第二部分数据和信号课件.ppt
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- 第二 部分 数据 信号 课件
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1、Computer Networks 莆田学院电子信息工程系 计算机网络教研室第二章第二章 数据和信号数据和信号(Data and Signals)第三章第三章 传输介质传输介质(Transmission Media)第四章第四章 数字传输数字传输(Digital Transmission)第五章第五章 模拟传输模拟传输(Analog Transmission)第六章第六章 多路复用技术多路复用技术(Multiplexing)第七章第七章 检错与纠错检错与纠错(Error Detection and Correction)第八章第八章 数据链路控制数据链路控制(Data Link Control
2、)l两个直连设备之间的数据传送(非网络传送)。l四个基本概念信号(signal)传输介质(medium)信号编码(encoding)数据链路控制(data link control)l两个重要方面 可靠性(reliability)传输减损,差错控制等 效率(efficiency)线路复用等l有效性 信息能够传输的速率(越高越好)l可靠性 接收方接收到的信息的准确率(越高越好)l经济性 实现通信所需的费用(越低越好)三者是互相矛盾而又互相联系的。l本章研究:数字信号的有关特性l什么是数字信号?l如何分析数字信号?l数字信号传输速率与传输通道带宽的关系数字信号传输通道的有关特性l影响通信精度的通道
3、因素l如何估算通道的最大数据速率?l通道的主要性能指标通道:用于传输信号的通信通路(包括传输线路和传输设备)2.1 模拟与数字模拟与数字(Analog and Digital)2.2 周期模拟信号周期模拟信号(Periodic Analog Signals)2.3 数字信号数字信号(Digital Signals)2.4 传输减损传输减损(Transmission Impairment)2.5 最大数据速率计算最大数据速率计算(Data Rate Limits)2.6 性能指标性能指标(Performance)(data)各种需要传输和处理的信息(文字,图像、声音、动作等)。有模拟数据和数字数
4、据两种形式。(analog data)具有可连续变化的值,通常用各种测量单位表示时间、身高、体重、温度、教师上课的声音等。(digital data)具有离散值且可以计数的。听课同学的人数,教室电灯开关的状态等。数据要进行传输数据要进行传输,必须将其转换为电磁信号。必须将其转换为电磁信号。To be transmitted,data must be transformed to electromagnetic signals.Note(signals)数据的电气或电磁表示方式有模拟信号或数字信号两种形式。(analog signals)信号波形随时间连续变化;通常用连续变化的电压值表示。(di
5、gital signals)瞬时跳变直方形;只有有限个特定的电压值。P38图3.1l模拟信号和数字信号之间是可以互相转换的 最基本的周期模拟信号,可用三个参数表示l峰值振幅(A)信号强度之峰值单位:伏特l频率(f)信号变化的速率单位:赫芝(Hz)周期 T=1/fl相位()相对于时间0的波形位置正弦波可用下式表示 s(t)=A sin(2f t+)初始初始波形波形振幅振幅变化变化频率频率变化变化相位相位变化变化l频率是信号值相对于时间的变化率。如果一个信号的值在极短时间内发生了变化,它就是高频率。如果一个信号的值在长时间内才发生变化,它就是低频率。l两个极端:两个极端:P41如果一个信号始终不发
6、生变化,它的频率是0。如果一个信号在瞬时发生变化,它的频率是无穷大。频率为频率为0 0频率为频率为l研究电磁信号的方法(time domain)l显示信号振幅随时间变化的情况l信号随时间变化的情况(时间的函数)l通常由电子线路设计师使用(frequency domain)l显示信号振幅随频率变化的情况l信号中频率分量的组成情况(频率的函数)l通常由通信系统设计师使用P43图3.7P43 图图 3.8 三个正弦波的时域和频域三个正弦波的时域和频域l显示信号振幅随时间变化的情况显示信号振幅随时间变化的情况l示例示例:周期性复合信号(方波)非周期性复合信号(单方波)l显示信号振幅显示信号振幅(amp
7、litude)随频率变化的情况随频率变化的情况l示例示例:周期性复合信号(方波)非周期性复合信号(单方波)单一频率的正弦波在数据通信中没有用处;单一频率的正弦波在数据通信中没有用处;我们需要发送复合信号我们需要发送复合信号,一个复合信号由许一个复合信号由许多简单的正弦波组成。多简单的正弦波组成。A single-frequency sine wave is not useful in data communications;we need to send a composite signal,a signal made of many simple sine waves.Notel信号的分析通
8、常是非常复杂的。l为了便于信号分析,常用的做法是把复杂信号分解成一些基本信号的组合。l最简单的信号是正弦信号。l借助于数学工具,可以把任意信号分解成有限个(对周期信号)或无限个(对非周期信号)的组合或叠加。傅立叶傅立叶(Fourier,Jean Baptiste Joseph,1768-1830)法国数学家、物理学家。l数学方面主要贡献是在研究热的传播时创立了一套数学理论,提出任一函数都可以展成三角函数的无穷级数,即傅立叶变换。从现代数学的眼光来看,傅里叶变换是一种特殊的积分变换。它能将满足一定条件的某个函数表示成正弦基函数的线性组合或者积分。l物理方面创造性地提出了“傅立叶导热定律”,圆满地
9、解决了热在非均匀加热的固体中分布传播问题。将任意信号分解为简单正弦分量的一种数学工具。l傅里叶分析(Fourier analysis)表明:任何电磁信号都可以看做是由不同频率成分组成,即由一组不同振幅、频率和相位的正弦波构造而成(叠加)。其关系可用频域图表示。l傅立叶分析使用的两种技术傅立叶级数傅立叶级数 用于周期性信号傅立叶变换傅立叶变换 用于非周期性信号l傅里叶级数傅里叶级数 用于周期性信号用于周期性信号 傅里叶证明了任一个周期为T(频率 f)的复合信号都可分解为一系列的正弦函数和余弦函数之和,其中每个函数是复合信号基频f 的整数倍的谐函数。它的和称为“傅里叶级数”。1)2sin()2co
10、s(2)(nononotnfBtnfAAtsl任何一个具有有限持续时间的复合周期信号,都可以分解成由一个“基波”信号(频率为 fo)加上 n 个谐波信号(频率f=n fo)组成。l“基波”信号的频率(即“基础频率”)fo与复合周期信号频率相同。l换言之,根据傅里叶分析,任何复合信号都换言之,根据傅里叶分析,任何复合信号都是由具有不同频率、相位和振幅的简单正弦是由具有不同频率、相位和振幅的简单正弦波组合而成。波组合而成。P44例例3.8l借助于傅里叶级数,我们可以一组周期性正弦波来近似表示各种非周期性信号。在实际应用中,可以通过逐步增加更高次谐波的方式,来获得与原始非周期性信号足够近似的波形。动
11、态演示:动态演示:jhu.edu/signals/fourier2/l例如,一个频率为 f、振幅为A方波可分解成:)(2sin()1()5(2sin()51()3(2sin()31()2sin(4)(tkfktftfftAtsK 为奇数为奇数(1,3,5,7,)(1,3,5,7,)对于周期信号l分析技术 -用傅里叶级数进行分解 任何一个周期复合信号都可以分解成一组有限个或无限个正弦函数(傅里叶级数)l频域:离散的频率分量一个基础频率(第一谐波)+有限个或无限个高次谐波+直流分量(if Ao 0)l傅立叶变换傅立叶变换 用于非周期性信号 将一个复杂的非周期信号分解成一个简单正弦波的无限级数,每个
12、正弦波都有不同的频率和相位。但频谱不是离散的,而是连续的连续的。l任何非周期信号则可分解成无限个连续频率的正弦波(叠加)。频域图:连续如果复合信号是周期性的,分解得到的是一组具有离如果复合信号是周期性的,分解得到的是一组具有离散频率的信号。如果复合信号是非周期性的,分解得散频率的信号。如果复合信号是非周期性的,分解得到的是具有连续频率的正弦波组合。到的是具有连续频率的正弦波组合。If the composite signal is periodic,the decomposition gives a series of signals with discrete frequencies;if
13、the composite signal is nonperiodic,the decomposition gives a combination of sine waves with continuous frequencies.NoteP45 图3.11 非周期信号(人类语音片断)的时域和频域非周期信号的频率分解后得到的是一条连续曲线非周期信号的频率分解后得到的是一条连续曲线l信号的频谱(spectrum)信号所包含的频率范围。l带宽(bandwidth)频谱的宽度(最高频率减最低频率)l信号的绝对带宽(absolute bandwidth)信号的频谱宽度。l信号的带宽(bandwidth
14、)信号频谱的某一窄小频带范围集中了信号的绝大部分能量。这一频带称为“有效带宽”或者“带宽”。请注意:此处指的是P45图3.12带宽计算:最高频率带宽计算:最高频率-最低频率最低频率l任何传输介质都只能传输某些频率范围内的信号,即具有一个有限的带宽。l如果介质带宽小于信号的有效带宽,接收将会失真。l P47 图3.16如果传输信号具有L个电平,则每个电平可以传送的比特位数为:Log2L 周期数字信号和非周期数字信号的时域和频域周期数字信号和非周期数字信号的时域和频域 (P49 图 3.17)带宽带宽:无穷大无穷大 频率频率:离散的离散的带宽带宽:无穷大无穷大 频率频率:连续的连续的 n计算机通信
15、所传输的方波信号(二进制数字信号)都是非周期性的。n借助傅里叶分析,网络通信中需要传送的数字信号,是带宽无穷大且由连续频率构成的复合模拟信号。n比特率用来反映数字信号的数据传输速率,即每秒传送的比特数(二进制数位数),单位:bps(b/s)或 Mbps。【重要结论】l通过低通通道发送没有调制的数字或模拟信号l基带传输的通道:带宽下限频率为0(低通通道)l低通通道(理想频谱:0的连续频率范围)无限大带宽:可以准确传送数字信号宽带宽:可以较准确传送数字信号窄带宽:只能近似传送数字信号l调制:将输入信号 s(t)和频率为fc的载波信号叠加后,生成一个带宽以fc为中心频率的调制信号m(t)。l在局域网
16、之类的短距离传输中,通常可以不经过调制和解调过程而让数字基带信号直接进行传输,我们称之为数字信号的“基带传输基带传输”。基带 由未经调制变换的信号所占的频带(下限为0 Hz)基带信号 未经调制的模拟或数字信号,其有效带宽频谱从0 Hz开始基带传输 不搬移信号频谱的传输方式特点 不使用载波;由于频谱下限都是从0 Hz开始,所以同一时间同一点上只能传输一路信号;主要用于有线LAN。l用高频信号(载波)把数字信号转换为高频带模拟信号传输(使用载波发送调制过的数字信号)l宽带传输的通道:带宽下限频率不为0(带通通道)l带通通道(连续频率范围f1 f2,f1 0 Hz)如果可用通道是如果可用通道是“带通
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