云大数据通信第二章.ppt

第二章 物理层与数据通信基础 2.1 数据通信的基础知识 2.2 物理传输媒体 2.3传输技术 2.1.1 通信系统模型 2.1.1 通信系统模型（介绍） 发送端信源的作用是把各种可能信息转换成原始电信号 变换器转换成适合于在信道上传输的信号 信道是信号的传输媒体及有关的设备如中继器等 通过信道传输到远地的电信号先由接收端的反变换器转换复原成原始的信号，再送给接收者信宿，而后由信宿将其转换成各种信息 噪声源，是信道中噪声(noise) ，即对信号的干扰以及分散在通信系统其它各处的噪声的集中表示 2.1.1 通信系统模型（续） 单工(simplex) 通信 一端只发送，而另一端只接收 双工(duplex) 通信 此时信源与信宿合为一体，变换器与反变换器也合为一体 分为：全双工(full duplex) 和半双工(half duplex) 2.1.1 通信系统模型（续） 模拟信号 例如电话线（信道）上传送的按照话音强弱幅度连续变化的电波就是一种连续变化的电信号 数字信号 计算机产生的电信号则是电脉冲序列串，每一瞬间的电压取值只可能是离散的有限个，比如说是+3v或0v两种不同的值 按照信道中传输的是模拟信号还是数字信号，可以相应地把信道分为两类： 模拟信道 数字信道 2.1.1 通信系统模型（续） 2.1.2 带宽与傅里叶分析 若将数字信号不经调制直接放到模拟信道上进行传输，会引起信号的失真（distortion，又译为畸变） 任何实际的模拟信道所能传输的信号的频率都有一定的范围，称之为该信道通频带的宽度或称为带宽（bandwidth） 信道的带宽是由传输媒体和有关的附加设备与电路的频率特性综合决定的 2.1.2 带宽与傅里叶分析(续) 一个低通信道，若对于从0到某个截止频率fc的信号通过时振幅不会衰减或衰减很小，而超过此截止频率的信号通过时就会大大衰减，则此信道的带宽为fc Hz。 一个具有有限持续时间的数字信号，可以看作为一个以此有限持续时间T为周期的周期阶梯函数 f(t)。此函数可展开成傅里叶（Fourier）级数。 2.1.2 带宽与傅里叶分析（续） 2.1.2 带宽与傅里叶分析（续） 2.1.2 带宽与傅里叶分析（续） 2.1.2 带宽与傅里叶分析（续） 假若信道的带宽为3 k Hz，用它来直接传输数据速率为9600 b/s的数字信号时，发送8比特的数据所需的时间为0.83ms，即T=0.83ms。其基波频率f = 1/T = 1200 Hz，即1.2 k Hz。3 k Hz带宽的信道仅能通过2次谐波，如图（c）所示，有较大的失真。但是若用来直接传输数据速率为2400 b/s的数字信号，此时T = 3.33 ms, f = 300 Hz。3 k Hz带宽的信道就能通过10次谐波，比图（e）所示的情况还要好，即失真较小。 2.1.3 信道的最大数据速率 奈奎斯特公式和香农公式 奈奎斯特公式给出了无热噪声（热噪声是指由于信道中分子热运动引起的噪声，这里假定没有热噪声）时信道带宽对最大数据速率的限制，具体为 2.1.3 信道的最大数据速率(续) H是信道的带宽（以Hz为单位），而L表示任何给定时刻数字信号可能取的离散值的个数。C则是该信道最大的数据速率。例如，若某信道带宽为4 k Hz，任何时刻数字信号可取0、1、2和3四种电平之一（即L＝4），则最大数据速率为 2.1.3 信道的最大数据速率（续） 香农则进一步研究了受噪声（服从高斯分布）干扰的信道的情况，给出了香农公式： 这里，S表示信号功率，N为噪声功率，S / N则为信噪比。由于实际使用的信道，信噪比都要足够大，常用10log（S/N）以及分贝（Decibel，记为dB）为单位来计量，在使用上述公式时要特别注意。例如，信噪比为30 dB、带宽为4000 Hz的信道最大的数据速率为 2.1.3 信道的最大数据速率（续） 码元速率 指的是每秒信号状态变化的次数，以波特(Baud）作为单位。码元速率B和数据速率C在数值上是不一定相等的，有如下关系： 例如，若B = 600波特，L ＝ 4，则数据速率为C ＝ 1200 b/s。由于在许多场合下，通常信号只能取两种不同的状态（即L＝2），此时码元速率B和数据速率C数值就相等了。在这种情况下，波特和比特/秒这两个单位也就可以混用了。码元速率有时又称为调制速率 2.2 物理传输媒体 物理传输媒体 medium，在这里指的是通信中实际传送信息的物理载体，早期有的书中也译为介质 计算机网络中采用的物理传输媒体可分为导向(guided) 和非导向(unguided)两大类，俗称有线和无线 双绞线