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数据通信原理讲义 长沙民政职业技术学院软件学院 数据通信原理讲义数据通信原理讲义 长沙民政职业技术学院软件学院长沙民政职业技术学院软件学院 邓文达邓文达 2007 52007 5 数据通信原理讲义 计算机网络技术专业使用 2 目目 录录 第一讲第一讲 通信系统的基本概念通信系统的基本概念 3 1 1 通信的概念 3 1 2 通信系统的简介 3 1 3 信号与噪声 4 第二讲第二讲 信道和传输介质信道和传输介质 7 2 1 信道的概念 7 2 2 传输介质 7 2 3 信道的频率特性 12 2 4 信道的容量 13 第三讲第三讲 模拟信号的数字化模拟信号的数字化 16 3 1 模拟通信系统与数字通信系统 16 3 2 脉冲编码调制 17 3 3 非线性 PCM 21 3 4 增量调制 22 第四讲第四讲 数字信号的基带传输数字信号的基带传输 23 4 1 码型编码 23 4 2 码间串扰 26 4 3 扰码和解码 27 第五讲第五讲 数字信号的频带传输和复用数字信号的频带传输和复用 30 5 1 数字调制 30 5 2 多路复用 33 第六讲第六讲 差错控制差错控制 37 6 1 产生差错的原因 37 6 2 差错控制的方式 37 6 3 有关概念 39 6 4 常用的检错码 40 6 5 可以纠错的编码 41 第七讲第七讲 数据通信系统数据通信系统 45 7 1 数据通信系统的组成 45 7 2 数据通信的方式 46 7 3 数据交换技术 48 7 4 数据通信系统的性能评价 50 第八讲第八讲 光纤通信技术光纤通信技术 52 8 1 光纤通信的发展与现状 52 8 2 光纤通信系统 54 8 3 光纤通信复用技术 58 8 4 光通信技术的发展与展望 59 第九讲第九讲 移动通信技术移动通信技术 60 9 1 蓝牙技术 60 9 2 移动通信 62 数据通信原理讲义 计算机网络技术专业使用 3 第一讲第一讲 通信系统的基本概念通信系统的基本概念 基本要求 掌握通信系统的组成 了解信号的概念 分类方法 掌握模拟信号与数字信号的区别 熟悉噪声的概念和分类 了解干扰的概念 掌握信号的带宽与信道的带宽的概念 1 1 通信的概念通信的概念 在人类社会里 人们总是离不开消息的传递 古代的烽火台 金鼓 旌旗 今天的电话 书信 传真等等都是消息传递的方式 把消息从一地到另一地的传递称为通信 通信 通信是与人类社会共生和共同进步的 随着人类活动领域不断扩大 人类创造了一系列通 信技术来支持人与人之间远距离的交往与协作 最早的通信技术包括烽火狼烟 鸣锣击鼓 18 世纪中叶 人类发明了电信 可以利用电 磁波载荷信息向远方传送 早期的电信是电报和电话 包括有线和无线两种方式 现代电信技 术包括卫星通信 数字微波通信和电缆载波通信等 它们都有同时传送成千上万路电话的能力 20 世纪 60 年代出现了光纤通信 它的通信容量可以同时传送数十万路电话或数百路电视 按照人类活动的需要 各种通信技术系统已经形成错综复杂的通信网络 成为人类赖以生 存和发展的基础结构和设施 由于计算机所能识别和处理的通常是电信号或光信号 因此我们所讨论的通信是特指利用 各种电信号和光信号作为通信信号的电通信电通信和光通信光通信 1 2 通信系统的简介通信系统的简介 用于通信的硬件 软件和传输介质的集合叫通信系统 通信系统由信源 发送设备 信道 噪声 接收设备和信宿几个部分组成 信源信源是信号的产生地 信号的来源 其作用是把各种消息转换为原始电信号 称为消息信 号或基带信号 发送设备发送设备的基本功能是将信源和信道匹配起来 即将信源产生的消息信号变换为适合在信 道中传输的信号 变换方式是多种多样的 调制是最常见的一种方式 信道信道是指传输信号的物理媒质 信道可以是大气空间 也可以是架空明线 电缆 光纤等 噪声噪声不是人为加入的设备 而是通信系统的各种设备及信道中所固有的 影响有用信号传 输的信号 为了分析方便 将噪声视为系统中各处的噪声源的集中表现而抽象加入到信道 接收设备接收设备的任务是完成发送设备的反变换 即从带有干扰的接收信号中正确恢复出相应的 数据通信原理讲义 计算机网络技术专业使用 4 原始基带信号 信宿信宿是传输信息的归宿点 信宿将复原的原始信号转换为消息 通信系统组成如图 1 所示 1 3 信号与噪声信号与噪声 信息的物理表现形式是信号 实际上通信的过程就是信号传递的过程 1 3 1 信号的定义信号的定义 信号是信息的载体 信息的物理表现形式 信号必须具备可观测性 可变化性和可实现性可观测性 可变化性和可实现性 对于我们所研究的光电信通信系统而言 信号信号可以定义为 能够反映或表示信息的电压 电流 电荷及电磁波 光波也是电磁波 将它们统称为电信号 以后未经特别指明 都指电 信号 1 3 2 信号的分类信号的分类 可以从不同的角度对信号进行分类 常见的分类方法有以下几种 1 按信号的外在表现特征将信号分为模拟信号和数字信号两大类 模拟信号模拟信号 取值连续的信号 如时间 温度 电波 声音信号等 在电子通信中 常 见的电磁信号为正弦波 可表示为 S t Asin 2t 其中 A 表示幅度 表示频率 表示相位 f f 正弦波信号 实际上 电磁信号正弦波可以是幅度 频率或相位中任一值的函数 比较常见的自变量取 值是取幅度 自变量连续变化即为模拟信号 模拟信号的特点是具有波动性 持续变化 能反映事物的本质 在电信业被广泛使用超过 100 年 技术比较成熟 数据通信原理讲义 计算机网络技术专业使用 5 数字信号数字信号 取值离散的信号 如电脉冲 正弦波信号的自变量取值不连续 也属于数 字信号 1 011100 数字信号 数字信号具有跃变性 离散性 其对应设备性能好 价格也便宜 2 按传输介质的不同分为有线信号和无线信号 通过导线传输的信号为有线信号有线信号 利用自由空间进行传输的信号称为无线信号无线信号 3 按信号变化的规律分为周期信号和非周期信号 周期信号周期信号 信号按一定的规律重复出现 不管是连续信号还是离散信号 如相同的信号形式能周期性地重复则称为 周期信号 周期信号的数学表达式为 S t T S t t T 为信号周期 正弦电磁波波信号是周期信号 将一个信号周期所占的距离定义为波长 CT C 光速 即 3 108m s T 为信号周期 C 1 T 为信号频率 f f 非周期信号非周期信号 除了周期信号外的所有信号 1 3 3 信号的成分信号的成分 正弦波是基本的连续信号 它可以表示为 S t Asin 2t 其中 A 表示幅度 f 表示频率 表示相位 f 而通常的电磁信号并非单一的一个正弦波 它包含多个频率成分 例如图中所示的正弦波 S t sin 2 1t sin 2 3 1 t f f 它是由频率 1和频率 31合成 后者是前者的整数倍 频率1是合成信号的基本频率 fff 成分 称为基频基频 其对应的信号称为基波基波 频率 3 1称为 3 次谐波 信号周期等于基本频率 f 信号的周期 T 任何电磁信号都可以表示为不同振幅 频率和相位的正弦波的集合 任何电磁信号都可以表示为不同振幅 频率和相位的正弦波的集合 数据通信原理讲义 计算机网络技术专业使用 6 1 3 4 频带的概念频带的概念 频带频带是信号所含频率的范围 许多信号具有无限大的带宽 然而大部分信号能量包含在一个想度较窄的频率范围内 称 为有效带宽或带宽 带宽越大 信息的传输能力越大 1 3 5 噪声噪声 所谓噪声噪声是指与准备接收的信号混杂在一起而引起信号失真的不希望的信号 可这样的理解 信号是信息的载体 确切地说指 有用信息 不携带有用信息的信号即 为噪声 显然 噪声是针对有用信号而言的 一个信号在某种场合是有用信号 而在另一种场合即 有可能成为噪声 噪声是影响通信系统性能的主要因素 1 3 6 噪声的分类噪声的分类 噪声可以来自通信系统的内部或外部 根据其产生的原因 可以将噪声分为四类 1 热噪声热噪声 由导体中的电子热运动造成的 它存在于所有的电子设备和传输介质中 且 是温度的函数 热噪声是无法消除的 因此通信系统的性能有上限 热噪声均匀分布在整个频率范围内 类似于光学中白色光的光谱 它包含所有可见光光谱 故称为白噪声 2 互调噪声互调噪声 当不同频率的信号共享同一传输介质时 可能会产生互调噪声 即产生了 额外的信号 这是由于通信系统的非线性因素引起的 在频率相加或相减的位置产生 3 串扰串扰 载有多路信号的相邻电缆之间发生电耦合造成的 例如电话串线 上述噪声都是可以预测的 并且有比较固定的幅度 在设计通信系统时有可能妥善处理这 些问题 4 冲击噪声冲击噪声 无规律的 突发的噪声信号 多数来自系统外部 1 3 7 干扰干扰 干扰干扰指来自通信系统内 外部的噪声对接收信号所造成的骚扰或破坏 干扰是一种电信号 是一种由噪声引起的对通信产生不良影响的效应 但并不是所有的噪 声都会产生干扰 可以采取措施降低干扰的影响 称为抗干扰抗干扰 设备的抗干扰能力成为衡量设备性能的主要 指标之一 数据通信原理讲义 计算机网络技术专业使用 7 第二讲第二讲 信道和传输介质信道和传输介质 基本要求 信道的概念 了解传输介质的分类 熟悉双绞线的概念及相关标准 了解同轴电缆 掌握光纤的工作原理 了解无线传输介质 熟悉影响信道传输性能的因素 掌握信息的度量单位 掌握信道容量的计算方法 2 1 信道的概念信道的概念 所谓信道信道就是信息传输的通道 信号必须依靠传输介质进行传输 故狭义上说 就把传输介质称为信道 但实际上信号的 传输要经过传输设备 因此 把包含传输设备在内的整个信号传输的通道称为广义上的信道 2 2 传输介质传输介质 传输介质传输介质是指可以传播电磁波的物质 主要分为有线介质和无线介质 2 2 1 有线介质有线介质 有线介质又称为导向介质 常见的有线介质有双绞线 同轴电缆 光纤 1 双绞线 Twisted Pair 1 双绞线简介 双绞线双绞线又称为双扭线 是由若干对且每对有两条相互绝缘的铜导线按一定规则绞合而成的 这种绞合结构是为了减少相邻线对间的电磁波干扰 串扰 为进一步加强抗干扰能力 还可在 双绞线外层加上金属丝编织的屏蔽层 加了屏蔽层的称为 STP Shield Twisted Pair 未 加屏蔽层的称为 UTP Unshield Twisted Pair 双绞线即可传模拟信号 又可以传数字信号 导线越粗 通信距离越远 数据通信原理讲义 计算机网络技术专业使用 8 UTP 双绞线 RJ 45 接口 RJ 45 水晶头 2 双绞线标准 目前制定双绞线标准的主要组织是 EIA1 Electronic Industries Association 美国电子 工业协会 TIA Telecommunications Industries Association 美国通信工业协会 EIA 主 要制定有关接口电缆特性的标准 例如 RS 232 TIA 专门制定通信配线及架构方面的标准 CCIA Computer Communication Industry Association 美国计算机通信行业协会 1985 年要 求 EIA TIA 制定有关建筑物综合布线方面的标准 1991 年 7 月 EIA TIA568 被制定出来 1995 年 8 月 被修订为 TIA BIA568A 它正式规定了综合布线系统的线缆与相关组成部件的物 理和电气标准 即商用大厦电信布线标准 随着更高性能产品的出现和市场应用需要的改变 EIA TIA 发布了许多技术公告 TSB 并着手修订 568 A 为 568 B 故 568 B 是 568 A 的升级 其中包含了六类线缆标准 在实际的布线施工中 两种标准的线序不同 线序 12345678 568 A 标准线序绿白绿橙白蓝蓝白橙棕白棕 568 B 标准线序橙白橙绿白蓝蓝白绿棕白棕 3 双绞线的分类 EIA TIA 将双绞线分为以下几类 名称传输频率传输速率主要用途 一类线主要用于传输语音 不能传输数据 二类线 1MHZ4Mbps 4Mbps 的令牌环网 三类线 16MHZ10Mbps10BASE T 四类线 20MHZ16Mbps 10Mbps 令牌环网 五类线 100MHZ10Mbps 10BASE T 与 100BASE T 超五类 100MHZ1000Mbps 衰减 串扰 延时小 性能高 与五类 比 六类 250MHZ1000Mbps 改善了回波损耗 串扰 与超五类比 在双绞线产品家族中 主要的品牌有安普 西蒙 朗讯 丽特 IBM 等 2 同轴电缆 同轴电缆分为基带同轴电缆基带同轴电缆 特征阻抗 50 传输速率可达 10Mbps 100Mbps 宽带同轴宽带同轴 电缆电缆 特征阻抗 75 常用于传输闭路电视信号 其中 50 同轴电缆又分为粗缆与细缆 粗缆粗缆 特征阻抗 50 直径 1cm 细缆细缆 特征阻抗 50 直径 0 5cm 同轴电缆的优点是传输距离较远 覆盖的地域范围较大 技术非常成熟 但其缺点也是非常明显的 电缆硬 折曲困难 重量重 在局域网常使用同轴电缆 但不 适合用于楼宇内的结构化布线 现在较少使用 3 光纤 光纤光纤是一种能引导光束的细 2 125 m 且柔软的介质 各种玻璃都能制造光纤 例如塑料 1 TIA 是从 EIA 中独立出来的 现与 EIA 是合作伙伴关系 数据通信原理讲义 计算机网络技术专业使用 9 纯硅 2等 常见宣传口号是 光纤无铜 偷也没用 1 光纤的组成 光纤由纤芯 包层 护套等组成 2 光纤的工作原理 光的反射定律光的反射定律 反射角 入射角 光的折射定律光的折射定律 N1sin N2sin 为入射角 为折射角 N1 N2为两种物质的折射率 1 2 1 2 若 N1 N2 则必 当 N1 与 N2比值大到一定程度 可使反射角 90 光线被全 2 1 2 部反射 故称全反射 光纤的工作就是基于光的全反射原理光纤的工作就是基于光的全反射原理 来自光源的光进入光纤的纤芯 角度较小的光束被 反射 沿着光纤传播 其它的光束被涂覆材料吸收 可以从各个不同角度入射 光线在同一光 纤中同时传播 称这种光纤为多模光纤多模光纤 入射角 折射角 包层 纤芯 涂覆层 a 折射角大于入射角 b 光波在纤芯中传播 涂覆层 包层 纤芯 62 5 m 0 0063cm 125 m 0 0124cm 250 m 0 025cm c 62 5 125 m渐变增强型多模光纤 图2 57 多模光纤 存在的问题 从不同角度入射的光 其在传播中的路径不同 因此穿过光纤所需的时间不 同 限制了正确接收数据的速率 也就是说 在两个光脉冲间要留有时间的间隔 因此传输速 率受到限制 将纤芯的半径减小 能被反射的光角度变小 小到只能通过一个角度或模式的光 称为轴 心光线 这样的光纤是单模光纤 单模光纤单模光纤性能卓越 单模光纤与多模光纤比较表 项目单模多模 传输距离长短 速率高低 光纤源激光发光二极管 信号衰减小大 端接较难较易 2 纯硅光纤损耗小 塑料的最便宜 数据通信原理讲义 计算机网络技术专业使用 10 造价高低 光纤通信的频谱范围 1014 1015HZ 常见的光源有 LED 发光二极管和 ILD 注入激光二极管 常用的光波波长 在光纤通信中 光的最佳传输有三个波长 850nm 1300nm 和 1550nm 波长越大 传输损耗越低 传输距离越长 所谓波分复用波分复用是指多束不同频率的光束在同一光纤上传送 传输速率可达 80Gbps 3 光缆 将光纤与加强芯 填充物 包带层等装在护套中成为光缆 光缆的优点为传输速率高 传输距离远 传输损耗低 抗干扰能力强 光缆的缺点是价格相对较高 安装比较困难 光缆适合于楼宇内部的结构化布线 外护套 图2 59 四芯光缆剖面示意图 包带层 光纤及其包层 填充物 加强芯 远供电源线 四芯光缆剖面图 4 影响导向介质传输性能的主要因素 1 衰减 电磁信号沿任何介质传输时 总会有削弱 距离越大削弱越严重 这称为衰减 频率越高 信号的衰减也越严重 衰减造成信号的损伤 称为衰减失真 2 延迟 信号的不同频率成分在介质中传输速度不同 造成信号的损伤称为延迟失真 3 噪声 因此 传输系统的设计必须考虑以下问题 必须保证收到的信号有足够的强度 以便信号接收电路能检测到并且能正确解释信号 信号电平必须比噪声高出足够多 以保证接收无错误 2 2 2 无线介质无线介质 无线介质无线介质又称为非导向型介质 使用电磁波作为信号载体 信号的发送和接收都使用天线 天线有两种基本结构天线有两种基本结构 定向结构 发射无线发射一束集中的电磁波波束 发射与接收有方 向性 全向结构 发射信号在各个方向上传播 并被许多天线所接收 为了合理 充分地利用无线电频率资源 根据频率的不同 将电磁波分为 9 大波段 频率 分 别应用于不同场合 频率越高 方向性越好 频率名称频率范围 Hz波长范围波段名称主要用途 数据通信原理讲义 计算机网络技术专业使用 11 VF 音频 103 105m VLF 甚低频 104104m 甚长波同轴 LF 低频 105103m 长波AM 广播 MF 中频 106102m 中波广播 HF 高频 10710m 短波业余无线电 广播 军用 VHF 甚高频 1081m 超短波电视 UHF 特高频 1090 1m 电视 SHF 超高频 101010 2m 101110 3m 微波 地面与卫星通信 1012 101410 4 10 5红外线 紫外线 EHF 极高频 1014 101510 5 10 6可见光 在我们讨论的无线传输中 重点关注三个频段 2 40GHz 微波 适用于点到点传输 300M 1GHz 无线电 适合于全向应用 3 1011 3 1014Hz 红外区 适用于本地点到点应用 室内 1 微波微波 微波分为地面微波与卫星微波两大类 1 地面微波地面微波 常用的地面微波频率范围在 2 40GHz 最常见的地面微波天线是抛物面形 位置固定 以 使一束电磁波沿视线方向传到接收天线处 收 发天线应位于高处 无障碍阻挡 可以通过微 波中继实现长距离传输 地面微波主要用于长距离通信 10GHz 以上受降雨影响大 地面微波通信的优点地面微波通信的优点是通信信道的容量很大 受外界干扰影响比较小 传输质量较高 投 资少 见效快 地面微波通信的缺点是地面微波通信的缺点是相邻站之间必须直视 不能有障碍物 微波的传播有时也会受到恶 劣气候的影响 同时 与电缆通信系统相比较 微波通信的隐蔽性和保密性较差 对大量中继 站的使用和维护 要耗费一定的人力和物力 2 卫星微波卫星微波 一个通信卫星实际上是一个微波中继站 卫星在一个频带上接收传输信号 上行链路 又 在另一个频带 下行链路 上传递 适合的频率范围是 1 10GHz 常用的卫星微波频段有 C 波 段和 C C 波段 波段 上行链路 5 925 6 425GHz 下行链路 7 2 7 7GHz 又称 4 6GHz 波段 是 1 10GHz 范围内最佳区域 已饱和 因此 又开发了 12 14GHz 波段 采用上行链路 14 14 5GHz 下行 11 7 12 2GHz 但该波 段衰减大 为怕该波段饱和 还计划使用 19 29GHz 波段 上行 27 5 31GHz 下行 17 7 21 2GHz 衰 减更大 卫星微波波段的主要应用是电视 长途电话以及商业网络 卫星微波通信的最大特点是通信距离远 且通信费用与通信距离无关 但卫星微波通信延 迟大 有 0 25S 传播延迟 2 无线电无线电 无线电主要应用于移动电话系统 我们常说的 G 网 频段位于 900MHZ 和 1800MHZ 处 3 红外线红外线 红外线的特点是必须视距内直线传输 或通过浅色表面反射 不能穿透墙壁 它的使用不 须要得到频率分配许可 4 影响非导向介质传输性能的主要因素 1 自由空间损耗 随着距离的增大 信号逐渐扩散开来 3 因此 接收到的能量减小 数据通信原理讲义 计算机网络技术专业使用 12 这是卫星通信信号的主要衰减形式 2 大气吸收 例如水蒸气主要吸收频率在 22GHZ 附近信号 而氧主要吸收频率 60GHZ 的信号 3 多径效应 所谓多径效应指信号从发点到收点经多条反射路径造成干扰 4 折射 无线电波在大气层中传送会产生折射 影响接收 5 热噪声 白噪声是不可避免的 2 3 信道的频率特性信道的频率特性 2 3 1 信号的带宽信号的带宽 1 3 4 中介绍了信号的频带的概念 此处再次做一回顾 正弦波可以写作 S t Asin 2t 其中 A 表示幅度 表示频率 表示相位 f f 而实际的电磁波由多种不同的成分的频率组成 通过将足够的正弦信号加起来 其中每个正弦 信号都具有适当的振幅 频率和任意的相位 就可以构成电磁信号 换句话说 任何电磁信号 都可以表示为不同振幅频率和相位的周期性模拟信号 正弦波 组成的集合 即电磁信号包含多 个频率分量 信号的频带频带是信号所含频率的范围 许多信号具有无限大的带宽 然而大部分能量包含在 一个想度较窄的频率范围内 称为有效带宽有效带宽或带宽带宽 2 3 2 信道的带宽信道的带宽 信道对信号传输的影响主要表现在两方面 不同频率的信号幅度衰减不同 频率越高 幅度衰减越大 这称为信道的幅频特性幅频特性 不同频率的信号延迟不同 这称为相频特性相频特性 上述特性统称为信道的频响特性 但多数情况下 较为关注幅频特性 将信号幅值与频率 变化的关系绘成曲线 称为频响曲线频响曲线 频响曲线 多数信道的频响曲线为带通型 即信道对某一频率段的信号幅度影响不大 且基本一致 而对大于或小于该频率段的信号影响大 且逐渐衰减到 0 以输出信号幅度最大值为标准 定 义输出幅值下降到 70 时所对应的两个频率间的频带叫信道的通频带通频带 频率小的叫下截止频率 另一端为上截止频率 信道的带宽信道的带宽是指信道中传输的信号在不失真的情况下所占用的频率范围 即信道的通频带 3 频率高则扩散小 数据通信原理讲义 计算机网络技术专业使用 13 单位用赫兹 Hz 表示 信道带宽是由信道的物理特性所决定的 例如 电话线路的频率范围在 300 3400Hz 则 它的带宽范围也在 300 3400Hz 由于人类对 300Hz 3400Hz 范围内话音教敏感 能辨别 所以将具有 3 1KHZ 通频带的信道 称为话音级信道 话音级信道 2 4 信道的容量信道的容量 2 4 1 信息量的概念信息量的概念 能衡量信息多少的物质物理量叫信息量信息量 信息如何度量 这就涉及到对信息的准确定义 例如 如果定义信息是事物的运动状态 那么事物状态的丰富程度则为信息度量的基本参 数 如果把信息定义为结构的表达 则结构的差异 复杂性成为度量信息的基本参数 因此 衡量 人被狗咬 与 狗被人咬 的信息量的方法 从不同的角度 会得来不同的 结果 在通信领域 信息量指的是将信息用符号表示后符号的数量在通信领域 信息量指的是将信息用符号表示后符号的数量 在计算机中 信息通常由二 进制符号表示 其单位为比特 bit 也可以用其它进制的符号数量单位表示信息量 例如十进制单位称哈特莱 e 指数 单位 称奈特 nit 均很少用 2 4 2 信息的传输速率信息的传输速率 1 码元的概念 在信息的传输过程中 信息是以各种具体的电信号或光信号形式体现的 信号是信息的物 理表现形式 其单位是码元码元 码元是最小的传输单元 每个码元所承载的信息量依通信系统的定义而不同 每码元携带的信息量 I log2N N 不同信号的数目 单位是比特 例如 系统中一共传送 2 种信号 则每信号携带 1bit 信息 若系统中传送 4 种信号 则 每个信号可承载 2bit 信息 2 比特率 信息必须经过信道才能传输 单位时间内信道上所能传输的最大的信息数量称为信道的容单位时间内信道上所能传输的最大的信息数量称为信道的容 量量 用比特率表示 单位是 bit s 记为 bps 3 波特率 由于系统中实际传送的是信号 故有时也会用码元的传输速率来表示信道的传输水平 称 为码元传输速率 又称为码元速率码元速率或调制速率调制速率 即波特率 单位用波特波特表示 记为 Baud 信息的传输速率信息的传输速率 R Rb b I I R RB B 其中 Rb为比特率 RB为波特率 I 为每码元携带的信息量 4 波特率与比特率的关系 比特率是信息的传输速率 又称为传信速率 单位为 比特 秒 波特率是码元的传输 速率 单位为 波特 若 1 个码元只携带 1 比特的信息量 则 比特 秒 和 波特 在数值上相等 若 1 个码元携带 n 比特的信息量 则 M 波特的码元传输速率所对应的信息传输速率为 M n 比特 秒 5 例题 设信号码元的时间长度为 833 10 6秒 当采用 4 电平传输时 求信息的传输速 数据通信原理讲义 计算机网络技术专业使用 14 率和信号的传输速率 解 信号的传输速率 1 833 10 6 1200 Baud 信息的传输速率 1200 log24 2400bps 2 4 3 奈奎斯特公式奈奎斯特公式 为了提高信号的传输效率 我们总是希望在一定的时间内能传输尽可能的码元 然而 即 使信道比较理想 码元的传输也不是不受限制的 1924 年奈奎斯特 Nyquist 推导出在理想低 通 4信道下最高码元传输速率 2W Baud 其中 W 为理想低通信道的带宽 单位为 Hz 该公式 称为奈奎斯特公式奈奎斯特公式 又称奈氏准则 奈氏准则的另一种表达 每赫兹带宽的理想低通信道的最高码元传输速率是每秒 2 码元 如码元的传输速率超过了奈氏准则所给出的数值 则码元之间会相互干扰 以至于接收方不能 正确识别码元 对于具有理想带通矩形 5特性的信道 设其带宽为 W 则奈氏准则变为 最高码元传输速 率 W Baud 其中 W 为理想带通信道的带宽 单位为 Hz 换句话说 每赫带宽的理想带通信 道的最高码元传输速率是每秒 1 个码元 2 4 4 香农公式香农公式 信号在信道中传送 造成信号损伤的主要因素是干扰及信道的频响特性 1948 年 香农 Shannon 用信息论的理论推导出了带宽受限 且具有高斯白噪声干扰的信 道的极限信息传输速率 当用该速率进行传输时 可以做到不产生差错 香农公式香农公式的数学表达 式为 C W log2 1 S N bps 其中 W 为信道的带宽 以 Hz 为单位 S 为信道内所传信号的平均功率 N 为信道内 部的高斯噪声功率 香农公式表明 信道的带宽或信道中信噪比越大 则信息的极限传输速率比较高 即只要 信息传输速率低于信道的极限传输速率 就一定可以找到一种方法 实现无差错传输 不过 香农公式并未指明具体的实现方法 S N 称为信噪比 是信号功率与噪声功率的比值 常用分贝表示 单位是 dB 分贝值与十 进制信噪比值的关系为 S N dB 10 10S N 例如 信噪比为 30dB 求 S N 的十进制的值 解 30 10 10S N 10S N 3 S N 1000 香农公式中香农公式中 S NS N 的值不是的值不是 dBdB 的值的值 香农公式的含义 1 信道的带宽或信道中的信噪比越大 则信息的极限传输速率就越高 2 只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率 就一定可以找到某种办法来实现无 差错的传输 3 虽然带宽与最大传输速率成正比 但当带宽 W 时 速率 C 也不会趋于 而是有 C 1 44S N0 其中 N0表示噪声功率谱密度 它与噪声功率 N 的关系是 带宽 W N0 N 4 理想低通信道是不超过某上限值的频率分量都能通过信道 5 理想带通信道是频率介于上下限之间的分量均能通过的信道 数据通信原理讲义 计算机网络技术专业使用 15 4 实际信道上能够达到的信息传输速率要比香农的极限传输速率低不少 2 4 5 小结小结 1 由于码元的传输速率受奈氏准则制约 故要提高信息的传输速率 就必须设法使每个 码元携带更多比特的信息量 2 由香农公式可知 带宽与信噪比确定的信道 无论采取何种先进的编码技术 信息的 传输速率也不能超过极限值 数据通信原理讲义 计算机网络技术专业使用 16 第三讲第三讲 模拟信号的数字化模拟信号的数字化 基本要求 熟悉数字通信系统的优点 掌握脉冲编码调制的工作过程 掌握低通抽样定理 掌握量化的基本方法 熟悉编码方法 熟悉非线性 PCM 的工作过程 了解增量调制的概念 3 1 模拟通信系统与数字通信系统模拟通信系统与数字通信系统 按信道中传输的是模拟信号通是数字信号 可以把通信系统分为模拟通信系统和数字系统 3 1 1 数字通信与模拟通信的比较数字通信与模拟通信的比较 与模拟通信系统相比 数字通信系统有以下优点 1 数字传输干扰能力强 尤其在中继时 数字信号可以再生而消除噪声的积累 而模拟 信号会把噪声干扰和信号一起放大 增大噪声干扰 2 传输中的差错可以设先控制 不但可以发现 而且可以改正 因而大大提高了传输的 质量 3 便于同计算机连接 采用现代计算机技术对数字信号进行处理 以便实现通信现代化 自动化 4 数字信号易于加密 且保密性强 5 集成电路技术成熟 数字设备越来越易于制造 且成本低 体积小 可靠性高 6 数字通信可以传输种类更多的消息 通信更灵活 数字通信系统的缺点是 比模拟信道占据更大的带宽 综上所述 数字通信是未来的发展方向 3 1 2 信源编码信源编码 但如果发端产生 收端识别的都是模拟信号 如语音 则在发端要有一个将模拟信号变成 数字信号的过程 在收端要有将数字信号转换回模拟信号的过程 将模拟信号转换为数字信号的过程称为模拟信号数字化 属于信源编码信源编码的范畴 信源编码有两个作用 1 把信源消息的冗余信息去掉 降低数字信号的数据量 提高传输的有效性 2 把信源发出的模拟信号转换为离散的数字信号 实现模拟信号数字化 数据通信原理讲义 计算机网络技术专业使用 17 3 2 脉冲编码调制脉冲编码调制 脉冲编码调制脉冲编码调制 Palse Code Modulation PCM 是模拟信号数字化的主要方法 PCM 技术的 典型应用是语音数字化 语音 图像信息必须数字化才能经计算机处理 PCMPCM 的的过程可以分为抽样 量化 编码三个步骤 过程可以分为抽样 量化 编码三个步骤 所谓抽样抽样 是把模拟信号在时间上离散化 变为脉冲幅度调制 PAM 信号 量化量化是把 PAM 信号在幅度上离散化 变为量化值 共有 N 个量化值 编码编码是用二进码来表示 N 个量化值 此时通信系统可以变成下图 3 2 1 抽样抽样 1 抽样的概念 抽样是指对模拟信号在时间域上的离散化过程 即把一个时间上连续 幅度上也连续的模 拟信号变换成时间上离散 幅度上连续的信号 抽样是由抽样门来完成的 抽样门 2 抽样定理抽样定理 为保证能从离散信号中恢复出原始信号 就要对抽样做相关规定 1 低通抽样定理 对频带为 0 fm 的模拟信号 其抽样频率 fs 必须满足下列条件 fs 2 fm 由于要留有一定宽度的防卫带 实际上 fs 2 fm 2 奈奎斯特间隔 所谓奈奎斯特间隔奈奎斯特间隔就是能唯一确定信号 f t 的最大抽样间隔 奈奎斯特速率奈奎斯特速率是能够唯一确定信号 f t 的最小抽样频率 因此 奈奎斯特间隔 1 2fm 奈奎斯特速率 2fm 数据通信原理讲义 计算机网络技术专业使用 18 抽样过程 3 话音信号的抽样频率 话音信号的频率范围是 300 3400Hz 抽样频率最小应为 2fm 6800Hz 为防止频谱重叠要 留一定的防卫带 同时又便于计算 CCITT6规定话音信号抽样频率为 8000Hz 即防卫带为 1200Hz 抽样时间 周期 1 8000Hz 125 s 4 带通抽样定理带通抽样定理 设信号频带宽度为只要 0 当抽样频率满足 LH ffB L f 2 1 2 1 S f LH ff N M B N M 其中 N 为不超过的最大整数 则可以保证原始带通信号 m t 完全H B f M H B fH 由样值信号 S t 确定 3 2 2 量化量化 1 量化的概念 量化量化就是把幅度连续变化的样值变为取值有限的离散样值 模拟信号经过抽样后 成为时间上离散 幅度上连续的抽样信号 但仍不能直接在数字通 信信道中传输 因为抽样信号经过一个有噪声的信道传输时 信道中的噪声叠加在抽样值上 故接收端不能精确地判断抽样值的大小 噪声叠加在抽样值上的影响不能消除噪声叠加在抽样值上的影响不能消除 在远距离传输 时 噪声还会不断积累 为了消除噪声积累 并使抽样值易于表示 故要进行量化 为了消除噪声积累 并使抽样值易于表示 故要进行量化 量化的基本含义 把幅度划分为若干个区间 取该区间预先规定的某个参考电平作为信号 值 这里所说的区间在专业术语上称为量化层量化层或量化级量化级 6 CCITT 是国际电报电话咨询委员会 是现在国际电信联盟 ITU T 的前身 数据通信原理讲义 计算机网络技术专业使用 19 量化原理图 可见 量化后的信号 Xq t 是对原来信号 Xs t 的近似 当抽样速率一定时 量化级数越多 Xq t 与 Xs t 越愈接近 Xq KT 与 Xs KT 之间的差称为量化误差量化误差 量化级数越多 量化误差就越小 Xq t 与 Xs t 的近似程度就越高 量化间隔越小 需要的量化级越多 处理和传输就越复杂 所以 量化既要尽量减小量化 级数又要使量化失真看不出来 量化误差于噪声一样 导致信号的失真 但量化误差与噪声有本质区别 它是由输入信号 求出 而噪声信号与输入信号间无此关系 但量化失真在信号中的表现类似于噪声 所以也被 称为量化噪声 并用信噪比来衡量 2 两种量化方式 常用的量化方式有均匀量化和非均匀量化两种 1 均匀量化 均匀量化均匀量化是采用均匀的量化级进行量化的方法 又称为线性量化 均匀量化实现容易 但缺点明显 大信号时信噪比大 但小信号时 信噪比不足 均匀量 化适合信号是均匀分布 如图像信号 的情况 2 非均匀量化 如果使小信号时量化级间宽度小些 而大信号时量化级间宽度大些 就可使小信号时和大 信号时的信噪比趋于一致 这种非均匀量化级的安排称为非均匀量化非均匀量化或非线性量化 数据通信原理讲义 计算机网络技术专业使用 20 数字电视 语音均采用非均匀量化 3 2 3 编码编码 1 编码的概念 经过量化后的信号虽然是数字信号 但这种信号并不适于直接用于传输 必须对它们进行 编码 使其成为更使于传输的数字信号 所谓编码编码是指用一组二进制代码来表示量化的大小 若量化电平总数为 Q 则二进制编码位数应大于或等于 2Q 才能保证编码不重复 为了 提高编码效率 一般取 Q n 为编码位数 n 2 2 编码的方法 1 自然二进码 自然二进码自然二进码直接将量化级别用二进制表示 简单 直观 2 折叠二进码 折叠二进码折叠二进码是由自然二进码演变而来的 上半部分最高位为 0 其余位由下而上按自然二进码规则编码 下半部分最高位为 1 其余位由上而下按自然二进码规则编码 除去最高位 折叠二进码的上半部分与下半部分呈倒影关系 与信号的量化电平结合起来看 最高位表示信号极性 其余位是信号的绝对值 适合表示 双极性的信号 用第一位表示极性后 可仅对一半信号级采取单极性的编码方法 因此可以简 化编码过程 折叠二进码对小信号误码的影响小 例如 大信号 1111 0111 对自然二进制码解码后误差为 8 个量化级 但折叠码为 15 个 量化级的误差 因此 对大信号误码影响大 但若为小信号 1000 0000 仅一个量化级的误 差 这种特性对语音信号十分有利 故语音信号在 PCM 系统中大多采用折叠二进码 3 反射二进码 格雷码 码距码距 相邻两个代码的对应码位取不同的码符的位数 自然二进制码码距为 4 折叠码码距为 3 反射二进码为 1 反射二进码反射二进码的编码方法 相邻的两组代码码距均为 1 从 0000 开始 由低位到高位每次只变一个码符 且只当后面那位代码不能变时 才能 变前面一位码 反射二进码的优势是错码引起的误差小于自然二进码和折叠二进码 常见编码的比较表 样值脉冲极性量化级自然二进码折叠二进码格雷码 15111111111000 14111011101001 13110111011011 12110011001010 11101110111110 10101010101111 9100110011101 正极性部分 8100010001100 7011100000100 6011000010101 5010100100111 负极性部分 4010000110110 数据通信原理讲义 计算机网络技术专业使用 21 3001101000010 2001001010011 1000101100001 0000001110000 3 3 非线性非线性 PCM 为了保证量化信噪比和信号输入动态范围 语言编码采用非均匀量化再编码 称为非线性非线性 PCMPCM 编码编码 非线性 PCM 编码的基本思想为 先把模拟信号抽样值进行压缩 使小信号放大 大信号缩 小 然后再均匀量化编码 实质上是对大幅度的样值使用大的量化间隔 小幅度的样值取小的 量化间隔 接收端再相反处理 这种技术称为压缩扩张技术压缩扩张技术 目前国际上广泛采用的两种对数压缩律是 律 255 和 A 86 7 律 美国采用 压缩律 我国和欧洲各国均采用 A 压缩律 在实现上利用数字电路完成 13 折线 A 律 2 13 折线 A 律的原理 13 折线 A 律原理 X 为输入信号 Y 为输出信号 X 在 0 1 区间以递减间隔 不均匀分为 8 个段落 Y 在 0 1 区间以为间隔均匀分 n 2 1 8 1 为 8 个段落 使 X 与 Y 对应 则在第一象限中可作 8 条线段 X 与 Y 在 1 0 的第三象限中 也如此操作 得出 8 条线段 与第一象限中的 8 条线段以原点为奇对称 合起来共有 16 个线 段 由于正向一 二两段和负向一 二两段的斜率相同 这四段实际上为一条直线 因此 正 负双向的折线总共由 13 条 故称其为 13 折线 若在 Y 轴 0 1 区间内 将每段再均分成 16 等分 与其对应的 X 轴 0 1 区间内的每段也 得到 16 个均匀的量化级 虽然各段内的 16 个量化级是均匀的 但因段落长度不等 故不同段 数据通信原理讲义 计算机网络技术专业使用 22 落间的量化级是非均匀的 输入信号小时 段落短 量化级间隔小 反之 量化间隔大 在 13 折线 A 律中 最小量化间隔为 最大量化间隔为 128 1 16 1 2048 1 2 1 16 1 32 1 它是最小量化间隔的 64 倍 总共有 128 个量化级 在均匀量化的情况下 若要达到最小量化间隔 需要 2048 个量化级 即需要 11 个二进制 码位来实现传输 现在达到相同的信噪比 换句话说 达到相同的通话质量 采用非均匀量化 只要 128 个量化级 即 7 个二进制码位即可以实现编码 3 13 折线 A 律编码 13 折线 A 律的编码方法是 极性码 1 位加段落码 3 位再加段内码 4 位 自然二进制编码 共 8 位码 实际上可用数字电路实现 译码是编码的反过程 3 4 增量调制增量调制 PCM 系统中每个量化值用一个码字表示 码长越大 可表示的量化级数越多 但编码解码 设备就越复杂 增量调调制采用一种更为简单的方法完成信号的模数转换 定义一个增量 M 用 1 表示正增量 代表向上增加一个 M 用 0 表示负增量 代表向下 减一个 M 当 M 取值合理时 则可用一个 0 1 数字序列表示信号的变化 即对信 号只用一位二进制编码即可 这个过程称为增量调制增量调制 增量调制的优点是 在比特率比较低的场合 量化信噪比高于 PCM 抗误码性能好 设备 简单 制造容易 但当信号频率过高 或者说信号斜率陡变时 会出现本地译码器信号跟不上信号变化的现 象 称为 过载 数据通信原理讲义 计算机网络技术专业使用 23 第四讲第四讲 数字信号的基带传输数字信号的基带传输 基本要求 掌握基带信号的概念 掌握数字基带信号的相关概念 了解码型选择应遵循的原则 熟悉 NRZ 码 掌握曼彻斯特编码的方法和特点 掌握 4B 5B 码的编码的方法和特点 熟悉 8B 6T 码的编码方法和特点 了解码间串扰的概念和奈奎斯特第一准则 了解扰码和解扰的原理和作用 4 1 码型编码码型编码 4 1 1 码型的概念码型的概念 1 数字基带信号 数字通信系统中传输的是数字信号 最常见的数字信号是由 1 0 所形成二进制电脉冲序 列 称为数字基带信号数字基带信号 其特点是 占据从直流开始的低频频带 未经过调制 2 码型 数字基带信号以电脉冲的形式出现 电脉冲的存在形式称为码型电脉冲的存在形式称为码型 把数字信号的电脉冲表 示过程称为码型编码码型编码或码型变换 由码型还完成原来的数字信号的过程称为码型译码码型译码 在有线信道中传输数字基带信号 称为线路传输码型线路传输码型 3 选择码型应遵循的原则 1 对于传输频带低端受限的信道 线路传输码型的频谱中应该不含直流分量 2 信号的抗噪声干扰能力强 产生误码时 在译码中产生的误码扩散的影响小 3 便于从信号中提取定时信息和位同步信息 4 码型应与信源的统计特性无关 5 尽量减少基带信号频谱中高频分量 以节省传输频带 并减小串扰 6 编译码的设备应尽量简单 易于实现 4 1 2 码型编码码型编码 只有两个取值的脉冲序列的码型就是二元码 最简单的二元码基带信号波形为矩形波 幅 度只有两种取值 电平 分别对应于二进制的 1 和 0 有三个取值的脉冲序列是三元码 有 三个以上取值的脉冲序列是多元码 1 单极性不归零码单极性不归零码 Non RETurn to Zero NRZ 单极性不归零码用高电平表示 1 0 电平表示 0 数据通信原理讲义 计算机网络技术专业使用 24 单极性不归零码的优点是实现简单 但缺点十分明显 它包含直流分量 在出现连续的 1 与 0 时 难以确定码元位置 同时 不能确定收发双方何时开始与结束 类似的还有双极性不归零码 用正电平表示 1 负电平表示 0 2 双极性码双极性码 双极性码用正负电平分别表示 1 与 0 其特点与单极性码相似 3 差分码差分码 Non Return to Zero Invert on ones NRZI 用电平的跳变来表示 1 不跳变表示 0 称为传号差分码传号差分码 反之 用电平跳变表示 0 不跳变表示 1 称为空号差分码空号差分码 差分码用电平的相对变化来传输信息 减少了噪声和失真的影响 易于电路实现 避免误 判 但并未解决不归零码出现的问题 4 曼彻斯特编码曼彻斯特编码 曼彻斯特编码 Manchester 又称为数字双相码 其编码原则为 前 T 2 取反码 后 T 2 取原码 则每一个码元中心有一个跳变 换句话说 10 表示 0 01 表示 1 即高到低的跳 变表示 0 低到高的跳变表示 1 跳变既表示编码 又表示接收端时钟 便于收发同步 曼彻斯特编码的优点 1 双方易于同步 根据编码自带的 时钟 信号来保持同步 2 成本低 无直流分量 其缺点为编码效率较低 需要的编码时钟信号频率是发送信息频率的 2 倍 即发 2 个信号 才表示一个信息 曼彻斯特编码主要用