计算机网络(基带和带通调制与编码方法、波特率和比特率、奈氏准则和香农公式、信道复用技术 [ FDM、TDM、STDM、WDM、CDMA ] ) |
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基带信号
基带信号(即基本频带信号)——来自信源的信号。像计算机输出的代表各种文字或图像文件的数据信号都属于基带信号。 基带信号往往包含有较多的低频成分,甚至有直流成分,而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量。因此必须对基带信号进行调制(modulation)。 基带调制和带通调制基带调制(编码):仅对基带信号的波形进行变换,使它能够与信道特性相适应,变换后的信号仍是基带信号 不归零编码NRZ 高电平表示1,低电平表示0 如果连续1和0无法识别 不归零逆转NRZI 比特中间有跳转表示1,无跳转表示0 解决了连续1问题,但是连续0问题还是存在 曼切斯特编码 比特时间中间跳变,从高电平跳到低电平表示1,反之0 解决连续0和连续1问题,但是因为中间跳转编码效率只有50% 差分曼切斯特编码 每一位中间都有一个跳变,每位开始时有跳变表示“0”,无跳变表示“1” 最基本的二元制调制方法有以下几种: 调幅(AM): 载波的振幅随基带数字信号而变化。 调频(FM): 载波的频率随基带数字信号而变化。 调相(PM): 载波的初始相位随基带数字信号而变化。 为了达到更高的信息传输速率,可采用多元制的振幅相位混合调制方法。 如图为正交振幅调制QAM-16的星座图。 码元:在使用时间域(或简称为时域)的波形表示数字信号时,代表不同离散值的基本波形称为码元。 波特率:其实就是1秒钟能够发送的码元的个数,所以也叫码率。每秒钟信号变化的次数 比特率(传输速率、数字带宽)与波特率的关系:𝐂 = 𝐁 × log2𝐧 其中 C:比特率; B:波特率; n:调制电平数或线路的状态数,为2的整数倍 如果码元只传输一位比特,那么比特率=波特率 格子编码调制为了追求高的数字带宽,总是想办法提高信号级别,即星号 星座上的星点密密分布,这导致出错率的上升。 为了降低高速调制错误,在每个样本中采用一些额外的位用作纠错,剩下的位才用来传输数据,这种机制叫格子编码调制TCM 。 奈氏准则任何实际的信道都不是理想的,在传输信号时会产生各种失真以及带来多种干扰。 码元传输的速率越高,或信号传输的距离越远,在信道的输出端的波形的失真就越严重。 1924年,奈奎斯特(Nyquist)就推导出了著名的奈氏准则。他给出了在假定的理想条件下,为了避免码间串扰,码元的传输速率的上限值。 在任何信道中,码元传输的速率是有上限的,否则就会出现码间串扰的问题,使接收端对码元的判决(即识别)成为不可能。 如果信道的频带越宽,也就是能够通过的信号高频分量越多,那么就可以用更高的速率传送码元而不出现码间串扰。 总而言之,传输速率的提高需要与信道的频带宽成正比,否则会造成大量的失真 理想信道的最高码元传输速率 B =2W 波特 W 是理想信道的带宽,单位为赫兹(Hz) 理想条件下,波特率是带宽的2倍 波特是码元传输速率的单位,1 波特为每秒传送 1 个码元 理想信道最高传输速率C=2W log2𝐧 香农公式香农公式:信道的极限容量 限制码元在信道上的传输速率的因素 信道能够通过的频率范围 信噪比 信噪比=10log10S/N 分贝(dB) S 为信道内所传信号的平均功率; N 为信道内部的高斯噪声功率。 香农(Shannon)用信息论的理论推导出了带宽受限且有高斯噪声干扰的信道的极限、无差错的信息传输速率。 信道的极限信息传输速率C可表达为 C=Wlog2(1+S/N)b/s W 为信道的带宽(以Hz为单位); S 为信道内所传信号的平均功率; N 为信道内部的高斯噪声功率。 公式表明 信道的带宽或信道中的信噪比越大,则信息的极限传输速率就越高。 只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率,就一定可以找到某种办法来实现无差错的传输。 若信道带宽 W 或信噪比 S/N 没有上限(当然实际信道不可能是这样的),则信道的极限信息传输速率 C 也就没有上限。 实际信道上能够达到的信息传输速率要比香农的极限传输速率低不少。 对于频带宽度已确定的信道,如果信噪比不能再提高了,并且码元传输速率也达到了上限值,那么还有办法提高信息的传输速率。这就是用编码的方法让每一个码元携带更多比特的信息量。 信道复用技术频分复用和时分复用 复用(multiplexing)是通信技术中的基本概念。 频分复用是把线路或空间的频带资源分成多个频段(带),将其分别分配给多个用户,每个用户终端的数据通过分配给它的子通路(频段)传输 时分多路复用是将传输信号的时间进行分割,使不同的信号在不同时间内传送 即将整个传输时间分为许多时间间隔(称为时隙、时间片等,slot time) 每个时间片被一路信号占用。 线路上的每一时刻只有一路信号存在。 同步时分复用: 时间片固定分配,适合固定速率传输 异步时分复用:(统计时分复用 STDM) 时间片按需分配,适合可变速率传输 同步时分复用可能会造成线路资源的浪费 使用时分复用系统传送计算机数据时,由于计算机数据的突发性质,用户对分配到的子信道的利用率一般是不高的。 统计时分复用 STDM 统计时分复用就是只有某一路用户有数据要发送时才把时隙分配给它。 所以每个用户的传输速率可以高于平均速率最高可达到线路总的传输能力。 波分复用 WDM 波分复用WDM (Wavelength Division Multiplexing)就是光的频分复用。 整个波长频带被划分为若干个波长范围,每个用户占用一个波长范围来进行传输。 码分复用 CDM 常用的名词是 码分多址 CDMA (Code Division Multiple Access)。 各用户使用经过特殊挑选的不同码型,因此彼此不会造成干扰。 这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力,其频谱类似于白噪声,不易被敌人发现。 每一个比特时间划分为 m 个短的间隔,称为码片(chip)。 码片序列 每个站被指派一个唯一的 m bit 码片序列。 如发送比特 1,则发送自己的 m bit 码片序列。 如发送比特 0,则发送该码片序列的二进制反码。 例如,S 站的 8 bit 码片序列是 00011011。 发送比特 1 时,就发送序列 00011011, 发送比特 0 时,就发送序列 11100100。 CDMA 的重要特点(0写成-1,1写成+1) 1.每个站分配的码片序列不仅必须各不相同,并且还必须互相正交(orthogonal),规格化内积(inner product)都是 0。 2.任何一个码片向量和该码片向量自己的规格化内积都是1 。 3.一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是 –1。 当多个终端发送多个信号时,信号就会在空中叠加。例如码片序列是(-1,-1,-1,-1)和(+1,-1,+1,-1),叠加后变成(0,-2,0,-2)。 接收方如果希望接收某个站点的信息,因为由于正交的特性,其他站点发送的数据不会干扰,则只需要计算该站点对应的码片序列和空中信号的点积,如果能够计算出+1或者是-1,则表明特定站点的数据能够接收,如果计算出0,则表示无法接收 例如(-1,-1,-1,-1) . (0,-2,0,-2) = +1。如果发送的数字是-1,则空中的信号将是 (+2,0,+2,0),而点积将是 (-1,-1,-1,-1) . (+2,0,+2,0) = -1。 CDMA 的工作原理 S、T为码片,Sx 和 Tx为发送出的数据,Sx + Tx 为在空中叠加的数据 |
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