清华大学计算机网络原理ch3_Data_Communication.ppt

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1、第三章数据通信的基本原理1主要内容（1）3.1数据通信的理论基础3.1.1傅立叶分析3.1.2有限带宽信号3.1.3信道的最大数据传输速率3.2数据通信技术3.2.1数据通信系统的基本结构3.2.2数据编码技术3.2.3多路复用技术3.2.4通信线路的通信方式2主要内容（2）3.3通信交换技术3.3.1电路交换3.3.2报文交换3.3.3分组交换3.3.4交换结构33.1数据通信的理论基础（1）主要内容研究信号在通信信道上传输时的数学表示及其所受到的限制。3.1.1傅立叶分析在网络通信中，信息是以电磁信

2、号（或简称信号）的形式传输的电磁信号是时间的函数（时域观）也可以表示成频率的函数（频域观）对于理解数据传输来讲，信号的频域观比时域观更重要。43.1数据通信的理论基础（2）时域观从时间函数的角度来看，电磁信号分为模拟信号和数字信号。模拟信号的信号强度随着时间平滑变化，或者说信号中没有突变或不连续的地方。数字信号的信号强度在一段时间内保持一个恒定值，然后又变成另外一个恒定值。频域观傅立叶分析当一个信号的所有频率成分是某一个频率的整数倍时，该频率被称为基本频率。信号的周期等于基本频率的周期。53.1数据通信的理

3、论基础（3）傅立叶分析任何一个周期为T的有理周期性函数g(t)可分解为若干项（可能无限多项）正弦和余弦函数之和：g(t)=c++f=1/T基本频率an,bnn次谐波项的正弦和余弦振幅值63.1数据通信的理论基础（4）已知g(t)，求c,an,bn将等式两边从０到Ｔ积分可得cc=用sin(2kft)乘等式两边，并从０到Ｔ积分，可得anan=用cos(2kft)乘等式两边，并从０到Ｔ积分，可得bnbn=73.1数据通信的理论基础（5）对于二进制编码０１１０００１０，其输出电压波形为：g(t)=83.1数据通

4、信的理论基础（6）其傅立叶分析的系数为an=　[cos(n/4)-cos(3n/4)+cos(6n/4)-cos(7n/4)]bn=[sin(3n/4)-sin（n/4)+sin(7n/4)-sin(6n/4)]c=3/893.1数据通信的理论基础（7）根据傅立叶分析，任何电磁信号可以由若干具有不同振幅、频率和相位的周期模拟信号（正弦波）组成。反过来，只要有足够的具有适当振幅、频率和相位的正弦波，就可以构造任何一个信号。103.1数据通信的理论基础（8）3.1.2有限带宽信号(Bandwid

5、thLimitedSignals)频谱（spectrum）是一个信号所包含的频率的范围。图2-1(e)中信号的频谱从f到8f信号的绝对带宽等于频谱的宽度。图2-1(e)中信号的带宽为8f–f=7f许多信号的带宽是无限的，然而信号的主要能量集中在相对窄的频带内，这个频带被称为有效带宽，或带宽（bandwidth）。信号的信息承载能力与带宽有直接关系，带宽越宽，信息承载能力越强。113.1数据通信的理论基础（9）信号在信道上传输时的特性对不同傅立叶分量的衰减不同，引起输出失真信道有截止频率fc,0~fc的振幅衰

6、减较弱，fc以上的振幅衰减厉害，这主要由信道的物理特性决定，0~fc是信道的有限带宽实际使用时，可以接入滤波器，限制用户的带宽通过信道的谐波次数越多，信号越逼真123.1数据通信的理论基础（10）波特率（baud）和比特率（bit）的关系波特率：每秒钟信号变化的次数，也称调制速率。比特率：每秒钟传送的二进制位数。波特率与比特率的关系取决于信号值与比特位的关系例：每个信号值可表示3位，则比特率是波特率的3倍；每个信号值可表示1位，则比特率和波特率相同。133.1数据通信的理论基础（11）对于比特率为Ｂbps的

7、信道，发送8位所需的时间为8/B秒，若8位为一个周期Ｔ，则一次谐波的频率是：f1=B/8Hz能通过信道的最高次谐波数目为：N=fc/f1音频线路的截止频率为3000HzN=fc/f1=3000/(B/8)=24000/B14结论：即使对于完善的信道，有限的带宽限制了数据的传输速率。3.1数据通信的理论基础（12）153.1数据通信的理论基础（13）3.1.3信道的最大数据传输速率1924年，奈魁斯特(H.Nyquist)推导出无噪声有限带宽信道的最大数据传输率公式最大数据传输率=2Hlog2V(bps)任意

8、信号通过一个带宽为Ｈ的低通滤波器，则每秒采样2H次就能完整地重现该信号，信号电平分为V级。163.1数据通信的理论基础（14）1948年，香农(C.Shannon)把奈魁斯特的工作扩大到信道受到随机（热）噪声干扰的情况热噪声出现的大小用信噪比（信号功率S与噪声功率N之比）来衡量，10log10S/N，单位：分贝电话系统的典型信噪比为30db香农的主要结论是：带宽为H赫兹，信噪比为S/N的任意信道的最大数据传输率为