計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與通信(2數(shù)據(jù)通信)

第2章數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)SchoolofComputer

所要講述的問題如下：1.數(shù)據(jù)通信的概念2.數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)3.數(shù)據(jù)調(diào)制與編碼4.多路復(fù)用技術(shù)5.數(shù)據(jù)交換方式6.傳輸介質(zhì)

7.差錯(cuò)檢測8.差錯(cuò)控制

第2章數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)2.1.1基本概念與術(shù)語1.數(shù)據(jù)、信息、信號、碼元數(shù)據(jù)(Data)：原始事實(shí)的集合，涉及事物的形式。分模擬數(shù)據(jù)和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)——靜態(tài)。信息(Information)：按特定方式組織在一起的事實(shí)的集合，是數(shù)據(jù)所代表的內(nèi)容及其解釋，包括實(shí)體、屬性、數(shù)值三部分。更高層的抽象概念。消息(message)：消息和信息并不完全是一回事。消息可以包含信息，但消息不等于信息。數(shù)據(jù)和信息的區(qū)別：數(shù)據(jù)是獨(dú)立的，是尚未組織起來的事實(shí)的集合，信息則是按照一定要求以一定格式組織起來的數(shù)據(jù)，凡經(jīng)過加工處理或換算成人們想要得到的數(shù)據(jù)，即可稱為信息。2.1數(shù)據(jù)通信的概念信號(Signal)：數(shù)據(jù)的電磁編碼，是數(shù)據(jù)在傳輸過程中的存在形式——?jiǎng)討B(tài)。例如，電壓，電流，磁場強(qiáng)度等。碼元(Code)：在使用時(shí)間域（時(shí)域）的波形表示數(shù)字信號時(shí)，代表不同離散數(shù)值的基本波形。二進(jìn)制中“1”和“0”就是碼元。碼元的序列就稱為碼字。如“1010101”就是碼字。在通信系統(tǒng)中，要把數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)或模擬數(shù)據(jù)從一個(gè)地方傳到另一個(gè)地方總要借助于一定地物理信號，如電磁波和光。而物理信號可以是模擬信號，也可能是離散地?cái)?shù)字信號。2.1數(shù)據(jù)通信的概念2.模擬數(shù)據(jù)、數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)、模擬信號、數(shù)字信號模擬數(shù)據(jù)：在某區(qū)間產(chǎn)生連續(xù)值的數(shù)據(jù)。如，聲音和視像是連續(xù)變化的強(qiáng)度樣本。大多數(shù)用傳感器采集的數(shù)據(jù)是連續(xù)數(shù)值的，如溫度計(jì)和氣壓表。

數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)：在某區(qū)間產(chǎn)生離散值的數(shù)據(jù)。如，文本或者字符串。他們通過編碼技術(shù)，將字符用比特序列來表示，最常用的是國際基準(zhǔn)編碼(IRA，InternationalReferenceAlphabet)。模擬信號：在各種介質(zhì)上傳輸?shù)倪B續(xù)變化的電磁波。如雙絞線、同軸電纜和光纖以及無線傳播。音頻信號是最常見的模擬信號，它以聲波的形式被人類直接感受到；視頻信號也是最常用的模擬信號，它通過電視攝像機(jī)錄制的原始鏡頭來說明這些數(shù)據(jù)的特點(diǎn)。數(shù)字信號：是一串離散的、非連續(xù)性的電壓脈沖序列。如用一個(gè)正恒電壓值代表二進(jìn)制1，一個(gè)負(fù)恒電壓值代表二進(jìn)制0。通常在有線介質(zhì)上傳輸。

2.1數(shù)據(jù)通信的概念數(shù)據(jù)與信號的4種組合模擬數(shù)據(jù)模擬信號放大器調(diào)制器模擬數(shù)據(jù)數(shù)字信號

PCM編碼器數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)模擬信號調(diào)制器數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)數(shù)字信號數(shù)字發(fā)送器2.1數(shù)據(jù)通信的概念3.信道信道：傳送信號的一條通路，由線路及附屬設(shè)備組成。單工、半雙工、全雙工4.帶寬信號帶寬：信號所占據(jù)的頻率范圍。如聲音300~3400Hz

信道帶寬：信道允許通過的頻率范圍。5.傳輸速率

數(shù)據(jù)傳輸速率（數(shù)據(jù)率、信息速率等）：單位時(shí)間內(nèi)傳輸?shù)亩M(jìn)制位數(shù)，單位是位/秒（bps）。

碼元傳輸速率：單位時(shí)間內(nèi)所傳輸?shù)拇a元個(gè)數(shù)（信號個(gè)數(shù)），單位是波特。6.信道容量信道容量：信道的最大數(shù)據(jù)率（極限參數(shù)）。

2.1數(shù)據(jù)通信的概念7.抖動2.1數(shù)據(jù)通信的概念

有效瞬間相對于應(yīng)生成理想時(shí)間位置的短時(shí)偏離，是數(shù)字通信系統(tǒng)中數(shù)字信號傳輸?shù)囊环N不穩(wěn)定現(xiàn)象。8.吞吐量

網(wǎng)絡(luò)或信道在單位時(shí)間內(nèi)成功傳送的總信息量。9.誤碼率二進(jìn)位被傳錯(cuò)的概率。p=Ne/N

10.延遲（時(shí)延）

從發(fā)送第一位起到最后一位被收到為止的時(shí)間長度。影響因素：數(shù)據(jù)率、傳播速度、介質(zhì)長度、數(shù)據(jù)量、硬件處理速度等。2.1數(shù)據(jù)通信的概念11.時(shí)域：信號是時(shí)間的函數(shù)—給出了每一時(shí)刻信號的振幅值(連續(xù)或離散)特例：周期信號s(t+T)=s(t),T為常量（周期）例：正弦波s(t)=Asin(2πft+φ)

12.頻域：信號是頻率的函數(shù)——信號由多個(gè)頻率組成

其它頻率都為某個(gè)頻率的整數(shù)倍時(shí)，最小的頻率稱為基頻。

整個(gè)信號的周期（頻率）等于基頻的周期（頻率）。

任何信號都可看成是由各種頻率成分組成的，每個(gè)頻率成分都是正弦波。

13.頻譜：信號的頻率范圍（分布）。2.1數(shù)據(jù)通信的概念正弦波合成2.1數(shù)據(jù)通信的概念

正弦波合成

2.1數(shù)據(jù)通信的概念14.信號強(qiáng)度通常用對數(shù)形式表示，分貝—dB在級聯(lián)的信道上，增益或損耗可以直接加減NdB＝10lgP1、P2為功率值

例如：10mW的信號到達(dá)目的地時(shí)為5mW，損耗為NdB＝10lg（5/10)＝－3dB電壓值表示：NdB＝10lg（V12/V22)＝20lg（V1/V2)2.1數(shù)據(jù)通信的概念2.1.2傳輸指標(biāo)（代表性指標(biāo)）帶寬延遲數(shù)據(jù)率誤碼率2.1數(shù)據(jù)通信的概念1帶寬“帶寬”(bandwidth)本來是指信號具有的頻帶寬度，單位是赫（或千赫、兆赫、吉赫等）?，F(xiàn)在“帶寬”是數(shù)字信道所能傳送的“最高數(shù)據(jù)率”的同義語，單位是“比特每秒”，或b/s(bit/s)。更常用的帶寬單位是千比每秒，即kb/s（103b/s）兆比每秒，即Mb/s（106b/s）吉比每秒，即Gb/s（109b/s）太比每秒，即Tb/s（1012b/s）

在時(shí)間軸上信號的寬度隨帶寬的增大而變窄。每秒

106

個(gè)比特時(shí)間1

01

0

111s帶寬為1Mb/s時(shí)間每秒

4

106

個(gè)比特0.25s帶寬為4Mb/s分組從網(wǎng)絡(luò)的一端傳送到另一端所需的時(shí)間發(fā)送時(shí)延傳播時(shí)延處理時(shí)延排隊(duì)時(shí)延2時(shí)延(delay或latency)

總時(shí)延＝傳播時(shí)延＋發(fā)送時(shí)延＋處理時(shí)延

+排隊(duì)時(shí)延

1011001…發(fā)送器隊(duì)列在鏈路上產(chǎn)生傳播時(shí)延結(jié)點(diǎn)

B結(jié)點(diǎn)

A在發(fā)送器產(chǎn)生發(fā)送時(shí)延(即傳輸時(shí)延)在隊(duì)列中產(chǎn)生處理\排隊(duì)時(shí)延數(shù)據(jù)從節(jié)點(diǎn)A向節(jié)點(diǎn)B發(fā)送數(shù)據(jù)鏈路2.1數(shù)據(jù)通信的概念發(fā)送時(shí)延（傳輸時(shí)延）發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)塊從節(jié)點(diǎn)進(jìn)入到傳輸媒體所需要的時(shí)間。信道帶寬數(shù)據(jù)在信道上的發(fā)送速率。常稱為數(shù)據(jù)在信道上的傳輸速率。提高鏈路帶寬減小了數(shù)據(jù)的發(fā)送時(shí)延。發(fā)送時(shí)延=數(shù)據(jù)塊長度（比特）信道帶寬（比特/秒）傳播時(shí)延電磁波在信道中需要傳播一定的距離而花費(fèi)的時(shí)間。信號傳輸速率（即發(fā)送速率）和信號在信道上的傳播速率是完全不同的概念。銅線中傳播速率2.3*105km/s光纖中傳播速率2.0*105km/s傳播時(shí)延=信道長度（米）信號在信道上的傳播速率（米/秒）容易產(chǎn)生的錯(cuò)誤概念

對于高速網(wǎng)絡(luò)鏈路，提高的僅僅是數(shù)據(jù)的發(fā)送速率而不是比特在鏈路上的傳播速率。提高鏈路帶寬減小了數(shù)據(jù)的發(fā)送時(shí)延。與數(shù)據(jù)的傳播時(shí)延無關(guān)。2.1數(shù)據(jù)通信的概念處理時(shí)延交換結(jié)點(diǎn)為存儲轉(zhuǎn)發(fā)而進(jìn)行一些必要的處理所花費(fèi)的時(shí)間。排隊(duì)時(shí)延結(jié)點(diǎn)緩存隊(duì)列中分組排隊(duì)所經(jīng)歷的時(shí)延。排隊(duì)時(shí)延的長短往往取決于網(wǎng)絡(luò)中當(dāng)時(shí)的通信量。課堂練習(xí)1000Mbps以太網(wǎng)上的主機(jī)A要連續(xù)發(fā)送兩個(gè)長度為5000比特的分組給主機(jī)B,其路徑上有一個(gè)存儲轉(zhuǎn)發(fā)交換機(jī),假定每條鏈路的傳播延遲為10μs,并且交換機(jī)在接收完分組后立即開始轉(zhuǎn)發(fā)分組,求從A開始發(fā)送數(shù)據(jù)到B接收完數(shù)據(jù)的總時(shí)延。往返時(shí)延RTT(Round-TripTime)表示從發(fā)送端數(shù)據(jù)送到鏈路開始，到發(fā)送端收到來自接收端的確認(rèn)（接收端收到數(shù)據(jù)后立即發(fā)送確認(rèn)），總共經(jīng)歷的時(shí)延。往返時(shí)延3時(shí)延帶寬積傳播時(shí)延鏈路帶寬時(shí)延帶寬積=傳播時(shí)延帶寬鏈路能容納的最多比特鏈路的時(shí)延帶寬積又稱為以比特為單位的鏈路長度。2.1.3數(shù)字傳輸與模擬傳輸數(shù)字傳輸：傳輸數(shù)字信號的方法，與數(shù)字信號所代表的數(shù)據(jù)形式無關(guān)模擬傳輸：傳輸模擬信號的方法，與模擬信號所代表的數(shù)據(jù)形式無關(guān)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)（二進(jìn)制序列）

編碼為數(shù)字信號數(shù)字傳輸數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)（二進(jìn)制序列）

調(diào)制為模擬信號（MODEM）模擬傳輸模擬數(shù)據(jù)（連續(xù)值）

編碼為數(shù)字信號（CODEC）數(shù)字傳輸模擬數(shù)據(jù)（二進(jìn)制序列）

調(diào)制為模擬信號模擬傳輸2.1數(shù)據(jù)通信的概念增大傳輸距離的方法數(shù)字傳輸：中繼方式（中繼器）模擬傳輸：放大方式（放大器）數(shù)字傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)：①設(shè)備簡單：只需處理0、1，優(yōu)化信道設(shè)計(jì)②傳輸質(zhì)量高，出錯(cuò)率低③增大通信能力④便于統(tǒng)一多種網(wǎng)絡(luò)數(shù)字傳輸現(xiàn)在還不能用于遠(yuǎn)距離衛(wèi)星通信。2.1數(shù)據(jù)通信的概念2.1.4基帶傳輸與頻帶傳輸基帶傳輸基帶：未經(jīng)調(diào)制變換的信號所占的頻帶?；鶐盘枺焊呦揞l率與低限頻率之比遠(yuǎn)大于1的信號?；鶐鬏敚翰话嵋苹鶐盘栴l譜的傳輸方式基帶數(shù)字信號的頻譜從0開始。為了經(jīng)濟(jì)地利用頻帶，通常需要作一些碼型變換。2.1數(shù)據(jù)通信的概念2.頻帶傳輸改變原始信號的頻帶，使其在適合的通頻帶上傳輸?shù)膫鬏敺绞筋l帶傳輸系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)：2.1數(shù)據(jù)通信的概念解釋2——7完成基帶信號的頻譜搬移和恢復(fù)對調(diào)相和調(diào)頻系統(tǒng)，一般沒有1,將其合并到3中2.1數(shù)據(jù)通信的概念

2.1.5傳輸損害（TransmissionImpairments）對模擬信號而言，損傷會降低信號的質(zhì)量；對數(shù)字信號則會導(dǎo)致比特差錯(cuò)。衰減和衰減失真(Attenuationandattenuationdistortion)

時(shí)延失真(Delaydistortion)

噪聲(Noise)

2.1數(shù)據(jù)通信的概念

1.衰減

結(jié)論1:衰減量是距離的函數(shù)有線介質(zhì)：通常可用對數(shù)表示，分貝/單位長度無線介質(zhì)：非常復(fù)雜（距離、大氣環(huán)境）

結(jié)論2:衰減與頻率有關(guān)：頻率越高，衰減越嚴(yán)重

2.1數(shù)據(jù)通信的概念由于衰減的存在，傳輸工程需要考慮三個(gè)方面：接收到的信號必須有足夠的強(qiáng)度，這樣接收器中的電路才能檢測到信號。信號電平必須保持比噪聲電平高，這樣接收到的數(shù)據(jù)才沒有差錯(cuò)。頻率越高衰減越嚴(yán)重。解決方法：前兩個(gè)問題可注意信號強(qiáng)度并使用放大器及轉(zhuǎn)換器可以解決。保持高信躁比。

最后一個(gè)問題通常采用均衡技術(shù)，即利用加敏感線圈改變線路的某些電氣特性，使衰減的特性變得比較均勻(高頻補(bǔ)償)。2.1數(shù)據(jù)通信的概念2.時(shí)延失真原因：信號傳播速度隨頻率改變，中心頻率傳播速度快，兩端頻率傳播慢。對高速、數(shù)字信號影響更大。2.1數(shù)據(jù)通信的概念3.噪聲在傳送和接收之間的某個(gè)地方插入進(jìn)來的不希望有的信號，這種信號即為噪聲。

噪聲可分為四類：熱噪聲(Thermolnoise)

互調(diào)噪聲(Intermodulationnoise)

串?dāng)_(Crosstalk)

沖激噪聲(Impulsenoise)

熱噪聲（白噪聲）是由導(dǎo)體內(nèi)電子的熱運(yùn)動造成的，它存在所有的電子設(shè)備和傳輸媒體中，均勻分布在整個(gè)頻率范圍內(nèi)，是一個(gè)溫度的函數(shù)。N=kTW

其中k為玻爾茲曼常數(shù)（1.3803×10-23）J/oK，T為溫度，W為帶寬。2.1數(shù)據(jù)通信的概念互調(diào)噪聲（調(diào)制噪聲）：由于在發(fā)送器、接收器中存在非線性因素(元器件發(fā)生了故障或使用了過強(qiáng)信號)，或者是傳輸系統(tǒng)受到干撓。

原因：非線性設(shè)備產(chǎn)生。串?dāng)_：由于載有多路信號（信道）的相鄰雙絞線之間發(fā)生電耦合而產(chǎn)生互相干撓的現(xiàn)象。

以上三種噪聲是可預(yù)測的。沖激噪聲：是非連續(xù)的，由不規(guī)則的脈沖或噪聲尖鋒組成，這些噪聲尖鋒的持續(xù)時(shí)間短而振幅大。如雷電。難以預(yù)測，主要影響數(shù)字信號。2.1數(shù)據(jù)通信的概念

2.2數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)2.2.1數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)模型1.定義凡是將計(jì)算機(jī)或終端與數(shù)據(jù)傳輸線路連接起來，達(dá)到數(shù)據(jù)傳輸、收集、分配、存儲、處理目的的系統(tǒng)——數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)。2.通信要素?zé)o論采用什么方式通信，必須具備三個(gè)基本要素：

信源、信息傳輸媒體、信宿。

信源通信媒體信宿2.2數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)噪聲3.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)送的信號接收的信號輸出數(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)字比特流模擬信號模擬信號正文正文數(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)2.2數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)模型功能：信源(源站)：產(chǎn)生待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。發(fā)送器：格式轉(zhuǎn)換、編碼成適合傳輸?shù)男盘枴鬏斚到y(tǒng)：傳輸線路(可能是一條線路，也可能是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng))。接收器：接收信號并轉(zhuǎn)換為目的設(shè)備可識別的數(shù)據(jù)格式。信宿(目的站)：接收數(shù)據(jù)并對其進(jìn)行所需要的處理。

4.傳輸系統(tǒng)（信道）的連接方式

點(diǎn)——點(diǎn)

分枝/交換

集線2.2數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)5.傳輸代碼

ASCII

UNICODE

統(tǒng)一的字符編碼標(biāo)準(zhǔn),采用雙字節(jié)對字符進(jìn)行編碼

BASE64(MIME）

HZ

GB

BIG5

是臺灣計(jì)算機(jī)界實(shí)行的漢字編碼字符集。它包含了420個(gè)圖形符號和13070個(gè)漢字（不包含簡化漢字）2.2數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)6.模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)

模擬通信系統(tǒng)是數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中處于DCE之間的信號為模擬信號的通信系統(tǒng)。信道的信號頻譜通常比較窄，信道的利用率比較高。但抗干擾能力差，也不適應(yīng)計(jì)算機(jī)通信的要求。

數(shù)字通信系統(tǒng)是數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中處于DCE與DTE之間的信號為數(shù)字信號的通信系統(tǒng)。數(shù)字通信系統(tǒng)的抗干擾性明顯優(yōu)于模擬通信系統(tǒng)。該通信所占信道很寬。2.2數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)2.2.2數(shù)據(jù)傳輸速率

1.信道從兩個(gè)不同的角度理解：

一種是將傳輸媒體和完成各種形式的信號變換功能的設(shè)備都包含在內(nèi)，稱為廣義信道。如調(diào)制信道、編碼信道等。

另一種是僅指傳輸媒體(如雙絞線、電纜、光纖、微波、短波等)本身，這類信道稱為狹義信道。通?？偸前研诺揽醋魇且孕盘杺鬏斆襟w為基礎(chǔ)的信號通路。

2.2數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)2.信道可分為：

◆有線信道：一對導(dǎo)線構(gòu)成一條有線信道。

特點(diǎn)：能量相對集中在導(dǎo)線附近，有較高的傳輸效率，能量集中。

◆無線信道：發(fā)送方（信源）使用高頻發(fā)射機(jī)和定向天線發(fā)射信號，接收方（信宿）通過接收天線和接收機(jī)接收信號。

特點(diǎn)：信號相對分散，傳輸效率較低，安全性較差?？煞譃殚L波、中波、短波、超短波和微波等多種，能量發(fā)散。2.2數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)信道可分為：

◆模擬信道：支持模擬信號傳輸。電話線、雙絞線等。

特點(diǎn)：傳輸一段距離之后，信號將會有所衰減，最終導(dǎo)致傳輸失真。為了支持長距離的信號傳輸，模擬信道每隔一段距離，應(yīng)當(dāng)安裝放大器，利用放大器使信道中的信號能量得到補(bǔ)充。

◆數(shù)字信道：支持?jǐn)?shù)字信號傳輸（光纖等）。

特點(diǎn)：對所有頻率的信號都作同等比例衰減的特點(diǎn)。長距離傳輸時(shí)，數(shù)字信號也會有所衰減，因此數(shù)字信道中常采用類似放大器功能的中繼器來識別和還原數(shù)字信號。2.2數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)3.模擬信道和數(shù)字信道的通信質(zhì)量模擬信道的通信質(zhì)量可用失真和輸出信噪比來衡量。信噪比：S/N=10lg(信號功率/噪聲功率)

信號與噪聲功率之比表示有用信號超過噪聲電平的總量（以分貝為單位）S/N越高，意味著恢復(fù)后的信號質(zhì)量越好，也意味著可能使用較少的中繼轉(zhuǎn)發(fā)器。2.2數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)3.模擬信道和數(shù)字信道的通信質(zhì)量數(shù)字信道的通信質(zhì)量可用差錯(cuò)率以及差錯(cuò)序列的統(tǒng)計(jì)特性來描述。差錯(cuò)率/誤碼率：信道上傳輸比特總數(shù)與其中出錯(cuò)比特?cái)?shù)的比值。

Pe=出錯(cuò)比特?cái)?shù)/傳輸比特?cái)?shù)信道的差錯(cuò)率與信號的傳輸速率或者傳輸距離成正比，網(wǎng)絡(luò)的差錯(cuò)率則主要取決于信源至信宿之間的信道的質(zhì)量。

2.2數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)

4.概念

信道帶寬：信道可以不失真地傳輸信號的頻率范圍。

信道容量：因?yàn)樾盘柕氖д婧蛽p壞，信道在單位時(shí)間內(nèi)可以傳輸?shù)淖畲笮盘柫?，表示信道的傳輸能力?/p>

數(shù)據(jù)傳輸速率(bps)：信道在單位時(shí)間內(nèi)可以傳輸?shù)淖畲蟊忍財(cái)?shù)。信道容量和信道帶寬具有正比的關(guān)系，帶寬越大，容量越大。信道容量與數(shù)據(jù)傳輸速率的區(qū)別：前者表示信道的最大數(shù)據(jù)傳輸速率，是信道傳輸數(shù)據(jù)能力的極限，而后者是實(shí)際的數(shù)據(jù)傳輸速率。2.2數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)數(shù)字信號通過實(shí)際的信道

失真不嚴(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）輸入信號波形輸出信號波形(失真不嚴(yán)重)輸入信號波形實(shí)際的信道（帶寬受限、有噪聲、干擾和失真）輸出信號波形(失真嚴(yán)重)2.2數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)5.奈奎斯特準(zhǔn)則

1924年，奈奎斯特(Nyquist)推導(dǎo)出在理想(無噪聲)低通信道下的最高碼元傳輸速率(容量)：理想低通信道下的最高碼元傳輸速率＝2WBaud

其中：W是理想低通信道的帶寬，單位為赫(Hz)，Baud是波特，是碼元傳輸速率的單位，1波特為每秒傳送1個(gè)碼元。在帶寬為W（Hz）的無噪聲信道上傳輸信號，假定每個(gè)信號取M個(gè)離散電平值，則信道的極限數(shù)據(jù)率(比特率）為：2×W×log2M(bps)2.2數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)要強(qiáng)調(diào)以下兩點(diǎn)

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。波特(Baud)和比特(bit)是兩個(gè)不同的概念。波特是碼元傳輸?shù)乃俾蕟挝?每秒傳多少個(gè)碼元)。碼元傳輸速率也稱為調(diào)制速率、波形速率或符號速率。比特是信息量的單位。

2.2數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)6.香農(nóng)定理香農(nóng)(Shannon)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極限、無差錯(cuò)的信息傳輸速率。信道的極限信息傳輸速率C可表達(dá)為C=Wlog2(1+S/N)b/sW為信道的帶寬（以Hz為單位）；S為信道內(nèi)所傳信號的平均功率；N為信道內(nèi)部的高斯噪聲功率。

2.2數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)香農(nóng)公式表明

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。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實(shí)現(xiàn)無差錯(cuò)的傳輸。若信道帶寬

W

或信噪比

S/N

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

C

也就沒有上限。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。2.2數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)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)送的信號接收的信號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[例1]已知信噪比為30dB，帶寬為3kHz，求信道的最大數(shù)據(jù)傳輸速率。

∵10lg(S/N)=30

∴S/N=1030/10=1000∴C=3klog2(1+1000)≈30kbps[例2]假設(shè)某個(gè)信道的頻譜在3MHz到4MHz之間，信噪比為24分貝，求信道的最大數(shù)據(jù)傳輸速率?！遅=4MHz－3MHz＝1MHz，10lg(S/N)=24，∴S/N=1024/10≈251∴C=1Mlog2(1+251)≈8Mbps（這是理論上的極限）

用奈氏公式計(jì)算需要多少信號值？C=2Wlog2M(其中M是離散信號的個(gè)數(shù)或電壓值的個(gè)數(shù))8×106＝2×(106)×log2M4＝log2MM＝162.2數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)5.數(shù)據(jù)率、帶寬與信號質(zhì)量2.2數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)結(jié)論沒有足夠的帶寬就不可能保證所需要的信號質(zhì)量。信號的數(shù)據(jù)率越高，其有效帶寬越寬。如果數(shù)字信號的數(shù)據(jù)率要求為Wb /s，則帶寬為2WHz時(shí)可以完全滿足信號質(zhì)量要求（Nyquist第一定理）。

2.2數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)

2.2.3同步控制方式

目的：保證接收方在時(shí)間上與發(fā)送方取得同步，以便能夠正確地識別和接收發(fā)送方發(fā)來的數(shù)據(jù)。

使發(fā)、收雙方確切知道每位的起始時(shí)刻和持續(xù)時(shí)間。

主要方式：同步方式、異步方式同步方式：以某種方式將發(fā)送方的時(shí)鐘信號也發(fā)送到接收方異步方式：接收方和發(fā)送方各自有時(shí)鐘發(fā)生器，但頻率必須一致。

2.2數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)

1.同步傳輸方式：以多個(gè)字符或者多個(gè)比特組合成的數(shù)據(jù)塊為單位進(jìn)行傳輸，沒有起始比特和停止比特，利用獨(dú)特的同步模式來限定數(shù)據(jù)塊，達(dá)到同步接收的目的。為了防止發(fā)送器和接收器之間的偏差，它們的時(shí)鐘必須達(dá)到某種程度的同步。

對于數(shù)字信號，通過曼徹斯特編碼或差分曼徹斯特編碼就可以實(shí)現(xiàn)。對于模擬信號，載波頻率本身就可以根據(jù)載波的相位來同步接收。

位同步：接收方從接收到的信號中正確恢復(fù)原來數(shù)據(jù)信號。有插入導(dǎo)頻法和自同步法2.2數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)

2.異步傳輸方式：異步通信或異步傳輸，采用的是群同步技術(shù)，即群同步。它是指字符可以隨機(jī)進(jìn)行傳遞的一種傳輸，每個(gè)字符為5到8位表示，每個(gè)字符前面放一個(gè)起始位，后面跟一個(gè)停止位，由于每個(gè)字符是獨(dú)立的，并可以以不同速率發(fā)送，因此叫異步傳輸。

2.2數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)

異步傳輸方式（異步起止方式）方法：每次傳送一個(gè)字符，在字符的前面加一個(gè)起始位，在字符的后面加1個(gè)或不加校驗(yàn)位，大約是正常比特寬度的1、1.5或2倍，每個(gè)字符用5~8位表示。過程：不發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)送停止位（高），發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)首先發(fā)起始位（低），再發(fā)數(shù)據(jù)。接收方判斷起始位（高低）后，開始接收。特點(diǎn)：字符內(nèi)部的各個(gè)比特采用固定的時(shí)間模式，每個(gè)字符獨(dú)立傳輸，字符之間間隔任意，用獨(dú)特的起始位和終止位來限定每個(gè)字符。適用：面向字符傳輸優(yōu)點(diǎn)：簡單，實(shí)現(xiàn)成本低缺點(diǎn)：開銷大(20%)，效率低2.2數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)這種機(jī)制對于定時(shí)的要求不是非常嚴(yán)格。例如，典型情況下字符以8比特為一個(gè)發(fā)送單位，其中包括檢驗(yàn)比特。如果接收器比發(fā)送器慢或者快了5％，那么第8個(gè)信息比特的取樣位置會有40％的偏移，但仍然被正確取樣。

起終始

止位

11101010位線路空閑線路空閑起始位一個(gè)字符下一字符2.2數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)

接收器與發(fā)送器定時(shí)誤差太大，會導(dǎo)致取樣不正確，這樣會產(chǎn)生兩種不同的誤差。

①接收到的后面比特樣本是錯(cuò)誤的。

②此時(shí)的比特計(jì)數(shù)器也可能越界(可能第8bit誤認(rèn)為終止位)。

異步方式問題：存在時(shí)間漂移（計(jì)時(shí)不準(zhǔn)）

2.2數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)幀同步：

(1)字符計(jì)數(shù)法

以一個(gè)特殊字符表示一幀的開始，并以一個(gè)專門字段來表明幀內(nèi)的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)

接收方通過特殊字符確定幀的開始，并從專門字段中獲知隨后跟隨的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)，確定出幀的終止位置

存在問題：如果計(jì)數(shù)字段在傳輸中出現(xiàn)差錯(cuò)，接收方就無法判斷所傳輸幀的結(jié)束位。也無法知道下一幀的開始，使發(fā)送方和接收方無法同步。

2.2數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)(2)帶字符填充的首尾界符法

在每一幀的頭部用幀開始字符標(biāo)記，在幀的尾部，用幀結(jié)束字符標(biāo)記。

存在問題：如果幀的首尾定界符出現(xiàn)在信息位中，會造成錯(cuò)誤接收，因此，在信息位中出現(xiàn)的定界符前出現(xiàn)一個(gè)轉(zhuǎn)義字符用來區(qū)分。2.2數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)SOH幀開始符幀結(jié)束符發(fā)送在前EOTSOH（00000001）EOT（00000100）幀(2)帶字符填充的首尾界符法

存在問題：如果幀的首尾定界符出現(xiàn)在信息位中，會造成錯(cuò)誤接收，因此，在信息位中出現(xiàn)的定界符前出現(xiàn)一個(gè)轉(zhuǎn)義字符用來區(qū)分。2.2數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)SOHEOT出現(xiàn)了“EOT”被接收端當(dāng)作無效幀而丟棄被接收端誤認(rèn)為是一個(gè)幀數(shù)據(jù)部分EOT完整的幀發(fā)送在前(3)帶位填充的首尾標(biāo)志法

使用一個(gè)特定的位模式，即01111110作為幀的開始和結(jié)束標(biāo)志。存在問題：與上相同。

2.2數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)零比特填充法零比特填充法使一幀中兩個(gè)F字段之間不會出現(xiàn)6個(gè)連續(xù)1。在發(fā)送端，當(dāng)一串比特流數(shù)據(jù)中有5個(gè)連續(xù)1時(shí)，就立即填入一個(gè)0。在接收幀時(shí)，先找到F字段以確定幀的邊界。接著再對比特流進(jìn)行掃描。每當(dāng)發(fā)現(xiàn)5個(gè)連續(xù)1時(shí)，就將其后的一個(gè)0刪除，以還原成原來的比特流。數(shù)據(jù)中某一段比特組合恰好出現(xiàn)和F字段一樣的情況01001111110001010會被誤認(rèn)為是F字段發(fā)送端在5個(gè)連1之后填入0比特再發(fā)送出去填入0比特010011111010001010在接收端將5個(gè)連1之后的0比特刪除，恢復(fù)原樣在此位置刪除填入的0比特010011111010001010零比特填充法(4)物理編碼違例法將數(shù)據(jù)位“1”編碼成高－低電平對，數(shù)據(jù)位“0”編碼成低－高電平對，每一個(gè)數(shù)據(jù)位在中間都有一次跳變，使接收方容易將幀的邊界定位。高—高或低—低電平對在數(shù)據(jù)比特的編碼中都是違例的，可以借用這些違例編碼的序列來定界幀的開始和結(jié)束。

2.2數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)無論是模擬數(shù)據(jù)還是數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)都要編碼成模擬信號或者數(shù)字信號。1.數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)編碼為數(shù)字信號

對接收器的要求：①必須相當(dāng)準(zhǔn)確地了解一個(gè)比特的起止時(shí)間；②接收器必須判斷每個(gè)比特的信號電平是高還是低。接收器在解釋收到信號時(shí)與信噪比、數(shù)據(jù)率和帶寬有關(guān)。

信噪比(S/N)增加，則誤碼率減??；數(shù)據(jù)率增加，則誤碼率也增加。

增加帶寬可以增加數(shù)據(jù)率；2.3數(shù)據(jù)調(diào)制與編碼數(shù)字信號編碼格式的定義(1)不歸零碼使用兩個(gè)不同的電平來表示二進(jìn)制數(shù)字(RS-232編碼）。特點(diǎn)是在一個(gè)比特周期內(nèi)其電平恒定，沒有變化(不會回到零電平)。如沒用電壓的情況可以用來代表二進(jìn)制的0，同時(shí)用一個(gè)恒定的正電平代表二進(jìn)制的1。

不歸零電平(NonreturntoZero-Level,NRZ-L)是用一個(gè)負(fù)電平代表一個(gè)二進(jìn)制數(shù)，而正電平則用來代表另一個(gè)二進(jìn)制數(shù)。2.3數(shù)據(jù)調(diào)制與編碼

NRZI(NonreturntoZero,Invertonones)(不歸零1制)是NRZ的一種變型。編碼形式是在一個(gè)比特的起始時(shí)刻看信號有或沒有跳變，0代表在間隔的起始位置沒有跳變，1代表在間隔的起始位置有跳變。缺點(diǎn)：同步能力差。2.3數(shù)據(jù)調(diào)制與編碼(2)多電平二進(jìn)制這種編碼使用了多于兩個(gè)的信號電平。雙極性AMI(AlternateMarkInversion)和偽三進(jìn)制。在雙極性AMI中，沒有線路信號代表二進(jìn)制的0，而二進(jìn)制的1由正脈沖或負(fù)脈沖表示。二進(jìn)制1的脈沖值必須在正負(fù)兩極之間不斷交替。優(yōu)點(diǎn)：①如果1比特串很長的情況，不會失去同步，但0比特串仍然是個(gè)問題；②由于信號1的電平在正、負(fù)之間不斷變換，所以不存在凈直流成分；③脈沖交替變化的特點(diǎn)提供了一種簡單的差錯(cuò)檢測手段。

2.3數(shù)據(jù)調(diào)制與編碼

偽三進(jìn)制碼(pseudoternary)與雙極性AMI正好相反，沒有信號代表二進(jìn)制的1，而二進(jìn)制的0由正脈沖或負(fù)脈沖表示。二進(jìn)制0的脈沖值必須在正負(fù)兩極之間不斷交替。雙極性AMI在較長的0比特，或者偽三進(jìn)制碼在較長的1比特仍然會出現(xiàn)問題?？刹捎貌迦敫郊拥谋忍貋韽?qiáng)制信號的跳變。2.3數(shù)據(jù)調(diào)制與編碼

(3)B8ZS（北美采用的遠(yuǎn)程通信編碼體制）

雙極性8零替換(B8ZS,Bipolarwith9-ZeroSubstitution)修正的方法是如果產(chǎn)生八個(gè)連續(xù)的0，并且產(chǎn)生之前的電壓脈沖為正，則八位編碼為000＋－0－＋。如果產(chǎn)生之前的電壓脈沖為負(fù)，則八位編碼為000－＋0＋－。(4)HDB3(日、歐采用的遠(yuǎn)程通信編碼）高密度雙極性3零碼(HDB3,High-DensityBipolarZero)修正的方法是含有一個(gè)或兩個(gè)脈沖的序列來替換4個(gè)零值的序列。替換方法見下表。

前面的脈沖的極性自上次違規(guī)碼之后雙極性脈沖(比特1)的數(shù)目奇數(shù)偶數(shù)－000－＋00＋＋000＋－00－2.3數(shù)據(jù)調(diào)制與編碼變換規(guī)則連續(xù)4個(gè)或4個(gè)以上的0時(shí)，每隔三個(gè)0，下一個(gè)0用V碼(極性破壞點(diǎn))取代各V碼必須進(jìn)行極性交替相鄰V碼間,前V碼后鄰的原傳號碼應(yīng)與之符合極性交替原則要使V碼前鄰一定出現(xiàn)一個(gè)與之極性相同的碼位,若沒有出現(xiàn),將4連0中第1個(gè)0用B碼取代,使B與它后鄰的V碼同極性1000010110000000001110100001.VVVV2.V+V-V+V-3.

V+1-1+1-V-V+1-1+1-1+V-4.1+V+1-1+1-V-B+V+1-1+1-1+B-V-

2.3數(shù)據(jù)調(diào)制與編碼(5)nBmB規(guī)則：用m位的NRZI編碼表示n位,效率為n/m特例：4B/5B:用32種編碼中的16種分別表示0000~1111一次對4個(gè)比特編碼，數(shù)據(jù)中每4個(gè)比特被編碼成一個(gè)5個(gè)碼比特的符號，即稱為碼組。5位比特的選擇要求每個(gè)碼組中至少應(yīng)有2個(gè)“1”比特出現(xiàn)。（每個(gè)編碼中至少有兩次跳變，不超過3個(gè)0），（100BaseX、FDDI）5B6B（100VG－AnyLAN）8B/10B(光纖）01010010102.3數(shù)據(jù)調(diào)制與編碼(6)MLT-3(多階基帶編碼3或三階基帶編碼)

適于100BaseT、雙絞線FDDI規(guī)則：

基于NRZ；

如果下一位是0，則輸出值與前面的相同；

如果下一位是1，則輸出值必須跳變；如果前一位的輸出值為＋或－，則下一個(gè)輸出0；如果前一位的輸出值為0，則下一個(gè)輸出非0，且與上一個(gè)非0值符號相反。2.3數(shù)據(jù)調(diào)制與編碼(7)曼徹斯特編碼和差分曼徹斯特曼徹斯特編碼一個(gè)比特時(shí)間一分為二

比特時(shí)間內(nèi)發(fā)生低電平到高電平的變化表示“1”

高電平到低電平的變化表示“0”差分曼徹斯特編碼一個(gè)比特時(shí)間一分為二，比特時(shí)間中部發(fā)生電平變化，表示的值依賴于前一比特的最終電平狀態(tài)。*當(dāng)前比特的前半部分電平不同于前一比特的最終電平狀態(tài)（即位間電平發(fā)生變化），表示“0”*當(dāng)前比特的前半部分電平相同于前一比特的最終電平狀態(tài)（即位間電平不發(fā)生變化），表示“1”010011010001001101002.3數(shù)據(jù)調(diào)制與編碼曼徹斯特/差分曼徹斯特編碼的優(yōu)點(diǎn)

自同步

沒有直流成分

可用于信號級差錯(cuò)檢測缺點(diǎn)：效率較低，適于近距離通信。

2.3數(shù)據(jù)調(diào)制與編碼

編碼效率：對曼徹斯特編碼，每比特時(shí)間有兩次變化。每200Mbaud的信號率需要100Mb/s的數(shù)據(jù)率，編碼效率是50％。對4B/5B編碼，每4比特組被編碼成5比特，用125Mbaud可得到100Mb/s，編碼效率是80％。2.3數(shù)據(jù)調(diào)制與編碼2.數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)調(diào)制為模擬信號思想：選取某一頻率的正弦信號作為載波用以運(yùn)載所要傳送的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。用待傳送的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)改變載波的幅值、頻率、或相位，到達(dá)目的地后進(jìn)行分離。

調(diào)制——把數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)加到載波上去的過程解調(diào)——從載波上取出數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的過程調(diào)制技術(shù)有三種：幅移鍵控(ASK)

頻移鍵控(FSK)

相移鍵控(PSK)2.3數(shù)據(jù)調(diào)制與編碼(1)幅移鍵控(Amplitude-ShiftKeying)：二進(jìn)制的兩個(gè)數(shù)值分別由同一頻率載波信號的兩個(gè)不同振幅值來表示。

ASKs(t)=其中，載波信號為Acos(2πfct)。幅移鍵控容易受突發(fā)的增益變化影響，同時(shí)也是一種效率較低的調(diào)制技術(shù)。特點(diǎn)：簡單，抗干擾性能差。Acos(2πfct)二進(jìn)制10二進(jìn)制02.3數(shù)據(jù)調(diào)制與編碼定義四種振幅比特值振幅00A1=001A2>010A3=2A211A4=3A2數(shù)字序列00110110兩個(gè)概念信息傳輸率fB單位時(shí)間內(nèi)（每秒）傳輸?shù)亩M(jìn)制位數(shù)波特率（調(diào)制速率）B單位時(shí)間內(nèi)（每秒）線路狀態(tài)變化數(shù)目關(guān)系n位有2n個(gè)組合，如每一組合對應(yīng)2n個(gè)振幅中的一種，則信息傳輸率為波特率的n倍fB=Blog2

M(M為線路狀態(tài)數(shù)M=2n)

(2)頻移鍵控(Frequency-ShiftKeying)：由載波頻率附近的兩個(gè)不同頻率來表示二進(jìn)制的兩個(gè)值。設(shè)載波頻率為fc，調(diào)制后頻率為f1,f2,一般要求，f2-fc=fc-f1

FSKs(t)=

例：電話線上全雙工傳輸聲音信號，這個(gè)帶寬在1700Hz的地方被分割。在某個(gè)方向，用于代表1和0的頻率以1170Hz為中心，各自向兩側(cè)偏移100Hz。在另一個(gè)方向上，用于代表1和0的頻率以2125Hz為中心，各自向兩側(cè)偏移100Hz。頻率分別為：1170±100Hz，2125±100HzAcos(2πf1t)二進(jìn)制1Acos(2πf2t)二進(jìn)制02.3數(shù)據(jù)調(diào)制與編碼比特值頻率00f101f2=2f110f3=3f111f4=4f1數(shù)字序列00110110每一n位組合對應(yīng)2n個(gè)頻率中一種，信息傳輸率為波特率的n倍定義四種頻率(3)相移鍵控(Phase-ShiftKeying)：用待傳數(shù)據(jù)改變載波的相位絕對移相：用兩個(gè)絕對相位分別表示0,1例如：0°表示0，180°表示1相對移相：用相位的變化表示0，1例如：有相位變化表示1,無相位變化表示0

如果是多進(jìn)制，則相位差就不是π

PSKs(t)=

正交移相鍵控（QPSK）：每90°表示一種狀態(tài)。45°：11135°：10225°：00315°：01結(jié)果：一個(gè)信號表示2位。

Acos(2πfct+π)二進(jìn)制1Acos(2πfct)二進(jìn)制02.3數(shù)據(jù)調(diào)制與編碼QPSK每次調(diào)制2位,定義4個(gè)相位串并轉(zhuǎn)換電平產(chǎn)生電平產(chǎn)生二進(jìn)制信息{ai}bkckI(t)Q(t)載波發(fā)生器××Acos2πfct90o相移Asin2πfct+(4)QAM（正交振幅調(diào)制）(QuadratureAmplitudeModulation)調(diào)幅、調(diào)相相結(jié)合把兩個(gè)頻率相同的模擬信號疊加在一起,一個(gè)對應(yīng)正弦函數(shù),一個(gè)對應(yīng)余弦函數(shù)(兩函數(shù)相差90度)Csinx+Dcosx=Asin(P+x)(4)QAM（正交振幅調(diào)制）音頻MODEM普遍采用的方式原理：發(fā)送數(shù)據(jù)在比特／符號編碼器內(nèi)被分成兩路(速率各為原來的1／2)，分別與一對正交調(diào)制分量相乘，求和后輸出。通常有二進(jìn)制QAM，四進(jìn)制QAM（16QAM），八進(jìn)制QAM（64QAM），……等，對應(yīng)的空間信號矢量端點(diǎn)圖（也稱為星座圖）特點(diǎn)：QAM編碼具有能充分利用帶寬、抗噪聲能力強(qiáng)。2.3數(shù)據(jù)調(diào)制與編碼(4)相位鍵控＋幅值鍵控(16)相位鍵控與幅值鍵控相結(jié)合，一個(gè)信號表示多個(gè)二進(jìn)位。01001110數(shù)據(jù)信息調(diào)制01幅度和頻率的組合調(diào)制（2倍速）用不同的幅度和頻率組合分別表示4個(gè)不同的值：00，01，10，11

12個(gè)調(diào)制相位（15o

、45o、75o、105o、…、345o），并在45o、135o、225o、315o處采用兩種不同的幅度值。相位-幅度的16種組合分別表示16個(gè)不同的值。15。45。75。105135。165。195。285。255。225。315。345?！瘛瘛瘛瘛瘛瘛瘛瘛瘛瘛瘛瘛瘛瘛瘛?5)相位鍵控＋幅值鍵控（4倍速）(6)性能（調(diào)制信號的帶寬）①ASK、PSK傳輸帶寬BT＝（1+r）R/log2L其中R為數(shù)據(jù)率，r為系數(shù)（0<r<1)，L為離散電平數(shù)量②FSK傳輸帶寬BT＝2△F＋（1+r）R/log2L△F＝f2-fc=fc-f12.3數(shù)據(jù)調(diào)制與編碼3.模擬數(shù)據(jù)編碼為數(shù)字信號

一般的編碼技術(shù)采用脈碼調(diào)制(PCM,PulseCodeModulation)和增量調(diào)制(DeltaModulation)。(1)脈碼調(diào)制

通過采樣、量化和編碼三部分組成。采樣的標(biāo)準(zhǔn)按固定時(shí)間間隔，以高出信號最大主頻兩倍的速率進(jìn)行采樣。這樣，采樣樣本就包含了原信號中的所有信息（可恢復(fù)原始信號）。如話音數(shù)據(jù)的頻率限制在4000Hz以下，則采樣以每秒采集8000個(gè)樣本。2.3數(shù)據(jù)調(diào)制與編碼數(shù)字化過程a采樣：通過某種頻率的取樣脈沖將模擬信息的值取出，變連續(xù)的模擬信息為離散信號。取樣頻率為：f>2fm（fm為模擬信號的最高頻率）。也可以表示為f>2Bm（Bm為模擬信號的帶寬）。采樣頻率高于信號最大主頻率的兩倍。b量化：確定采樣出的模擬信號的數(shù)值。通過規(guī)定一定的量化級，對取樣的離散值進(jìn)行“取整”量化，得到離散信號的具體數(shù)值，最大級數(shù)為N，量化為整數(shù)時(shí)存在量化噪聲(誤差)，量化噪聲為S/N=6n-a(n表示比特塊，0<a<1,取1.8dB)c編碼：把相應(yīng)的量化級別用一定位數(shù)的二進(jìn)制數(shù)字表示，并把編碼以脈沖的形式送到信道上進(jìn)行傳輸。用n=log2N位編碼。2.3數(shù)據(jù)調(diào)制與編碼

一般的情況下，PCM機(jī)制使用稱為非線性編碼的技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化。在信號振幅值較低時(shí)使用較多的量化值，而在信號振幅值較高時(shí)使用較少的量化值，這樣信號的整體失真就可大幅度降低。2.3數(shù)據(jù)調(diào)制與編碼(2)增量調(diào)制

增量調(diào)制(DM,deltamodulation)用于提高PCM的性能或降低其復(fù)雜性的編碼技術(shù)。其方法是輸入的模擬信號由一個(gè)階梯函數(shù)來近似，這個(gè)函數(shù)在每個(gè)采樣周期上升或下降一個(gè)步長值(δ)。

1表示增加，0表示減少與PCM相比，DM的主要優(yōu)勢在于它的實(shí)現(xiàn)比較簡單。缺點(diǎn)：不準(zhǔn)確，平坦的信號有誤差。(3)DPCM（差分PCM）用多位表示與前次采樣的差值。2.3數(shù)據(jù)調(diào)制與編碼4.模擬數(shù)據(jù)調(diào)制為模擬信號

為什么要調(diào)制：為了實(shí)現(xiàn)傳輸?shù)挠行?，可能需要較高的頻譜。通過調(diào)制就可以使用頻分復(fù)用（FDM）技術(shù)，充分利用帶寬。有效傳輸。原理：輸入信號m(t)與頻率為fc的載波信號合并產(chǎn)生合成信號s(t),其帶寬以fc為中心。調(diào)制技術(shù)：調(diào)幅(AM)、調(diào)頻(FM)和調(diào)相(PM)2.3數(shù)據(jù)調(diào)制與編碼(1)調(diào)幅調(diào)幅(AM,AmplitudeModulation)是輸入信號m(t)與頻率為fc的載波信號合并的過程，產(chǎn)生信號s(t)。s(t)=[1+nax(t)]cos2πfct其中，cos2πfct是載波；x(t)是調(diào)幅信號；na調(diào)制指數(shù)，是輸入信號與載波信號的振幅比。輸入信號m(t)=nax(t)。

2.3數(shù)據(jù)調(diào)制與編碼(2)角度調(diào)制

調(diào)頻(FM,frenquencymodulation)和調(diào)相(PM,phasemodulation)是角度調(diào)制的特例。調(diào)制后的信號表達(dá)式如下：s(t)=Accos[2πfct+Φ(t)]對于調(diào)相，相位與調(diào)制信號成正比：Φ(t)＝npm(t)，np是調(diào)相系數(shù)；對于調(diào)頻，相位的導(dǎo)數(shù)與調(diào)制信號成正比：Φ’(t)＝nfm(t)，nf是調(diào)頻系數(shù)。

波形圖見下一頁

2.3數(shù)據(jù)調(diào)制與編碼2.3數(shù)據(jù)調(diào)制與編碼5.擴(kuò)頻通信適用：無線通信；模擬傳輸（數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)或模擬數(shù)據(jù)）原理：將信號擴(kuò)散到較寬的頻帶中，加大干擾及竊聽的難度。方法：(1)跳頻：隨機(jī)地選用頻率發(fā)送和接收，并在一個(gè)時(shí)隙后改變所用頻率。(2)直接序列：一個(gè)位變?yōu)槎鄠€(gè)位傳輸。2.3數(shù)據(jù)調(diào)制與編碼6.擴(kuò)頻例子(直接序列擴(kuò)頻)2.3數(shù)據(jù)調(diào)制與編碼

目的：使得多路信號共用一個(gè)信道，方法：多路信號組合在一條物理信道上傳輸，充分利用信道容量。原理：當(dāng)物理信道的可用帶寬超過單個(gè)原始信號的帶寬時(shí)，將物理信道的總帶寬“分割”成若干個(gè)和被傳輸?shù)膯蝹€(gè)信號帶寬相同或者略為寬一點(diǎn)的子信道，并利用每個(gè)子信道傳輸一路信號。關(guān)鍵點(diǎn)：區(qū)分（識別）復(fù)用的多路信號。

2.4多路復(fù)用技術(shù)

1.頻分多路復(fù)用（FDM）

原理：將不同的信號調(diào)制為不同的頻率，這些不同頻率的信號同時(shí)在一條線路上傳輸。各路信號可一直使用分配的頻段。

頻段1（60－64）頻段2（50－54）

頻段3（40－44）

頻段4（30－34）信號A信號B信號C信號D頻分多路復(fù)用器信號B信號C信號D

信號A頻分多路復(fù)用器頻分多路復(fù)用頻普遷移

2.4多路復(fù)用技術(shù)

頻分多路復(fù)用（FDM）

適用：模擬傳輸

要求：各頻段不交叉、不連續(xù)

例子：電話系統(tǒng)

12路、4KHz/路帶寬48KHz，60~108KHz，基群5個(gè)基群超群5個(gè)超群主群（CCITT，300路）10個(gè)超群主群（Bell，600路）15個(gè)超群超主群（900路）

2.4多路復(fù)用技術(shù)

2.4多路復(fù)用技術(shù)

FDM在廣播和有線電視。6MHz的傳輸帶寬就可以滿足電視信號的傳輸要求，在6MHz帶寬之內(nèi)，視像、色彩和音頻信號的載波為頻帶的低邊帶之上1.25MHz、4.799545MHz以及5.75MHz的位置。而同軸電纜的帶寬可達(dá)到500MHz，可同時(shí)運(yùn)載數(shù)十路電視信號。

2.4多路復(fù)用技術(shù)

特殊形式：OFDM（正交頻分多路復(fù)用）

選擇相互之間正交的載波頻率作子載波

單個(gè)用戶的信息流被串/并變換為多個(gè)低速率碼流，每個(gè)碼流都用一個(gè)子載波發(fā)送

不用帶通濾波器來分隔子載波，而是通過快速傅立葉變換（FFT）

2.4多路復(fù)用技術(shù)

信號A信號B信號C信號D時(shí)分多路復(fù)用器

信號B

信號C

信號D

信號A時(shí)分多路復(fù)用器

DC

B

ADC

B

A

幀1幀2時(shí)分多路復(fù)用

2.時(shí)分多路復(fù)用（TDM）(同步時(shí)分復(fù)用)

原理：把時(shí)間劃分為若干時(shí)間片，各路信號輪流使用分配的時(shí)間片，在規(guī)定的時(shí)間片內(nèi)使用全部帶寬。

2.4多路復(fù)用技術(shù)

時(shí)分復(fù)用頻率時(shí)間BCDBCDBCDBCDAAAA在

TDM

幀中的位置不變TDM幀TDM幀TDM幀TDM幀…TDM幀時(shí)分復(fù)用ABCDaabbcdbcattttt4個(gè)時(shí)分復(fù)用幀#1④③②①acbcd#2#3#4用戶時(shí)分多路復(fù)用（TDM）適用：數(shù)字傳輸，也可用于模擬傳輸要求：時(shí)間片預(yù)先分配，即使無數(shù)據(jù)發(fā)送，也空閑。例子T1載波（線路）：24路信號，每個(gè)時(shí)間片8位（7位數(shù)據(jù)，1位控制），24路（共192位）加1位標(biāo)識位組成一幀，每秒8000幀。數(shù)據(jù)率為193b×8000幀/s=1.544Mbps

2.4多路復(fù)用技術(shù)

實(shí)用系統(tǒng)：使用時(shí)分多路復(fù)用技術(shù)來支持語音信號的傳輸語音的采樣速率8000Hz（一次/125微秒）北美的T1系統(tǒng)：24路語音信號復(fù)用、8bit/路、一個(gè)周期：24×8＝192bit+1（同步位）,125微秒/周期，傳輸速率：193/125微秒＝1.544Mbps歐洲的E1系統(tǒng)：32路、8bit/路、125微秒/周期傳輸速率：32×8/125微秒＝2.048Mbps1路2路3路4路22路23路24路同步位193bit(125usec)T1系統(tǒng)

2.4多路復(fù)用技術(shù)

tch0ch1ch2ch3ch15ch16ch17ch3115個(gè)話路15個(gè)話路同步幀傳送信令T(125us)時(shí)分復(fù)用幀

E1系統(tǒng):E1系統(tǒng)采用時(shí)分多路復(fù)用技術(shù)，它有32路語音信號，8bit/路，125微秒/周期，傳輸速率：32*8/125=2.048Mbps。E1系統(tǒng)示意圖如下：

ch0ch1ch2ch3ch30ch312.048Mbps傳輸線路ch0ch1ch2ch3ch30ch31E1系統(tǒng)E1系統(tǒng)復(fù)用幀格式示意圖

2.4多路復(fù)用技術(shù)

TDM技術(shù)可以使得更多路信號復(fù)用到速率更高的信道上。例如：4路T1(1.544Mbps)復(fù)用到T2(6.312Mbps),7路T2再復(fù)用到T3(44.736Mbps)

T2：由4個(gè)T1組成，6.312MbpsT3：由7個(gè)T2組成，44.736MbpsT4：由6個(gè)T3組成，274.176Mbps

復(fù)用復(fù)用4路T1（1.544）T2（6.312）T3（44.736Mbps）7路T24路T1系統(tǒng)復(fù)用示意圖

2.4多路復(fù)用技術(shù)

E1：32路，每路8位，30路數(shù)據(jù)，2路控制，數(shù)據(jù)率為32×8×8000=2.048MbpsE2－4路E1（128路）：8.848MbpsE3－4路E2（512路）：34.304MbpsE4－4路E3（2048路）：139.264MbpsE5－4路E4（8192路）：565.148Mbps比較FDM與TDMFDM：占用部分資源、全部時(shí)間TDM：占用全部資源、部分時(shí)間

2.4多路復(fù)用技術(shù)

3.統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用（STDM）也叫異步時(shí)分多路復(fù)用（ATDM）統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用是一種改進(jìn)的時(shí)分復(fù)用，它能明顯地提高信道地利用率。

ABCDaabbcdbcattttt4個(gè)時(shí)分復(fù)用幀#1④③②①acbcd時(shí)分復(fù)用#2#3#4用戶

2.4多路復(fù)用技術(shù)

用戶ABCDabcdttttt3個(gè)STDM幀#1④③②①acbabbcacd#2#3統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用原理：按需分配時(shí)間片，數(shù)據(jù)量小的用戶少占用時(shí)間片

要求：數(shù)據(jù)中包含源、目的地址信息

2.4多路復(fù)用技術(shù)

4.波分多路復(fù)用（WavelengthDivisionMultiplexing）波分多路復(fù)用實(shí)質(zhì)上是利用了光具有不同的波長的特征。隨著光纖技術(shù)的使用，基于光信號傳輸?shù)膹?fù)用技術(shù)得到重視。

波分多路復(fù)用的原理：不同的信號使用不同的波長同時(shí)在光纖上傳輸。

適用：光纖通信

問題：波長分配

2.4多路復(fù)用技術(shù)

1550nm01551nm11552nm21553nm31554nm41555nm51556nm61557nm701550nm11551nm21552nm31553nm41554nm51555nm61556nm71557nm波分復(fù)用就是光的頻分復(fù)用

82.5Gb/s1310nm20Gb/s復(fù)用器分用器EDFA120km

2.4多路復(fù)用技術(shù)

5.無線多址接入技術(shù)目的：在無線通信環(huán)境中，為實(shí)現(xiàn)多個(gè)用戶同時(shí)接入到共享信道的控制方式主要技術(shù)：TDMA、FDMA、CDMA、OFDMA

2.4多路復(fù)用技術(shù)

(1)時(shí)分多址接入（TDMA）原理：各用戶按時(shí)隙（時(shí)間片）確定接入時(shí)機(jī)

2.4多路復(fù)用技術(shù)

(2)頻分多址接入（FDMA）原理：各用戶使用不同的頻率確定接入

2.4多路復(fù)用技術(shù)

(3)碼分復(fù)用CDM（CDM，CodeDivisionMultiple）常用的名詞是碼分多址CDMA。(CodeDivisionMultipleAccess)。各用戶使用經(jīng)過特殊挑選的不同碼型，因此彼此不會造成干擾。這種系統(tǒng)發(fā)送的信號有很強(qiáng)的抗干擾能力，其頻譜類似于白噪聲，不易被敵人發(fā)現(xiàn)。每一個(gè)比特時(shí)間劃分為m個(gè)短的間隔，稱為碼片(chip)。

2.4多路復(fù)用技術(shù)

(1)原理：使用相同的頻率但不同的碼址，得到不同的正交分量，合成后傳輸。(2)適用：無線通信(3)問題：容量問題

2.4多路復(fù)用技術(shù)

碼片序列(chipsequence)

每個(gè)站被指派一個(gè)惟一的mbit碼片序列。如發(fā)送比特1，則發(fā)送自己的mbit碼片序列。如發(fā)送比特0，則發(fā)送該碼片序列的二進(jìn)制反碼。

例如，S站的8bit碼片序列是00011011。發(fā)送比特1時(shí)，就發(fā)送序列00011011，發(fā)送比特0時(shí)，就發(fā)送序列11100100。S站的碼片序列：(–1–1–1+1+1–1+1+1)

2.4多路復(fù)用技術(shù)

CDMA的重要特點(diǎn)每個(gè)站分配的碼片序列不僅必須各不相同，并且還必須互相正交(orthogonal)。在實(shí)用的系統(tǒng)中是使用偽隨機(jī)碼序列。

2.4多路復(fù)用技術(shù)

碼片序列的正交關(guān)系令向量S表示站S的碼片向量，令T表示其他任何站的碼片向量。兩個(gè)不同站的碼片序列正交，就是向量S和T的規(guī)格化內(nèi)積(innerproduct)都是0：任何一個(gè)碼片向量和該碼片向量自己的規(guī)格化內(nèi)積都是1。一個(gè)碼片向量和該碼片反碼的向量的規(guī)格化內(nèi)積值是–1。A:(-1-1-1+1+1-1+1+1)B:(-1-1+1-1+1+1+1-1)C:(-1+1-1+1+1+1-1-1)D:(-1+1-1-1-1-1+1-1)發(fā)送碼片序列表示數(shù)據(jù)位1發(fā)送碼片序列的反表示數(shù)據(jù)位0若兩個(gè)或兩個(gè)以上的站點(diǎn)同時(shí)開始發(fā)送,則雙極型信號線性相加接收方求收到序列與發(fā)送方碼片序列的內(nèi)積(4)正交頻分多址接入（OFDMA）1.原理：各用戶以O(shè)FDM方式、使用不同的子載波頻率接入。2.OFDM/OFDMA模式是802.16m（4G）的主要方式

2.4多路復(fù)用技術(shù)

1.線(電)路交換：

原理：在源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之間建立專用的通路。

過程：建立連接、傳輸數(shù)據(jù)、斷開連接。特點(diǎn)：

連接是專用的。

數(shù)據(jù)直接傳送。

電話網(wǎng)絡(luò)例子。

缺點(diǎn)：建立連接的時(shí)間太長，在傳遞短報(bào)文時(shí)，線路的利用率非常低。

2.5數(shù)據(jù)交換方式線路交換的實(shí)現(xiàn)方法①空分交換：資源重復(fù)使得同時(shí)建立多個(gè)連接②時(shí)分交換：TDM技術(shù)

優(yōu)點(diǎn)：延遲小

缺點(diǎn)：建立連接的時(shí)間太長，在傳遞短報(bào)文時(shí)，線路的利用率非常低；不能充分利用線路容量；不便于差錯(cuò)控制。

2.5數(shù)據(jù)交換方式2.報(bào)文交換原理：將用戶數(shù)據(jù)加上源地址、目的地址、長度、校驗(yàn)碼等輔助信息封裝成報(bào)文，發(fā)送給下個(gè)節(jié)點(diǎn)。下個(gè)節(jié)點(diǎn)收到后先暫存報(bào)文，待輸出線路空閑時(shí)再轉(zhuǎn)發(fā)給下個(gè)節(jié)點(diǎn)，直到到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)特點(diǎn)：每個(gè)報(bào)文可單獨(dú)選擇到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的路徑。（存儲——轉(zhuǎn)發(fā)方式）2.5數(shù)據(jù)交換方式優(yōu)點(diǎn)：不獨(dú)占線路；多個(gè)用戶的數(shù)據(jù)可以通過存儲和排隊(duì)共享一條線路；可以實(shí)現(xiàn)不同數(shù)據(jù)率的轉(zhuǎn)換；無線路建立的過程，提高了線路的利用率；支持多點(diǎn)傳輸(一對多、多對一的訪問)；（報(bào)文中增加“地址字段”，中間結(jié)點(diǎn)根據(jù)地址字段進(jìn)行復(fù)制和轉(zhuǎn)發(fā)）；中間結(jié)點(diǎn)可進(jìn)行數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換，方便接收站點(diǎn)的收取，增加差錯(cuò)檢測功能，避免出錯(cuò)數(shù)據(jù)的無謂傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)。2.5數(shù)據(jù)交換方式

缺點(diǎn)增加資源開銷：輔助信息導(dǎo)致時(shí)間和存儲資源開銷；增加緩沖延遲；多個(gè)報(bào)文的順序可能發(fā)生錯(cuò)誤；緩沖區(qū)難于管理。2.5數(shù)據(jù)交換方式

3.

分組交換（包交換）原理：

1.

與報(bào)文交換十分相似，采用存儲轉(zhuǎn)發(fā)的方式傳輸。但它采用較短的固定格式信息單位---報(bào)文分組。2.它適合于交換機(jī)的主存儲轉(zhuǎn)發(fā)，而不必訪問外存，與報(bào)文交換比，能改善傳輸?shù)慕永m(xù)時(shí)間和傳送延遲時(shí)間。3.由于每個(gè)報(bào)文分組較短，在傳輸中出錯(cuò)概率減少，即使出錯(cuò)，反饋重發(fā)的信息也比整個(gè)報(bào)文要少，因而，提高了傳輸效率；4.由于在信道上僅占一個(gè)報(bào)文分組的傳輸時(shí)間，通信的并發(fā)度提高。可以采用分布式控制的自適應(yīng)路由選擇技術(shù)，可根據(jù)通信量情況，選擇最佳的路由，提高了通信效率，又提高了通信可靠性。2.5數(shù)據(jù)交換方式優(yōu)點(diǎn)：(1)緩沖區(qū)易于管理。(2)平均延遲更小，平均緩沖區(qū)更少。(2)傳輸質(zhì)量高。(3)可靠性高。(4)性能價(jià)格比高。(5)靈活性強(qiáng)。

2.5數(shù)據(jù)交換方式

分組交換實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵：分組長度的選擇，

分組越小，冗余量（分組中的控制信息等）在整個(gè)分組中所占的比例越大，最終將影響用戶數(shù)據(jù)傳輸?shù)男剩?/p>

分組越大，數(shù)據(jù)傳輸出錯(cuò)的概率也越大，增加重傳的次數(shù)，也影響用戶數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?。因而，分組長度取決于支持傳輸?shù)木€路質(zhì)量。

X.25分組交換網(wǎng)：分組長度定義為131字節(jié)，（包括128字節(jié)的用戶數(shù)據(jù)和3字節(jié)的控制信息）

以太網(wǎng)中：分組長度定義為1500字節(jié)左右（較好的線路質(zhì)量和較高的傳輸速率，分組的長度可以略有增加）。2.5數(shù)據(jù)交換方式分組交換實(shí)現(xiàn)方式：

數(shù)據(jù)報(bào)包交換和虛電路包交換

①數(shù)據(jù)報(bào)包交換：每個(gè)包作為一個(gè)獨(dú)立的單位單獨(dú)選擇路徑并傳送。②虛電路包交換：第一個(gè)包申請路徑，其余的包經(jīng)相同的路徑到達(dá)目的地。2.5數(shù)據(jù)交換方式

虛電路包交換又被稱為面向連接的數(shù)據(jù)傳輸，工作過程類似于線路交換，但電路是虛擬的。物理媒體被復(fù)用為多個(gè)子信道（稱為邏輯信道LC），子信道的串接形成虛電路（VC），利用不同的虛電路來支持不同的用戶數(shù)據(jù)的傳輸。

2.5數(shù)據(jù)交換方式虛電路包交換進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程：

虛電路建立：發(fā)送方發(fā)送含有地址信息的特定的控制信息塊（如：呼叫分組），該信息塊途經(jīng)的每個(gè)中間結(jié)點(diǎn)根據(jù)當(dāng)前的邏輯信道（LC）使用狀況，分配LC，并建立輸入和輸出LC映射表，所有中間結(jié)點(diǎn)分配的LC的串接形成虛電路（VC）。

數(shù)據(jù)傳輸：站點(diǎn)發(fā)送的所有分組均沿著相同的VC傳輸，分組的發(fā)收順序完全相同；分組中只帶邏輯信道號，而不帶地址。

虛電路釋放：數(shù)據(jù)傳輸完畢，采用特定的控制信息塊（如：拆除分組），釋放該虛電路。通信的雙方都可發(fā)起釋放虛電路的動作。2.5數(shù)據(jù)交換方式1

2

312

31

2

3用戶11用戶12用戶13用戶21用戶22用戶23

結(jié)點(diǎn)A中繼結(jié)點(diǎn)1中繼結(jié)點(diǎn)2

結(jié)點(diǎn)B傳輸媒體傳輸媒體