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1、第3讲 数据通信基础(2)第第3 3讲讲 数据通信基础（数据通信基础（2 2）课时授课计划 课 程 内 容第3讲 数据通信基础(2)内容：调制与编码技术 多路复用技术 物理层模型 物理层接口标准举例目的与要求：掌握调制和解调技术、编码与解码技术；掌握多路复用技术；了解物理层接口标准；重点与难点：重点：调制与编码技术、多路复用技术；难点：多路复用技术。第3讲 数据通信基础(2)课堂讨论：数据如何用电信号表示？信号如何传输？现代教学方法与手段：投影 PowerPoint幻灯课件复习（提问）：通信系统模型？带宽和传输速率？第3讲 数据通信基础(2)第第2 2章章 数据通信基础数据通信基础2.3传输技
2、术2.4 物理层接口技术第3讲 数据通信基础(2)传输技术传输技术模拟传输与数字传输模拟传输与数字传输数字调制技术数字调制技术模拟信号的脉冲调制模拟信号的脉冲调制数字信号的编码技术数字信号的编码技术多路复用技术多路复用技术频分复用技术频分复用技术时分复用技术时分复用技术波分波分复用技术复用技术第3讲 数据通信基础(2)不同类型的信号在不同类型的信道上传输有不同类型的信号在不同类型的信道上传输有4种种组合，每一种相应地需要进行不同的编码处理。组合，每一种相应地需要进行不同的编码处理。数据：模拟数据、数字数据数据：模拟数据、数字数据信号：模拟信号、数字信号信号：模拟信号、数字信号 信道：模拟信道、
3、数字信道信道：模拟信道、数字信道第3讲 数据通信基础(2)模拟传输和数字传输话音话音模拟传输模拟传输模拟模拟数字数字模拟模拟模拟模拟CODEC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，数字信号10101010Modem第3讲 数据通信基础(2)EncoderDecoderModulatorDemodulator数字或数字或模拟模拟数字或数字或模拟模拟数字信号数字信号数字信号数字信号模拟信号模拟信号模拟信号模拟信号g(t)g(t)m(t)m(t)p px(t)x(
4、t)s(t)s(t)g(t)g(t)m(t)m(t)数字或数字或模拟模拟数字或数字或模拟模拟PP调制参数调制参数调制参数调制参数编码编码编码编码调制调制调制调制编码和调制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编码编码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调制调制第3讲 数据通信基础(2)数字信号的调制编码三种常用的调制技术三种常用的调制技术：1）幅移键控ASK(Amplitude Shift Keying)，调幅 2）频移键控FSK(Frequency Shift Keying)，调频 3）相移键控PSK(Phase Shift Keying)，调相基本原理
5、：用数字信号对载波的不同参量进行调制。载波载波 S(t)=A cos(t+)S(t)的参量包括的参量包括：幅度幅度A、频率频率 、相位相位 调制就是调制就是要使这三个参量随要使这三个参量随数字数字基带信号的变化而变化基带信号的变化而变化第3讲 数据通信基础(2)0 00 01 11 10 01 10 00 00 01 10 0ASKASK调幅调幅调幅调幅FSKFSK调频调频调频调频PSKPSK调相调相调相调相第3讲 数据通信基础(2)-+开关1开关2运算放大器输出 FSK调制原理图第3讲 数据通信基础(2)不归零制不归零制(NRZ，Non-Return to Zero)二进制数字二进制数字0、
6、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5V表示表示1，5V表示表示0。缺点：存在直流分量，传输中不能使用变压器；缺点：存在直流分量，传输中不能使用变压器；不具备自同步机制，必须使用外同步。不具备自同步机制，必须使用外同步。曼彻斯特编码曼彻斯特编码(Manchester code)用电压的变化表示用电压的变化表示0和和1。数字数据的数字信号编码第3讲 数据通信基础(2)规定在规定在每个码元的中间每个码元的中间发生跳变：发生跳变：高高 低的跳变低的跳变0，低，低高的跳变高的跳变1 每个码元中间都要发生跳变，接收端可将此变化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
7、号，使接收端的时钟与发送设提取出来作为同步信号，使接收端的时钟与发送设备的时钟保持一致。备的时钟保持一致。曼彻斯特编码也称为曼彻斯特编码也称为自同步码（自同步码（Self-Synchronizing Code）。它具有自同步机制，无它具有自同步机制，无需外同步信号。需外同步信号。缺点：需要双倍的传输带宽（即信号速率是数据速缺点：需要双倍的传输带宽（即信号速率是数据速率的率的2倍）。倍）。第3讲 数据通信基础(2)差分曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码(Differential Manchester code)与与曼彻斯特编码相同，曼彻斯特编码相同，在每个码元的中间，信号在每个码元的中间，信号都会发生
8、跳变；不同之处在于：都会发生跳变；不同之处在于：用在码元开始处有无跳变来表示用在码元开始处有无跳变来表示0和和1：码元开始处有跳变码元开始处有跳变0 码元开始处无跳变码元开始处无跳变1第3讲 数据通信基础(2)三种数字编码的波形图三种数字编码的波形图0 01 10 00 01 11 10 00 00 01 11 1 时钟时钟时钟时钟NRZNRZManchesterManchester差分差分差分差分ManchesterManchester第3讲 数据通信基础(2)4B/5B编码编码：采用NRZI方式用5位信号传4位信息（信号与时钟同步传）利用率提高至80%。5位信号的剩余部分可用于控制，000
9、00-线路断，11111-线路空，00100-中止第3讲 数据通信基础(2)4B/5B编码 (解决连续0问题：头02,尾03)4位数据符号5位编码0000111100001010010010101000011101010100010100101010110110011100111011114位数据符号5位编码100010010100110011101010110101110111110011010110111011111011100111111101第3讲 数据通信基础(2)模拟信号的脉码调制奈奈奎斯特定理（采样定理）：奎斯特定理（采样定理）：如果连续变化的模拟信号最高频率为如果连续变化的模拟
10、信号最高频率为F，若以若以2F的采样频率对其采样，则采样得到的离散信的采样频率对其采样，则采样得到的离散信号序列就能完整地恢复出原始信号。号序列就能完整地恢复出原始信号。语音信号要在数字线路上传输，必须将语音信号转换语音信号要在数字线路上传输，必须将语音信号转换成数字信号。这需要经过三个步骤：成数字信号。这需要经过三个步骤：1）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 2）量化）量化对每个样本舍入到量化级别上对每个样本舍入到量化级别上 3）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第3讲 数据通信基础(2)编码后的信号称为编码后的信号称为PCM（P
11、ulse Coded Modulation）信号（脉码调制信号）信号（脉码调制信号）模拟话音模拟话音模拟话音模拟话音采样时钟采样时钟采样时钟采样时钟PAM PAM 信号信号信号信号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声音声音声音声音-话音信道带宽话音信道带宽 2倍倍话音话音最大频率最大频率)-量化级数：量化级数：256级级 (8位二进制码表示位二进制码表示)-数据率：数据率：8000次次/s*8bit=64Kb/s 每路每路PCM信号信号的速率的速率=64000bps第3讲 数据通信基础(2)PCM转换过程举例3.23.23.93.92
12、.82.83.43.41.21.24.24.23 34 43 33 31 14 4011011100100011011011011001001100100 原始信号原始信号 PAMPAM脉冲脉冲 PCM PCM 脉冲脉冲 （有量化误差）（有量化误差）011100011011001100011100011011001100 PCM PCM 输出输出输出输出第3讲 数据通信基础(2)PCM 转换波形图BACD模拟话音模拟话音模拟话音模拟话音采样时钟采样时钟采样时钟采样时钟PAM PAM 信号信号信号信号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声音数字化声音数字化声
13、音数字化声音AABBCCDD第3讲 数据通信基础(2)多路复用技术复用多个信息源共享一个公共信道为何要复用？为何要复用？线路成本线路成本DEMUX复用器复用器解复用器解复用器共享信道MUX第3讲 数据通信基础(2)复用类型FDM(频分复用频分复用)WDM(波分复用波分复用)TDM(时分复用时分复用)第3讲 数据通信基础(2)频分复用Frequency Division Multiplexing原理：整个传输频带被划分为若干个频率通道，每个原理：整个传输频带被划分为若干个频率通道，每个用户占用一个频率通道。频率通道之间留有防护频带。用户占用一个频率通道。频率通道之间留有防护频带。CH2CH1CH
14、3原带宽原带宽CH1CH2CH3移频后带宽移频后带宽MUXCH1 CH2 CH3带宽复用带宽复用f适用于模拟信号传输适用于模拟信号传输 第3讲 数据通信基础(2)时分复用Time Division Multiplexing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通道（时隙）干个通道（时隙），每个用户占用一个通道传输数据。，每个用户占用一个通道传输数据。A2A1A3原始信号D2D1D3数字化信号MUX复用后数据复用后数据时隙时隙1234D3D2D1适用于数字信号传输适用于数字信号传输 时间片时间片第3讲 数据通信基础(2)波分复用Wave
15、Division Multiplexing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个波长范围，每个用户占用一个波长范围来进行传输。每个用户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 采用无源设备，更可靠采用无源设备，更可靠棱柱棱柱/衍射光栅衍射光栅第3讲 数据通信基础(2)统计(异步)TDMSTDMTDM的缺点：某用户无数据发送，其他用户也不能占用的缺点：某用户无数据发送，其他用户也不能占用该通道，将会造成带宽浪费。该通道，将会造成带宽浪费。改改进进：统统计计时时分分多
16、多路路复复用用（STDM），用用户户不不固固定定占占用用某某个通道，有空槽就将数据放入。个通道，有空槽就将数据放入。ABCD待发数据待发数据t1 t2 t3A1B1C1D1C2D2A2B2周期周期1周期周期2同步同步 TDM带宽浪费A1B1C2B2周期周期1周期周期2统计统计TDM可用带宽第3讲 数据通信基础(2)系统系统A变换器变换器系统系统B反变换器反变换器M双绞线双绞线接口接口电电-光光光光-电电光纤光纤CEF数据链路层实体数据链路层实体物理实体物理实体物理实体物理实体物理实体物理实体P1P1接口接口MFEC物理媒体连接物理媒体连接物理媒体连接物理媒体连接与媒体接口与媒体接口数据链路层实
17、体数据链路层实体系统连接的实际环境系统连接的实际环境系统连接的逻辑环境（物理层模型）系统连接的逻辑环境（物理层模型）物理层模型第3讲 数据通信基础(2)物理层的作用 尽可能屏蔽传输媒体的差异，透明传送和接收位流物理层的主要任务 确定与传输媒体的接口的一些特性：机械特性、电气特性、功能特性和规程特性物理层向数据链路层提供的服务物理连接物理服务数据单元（PSDU）：串行传输方式、并行传输方式顺序化故障报告服务质量参数第3讲 数据通信基础(2)物理层接口标准举例EIA-RS-232CRS-232C标准接口只控制DTE与DCE之间的通信 计算机计算机调制解调器调制解调器 公共交换公共交换 电话网电话网
18、 DTE（数据终端设备）：具有一定数据处理能力及收发数据能力的设备，如计算机。DCE（数据电路端接设备）：在DTE和传输线路之间提供信号变换和编码功能，并负责建立、保持和释放数据链路的连接，如MODEM第3讲 数据通信基础(2)机械特性：机械特性：25针插座针插座 电气特性：低于电气特性：低于-3伏表示伏表示“1”，高于高于4伏表示伏表示“0”，最，最大速率为大速率为20Kbps,最大最大电缆长度为电缆长度为15米。米。功能特性：引脚信号的含义，如功能特性：引脚信号的含义，如DTR表示表示DTE通电，通电，DSR表示表示DCE通电通电 规程特性：规程特性：动作的顺序动作的顺序第3讲 数据通信基
19、础(2)利用虚利用虚MOEM连接两台计算机连接两台计算机DTEDTE11保护地保护地223 R365422 RI20 DTR8 CD7 CR6 DSR5 CTS4 RTS222087 T第3讲 数据通信基础(2)第3讲 数据通信基础(2)物理层的设备与组件物理层的设备与组件主动主动(需要电源需要电源)-调制解调器调制解调器 -中继器中继器 -集线器集线器被动被动(不需要外电源不需要外电源)线缆线缆连接头连接头连接座连接座接线面板接线面板转换器转换器第3讲 数据通信基础(2)RJ-45 连接头连接头/座座 RJ-45 是英文 Registered Jack-45的缩写。用于UTP线缆的连接可减少
20、噪声，反射和机械可靠性问题第3讲 数据通信基础(2)接线面板（接线面板（Patch Panels）RJ-45 座的组合，常见的有12，24,and 48 口.第3讲 数据通信基础(2)转换器转换器 接收器和发送器的组合。用于不同物理接口或传输介质间的转换第3讲 数据通信基础(2)转换器应用示例转换器应用示例FiberCat 5 UTP第3讲 数据通信基础(2)中继器中继器物理信号的放大与再生物理信号的放大与再生“单进单出单进单出”形式形式第3讲 数据通信基础(2)中继器使用举例中继器使用举例第3讲 数据通信基础(2)集线器集线器多端口中继器多端口中继器 典型的端口数为典型的端口数为 4,8,或
21、或 24对物理信号进放大与再生对物理信号进放大与再生起到线缆集中器的作用，所以又称集起到线缆集中器的作用，所以又称集线器线器提高了物理连接的可靠性提高了物理连接的可靠性 第3讲 数据通信基础(2)Hub使用举例使用举例The Cloud第3讲 数据通信基础(2)关于物理层设备和组件的评论关于物理层设备和组件的评论只关注原始比特流的传送，即物理信号的传输。其不关心也不认识所传输信号所包含的信息。物理层是网络的物理基础，也是网络故障的多发层，不可被低估或轻视。第3讲 数据通信基础(2)课堂小结课堂小结掌握下面的术语调制、解调、编码、解码、调制、解调、编码、解码、ASK、FSK、PSK、曼彻斯特编码、差分曼彻斯特编码、曼彻斯特编码、差分曼彻斯特编码、PCMFDM、TDM、WDM理解调制与编码的关系理解PCM的调制过程掌握多路复用技术的工作原理了解物理层的通信设备和组件第3讲 数据通信基础(2)HomeworkHomework预习第三章中的差错检测与纠正作业：第76页第4题第9题第16和17题