數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)復(fù)習(xí)提綱

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1、單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,*,復(fù)習(xí)提綱（第二章）,傅立葉分析、尼奎斯特定理、香農(nóng)定理,的基本概念,數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的基本模型和功能,信道的幾個相關(guān)概念、信道的三種通信方式（,單工、半雙工、全雙工的區(qū)別,）,基帶信號和帶通信號的區(qū)別,、調(diào)制的三種基本方法（,調(diào)頻、調(diào)幅、調(diào)相,）,信道的極限容量和極限傳輸速率的計算方法（香農(nóng)公式）,信道復(fù)用的概念、分類（,FDM、TDM的比較、STDM特點,）,理解,CDMA,的基本原理并會進行簡單計算,數(shù)字傳輸系統(tǒng)（,PCM的兩大標(biāo)準(zhǔn),、,SONET的四個層次和結(jié)構(gòu),）,寬帶接入技術(shù)（,ADSL的構(gòu)成、HFC

2、的體系結(jié)構(gòu)、FTTx技術(shù)，三種技術(shù)的特點比較,）,移動電話系統(tǒng)的發(fā)展（,經(jīng)歷過的四代發(fā)展和代表技術(shù),）,數(shù)據(jù)通信的理論基礎(chǔ),傅立葉分析（Fourier Analysis）,19世紀(jì)早期，法國數(shù)學(xué)家傅立葉證明了，任何一個正常的周期為T的函數(shù)g(t)，都可以展開成多個（可能無限多個）正弦和余弦函數(shù)的和：,其中：f=1/T為基頻，a,n,和b,n,是n次諧波的正弦和余弦振幅，C為常數(shù)。這種分解稱為傅立葉級數(shù)（Fourier Series）。,利用上述級數(shù)可將一個函數(shù)重構(gòu)，即如果T是已知的，振幅也給定了，則由式可以得到信號的原始函數(shù)g(t)。,數(shù)據(jù)通信的理論基礎(chǔ),傅立葉分析（Fourier Analy

3、sis）,對式兩邊同時乘以sin(2kft)，后從0到T求積分可計算出振幅a,n,，b,n,項消失。,對式兩邊同時乘以cos(2kft)，后從0到T求積分可計算出振幅b,n,，a,n,項消失。,對式兩邊同時從0到T求積分可計算出常數(shù)C。,由上述方法得到：,數(shù)據(jù)通信的理論基礎(chǔ),信道的最大傳輸率,尼奎斯特定理（無噪音信道情況）,尼奎斯特,(Nyquist),證明，若任一個信號已通過了一個帶寬為H的低通濾波器，則只要每秒2H次采樣，過濾后信號可被完全重構(gòu)。且若信號包含V個離散級數(shù)，則：,最大數(shù)據(jù)傳輸率=2Hlog,2,V,數(shù)據(jù)通信的理論基礎(chǔ),信道的最大傳輸率,香農(nóng)定理（有噪音信道情況）,香農(nóng)(Sha

4、nnon)在尼奎斯特定理的基礎(chǔ)上，得到一條帶寬為H Hz、信噪比為S/N的有噪聲信道的最大數(shù)據(jù)傳輸率為：,最大數(shù)據(jù)傳輸率=Hlog,2,（1+S/N）,其中，S為信號功率，N為噪聲功率。,分貝（dB）=10lg(S/N),數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的基本模型,正文,傳輸,系統(tǒng),輸入數(shù)據(jù),發(fā)送,的信號,接收,的信號,輸出數(shù)據(jù),源點,終點,發(fā)送器,接收器,調(diào)制解調(diào)器,PC 機,公用電話網(wǎng),調(diào)制解調(diào)器,數(shù)字比特流,數(shù)字比特流,模擬信號,模擬信號,正文,數(shù)據(jù)通信系統(tǒng),源系統(tǒng),目的系統(tǒng),傳輸系統(tǒng),輸出信息,PC 機,？,？,數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的基本模型,模型功能,源點,：源點設(shè)備產(chǎn)生待傳輸?shù)臄?shù)據(jù),發(fā)送器,：格式轉(zhuǎn)換、編碼成

5、適合傳輸?shù)男盘枺ǖ湫偷陌l(fā)送器是調(diào)制器）,傳輸系統(tǒng),：傳輸線路（可能是一條線路，也可能是一個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)）,接收器,：接收信號并轉(zhuǎn)換為目的設(shè)備可識別的數(shù)據(jù)格式（典型的接收器是解調(diào)器）,終點,：接收數(shù)據(jù)并對其進行所需要的處理,信道的三種通信方式,從通信的雙方信息交互的方式來看，有三種基本方式：,單向通信,（單工通信）只能有一個方向的通信而沒有反方向的交互。,雙向交替通信,（半雙工通信）通信的雙方都可以發(fā)送信息，但不能雙方同時發(fā)送(當(dāng)然也就不能同時接收)。,雙向同時通信,（全雙工通信）通信的雙方可以同時發(fā)送和接收信息。,信道的幾個基本概念,基帶信號,（即基本頻帶信號）來自信源的信號。像計算機輸出的代表各

6、種文字或圖像文件的數(shù)據(jù)信號都屬于基帶信號。,基帶信號往往包含有較多的低頻成分，甚至有直流成分，而許多信道并不能傳輸這種低頻分量或直流分量。因此必須對基帶信號進行,調(diào)制,(modulation)。,帶通信號,把基帶信號經(jīng)過載波調(diào)制后，把信號的頻率范圍搬移到較高的頻段以便在信道中傳輸（即僅在一段頻率范圍內(nèi)能夠通過信道）。,信道的幾個基本概念,基帶信號往往包含有較多的低頻成分，甚至有直流成分，而許多信道并不能傳輸這種低頻分量或直流分量。為了解決這一問題，就必須對基帶信號進行,調(diào)制,(modulation)。,最基本的二元制調(diào)制方法有以下幾種：,調(diào)幅,(AM)：載波的振幅隨基帶數(shù)字信號而變化。,調(diào)頻,

7、(FM)：載波的頻率隨基帶數(shù)字信號而變化。,調(diào)相,(PM)：載波的初始相位隨基帶數(shù)字信號而變化。,基帶數(shù)字信號的幾種調(diào)制方法,0,1,0,0,1,1,1,0,0,基帶信號,調(diào)幅,調(diào)頻,調(diào)相,信道的極限容量,信噪比,香農(nóng)(Shannon)用信息論的理論推導(dǎo)出了帶寬受限且有高斯白噪聲干擾的信道的,極限,、,無差錯的,信息傳輸速率。,信道的極限信息傳輸速率,C,可表達為,C,=,W,log,2,(1+,S,/,N,)b/s,W,為信道的帶寬（以 Hz 為單位）；,S,為信道內(nèi)所傳信號的平均功率；,N,為信道內(nèi)部的高斯噪聲功率。,信道的極限容量,香農(nóng)公式表明,信道的帶寬或信道中的信噪比越大，則信息的極

8、限傳輸速率就越高。,只要信息傳輸速率低于信道的極限信息傳輸速率，就一定可以找到某種辦法來實現(xiàn)無差錯的傳輸。,若信道帶寬,W,或信噪比,S,/,N,沒有上限（當(dāng)然實際信道不可能是這樣的），則信道的極限信息傳輸速率,C,也就沒有上限。,實際信道上能夠達到的信息傳輸速率要比香農(nóng)的極限傳輸速率低不少。,信道復(fù)用技術(shù),（多路）復(fù)用技術(shù)主要分為兩大類型：,頻分多路復(fù)用,FDM,(Frequency Division Multiplexing),時分多路復(fù)用,TDM,(Time Division Multiplexing),上述兩種復(fù)用方法技術(shù)比較成熟，但是不夠靈活，相比而言頻分復(fù)用技術(shù)更利于模擬信號的傳輸

9、，而時分復(fù)用則更有利于數(shù)字信號的傳輸。,信道復(fù)用技術(shù),（多路）復(fù)用技術(shù)具體可分為三種：,頻分復(fù)用,時分復(fù)用,統(tǒng)計時分復(fù)用,頻分復(fù)用 FDM(Frequency Division Multiplexing),用戶在分配到一定的頻帶后，在通信過程中自始至終都占用這個頻帶。,頻分復(fù)用的所有用戶在同樣的時間占用不同的帶寬資源,（請注意，這里的“帶寬”是頻率帶寬而不是數(shù)據(jù)的發(fā)送速率）。,頻率,時間,頻率 1,頻率 2,頻率 3,頻率 4,頻率 5,時分復(fù)用TDM(Time Division Multiplexing),時分復(fù)用,則是將時間劃分為一段段等長的,時分復(fù)用幀,（TDM 幀）。每一個時分復(fù)用的用

10、戶在每一個 TDM 幀中占用固定序號的時隙。每一個用戶所占用的時隙是,周期性地出現(xiàn),（其周期就是 TDM 幀的長度）。TDM 信號也稱為,等時,(isochronous)信號。,時分復(fù)用的所有用戶是在不同的時間占用同樣的頻帶寬度。,統(tǒng)計時分復(fù)用 STDM(Statistic TDM),統(tǒng)計時分復(fù)用,又稱為異步時分復(fù)用，它使用STDM幀來傳送復(fù)用數(shù)據(jù)，但每個STDM幀中的,時隙數(shù)小于連接在集中器中的用戶數(shù),。各用戶有了數(shù)據(jù)就隨時發(fā)往集中器中的輸入緩存，然后集中器按順序依次掃描輸入緩存并將輸入數(shù)據(jù)放入STDM幀，對沒有數(shù)據(jù)的緩存就跳過去，當(dāng)一個幀數(shù)據(jù)放滿就發(fā)送出去。因此，,STDM幀不是固定分配時

11、隙，而是按需動態(tài)地分配時隙，所以可以提高線路的利用率。,波分復(fù)用 WDM（Wavelength Division Multiplexing),人們可借助傳統(tǒng)的載波電話的頻分復(fù)用的概念，實現(xiàn)使用一根光纖同時傳輸多個頻率很接近的光載波信號，使光纖的傳輸能力成倍提高。,這里習(xí)慣用,波長,而不是頻率來表示所使用的光載波。,現(xiàn)在的,密集波分復(fù)用DWDM,(Dense Wavelength Division Multiplexing)可以在一根光纖上復(fù)用80路以上的光載波信號。,EDFA,(Erbium Doped Fiber Amplifier)為摻餌光纖放大器。,碼分復(fù)用 CDM(Code Divis

12、ion Multiplexing),碼分復(fù)用CDM也是一種共享信道的方法。其常用名詞是,碼分多址,CDMA(Code Division Multiple Access)。,各用戶可在同樣的時間使用同樣的頻帶進行通信，由于各用戶使用經(jīng)過特殊挑選的不同碼型，因此彼此不會造成干擾,。,這種系統(tǒng)最早用于軍事通信，其發(fā)送的信號,有很強的抗干擾能力,，其頻譜類似于白噪聲，不易被敵人發(fā)現(xiàn)。,在CDMA中，每一個比特時間劃分為,m,個短的間隔，稱為,碼片,(chip)。,碼分復(fù)用 CDM(Code Division Multiplexing),每個站被指派一個唯一的,m,bit 碼片序列。,如發(fā)送比特 1，則

13、發(fā)送自己的,m,bit 碼片序列。,如發(fā)送比特 0，則發(fā)送該碼片序列的二進制反碼。,例如，S 站的 8 bit 碼片序列是 00011011。,發(fā)送比特 1 時，就發(fā)送序列 00011011，,發(fā)送比特 0 時，就發(fā)送序列 11100100。,S 站的碼片序列：(1 1 1+1+1 1+1+1),這里按習(xí)慣將碼片中的0用1表示。,碼分復(fù)用 CDM(Code Division Multiplexing),CDMA,的重要特點：,每個站分配的碼片序列不僅必須各不相同，并且還必須互相正交(orthogonal)。,在實用的系統(tǒng)中是使用偽隨機碼序列。,碼分復(fù)用 CDM(Code Division Mu

14、ltiplexing),碼片序列的,正交關(guān)系,令向量 S 表示站 S 的碼片向量，令 T 表示其他任何站的碼片向量。,兩個不同站的碼片序列正交，就是向量 S 和T 的規(guī)格化內(nèi)積(inner product)都是 0,：,(2-3),碼片序列的正交關(guān)系舉例,令向量 S 為(1 1 1+1+1 1+1+1)，向量 T 為(1 1+1 1+1+1+1 1)。,把向量 S 和 T 的各分量值代入(2-3)式就可看出這兩個碼片序列是正交的。,碼分復(fù)用 CDM(Code Division Multiplexing),碼片序列的,正交關(guān)系,另一個重要特性:,任何一個碼片向量和該碼片向量自己的規(guī)格化內(nèi)積都是1

15、。,一個碼片向量和該碼片反碼的向量的規(guī)格化內(nèi)積值是 1。,參見書p52,CDMA 的工作原理,S 站的碼片序列,S,1,1,0,t,t,t,t,t,t,m,個碼片,t,S 站發(fā)送的信號,S,x,T 站發(fā)送的信號,T,x,總的發(fā)送信號,S,x,+,T,x,規(guī)格化內(nèi)積,S,S,x,規(guī)格化內(nèi)積,S,T,x,數(shù)據(jù)碼元比特,發(fā),送,端,接,收,端,數(shù)字傳輸系統(tǒng),PCM脈碼調(diào)制體制,（書p54表23）,脈碼調(diào)制 PCM 體制最初是為了在電話局之間的中繼線上傳送多路的電話。,由于歷史上的原因，PCM 有兩個互不兼容的國際標(biāo)準(zhǔn)，即北美的 24 路 PCM（簡稱為 T1）和歐洲的 30 路 PCM（簡稱為 E1

16、）。我國采用的是歐洲的 E1 標(biāo)準(zhǔn)。,E1 的速率是 2.048 Mb/s，而 T1 的速率是 1.544 Mb/s。,當(dāng)需要有更高的數(shù)據(jù)率時，可采用復(fù)用的方法。,SONET 標(biāo)準(zhǔn)定義了四個光接口層,光子層(Photonic Layer),處理跨越光纜的比特傳送。,段層(Section Layer),在光纜上傳送 STS-N 幀。,線路層(Line Layer),負責(zé)路徑層的同步和復(fù)用。,路徑層(Path Layer),處理路徑端接設(shè)備 PTE(Path Terminating Element)之間的業(yè)務(wù)的傳輸。,SONET 的體系結(jié)構(gòu),光子層,路徑層,線路層,段層,線路(line),光子層,路徑層,線路層,段層,光子層,線路層,段層,光子層,段層,光子層,線路層,段層,光子層,段層,SDH,終端,SDH,終端,復(fù)用器,或,分用器,復(fù)用器,或,分用器,轉(zhuǎn)發(fā)器,轉(zhuǎn)發(fā)器,段,段,段,路徑(path),(section),(section),(section),xDSL/HFC/FTTx三種技術(shù)的比較,xDSL 技術(shù)就是用數(shù)字技術(shù)對現(xiàn)有的模擬電話用戶線進行改造，使它能夠承載寬帶業(yè)務(wù)。成本低，