數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)復(fù)習(xí)提綱.ppt

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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(gè)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(hào)和帶通信號(hào)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(jì)算方法 香農(nóng)公式 信道復(fù)用的概念 分類(lèi) FDM TDM的比較 STDM特點(diǎn) 理解CDMA的基本原理并會(huì)進(jìn)行簡(jiǎn)單計(jì)算數(shù)字傳輸系統(tǒng) PCM的兩大標(biāo)準(zhǔn) SONET的四個(gè)層次和結(jié)構(gòu) 寬帶接入技術(shù) ADSL的構(gòu)成 HFC的體系結(jié)構(gòu) FTTx技術(shù) 三種技術(shù)的特點(diǎn)比較 移動(dòng)電話系統(tǒng)的發(fā)展 經(jīng)歷過(guò)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 FourierAnalysis 19世紀(jì)早期 法國(guó)數(shù)學(xué)家傅立葉證明了 任何一個(gè)正常的周期為T(mén)的函數(shù)g t 都可以展開(kāi)成多個(gè) 可能無(wú)限多個(gè) 正弦和余弦函數(shù)的和 其中 f 1 T為基頻 an和bn是n次諧波的正弦和余弦振幅 C為常數(shù) 這種分解稱(chēng)為傅立葉級(jí)數(shù) FourierSeries 利用上述級(jí)數(shù)可將一個(gè)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(hào)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 FourierAnalysis 對(duì)式兩邊同時(shí)乘以sin 2 kft 后從0到T求積分可計(jì)算出振幅an bn項(xiàng)消失 對(duì)式兩邊同時(shí)乘以cos 2 kft 后從0到T求積分可計(jì)算出振幅bn an項(xiàng)消失 對(duì)式兩邊同時(shí)從0到T求積分可計(jì)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(wú)噪音信道情況 尼奎斯特 Nyquist 證明 若任一個(gè)信號(hào)已通過(guò)了一個(gè)帶寬為H的低通濾波器 則只要每秒2H次采樣 過(guò)濾后信號(hào)可被完全重構(gòu) 且若信號(hào)包含V個(gè)離散級(jí)數(shù) 則 最大數(shù)據(jù)傳輸率 2Hlog2V 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) Shannon 在尼奎斯特定理的基礎(chǔ)上 得到一條帶寬為HHz 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 Hlog2 1 S N 其中 S為信號(hào)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 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的基本模型 模型功能源點(diǎn) 源點(diǎn)設(shè)備產(chǎn)生待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)發(fā)送器 格式轉(zhuǎn)換 編碼成適合傳輸?shù)男盘?hào) 典型的發(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(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng) 接收器 接收信號(hào)并轉(zhuǎn)換為目的設(shè)備可識(shí)別的數(shù)據(jù)格式 典型的接收器是解調(diào)器 終點(diǎn) 接收數(shù)據(jù)并對(duì)其進(jìn)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(lái)看 有三種基本方式 單向通信 單工通信 只能有一個(gè)方向的通信而沒(méi)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(shí)發(fā)送 當(dāng)然也就不能同時(shí)接收 雙向同時(shí)通信 全雙工通信 通信的雙方可以同時(shí)發(fā)送和接收信息 信道的幾個(gè)基本概念 基帶信號(hào) 即基本頻帶信號(hào) 來(lái)自信源的信號(hào) 像計(jì)算機(jī)輸出的代表各種文字或圖像文件的數(shù)據(jù)信號(hào)都屬于基帶信號(hào) 基帶信號(hào)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(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行調(diào)制 modulation 帶通信號(hào) 把基帶信號(hào)經(jīng)過(guò)載波調(diào)制后 把信號(hào)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(guò)信道 信道的幾個(gè)基本概念 基帶信號(hào)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(wèn)題 就必須對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)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(hào)而變化 調(diào)頻 FM 載波的頻率隨基帶數(shù)字信號(hào)而變化 調(diào)相 PM 載波的初始相位隨基帶數(shù)字信號(hào)而變化 基帶數(shù)字信號(hào)的幾種調(diào)制方法 0 1 0 0 1 1 1 0 0 基帶信號(hào) 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(wú)差錯(cuò)的信息傳輸速率 信道的極限信息傳輸速率C可表達(dá)為C Wlog2 1 S N b sW為信道的帶寬 以Hz為單位 S為信道內(nèi)所傳信號(hào)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(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)差錯(cuò)的傳輸 若信道帶寬W或信噪比S N沒(méi)有上限 當(dāng)然實(shí)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(méi)有上限 實(shí)際信道上能夠達(dá)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(lèi)型 頻分多路復(fù)用FDM FrequencyDivisionMultiplexing 時(shí)分多路復(fù)用TDM TimeDivisionMultiplexing 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(hào)的傳輸 而時(shí)分復(fù)用則更有利于數(shù)字信號(hào)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(shí)分復(fù)用統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用 頻分復(fù)用FDM FrequencyDivisionMultiplexing 用戶(hù)在分配到一定的頻帶后 在通信過(guò)程中自始至終都占用這個(gè)頻帶 頻分復(fù)用的所有用戶(hù)在同樣的時(shí)間占用不同的帶寬資源 請(qǐng)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 時(shí)分復(fù)用TDM TimeDivisionMultiplexing 時(shí)分復(fù)用則是將時(shí)間劃分為一段段等長(zhǎng)的時(shí)分復(fù)用幀 TDM幀 每一個(gè)時(shí)分復(fù)用的用戶(hù)在每一個(gè)TDM幀中占用固定序號(hào)的時(shí)隙 每一個(gè)用戶(hù)所占用的時(shí)隙是周期性地出現(xiàn) 其周期就是TDM幀的長(zhǎng)度 TDM信號(hào)也稱(chēng)為等時(shí) isochronous 信號(hào) 時(shí)分復(fù)用的所有用戶(hù)是在不同的時(shí)間占用同樣的頻帶寬度 統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用STDM StatisticTDM 統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用又稱(chēng)為異步時(shí)分復(fù)用 它使用STDM幀來(lái)傳送復(fù)用數(shù)據(jù) 但每個(gè)STDM幀中的時(shí)隙數(shù)小于連接在集中器中的用戶(hù)數(shù) 各用戶(hù)有了數(shù)據(jù)就隨時(shí)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(duì)沒(méi)有數(shù)據(jù)的緩存就跳過(guò)去 當(dāng)一個(gè)幀數(shù)據(jù)放滿(mǎn)就發(fā)送出去 因此 STDM幀不是固定分配時(shí)隙 而是按需動(dòng)態(tài)地分配時(shí)隙 所以可以提高線路的利用率 波分復(fù)用WDM WavelengthDivisionMultiplexing 人們可借助傳統(tǒng)的載波電話的頻分復(fù)用的概念 實(shí)現(xiàn)使用一根光纖同時(shí)傳輸多個(gè)頻率很接近的光載波信號(hào) 使光纖的傳輸能力成倍提高 這里習(xí)慣用波長(zhǎng)而不是頻率來(lái)表示所使用的光載波 現(xiàn)在的密集波分復(fù)用DWDM DenseWavelengthDivisionMultiplexing 可以在一根光纖上復(fù)用80路以上的光載波信號(hào) EDFA ErbiumDopedFiberAmplifier 為摻餌光纖放大器 碼分復(fù)用CDM CodeDivisionMultiplexing 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 CodeDivisionMultipleAccess 各用戶(hù)可在同樣的時(shí)間使用同樣的頻帶進(jìn)行通信 由于各用戶(hù)使用經(jīng)過(guò)特殊挑選的不同碼型 因此彼此不會(huì)造成干擾 這種系統(tǒng)最早用于軍事通信 其發(fā)送的信號(hào)有很強(qiáng)的抗干擾能力 其頻譜類(lèi)似于白噪聲 不易被敵人發(fā)現(xiàn) 在CDMA中 每一個(gè)比特時(shí)間劃分為m個(gè)短的間隔 稱(chēng)為碼片 chip 碼分復(fù)用CDM CodeDivisionMultiplexing 每個(gè)站被指派一個(gè)唯一的mbit碼片序列 如發(fā)送比特1 則發(fā)送自己的mbit碼片序列 如發(fā)送比特0 則發(fā)送該碼片序列的二進(jìn)制反碼 例如 S站的8bit碼片序列是00011011 發(fā)送比特1時(shí) 就發(fā)送序列00011011 發(fā)送比特0時(shí) 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 CodeDivisionMultiplexing CDMA的重要特點(diǎn) 每個(gè)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(shí)用的系統(tǒng)中是使用偽隨機(jī)碼序列 碼分復(fù)用CDM CodeDivisionMultiplexing 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(gè)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 innerproduct 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(gè)碼片序列是正交的 碼分復(fù)用CDM CodeDivisionMultiplexing 碼片序列的正交關(guān)系另一個(gè)重要特性 任何一個(gè)碼片向量和該碼片向量自己的規(guī)格化內(nèi)積都是1 一個(gè)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(jiàn)書(shū)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(gè)碼片 t S站發(fā)送的信號(hào)Sx T站發(fā)送的信號(hào)Tx 總的發(fā)送信號(hào)Sx Tx 規(guī)格化內(nèi)積S Sx 規(guī)格化內(nèi)積S Tx 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(shū)p54表2 3 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(gè)互不兼容的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) 即北美的24路PCM 簡(jiǎn)稱(chēng)為T(mén)1 和歐洲的30路PCM 簡(jiǎn)稱(chēng)為E1 我國(guó)采用的是歐洲的E1標(biāo)準(zhǔn) E1的速率是2 048Mb s 而T1的速率是1 544Mb s 當(dāng)需要有更高的數(shù)據(jù)率時(shí) 可采用復(fù)用的方法 SONET標(biāo)準(zhǔn)定義了四個(gè)光接口層 光子層 PhotonicLayer 處理跨越光纜的比特傳送 段層 SectionLayer 在光纜上傳送STS N幀 線路層 LineLayer 負(fù)責(zé)路徑層的同步和復(fù)用 路徑層 PathLayer 處理路徑端接設(shè)備PTE PathTerminatingElement 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(duì)現(xiàn)有的模擬電話用戶(hù)線進(jìn)行改造 使它能夠承載寬帶業(yè)務(wù) 成本低 易實(shí)現(xiàn) 但帶寬和質(zhì)量差異性大 HFC網(wǎng)的最大的優(yōu)點(diǎn)具有很寬的頻帶 并且能夠利用已經(jīng)有相當(dāng)大的覆蓋面的有線電視網(wǎng) 但是要將現(xiàn)有的450MHz單向傳輸?shù)挠芯€電視網(wǎng)絡(luò)改造為750MHz雙向傳輸?shù)腍FC網(wǎng)需要相當(dāng)?shù)馁Y金和時(shí)間 FTTx 光纖到 這里字母x可代表不同意思 可提供最好的帶寬和質(zhì)量 但現(xiàn)階段線路和工程成本相對(duì)較大 移動(dòng)電話系統(tǒng)的發(fā)展 模擬語(yǔ)音 第一代 蜂窩電話為代表數(shù)字語(yǔ)音 第二代 GSM CDMA為代表數(shù)字語(yǔ)音 第二代半 GPRS為代表數(shù)字語(yǔ)音與數(shù)據(jù) 第三代 CDMA2000 W CDMA為代表數(shù)字語(yǔ)音與多媒體數(shù)據(jù) 第四代 高帶寬 多媒體數(shù)據(jù)傳輸