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1、第2章 数据通信的基础知识第1页，共82页，编辑于2022年，星期一2.1 基本概念基本概念数据及计算机通信术语数据及计算机通信术语数据（数据（Data）：传递（携带）信息的实体。：传递（携带）信息的实体。信息（信息（Information）：是数据的内容或解释。：是数据的内容或解释。信号（信号（Signal）：数据的物理量编码（通常为电编码），：数据的物理量编码（通常为电编码），数据以信号的形式在介质中传播。数据以信号的形式在介质中传播。模拟信号、数字信号模拟信号、数字信号基带（基带（Base band）、宽带（）、宽带（Broad band）信道（信道（Channel）：传送信息的线路（或
2、通路）。：传送信息的线路（或通路）。比特（比特（bit）：即一个二进制位。比特率为每秒传输的比特：即一个二进制位。比特率为每秒传输的比特数（即数（即数据数据传送速率）。传送速率）。码元（码元（Code cell）：时间轴上的一个信号编码单元。：时间轴上的一个信号编码单元。第2页，共82页，编辑于2022年，星期一同步脉冲：用于码元的同步定时，识别码元从何时开始同步脉冲：用于码元的同步定时，识别码元从何时开始 同步脉冲也可位于码元的中部同步脉冲也可位于码元的中部 一个码元也可有多个同步脉冲相对应一个码元也可有多个同步脉冲相对应t码元码元1码元码元2码元码元3码元码元4码元码元5信号信号同步脉冲同
3、步脉冲t第3页，共82页，编辑于2022年，星期一波特（波特（Baud）：码元传输的速率单位。波特率：码元传输的速率单位。波特率为每秒传送的码元数（即信号传送速率）。为每秒传送的码元数（即信号传送速率）。比特率、波特率和信号编码级数的关系如下：比特率、波特率和信号编码级数的关系如下：Rbit=Rbaud log2M 上式中：上式中：M-信号的编码级数，信号的编码级数，Rbit-比特率，比特率，Rbaud-波特率波特率一个信号往往可以携带多个二进制位，所以在固定一个信号往往可以携带多个二进制位，所以在固定的信息传输速率下，比特率往往大于波特率。换句的信息传输速率下，比特率往往大于波特率。换句话说
4、，一个码元中可以传送多个比特。话说，一个码元中可以传送多个比特。例如：当波特率为例如：当波特率为9600时时若M=2，数据传输率为9600b/s若M=16，数据传输率为38.4kb/s第4页，共82页，编辑于2022年，星期一误码率误码率：信道传输可靠性指标，是一个概率值。：信道传输可靠性指标，是一个概率值。信息编码信息编码：将信息用二进制数表示的方法。将信息用二进制数表示的方法。例如：例如：ASCII编码、编码、BCD编码等编码等数据编码数据编码：将数据用物理量表示的方法。：将数据用物理量表示的方法。例如：字符例如：字符A的的ASCII编码为编码为01000001，其数据，其数据编码可能为编
5、码可能为01000001t第5页，共82页，编辑于2022年，星期一带宽（带宽（Band width，BW）信道传输能力的度量。信道传输能力的度量。在传统的通信工程中：BW fmax fmin 单位：赫兹（Hz）在计算机网络中，一般用每秒允许传输的二进制位数作为带宽的计量单位。主要单位：b/s，kb/s，Mb/s，Gb/s。例如：传统以太网理论上每秒可以传输1千万比特，它的带宽为10Mb/s。时延（时延（Delay）：信息从网络的一端传送到另一端所需的时信息从网络的一端传送到另一端所需的时间。间。时延时延=处理时延处理时延+排队时延排队时延+发送时延发送时延+传播时延传播时延处理时延处理时延=
6、对数据进行处理和错误校验所需的时间排队时延排队时延=数据在中间结点等待转发的延迟时间发送时延发送时延=数据位数/信道带宽传播时延传播时延=d/s d:距离，s:介质中信号传播速度(0.7c)第6页，共82页，编辑于2022年，星期一时延带宽乘积：时延带宽乘积：某一信道所能容纳的比特数。时延带宽乘积=带宽传播时延例如，某信道的时延带宽乘积为100万比特，这意味着第一个比特到达目的端时，源端已发送了100万比特。信信道道带宽带宽传播时延传播时延管道体积管道体积=时延带宽乘积时延带宽乘积第7页，共82页，编辑于2022年，星期一往返时延（往返时延（Round-Trip Time，RTT）：从发送端发
7、送数据开始，到发送端收到接收端的确认所经历的时间RTT2传播时延传输可靠性传输可靠性两个含义：数据能正确送达数据能有序送达（当采用分组交换时）第8页，共82页，编辑于2022年，星期一1.数据通信的一般概念数据通信的一般概念通信的三个要素：通信的三个要素：信源信源、信宿信宿和和信道信道噪声噪声信源信源发送器发送器信道信道接收器接收器信宿信宿源系统源系统目的系统目的系统任何信道都不是完美无缺的，因此会对传输的信号任何信道都不是完美无缺的，因此会对传输的信号产生干扰，称为产生干扰，称为“噪声噪声”。外界：闪电、串扰、电气设备外界：闪电、串扰、电气设备内部：介质特性（衰减、延迟与频率有关）内部：介质
8、特性（衰减、延迟与频率有关）第9页，共82页，编辑于2022年，星期一信息通过数据通信系统的传输过程信息通过数据通信系统的传输过程把携带把携带信息信息的的数据数据用物理用物理信号信号形式通过信道传送到目的地形式通过信道传送到目的地信息和数据（二进制位）不能直接在信道上传输信息和数据（二进制位）不能直接在信道上传输编码编码：数据：数据适合传输的数字信号适合传输的数字信号便于同步、识别、纠错便于同步、识别、纠错调制调制：数字信号：数字信号适合传输的形式适合传输的形式按频率、幅度、相位按频率、幅度、相位解调解调：接收波形：接收波形数字信号数字信号解码解码：数字信号：数字信号原始数据原始数据信息信息数
9、据数据信号信号在信道上传输在信道上传输信号信号数据数据信息信息数据编码数据编码调制调制解调解调数据解码数据解码01000001A01000001A信道信道第10页，共82页，编辑于2022年，星期一数据传输系统数据传输系统传输线路传输线路有线介质、无线介质有线介质、无线介质传输设备传输设备调制解调器、中继器、多路复用器、交换机等调制解调器、中继器、多路复用器、交换机等调制解调器等网络接入设备也称为调制解调器等网络接入设备也称为DCE（Data Circuit Equipment）数据处理系统数据处理系统：计算机、终端等：计算机、终端等又分为：又分为：源系统（信源发送器）：发出数据的计算机源系统
10、（信源发送器）：发出数据的计算机目的系统（信宿接收器）：接收数据的计算机目的系统（信宿接收器）：接收数据的计算机计算机、终端等设备也称为计算机、终端等设备也称为DTE（Data Terminal Equipment）DCEDTEDTEDCE第11页，共82页，编辑于2022年，星期一5个阶段个阶段包含两项内容：包含两项内容：数据传输数据传输和通信控制和通信控制 过程过程 与打电话比较与打电话比较建立物理连接建立物理连接 拨号，拨通对方拨号，拨通对方 建立逻辑连接建立逻辑连接 互相确认身份互相确认身份数据传输数据传输 互相通话互相通话断开逻辑连接断开逻辑连接 互相确认要结束通话互相确认要结束通话
11、断开物理连接断开物理连接 双方挂机双方挂机*注意，并不是所有的数据通信都需要全部5个阶段。第12页，共82页，编辑于2022年，星期一2.2 信道及其主要特征信道及其主要特征1.数字信道和模拟信道数字信道和模拟信道数字信道数字信道：以数字脉冲形式（离散信号）：以数字脉冲形式（离散信号）传输数据的信道。传输数据的信道。计算机网络中主要采用数字信道进行数据传输计算机网络中主要采用数字信道进行数据传输ADSL、ISDN、DDN、ATM、局域网、局域网模拟信道模拟信道：以连续模拟信号形式传输数据：以连续模拟信号形式传输数据的信道。的信道。CATV、无线电广播、电话拨号线路、无线电广播、电话拨号线路第1
12、3页，共82页，编辑于2022年，星期一模拟信号和数字信号模拟信号和数字信号模拟信号模拟信号时间上连续，包含无穷多个信号值时间上连续，包含无穷多个信号值模拟信号能在数字信道上传输吗？模拟信号能在数字信道上传输吗？数字信号数字信号时间上离散，仅包含有限数目的信号值。最常见的是二值信号时间上离散，仅包含有限数目的信号值。最常见的是二值信号数字信号能在模拟信道上传输吗？数字信号能在模拟信道上传输吗？ta）模拟信号tb）数字信号第14页，共82页，编辑于2022年，星期一周期信号和非周期信号周期信号和非周期信号周期信号周期信号信号由不断重复的固定模式组成信号由不断重复的固定模式组成（如正弦波）（如正弦
13、波）非周期信号非周期信号信号没有固定的模式和波形循环信号没有固定的模式和波形循环（如语音的音波信号）（如语音的音波信号）。tTTTtTTT周周期期信信号号非非周周期期信信号号tt第15页，共82页，编辑于2022年，星期一数字通信与模拟通信数字通信与模拟通信数字通信数字通信在数字信道上实现模拟信息或数字信息的传输在数字信道上实现模拟信息或数字信息的传输模拟通信模拟通信在模拟信道上实现模拟信息或数字信息的传输在模拟信道上实现模拟信息或数字信息的传输数字通信的优点数字通信的优点抗噪声（干扰）能力强抗噪声（干扰）能力强可以控制差错，提高了传输质量可以控制差错，提高了传输质量便于用计算机进行处理便于用
14、计算机进行处理易于加密、保密性强易于加密、保密性强可以传输语音、数据、影像，通用、灵活可以传输语音、数据、影像，通用、灵活计算机通信仅在不得已的情况下，才会采用模拟通信，如计算机通信仅在不得已的情况下，才会采用模拟通信，如通过电话线拨号上网。通过电话线拨号上网。第16页，共82页，编辑于2022年，星期一2.信道的最大数据传输率信道的最大数据传输率Nyquist公式公式：用于无噪声理想低通信道用于无噪声理想低通信道Nyquist公式为公式为估算已知带宽信道的最高数估算已知带宽信道的最高数据传输速率据传输速率提供了依据。提供了依据。例如，话音级线路的带例如，话音级线路的带 宽约为宽约为3.1kH
15、z，根据上，根据上 式计算的信道最大数据式计算的信道最大数据 传输率如右表所示传输率如右表所示C=2W log2 MC =数据传输率，单位数据传输率，单位b/s W=带宽，单位带宽，单位HzM=信号编码级数信号编码级数M 最大数据率最大数据率 2 6200 b/s 4 12400 b/s 8 18600 b/s16 24800 b/s32 31000 b/s第17页，共82页，编辑于2022年，星期一非理想信道非理想信道实际的信道上存在损耗、延迟、噪声。实际的信道上存在损耗、延迟、噪声。损耗损耗引起信号强度减弱，导致信噪比信噪比S/N降低降低。延迟延迟会使接收端的信号产生畸变信号产生畸变。噪声
16、噪声会破坏信号，产生误码破坏信号，产生误码。例如：数据传输速率为56kb/s时，持续时间0.01s的干扰会破坏约560个比特。第18页，共82页，编辑于2022年，星期一Shannon公式公式：用于有噪声干扰信道用于有噪声干扰信道例：信道带宽例：信道带宽W=3.1kHz，S/N=2000，则，则 C=3100log2（1+2000）34kb/s 即该信道上的最大数据传输率不会大于即该信道上的最大数据传输率不会大于34kb/s。信噪比的单位也可用分贝(dB)表示：S/NdB=10log10 S/N所以，若S/NdB=30dB，则S/N=1000。C=W log2（1+S/N）C:传输率，单位传输
17、率，单位b/sW:带宽，单位带宽，单位HzS/N:信噪比信噪比第19页，共82页，编辑于2022年，星期一Nyquist公式和公式和Shannon公式的比较公式的比较C=2W log2M用于理想信道（这样的信道存在吗？）用于理想信道（这样的信道存在吗？）数据传输率随信号编码级数增加而增加。数据传输率随信号编码级数增加而增加。C=W log2（1+S/N）用于有噪声信道（实际的信道总是有噪声！）用于有噪声信道（实际的信道总是有噪声！）无论信号编码级数增加到多少，此公式给出了有噪声信道无论信号编码级数增加到多少，此公式给出了有噪声信道可能达到的最大数据传输速率上限。可能达到的最大数据传输速率上限。
18、原因：噪声的存在将使编码级数不可能无限增加原因：噪声的存在将使编码级数不可能无限增加。第20页，共82页，编辑于2022年，星期一点-点连接主站交换连接集线式连接次站次站次站中心站集中器交换机多点连接3.通信网络中站点的连接方式通信网络中站点的连接方式第21页，共82页，编辑于2022年，星期一4.数据传输方式数据传输方式单单/双工通信双工通信单单/双向传输双向传输单工单工：数据单向传输：数据单向传输（例：无线电广播）（例：无线电广播）半双工半双工：数据可以双向交替传输，但不能在同：数据可以双向交替传输，但不能在同一时刻双向传输一时刻双向传输（例：对讲机）（例：对讲机）全双工全双工：数据可以双
19、向同时传输：数据可以双向同时传输（例：电话）（例：电话）需要具有两条物理上独立的传输线路；需要具有两条物理上独立的传输线路；或者需要具有一条物理线路上的两个信道，分别用或者需要具有一条物理线路上的两个信道，分别用于不同方向的信号传输。于不同方向的信号传输。第22页，共82页，编辑于2022年，星期一发送器发送器接收器接收器发送器发送器/接收器接收器发送器发送器/接收器接收器发送器发送器/接收器接收器发送器发送器/接收器接收器单工方式：单工方式：半双工方式：半双工方式：全双工方式：全双工方式：A站站B站站可同时不可同时第23页，共82页，编辑于2022年，星期一基带基带/频带频带/宽带传输宽带传
20、输基带传输基带传输：不需调制，编码后的数字脉冲信号：不需调制，编码后的数字脉冲信号直接在信道上传送。直接在信道上传送。例如：以太网（局域网）例如：以太网（局域网）频带传输频带传输：数字信号调制成音频模拟信号后再：数字信号调制成音频模拟信号后再传送，接收方需要解调。传送，接收方需要解调。例如：通过电话网络传输数据例如：通过电话网络传输数据宽带传输宽带传输：把信号调制成频带为几十：把信号调制成频带为几十MHZ到几到几百百MHZ的模拟信号后再传送，接收方需要解调。的模拟信号后再传送，接收方需要解调。例如：闭路电视的信号传输例如：闭路电视的信号传输第24页，共82页，编辑于2022年，星期一数据同步方
21、式数据同步方式目的是使接收端与发送端在时间基准上一致：目的是使接收端与发送端在时间基准上一致：同步脉冲频率同步脉冲频率数据从什么时候开始，什么时候结束数据从什么时候开始，什么时候结束位边界位边界数据块边界数据块边界数据通信中需要在三个层次上实现同步：数据通信中需要在三个层次上实现同步：位位位同步位同步字符字符字符同步字符同步帧帧(Frame)帧同步帧同步第25页，共82页，编辑于2022年，星期一位同步位同步：目的是使接收端接收的每一位信息都与发送端保：目的是使接收端接收的每一位信息都与发送端保持同步，持同步，2种同步方法：种同步方法：外同步外同步发送端发送数据之前发送同步脉冲信号，接收方用接
22、收到的同发送端发送数据之前发送同步脉冲信号，接收方用接收到的同步信号来锁定自己的时钟脉冲频率。步信号来锁定自己的时钟脉冲频率。自同步自同步通过特殊编码（如曼彻斯特编码），使数据编码信号中包含通过特殊编码（如曼彻斯特编码），使数据编码信号中包含同步信号，接收方从数据编码信号提取同步信号来锁定自己的时钟脉冲同步信号，接收方从数据编码信号提取同步信号来锁定自己的时钟脉冲频率。频率。第26页，共82页，编辑于2022年，星期一字符同步字符同步：找到正确的字符边界。：找到正确的字符边界。常用的为起止式（异步式）。在这种方式中，每个字常用的为起止式（异步式）。在这种方式中，每个字符的传输需要：符的传输需要
23、：1个起始位、个起始位、58个数据位、个数据位、1、1.5或或2个停止位个停止位采用这种同步方式的通信也称采用这种同步方式的通信也称“异步通信异步通信”。起止式的优缺点：起止式的优缺点：频率的漂移不会积累，每个字符开始时都会重新获得同步；频率的漂移不会积累，每个字符开始时都会重新获得同步；每两个字符之间的间隔时间不固定；每两个字符之间的间隔时间不固定；增加了辅助位，所以传输效率低；增加了辅助位，所以传输效率低；例如，采用例如，采用1个起始位、个起始位、8个数据位、个数据位、2个停止位时，其传输效率为个停止位时，其传输效率为8/1173第27页，共82页，编辑于2022年，星期一帧同步帧同步：识
24、别一个帧的起始和结束：识别一个帧的起始和结束。帧（帧（Frame）：数据链路中的传输单位：数据链路中的传输单位包含数据和控包含数据和控制信息的数据块制信息的数据块面向字符的面向字符的以同步字符（以同步字符（SYN，16H）来标识一个）来标识一个帧的开始，适用于数据为字符类型的帧帧的开始，适用于数据为字符类型的帧面向比特的面向比特的以特殊位序列（以特殊位序列（7EH，即，即01111110）来）来标识一个帧的开始，适用于任意数据类型的帧标识一个帧的开始，适用于任意数据类型的帧第28页，共82页，编辑于2022年，星期一2.3 传输介质传输介质l磁介质磁介质高带宽、低费用、高带宽、低费用、高延时（
25、小时）高延时（小时）在通信中很少使用在通信中很少使用 例：例：7GB/8mm磁带，磁带，1000盘盘/50*50*50cm3，24h可送到任何地方。可送到任何地方。总容量总容量=7*1000*8Gbits，总时间，总时间=24*60*60=86400s 传送速率传送速率=56000Gb/86400s=648Mb/s 若让刘翔来传送若让刘翔来传送1盘盘10GB的磁带，在的磁带，在110米内其传输速率是多少？米内其传输速率是多少？l金属导体金属导体双绞线、双绞线、同轴电缆同轴电缆(粗、细粗、细)l光纤光纤l无线介质无线介质无线电、微波、卫星、红外线无线电、微波、卫星、红外线第29页，共82页，编辑
26、于2022年，星期一双绞线双绞线（Twist Pair，TP）-螺旋绞合的双导线螺旋绞合的双导线-每根每根4对、对、25对、对、1800对对-典型连接距离典型连接距离100m（LAN）-RJ45插座、插头插座、插头-优缺点：优缺点：成本低成本低 组装密度高、节省空间组装密度高、节省空间 安装容易（综合布线系统）安装容易（综合布线系统）平衡传输（高速率）平衡传输（高速率）抗干扰性一般抗干扰性一般 连接距离短连接距离短应用领域：电话网络、计算机局域网应用领域：电话网络、计算机局域网内导体芯线内导体芯线绝缘绝缘内屏蔽内屏蔽外屏蔽外屏蔽外套外套第30页，共82页，编辑于2022年，星期一屏蔽双绞线屏蔽
27、双绞线(STP)非屏蔽双绞线非屏蔽双绞线(UTP)以铝箔屏蔽以减少干扰和串音，应用较少双绞线外无任何屏蔽层，应用广泛常用的双绞线：常用的双绞线：3类（类（16Mb/s）和和5类（类（155Mb/s）两种）两种第31页，共82页，编辑于2022年，星期一双绞线的连接标准色彩标记和连接方法：交叉线：交换机-交换机、PC-PC、HUB-HUB(标准端口)直连线：PC/路由器-交换机/HUB、HUB-HUB(级连端口)线对色彩码1白蓝，蓝2白橙，橙3白绿，绿4白棕，棕12345678123456781234567812345678交叉线交叉线EIA-568B直连线直连线EIA-568A第32页，共82
28、页，编辑于2022年，星期一光纤光纤（Optical Fiber）依靠光波承载数据，光脉冲在玻璃纤维中传播依靠光波承载数据，光脉冲在玻璃纤维中传播优缺点：优缺点：传输带宽高：传输带宽高：仅受光电转换器件的限制（仅受光电转换器件的限制（100Gb/s）传输损耗小，适合长距离传输传输损耗小，适合长距离传输抗干扰性能极好、误码率低，保密性好抗干扰性能极好、误码率低，保密性好轻便轻便价格较高价格较高需要光电转换需要光电转换纤芯材料：纤芯材料：塑料塑料二氧化硅二氧化硅 （高纯玻璃）（高纯玻璃）第33页，共82页，编辑于2022年，星期一光纤传输原理光纤传输原理光的反射光的反射光从折射率高的介质入射到折射
29、率低的介质时会光从折射率高的介质入射到折射率低的介质时会产生折射。折射量取决于两种介质的折射率。当产生折射。折射量取决于两种介质的折射率。当入射角入射角 临界值时产生全反射，不会泄漏。临界值时产生全反射，不会泄漏。纤芯纤芯-折射率高，玻璃包层折射率高，玻璃包层-折射率低折射率低亮度调制：有光脉冲亮度调制：有光脉冲-1，无光脉冲，无光脉冲-0光传输系统：光源、介质、光检测光传输系统：光源、介质、光检测光源：光源：850nm/1300nm/1500nm，发光二极管，发光二极管/激光二极管激光二极管光检测器：光电二极管光检测器：光电二极管PIN/雪崩二极管雪崩二极管APD单向传输，双向需两根光纤单向
30、传输，双向需两根光纤应用领域：局域网主干、电信网络、服务器连接应用领域：局域网主干、电信网络、服务器连接第34页，共82页，编辑于2022年，星期一多模光纤多模光纤(MMF)单模光纤单模光纤(SMF)：光纤的直径接近一个光波波长光纤的直径接近一个光波波长多束光线以不同的反射角传播多束光线以不同的反射角传播激光器包层，折射率低纤芯，折射率高亮度调制光检波器激光器光检波器单束光线沿直线传播单束光线沿直线传播第35页，共82页，编辑于2022年，星期一典型的光缆单芯光缆单芯光缆多芯光缆多芯光缆玻璃封套玻璃封套塑料外套塑料外套玻璃内芯玻璃内芯玻璃内芯玻璃内芯塑料外套塑料外套玻璃封套玻璃封套外壳外壳常见
31、规格：纤芯常见规格：纤芯50um缓变型缓变型-MMF 62.5um缓变型缓变型/增强型增强型-MMF 8.3um突变型突变型-SMF 包层包层125um第36页，共82页，编辑于2022年，星期一高密度多芯光缆高密度多芯光缆剖面结构剖面结构芯芯封套封套外套外套加强芯加强芯光纤光纤外鞘外鞘加强芯加强芯光纤束光纤束第37页，共82页，编辑于2022年，星期一同轴电缆同轴电缆（Coaxial Cable）计算机网络中使用基带同轴电缆计算机网络中使用基带同轴电缆阻抗50，有粗同轴和细同轴两种应用：总线局域网（以太网）应用：总线局域网（以太网）性能：性能：10Mb/s，500米米/185米米铜芯铜芯绝缘
32、层绝缘层外导体外导体屏蔽层屏蔽层保护套保护套第38页，共82页，编辑于2022年，星期一无线介质无线介质（信号在大气或外层空间自由传播）信号在大气或外层空间自由传播）使用电磁波或光波携带信息使用电磁波或光波携带信息优缺点：优缺点：无需物理连接适用于长距离或不便布线的场合易受干扰反射，为障碍物所阻隔主要类型主要类型：无线电、地面微波通信卫星红外线第39页，共82页，编辑于2022年，星期一无线电无线电基站与终端之间通信采用无线链路应用领域：移动通信、无线局域网（WLAN）BS基站覆盖的无线电区域基站覆盖的无线电区域BS基站基站 用户计算机和终端用户计算机和终端第40页，共82页，编辑于2022年
33、，星期一地面微波地面微波通过地面站之间接力传送通过地面站之间接力传送接力站之间距离：接力站之间距离：50-100 km速率：每信道速率：每信道 45 Mb/s地球地球地球地球地面站之间的直视线路地面站之间的直视线路 微波传送塔微波传送塔第41页，共82页，编辑于2022年，星期一地球同步卫星地球同步卫星与地面站相对固定位置使用3颗卫星即可覆盖全球传输延迟时间长（270ms）广播式传输应用领域：电视传输长途电话专用网络广域网35,784公里公里地球地球第42页，共82页，编辑于2022年，星期一传输介质传输介质传输方式传输方式速率速率/工作频带工作频带传输距离传输距离性能性能价格价格应用应用双绞
34、线双绞线宽带宽带基带基带1Gb/s模拟模拟:10km数字数字:500m较好较好低低模拟模拟/数字数字信号传输信号传输50同轴电缆同轴电缆基带基带10Mb/s3km较好较好较低较低基带数字信基带数字信号号75同轴电缆同轴电缆宽带宽带450MHz100km较好较好较低较低模拟电视、模拟电视、数据及音频数据及音频光纤光纤基带基带40Gb/s20km以上以上很好很好较高较高远距离高速远距离高速数据传输数据传输微波微波宽带宽带4-6GHz几百几百km好好中等中等远程通信远程通信卫星卫星宽带宽带1-10GHz18000km很好很好高高远程通信远程通信第43页，共82页，编辑于2022年，星期一2.4 数据
35、编码数据编码不同类型的信号在不同类型的信道上传输不同类型的信号在不同类型的信道上传输有有4种情况：种情况：数据数据：模拟数据：模拟数据 数字数据数字数据信号信号：模拟信号：模拟信号 数字信号数字信号 信道信道：模拟信道：模拟信道 数字信道数字信道第44页，共82页，编辑于2022年，星期一模拟传输和数字传输所使用的技术模拟传输和数字传输所使用的技术话音话音移频移频,调制调制模拟模拟数字数字模拟模拟模拟模拟PCM编码编码数字数字数字数字数字编码数字编码数字数字模拟数据，模拟信号模拟数据，模拟信号数字数据，模拟信号数字数据，模拟信号数字数据，数字信号数字数据，数字信号模拟数据，数字信号模拟数据，数
36、字信号10101010调制调制第45页，共82页，编辑于2022年，星期一编码与调制的区别编码与调制的区别编码编码：用数字信号承载数字或模拟数据：用数字信号承载数字或模拟数据调制调制：用模拟信号承载数字或模拟数据：用模拟信号承载数字或模拟数据EncoderDecoder数字或数字或模拟数据模拟数据数字信号数字信号数字信号数字信号x(t)g(t)数字或数字或模拟数据模拟数据编码与解码编码与解码数字信道数字信道数字信道数字信道发送方发送方接收方接收方g(t)编码编码解码解码第46页，共82页，编辑于2022年，星期一调制与解调调制与解调数字或数字或模拟数据模拟数据ModulatorDemodula
37、tor数字或数字或模拟数据模拟数据模拟信号模拟信号模拟信号模拟信号g(t)s(t)g(t)载波模拟信道模拟信道模拟信道模拟信道发送方发送方接收方接收方调制调制解调制解调制第47页，共82页，编辑于2022年，星期一1.数字数据的数字信号编码数字数据的数字信号编码使数字数据能在数字信道上传输使数字数据能在数字信道上传输把数字数据转换成某种数字脉冲信号把数字数据转换成某种数字脉冲信号常见的有两类：常见的有两类：不归零码和曼彻斯特编码不归零码和曼彻斯特编码不归零码（不归零码（NRZ，Non-Return to Zero）二进制数字二进制数字0、1分别用两种电平来表示；分别用两种电平来表示；常用常用5
38、V表示表示1，5V表示表示0；缺点：缺点：存在直流分量，传输中不能有变压器或电容；存在直流分量，传输中不能有变压器或电容；不具备自同步机制，传输时必须使用外同步。不具备自同步机制，传输时必须使用外同步。第48页，共82页，编辑于2022年，星期一曼彻斯特编码（曼彻斯特编码（Manchester Coding）用电压的变化表示用电压的变化表示0和和1。规定在规定在每个码元的中间发生跳变每个码元的中间发生跳变：高高低的跳变代表低的跳变代表0，低，低高的跳变代表高的跳变代表1每个码元中间都要发生跳变，接收端可将此变每个码元中间都要发生跳变，接收端可将此变化提取出来作为同步信号。这种化提取出来作为同步
39、信号。这种编码也称为自编码也称为自同步码（同步码（Self-Synchronizing Code）。）。缺点：需要双倍的传输带宽（即信号速率是数缺点：需要双倍的传输带宽（即信号速率是数据速率的据速率的2倍）。倍）。差分曼彻斯特编码（差分曼彻斯特编码（Differential）每个码元的中间每个码元的中间仍要发生跳变。仍要发生跳变。用用码元开始处码元开始处有无跳变来表示有无跳变来表示0和和1，有跳变代，有跳变代表表0，无跳变代表，无跳变代表1。第49页，共82页，编辑于2022年，星期一三种数字编码的波形图三种数字编码的波形图01001100011 时钟时钟时钟时钟NRZNRZMancheste
40、rManchester差分差分差分差分ManchesteManchester r第50页，共82页，编辑于2022年，星期一2.数字数据的调制数字数据的调制使数字数据能在模拟信道上传输使数字数据能在模拟信道上传输三种常用的调制技术三种常用的调制技术：幅移键控ASK（Amplitude Shift Keying）频移键控FSK（Frequency Shift Keying）相移键控PSK（Phase Shift Keying）原理：用数字信号对载波的不同参量进行调制。原理：用数字信号对载波的不同参量进行调制。载波信号载波信号 S(t)=Acos(t+)S(t)的参量包括：的参量包括：幅度幅度A、
41、频率频率 、初相位初相位 调制就是要使调制就是要使A、或或 随数字基带信号的变化而变化随数字基带信号的变化而变化第51页，共82页，编辑于2022年，星期一ASK：用载波的两个不同振幅表示：用载波的两个不同振幅表示0和和1FSK：用载波的两个不同频率表示：用载波的两个不同频率表示0和和1PSK：用载波的起始相位的变化表示：用载波的起始相位的变化表示0和和100110100010ASKFSKPSK第52页，共82页，编辑于2022年，星期一3.模拟数据的数字信号编码模拟数据的数字信号编码使模拟数据能在数字信道上传输使模拟数据能在数字信道上传输采样定理：采样定理：如果模拟信号的最高频率为如果模拟信
42、号的最高频率为F，若以，若以2F的采样频率对其采样，的采样频率对其采样，则从采样得到的离散信号序列就能完整地恢复出原始信号。则从采样得到的离散信号序列就能完整地恢复出原始信号。要转换的模拟数据主要是电话语音信号要转换的模拟数据主要是电话语音信号模拟数据要在数字线路上传输，必须将其转换成数字信号。模拟数据要在数字线路上传输，必须将其转换成数字信号。三个步骤：三个步骤：采样采样：按一定间隔对语音信号进行采样：按一定间隔对语音信号进行采样量化量化：把每个样本舍入到最接近的量化级别上：把每个样本舍入到最接近的量化级别上编码编码：对每个舍入后的样本进行编码：对每个舍入后的样本进行编码编码后的信号称为编码
43、后的信号称为PCM信号（脉码调制信号（脉码调制,Pulse Coded Modulation）。）。第53页，共82页，编辑于2022年，星期一语音信号的数字化语音信号的数字化语音带宽语音带宽f2倍语音最大频率）倍语音最大频率）样本量化级数：样本量化级数：256级（级（8bit/每样本）每样本）数据率：数据率：8000次次/s*8bit=64kb/s每路每路PCM信号的速率信号的速率=64kb/s模拟模拟模拟模拟语音信号语音信号语音信号语音信号采样时钟采样时钟采样时钟采样时钟PCM PCM 信号信号信号信号采样电路采样电路量化和编码量化和编码 数字化数字化数字化数字化语音信号语音信号语音信号语
44、音信号f4kHzf4kHzf fs s=8kHz=8kHz第54页，共82页，编辑于2022年，星期一PCM编码过程举例 语音信号语音信号语音信号语音信号011 100 011 011 001 100 PCM PCM 输出输出输出输出3 34 43 33 31 14 4011011100100011011011011001001100100 PCM PCM 信号信号信号信号 （有量化误差）（有量化误差）（有量化误差）（有量化误差）3.23.23.93.92.82.83.43.41.21.24.24.2 PAMPAM信号信号信号信号第55页，共82页，编辑于2022年，星期一2.5 多路复用技术
45、多路复用技术多路复用多路复用：多个信息源共享一个公共信道：多个信息源共享一个公共信道为何要复用？为何要复用？提高线路利用率提高线路利用率适用场合：当信道的传输能力大于每个信源的适用场合：当信道的传输能力大于每个信源的平均传输需求时平均传输需求时类比：公共运输系统（铁路、海运、航空）类比：公共运输系统（铁路、海运、航空）DEMUX复用器复用器解复用器解复用器共享信道共享信道MUX信信源源信信宿宿第56页，共82页，编辑于2022年，星期一复用的基本思想：复用的基本思想：把公共共享信道用某种方法划分成多个子信道，把公共共享信道用某种方法划分成多个子信道，每个子信道传输一路数据每个子信道传输一路数据
46、。复用方法复用方法频分复用频分复用FDM（Frequency Division Multiplexing）按频率划分不同的信道，如按频率划分不同的信道，如CATV系统系统波分复用波分复用WDM（Wave Division Multiplexing）按波长划分不同的信道，用于光纤传输按波长划分不同的信道，用于光纤传输时分复用时分复用TDM（Time Division Multiplexing）按时间划分不同的信道，目前应用最广泛按时间划分不同的信道，目前应用最广泛码分复用码分复用CDM（Code Division Multiplexing）按地址码划分不同的信道，非常有发展前途按地址码划分不同的
47、信道，非常有发展前途第57页，共82页，编辑于2022年，星期一频分复用频分复用FDM原理：整个传输频带被划分为若干个频率通道，每路原理：整个传输频带被划分为若干个频率通道，每路信号占用一个频率通道进行传输。频率通道之间留有信号占用一个频率通道进行传输。频率通道之间留有防护频带以防相互干扰。防护频带以防相互干扰。CH2CH1CH3原带宽原带宽CH1CH2CH3移频后带宽移频后带宽MUXCH1CH2CH3带宽复用信号带宽复用信号f复用器复用器第58页，共82页，编辑于2022年，星期一波分复用波分复用光的频分复用光的频分复用原理：整个波长频带被划分为若干个波长范围，原理：整个波长频带被划分为若干
48、个波长范围，每路信号占用一个波长范围来进行传输。每路信号占用一个波长范围来进行传输。F2F1F3光谱光谱F1F2F3共享光纤的光谱共享光纤的光谱光纤光纤2光纤光纤3光纤光纤1共享光纤共享光纤 棱柱棱柱/衍射光栅衍射光栅第59页，共82页，编辑于2022年，星期一时分复用时分复用TDM原理：把时间分割成小的时间片，每个时间片分为若原理：把时间分割成小的时间片，每个时间片分为若干个时隙，每路数据占用一个时隙进行传输。在通信干个时隙，每路数据占用一个时隙进行传输。在通信网络中应用极为广泛。网络中应用极为广泛。A2A1A3原始信号D2D1D3数字化信号MUX复用后的数据流复用后的数据流时隙号时隙号12
49、31D3D2D1时间片时间片12时间片时间片2D1时隙时隙D2复用器复用器t第60页，共82页，编辑于2022年，星期一由于每路数据总是使用每个时间片的固定由于每路数据总是使用每个时间片的固定时隙，所以这种时分复用也称为时隙，所以这种时分复用也称为同步时分同步时分复用复用。一个时间片内传输的多路数据称为一个时间片内传输的多路数据称为帧帧。时分复用的典型例子：时分复用的典型例子：PCM信号的传输信号的传输把多个话路的把多个话路的PCM语音数据用语音数据用TDM的方法装的方法装成帧（帧中还包括了帧同步信息和信令信息）成帧（帧中还包括了帧同步信息和信令信息）每帧在一个时间片内发送每帧在一个时间片内发
50、送每个时隙承载一路每个时隙承载一路PCM信号信号第61页，共82页，编辑于2022年，星期一统计（异步）统计（异步）TDMSTDMTDM的缺点：某用户无数据发送，其他用户也的缺点：某用户无数据发送，其他用户也不能占用该时隙，将会造成带宽浪费。不能占用该时隙，将会造成带宽浪费。STDM：用户不固定占用某个时隙，有空时隙：用户不固定占用某个时隙，有空时隙就将数据放入。就将数据放入。ABCD待发数据待发数据t1 t2 t3A1B1C1D1C2D2A2B2时间片时间片1时间片时间片2同步同步TDM带宽浪费A1B1B2时间片时间片1时间片时间片2统计统计TDM可用带宽C2第62页，共82页，编辑于202