第三章通信中的基本原理.ppt
- 文档编号:18811417
- 上传时间:2023-11-30
- 格式:PPT
- 页数:104
- 大小:2.78MB
第三章通信中的基本原理.ppt
《第三章通信中的基本原理.ppt》由会员分享,可在线阅读,更多相关《第三章通信中的基本原理.ppt(104页珍藏版)》请在冰点文库上搜索。
第三章通信中的基本原理,厦门大学ATR第六研究室石江宏2009年3月1日,2023/11/30,厦门大学通信工程系,2,一、基础知识数字通信系统,数字通信系统结构,2023/11/30,厦门大学通信工程系,3,基础知识数字编码技术,信源编码:
去除信源中的多余信息,目的是提高传输效率语音图像(帧内,帧间)其他数据压缩(有失真,无失真)信道编码:
抑制干扰,目的是提高传输的可靠性差错控制编码编码调制密码编码对称加密非对称加密,2023/11/30,厦门大学通信工程系,4,基础知识技术术语,数据(Data):
传递(携带)信息的实体。
数字数据以二进制数表示信息(Information):
数据的内容或解释信号(Signal):
数据的物理量编码(通常为电气编码)总结:
信息以数据形式表达,数据以信号的形式传播,2023/11/30,厦门大学通信工程系,5,基础知识通信速率,恒参高斯噪声信道的最高信息速率:
Cmax=Wlog2(1+S/N)理想低通信道的最高信号传输速率(码元速率,波特率,符号率):
max2W(B单位是波特,W单位是H)理想带通信道的最高信号传输速率(码元速率,波特率,符号率):
maxW(B单位是波特,W单位是H)理想低通最高数据速率:
Rmax=2Wlog2M(M为信号编码级数)总结:
信息速率不能超过Cmax,信号传输速率不能超过max,2023/11/30,厦门大学通信工程系,6,基础知识模拟信号数字化,模拟数字转换取样量化编码,数字模拟转换求和,2023/11/30,厦门大学通信工程系,7,基础知识通信速率,应用实例,假设电话线实际可利用的带宽W=3000Hz,采用A律13折线非均匀量化,其量化信噪比S/N=35dB,上行原始数据信息35kbps。
对于下行,解码器的任务就是鉴别256个离散电压(8bit量化),但是采用A律解扩的D/A在趋近零的电压太接近,MODEM无法分别,所以从256个电压中选择128个最可靠的(7bit量化),因此下行56kbps。
ISP,2023/11/30,厦门大学通信工程系,8,基础知识通信速率,应用实例,2023/11/30,厦门大学通信工程系,9,基础知识量化噪声,ADC器件理论上达到的SNR(满幅度,均匀量化)SNR=6.02N4.77+20lg(Am/V)10lg(0.5fs/W)=6.02N1.7610lg(0.5fs/W)实际上,话音动态范围大,部分幅度会出现超过量化范围而造成过载,引入的过载噪声;部分信号因为低于最大量化电平V而导致SNR降低。
信息量:
两次不确定性之差,或者说不确定性的减少。
也就是当认识上的不确定性消除或者减少了,信息才是实在的、有效的,2023/11/30,厦门大学通信工程系,10,基础知识量化噪声,语音输入时的SNR特性,D=Am/vAm为语音信号峰值v为量化范围(峰值),超过量化范围产生过载,2023/11/30,厦门大学通信工程系,11,基础知识带通信号采样定理,2023/11/30,厦门大学通信工程系,12,基础知识带通信号采样定理,对于中心频率f0=40MHz,带宽为B=8MHz的带通信号,采样区间分别是多少?
当然M取尽量大,采样频率尽量高,只要采样频率小于AD器件最高采样频率就可以,2023/11/30,厦门大学通信工程系,13,基础知识最优采样频率,条件:
m确定,即奈奎斯特区确定,可以最后定下采样频率,2023/11/30,厦门大学通信工程系,14,基础知识频谱效率,频谱效率,频带利用率:
单位频带内的数据传输速率Rb/W3db=Blog2M/W3db(bps/Hz,B单位是波特,W3db滤波器带宽)功率效率,功率利用率:
在保证信道传输质量下,系统所需归一化信噪比越高,功率利用率越低。
功率效率高,频带利用率就低在功率受限信道中,可采用纠错编码,增加信息冗余度,但传输信号占用的带宽加大,在同样接收条件下,发射功率可以降低,提高功率利用率;在频带受限信道中,可采用多元调制,以减少占用带宽,提高功率,使得频率利用率提高在功率和频带都受限的信道中,则可通过加大调制信号集来为纠错编码提供所需的冗余度。
2023/11/30,厦门大学通信工程系,15,基础知识频谱效率,不同调制方式比较功率效率,M越大,频带利用率就越高,系统调制解调方式所要求的归一化信噪比越高,需要加大功率,所以功率效率就越低,2023/11/30,厦门大学通信工程系,16,基础知识传输方式,模拟传输:
模拟数据模拟信号数字数据模拟信号数字传输:
模拟数据数字信号数字数据数字信号,2023/11/30,厦门大学通信工程系,17,基础知识传输方式,数字数据模拟信号(频带MODEM)ASK2FSKBPSKQPSKQAMGMSK,2023/11/30,厦门大学通信工程系,18,基础知识传输方式,数字数据数字信号二元码NRZRZManchester(0变成01,1变成10)CMI(1交替用11和00代替,0用01代替)nBmB(用m位码表示n位信息码)Miller码(1用01和10代替,两个00,用00和11交替),2023/11/30,厦门大学通信工程系,19,基础知识传输方式,数字数据数字信号三元码AMI(0用0,1用+1和-1交替)HDBn(4个连0用B00V或000V)BnZS(6个0时用0VB0VB),2023/11/30,厦门大学通信工程系,20,基础知识传输方式,数字数据数字信号多元码2B1Q,2023/11/30,厦门大学通信工程系,21,基础知识数字传输技术,常用数字传输编码Manchester:
10M以太网,TokenRing4B5BNRZ:
100M以太网8B10B+NRZ:
1000M以太网,PCI-EPDH的E1,E2,E3:
HDB3AMIPDH的E4:
CMISDH的STM-1:
CMIISDN,DDN,HDSL:
2B1QMiller码:
数据记录,光纤传输,RFID,2023/11/30,厦门大学通信工程系,22,基础知识数字传输技术,数字传输编码结构特点能提取定时无直流成分和只有很小的低频成分提高传输码型的传输效率具有内在的检错能力,2023/11/30,厦门大学通信工程系,23,基础知识传输方式,模拟数据数字信号PCM编码ADPCM编码增量调制,2023/11/30,厦门大学通信工程系,24,基础知识传输方式,模拟数据模拟信号FMAM,2023/11/30,厦门大学通信工程系,25,确定复用(固定复用、同步复用、位置复用)频分复用(FDM)所有用户在同时占用不同的带宽资源。
时分复用(TDM)所有用户分时占用同样的频带宽度。
波分复用(WDM):
DWDM&CWDM光的频(对应波长)分复用。
特点:
一次呼叫同时建立两个方向的电路;在每一个方向上占使用一条电路;在一次呼叫过程中,持续占用确定电路;占用电路是传输系统的总传输容量的确定部分。
统计复用(标记复用、异步复用)统计时分复用STDM改进的时分复用,提高TDM的传输效率。
特点:
一次呼叫建立一个方向的电路;在每一个方向上占使用一条电路;断续占用这些电路;占用电路是传输系统的全部传输容量。
基础知识信道复用技术,2023/11/30,厦门大学通信工程系,26,波分复用就是光的频分复用。
基础知识波分复用,2023/11/30,厦门大学通信工程系,27,基础知识时分复用,2023/11/30,厦门大学通信工程系,28,基础知识E1帧格式,2023/11/30,厦门大学通信工程系,29,A,B,C,D,a,b,c,d,t,t,t,t,a,c,b,有数据就分配时隙,要分配地址,一般时隙数小于用户数,基础知识统计时分复用,2023/11/30,厦门大学通信工程系,30,面向连接服务(connection-oriented)面向连接服务具有连接建立、数据顺序传输和连接释放这三个阶段。
(如PSTN是有连接确定复用,ATM虚连接统计复用)无连接服务(connectionless)两个实体之间的通信不需要先建立好连接。
是一种不可靠的服务。
这种服务常被描述为“尽最大努力交付”(besteffortdelivery)或“尽力而为”。
基础知识寻址方式,2023/11/30,厦门大学通信工程系,31,基础知识通信协议,发E-mail,打印文件mail,喂,请用中文,慢一点!
出错了,请重发!
协议是指通信双方必须遵循的控制信息交换的规则之集合。
语法,语义,定时规则,2023/11/30,厦门大学通信工程系,32,基础知识通信协议,协议分层设计思想,2023/11/30,厦门大学通信工程系,33,基础知识通信协议,2023/11/30,厦门大学通信工程系,34,基础知识物理层,物理层的主要任务:
确定与传输媒体的接口的一些特性机械特性:
形状、尺寸、线数、排列等。
电气特性电缆的各条线上电压的范围。
功能特性:
各线的功能及其上电平的电压表示的意义。
规程特性:
不同功能的各种可能事件的出现顺序。
2023/11/30,厦门大学通信工程系,35,基础知识链路层,链路层的主要任务:
保证点到点物理连接点的链路层的可靠和有效性算法;保证广播信道分配的公平性算法。
寻址、排序、流量控制、差错控制帧定界,将数据和控制信息区分开点对点的透明传输(没有经过其他中间节点)控制对传输介质访问的公平性确定型访问协议:
有序访问,不冲突,用于负荷大的网络竞争型访问协议:
随机访问,会冲突,2023/11/30,厦门大学通信工程系,36,基础知识网络层,网络层的主要任务:
它是保证端到端的数据传输的最低层。
(不同与链路层的点到点传输)路由选择(知道网络的拓扑)拥塞控制网络互联(特别是负责差异网络的互联)为传输层提供服务(屏蔽网络拓扑,类型,数量),2023/11/30,厦门大学通信工程系,37,基础知识传输层,传输层的主要任务:
为源端机和目的机提供可靠、合理的数据传输,与网络结构无关,是系统协议体系的核心。
为应用层提供可靠、合理的服务提供建立、维护、拆除传输连接的功能提供端到端的差错恢复和流控制,2023/11/30,厦门大学通信工程系,38,基础知识卫星电话协议转换,2023/11/30,厦门大学通信工程系,39,基础知识GSM协议转换,2023/11/30,厦门大学通信工程系,40,文件传送模块,计算机1,计算机2,文件传送模块,只看这两个文件传送模块好像文件及文件传送命令是按照水平方向的虚线传送的,把文件交给下层模块进行发送,把收到的文件交给上层模块,基础知识通信协议举例,2023/11/30,厦门大学通信工程系,41,文件传送模块,计算机1,计算机2,文件传送模块,只看这两个通信服务模块好像可直接把文件可靠地传送到对方,把文件交给下层模块进行发送,把收到的文件交给上层模块,通信服务模块,通信服务模块,基础知识通信协议举例,2023/11/30,厦门大学通信工程系,42,文件传送模块,计算机1,计算机2,文件传送模块,通信服务模块,通信服务模块,网络接入模块,网络接入模块,通信网络,网络接口,网络接口,网络接入模块负责做与网络接口细节有关的工作例如,规定传输的帧格式,帧的最大长度等。
基础知识通信协议举例,2023/11/30,厦门大学通信工程系,43,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机1,AP2,AP1,计算机2,应用进程数据先传送到应用层,加上应用层首部,成为应用层PDU,基础知识通信协议举例,2023/11/30,厦门大学通信工程系,44,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机1,AP2,AP1,计算机2,应用层PDU再传送到运输层,加上运输层首部,成为运输层报文,基础知识通信协议举例,2023/11/30,厦门大学通信工程系,45,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机1,AP2,AP1,计算机2,运输层报文再传送到网络层,加上网络层首部,成为IP数据报(或分组),基础知识通信协议举例,2023/11/30,厦门大学通信工程系,46,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机1,AP2,AP1,计算机2,IP数据报再传送到数据链路层,加上链路层首部和尾部,成为数据链路层帧,基础知识通信协议举例,2023/11/30,厦门大学通信工程系,47,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机1,AP2,AP1,计算机2,数据链路层帧再传送到物理层,最下面的物理层把比特流传送到物理媒体,基础知识通信协议举例,2023/11/30,厦门大学通信工程系,48,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机1,AP2,AP1,计算机2,物理层接收到比特流,上交给数据链路层,基础知识通信协议举例,2023/11/30,厦门大学通信工程系,49,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机1,AP2,AP1,计算机2,数据链路层剥去帧首部和帧尾部取出数据部分,上交给网络层,基础知识通信协议举例,2023/11/30,厦门大学通信工程系,50,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机1,AP2,AP1,计算机2,网络层剥去首部,取出数据部分上交给运输层,基础知识通信协议举例,2023/11/30,厦门大学通信工程系,51,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机1,AP2,AP1,计算机2,运输层剥去首部,取出数据部分上交给应用层,基础知识通信协议举例,2023/11/30,厦门大学通信工程系,52,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机1,AP2,AP1,计算机2,应用层剥去首部,取出应用程序数据上交给应用进程,基础知识通信协议举例,2023/11/30,厦门大学通信工程系,53,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机1,AP2,AP1,计算机2,我收到了AP1发来的应用程序数据!
基础知识通信协议举例,2023/11/30,厦门大学通信工程系,54,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机1,AP2,AP1,计算机2,应用程序数据,10100110100101比特流110101110101,注意观察加入或剥去首部(尾部)的层次,应用程序数据,基础知识通信协议举例,2023/11/30,厦门大学通信工程系,55,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机1,AP2,AP1,计算机2,10100110100101比特流110101110101,计算机2的物理层收到比特流后交给数据链路层,基础知识通信协议举例,2023/11/30,厦门大学通信工程系,56,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机1,AP2,AP1,计算机2,数据链路层剥去帧首部和帧尾部后把帧的数据部分交给网络层,H2,T2,基础知识通信协议举例,2023/11/30,厦门大学通信工程系,57,H3,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机1,AP2,AP1,计算机2,网络层剥去分组首部后把分组的数据部分交给运输层,基础知识通信协议举例,2023/11/30,厦门大学通信工程系,58,H4,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机1,AP2,AP1,计算机2,运输层剥去报文首部后把报文的数据部分交给应用层,基础知识通信协议举例,2023/11/30,厦门大学通信工程系,59,应用程序数据,H5,应用程序数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机1,AP2,AP1,计算机2,应用层剥去应用层PDU首部后把应用程序数据交给应用进程,基础知识通信协议举例,2023/11/30,厦门大学通信工程系,60,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机1,AP2,AP1,计算机2,我收到了AP1发来的应用程序数据!
基础知识通信协议举例,2023/11/30,厦门大学通信工程系,61,标志字段F(Flag)为6个连续1加上两边各一个0共8bit。
在接收端只要找到标志字段就可确定一个帧的位置。
“01111110B”表示HDLC帧的起始和结束。
data长度可变,若data中包含有字节内容为控制字符“7EH”和“7DH”的数据,则必须在该字节前插入一字节“7DH”,并把其字节内容修改为其原来数值和“20H”异或后的数值,不修改原有data的“长度”字段值。
如:
将“7EH”改为“7D5EH”,“7D”改为“7D5DH”,比特,8,8,8,可变,16,8,信息Info,标志F,标志F,地址A,控制C,帧检验序列FCS,透明传输区间,FCS检验区间,基础知识HDLC链路帧结构,2023/11/30,厦门大学通信工程系,62,基础知识以太网链路帧结构,最小帧长是64字节,2023/11/30,厦门大学通信工程系,63,基础知识以太网IP头,2023/11/30,厦门大学通信工程系,64,基础知识以太网TCP头,2023/11/30,厦门大学通信工程系,65,基础知识Bluetooth链路帧结构,ARQN0时表示NAK;ARQN1时表示ACK,用于对负载传送正确性的确认。
SEQN比特在每发送一个新的分组时翻转一次,2023/11/30,厦门大学通信工程系,66,实体:
表示任何可发送或接收信息的硬件或软件进程。
协议:
控制两个对等实体进行通信的规则的集合,水平的,完备的。
服务:
本层实体向上一层实体提供的一组原语(操作),是垂直。
服务原语(请求,指示,响应,证实)带有参数。
接口:
上层可以访问本层服务的入口规程。
通常由服务数据单元和层间控制信令组成总结:
服务是定义了上层可以利用本层的操作,但未定义操作如何实现,实现要通过本层协议。
因此,只要提供的服务(操作)不变,协议可以任意改动。
这样协议和服务就分开了。
基础知识实体、协议、服务、接口,2023/11/30,厦门大学通信工程系,67,服务用户,第n层,第n+1层,服务用户,基础知识实体、协议、服务、接口,2023/11/30,厦门大学通信工程系,68,基础知识实体、协议、服务、接口,报头,2023/11/30,厦门大学通信工程系,69,应用层,运输层,网络层,表示层,会话层,数据链路层,物理层,7654321,OSI的体系结构,应用层,网络接口层,网际层IP,(各种应用层协议如TELNET,FTP,SMTP等),运输层(TCP或UDP),TCP/IP的体系结构,无连接分组交付服务,运输服务(可靠或不可靠),TCP/IP的三个服务层次,基础知识TCP/IP体系结构,2023/11/30,厦门大学通信工程系,70,沙漏计时器形状的TCP/IP协议族,HTTP/RTSP,SMTP,DNS,RTP/RTCP,TCP,UDP,IP,网际层,网络接口层,运输层,应用层,网络接口1,网络接口2,网络接口3,EverythingoverIPIP可为各式各样的应用程序提供服务,IPoverEverythingIP可应用到各式各样的网络上,2023/11/30,厦门大学通信工程系,71,应用层运输层网际层网络接口层,主机A,主机B,路由器,网络2,网络1,应用层运输层网际层网络接口层,网际层网络接口层,4321,基础知识协议转换,2023/11/30,厦门大学通信工程系,72,基础知识互联互通,应用层,表示层,会话层,传输层,网络层,链路层,物理层,局域网线,协议转换,网络层,链路层,物理层,X.25-3,X.25-2,X.25-1,X.25分组网,应用层,表示层,会话层,传输层,网络层,链路层,物理层,网络层,链路层,物理层,X.25-3,X.25-2,X.25-1,局域网线,路由器,路由器,2023/11/30,厦门大学通信工程系,73,电路交换必定是面向连接的。
电路交换的三个阶段:
建立连接通信释放连接,基础知识电路交换特点,2023/11/30,厦门大学通信工程系,74,A和B通话经过四个交换机通话在A到B的连接上进行,(,(,(,(,交换机,交换机,交换机,交换机,用户线,用户线,中继线,中继线,B,D,C,A,基础知识电路交换举例,2023/11/30,厦门大学通信工程系,75,C和D通话只经过一个本地交换机通话在C到D的连接上进行,(,(,(,(,交换机,交换机,交换机,交换机,用户线,用户线,中继线,中继线,B,D,C,A,基础知识电路交换举例,2023/11/30,厦门大学通信工程系,76,报文,基础知识分组交换的原理
(一),在发送端,先把较长的报文划分成较短的、固定长度的数据段。
假设音源的声音是64kb/s的PCM编码声音,并假设应用程序取20毫秒的编码数据为一个数据块,即在一个数据块中有160个字节的声音数据。
2023/11/30,厦门大学通信工程系,77,数据,数据,数据,基础知识分组交换的原理
(二),每一个数据段前面添加上首部构成分组。
首部,首部,首部,应用程序需要为这块声音数据添加RTP标题生成RTP信息包,这个标题包括声音数据的类型、顺序号和时间戳。
然后RTP信息包被送到UDP套接接口,在那里再被封装在UDP信息包中。
2023/11/30,厦门大学通信工程系,78,基础知识分组交换的原理(三),分组交换网以“分组”作为数据传输单元。
依次把各分组发送到接收端(假定接收端在左边)。
2023/11/30,厦门大学通信工程系,79,基础知识分组交换的原理(四),接收端收到分组后剥去首部还原成报文。
数据,首部,数据,首部,数据,首部,收到的数据,2023/11/30,厦门大学通信工程系,80,数据,数据,数据,基础知识分组交换的原理(五),最后,在接收端把收到的数据恢复成为原来的报文。
2023/11/30,厦门大学通信工程系,81,基础知识分组交换示意图,H1,A,分组交换网,B,D,E,C,H5,H6,H4,H2,H3,H1向H5发送分组,H2向H6发送分组,注意分组路径的变化!
结点交换机,主机,2023/11/30,厦门大学通信工程系,82,注意分组的存储转发过程,H1,A,分组交换网,B,D,E,C,H5,H6,H4,H2,H3,H1向H5发送分组,结点交换机,主机,在结点交换机A暂存查找转发表找到转发的端口,在结点交换机C暂存查找转发表找到转发的端口,在结点交换机E暂存查找转发表找到转发的端口,最后到达目的主机H5,2023/11/30,厦门大学通信工程系,83,基础知识物理信道和逻辑信道,信道分为物理信道和逻辑信道。
如GSM中的一个物理信道就为一个时隙(TS),而逻辑信道是根据BTS与MS之间传递的信息种类的不同而定义的不同逻辑信道,这些逻辑信道映射到物理信道上传送。
逻辑信道又分为两大类,业务信道和控制信道。
如GSM中的一个业务信道(TCH)用于传送编码后的话音或客户数据。
而控制信道用于传送信令或同步信息。
2023/11/30,厦门大学通信工程系,84,用户级,网络级,链路级,物理级,物理级,链路级,网络级,用户级,第四级L4,第三级L3,第二级L2,第一级L1,物理通道,逻辑通道,逻辑通道,逻辑通道,基础知识物理信道和逻辑信道,2023/11/30,厦门大学通信工程系,85,基础知识E1物理信道和链路逻辑信道,NO.1随路信令中的实现中继话音通路之间监视功能的线路信令。
(NO.1随路信令中实现电话接续中的路由选择功能的控制电路之间的记发信令),F1-F15的第T16时隙用于传2个话路的信令,2023/11/30,厦门大学通信工程系,86,语音输入,语音编码,信道编码,交织,形成Burst,加密,调制,语音输出,语音解码,信道解码,反交织,解密,解调,偷帧标志和FACCH输入,偷帧标志和FACCH输出,4kHz,8kHz采样,13bit量化,分成20ms数据块,2080bit/20ms,20ms数据块压缩,260bit/20ms,13kbps,20ms数据块经信道编码,456bit/20ms,22.8kpbs,基础知识G
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 第三 通信 中的 基本原理