第3章 數(shù)據(jù)傳輸技術(shù) 2A

1、1 數(shù)據(jù)通信與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò) 第 3 章數(shù)據(jù)傳輸技術(shù) 2 第 3 章 數(shù)據(jù)傳輸技術(shù) 教學(xué)目的 n掌握實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)母?種基本技術(shù)，包括數(shù)字 基帶傳輸技術(shù)、數(shù)字頻 帶傳輸技術(shù)、脈沖編碼 調(diào)制技術(shù)、信道訪(fǎng)問(wèn)技 術(shù)、信道復(fù)用技術(shù)、擴(kuò) 頻技術(shù)、同步控制技術(shù)、 數(shù)據(jù)交換技術(shù)和差錯(cuò)控 制技術(shù)。 學(xué)習(xí)內(nèi)容 數(shù)字基帶傳輸技術(shù) 數(shù)字頻帶傳輸技術(shù) 脈沖編碼調(diào)制技術(shù) 信道訪(fǎng)問(wèn)技術(shù) 信道復(fù)用技術(shù) 擴(kuò)頻技術(shù) 同步控制技術(shù) 數(shù)據(jù)交換技術(shù) 差錯(cuò)控制技術(shù) 3 第3章：內(nèi)容提綱 3.1 數(shù)字基帶傳輸技術(shù) 3.2 數(shù)字頻帶傳輸技術(shù) 3.3 脈沖編碼調(diào)制技術(shù) 3.4 信道訪(fǎng)問(wèn)技術(shù) 3.5 信道復(fù)用技術(shù) 3.6 擴(kuò)頻技術(shù) 3.7 同步控

2、制技術(shù) 3.8 數(shù)據(jù)交換技術(shù) 3.9 差錯(cuò)控制技術(shù) 3.0 通信系統(tǒng)通信系統(tǒng) 5 3.1 數(shù)字基帶傳輸技術(shù) n基帶信號(hào)(簡(jiǎn)稱(chēng)基帶)是指原始的數(shù)據(jù)信號(hào)?；鶐?信號(hào)中含有直流、低頻率和其他頻率成分的諧波 分量。 n直接利用基帶信號(hào)的傳輸方式，稱(chēng)為基帶傳輸。 以基帶傳輸方式實(shí)現(xiàn)的傳輸系統(tǒng)，稱(chēng)為基帶傳輸 系統(tǒng)。 n為什么要研究基帶傳輸呢？主要理由是： 近距離傳輸常采用基帶傳輸，頗有實(shí)用價(jià)值； 多數(shù)傳輸系統(tǒng)對(duì)傳輸信號(hào)都有一個(gè)處理基帶波形的過(guò) 程； 理論上可證明，任何一個(gè)帶通傳輸系統(tǒng)總可以由一個(gè) 基帶傳輸系統(tǒng)來(lái)替代?？梢?jiàn)，基帶傳輸是研究頻帶傳 輸?shù)幕A(chǔ)，具有一定的意義。 6 3.1.1 基帶傳輸對(duì)信號(hào)的要

3、求(續(xù)1) n由于實(shí)際的傳輸信道存在各種缺陷(頻率特性 的不理想和噪聲的影響) ，因此需要對(duì)原始數(shù) 據(jù)信號(hào)進(jìn)行碼型變換和波形處理，使之成為適 合于在相應(yīng)系統(tǒng)中傳輸?shù)男盘?hào)。 n基帶傳輸是不搬移頻譜的直接傳輸。通常經(jīng)過(guò) 波形變換后，仍含有直流成分，所以基帶傳輸 有兩種方式：直流傳送和交流傳送。其中，以 交流傳送方式為優(yōu)。 7 3.1.1 基帶傳輸對(duì)信號(hào)的要求(續(xù)2) 基帶傳輸對(duì)傳輸信號(hào)的要求 應(yīng)有利于提高系統(tǒng)的頻帶利用率。 應(yīng)含有少量的直流、甚低頻及高頻分量。 應(yīng)含有可供提取定時(shí)信號(hào)的信號(hào)分量，容易同 步。 其碼型不應(yīng)受信源統(tǒng)計(jì)特性的影響。 其頻譜能量要集中，所占帶寬要窄。 碼型應(yīng)具有較強(qiáng)的抵抗力

4、和自檢能力。 變換電路應(yīng)簡(jiǎn)單，成本低，性能好，易調(diào)整。 8 3.1.2 基帶信號(hào)的波形及其傳輸碼型 1、基帶信號(hào)的波形 n基帶信號(hào)的波形有多種，因矩形易于形成和變 換，故最為常用。 n常用的基帶信號(hào)波形： n單極性不歸零脈沖(圖3-2a)（NRZ） n單極性歸零脈沖(圖3-2b)（RZ） n雙極性不歸零脈沖(圖3-2c) n雙極性歸零脈沖(圖3-2d) n差分波形(圖3-2e) n多電平脈沖(圖3-2f) 9 3.1.2 基帶信號(hào)的波形及其傳輸碼型(續(xù)1) “1”- E / 0 “0”- 0 / E “1”“0”/“0”“1 ” 進(jìn)行極性變化 (a)單極性 不歸零脈沖 (b)單極性 歸零脈沖

5、(c)雙極性不 歸零脈沖 (d)雙極性 歸零脈沖 (e)(傳號(hào)) 差分脈沖 (f)四電平 脈沖 3E -3E 0 E 11 -E 00101110110110 “1”- E “0”- 0 “1”- E “0”- -E “00”- 3E “01”- E “11”- -E “10”- -3E 10000101010100000010101111 E E 0 0 0 -E -E E E E 0 編碼規(guī)則 10 3.1.2 基帶信號(hào)的波形及其傳輸碼型(續(xù)2) n按照上述基帶信號(hào)波形的特征，可歸納為三種基本 分類(lèi)： 按照信號(hào)的極性不同，分為單極性和雙極性信號(hào)。 按照每位信號(hào)的單一極性電位是否占滿(mǎn)整個(gè)碼元

6、 時(shí)間（周期），分為歸零信號(hào)與不歸零信號(hào)。 按照信號(hào)幅度的取值狀態(tài)數(shù)不同，分為二電平信 號(hào)和多電平信號(hào)。 n由于單極性信號(hào)含有較大的直流分量，且判決可靠 性較差（判決電平），所以使用雙極性信號(hào)較為普 遍。 n每個(gè)多電平信號(hào)所含的信息量是二電平信號(hào)的 n 倍， 因此在相同傳信速率的情況下，多電平信號(hào)的符號(hào) 速率（波特率）僅為二電平信號(hào)的1/log2n。 11 3.1.2 基帶信號(hào)的波形及其傳輸碼型(續(xù)3) 2、常用的基帶傳輸碼型 nITU-T建議使用的基帶傳輸碼型有20余種。常用 的有： 雙相碼(圖3-3a) 。又稱(chēng)分相碼、裂相碼或曼徹斯特 (Manchester)碼。它用一個(gè)周期的方波表示“1

7、”，而用它 的反相波形表示“0”。 差分雙相碼(圖3-3b)。利用“差分”的概念，將雙相碼 中用絕對(duì)電平表示的波形改為用電平的相對(duì)變化的波形。 傳號(hào)交替反轉(zhuǎn)碼(圖3-3c)。記作AMI碼。其編碼規(guī)則是： 信息“0”變換為基帶信號(hào)幅度取值為零，而“1”則交替地 變換取值為+E和-E的歸零碼。 三階高密度雙極性碼HDB3 (圖3-3d)。 電子科技大學(xué)通信學(xué)院12/108 3.1.2 基帶信號(hào)的波形及其傳輸碼型(續(xù)4) 13 3.1.2 基帶信號(hào)的波形及其傳輸碼型(續(xù)4) “1”- E / -E “0000”- 000V / B00V “0”0 ( a ) 雙 相 碼 (b)差分 雙相碼 ( c

8、) 傳 號(hào) 交替反轉(zhuǎn) 碼 00101110110110 -E E “1”- -EE “0”-E- E E 0 0 “1”- E / -E “0”- 0 “1”、“0”- -EE E- E “1”“0” 極性變 化 E 0 -E -E (d)三階高密 度碼HDB3 0 01000111000000 E -E 編碼規(guī)則 雙相碼： n又稱(chēng)曼徹斯特（Manchester）碼 n用一個(gè)周期的正負(fù)對(duì)稱(chēng)方波表示“0” ，而用其反相波形表 示“1” 。 “0” 碼用“01”兩位碼表示，“1” 碼用“10 ” 兩位碼表示 n 例： 消息碼： 1 1 0 0 1 0 1 雙相碼：10 10 01 01 10 01

9、 10 n特點(diǎn)： 雙相碼波形是一種雙極性NRZ 波形，只有極性相反的兩個(gè)電 平。 它在每個(gè)碼元間隔的中心點(diǎn)都存在電平跳變，所以含有豐富 的位定時(shí)信息，且沒(méi)有直流分量，編碼過(guò)程也簡(jiǎn)單。 缺點(diǎn)：是占用帶寬加倍，使頻帶利用率降低。 差分雙相碼 n為了解決雙相碼因極性反轉(zhuǎn)而引起的譯碼錯(cuò)誤， 可以采用差分碼的概念。 n雙相碼是利用每個(gè)碼元持續(xù)時(shí)間中間的電平跳變進(jìn) 行同步和信碼表示（由負(fù)到正的跳變表示二進(jìn)制 “0” ，由正到負(fù)的跳變表示二進(jìn)制“1” ）。而在 差分雙相碼編碼中，每個(gè)碼元中間的電平跳變用于 同步，而每個(gè)碼元的開(kāi)始處是否存在額外的跳變用 來(lái)確定0/1: n有跳變則表示二進(jìn)制“1” n無(wú)跳變則表

10、示二進(jìn)制“0” 。 電子科技大學(xué)通信學(xué)院19/108 4.9 線(xiàn)路碼型線(xiàn)路碼型 20 3.1.2 基帶信號(hào)的波形及其傳輸碼型(續(xù)5) 3、基帶傳輸碼型的分析 各種碼型的功率譜曲線(xiàn) 3.1.2 基帶信號(hào)的波形及其傳輸碼型(續(xù)6) 由各種碼型的功率譜曲線(xiàn)，可得如下結(jié)論： 在直流傳送方式中，雙極性不歸零碼（NRZ）的大 部分能量集中在零頻率點(diǎn)附近，直流和低頻能量很 大。所占帶寬為0f0。僅適用于近距離傳輸。 在交流傳送方式中， 交流碼型都不含直流成分，可作為線(xiàn)路傳輸碼型 所占帶寬：雙相碼和差分雙相碼最寬，為02 f0。 21 23 3.1.2 基帶信號(hào)的波形及其傳輸碼型(續(xù)7) 在交流傳送方式中(續(xù)

11、) 提取定時(shí)信號(hào)，當(dāng)出現(xiàn)連“0”碼時(shí)，將使提取 定時(shí)信號(hào)變得困難。 傳輸過(guò)程中如將兩根傳輸線(xiàn)對(duì)調(diào)接線(xiàn)位置， 雙相碼解碼后易發(fā)生極性錯(cuò)誤，其他則不會(huì)。 AMI碼和HDBn碼鄰近線(xiàn)對(duì)的干擾小。 抗干擾性能以二電平碼為最好。 AMI碼、HDB3碼均有較好的檢測(cè)錯(cuò)誤的能力。 24 第3章：內(nèi)容提綱 3.1 基帶傳輸技術(shù) 3.2 頻帶傳輸與調(diào)制技術(shù) 3.3 脈沖編碼調(diào)制技術(shù) 3.4 信道訪(fǎng)問(wèn)技術(shù) 3.5 信道復(fù)用技術(shù) 3.6 擴(kuò)頻技術(shù) 3.7 同步控制技術(shù) 3.8 數(shù)據(jù)交換技術(shù) 3.9 差錯(cuò)控制技術(shù) 25 3.2 數(shù)字頻帶傳輸技術(shù) n基帶傳輸在數(shù)據(jù)傳輸中并非占據(jù)主導(dǎo)地位。其原 因是多數(shù)信道(尤其是無(wú)線(xiàn)電

12、信道)并不能進(jìn)行直 接傳輸，必須用基帶信號(hào)對(duì)載波波形的某些參量 進(jìn)行控制，使這些參量隨基帶信號(hào)的變化而變化， 成為以載波頻率為中心的帶通信號(hào)，這就是“調(diào) 制”的概念。 n“調(diào)制”是實(shí)現(xiàn)頻譜搬移，將數(shù)字基帶信號(hào)變換 成適合于信道傳輸?shù)念l帶信號(hào)。用載波調(diào)制進(jìn)行 傳輸?shù)姆绞椒Q(chēng)為頻帶傳輸。 n調(diào)制分為線(xiàn)性調(diào)制和非線(xiàn)性調(diào)制兩種。 n線(xiàn)性調(diào)制的頻譜產(chǎn)生平移， n而非線(xiàn)性調(diào)制的已調(diào)信號(hào)的頻譜中會(huì)出現(xiàn)新的頻率分 量。 26 3.2 頻帶傳輸與調(diào)制技術(shù)(續(xù)1) n在數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中，一般選用形式簡(jiǎn)單、便于生 成和接收的正弦信號(hào)作為載波。 n數(shù)據(jù)通信一般采用數(shù)字調(diào)制，它是用載波信號(hào)參 量的離散狀態(tài)來(lái)表征所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)

13、信息，在解調(diào) 時(shí)只需對(duì)載波信號(hào)的受調(diào)參量進(jìn)行檢測(cè)和判決。 n數(shù)字調(diào)制就是利用數(shù)字信號(hào)鍵控載波的幅度、頻 率和相位，實(shí)現(xiàn)振幅鍵控(ASK) 、頻移鍵控(FSK) 和相移鍵控(PSK) 。 n數(shù)字調(diào)制形式的選擇往往是頻帶利用率、差錯(cuò)率、 信噪比、抗干擾、抗衰落特性和設(shè)備實(shí)現(xiàn)復(fù)雜性 等因素綜合考慮的結(jié)果。 3.2 頻帶傳輸與調(diào)制技術(shù)(續(xù)2) 二進(jìn)制正弦載波的基本鍵控波形 27 28 正弦形載波 ： 或 式中，A 振幅 (V)； f0 頻率 (Hz)； 0 = 2 f0 角頻率 (rad/s)； 為初始相 位 (rad)。 n3種基本的調(diào)制制度： n振幅鍵控ASK n頻移鍵控FSK n相移鍵控PSK

14、)cos()( 0 tAts)2cos()( 0 tfAts TTT “ 1” “ 1” “ 0” “ 1” “ 1” “ 0” T 29 n矢量表示法和矢量圖 tte tj sincos 30 3.2.1 基本數(shù)字調(diào)制技術(shù) 1、數(shù)字幅度調(diào)制 二進(jìn)制幅度鍵控(2ASK) n基本思想：利用數(shù)字基帶信號(hào)鍵控載波幅度的變 化，即傳送“1”信號(hào)輸出正弦載波信號(hào) ，傳送“0”信號(hào)無(wú)載波輸出。 )cos( cct A 010011100 基帶信號(hào) 調(diào)幅 31 二進(jìn)制振幅鍵控(2ASK) 基本原理 n表示式： 式中，0 2f0為載波的角頻率； n調(diào)制方法 : n相乘電路：包絡(luò)可以是非矩形的 n開(kāi)關(guān)電路：包絡(luò)

15、是矩形的 TtttAts0)cos()()( 0 ”時(shí)。當(dāng)發(fā)送“ ”時(shí)，當(dāng)發(fā)送“ 00 1 )( A tA 相乘器 cos0t s(t)A(t) cos0t s(t) A(t) 32 3.2.1 基本數(shù)字調(diào)制技術(shù)(續(xù)1) 2ASK信號(hào)的調(diào)制 33 3.2.1 基本數(shù)字調(diào)制技術(shù)(續(xù)2) 2ASK信號(hào)的解調(diào) n主要有包絡(luò)檢波法和相干解調(diào)法。 n相干調(diào)解法的基本原理：將輸入已調(diào)信號(hào)S(t)與相 干載波信號(hào)C(t)在相乘器相乘后，再由低通濾波器 過(guò)濾，即得所需的基帶信號(hào)(圖3-7)。 n實(shí)現(xiàn)相干解調(diào)的關(guān)鍵：有一個(gè)與ASK信號(hào)的載波保 持同相同頻的的相干載波，否則會(huì)產(chǎn)生波形失真。 34 n解調(diào)方法： n

16、包絡(luò)檢波法（非相干解調(diào)） 不利用載波相位信息 ： n相干解調(diào)法 利用載波相位信息： 包絡(luò)檢波器包絡(luò)檢波器 全波全波 整流整流 帶通帶通 濾波濾波 低通低通 濾波濾波 抽樣抽樣 判決判決 定時(shí)脈沖定時(shí)脈沖 s(t) A(t) 相干載相干載 波波 cos 0t 相乘相乘 電路電路 帶通帶通 濾波濾波 低通低通 濾波濾波 抽樣抽樣 判決判決 定時(shí)脈沖定時(shí)脈沖 s(t)A(t) 35 3.2.1 基本數(shù)字調(diào)制技術(shù)(續(xù)3) 多進(jìn)制幅度鍵控(MASK) n基本思想：利用多電平的矩形基帶脈沖去控制正 弦載波信號(hào)幅度。 36 3.2.1 基本數(shù)字調(diào)制技術(shù)(續(xù)4) n多電平信號(hào)所包含的信息量是二電平信號(hào) 的lo

17、g2M倍(M為電平數(shù))，所以多電平調(diào)制 的頻帶利用率(指單位頻帶內(nèi)的信息傳輸速 率)比二電平調(diào)制高。 nMASK信號(hào)的解調(diào)方法與2ASK相同，也有 包絡(luò)檢波法和相干解調(diào)法。 37 3.2.1 基本數(shù)字調(diào)制技術(shù)(續(xù)7) 2、數(shù)字頻率調(diào)制 n基本思想：利用數(shù)字基帶信號(hào)控制載波頻率的變 化來(lái)傳輸數(shù)字信息“1”和“0”。 nFSK的抗噪聲、抗衰落優(yōu)于A(yíng)SK，設(shè)備不復(fù)雜、 實(shí)現(xiàn)較容易，所以一直被廣泛應(yīng)用在中、低速數(shù) 據(jù)通信系統(tǒng)中。但是，由于在功率和頻率利用率 方面，傳統(tǒng)的2FSK不及PSK，在DPSK取得成功 后，被逐漸取而代之。近年來(lái)，F(xiàn)SK有著很大進(jìn) 步，在衛(wèi)星、無(wú)線(xiàn)電通信中得到應(yīng)用。 38 3.2

18、.1 基本數(shù)字調(diào)制技術(shù)(續(xù)8) 二進(jìn)制頻移鍵控(2FSK) n2FSK信號(hào)一般用頻率選擇法和載波調(diào)頻法。頻 率選擇法產(chǎn)生相位不連續(xù)的2FSK信號(hào)。載波調(diào) 頻法產(chǎn)生相位連續(xù)的2FSK信號(hào)。 010011100 基帶信號(hào) 調(diào)頻 39 二進(jìn)制頻移鍵控(2FSK) 基本原理 n表示式： n產(chǎn)生方法： n調(diào)頻法： 相位連續(xù) n開(kāi)關(guān)法： 相位不連續(xù) ”時(shí)當(dāng)發(fā)送“ ”時(shí)當(dāng)發(fā)送“ 0)cos( 1)cos( )( 00 11 tA tA ts A(t) 開(kāi)關(guān)電路開(kāi)關(guān)電路 頻率源頻率源1 頻率源頻率源0 s(t) f1 f0 調(diào)頻器調(diào)頻器 A(t)s(t) 40 3.2.1 基本數(shù)字調(diào)制技術(shù)(續(xù)9) 2FSK信

19、號(hào)的調(diào)制 n利用頻率選擇法生成2FSK信號(hào) 41 n接收方法： n相干接收： n非相干接收： n包絡(luò)檢波法： 定時(shí)脈沖定時(shí)脈沖 低通濾波低通濾波 低通濾波低通濾波 抽樣判決抽樣判決 輸出輸出 帶通濾波帶通濾波 f0 帶通濾波帶通濾波 f1 輸入輸入 相乘相乘 相乘相乘 cos 0t cos 1t V0(t) V1(t) y1(t) y0(t) 帶通濾波帶通濾波 f0 帶通濾波帶通濾波 f1 包絡(luò)檢波包絡(luò)檢波 包絡(luò)檢波包絡(luò)檢波 抽樣判決抽樣判決 定時(shí)脈沖定時(shí)脈沖 輸入輸入輸出輸出 V0(t) V1(t) 42 3.2.1 基本數(shù)字調(diào)制技術(shù)(續(xù)10) 2FSK信號(hào)的解調(diào) n有相干解調(diào)法和非相干解調(diào)

20、法。 n目前常用非相干解調(diào)法(圖3-10)，雖然它的抗干擾 性能不及相干解調(diào)法優(yōu)越，但解調(diào)時(shí)無(wú)需從FSK 信號(hào)中提取相干載波，因而實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較簡(jiǎn)單。 n實(shí)現(xiàn)非相干解調(diào)的關(guān)鍵是匹配濾波器。頻率準(zhǔn)確 度很重要。 43 n過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)法 帶通濾波帶通濾波放大限幅放大限幅低通低通微分微分整流整流脈沖展寬脈沖展寬 a b c e d f 44 3.2.1 基本數(shù)字調(diào)制技術(shù)(續(xù)11) 多進(jìn)制頻移鍵控(MFSK) n基本思想：利用M個(gè)不同頻率的信號(hào)波形(如正弦波)來(lái)代 表M進(jìn)制的M個(gè)碼元符號(hào)。 MFSK信號(hào)的調(diào)制 nMFSK信號(hào)的生成常采用頻率選擇法(圖3-11)。 45 3.2.1 基本數(shù)字調(diào)制技術(shù)(續(xù)12

21、) MFSK信號(hào)的解調(diào) n有相干解調(diào)法和非相干解調(diào)法(圖3-12) 。 46 3.2.1 基本數(shù)字調(diào)制技術(shù)(續(xù)13) 3、數(shù)字相位調(diào)制 n基本思想：利用基帶數(shù)字信號(hào)控制載波相位的變 化來(lái)傳輸數(shù)字信息“1”和“0”。 調(diào)相 010011100 基帶信號(hào) 47 二進(jìn)制相移鍵控(2PSK) 基本原理 n表示式： 式中， 或 )cos()( 0 tAts ”時(shí)當(dāng)發(fā)送“ ”時(shí)當(dāng)發(fā)送“ 1 00 ”時(shí)當(dāng)發(fā)送“ ”時(shí)當(dāng)發(fā)送“ 1)cos( 0)cos( )( 0 0 tA tA ts ”時(shí)當(dāng)發(fā)送“ ”時(shí)當(dāng)發(fā)送“ 1cos 0cos )( 0 0 tA tA ts 48 n產(chǎn)生方法 ： n相乘法： 用二進(jìn)制基

22、帶不歸零矩形脈沖信號(hào)A(t)去和載波相乘。 n選擇法：用開(kāi)關(guān)電路去選擇相位相差 的同頻載波。 49 n2PSK和2ASK信號(hào)波形關(guān)系 A 2A A (a) 2ASK (c) 載波載波 (b) 2PSK 50 n解調(diào)方法： n必須采用相干接收法。 n難點(diǎn)：第一，難于確定本地載波的相位 因有 分頻器的相位不確定性、信道不穩(wěn)定性。 第二，信號(hào)波形長(zhǎng)時(shí)間地為連續(xù)的正（余）弦波形時(shí)，使在接收 端無(wú)法辨認(rèn)碼元的起止時(shí)刻。 n 解決辦法： 采用差分相移鍵控(DPSK)體制。 本地載波本地載波 提取提取 帶通濾波帶通濾波 低通濾波低通濾波相相 乘乘抽樣判決抽樣判決 V(t) 二進(jìn)制相移鍵控BPSK 帶載波恢復(fù)

23、電路的BPSK接收機(jī)框圖 52 3.2.1 基本數(shù)字調(diào)制技術(shù)(續(xù)14) n載波相位變化有“絕對(duì)移相”和“相對(duì)移相”兩 種。 n“絕對(duì)移相”是利用載波的不同相位直接去表示數(shù)字 信息， n而“相對(duì)移相”則利用載波的相對(duì)相位，即前后碼元 載波相位的相對(duì)變化來(lái)表示數(shù)字信息的。 n由于表征信息的載波相位只取有限個(gè)離散值，故又稱(chēng) 相移鍵控(PSK)。 n由于實(shí)際系統(tǒng)中接收端提供的相干載波往往存在“相 位模糊”現(xiàn)象。因此，“絕對(duì)移相”雖提出很早，但 實(shí)用的卻是“相對(duì)移相” (DPSK)。 n相移鍵控不僅在恒參信道上具有較優(yōu)的抗噪聲性能和 頻帶利用率，而且在有衰落和多徑現(xiàn)象的信道上也有 較好的接收結(jié)果。與幅度

24、鍵控、頻移鍵控相比，是一 種比較優(yōu)越的調(diào)制形式。 53 3.2.1 基本數(shù)字調(diào)制技術(shù)(續(xù)15) 二進(jìn)制相對(duì)相移鍵控(2DPSK) n由于相對(duì)移相是利用前后碼元之間載波相位的相 對(duì)變化來(lái)傳送數(shù)字信息的，當(dāng)保持前后碼元載波 相位差不變，解調(diào)后恢復(fù)的數(shù)字信息就不會(huì)出現(xiàn) 極性相位，因此相對(duì)移相能夠克服相位模糊現(xiàn)象。 n2DPSK信號(hào)的典型波形如圖3-13所示。每個(gè)碼元 中載波相位的變化是以前一碼元載波相位作為參 考的。 n若假定當(dāng)傳送的數(shù)字信號(hào)為“1”時(shí)，碼元中載波的相 位相對(duì)于前一碼元的載波相位差為；當(dāng)傳送的數(shù)字 信號(hào)為“0”時(shí)，碼元中載波的相位相對(duì)于前一碼元的 載波相位不變。 54 基本原理 n表

25、示式： 設(shè)為當(dāng)前碼元和前一碼元的相位之差： 則，信號(hào)可以表示為 式中，0 2 f0為載波的角頻率； 為前一碼元的相位。 例： ”時(shí)當(dāng)發(fā)送“ ”時(shí)當(dāng)發(fā)送“ 1 00 Tttts0),cos()( 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2DPSK碼元相位碼元相位( + ) 0初始相位初始相位 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 1 1 0 11 1 1 0 0 1 1 0 1 基帶信號(hào)基帶信號(hào) 55 n間接法產(chǎn)生2DPSK信號(hào) n從接收碼元觀(guān)察：不能區(qū)分2DPSK和2PSK信號(hào) 若碼元相位為： 0 0 0 發(fā)2DPSK信號(hào)時(shí): A = 1 1 1 0 0 1 1 0 1 （初相0） 發(fā)2

26、PSK信號(hào)時(shí)： B =1 0 1 1 1 0 1 1 0 （1 ） n若將待發(fā)送的序列A，先變成序列B，再對(duì)載波進(jìn)行2PSK調(diào)制， 結(jié)果和用A直接進(jìn)行2DPSK調(diào)制一樣: 基帶序列： A =1 1 1 0 0 1 1 0 1（絕對(duì)碼） 變換后序列：B = (0)1 0 1 1 1 0 1 1 0（相對(duì)碼） 2PSK調(diào)制后的相位: (0) 0 0 0 n變換規(guī)律： 絕對(duì)碼元“1” 使相對(duì)碼元改變； 絕對(duì)碼元“0” 使相對(duì)碼元不變。 56 n變換方法：用一個(gè)雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 n間接法2DPSK信號(hào)調(diào)制器原理方框圖 碼變換器碼變換器 （雙穩(wěn)觸發(fā)器）（雙穩(wěn)觸發(fā)器）絕對(duì)碼絕對(duì)碼 相對(duì)碼相對(duì)碼 A(t) 載波

27、載波 移相移相 s(t) 碼變換碼變換 57 n2DPSK信號(hào)的解調(diào) n相位比較法： 缺點(diǎn)：對(duì)于延遲單元的延時(shí)精度要求很高，較難作到。 n相干解調(diào)法：先把接收信號(hào)當(dāng)作絕對(duì)相移信號(hào)進(jìn)行相干解調(diào)，解 調(diào)后是相對(duì)碼，再將此相對(duì)碼作逆碼變換，還原成絕對(duì)碼。 s0(t) 相相 乘乘帶通濾波帶通濾波低通濾波低通濾波抽樣判決抽樣判決 V(t) 延遲延遲T s(t) A(t) s1(t) 本地載波本地載波 提取提取 相相 乘乘帶通濾波帶通濾波低通濾波低通濾波抽樣判決抽樣判決逆碼變換逆碼變換 58 n逆碼變換器 脈沖展寬脈沖展寬 逆碼變換器逆碼變換器 微分整流微分整流 cba b c 1 1 1 0 0 1 1

28、 0 1（絕對(duì)碼）（絕對(duì)碼） a(0) 1 0 1 1 1 0 1 1 0（相對(duì)碼）（相對(duì)碼） (a) 原理方框圖原理方框圖 (b) 波形圖波形圖 59 3.2.1 基本數(shù)字調(diào)制技術(shù)(續(xù)16) n從分析數(shù)字信息與碼元信 號(hào)載波相位的關(guān)系可知： 把數(shù)字信息碼先變換成相 對(duì)碼，再用它去進(jìn)行絕對(duì) 移相，與將它直接進(jìn)行相 對(duì)移相的結(jié)果是一樣的。 n這說(shuō)明相對(duì)移相是變換成 相對(duì)碼后的數(shù)字信號(hào)序列 的絕對(duì)移相。在用相對(duì)碼 表示傳送信息之后， 2DPSK信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式 和功率譜密度與2PSK信號(hào) 是相同的。 60 3.2.1 基本數(shù)字調(diào)制技術(shù)(續(xù)17) 2DPSK信號(hào)的調(diào)制 n2DPSK信號(hào)的調(diào)制有調(diào)相法

29、和相位選擇法。但都 需要進(jìn)行預(yù)處理，即先把輸入的基帶信號(hào)編碼轉(zhuǎn) 換成相對(duì)碼，再進(jìn)行絕對(duì)移相(見(jiàn)圖3-14)。 61 2DPSK信號(hào)的解調(diào) n2DPSK信號(hào)的解調(diào)有兩種方法：極性比較法和相位比較法。 n用極性比較法解調(diào)2DPSK信號(hào)的原理框圖及各點(diǎn)波形如圖 3-16所示。 DPSK相位比較法接收機(jī)框圖及相關(guān)波形相位比較法接收機(jī)框圖及相關(guān)波形 62 3.2.1 基本數(shù)字調(diào)制技術(shù)(續(xù)19) 多進(jìn)制移相鍵控(MPSK) n多進(jìn)制相移鍵控是利用載波的多個(gè)相位或相位差 來(lái)表示數(shù)字信息的。 n多相調(diào)制載波的每一相位或相位差與k比特碼元 的一個(gè)狀態(tài)相對(duì)應(yīng)，而k比特碼元包含的信息量 是二進(jìn)制碼元所含有信息量的k

30、倍。隨著k取值增 大，信號(hào)之間的相位差也隨之減小，傳輸可靠性 降低。所以在實(shí)際使用中用得較多的是k=4、8。 n在M進(jìn)制相移鍵控中，多相調(diào)制波形可看作對(duì)兩 個(gè)正交載波進(jìn)行多電平雙邊帶調(diào)制所得信號(hào)之和。 因此，多相調(diào)制波的帶寬與多電平雙邊帶調(diào)制一 樣。 63 3.2.1 基本數(shù)字調(diào)制技術(shù)(續(xù)20) n四相調(diào)制也有絕對(duì)相移鍵控(4PSK)和相對(duì) 相移鍵控(4DPSK)兩種實(shí)現(xiàn)方式。 n4PSK是利用載波的四種不同相位來(lái)表示數(shù) 字信息的。因?yàn)?PSK存在相位模糊現(xiàn)象， 所以在實(shí)際常采用4DPSK。 n4DPSK信號(hào)可以看成是兩路正交的2DPSK 信號(hào)的合成。生成4DPSK信號(hào)通常采用調(diào) 相法和相位選

31、擇法。 QPSK8PSK 調(diào)制 解調(diào) 66 3.2.2 正交幅相調(diào)制 n基本思想：利用兩個(gè)獨(dú)立的基帶波形對(duì)兩個(gè)相互 正交的同頻載波進(jìn)行抑制載波的雙邊帶幅度調(diào)制。 n利用合成的已調(diào)信號(hào)在相同頻帶范圍內(nèi)頻譜正交 特性，從而實(shí)現(xiàn)了在同一頻帶內(nèi)兩路數(shù)據(jù)信息的 并行傳輸。 n基帶波形為矩形脈沖的正交幅度調(diào)制，稱(chēng)為正交 幅度鍵控(QASK)。基帶波形為多電平時(shí)，則構(gòu) 成多電平正交幅度鍵控(MQASK)。 67 3.2.2 正交幅相調(diào)制(續(xù)1) 正交幅度調(diào)制的原理圖 正交幅度鍵控信號(hào)解調(diào)必須采用相干解調(diào)法。 載波信號(hào) m1(t) 基帶信號(hào) m2(t) (a)調(diào)制 載波信號(hào) m2(t) 基帶信號(hào) m1(t)

32、已調(diào)信號(hào) S(t) (b)解調(diào) m1(t) m2(t) + 低通 濾波器 低通 濾波器 cos ctcos ct sin ctsin ct 68 3.2.3 幅相混合調(diào)制 n多進(jìn)制調(diào)制技術(shù)提高了頻帶利用率，是以犧牲功 率利用率為代價(jià)。在信號(hào)星座圖中，當(dāng)M值增加 時(shí)，各信號(hào)之間的最小距離減小，相應(yīng)的信號(hào)判 決區(qū)域縮小，因而接收信號(hào)的誤碼率將隨之提高。 n1960年，C.R.Chen提出了幅相混合鍵控APK的設(shè) 想。幅相混合鍵控是對(duì)載波信號(hào)的幅度和相位同 時(shí)進(jìn)行調(diào)制的一種調(diào)制形式。在M值較大的情況 下，幅相混合鍵控不僅可以提高系統(tǒng)的頻帶利用 率，而且還可以獲得較好的功率利用率，而設(shè)備 卻比MPSK

33、系統(tǒng)簡(jiǎn)單。 69 3.2.3 幅相混合調(diào)制(續(xù)1) n幅相混合調(diào)制是對(duì)載波信號(hào)的幅度和相位同時(shí)進(jìn) 行調(diào)制的一種調(diào)制形式。當(dāng)選擇載波信號(hào)的不同 幅度和不同相位，對(duì)其進(jìn)行不同的組合時(shí)，就可 得到多種不同類(lèi)型的APK信號(hào)。 nAPK信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式為 n ncsn tnTtgatS)cos()()( n csn n csn tnTtgYtnTtgXsin)(cos)( n此式表明APK信號(hào)可看作兩個(gè)正交載波調(diào)制信號(hào)之和。 )sin)(cos(ReReRe )( tjtjYXeeaea ccnn tjj n tj n cnnc 70 3.2.3 幅相混合調(diào)制(續(xù)2) n通常把APK信號(hào)矢量端點(diǎn)(An，

34、Bn)在二維空間內(nèi) 的分布圖稱(chēng)為星座圖。圖3-18表示在功率相等 或最大幅度相等的條件下，16QAM和16PSK信 號(hào)的星座圖。 71 3.2.3 幅相混合調(diào)制(續(xù)3) 結(jié)論 n16PSK相鄰信號(hào)點(diǎn)之間的距離為 d16PSK=0.39A， 16QAM相鄰信號(hào)點(diǎn)之間的距離為 d16QAM=0.47A， 則d16QAMd16PSK，這結(jié)果說(shuō)明超過(guò)約1.64dB。 n幅度相位混合調(diào)制在M比較大的情況下，不僅可 以使通信的有效性和可靠性有較好的改善，而且 在設(shè)備構(gòu)成上也比MPSK系統(tǒng)簡(jiǎn)單，所以在載波 信道和微波信道中得到了重視和應(yīng)用。（DVB-T) 3.2.4 正交頻分復(fù)用調(diào)制 n正交頻分復(fù)用OFDM

35、調(diào)制技術(shù)實(shí)際上是一種多載 波調(diào)制。 n基本思想是：將信道分成若干個(gè)正交子信道，再 將高速串行數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)換成并行的低速子數(shù)據(jù)流 ，調(diào)制到每個(gè)子信道上進(jìn)行傳輸。接收端采用相 關(guān)技術(shù)將正交信號(hào)分開(kāi)，這樣可以減少子信道之 間的相互干擾。 n由于每個(gè)子信道上的信號(hào)帶寬小于信道的相關(guān)帶 寬，因此可將每個(gè)子信道上看成平坦性衰落，從 而消除了符號(hào)間干擾。而且每個(gè)子信道的帶寬僅 是原信道帶寬的一小部分，因此信道均衡變得相 對(duì)容易。 72 OFDM發(fā)射機(jī) OFDM接收機(jī) 3.2.4 正交頻分復(fù)用調(diào)制的優(yōu)點(diǎn) OFDM調(diào)制的優(yōu)點(diǎn) n具有較高的頻譜利用率，在抗多徑衰落、抗窄帶 干擾能力上具有明顯的優(yōu)勢(shì)， n可有效地抗信

36、號(hào)波形間干擾，可以提高系統(tǒng)的非 視距傳播能力，適用于多徑環(huán)境和衰落信道中的 高速數(shù)據(jù)傳輸。 75 不同調(diào)制方式的信道容量 77 3.3 脈沖編碼調(diào)制技術(shù) n話(huà)音和視頻類(lèi)的模擬數(shù)據(jù)在數(shù)字網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行數(shù)字 傳輸時(shí)，需將模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，此時(shí)要 用到一對(duì)編解碼器。編解碼器使用的主要技術(shù)是 脈沖編碼調(diào)制PCM(Pulse Code Modulation)。 nPCM主要有三種方式：標(biāo)準(zhǔn)PCM、差分脈沖編碼 調(diào)制DPCM（Differential PCM）和自適應(yīng)差分脈 沖編碼調(diào)制ADPCM（Adaptive DPCM）。 n標(biāo)準(zhǔn)PCM把頻帶被量化為線(xiàn)性步長(zhǎng)，用于存儲(chǔ)絕 對(duì)量值。DPCM存儲(chǔ)的是前后

37、樣本值之差，因而 存儲(chǔ)量減少了約25%。ADPCM 改變了DPCM的量 化步長(zhǎng)，在給定的信噪比下可壓縮更多的信息。 78 3.3.1 標(biāo)準(zhǔn)PCM技術(shù) n基本原理：對(duì)一個(gè)信號(hào)f(t)以固定均勻的時(shí)間間 隔并且高于信號(hào)最大帶寬兩倍以上的速率進(jìn)行采 樣，那么這些樣本就包含了原始信號(hào)中的所有信 息而不會(huì)發(fā)生混疊。這些樣本通過(guò)低通濾波器就 可重建函數(shù)f(t)。 n以4000Hz（3400Hz）話(huà)音信號(hào)為例，通常擇取8000 個(gè)樣本/秒就足以反映這個(gè)話(huà)音信號(hào)。需注意的是， 這些樣本是模擬樣本(脈幅調(diào)制PAM樣本)。欲想轉(zhuǎn)換 為數(shù)字，還需要為每個(gè)模擬樣本賦予一個(gè)二進(jìn)制碼。 n常用8比特樣本(即允許256個(gè)量

38、化電平)，則經(jīng)恢復(fù)后 的話(huà)音信號(hào)就可達(dá)到模擬傳輸同樣的效果。所以，傳 輸一路話(huà)音信號(hào)所需要的傳輸速率是 8000個(gè)樣本/秒8比特/樣本=64kb/s 79 3.3.1 標(biāo)準(zhǔn)PCM技術(shù)(續(xù)1) 采樣器量化器編碼器模擬 信號(hào) 數(shù)字 信號(hào) 時(shí)間離散、振 幅連續(xù)的信號(hào) (PAM脈沖) 時(shí)間離散、振 幅離散的信號(hào) (PCM脈沖) (a) 話(huà)音信號(hào) (c) 模擬樣本 (d) PCM碼 1110010011010000011011000100010000100110 (b) 采樣脈沖 脈碼調(diào)制框圖 3.3.1 標(biāo)準(zhǔn)PCM技術(shù)(續(xù)2) 脈碼調(diào)制的主要過(guò)程 n采樣 將發(fā)送端輸入的時(shí)間連續(xù)、振幅連續(xù)的模 擬信號(hào)轉(zhuǎn)

39、換成離散時(shí)間、連續(xù)幅度的采樣信號(hào) (PAM脈沖)。 n量化 把時(shí)間離散、振幅連續(xù)的采樣信號(hào)轉(zhuǎn)換成 時(shí)間離散、振幅離散的信號(hào)(PCM脈沖) 。 n編碼 將量化后的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行編碼形成二進(jìn)制 比特流的數(shù)字信號(hào)。（對(duì)數(shù)PCM編碼) PCM編碼過(guò)程的實(shí)質(zhì)是將模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成為一個(gè) 二進(jìn)制脈沖序列(即模/數(shù)轉(zhuǎn)換)。 80 3.3.1 標(biāo)準(zhǔn)PCM技術(shù)(續(xù)3) 脈碼調(diào)制的主要過(guò)程(續(xù)) 81 模擬信號(hào) 數(shù)字信號(hào) 時(shí)間離散、振 幅連續(xù)的信號(hào) (PAM脈沖) 時(shí)間離散、振 幅離散的信號(hào) (PCM脈沖) 編碼器量化器采樣器 n接收端恢復(fù)得到的f(t)與發(fā)送端輸入的f(t)是有 差別的，這是由量化誤差的影響所造成的。

40、 3.3.1 標(biāo)準(zhǔn)PCM技術(shù)(續(xù)4) PCM信道的特點(diǎn) 具有較強(qiáng)的抗干擾性。因?yàn)椴捎迷偕欣^技術(shù)， 遠(yuǎn)距離再生中繼時(shí)噪聲不會(huì)累積； 可采用有效、安全的編碼技術(shù)，提高了系統(tǒng)的可 靠性和安全性； 適于高速數(shù)據(jù)傳輸； 需要很寬的傳輸頻帶，傳輸一路PCM數(shù)字電話(huà)信 號(hào)，約占32kHz的帶寬； 整個(gè)通信系統(tǒng)較復(fù)雜。 82 83 3.3.1 標(biāo)準(zhǔn)PCM技術(shù)(續(xù)5) 影響PCM中繼間隔距離的因素 n碼間串?dāng)_ 發(fā)送/接收端的濾波器和線(xiàn)路的線(xiàn)性失 真，以及再生中繼站均衡器的不理想，會(huì)引起信 道傳輸?shù)幕鶐Рㄐ蔚恼箤捙c較長(zhǎng)的拖尾，這對(duì)后 繼波形將會(huì)造成干擾，這種干擾稱(chēng)為碼間干擾。 碼間干擾難以避免，用均衡器可減少影

41、響。 n線(xiàn)路噪聲 指熱噪聲、脈沖噪聲、系統(tǒng)間的串話(huà)噪 聲等噪聲。 84 3.3.1 標(biāo)準(zhǔn)PCM技術(shù)(續(xù)4) n串話(huà)干擾 當(dāng)PCM線(xiàn)路與話(huà)音線(xiàn)路設(shè)置在同一條 電纜內(nèi)，來(lái)自話(huà)音電路的沖擊性噪聲(主要是撥號(hào) 脈沖噪聲)也會(huì)對(duì)PCM中繼設(shè)備產(chǎn)生串話(huà)干擾。 3.3.2 自適應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制 n自適應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制ADPCM是在DPCM基礎(chǔ) 上，在模數(shù)轉(zhuǎn)換后的語(yǔ)音信號(hào)中計(jì)算兩個(gè)連續(xù)話(huà) 音取樣之間的差異而進(jìn)行編碼的一種技術(shù)。 n核心想法是： 利用自適應(yīng)算法改變量化階的大小； 使用過(guò)去的樣本值估算下一個(gè)輸入樣本的預(yù)測(cè) 值，使實(shí)際樣本值和預(yù)測(cè)值之間的差值總是接 近于最小。 因此，ADPCM 所用量化間隔的大

42、小可按差值信 號(hào)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果能自動(dòng)適配到最佳量化，從而使 因量化造成的失真最小化。 85 86 第3章：內(nèi)容提綱 3.1 基帶傳輸技術(shù) 3.2 頻帶傳輸與調(diào)制技術(shù) 3.3 脈沖編碼調(diào)制技術(shù) 3.4 信道訪(fǎng)問(wèn)技術(shù) 3.5 信道復(fù)用技術(shù) 3.6 擴(kuò)頻技術(shù) 3.7 同步控制技術(shù) 3.8 數(shù)據(jù)交換技術(shù) 3.9 差錯(cuò)控制技術(shù) 87 3.4 信道訪(fǎng)問(wèn)技術(shù) n“訪(fǎng)問(wèn)”（Access）是指引起主、客體之間的信息相互交換 或者系統(tǒng)狀態(tài)改變的主、客體交互行為。 n確保單一使用公用信道的技術(shù)稱(chēng)為信道訪(fǎng)問(wèn)技術(shù)。 訪(fǎng)問(wèn)特征訪(fǎng)問(wèn)特征使用技術(shù)使用技術(shù) 預(yù)約式預(yù)約式 靜態(tài)靜態(tài)頻分多路復(fù)用（頻分多路復(fù)用（FDMA），時(shí)分多路復(fù)用

43、（），時(shí)分多路復(fù)用（TDMA） 碼分多路復(fù)用（碼分多路復(fù)用（CDMA），空分多路復(fù)用（），空分多路復(fù)用（SDMA） 動(dòng)態(tài)動(dòng)態(tài)集中統(tǒng)計(jì)時(shí)分多路復(fù)用集中統(tǒng)計(jì)時(shí)分多路復(fù)用（ATDMA） 無(wú)沖突訪(fǎng)問(wèn)無(wú)沖突訪(fǎng)問(wèn) 選擇式選擇式 菊花鏈?zhǔn)皆L(fǎng)問(wèn)，輪叫輪詢(xún)，傳遞輪詢(xún)，單一選擇菊花鏈?zhǔn)皆L(fǎng)問(wèn)，輪叫輪詢(xún)，傳遞輪詢(xún)，單一選擇 爭(zhēng)用式爭(zhēng)用式 ALOHA純純ALOHA(P-ALOHA)，時(shí)隙，時(shí)隙ALOHA（S-ALOHA） CSMA非堅(jiān)持非堅(jiān)持CSMA，1堅(jiān)持堅(jiān)持CSMA，P堅(jiān)持堅(jiān)持CSMA，CSMA/CD 環(huán)環(huán) 式式權(quán)標(biāo)（權(quán)標(biāo)（TOKEN），分時(shí)環(huán)，寄存器插入，開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換，分時(shí)環(huán)，寄存器插入，開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換 混合式混合式預(yù)約預(yù)

44、約ALOHA，有限爭(zhēng)用，爭(zhēng)用環(huán)，有限爭(zhēng)用，爭(zhēng)用環(huán) 88 3.4.1 輪詢(xún)?cè)L問(wèn)技術(shù) n輪詢(xún)?cè)L問(wèn)是在多個(gè)結(jié)點(diǎn)共享公用信道的線(xiàn)路中， 主機(jī)依照一定的順序探詢(xún)各結(jié)點(diǎn)有無(wú)傳送信息 的要求，被探詢(xún)的結(jié)點(diǎn)如有傳送信息的要求就 占用公用信道，將信息發(fā)送給主機(jī)。否則，主 機(jī)繼續(xù)探詢(xún)下一結(jié)點(diǎn)。這是一種輪詢(xún)式的受控 接入信道訪(fǎng)問(wèn)技術(shù)。 n按照探詢(xún)控制權(quán)的轉(zhuǎn)移與否，輪詢(xún)可分為輪叫 輪詢(xún)和傳遞輪詢(xún)兩種類(lèi)型。 89 3.4.1 輪詢(xún)?cè)L問(wèn)技術(shù)(續(xù)1) 1、輪叫輪詢(xún) n輪叫輪詢(xún)的基本原理如圖3-21所示。 n輪叫輪詢(xún)是由主機(jī)按事先確定的順序向各個(gè)結(jié)點(diǎn) 或者向指定結(jié)點(diǎn)輪流詢(xún)問(wèn)，并接收各結(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的 信息。因?yàn)橹鳈C(jī)一直持有探詢(xún)各結(jié)

45、點(diǎn)的控制權(quán)， 各結(jié)點(diǎn)始終是被探詢(xún)的對(duì)象，因此是一種集中控 制的方法。 3.4.1 輪詢(xún)?cè)L問(wèn)技術(shù)(續(xù)2) n假設(shè)主機(jī)向各結(jié)點(diǎn)發(fā)送的探詢(xún)幀為定長(zhǎng)，其傳輸 時(shí)間為t0 ，每個(gè)結(jié)點(diǎn)識(shí)別探詢(xún)幀所需平均時(shí)間為 ts，各結(jié)點(diǎn)在多點(diǎn)線(xiàn)路上物理分布是均勻的，主 機(jī)到最遠(yuǎn)結(jié)點(diǎn)的單程傳播時(shí)間為。則采用輪叫 輪詢(xún)的整個(gè)探詢(xún)系統(tǒng)巡回時(shí)間為 L=N(t0 +ts)+(N+1) (3-20) n舉例：詳見(jiàn)教材例3-2 90 91 3.4.1 輪詢(xún)?cè)L問(wèn)技術(shù)(續(xù)3) 2、傳遞輪詢(xún) n傳遞輪詢(xún)的基本工作原理如圖3-22所示。 n傳遞輪詢(xún)?cè)试S被探詢(xún)結(jié)點(diǎn)修改探詢(xún)幀的接收地址， 從而克服了輪叫輪詢(xún)方式中主機(jī)一直掌握著發(fā)送 探詢(xún)幀的控制

46、權(quán)，造成通信開(kāi)銷(xiāo)大、幀的傳送時(shí) 延長(zhǎng)的缺點(diǎn)。 92 3.4.1 輪詢(xún)?cè)L問(wèn)技術(shù)(續(xù)4) n注意兩點(diǎn)： 1、傳遞輪詢(xún)控制中，探詢(xún)幀和響應(yīng)幀都附有接 收地址，是接收結(jié)點(diǎn)的單一性的保證。 2、傳遞輪詢(xún)的特點(diǎn)是探詢(xún)控制權(quán)的轉(zhuǎn)移。改變 接收結(jié)點(diǎn)地址順序，就可控制輪詢(xún)的順序。 n采用傳遞輪詢(xún)技術(shù)的整個(gè)系統(tǒng)巡回時(shí)間為 L=Nts+2 (3-21) n舉例：詳見(jiàn)教材例3-3 93 3.4.1 輪詢(xún)?cè)L問(wèn)技術(shù)(續(xù)5) 傳遞輪詢(xún)與輪叫輪詢(xún)的比較 n在相同條件下，傳遞輪詢(xún)幀的時(shí)延比輪叫輪詢(xún)的 時(shí)延要小，而且結(jié)點(diǎn)間距離越大，其效果越明顯。 n因?yàn)閭鬟f輪詢(xún)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜，所以實(shí)際使用 中還是以輪叫輪詢(xún)?yōu)橹鳌?94 3.4

47、.2 爭(zhēng)用訪(fǎng)問(wèn)技術(shù) n爭(zhēng)用技術(shù)是一種隨機(jī)訪(fǎng)問(wèn)技術(shù)。由于所有用戶(hù)都 可以根據(jù)自己的需要向公用信道發(fā)送信息，于是 就產(chǎn)生了爭(zhēng)用信道使用權(quán)的問(wèn)題。只有爭(zhēng)用獲勝 者才取得了信道使用權(quán)可以發(fā)送信息，而爭(zhēng)用的 存在又必然會(huì)發(fā)生沖突(或碰撞)，這就須解決沖 突所帶來(lái)的問(wèn)題。 nALOHA是美國(guó)夏威夷大學(xué)20世紀(jì)70年代初期研 制成功的一個(gè)集中控制式的隨機(jī)接入系統(tǒng)。該系 統(tǒng)允許地理上分散的多個(gè)用戶(hù)通過(guò)無(wú)線(xiàn)電信道來(lái) 使用中心計(jì)算機(jī)。 95 3.4.2 爭(zhēng)用訪(fǎng)問(wèn)技術(shù)(續(xù)1) 1、ALOHA技術(shù) (1)純ALOHA n夏威夷大學(xué)最初研制的ALOHA稱(chēng)為純ALOHA。系統(tǒng) 設(shè)有一個(gè)主站和若干個(gè)從站，從站到主站的頻率是

48、 407.35MHz，主站到從站的頻率是413.475MHz，帶寬 各為100KHz，數(shù)據(jù)傳送速率為9600b/s。 n每一站均可自由地發(fā)送幀，并利用應(yīng)答技術(shù)來(lái)確保發(fā) 送的成功。當(dāng)從站發(fā)送一個(gè)幀之后，必須等待主站的 應(yīng)答幀予以確認(rèn)，方能繼續(xù)發(fā)送下一幀。 n如果未收到應(yīng)答信號(hào)，就意味著發(fā)生了幀的沖突，必 須進(jìn)行重發(fā)。 n純ALOHA采用讓發(fā)生幀沖突的從站各自等待一段隨 機(jī)的時(shí)間后再進(jìn)行重發(fā)的策略，直到發(fā)送成功為止。 96 3.4.2 爭(zhēng)用訪(fǎng)問(wèn)技術(shù)(續(xù)2) n純ALOHA系統(tǒng)的幀沖突 n純ALOHA的吞吐量S與網(wǎng)絡(luò)負(fù)載G之間的關(guān)系為 G GeS 2 （3-22） n當(dāng)G0.5時(shí)，Smax0.5e-

49、10.184，說(shuō)明純ALOHA 最大的吞吐量只達(dá)18.4。 97 3.4.2 爭(zhēng)用訪(fǎng)問(wèn)技術(shù)(續(xù)3) (2)時(shí)隙ALOHA n時(shí)隙ALOHA系統(tǒng)是使各站在同步狀態(tài)下工作， 并把時(shí)間劃分為等長(zhǎng)的時(shí)隙。同時(shí)規(guī)定無(wú)論幀何 時(shí)到達(dá)，都只能在每個(gè)時(shí)隙的開(kāi)始時(shí)刻才能發(fā)送 出去。 n時(shí)隙ALOHA的吞吐量公式為 n當(dāng)G1時(shí)，Smax0.368，表示該系統(tǒng)達(dá)到的最 大吞吐量。 G GeS （3-24） 98 3.4.2 爭(zhēng)用訪(fǎng)問(wèn)技術(shù)(續(xù)4) 純ALOHA與時(shí)隙ALOHA的S-G關(guān)系 n基于這兩種ALOHA信道利用率都比較低，因而有 人提出把預(yù)約和爭(zhēng)用技術(shù)結(jié)合起來(lái)，從而保證了 所發(fā)送的幀不會(huì)與別的站發(fā)送的幀發(fā)生沖

50、突。這 就是預(yù)約ALOHA。 n預(yù)約ALOHA的基本指導(dǎo)思想是當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載輕時(shí)， 按ALOHA方式工作；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載重時(shí)，網(wǎng)絡(luò)按接 近于時(shí)分復(fù)用方式工作。 99 3.4.2 爭(zhēng)用訪(fǎng)問(wèn)技術(shù)(續(xù)5) 2、CSMA（Carrier Sense Multiple Access ) 技術(shù) nCSMA是對(duì)用于有線(xiàn)信道ALOHA系統(tǒng)的一種改進(jìn)， 它要求每個(gè)站都設(shè)置一硬件(即載波監(jiān)聽(tīng)裝置， “載波”是指在公用信道上傳輸?shù)男盘?hào)。)，用來(lái) 在發(fā)送數(shù)據(jù)之前監(jiān)聽(tīng)同一信道上其他站是否也在 發(fā)送數(shù)據(jù)。如果該站監(jiān)聽(tīng)到有別的站正在發(fā)送， 就暫不發(fā)送數(shù)據(jù)，從而減少發(fā)送沖突的可能性， 也提高了整個(gè)系統(tǒng)的吞吐量和信道利用率。 100

51、3.4.2 爭(zhēng)用訪(fǎng)問(wèn)技術(shù)(續(xù)6) n根據(jù)每個(gè)站所采用的載波監(jiān)聽(tīng)策略，CSMA可分為 以下幾種類(lèi)型： 非堅(jiān)持CSMA 如果進(jìn)行載波監(jiān)聽(tīng)時(shí)發(fā)現(xiàn)信道空閑，則 將準(zhǔn)備好的幀發(fā)送出去；如果監(jiān)聽(tīng)到信道忙，就不再繼續(xù) 堅(jiān)持聽(tīng)下去，而根據(jù)協(xié)議的算法延遲一個(gè)隨機(jī)時(shí)間再重新 監(jiān)聽(tīng)。 1堅(jiān)持CSMA 當(dāng)監(jiān)聽(tīng)到信道空閑時(shí)，就立即發(fā)送幀；如 果監(jiān)聽(tīng)到信道為忙，則繼續(xù)監(jiān)聽(tīng)下去，一直堅(jiān)持到信道變 成空閑為止。 P堅(jiān)持CSMA 當(dāng)監(jiān)聽(tīng)到信道為空閑時(shí)，以概率p立即發(fā) 送幀，而以概率(1- p)延遲一段時(shí)間 (端端傳播時(shí)延)再 重新監(jiān)聽(tīng)信道；當(dāng)監(jiān)聽(tīng)到信道為忙時(shí)，則繼續(xù)監(jiān)聽(tīng)下去， 一直堅(jiān)持到信道空閑為止。 nCSMA也可以采用時(shí)隙

52、式，同樣有上述三種類(lèi)型。 101 9.2.2 CSMA/CD協(xié)議 q以太網(wǎng)采用一種協(xié)調(diào)工作機(jī)制，稱(chēng)為載波監(jiān)聽(tīng)多點(diǎn) 接入/沖突檢測(cè)CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access / Collision Detection)協(xié)議。 q“載波監(jiān)聽(tīng)”指加接在以太網(wǎng)上的每個(gè)站在發(fā)送 數(shù)據(jù)之前，先要檢測(cè)總線(xiàn)上是否有其他站正在發(fā)送 數(shù)據(jù)，如果有，就暫時(shí)不發(fā)送數(shù)據(jù)，以免發(fā)生沖突 (常稱(chēng)“碰撞”)。“載波監(jiān)聽(tīng)”只是用來(lái)表明檢測(cè) 總線(xiàn)上信號(hào)存在與否的一種技術(shù)手段。 q“多點(diǎn)接入”指計(jì)算機(jī)以多點(diǎn)接入的方式連接到 同一根總線(xiàn)上。 q “沖突檢測(cè)”指計(jì)算機(jī)邊發(fā)送數(shù)據(jù)邊檢測(cè)總線(xiàn)上 信號(hào)電壓的變

53、化情況。 102 9.2.2 CSMA/CD協(xié)議(續(xù)1) 如何進(jìn)行沖突檢測(cè)？ q“沖突檢測(cè)”就是計(jì)算機(jī)邊發(fā)送數(shù)據(jù)邊檢測(cè)信道上 的信號(hào)電壓大小的變化情況。 q當(dāng)幾個(gè)站同時(shí)在總線(xiàn)上發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，總線(xiàn)上的信號(hào) 電壓擺動(dòng)值將會(huì)增大(互相疊加)。 q當(dāng)一個(gè)站檢測(cè)到的信號(hào)電壓擺動(dòng)值超過(guò)一定的門(mén)限 值時(shí)，就認(rèn)為總線(xiàn)上至少有兩個(gè)站同時(shí)在發(fā)送數(shù)據(jù)， 表明產(chǎn)生了發(fā)送沖突。 q所謂“沖突”就是信號(hào)發(fā)生了碰撞。因此“沖突檢 測(cè)”也稱(chēng)為“碰撞檢測(cè)”。 103 9.2.2 CSMA/CD協(xié)議(續(xù)2) 檢測(cè)到?jīng)_突后怎么辦？ q當(dāng)信號(hào)發(fā)生沖突時(shí)，總線(xiàn)上傳輸?shù)男盘?hào)產(chǎn)生了嚴(yán) 重的失真，接收站就無(wú)法從中恢復(fù)出有用的信息。 q每一個(gè)正

54、在發(fā)送數(shù)據(jù)的站，一旦發(fā)現(xiàn)總線(xiàn)上出現(xiàn) 了碰撞，就要立即停止發(fā)送，免得繼續(xù)浪費(fèi)網(wǎng)絡(luò) 資源，然后等待一段隨機(jī)時(shí)間后再重新執(zhí)行發(fā)送 操作。 104 9.2.2 CSMA/CD協(xié)議(續(xù)3) 電磁波在總線(xiàn)上的產(chǎn)生沖突的原因是有限的傳 播速率 q當(dāng)某個(gè)站監(jiān)聽(tīng)到總線(xiàn)是空閑時(shí)，也可能總線(xiàn)并非 真正是空閑的。 qA 向 B 發(fā)出的信息，要經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間后才能傳 送到 B。 qB 若在 A 發(fā)送的信息到達(dá) B 之前發(fā)送自己的幀(因 為這時(shí) B 的載波監(jiān)聽(tīng)檢測(cè)不到 A 所發(fā)送的信息)， 則必然要在某個(gè)時(shí)間和 A 發(fā)送的幀發(fā)生碰撞。 q碰撞的結(jié)果是兩個(gè)幀都變得無(wú)用。 105 9.2.2 CSMA/CD協(xié)議(續(xù)4) 傳播

55、時(shí)延對(duì)載波監(jiān)聽(tīng)的影響 1 km AB t 碰撞 t = 2 A 檢測(cè)到發(fā)生碰撞 t = B 發(fā)送數(shù)據(jù) B 檢測(cè)到發(fā)生碰撞 t = t = 0 為單程端到端 傳播時(shí)延 注：電磁波在電纜中的傳播速度只是在自由空間 中的65，即1km長(zhǎng)電纜的傳播時(shí)延約為5s 。 5s 106 為單程端到端 傳播時(shí)延 t = B 檢測(cè)到信道空閑 發(fā)送數(shù)據(jù) t = / 2 發(fā)生碰撞 A AB AB t = 0 A 檢測(cè)到 信道空閑 發(fā)送數(shù)據(jù) AB B t = B 檢測(cè)到發(fā)生碰撞 停止發(fā)送 STOP t = 2 A 檢測(cè)到 發(fā)生碰撞 STOP A B 1 km AB t 碰撞 t = 2 A 檢測(cè)到發(fā)生碰撞 t = B

56、發(fā)送數(shù)據(jù) B 檢測(cè)到發(fā)生碰撞 t = t = 0 107 9.2.2 CSMA/CD協(xié)議(續(xù)6) 幾點(diǎn)結(jié)論 q使用 CSMA/CD 協(xié)議的以太網(wǎng)不能進(jìn)行全 雙工通信而只能進(jìn)行雙向交替通信(半雙工 通信)。 q每個(gè)站在發(fā)送數(shù)據(jù)之后的一小段時(shí)間內(nèi)， 一定存在著遭遇信號(hào)沖突的可能性。 q這種發(fā)送的不確定性使得整個(gè)以太網(wǎng)的平 均通信量遠(yuǎn)小于以太網(wǎng)的最高數(shù)據(jù)率。 108 9.2.2 CSMA/CD協(xié)議(續(xù)7) 強(qiáng)化沖突 q實(shí)現(xiàn)沖突檢測(cè)的方法很多，如基于模擬技術(shù) 的接收信號(hào)電平比較法、信號(hào)編碼波形特征 鑒別法和發(fā)/收同時(shí)進(jìn)行的逐位比較法等。 q在實(shí)際應(yīng)用中還要采用一種強(qiáng)化沖突的措施。 當(dāng)發(fā)送幀的站監(jiān)聽(tīng)到?jīng)_

57、突時(shí)，除了立即停止 正常發(fā)送之外，還要繼續(xù)發(fā)送若干比特(通常 為32比特或48比特)的人為干擾信號(hào)(jamming signal) ，以強(qiáng)化所發(fā)生的沖突，使得所有站 都能確知現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)生了沖突。 109 9.2.2 CSMA/CD協(xié)議(續(xù)8) qCSMA/CD強(qiáng)化沖突的示意圖(B也能檢測(cè)到 沖突，但圖中未繪出B發(fā)送的干擾信號(hào)) 數(shù)據(jù)幀 干擾信號(hào) TJ AB TB t B 發(fā)送數(shù)據(jù) A 檢測(cè) 到?jīng)_突 出現(xiàn) 沖突 信 道 占 用 時(shí) 間 A 發(fā)送數(shù)據(jù) B 檢測(cè) 到?jīng)_突 110 9.2.2 CSMA/CD協(xié)議(續(xù)9) 爭(zhēng)用期 q若先發(fā)送數(shù)據(jù)幀的A站，在發(fā)送數(shù)據(jù)幀后最 多要經(jīng)過(guò)時(shí)間2 (兩倍的端到端往

58、返時(shí)延)方 可知道發(fā)送的數(shù)據(jù)幀是否遭遇到?jīng)_突。以太 網(wǎng)的端到端往返時(shí)延2 稱(chēng)為爭(zhēng)用期 (contention period)或碰撞窗口。 q只有經(jīng)過(guò)爭(zhēng)用期這段時(shí)間而沒(méi)有檢測(cè)到?jīng)_突， 才能肯定這次發(fā)送不再會(huì)發(fā)生沖突。 9.2.2 CSMA/CD協(xié)議(續(xù)10) 爭(zhēng)用期(續(xù)) q爭(zhēng)用期的長(zhǎng)短與發(fā)送速率有關(guān)。以太網(wǎng)的 爭(zhēng)用期為51.2s。對(duì)于10Mb/s以太網(wǎng)，爭(zhēng)用 期內(nèi)可發(fā)送512bit(64字節(jié))稱(chēng)為最短有效幀 長(zhǎng)。否則將作為無(wú)效幀處理。 q以太網(wǎng)還規(guī)定了幀間最小間隔為9.6s，相 當(dāng)于 96比特時(shí)間。這樣做是為了使剛剛收 到數(shù)據(jù)幀的站的接收緩存來(lái)得及清理，做好 接收下一幀的準(zhǔn)備。 111 112

59、 9.2.2 CSMA/CD協(xié)議(續(xù)11) 如何避免沖突？ q當(dāng)檢測(cè)到?jīng)_突之后，通信雙方都要各自延 遲一段隨機(jī)的時(shí)間實(shí)行退避，然后再繼續(xù) 載波監(jiān)聽(tīng)。由于退避時(shí)間是隨機(jī)的，適配 器又無(wú)記憶功能，一次沖突所涉及的兩個(gè) 站就不可能在下一次發(fā)送中再次發(fā)生沖突。 q為了使這種退避能保證系統(tǒng)的穩(wěn)定，以太 網(wǎng)采用一種稱(chēng)為截?cái)喽M(jìn)制指數(shù)退避算法， 來(lái)確定重發(fā)幀所需的時(shí)延。 113 9.2.2 CSMA/CD協(xié)議(續(xù)12) 截?cái)喽M(jìn)制指數(shù)退避算法 確定基本退避時(shí)間，它就是爭(zhēng)用期。 從整數(shù)集合0，1，2k-1中隨機(jī)取一整數(shù)， 記為r。重傳被推遲的時(shí)間是r倍的爭(zhēng)用期。整數(shù)集 合中的參數(shù)k，可按下式計(jì)算： k =Mi

60、n重傳次數(shù)，10 (9-1) 此式表明，當(dāng)重傳次數(shù)不超過(guò)10時(shí)，參數(shù)等于重傳 次數(shù)；當(dāng)重傳次數(shù)超過(guò)10時(shí)，參數(shù)就不再增大而一 直等于10。 當(dāng)重發(fā)次數(shù)達(dá)到16次仍不能成功時(shí)，則丟棄該幀， 并向高層報(bào)告差錯(cuò)情況。 114 9.2.2 CSMA/CD協(xié)議(續(xù)13) 截?cái)喽M(jìn)制指數(shù)退避算法(續(xù)) q若連續(xù)多次發(fā)生沖突，則表明可能有較多 的站參與爭(zhēng)用信道。使用上述退避算法可 使重傳需要推遲的平均時(shí)間隨重傳次數(shù)而 增大(稱(chēng)為動(dòng)態(tài)退避)，因而減小發(fā)生碰撞 的概率，有利于整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定。 115 9.2.2 CSMA/CD協(xié)議(續(xù)14) CSMA/CD 協(xié)議的要點(diǎn)： (1) 適配器從網(wǎng)絡(luò)層獲得一個(gè)分組，加上