第二部分 数据通信
本部分
数据通信系统
点对点或多点链路
讨论的主题
数据传输问题
3、数据传输形式
4、传输媒体
5、编码技术
6、数据通信
可靠性问题
7、数据链路控制协议
效率问题
8、复用
无线通信
9 、扩频
第三章 数据传输
传输术语
信号及其传输特性
模拟数据传输
数字数据传输
信号遭受损伤的类型
信道容量
3.1 概念和术语
数据传输
发送器
接收器
传输媒体
导向媒体（guided media）
双绞线、同轴电缆和光纤
非导向媒体（unguided media）（无线传播）
空气、真空和海水
无论是哪种类型的媒体，通信均是以电磁波的形式进行的
直连链路（direct link）
除了放大器与转发器之外，没有中间设备存在
点对点（point-to-point）
一条直连链路
仅被两设备共享
多点（multipoint）
两个以上的设备共享同一传输媒体
传输过程分类
单工（simplex）
信号仅向一个方向传输
电视，收音机
半双工（half-duplex）
两个方向均可传输信号，但同一时间只有一个方向传输
对讲机
全双工（full-duplex）
两个方向可同时传输信号
电话
时域概念
所有形式的信息（话音、文本、图像，视频）都必须变换为电磁信号来进行传输
信号的特性包括
时间特性和频率特性
对信号时间特性的分析在时域（Time Domain）上进行
在时域上描述信号的主要参数
振幅 （伏volt）
频率 （赫兹Hz）
相位
在时域上表示信号的图象称为时域图
电磁信号
模拟信号
强度变化是连续的，变化模式是平滑的
数字信号
一段时间内信号强度保持某个常量值，而下一时段又变化为另外的值
以上两种信号都能用于传送信息
取决于传输媒体以及通信环境
周期信号
不断重复相同的信号模式
s(t+T)=s(t) 负无穷< t < 正无穷
正弦波
s(t) = A sin(2πf t + f)
信号周期T：信号重复一周所花的时间
T = 1/f
波长－入
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
假设信号运动速度为－ v
入 = vT
入f = v
c 约等于 3*108 ms-1 (自由空间的光速)
频域概念
一个电磁信号可以由多种频率组成
频率成分叠加如P53之图3.4
s(t) = (4/π)[sin(2πf t)+(1/3) sin(2π(3f )t)]
基频
组合后信号的周期等于基频周期
对信号频率特性的分析在频域（Frequency Domain）上进行
在频域上表示信号的图象称为频域图
频域图有最大振幅-频率和相位-频率两种图象
任一信号都可看成由某个频率范围内的频谱成分组成
信号的频率特性对信号带宽和数据率等至关重要
在频域上进行信号分析通常比在时域上简便
任何一个信号存在时域函数 如：P53之图3.4(c) ，也存在频域函数如：P53之图3.5(a)
利用傅立叶分析可得出：
任何信号都可以看做是由不同正弦波的频率成分组合而成
频谱－Spectrum
信号包含的频率范围
绝对带宽－Absolute bandwidth
频谱宽度
有效带宽－Effective bandwidth
通常就叫带宽
信号的绝大部分能量都集中的频带范围
直流成分－DC Component
信号包含有频率为零的成分
具有直流成分的信号
振幅为A的方波的频率成分：
任何传输系统都只能容纳有限的频率范围
传输系统限制了数据在传输媒体上传送的数据率
数据率、中心频率与有效带宽成正比
选择传输媒体依据投资成本和传输的信号质量
其他参数保持不变，通过加倍频率来加倍带宽使数据率加倍
其他参数保持不变，通过增加信号的频率成分增加带宽虽然不能是数据率增加，可增加信号鉴别的容易程度，即，信号的质量 （P58， 图3.8）
在带宽不增加的情况下单纯追求数据率的提高，是以牺牲信号质量为代价的
带宽越宽，经济代价越高；传输媒体有带宽限制；所以不能无限制的增加带宽
3.2 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
发送信号－Signaling
信号沿适当的媒体的物理传播
传输－Transmission
用传播并处理信号的方式实现数据通信的过程
模拟数据
一段时间内具有连续的值
例如： 声音, 视频
数字数据
值是离散的
例如：文本, 数字
数据传播的方式
模拟信号
连续变化的电磁波
不同类型的媒体上传播
双绞线，同轴电缆，光纤，大气或水
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
数字信号
电压脉冲序列
采用两个恒定电压值（直流分量）
代价小，不易受噪音干扰，但易受衰减影响（P61，图3.11）
分贝
两个信号功率的比值的度量：
GdB=10 log10 (Pout/Pin)
通常使用
模拟信号表示模拟数据
数字信号表示数字数据
数字数据也可用模拟信号表示
利用调制解调器－Modem
模拟数据也可用数字信号表示
利用编解码器－Compact Disc audio
模拟信号载送模拟数据和数字数据
数字信号载送模拟数据和数字数据
模拟传输：传输模拟信号的方法
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
数字传输：传输数字信号的方法
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
噪声不累积
数字传输的优点：
数字技术－Digital technology
低价的 LSI/VLSI 技术降低了使用数字技术设备的代价
数据完整性－Data integrity
保持信号完成，适应远距离传输，较低线路质量要求
容量利用率－Capacity utilization
经济的高带宽传输链路
数字技术的高级复用技术有效利用其容量
安全和保密－Security & Privacy
加密技术
综合性－Integration
通过数字化处理模拟数据和数字数据
3.3 传输损伤
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
数字信号，损伤会导致比特差错
重要的损伤类型：
衰减和衰减失真
时延失真
噪声
衰减
信号强度距离增长而减弱
衰减与传输媒体有关
传输工程中需要注意到三点:
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 P66 图3.15a
即衰减是频率的递增函数
解决方案：衰减均衡处理
利用加感线圈改变线路的某些电气特性
使用放大器
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变化
靠近中心频率传播速度最快，两侧较慢
P66图3.15b
不同频率到达接收器时间不同导致频率之间的相移
对于数字信号尤为严重
某个比特的一些频率成分会溢出到其他比特上，从而产生码间串扰
均衡技术
小结
数字信号受衰减失真影响较小
频率特性：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
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
噪声
传送和接收之间的某个地方插入进来的无用信号
噪声分类
随机噪声：普遍存在，持续影响，是信号传输的基本研究对象
热噪声
导体内电子热运动造成的
均匀分布－白噪声
互调噪声
不同频率的信号共享同一传输媒体产生的
串扰
在一条线路上获得其他线路的信号。不同信号通道间的耦合现象
冲激噪声
不可预测，非连续，不规则的脉冲。外界电磁干扰
持续时间短而振幅大的噪声尖峰
对数字信号影响较大
噪声对数字信号的影响
热噪声的计算
1Hz带宽内存在的热噪声的值为：
N0=k T (W/Hz)
N0 :噪声功率密度 （单位W/Hz）
k : 波尔兹曼常量
T：温度 （单位：开尔文 K）
均匀分布，仅与温度有关系
对卫星通信的影响较大
3.4 信道容量
信道容量：信道上能达到的最大数据传输数率
数据率－Data rate
比特每秒 bps
数据能够通信的速率
带宽－Bandwidth
用赫兹或每秒的周期数表示
在发送器和传输媒体的特性限制下的带宽
噪声－Noise
通信通路上的平均噪声电平
误码率－Error rate
差错发生率
导致带宽限制的因素：
通信设施的代价考虑
通信设施的物理特性
防止其他干扰源的干扰
通信系统的设计目标：
高效利用有效带宽
提高数据率，控制误码率。
主要的不利因素：噪声
奈奎斯特带宽 （无噪声的情况下）
Nyquist Theorem: C=2Blog2M
M的增加可使容量增加，但是信号区分的难度也增加了。
考虑噪声：数据速率愈高，噪声影响愈厉害，从而导致误码率越高
原因：出现在噪声干扰范围内的比特个数变多
信噪比（Signal Noise Rate） ： Ps/Pn
SNRdB=10log(Ps/Pn)=10log(SNR)
可通过提高信号强度的方法来消除噪声带来的影响
香农容量公式: Shannon Formula
C=Blog2(1+SNR)
B增加，C是否一定增加？
否，因为香农容量公式仅考虑了白噪声。未考虑互调噪声，冲激噪声，衰减，时延失真以及编码方法。
表达式Eb/E0
误码率是这个比值的一个下降函数
本章小结
传输术语
信号及其传输特性
模拟数据传输
数字数据传输
信号遭受损伤的类型
信道容量
本章思考题
1.解释导向媒体和非导向媒体，并给出例子。
导向媒体：同轴电缆、双绞线、电缆
非导向媒体：自由空间（短波通信、微波通信、卫星通信） 短波通信需经电离层反射，适合远距离通信。 微波通信需无障碍通信。
2.数据传输根据设备之间信号流动方向，有哪几种传输方式？结合自己所了解的，各举一例。
单工：信号仅向一个方向传输。 电视、收音机
半双工：两个方向均可传输信号，但同一时间只有一个方向传输。 对讲机
全双工：两个方向可同时传输信号。 电话
3.一个信号的频谱是什么？
信号包含的频率范围
4.信号直流成分的频率是多少？
0
5.衰减失真与时延失真分别对哪种信号影响较大？
衰减失真对模拟信号影响大。 时延失真对数字信号影响大。
6.两种信道容量公式给出的前提有何不同？
奈奎斯特带宽下的信道容量：C=2Blog2M 前提：无噪声 M为码元代表几个比特的数据
香农容量公式：C=Blog2(1+SNR) 前提：考虑了白噪声。 (白噪声是指功率谱密度在频域内均匀分布的噪声)