計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)2(吳功宜)___第3章_補(bǔ)充內(nèi)容數(shù)據(jù)編碼技術(shù)課件

1、數(shù)據(jù)編碼技術(shù)數(shù)據(jù)編碼技術(shù)1、數(shù)據(jù)編碼類型模擬數(shù)據(jù)編碼數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)編碼非歸零碼曼徹斯特編碼差分曼徹斯特編碼數(shù)據(jù)編碼方式振幅鍵控ASK移頻鍵控FSK移相鍵控PSK信道：模擬通信信道和數(shù)字通信信道。信道：模擬通信信道和數(shù)字通信信道。電話通信信道數(shù)據(jù)的編碼和調(diào)制技術(shù) l在計(jì)算機(jī)中，數(shù)據(jù)是以離散的二進(jìn)制在計(jì)算機(jī)中，數(shù)據(jù)是以離散的二進(jìn)制“0”、“1”比特序列方比特序列方式表示的。計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)在傳輸過程中的數(shù)據(jù)編碼類型主要取式表示的。計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)在傳輸過程中的數(shù)據(jù)編碼類型主要取決于它采用的通信信道所支持的數(shù)據(jù)通信類型。決于它采用的通信信道所支持的數(shù)據(jù)通信類型。l通信信道分為模擬信道和數(shù)字信道，而依賴于信道傳輸?shù)臄?shù)通

2、信信道分為模擬信道和數(shù)字信道，而依賴于信道傳輸?shù)臄?shù)據(jù)也分為模擬數(shù)據(jù)與數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。因此，數(shù)據(jù)的編碼方法包括據(jù)也分為模擬數(shù)據(jù)與數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。因此，數(shù)據(jù)的編碼方法包括數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的編碼與調(diào)制和模擬數(shù)據(jù)的編碼與調(diào)制。數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的編碼與調(diào)制和模擬數(shù)據(jù)的編碼與調(diào)制。數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的調(diào)制 l傳統(tǒng)的電話通信信道是為傳輸語(yǔ)音信號(hào)設(shè)計(jì)的，用于傳輸音頻傳統(tǒng)的電話通信信道是為傳輸語(yǔ)音信號(hào)設(shè)計(jì)的，用于傳輸音頻300Hz3400Hz的模擬信號(hào)，不能直接傳輸數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。為了利用模擬的模擬信號(hào)，不能直接傳輸數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。為了利用模擬語(yǔ)音通信的電話交換網(wǎng)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的傳輸，必須首先將數(shù)語(yǔ)音通信的電話交換網(wǎng)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的傳輸，必須首先將

3、數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，也就是要對(duì)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制。字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，也就是要對(duì)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制。l發(fā)送端將數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)信號(hào)變換成模擬數(shù)據(jù)信號(hào)的過程稱為調(diào)制發(fā)送端將數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)信號(hào)變換成模擬數(shù)據(jù)信號(hào)的過程稱為調(diào)制（Modulation），調(diào)制設(shè)備就稱為調(diào)制器（），調(diào)制設(shè)備就稱為調(diào)制器（Modulator）；接收端將）；接收端將模擬數(shù)據(jù)信號(hào)還原成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)信號(hào)的過程稱為解調(diào)模擬數(shù)據(jù)信號(hào)還原成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)信號(hào)的過程稱為解調(diào)（Demodulation），解調(diào)設(shè)備就稱為解調(diào)器（），解調(diào)設(shè)備就稱為解調(diào)器（Demodulator）。若）。若進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的發(fā)送端和接收端以雙工方式進(jìn)行通信時(shí)，就需要同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的發(fā)

4、送端和接收端以雙工方式進(jìn)行通信時(shí)，就需要同時(shí)具備調(diào)制和解調(diào)功能的設(shè)備，稱為調(diào)制解調(diào)器（具備調(diào)制和解調(diào)功能的設(shè)備，稱為調(diào)制解調(diào)器（Modem）。）。l對(duì)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)調(diào)制的基本方法有三種：幅移鍵控、頻移鍵控和相移鍵控。對(duì)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)調(diào)制的基本方法有三種：幅移鍵控、頻移鍵控和相移鍵控。 l在調(diào)制過程中，選擇音頻范圍內(nèi)的某一角頻率在調(diào)制過程中，選擇音頻范圍內(nèi)的某一角頻率的正（余）弦信號(hào)作的正（余）弦信號(hào)作為載波，該正（余）弦信號(hào)可以寫為：為載波，該正（余）弦信號(hào)可以寫為： u（t）= umsin（t+0）l3個(gè)可以改變的電參量：個(gè)可以改變的電參量： 振振 幅幅 um 角頻率角頻率 相相 位位 l可以通過變化可

5、以通過變化3個(gè)電參量，來(lái)實(shí)現(xiàn)模擬數(shù)據(jù)信號(hào)編碼的目的。個(gè)電參量，來(lái)實(shí)現(xiàn)模擬數(shù)據(jù)信號(hào)編碼的目的。 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的調(diào)制幅移鍵控、頻移鍵控和相移鍵控 l幅移鍵控幅移鍵控ASK（Amplitude Shift Keying）lASK是通過改變載波信號(hào)的幅度值表示數(shù)字信號(hào)是通過改變載波信號(hào)的幅度值表示數(shù)字信號(hào)“1”、“0”，以幅，以幅度度A1表示數(shù)字信號(hào)的表示數(shù)字信號(hào)的“1”，用載波幅度，用載波幅度A2表示數(shù)字信號(hào)的表示數(shù)字信號(hào)的“0”（通（通常常A1取取1，A2取取0），而載波信號(hào)的參數(shù)），而載波信號(hào)的參數(shù)f 和和恒定。恒定。l頻移鍵控頻移鍵控FSK（Frequency Shift Keying）lFSK是

6、通過改變載波信號(hào)頻率的方法表示數(shù)字信號(hào)是通過改變載波信號(hào)頻率的方法表示數(shù)字信號(hào)“1”、“0”，用，用f 1表示數(shù)字信號(hào)表示數(shù)字信號(hào)“1”，用，用f 2表示數(shù)字信號(hào)表示數(shù)字信號(hào)“0”，而載波信號(hào)的，而載波信號(hào)的A和和不變。不變。l相移鍵控相移鍵控PSK（Phase Shift Keying）lPSK是通過改變載波信號(hào)的相位值表示數(shù)字信號(hào)是通過改變載波信號(hào)的相位值表示數(shù)字信號(hào)“1”、“0”，而載，而載波信號(hào)的波信號(hào)的A和和f不變。不變。PSK包括兩種類型：包括兩種類型：l絕對(duì)調(diào)相絕對(duì)調(diào)相l(xiāng)絕對(duì)調(diào)相使用相位的絕對(duì)值，絕對(duì)調(diào)相使用相位的絕對(duì)值，為為0表示數(shù)字信號(hào)表示數(shù)字信號(hào)“1”，、，、為為表表示數(shù)字

7、信號(hào)示數(shù)字信號(hào)“0”。l相對(duì)調(diào)相相對(duì)調(diào)相l(xiāng)相對(duì)調(diào)相使用相位的相對(duì)偏移值，當(dāng)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)為相對(duì)調(diào)相使用相位的相對(duì)偏移值，當(dāng)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)為0時(shí)，相位不變化，時(shí)，相位不變化，而數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)為而數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)為1時(shí)，相位要偏移時(shí)，相位要偏移。數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的調(diào)制示例多相調(diào)制lASK、FSK和和PSK都是最基本的調(diào)都是最基本的調(diào)制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)容易，技術(shù)簡(jiǎn)單，抗制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)容易，技術(shù)簡(jiǎn)單，抗干擾能力差，調(diào)制速率不高，為了干擾能力差，調(diào)制速率不高，為了提高數(shù)據(jù)傳輸速率，也可以采用多提高數(shù)據(jù)傳輸速率，也可以采用多相調(diào)制的方法。相調(diào)制的方法。l例如，將待發(fā)送的數(shù)字信號(hào)按例如，將待發(fā)送的數(shù)字信號(hào)按2個(gè)比特一組的方式組織，因個(gè)比特一組的方式

8、組織，因?yàn)闉?個(gè)比特可以有個(gè)比特可以有4種組合方式，種組合方式，即即“00、01、10、11”四個(gè)碼四個(gè)碼元，所以用元，所以用4個(gè)不同的相位值個(gè)不同的相位值就可以表示出這就可以表示出這4組組合。在組組合。在調(diào)相信號(hào)傳輸過程中，相位每調(diào)相信號(hào)傳輸過程中，相位每改變一次，傳送兩個(gè)二進(jìn)制比改變一次，傳送兩個(gè)二進(jìn)制比特，這種調(diào)制方法就稱為四相特，這種調(diào)制方法就稱為四相相移鍵控。相移鍵控。混合調(diào)相l(xiāng)為了達(dá)到更高的信息傳輸速率，采用多元制的振幅相位混合調(diào)制技為了達(dá)到更高的信息傳輸速率，采用多元制的振幅相位混合調(diào)制技術(shù)，比如正交振幅調(diào)制術(shù)，比如正交振幅調(diào)制QAM（Quadrature Amplitude M

9、odulation），它不但使用相位，而且還使用幅度：），它不但使用相位，而且還使用幅度：l8-QAM使用了幅度與相位的使用了幅度與相位的8種組合，由于使用種組合，由于使用3個(gè)比特可以表個(gè)比特可以表示示8種組合，因此，每一種組合代表一個(gè)碼元，每個(gè)碼元種組合，因此，每一種組合代表一個(gè)碼元，每個(gè)碼元3個(gè)比個(gè)比特。特。l16-QAM的幅度和相位有的幅度和相位有16種組合，每個(gè)組合代表一個(gè)碼元，每種組合，每個(gè)組合代表一個(gè)碼元，每個(gè)碼元個(gè)碼元4個(gè)比特。個(gè)比特。 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的編碼l利用數(shù)字通信信道直接傳輸數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)信號(hào)的方法稱作數(shù)字信號(hào)利用數(shù)字通信信道直接傳輸數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)信號(hào)的方法稱作數(shù)字信號(hào)的基帶傳輸?shù)幕鶐鬏?/p>

10、，而數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)在傳輸之前，需要進(jìn)行數(shù)字編碼。數(shù)，而數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)在傳輸之前，需要進(jìn)行數(shù)字編碼。數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的編碼方式有三種：不歸零碼、曼徹斯特編碼和差分曼字?jǐn)?shù)據(jù)的編碼方式有三種：不歸零碼、曼徹斯特編碼和差分曼徹斯特編碼徹斯特編碼 。l不歸零編碼（不歸零編碼（Non-Return to Zero，NRZ）lNRZ編碼規(guī)定可用負(fù)電平表示邏輯編碼規(guī)定可用負(fù)電平表示邏輯“0”，用正電平表示，用正電平表示邏輯邏輯“1”，反之亦然。，反之亦然。10數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的編碼l曼徹斯特編碼（曼徹斯特編碼（Manchester）l曼徹斯特編碼是目前應(yīng)用最廣泛的編碼方法之一，其特點(diǎn)曼徹斯特編碼是目前應(yīng)用最廣泛的編碼方法之一，其特點(diǎn)是每

11、一位二進(jìn)制信號(hào)的中間都有跳變，若從低電平跳變到是每一位二進(jìn)制信號(hào)的中間都有跳變，若從低電平跳變到高電平，就表示數(shù)字信號(hào)高電平，就表示數(shù)字信號(hào)“1”，若從高電平跳變到低電，若從高電平跳變到低電平，就表示數(shù)字信號(hào)平，就表示數(shù)字信號(hào)“0”；l差分曼徹斯特編碼（差分曼徹斯特編碼（Difference Manchester）l差分曼徹斯特編碼是對(duì)曼徹斯特編碼的改進(jìn)。其特點(diǎn)是每差分曼徹斯特編碼是對(duì)曼徹斯特編碼的改進(jìn)。其特點(diǎn)是每一位二進(jìn)制信號(hào)的跳變依然提供收發(fā)端之間的同步，但每一位二進(jìn)制信號(hào)的跳變依然提供收發(fā)端之間的同步，但每位二進(jìn)制數(shù)據(jù)的取值，要根據(jù)其開始邊界是否發(fā)生跳變來(lái)位二進(jìn)制數(shù)據(jù)的取值，要根據(jù)其開始

12、邊界是否發(fā)生跳變來(lái)決定，若一個(gè)比特開始處存在跳變則表示決定，若一個(gè)比特開始處存在跳變則表示“0”，無(wú)跳變，無(wú)跳變則表示則表示“1”。數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)編碼的示例信道的最高碼元傳輸速率 l任何實(shí)際的信道都不是理想的，在傳輸信號(hào)時(shí)會(huì)產(chǎn)任何實(shí)際的信道都不是理想的，在傳輸信號(hào)時(shí)會(huì)產(chǎn)生各種失真以及帶來(lái)多種干擾。生各種失真以及帶來(lái)多種干擾。 l碼元傳輸?shù)乃俾试礁?，或信?hào)傳輸?shù)木嚯x越遠(yuǎn)，在碼元傳輸?shù)乃俾试礁?，或信?hào)傳輸?shù)木嚯x越遠(yuǎn)，在信道的輸出端的波形的失真就越嚴(yán)重。信道的輸出端的波形的失真就越嚴(yán)重。 數(shù)字信號(hào)通過實(shí)際的信道 l失真不嚴(yán)重失真不嚴(yán)重l失真嚴(yán)重失真嚴(yán)重 實(shí)際的信道（帶寬受限、有噪聲、干擾和失真）輸入信號(hào)波

13、形輸出信號(hào)波形(失真不嚴(yán)重)輸入信號(hào)波形實(shí)際的信道（帶寬受限、有噪聲、干擾和失真）輸出信號(hào)波形(失真嚴(yán)重)奈氏(Nyquist)準(zhǔn)則 l每赫帶寬的理想低通信道的最高碼元傳輸速率是每每赫帶寬的理想低通信道的最高碼元傳輸速率是每秒秒 2 個(gè)碼元。個(gè)碼元。lBaud 是是波特波特，是，是碼元碼元傳輸速率的單位，傳輸速率的單位，1 波特為每波特為每秒傳送秒傳送 1 個(gè)碼元。個(gè)碼元。 理想低通信道的最高碼元傳輸速率 = 2W Baud W 是理想低通信道的帶寬，單位為赫(Hz) 不能通過能通過0頻率(Hz)W (Hz) 另一種形式的奈氏準(zhǔn)則 l每赫帶寬的理想低通信道的最高碼元傳輸速率是每每赫帶寬的理想低

14、通信道的最高碼元傳輸速率是每秒秒 1 個(gè)碼元。個(gè)碼元。理想帶通特性信道的最高碼元傳輸速率 = W Baud W 是理想帶通信道的帶寬，單位為赫(Hz) 不能通過能通過0頻率(Hz)W (Hz) 不能通過要強(qiáng)調(diào)以下兩點(diǎn) l實(shí)際的信道所能傳輸?shù)淖罡叽a元速率，要明顯地低實(shí)際的信道所能傳輸?shù)淖罡叽a元速率，要明顯地低于奈氏準(zhǔn)則給出上限數(shù)值。于奈氏準(zhǔn)則給出上限數(shù)值。l波特波特(Baud)和比特和比特(bit)是兩個(gè)不同的概念。是兩個(gè)不同的概念。 l波特波特是碼元傳輸?shù)乃俾蕟挝唬棵雮鞫嗌賯€(gè)碼元）。是碼元傳輸?shù)乃俾蕟挝唬棵雮鞫嗌賯€(gè)碼元）。碼元傳輸速率也稱為碼元傳輸速率也稱為調(diào)制速率調(diào)制速率、波形速率波形速

15、率或或符號(hào)速符號(hào)速率率。l比特比特是信息量的單位。是信息量的單位。 要注意 l信息的傳輸速率信息的傳輸速率“比特比特/秒秒”與碼元的傳輸速率與碼元的傳輸速率“波波特特”在數(shù)量上在數(shù)量上卻有一定的關(guān)系。卻有一定的關(guān)系。l若若 1 個(gè)碼元只攜帶個(gè)碼元只攜帶 1 bit 的信息量，則的信息量，則“比特比特/秒秒”和和“波特波特”在數(shù)值上相等。在數(shù)值上相等。l若若 1 個(gè)碼元攜帶個(gè)碼元攜帶 n bit 的信息量，則的信息量，則 M Baud 的碼元傳輸速率所對(duì)應(yīng)的信息傳輸速率為的碼元傳輸速率所對(duì)應(yīng)的信息傳輸速率為 M n b/s。 信道的極限信息傳輸速率 l香農(nóng)香農(nóng)(Shannon)用信息論的理論推導(dǎo)

16、出了帶寬受限用信息論的理論推導(dǎo)出了帶寬受限且有高斯白噪聲干擾的信道的且有高斯白噪聲干擾的信道的極限極限、無(wú)差錯(cuò)的無(wú)差錯(cuò)的信息信息傳輸速率。傳輸速率。l信道的極限信息傳輸速率信道的極限信息傳輸速率 C 可表達(dá)為可表達(dá)為l C = W log2(1+S/N) b/s lW 為信道的帶寬（以為信道的帶寬（以 Hz 為單位）；為單位）；lS 為信道內(nèi)所傳信號(hào)的平均功率；為信道內(nèi)所傳信號(hào)的平均功率；lN 為信道內(nèi)部的高斯噪聲功率。為信道內(nèi)部的高斯噪聲功率。 香農(nóng)公式表明 l信道的帶寬或信道中的信噪比越大，則信息的極限傳信道的帶寬或信道中的信噪比越大，則信息的極限傳輸速率就越高。輸速率就越高。 l只要信息

17、傳輸速率低于信道的極限信息傳輸速率，就只要信息傳輸速率低于信道的極限信息傳輸速率，就一定可以找到某種辦法來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)差錯(cuò)的傳輸。一定可以找到某種辦法來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)差錯(cuò)的傳輸。 l若信道帶寬若信道帶寬 W 或信噪比或信噪比 S/N 沒有上限（當(dāng)然實(shí)際信沒有上限（當(dāng)然實(shí)際信道不可能是這樣的），則信道的極限信息傳輸速率道不可能是這樣的），則信道的極限信息傳輸速率 C 也就沒有上限。也就沒有上限。l實(shí)際信道上能夠達(dá)到的信息傳輸速率要比香農(nóng)的極限實(shí)際信道上能夠達(dá)到的信息傳輸速率要比香農(nóng)的極限傳輸速率低不少。傳輸速率低不少。 奈氏準(zhǔn)則和香農(nóng)公式在數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中的作用范圍 源系統(tǒng)傳輸系統(tǒng)目的系統(tǒng)傳輸系統(tǒng)源點(diǎn)終點(diǎn)發(fā)送器

18、接收器輸入信息輸出信息輸入數(shù)據(jù)輸出數(shù)據(jù)發(fā)送的信號(hào)接收的信號(hào)碼元傳輸速率受奈氏準(zhǔn)則的限制信息傳輸速率受香農(nóng)公式的限制模擬數(shù)據(jù)調(diào)制為數(shù)字信號(hào) l在模擬數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中，信源的信息經(jīng)過轉(zhuǎn)換，在模擬數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中，信源的信息經(jīng)過轉(zhuǎn)換，形成電信號(hào)，比如人說話的聲音經(jīng)過電話轉(zhuǎn)變形成電信號(hào)，比如人說話的聲音經(jīng)過電話轉(zhuǎn)變?yōu)槟M的電信號(hào)，這也是模擬數(shù)據(jù)的基帶信號(hào)。為模擬的電信號(hào)，這也是模擬數(shù)據(jù)的基帶信號(hào)。l模擬數(shù)據(jù)的基帶信號(hào)具有比較低的頻率，模擬數(shù)據(jù)的基帶信號(hào)具有比較低的頻率，不宜不宜直接在信道中傳輸，而數(shù)字信號(hào)傳輸失真小、直接在信道中傳輸，而數(shù)字信號(hào)傳輸失真小、誤碼率低、數(shù)據(jù)傳輸速率高，因此在網(wǎng)絡(luò)中除誤碼率低、

19、數(shù)據(jù)傳輸速率高，因此在網(wǎng)絡(luò)中除計(jì)算機(jī)直接產(chǎn)生的數(shù)字信號(hào)外，語(yǔ)音、圖像信計(jì)算機(jī)直接產(chǎn)生的數(shù)字信號(hào)外，語(yǔ)音、圖像信息必須數(shù)字化處理，需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制息必須數(shù)字化處理，需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，將，將信號(hào)搬移到適合信道傳輸?shù)念l率范圍內(nèi)，接收信號(hào)搬移到適合信道傳輸?shù)念l率范圍內(nèi)，接收端將接收的已調(diào)信號(hào)再搬回到原來(lái)信號(hào)的頻率端將接收的已調(diào)信號(hào)再搬回到原來(lái)信號(hào)的頻率范圍內(nèi)，恢復(fù)成原來(lái)的消息，比如無(wú)線電廣播。范圍內(nèi)，恢復(fù)成原來(lái)的消息，比如無(wú)線電廣播。PCM技術(shù) l脈沖編碼調(diào)制脈沖編碼調(diào)制PCM（Pulse Code Modulation）是模擬數(shù)據(jù)數(shù)字化的主要方法。是模擬數(shù)據(jù)數(shù)字化的主要方法。lPCM技術(shù)的典型應(yīng)

20、用是語(yǔ)音數(shù)字化。技術(shù)的典型應(yīng)用是語(yǔ)音數(shù)字化。在發(fā)送端通過在發(fā)送端通過PCM編碼器將語(yǔ)音數(shù)據(jù)變換為數(shù)字化的語(yǔ)音信號(hào)，編碼器將語(yǔ)音數(shù)據(jù)變換為數(shù)字化的語(yǔ)音信號(hào)，通過通信信道傳送到接收方，接收方再通過通過通信信道傳送到接收方，接收方再通過PCM解解碼器還原成模擬語(yǔ)音信號(hào)。碼器還原成模擬語(yǔ)音信號(hào)。l語(yǔ)音數(shù)據(jù)數(shù)字化后，其語(yǔ)音數(shù)據(jù)數(shù)字化后，其傳輸速率高、失真小，可以存?zhèn)鬏斔俾矢?、失真小，可以存?chǔ)在計(jì)算機(jī)中，進(jìn)行必要的處理。因此在網(wǎng)絡(luò)與通信儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中，進(jìn)行必要的處理。因此在網(wǎng)絡(luò)與通信的發(fā)展中的發(fā)展中語(yǔ)音數(shù)字化語(yǔ)音數(shù)字化成為重要的部分。成為重要的部分。PCM的工作原理l脈沖編碼調(diào)制包括三部分：脈沖編碼調(diào)制包括

21、三部分：采樣、量化和編碼采樣、量化和編碼。l采樣采樣：每隔一定的時(shí)間間隔，采集模擬信號(hào)的瞬時(shí)電平值：每隔一定的時(shí)間間隔，采集模擬信號(hào)的瞬時(shí)電平值做為樣本，表示模擬數(shù)據(jù)在某一區(qū)間隨時(shí)間變化的值。做為樣本，表示模擬數(shù)據(jù)在某一區(qū)間隨時(shí)間變化的值。l量化量化：量化是將取樣樣本幅度按量化級(jí)決定取值的過程。：量化是將取樣樣本幅度按量化級(jí)決定取值的過程。量化級(jí)可以分為量化級(jí)可以分為8級(jí)、級(jí)、16級(jí)，或者更多的量化級(jí)，這取決于級(jí)，或者更多的量化級(jí)，這取決于系統(tǒng)的精確度要求。系統(tǒng)的精確度要求。l編碼編碼：編碼是用相應(yīng)位數(shù)的二進(jìn)制代碼表示量化后的采樣：編碼是用相應(yīng)位數(shù)的二進(jìn)制代碼表示量化后的采樣樣本的量級(jí)。樣本的

22、量級(jí)。PCM的工作過程l采樣信號(hào)：基于采樣信號(hào)：基于nyquist理論理論3PCM的工作過程PCM的工作過程l采樣信號(hào)：基于采樣信號(hào)：基于nyquist理論理論 在理想的無(wú)噪聲信道，若在理想的無(wú)噪聲信道，若 f 是傳輸媒體的最是傳輸媒體的最大傳輸頻率大傳輸頻率, 采樣頻率為采樣頻率為2*f 時(shí)，接收方才可以時(shí)，接收方才可以從采樣脈沖信號(hào)中完全恢復(fù)原信號(hào)從采樣脈沖信號(hào)中完全恢復(fù)原信號(hào)Nyquist, 1920 PCM編碼的典型應(yīng)用 調(diào)制解調(diào)器lModem是為數(shù)字信號(hào)在具有有限帶寬的模擬信道上是為數(shù)字信號(hào)在具有有限帶寬的模擬信道上進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸而設(shè)計(jì)的，是一種數(shù)據(jù)通信設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸而設(shè)計(jì)的，是

23、一種數(shù)據(jù)通信設(shè)備DCE。其主要功能是進(jìn)行信號(hào)的調(diào)制和解調(diào)，在其主要功能是進(jìn)行信號(hào)的調(diào)制和解調(diào)，在DTE和模擬和模擬傳輸線路之間起到數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換作傳輸線路之間起到數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換作用。用。l計(jì)算機(jī)也可以通過計(jì)算機(jī)也可以通過Modem的傳真和語(yǔ)音功能，發(fā)送的傳真和語(yǔ)音功能，發(fā)送傳真以及提供電話錄音留言和全雙工的免持聽筒服務(wù)。傳真以及提供電話錄音留言和全雙工的免持聽筒服務(wù)。公用電話網(wǎng)調(diào)制解調(diào)器計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)調(diào)制解調(diào)器DTEDCEDCEDTERS-232CRS-232C調(diào)制解調(diào)器的組成lModem一般由基帶處理、調(diào)制解調(diào)、信號(hào)放大和濾波、均衡等一般由基帶處理、調(diào)制解調(diào)、信號(hào)放

24、大和濾波、均衡等幾部分組成。幾部分組成。調(diào)制調(diào)制把數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)的過程。把數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)的過程。解調(diào)解調(diào)把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的過程。把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的過程。調(diào)制解調(diào)器的分類一l按通信設(shè)備分類可分為：按通信設(shè)備分類可分為：l撥號(hào)撥號(hào)Modeml撥號(hào)撥號(hào)Modem主要用于公用電話網(wǎng)上傳輸數(shù)據(jù)。撥主要用于公用電話網(wǎng)上傳輸數(shù)據(jù)。撥號(hào)號(hào)Modem具有在性能指標(biāo)較低的環(huán)境中進(jìn)行有效具有在性能指標(biāo)較低的環(huán)境中進(jìn)行有效操作的特殊性能。多數(shù)撥號(hào)操作的特殊性能。多數(shù)撥號(hào)Modem具備自動(dòng)撥號(hào)、具備自動(dòng)撥號(hào)、自動(dòng)應(yīng)答和自動(dòng)拆線等功能。自動(dòng)應(yīng)答和自動(dòng)拆線等功能。l專線專線Modeml專線專

25、線Modem主要用在專用線路或租用線路上，它主要用在專用線路或租用線路上，它不必帶有自動(dòng)應(yīng)答和自動(dòng)拆線功能。專線不必帶有自動(dòng)應(yīng)答和自動(dòng)拆線功能。專線Modem的數(shù)據(jù)傳輸率比撥號(hào)的數(shù)據(jù)傳輸率比撥號(hào)Modem要高。要高。調(diào)制解調(diào)器的分類二外置式外置式Modem放置于機(jī)箱外，通過串行通訊口與主機(jī)連接。放置于機(jī)箱外，通過串行通訊口與主機(jī)連接。這種這種Modem方便靈巧、易于安裝，閃爍的指示燈便于監(jiān)視方便靈巧、易于安裝，閃爍的指示燈便于監(jiān)視Modem的工作狀況。但外置式的工作狀況。但外置式Modem需要使用額外的電源與需要使用額外的電源與電纜。電纜。 內(nèi)置式內(nèi)置式Modem 內(nèi)置式內(nèi)置式Modem在安裝

26、時(shí)需要拆開機(jī)箱，并且要對(duì)中斷和在安裝時(shí)需要拆開機(jī)箱，并且要對(duì)中斷和COM口進(jìn)行設(shè)置，安裝較為繁瑣。這種口進(jìn)行設(shè)置，安裝較為繁瑣。這種Modem要占用主板要占用主板上的擴(kuò)展槽，但無(wú)需額外的電源與電纜，且價(jià)格比外置式上的擴(kuò)展槽，但無(wú)需額外的電源與電纜，且價(jià)格比外置式Modem要便宜一些。要便宜一些。 按按Modem與計(jì)算機(jī)的連接方式分類與計(jì)算機(jī)的連接方式分類小結(jié)：數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的模型 傳輸系統(tǒng)輸入信息輸入數(shù)據(jù)發(fā)送的信號(hào)接收的信號(hào)輸出數(shù)據(jù)源點(diǎn)終點(diǎn)發(fā)送器接收器調(diào)制解調(diào)器PC 機(jī)公用電話網(wǎng)調(diào)制解調(diào)器數(shù)字比特流數(shù)字比特流模擬信號(hào)模擬信號(hào) 正文正文數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)源系統(tǒng)目的系統(tǒng)傳輸系統(tǒng)輸出信息PC 機(jī)小結(jié)：模擬的

27、和數(shù)字的數(shù)據(jù)、信號(hào) 模擬數(shù)據(jù)模擬信號(hào)放大器調(diào)制器模擬數(shù)據(jù)數(shù)字信號(hào) PCM編碼器數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)模擬信號(hào)調(diào)制器數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)數(shù)字信號(hào) 數(shù)字發(fā)送器多路復(fù)用技術(shù)多路復(fù)用技術(shù)l多路復(fù)用技術(shù)多路復(fù)用技術(shù):l就是就是使兩個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)資源共享一個(gè)公共的傳輸介使兩個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)資源共享一個(gè)公共的傳輸介質(zhì)，使得每一數(shù)據(jù)資源都有其自己的通道。質(zhì)，使得每一數(shù)據(jù)資源都有其自己的通道。l通俗的說就是讓不同的計(jì)算機(jī)連接到相同的信通俗的說就是讓不同的計(jì)算機(jī)連接到相同的信道上共享信道資源。道上共享信道資源。多路復(fù)用技術(shù)多路復(fù)用技術(shù)l多路復(fù)用技術(shù)要解決的問題：多路復(fù)用技術(shù)要解決的問題：l實(shí)際上要解決如何在單一的實(shí)際上要解決如何在單一的上建上建

28、立多條并行立多條并行的問題。的問題。l多路復(fù)用系統(tǒng)多路復(fù)用系統(tǒng)就是將一個(gè)區(qū)域的多個(gè)用戶的信就是將一個(gè)區(qū)域的多個(gè)用戶的信息通過多路復(fù)用器進(jìn)行匯集，然后將匯集的信息通過多路復(fù)用器進(jìn)行匯集，然后將匯集的信息群通過一條物理線路傳遞到接收設(shè)備；接收息群通過一條物理線路傳遞到接收設(shè)備；接收設(shè)備通過多路復(fù)用器將信息群分離回原來(lái)的各設(shè)備通過多路復(fù)用器將信息群分離回原來(lái)的各個(gè)單獨(dú)的信息，然后分發(fā)到多個(gè)接收用戶。個(gè)單獨(dú)的信息，然后分發(fā)到多個(gè)接收用戶。多路復(fù)用技術(shù)l多路復(fù)用技術(shù)的基本原理是：多路復(fù)用技術(shù)的基本原理是：各路信號(hào)在進(jìn)入各路信號(hào)在進(jìn)入同一個(gè)有線的或無(wú)線的傳輸介質(zhì)之前，先采用同一個(gè)有線的或無(wú)線的傳輸介質(zhì)之前

29、，先采用技術(shù)把它們調(diào)制為互相不會(huì)混淆的信號(hào)，技術(shù)把它們調(diào)制為互相不會(huì)混淆的信號(hào)，然后進(jìn)入傳輸介質(zhì)傳送到對(duì)方。而對(duì)方再用然后進(jìn)入傳輸介質(zhì)傳送到對(duì)方。而對(duì)方再用技術(shù)對(duì)這些信號(hào)加以區(qū)分，并使技術(shù)對(duì)這些信號(hào)加以區(qū)分，并使它們恢復(fù)成原來(lái)的信號(hào)，從而達(dá)到多路復(fù)用的它們恢復(fù)成原來(lái)的信號(hào)，從而達(dá)到多路復(fù)用的目的。目的。l常用的多路復(fù)用技術(shù)有常用的多路復(fù)用技術(shù)有。 信道帶寬分割：信道帶寬分割：在物理信道的可用帶寬超過單個(gè)原始信號(hào)所需帶寬情況在物理信道的可用帶寬超過單個(gè)原始信號(hào)所需帶寬情況下，可將該物理信道的總帶寬分割成若干個(gè)與傳輸單個(gè)信號(hào)帶寬相同下，可將該物理信道的總帶寬分割成若干個(gè)與傳輸單個(gè)信號(hào)帶寬相同( (

30、或略寬或略寬) )的子信道，每個(gè)子信道傳輸一路信號(hào)，這就是頻分多路復(fù)用。的子信道，每個(gè)子信道傳輸一路信號(hào)，這就是頻分多路復(fù)用。頻譜搬移：頻譜搬移：多路原始信號(hào)在頻分復(fù)用前，先要通過頻譜搬移技術(shù)將各路信多路原始信號(hào)在頻分復(fù)用前，先要通過頻譜搬移技術(shù)將各路信號(hào)的頻譜搬移到物理信道頻譜的不同段上，使各信號(hào)的帶寬不相互重疊，然號(hào)的頻譜搬移到物理信道頻譜的不同段上，使各信號(hào)的帶寬不相互重疊，然后用不同的頻率調(diào)制每一個(gè)信號(hào)，每個(gè)信號(hào)要一個(gè)以它的載波頻率為中心的后用不同的頻率調(diào)制每一個(gè)信號(hào)，每個(gè)信號(hào)要一個(gè)以它的載波頻率為中心的一定帶寬的通道。為了防止互相干擾，使用保護(hù)帶來(lái)隔離每一個(gè)通道。一定帶寬的通道。為了

31、防止互相干擾，使用保護(hù)帶來(lái)隔離每一個(gè)通道。頻分頻分多路復(fù)用主要應(yīng)用于多路復(fù)用主要應(yīng)用于模擬信號(hào)模擬信號(hào)。FDM原理示意圖時(shí)分多路復(fù)用l時(shí)分多路復(fù)用（時(shí)分多路復(fù)用（Time Division Multiplexing，TDM）是各路信號(hào)在是各路信號(hào)在進(jìn)行通信。進(jìn)行通信。由前述的抽樣理由前述的抽樣理 論可知，抽樣的一個(gè)重要作用，是論可知，抽樣的一個(gè)重要作用，是將時(shí)間上連續(xù)的信號(hào)變成時(shí)間上離散的信號(hào)，其在信將時(shí)間上連續(xù)的信號(hào)變成時(shí)間上離散的信號(hào)，其在信道上道上 占用時(shí)間的有限性，為多路信號(hào)沿同一信道傳占用時(shí)間的有限性，為多路信號(hào)沿同一信道傳輸提供了條件。具體說，就是把時(shí)間分成一些輸提供了條件。具體說

32、，就是把時(shí)間分成一些 均勻均勻的時(shí)間間隙，將各路信號(hào)的傳輸時(shí)間分配在不同的時(shí)的時(shí)間間隙，將各路信號(hào)的傳輸時(shí)間分配在不同的時(shí)間間隙，以達(dá)到互相分開，互不干擾的目的。間間隙，以達(dá)到互相分開，互不干擾的目的。 l時(shí)分多路復(fù)用用于時(shí)分多路復(fù)用用于數(shù)字信道數(shù)字信道的復(fù)用的復(fù)用 ，例如，例如PCM通信。通信。 TDM原理示意圖同步時(shí)分復(fù)用同步時(shí)分復(fù)用采用采用固定時(shí)間片分配方式固定時(shí)間片分配方式，即將傳輸，即將傳輸信號(hào)的時(shí)間按特定長(zhǎng)度連續(xù)地劃分成特定時(shí)間段信號(hào)的時(shí)間按特定長(zhǎng)度連續(xù)地劃分成特定時(shí)間段(一一個(gè)周期個(gè)周期)，再將每一時(shí)間段劃分成等長(zhǎng)度的多個(gè)時(shí)隙，再將每一時(shí)間段劃分成等長(zhǎng)度的多個(gè)時(shí)隙，每個(gè)時(shí)隙以固定

33、的方式分配給各路數(shù)字信號(hào)，各路每個(gè)時(shí)隙以固定的方式分配給各路數(shù)字信號(hào)，各路數(shù)字信號(hào)在每時(shí)間段都順序分配到一個(gè)時(shí)隙。數(shù)字信號(hào)在每時(shí)間段都順序分配到一個(gè)時(shí)隙。l時(shí)分多路復(fù)用又分為時(shí)分多路復(fù)用又分為同步時(shí)分復(fù)用同步時(shí)分復(fù)用(Synchronous Time Division Multiplexing,STDM)和和異步時(shí)分復(fù)用異步時(shí)分復(fù)用(Asynchronous Time Division Multiplexing, ATDM)同步時(shí)分復(fù)用由于在同步時(shí)分復(fù)用方式中，時(shí)由于在同步時(shí)分復(fù)用方式中，時(shí)隙預(yù)先分配且固定不變，無(wú)論時(shí)隙預(yù)先分配且固定不變，無(wú)論時(shí)隙擁有者是否傳輸數(shù)據(jù)都占有一隙擁有者是否傳輸數(shù)據(jù)

34、都占有一定時(shí)隙，形成了時(shí)隙浪費(fèi)，其時(shí)定時(shí)隙，形成了時(shí)隙浪費(fèi)，其時(shí)隙的利用率很低隙的利用率很低 。TDM異步時(shí)分復(fù)用ATDM異步時(shí)分復(fù)用又被稱為統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用異步時(shí)分復(fù)用又被稱為統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用，它能動(dòng)態(tài)地按需分配時(shí)隙，以避免每個(gè)，它能動(dòng)態(tài)地按需分配時(shí)隙，以避免每個(gè)時(shí)間段中出現(xiàn)空閑時(shí)隙。時(shí)間段中出現(xiàn)空閑時(shí)隙。ATDM就是只有某一路用戶有數(shù)據(jù)要發(fā)送時(shí)才把時(shí)隙就是只有某一路用戶有數(shù)據(jù)要發(fā)送時(shí)才把時(shí)隙分配給它。分配給它。當(dāng)用戶暫停發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，則不給它分配時(shí)隙。電路的空閑時(shí)隙可用當(dāng)用戶暫停發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，則不給它分配時(shí)隙。電路的空閑時(shí)隙可用于其他用戶的數(shù)據(jù)傳輸于其他用戶的數(shù)據(jù)傳輸 。在所有的數(shù)據(jù)幀中，除最后一個(gè)幀

35、外，其他所有幀均。在所有的數(shù)據(jù)幀中，除最后一個(gè)幀外，其他所有幀均不會(huì)出現(xiàn)空閑的時(shí)隙，從而提高了資源的利用率，也提高了傳輸速率。不會(huì)出現(xiàn)空閑的時(shí)隙，從而提高了資源的利用率，也提高了傳輸速率。波分多路復(fù)用WDMlWDM主要用于全光纖網(wǎng)組成的通信系統(tǒng)。波分復(fù)用就是光的頻主要用于全光纖網(wǎng)組成的通信系統(tǒng)。波分復(fù)用就是光的頻分復(fù)用。人們借用傳統(tǒng)的載波電話的頻分復(fù)用的概念，可以做分復(fù)用。人們借用傳統(tǒng)的載波電話的頻分復(fù)用的概念，可以做到使用一根光纖來(lái)同時(shí)傳輸多個(gè)頻率很接近的光載波信號(hào)到使用一根光纖來(lái)同時(shí)傳輸多個(gè)頻率很接近的光載波信號(hào),提高提高了光纖的傳輸能力。了光纖的傳輸能力。l最初，在一根光纖上只能復(fù)用兩路

36、光載波信號(hào)，隨著技術(shù)的發(fā)最初，在一根光纖上只能復(fù)用兩路光載波信號(hào)，隨著技術(shù)的發(fā)展，在一根光纖上復(fù)用的路數(shù)越來(lái)越多?，F(xiàn)在已達(dá)到在一根光展，在一根光纖上復(fù)用的路數(shù)越來(lái)越多?，F(xiàn)在已達(dá)到在一根光纖上復(fù)用纖上復(fù)用80路或更多路數(shù)的光載波信號(hào)，這種復(fù)用方式就是路或更多路數(shù)的光載波信號(hào)，這種復(fù)用方式就是密密集波分復(fù)用集波分復(fù)用DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing)。波分復(fù)用原理圖波分復(fù)用l波分復(fù)用的技術(shù)特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)如下：波分復(fù)用的技術(shù)特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)如下：可靈活增加光纖傳輸容量同時(shí)傳輸多路信號(hào)可靈活增加光纖傳輸容量同時(shí)傳輸多路信號(hào)成本低、維護(hù)方便、可靠性高，應(yīng)用廣

37、泛成本低、維護(hù)方便、可靠性高，應(yīng)用廣泛時(shí)分多路復(fù)用案例時(shí)分多路復(fù)用案例-貝爾系統(tǒng)的貝爾系統(tǒng)的T1載波載波lT1載波也叫一次群。l24路音頻信道按照時(shí)分多路的原理復(fù)用在一條路音頻信道按照時(shí)分多路的原理復(fù)用在一條1.544Mb/s的通信的通信線路上；該系統(tǒng)在北美和日本被廣泛使用。線路上；該系統(tǒng)在北美和日本被廣泛使用。l每路音頻模擬信號(hào)在送到多路復(fù)用器之前，要通過一個(gè)每路音頻模擬信號(hào)在送到多路復(fù)用器之前，要通過一個(gè)PCM編碼編碼器器；l編碼器每秒取樣編碼器每秒取樣8000次；次；l24路路PCM信號(hào)的每一路輪流將一個(gè)字節(jié)插入到幀中；信號(hào)的每一路輪流將一個(gè)字節(jié)插入到幀中；l每個(gè)字節(jié)的長(zhǎng)度為每個(gè)字節(jié)的長(zhǎng)

38、度為8位，其中位，其中7位是數(shù)據(jù)位，位是數(shù)據(jù)位，1位用于信道控制；位用于信道控制；l每幀由每幀由248=192位組成，附加一位作為幀開始標(biāo)志位，所以每位組成，附加一位作為幀開始標(biāo)志位，所以每幀共有幀共有193位；位；l發(fā)送一幀需要發(fā)送一幀需要125毫秒；毫秒；lT1載波的數(shù)據(jù)傳輸速率為載波的數(shù)據(jù)傳輸速率為1.544Mb/s。 同步光纖網(wǎng) SONET 和同步數(shù)字系列 SDH l舊的數(shù)字傳輸系統(tǒng)存在著許多缺點(diǎn)。其中最主要的是以舊的數(shù)字傳輸系統(tǒng)存在著許多缺點(diǎn)。其中最主要的是以下兩個(gè)方面：下兩個(gè)方面： l數(shù)據(jù)傳輸速率標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一數(shù)據(jù)傳輸速率標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一,存在著存在著T1 與與E1兩個(gè)互不兼容兩個(gè)互不兼容的標(biāo)準(zhǔn)，在高次群的速率方面，日本又使用了第三種不的標(biāo)準(zhǔn)，在高次群的速率方面，日本又使用了第三種不兼容的標(biāo)準(zhǔn)；兼容的標(biāo)準(zhǔn)；