数据通信与网络课件.ppt
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数据通信与网络课件.ppt
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数据通信与网络基础数据通信与网络基础3数据通信概述概述Overview数据转换为信号才能在信道上传输数据转换为信号才能在信道上传输模拟数据和数字数据都可以编码成模拟信号或数字信号,编码方案取决于具体的要求和所用的传输媒体及通信设备。
问题问题:
在实际基带传输系统中,并非所有的原在实际基带传输系统中,并非所有的原始数字基带信号都能在信道中传输,例如:
始数字基带信号都能在信道中传输,例如:
含有丰富直流和低频成分的基带信号就不适宜含有丰富直流和低频成分的基带信号就不适宜在信道中传输,因为它有可能造成信号严重畸变;在信道中传输,因为它有可能造成信号严重畸变;如果代码出现长时间的连如果代码出现长时间的连“0”符号,不利于准符号,不利于准确提取同步信息;确提取同步信息;易于形成码间干扰;易于形成码间干扰;抗噪声性能差,抗噪声性能差,Ud不易设定。
不易设定。
传输编码要求:
信号中没有直流成分信号中没有直流成分信号自带同步时钟信号自带同步时钟以较少的带宽获得较高的数据率以较少的带宽获得较高的数据率有抗干扰的能力有抗干扰的能力有发现传输错误的能力有发现传输错误的能力实现要简单实现要简单编码类型用数字信号传输数字类数据用数字信号传输数字类数据用模拟信号传输数字类数据用模拟信号传输数字类数据用数字信号传输模拟类数据用数字信号传输模拟类数据用模拟信号传输模拟类数据用模拟信号传输模拟类数据数字数据数字数据数字信号数字信号DigitalData,DigitalSignal数字信号离散的不连续的电压脉冲一个脉冲代表一个信号元素(码元)二进制数据可直接编码成信号元素DigitaltoDigitalEncodingDigitalDataDigitalDataDigitalsignalDigitalsignal术语术语Terms数据率数据率RR:
数据传输的速率(比特数据传输的速率(比特/秒)秒)比特持续时间或长度比特持续时间或长度1/R1/R发送方发送一个比特所需的时间发送方发送一个比特所需的时间比率比率r:
每个信号元素承载的数据元素的数量(见每个信号元素承载的数据元素的数量(见P68图)图)调制速率调制速率(modulationrate)信号电平改变的速率信号电平改变的速率以波特以波特(baud)为单位为单位=每秒信号元素数每秒信号元素数“传号传号”(mark)和和“空号空号”(space)分别是二进制数字分别是二进制数字1和和0信号的解读信号的解读InterpretingSignals接收方必须知道:
接收方必须知道:
各个比特的定时方式各个比特的定时方式何时起始何时起始,何时结束何时结束每个比特信号电平的状态每个比特信号电平的状态是高或低是高或低这两项任务都是通过在每个比特间隔的中间位这两项任务都是通过在每个比特间隔的中间位置采样来进行的置采样来进行的影响信号成功解读的因素:
影响信号成功解读的因素:
数据率提高会增加误码率数据率提高会增加误码率信噪比提高会降低误码率信噪比提高会降低误码率带宽增加可提高数据率带宽增加可提高数据率亦可通过编码方案提高传输性能亦可通过编码方案提高传输性能编码方案的评价指标编码方案的评价指标EvaluatingofEncodingSchemes
(1)信号频谱信号频谱(signalspectrum)没有高频分量没有高频分量,可减少传输所需的带宽可减少传输所需的带宽没有直流分量没有直流分量,可通过变压器进行交流耦合可通过变压器进行交流耦合,实现隔离减实现隔离减少干扰少干扰实际上实际上,信道的传输性能通常在频带的两边较差。
一个好信道的传输性能通常在频带的两边较差。
一个好的信号设计应将传输功率集中在带宽中部的信号设计应将传输功率集中在带宽中部,以减小失真。
以减小失真。
时钟同步时钟同步(clocking)测定每一个比特起始和结束位置(同步)并非易事。
测定每一个比特起始和结束位置(同步)并非易事。
一种相当昂贵的方案是在发送和接收设备间增设一条外一种相当昂贵的方案是在发送和接收设备间增设一条外部时钟线部时钟线另一种方案是提供某些基于所传送信号的同步机制。
这另一种方案是提供某些基于所传送信号的同步机制。
这一点可以通过合适的编码技术来实现。
一点可以通过合适的编码技术来实现。
编码方案的评价指标编码方案的评价指标EvaluatingofEncodingSchemes
(2)差错检测(errordetection)可在具体的信号编码中方案加入部分差错检测功可在具体的信号编码中方案加入部分差错检测功能以提高检错速度能以提高检错速度信号干扰和抗噪声度信号干扰和抗噪声度有些编码在噪声存在的状态下仍具有优秀的性能有些编码在噪声存在的状态下仍具有优秀的性能费用和复杂性费用和复杂性数据速率一定时数据速率一定时,信号速率超高信号速率超高,成本越高成本越高有些编码要求信号速率高于实际的数据速率有些编码要求信号速率高于实际的数据速率编码方案编码方案EncodingSchemesNonreturntoZero-Level(NRZ-L)NonreturntoZeroInverted(NRZI)ManchesterDifferentialManchesterBipolar-AMIPseudoternaryB8ZSHDB3数数字字信信号号的的编编码码格格式式
(1)单极性非归零单极性非归零波形波形(NRZ)特点:
特点:
有直流分量和低频分量。
在有些信道中不易传输。
有直流分量和低频分量。
在有些信道中不易传输。
波形之间无间隔,易产生码间干扰。
波形之间无间隔,易产生码间干扰。
不能直接提取同步信息。
不能直接提取同步信息。
抗噪性能差:
判决门限不能稳定在最佳电平。
抗噪性能差:
判决门限不能稳定在最佳电平。
需信道一端接地。
需信道一端接地。
单极性单极性:
基带信号的基带信号的“0,正,正”电平分别与二进制电平分别与二进制符号符号“0,1”一一对应。
一一对应。
单极性编码只使用一个电压值。
单极性编码只使用一个电压值。
非非归零归零:
Ts设:
消息代码由二进制符号设:
消息代码由二进制符号00、11组成,则组成,则单极性编码存在的问题单极性编码存在的问题ProblemsforUnipolarEncoding两个问题使得单极性编码在信号传输应用中使用不多:
直流分量直流分量(DCComponent)信号的平均振幅不是零。
信号的平均振幅不是零。
不能由没有处理直流分量能力的媒体传输,如微波或变不能由没有处理直流分量能力的媒体传输,如微波或变压器。
压器。
主要用于光纤传输。
主要用于光纤传输。
同步同步(Synchronization)在一个码元时间内,不是有电压在一个码元时间内,不是有电压(或电流或电流),就是无电压就是无电压(或电流或电流),电脉冲之间没有间隔,不易区分识别。
所以,电脉冲之间没有间隔,不易区分识别。
所以接收方不能正确识别每一个比特何时开始、何时结束接收方不能正确识别每一个比特何时开始、何时结束(原原始数据中出现连续的始数据中出现连续的1或或0时)。
时)。
同步:
问题在哪里同步:
问题在哪里?
到底有几个到底有几个”1”(用高电平表示)(用高电平表示)?
当一台设备发送一个比特的数字信号时,它将在一定的当一台设备发送一个比特的数字信号时,它将在一定的周期内(假定为周期内(假定为T)产生一个持续的信号。
一个内置的产生一个持续的信号。
一个内置的时钟负责定时。
接收设备必须知道信号的周期,这样它时钟负责定时。
接收设备必须知道信号的周期,这样它才能在每个才能在每个T时间单元内对信号进行采样。
它也有一个时间单元内对信号进行采样。
它也有一个负责定时的内置时钟。
剩下的就是确保收发两端的两个负责定时的内置时钟。
剩下的就是确保收发两端的两个时钟使用同样的时钟使用同样的T。
但两个时钟能完全一致么?
但两个时钟能完全一致么?
原因:
收发双方脉冲时钟不可能精确一致原因:
收发双方脉冲时钟不可能精确一致答案是否定的。
原因在于:
答案是否定的。
原因在于:
任何物理设备都存在着设计上的局限性和缺陷。
几乎可以肯任何物理设备都存在着设计上的局限性和缺陷。
几乎可以肯定任何两个时钟都存在着微小的差别,这使得设备无法对传定任何两个时钟都存在着微小的差别,这使得设备无法对传输信号作十分精确的采样。
输信号作十分精确的采样。
就象指挥家确保演奏者的同步一样,通信设备也需要某种机就象指挥家确保演奏者的同步一样,通信设备也需要某种机制以使它们的定时保持一致。
制以使它们的定时保持一致。
不变的信号不具备同步机制不变的信号不具备同步机制不变的信号不具备同步机制不变的信号不具备同步机制。
但如果信号改变的话,这种改变就可以用来保持设备的同步。
但如果信号改变的话,这种改变就可以用来保持设备的同步。
有些强制信号改变的编码方案就是基于这个原因。
有些强制信号改变的编码方案就是基于这个原因。
传输不同步:
换一种方式理解传输不同步:
换一种方式理解用户A用户B我发了几个大箱几个小箱?
四个大箱四箱小箱问题在于:
连续多个相同数据的采样节奏用户A用户B我发了几个大箱几个小箱?
?
大概是极性编码极性编码TypesofPolarEncoding极性码极性码不归零型不归零型归零型归零型双相位型双相位型不归零不归零电平编码电平编码不归零不归零反相编码反相编码曼彻斯特编码曼彻斯特编码差分差分曼彻斯特编码曼彻斯特编码采用两个电压值编码:
一个正电压,一个负电压。
不归零编码不归零编码NonreturntoZero(NRZ)不归零电平编码不归零电平编码(NRZ-L)负电平用于表示一个二进制负电平用于表示一个二进制值,正电平用于表示另一个值,正电平用于表示另一个二进制值二进制值由比特值决定信号的电平。
由比特值决定信号的电平。
不归零反相编码不归零反相编码(NRZI)用一个比特间隔开始时是否用一个比特间隔开始时是否出现电平跳变表示出现电平跳变表示1或或0。
属于属于差分编码差分编码,可靠性更好,可靠性更好比特值决定正负电压之间是比特值决定正负电压之间是否跳变,而非决定电平正负。
否跳变,而非决定电平正负。
不归零码:
问题及应用不归零码:
问题及应用Problems&ApplicationsforNRZ对工程师而言,实施容易。
对工程师而言,实施容易。
能充分利用带宽。
能充分利用带宽。
仍含有一定的直流分量,且缺乏同步能力。
仍含有一定的直流分量,且缺乏同步能力。
因其简单性和较低的频率响应特性,常用于终端设备、接因其简单性和较低的频率响应特性,常用于终端设备、接口和数字磁记录。
信号传输中则不常单独用之。
口和数字磁记录。
信号传输中则不常单独用之。
应用实例:
应用实例:
连接优盘的连接优盘的USB串行接口通常使串行接口通常使用用NRZI作为信号的编码。
为了作为信号的编码。
为了解决一长串连续比特解决一长串连续比特00引起的同引起的同步问题,采用了所谓步问题,采用了所谓“位填充技位填充技术术”。
即在连续传输。
即在连续传输6个比特个比特00的的情况下强行插入一个比特情况下强行插入一个比特11。
归零编码归零编码RZEncoding归零编码使用两组电平值:
归零编码使用两组电平值:
正正-零,负零,负-零零信号变化不是发生在比特之间信号变化不是发生在比特之间而是发生在每个比特内。
在每而是发生在每个比特内。
在每个比特间隙的中段,信号将归个比特间隙的中段,信号将归零。
零。
比特比特“1”实际上是用正电平实际上是用正电平跳变到零表示,比特跳变到零表示,比特“0”则则用负电平跳变到零表示,而不用负电平跳变到零表示,而不是仅仅通过电平的正负来表示。
是仅仅通过电平的正负来表示。
在每个比特内产生信号变化可在每个比特内产生信号变化可以解决同步问题。
但这种编码以解决同步问题。
但这种编码方案中每比特需要两次信号变方案中每比特需要两次信号变化,从而占用了更多的带宽。
化,从而占用了更多的带宽。
归零码:
在归零码:
在40G传输技术中的应用传输技术中的应用目前,绝大多数的信号均采用了非归零码(目前,绝大多数的信号均采用了非归零码(NRZ)的编)的编码方式,这种方式可以降低信号的谱宽,但由于占空比码方式
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- 数据通信 网络 课件