第4講 數(shù)據(jù)通信和編碼技術(shù)

數(shù)據(jù)通信和編碼技術(shù)

1數(shù)據(jù)通信概述

2數(shù)據(jù)傳輸方式3傳輸介質(zhì)4數(shù)據(jù)編碼技術(shù)11數(shù)據(jù)通信概述數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)基本概念數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的模型數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)21.1數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)基本概念數(shù)據(jù)（Data）——數(shù)據(jù)通信中傳輸?shù)亩M(jìn)制代碼，是傳輸信息的載體

信息（Information）——數(shù)據(jù)的內(nèi)容和解釋信號(hào)(Signal)——數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中的電磁波表示形式模擬信號(hào)——隨時(shí)間連續(xù)變化的物理量數(shù)字信號(hào)——相對(duì)于時(shí)間和幅值而言都是不連續(xù)的，即離散的物理量3模擬信號(hào)數(shù)字信號(hào)信號(hào)4周期信號(hào)——信號(hào)在一段可測(cè)量的時(shí)間內(nèi)完成一種模式，并且在隨后同樣長(zhǎng)的時(shí)段內(nèi)不斷重復(fù)這種模式周期T——完成一個(gè)完整模式所需要的時(shí)間，其值是固定的信號(hào)5非周期信號(hào)——在隨時(shí)間變化的過(guò)程中，不會(huì)出現(xiàn)重復(fù)的模式信號(hào)6模擬的和數(shù)字的數(shù)據(jù)、信號(hào)模擬數(shù)據(jù)模擬信號(hào)放大器整形器模擬數(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71.1數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)基本概念數(shù)據(jù)通信：在兩點(diǎn)或多點(diǎn)之間以二進(jìn)制形式進(jìn)行信息交換信源：一次通信中發(fā)送信息的一端信宿：一次通信中接收信息的一端信道：信源和信宿之間的通信線路8通信線路輸入信息輸入數(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)信源源系統(tǒng)信宿目的系統(tǒng)信道傳輸系統(tǒng)輸出信息PC機(jī)1.2數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)模型一個(gè)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)由信源、信道和信宿三個(gè)部分組成。91.3數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)數(shù)據(jù)傳輸速率帶寬時(shí)延信道容量10

數(shù)據(jù)傳輸速率比特率：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)所傳送的二進(jìn)制碼的有效位數(shù)，單位bps。波特率：是脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)制后的傳輸速率，它是指單位時(shí)間內(nèi)傳輸?shù)拇a元數(shù)目，單位波特（Baud）。碼元：一個(gè)數(shù)字脈沖信號(hào)。一個(gè)碼元可以攜帶K種狀態(tài)比特率與波特率的換算關(guān)系為：R(bps比特率)＝B（波特率）log2K誤碼率：二進(jìn)制碼在傳輸過(guò)程中出現(xiàn)錯(cuò)誤的概率。

誤碼率=傳輸中發(fā)生差錯(cuò)的碼元數(shù)/傳輸總碼元數(shù)11設(shè)信號(hào)的波特率為600Baud，采用4相DPSK（相鍵控調(diào)控）調(diào)制，則信道支持的最大數(shù)據(jù)速率為_(kāi)__。

A.300b/s

B.600b/s

C.800b/sD.1200b/s答案：D600*log24=1200例題12帶寬對(duì)于模擬信號(hào)而言，帶寬又稱為頻寬，以赫茲（Hz）為單位。對(duì)于數(shù)字信號(hào)而言，帶寬是指單位時(shí)間內(nèi)鏈路能夠通過(guò)的數(shù)據(jù)量。為了與模擬信道的帶寬進(jìn)行區(qū)分，數(shù)字信道的帶寬一般直接用波特率或符號(hào)率來(lái)描述。13信號(hào)從源端發(fā)送到宿端所需要的時(shí)間發(fā)送時(shí)延傳播時(shí)延處理時(shí)延時(shí)延(delay或latency)14發(fā)送時(shí)延（傳輸時(shí)延）發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)塊從結(jié)點(diǎn)進(jìn)入到傳輸媒體所需要的時(shí)間。發(fā)送時(shí)延=數(shù)據(jù)塊長(zhǎng)度（比特）信道帶寬（比特/秒）時(shí)延15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(hào)傳輸速率（即發(fā)送速率）和信號(hào)在信道上的傳播速率是完全不同的概念。傳播時(shí)延=信道長(zhǎng)度（米）信號(hào)在信道上的傳播速率（米/秒）時(shí)延16處理時(shí)延交換結(jié)點(diǎn)為存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)而進(jìn)行一些必要的處理所花費(fèi)的時(shí)間。結(jié)點(diǎn)緩存隊(duì)列中分組排隊(duì)所經(jīng)歷的時(shí)延是處理時(shí)延中的重要組成部分。處理時(shí)延的長(zhǎng)短往往取決于網(wǎng)絡(luò)中當(dāng)時(shí)的通信量。有時(shí)可用排隊(duì)時(shí)延作為處理時(shí)延。時(shí)延17數(shù)據(jù)經(jīng)歷的總時(shí)延就是發(fā)送時(shí)延、傳播時(shí)延和處理時(shí)延之和：總時(shí)延=發(fā)送時(shí)延+傳播時(shí)延+處理時(shí)延時(shí)延18三種時(shí)延所產(chǎn)生的地方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)延在隊(duì)列中產(chǎn)生處理時(shí)延數(shù)據(jù)從結(jié)點(diǎn)A向結(jié)點(diǎn)B發(fā)送數(shù)據(jù)鏈路19容易產(chǎn)生的錯(cuò)誤概念對(duì)于高速網(wǎng)絡(luò)鏈路，我們提高的僅僅是數(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。20往返時(shí)延RTT往返時(shí)延

RTT(Round-TripTime)表示從發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)開(kāi)始，到發(fā)送端收到來(lái)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。21信道容量信道容量：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)，信道上所能傳輸?shù)淖畲蟊忍財(cái)?shù)，用bps表示。當(dāng)傳輸速率超過(guò)信道容量時(shí)，會(huì)產(chǎn)生信號(hào)失真香農(nóng)定理C=Wlog2(1+S/N)C:信道的極限數(shù)據(jù)傳輸速率W:信道帶寬（Hz）帶寬為6KHz，信噪比為20dB的信道，發(fā)送二進(jìn)制信號(hào)時(shí)的最大數(shù)據(jù)傳輸率是多少？S:信道內(nèi)信號(hào)的平均功率N:信道內(nèi)的噪聲功率。22

有線傳輸介質(zhì)：雙絞線、同軸電纜和光導(dǎo)纖維無(wú)線傳輸介質(zhì)：微波、紅外線等傳輸介質(zhì)的選擇和連接是網(wǎng)絡(luò)接口層的重要工作之一。2傳輸介質(zhì)23雙絞線——傳輸模擬信號(hào)/數(shù)字信號(hào)非屏蔽雙絞線（UTP）屏蔽雙絞線（STP）傳輸速率：100Mbps最大布線長(zhǎng)度：100m2.1

有線傳輸介質(zhì)24雙絞線雙絞線接法直連線：計(jì)算機(jī)與通信設(shè)備連接（集線器、交換機(jī)、路由器等）交叉線：兩臺(tái)計(jì)算機(jī)直接連接2.1

有線傳輸介質(zhì)25直連線計(jì)算機(jī)與通信設(shè)備連接兩端的線排列相同，T568B連接方法是：

1——

橙白2——

橙色 3——

綠白4——

藍(lán)色

5——

藍(lán)白6——

綠色 7——

棕白8——

棕色

2.1

有線傳輸介質(zhì)26交叉線兩臺(tái)計(jì)算機(jī)直接連接

電纜線兩個(gè)RJ-45插頭交叉具體的連接方法：

電纜線的一端電纜線的另一端

針腳1———————

針腳3

針腳2———————

針腳6

針腳3———————

針腳1

針腳6———————

針腳24.1

有線傳輸介質(zhì)27同軸電纜——傳輸模擬信號(hào)/數(shù)字信號(hào)

細(xì)同軸電纜—數(shù)字信號(hào)傳輸，組建局域網(wǎng)。

傳輸速率：10Mbps最大布線長(zhǎng)度：185m

粗同軸電纜—模擬信號(hào)傳輸，有線電視網(wǎng)

傳輸速率：10Mbps最大布線長(zhǎng)度：500m2.1

有線傳輸介質(zhì)28光導(dǎo)纖維

傳導(dǎo)光脈沖來(lái)進(jìn)行通信光傳輸系統(tǒng)：光纖傳輸介質(zhì)、光源和檢測(cè)器發(fā)送方：發(fā)光二極管/激光，電信號(hào)—光信號(hào)2.1

有線傳輸介質(zhì)29多模光纖:多條入射角不同的光線在光纖內(nèi)傳輸單模光纖:直徑只有一個(gè)光波長(zhǎng)只傳導(dǎo)一路光波30傳輸介質(zhì)物理特性連通性地理范圍抗干擾性價(jià)格雙絞線由按規(guī)則螺旋結(jié)構(gòu)排列的2根或4根絕緣線組成可用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接，也可用于多點(diǎn)連接作遠(yuǎn)程中繼線最多15km;在10Mb/s局域網(wǎng)中100m低頻時(shí)相當(dāng)于同軸電纜；10~100kHz時(shí)低于同軸纜低于其他傳輸介質(zhì)同軸電纜兩根導(dǎo)體組成，內(nèi)導(dǎo)體實(shí)芯，外導(dǎo)體是紡織的，用屏蔽物包著應(yīng)用于點(diǎn)到點(diǎn)和多點(diǎn)配置基帶電纜最遠(yuǎn)限于數(shù)公里，寬帶可到數(shù)十公里抗干擾能力較強(qiáng)介于雙絞線和光纖的成本之間光纜直徑細(xì)、質(zhì)地柔軟的能傳導(dǎo)光波的介質(zhì)用在點(diǎn)到點(diǎn)鏈路上在6至8公里距離內(nèi)可不使用中繼器實(shí)現(xiàn)高速率數(shù)據(jù)傳輸不受電磁干擾或噪聲的影響較貴31

電磁波，根據(jù)其頻譜可分為無(wú)線電波、微波、紅外線和激光等2.2

無(wú)線傳輸介質(zhì)323數(shù)據(jù)傳輸方式

根據(jù)數(shù)據(jù)在通信信道上的信號(hào)類型劃分—基帶傳輸和寬帶傳輸

根據(jù)同時(shí)在通信信道上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位數(shù)劃分—并行傳輸和串行傳輸

根據(jù)通信的方向劃分—單工、半雙工和全雙工根據(jù)通信時(shí)對(duì)信道的使用方式劃分—共享通信和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信333.1基帶傳輸和寬帶傳輸基帶傳輸—數(shù)字信道傳輸數(shù)字信息，以0、1數(shù)字形式傳輸技術(shù)簡(jiǎn)單，設(shè)備投資小傳輸距離有限寬帶傳輸—利用模擬信號(hào)傳輸數(shù)字信號(hào)發(fā)送方將數(shù)字信號(hào)調(diào)制成模擬信號(hào)傳輸接收方將模擬信號(hào)還原成數(shù)字信號(hào)343.2并行傳輸和串行傳輸并行傳輸—同時(shí)傳輸一組比特，每個(gè)比特使用單獨(dú)的一條線路。（計(jì)算機(jī)和打印機(jī)之間的通信）傳輸速度快短距離串行傳輸—只使用一條線路，同時(shí)只傳輸一比特位。造價(jià)低，可靠性好長(zhǎng)距離異步傳輸與同步傳輸35數(shù)據(jù)通信的同步技術(shù)同步：要求通信收發(fā)雙方在時(shí)間基準(zhǔn)上保持一致異步傳輸模式（起-止式同步傳輸）數(shù)據(jù)的傳送以一個(gè)字符為單位，在每個(gè)字符作為一個(gè)獨(dú)立的整體來(lái)發(fā)送，每個(gè)字符前面都要加上一個(gè)起始位，其長(zhǎng)度為一個(gè)碼元，極性為0，表示一個(gè)字符的開(kāi)始；字符后面要加上一個(gè)停止位，長(zhǎng)度可選為1、1.5或2個(gè)碼元，極性為1，表示一個(gè)字符的結(jié)束。10010101——01（1）36異步傳輸模式（起-止式同步傳輸）傳輸字符間的時(shí)間間隔是隨機(jī)的、不同步的。在傳輸一個(gè)字符的時(shí)段內(nèi)，收發(fā)雙方須依據(jù)比特流保持同步（位同步）。數(shù)據(jù)通信的同步技術(shù)37

異步傳輸實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單。但需在每個(gè)字符的首尾附加起始位和停止位，額外開(kāi)銷大，傳輸效率低。適于低速數(shù)據(jù)傳輸。

38數(shù)據(jù)通信的同步技術(shù)同步傳輸以數(shù)據(jù)塊為傳輸單位，每個(gè)數(shù)據(jù)塊包含送多個(gè)連續(xù)字符。

每個(gè)數(shù)據(jù)塊前加上一個(gè)前文，稱為同步信號(hào)，數(shù)據(jù)結(jié)束后加上一個(gè)后文，稱為后同步信號(hào)。接收方根據(jù)同步信號(hào)來(lái)確定數(shù)據(jù)塊的起始和終止

每個(gè)字符內(nèi)不需添加附加位39

單工通信：只能有一個(gè)方向的通信而沒(méi)有反方向的交互。

廣播、遙控通信AB數(shù)據(jù)監(jiān)視信號(hào)3.3單工、半雙工和全雙工

40半雙工通信：通信的雙方都可以發(fā)送信息，但不能雙方同時(shí)發(fā)送（當(dāng)然也就不能同時(shí)接收）。AB數(shù)據(jù)監(jiān)視信號(hào)3.3單工、半雙工和全雙工

41全雙工通信：通信的雙方可以同時(shí)發(fā)送和接收信息，一般采用四線式結(jié)構(gòu)語(yǔ)音通信AB數(shù)據(jù)監(jiān)視信號(hào)3.3單工、半雙工和全雙工

423.4共享通信和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信共享通信多個(gè)結(jié)點(diǎn)可以共享傳輸介質(zhì)進(jìn)行通信，通過(guò)一定的分配策略（介質(zhì)訪問(wèn)控制協(xié)議）把傳輸介質(zhì)分配到多個(gè)結(jié)點(diǎn)供其輪流使用可以節(jié)省傳輸介質(zhì)，但是會(huì)有沖突發(fā)生433.4共享通信和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信兩個(gè)結(jié)點(diǎn)獨(dú)占傳輸介質(zhì)的通信地下鐵系統(tǒng)、交換網(wǎng)絡(luò)444數(shù)據(jù)編碼技術(shù)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)調(diào)制為模擬信號(hào)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)編碼為數(shù)字信號(hào)模擬數(shù)據(jù)編碼為數(shù)字信號(hào)454.1數(shù)字調(diào)制技術(shù)

調(diào)制——數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，即選取某一頻率的正（余）弦波作為載波，來(lái)運(yùn)載需傳輸?shù)臄?shù)字?jǐn)?shù)據(jù)A：信號(hào)振幅；f：信號(hào)頻率，單位時(shí)間內(nèi)信號(hào)變化次數(shù)，周/秒T=1/f

Φ：初始相角，單位為弧度

y(t)=46數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)模擬傳輸系統(tǒng)后會(huì)出現(xiàn)差錯(cuò)。出現(xiàn)差錯(cuò)010010100還原后的數(shù)據(jù)t接收到的失真信號(hào)010011100t發(fā)送的基帶信號(hào)t采樣時(shí)刻調(diào)制解調(diào)器47調(diào)制解調(diào)器調(diào)制解調(diào)器(modem)包括：調(diào)制器(Modulator)：把要發(fā)送的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻率范圍在300~3400Hz之間的模擬信號(hào)，以便在電話用戶線上傳送。解調(diào)器(DEModulator)：把電話用戶線上傳送來(lái)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。48調(diào)制器的主要作用就是個(gè)波形變換器，它把基帶數(shù)字信號(hào)的波形變換成適合于模擬信道傳輸?shù)牟ㄐ谓庹{(diào)器的作用就是個(gè)波形識(shí)別器，它將經(jīng)過(guò)調(diào)制器變換過(guò)的模擬信號(hào)恢復(fù)成原來(lái)的數(shù)字信號(hào)若識(shí)別不正確，則產(chǎn)生誤碼。在調(diào)制解調(diào)器中還要有差錯(cuò)檢測(cè)和糾正的設(shè)施。

調(diào)制解調(diào)器49

根據(jù)正弦波的3個(gè)控制參數(shù)（振幅A，頻率f和相位φ）有3種基本調(diào)制技術(shù)：振幅調(diào)制（AM）頻率調(diào)制（FM）相位調(diào)制（PM）

正交調(diào)幅（QAM）4.1數(shù)字調(diào)制技術(shù)504.1.1振幅調(diào)制振幅調(diào)制—幅移鍵控（ASK）改變載波信號(hào)的振幅來(lái)表示二進(jìn)制0和1，頻率和相位保持不變514.1.2頻率調(diào)制頻率調(diào)制—頻移鍵控（FSK）改變載波信號(hào)的頻率來(lái)表示二進(jìn)制0和1，振幅和相位保持不變524.1.3相位調(diào)制相位調(diào)制—相移鍵控（PSK）改變載波信號(hào)的相位來(lái)表示二進(jìn)制0和1，振幅和頻率保持不變相對(duì)相位調(diào)制絕對(duì)相位調(diào)制53用載波信號(hào)相位的相對(duì)變化來(lái)表示數(shù)字0和1相對(duì)相位調(diào)制54用載波信號(hào)的不同相位直接表示數(shù)字0和1絕對(duì)相位調(diào)制554.1.5正交調(diào)幅結(jié)合使用載波信號(hào)中的振幅和相位變化，為每個(gè)比特組合分配一個(gè)給定的振幅和相位信號(hào)。可以增加信號(hào)模式，提高比特率（每秒發(fā)送的比特?cái)?shù)）。但必須使信號(hào)之間保持較大的差異，提高信號(hào)的抗干擾能力。

56信號(hào)星座圖——中的每一個(gè)點(diǎn)，就是一個(gè)合法的信號(hào)模式，信號(hào)的振幅對(duì)應(yīng)于該點(diǎn)到原點(diǎn)的距離D，相位對(duì)應(yīng)于振幅和水平軸的夾角a。4.1.5正交調(diào)幅578-QAM信號(hào)星座圖

2個(gè)振幅和4個(gè)相位，產(chǎn)生8（2*4）種信號(hào)模式，每種信號(hào)模式表示3位（log28）比特串比特值調(diào)制信號(hào)的振幅調(diào)制信號(hào)的相位000A10001A20010A1л/2011A2л/2100A1л1