同频率成分构成的，因此数据信号也是频率的函数；频率函数与时间函数之间在一定条件下是一一对应的，可以相互变换。数据信号分析可从时间-时域、频率-频域以及从时频域三方面进行分析。信号以时间上的表现形式不同，可以分为连续信号和离散信号两种。不论是连续信号还是离散信号，如果相同的信号形式以周期性的方式重复，则称为周期信号。正弦信号是最基本的信号之一，它可用三个参数来表示，即用幅度(A)、频率(f)和相位(j)。有效带宽是指信号大部分能量集中的高低频率范围。虽然信号的频谱可能覆盖整个频率范围，但是大部分能量却集中在有限的频率范围内，这个范围就是信号的频带。一般来
12、说，任何数字信号的带宽是无限宽的，而信道的传输带宽是有限的，这将限制传输信号带宽，因此在传输数字信号前，应采用适当的技术来限制信号的带宽，使其适合信道的传输。数据率与频带宽度有直接的关系。信号数据率越高，所需要的有效频带越宽。也就是说，传输系统的频带越宽，系统传输的数据就越多，如数据率为f1，则2f1带宽就能很好地满足传输的要求。一般，交换方式有电路交换、报文交换和分组交换三种基本方式。电路交换的缺点是建立电路的过程需要较长的时间，电路资源的利用率不高；它的优点是传输时延小且时延固定，没有信息格式的限制，而且是“透明”传输的。报文交换的优点是电路利用率高，易于实现各种不同类型终端间的通信，从而能平滑通信业务量的峰值；缺点是传送信息的时延较长且时延不固定，对设备的要求较高，节点交换机需要具有大容量的存储、高速处理分析报文的能力。由于分组长度固定且较短，又具有统一的格式，这样便于节点存储、分析和快速转发。分组进入节点进行排队和处理的时间很短，一旦确定了新的传输路径，就立即转发到下一个节点或终端。分组交换有数据报和虚电路两种交换方式。
