数据通信-2章-数字通信基础

1、数据通信与网络基础第二章关于数据通信2. 1数据通信的概念数抑:通信：是计算机Z间传输二进制代码比特序列的过程，该过程将计算 感默鶴襯潴裁号的组合、语音、图形、图像等数据U进制 信源、信帘和信道：发谨最初信号的站点（也称为节点）叫信源，最终接 收信号的站点叫信宿，信号所经过的通路称为恬道。悟拟数据：连续的量。一组特定的数据点，且它们Z间能取所有町能的数 据。数字数据：离散的塑。 组特定的数据点，但它们2间没有其他的数抑;。仃必 在通傅领域屮，把通信线路qullM的代衣数据的取压.电迩或者其 他杨理蚩的交化叫做信号，乂际上亡是数据Mj电子或虽倉编码形式。 模拟信号：随时间变化而平稳变化的连续波形

2、式。数7伫勺：足离散的，只可以包龛有限数冃的儿个预足值。其随时间迁移 是瞬时发生的，就像开关电灯一梓。周塑偿信号i信号能在-段对测量的时IHJ作周期）内完成一种模式，并在随后同样长短的周期内不断电复这种模it IF周期性信兮：信号没有巫复的模式。数据通信与网络基础第二章关于数据通信重要结论：匕经证明，町以利用傅立叶变换的技术，将出周期 性信号分解成无数个周期件信号的盞加。因此，了解周期件信 号对深刻理解非周期性信号的特点是十分車要的。模拟信号：模拟信号可分为简单模拟信号和复合模拟信号。简 单模拟信号（正弦波）不能被分解为更简单的模拟信号，而复 合的模拟信号却口J以分解为多个简单模拟信号（正弦波

3、）。正弦波的三大要索：振幅（信号的高度）、周期（信号完成一次循环所需要的时间）.频率（相对时间的变化率）。周期单位：单位英文表示等价值秒SIs亳秒ms103s微秒us106s纳秒na109s皮秒PS10,2s2数据通信与网络基础第二章关于数据通信频率的单位：频率用赫兹(Hz )來农示。通信领域用五种单位來计量频率值：单位等值赫兹(Hz)I Hz千赫(KHz)1000 Hz兆赫(MHz)1000,000 Hz千兆赫(GHz)1000,000,000 Hz兆兆赫(THz)1000.000.000.000 Hz时域和频域：我们经常见到的反映振鞘、时间.频率的图是时 域图（振幅-时间图）。为了表现振幅

4、、频率.相位Z间的关 系，可使用频域图（最大振幅“频率图、最大振幅“相位图）数据通信与网络基础第二章关于数据通信复合信号：许多有用的佶号并不是仅仅在最大振幅和最小振幅 Z间变化的简单平滑曲线，它们可以发生跳变.滑动.摆动以 及出现尖峰和低谷。但是，只要这些不规律性在各个波形循环 中是一致的，这个信号就仍然是周期性的，并II.从逻辑上讲应 该使用和描述止弦波样的术语來描述它。实际上，不管多么 复杂的周期信号，都町以分解为一系列旅幅.周期.相位nJ度 最的正弦波的组合形式（可以进行傅立叶分析）。频谱和带宽：信兮的频谱是他所包含的所有频率分量的集介。 信号的带宽是频谱的宽度，即指频率分最的范围（一个

5、信号频 谱是组成该信号的所仃正弦波信号的组合）。4数据通信与网络基础第二章关于数据通信 数字信号：除了口J以用模拟信号表示数据外，还町以用数字信 号來表示数据。例如:inf以被编码为一个正电压值，而0则町 以编码为一个0电压值。比特间隔和比特率：大多数数7信号是非周期性的，因而周期 和频率并不适用。比特间隔是指发送一比特所需要的时间。比 特率是指一秒钟内的比特间隔数。ls=8比特间隔比特率=8 bps10110001数据通信与网络基础第二章关于数据通信2. 2编码与调制当我们将数据由-地传送到另一地时，必须将其转换成信乃。信 号的转换方式依赖于它原始的格式和通信硬件采用的格式。如果你想用烟火信

6、号來发送一个消息，就必须在点火之前知道哪 一弹烟火模式对应你消息中的哪个词。词是信息，而烟火则是信息的 表示。例：一个简单信号本身并不携带更多的信息。信号必须经过处理，以 便包含一些口J识別的变化來表示预期的信息，而这些变化是发、收双 方共知的。现在一般的做法：首先利用ASCII码将信息转变成0、1模式, 然后，为了从一个地方传到另一个地方，数据通常要转换成数字信号： 或者为了英他原因要把模拟信号转成数字信号；或者将数字信号转换 成模拟信1，人 或者将模拟信弓转换成模拟信号（为了长距离传送）。6数据通信与网络基础第二章关于数据通信2. 2编码与调制数据通信与网络基础第二章关于数据通信2. 2编

7、码与调制数字-数字编码数字数字编码类型8数据通信与网络基础第二章关于数据通信2. 2编码与调制单极性编码：单极性编码只使用一个电压值代表二进制的0或 者1 （-般代表的是1） Oo 1 o 01110单极性编码9数据通信与网络基础第二章关于数据通信2. 2编码与调制极化编码：极化编码使用两个电压值代表二进制的0和1 （-般 为一正一负电压）。 常用的有非归零法（NRZ）、归零法 （RZ）以及双札I位法极化编码类型10数据通信与网络基础第二章关于数据通信2. 2编码与调制非归零电平编码（NRNL）：信乃的电压值或止或负，依赖于比特的 状态。数据通信与网络基础第二章关于数据通信2. 2编码与调制归

8、零编码（RZ）：信乃的变化不是发生在比特Z间，而是发生在比特13数据通信与网络基础第二章关于数据通信2. 2编码与调制双极性编码：用3个电平值表示，正、零.负。有三种双极件编码在通 信行业被广泛使用：传号交替反转（AMI）、双极性8连0替换（B8ZS） 3阶高密度双极性（HDB3）。双极性编码类型数据通信与网络基础第二章关于数据通信 双极性传号交替反转编码（AMI）：传号一词是从电报屮借用 的，用來代表1。因此，AMI意味着交替的比特反转。一个中性 的零电平代表二进制0,二进制1山交替的正负电平代表。16数据通信与网络基础第二章关于数据通信双极性8连0替换（B8ZS）:双极性8连0替换编码是用

9、于北美的种约定，在AMI的基础之上,提供对长串连0比特的同步机制。 如果出现连续8个比特0,我们町以根据询导1的极性，采用两种 方式改变比特模式（扰动）。前导比特 的极性前导叱特 的极性扰动扰动B8ZS编码数据通信与网络基础第二章关于数据通信3阶髙密度双极性（HDB3）：该编码是力AMI的基础Z上而产 牛的。如果遇到连续4个0比特，就根据前导1的极性和门上一 次替换后代输的1比特数，以4种方式改变对应的比特模式。在 口本和欧洲使用。0001气000将变换为将变换为丨（）00+EK00A）如果白最近一次料换后比特流中的1数1为奇0000001将变换为将变换为00EIZ00+B）如果白最近次替换后

10、比特流中的1数口为偶HDB3编码数据通信与网络基础课堂练习请分別用曼彻斯特编码/差分曼彻斯特编码将二进制位流1000 0100 的波形liiiiiH.数据通信与网络基础数据通信与网络基础第二章关于数据通信2. 2编码与调制模拟-数字转换在长距离语音債号中，山于鑿上飜需麻蘇窺耦蠢嚥林明攀 翠伴0律的煲号粉科义或质疑的诃提卜（不失貞）2将无穷模拟数字转换脉冲码调制2219数据通信与网络基础第二章关于数据通信2. 2编码与调制模拟数字转换 脉冲振幅调制（PAM）这种技术通过接收模拟信号，对它进行 采样，然后根据采样结果产生一系列脉冲。釆样是指每隔相等 的时间间隔就测量次信号振幅。振幅第二章关于数据通

11、信2. 2编码与调制模拟数字转换脉码调制（PCM）将PAM所产生的采桂结果修改成完全数字 化的信号。它是一种采样保持技术。其过程如卜：脉冲振数据通信与网络基础第二章关丁数据通信2. 2编码与调制+02400011000+0250111 1101+()38(X)l() ()11()-08()1101 0000+ 11()OHO 111()+04800100110-0501011 0010+0900101 1010+0390010 1000+0520011 0110+0880101 1000+026(XX) 1 )01()+ 127()111 111)+077()I(X) 1101使用符号数值进行

12、就化+024+038+0480 00 1 10 0 00 0 1 0 01 1 00 0 1 i 0 00 0数据通信与网络基础第二章关于数据通信2. 2编码与调制模拟数字转换采样频率：对模拟信号的任何数字农示的桔度都取决于采样的 数量。事实上，对于接收设备來说，車现一个模拟怙号只而要 少最（有限）的信息。奈奎斯特定理：采样频率必须至少是最高频率分量频率的两倍。 最高频率= xHz采样频率=2x次/s每个样本多少位：卅我们规定了采样频率后，需要确定每个样 本要发送的比特数。它取决于所盂的楮度。例如，采样一个信 号，每个样本要求至少12级楮度（+0 +5,05） o每个 样本应发送4位。其中一位

13、是符号位，另3位是数值位。3位表 示8级（000 - 111）23数据通信与网络基础第二章关于数据通信模拟一数字转换例：通常语音频率为0-4000Hzo按照奈全斯持怎理，英采样频率应为： 采样频率F=4000X2=8000次/S比特率=采样频率X每个样本的位数=8000X8=64000b/s=64kbps（每个样本用8位）比特率二采样频率X每个样本的位数=8000X7=56000b/s=56kbps（每个样本用7位）所以，在电话线上使用的调制解调器使用的速率-般足56kbps,或64kbps24数据通信与网络基础课堂练习要数字化语音，假定每个样本采用8位, 问比特率是多少？25数据通信与网络基

14、础第二章关于数据通信2.2编码与调制（数字-模拟转换） 数字模拟转换：或数字一模拟调制是基于以数字信号（0、1） 衣示的信息来改变模拟信号特征的过程。比特率.波特率：比特率是每秒发送的吐数。波特率是毎秒 发送的信勺单元数。波特率小于等于比特率。波特率=N比特率=N比特0010100010101110波特率=N比特率=2N双位00101000101011I0波特率=N比特率=3N三位0010100010101110波特率二N比特率=4NW位0010100010101112数据通信与网络基础第二章关于数据通信2.2编码与调制(数字-一模拟)载波信号：在模拟传输中，发送设备产生 个拓频信号作为基 波

15、來承载信息信号，我们称这个基波为载波信乃或载波频率。数字模拟转换内容包括：幅移键控(ASK).频移键控 (FSK).和移键控(PSK) o ASK：通过改变载波信号的强度來表示二进制0或1。哪个电压 代表1,哪个电爪代表0山系统设计者决定。ASK传输技术的缺 点是受噪更影响很人。噪声是抬在传输中由丁别的内索产牛的 热、电磁感应等现象而引起线路中不期望右的电爪值。 ASK所需带宽：BW =(1+d) XNbaud其中：BW是带宽，Nbaud足波特率，d足和线路状况有关的因 子(最小值为0)由此看出：ASK中波特率等于比特率，传输所需的最小带宽等 于波特率。数据通信与网络基础第二章关于数据通信2.

16、 2编码与调制ASK： ASK编码中波特率和带宽的关系公式：BW =(1+d) X NbaudASK中波特率和带宽的关系28数据通信与网络基础第二章关于数据通信2. 2编码与调制 FSK：通过改变信号的频率來衣示二进制0或1。在每个比特持 续时间中信号的频率是一个常数，而I其值依赖于所代表的比 特值（0或1）,振幅、相位都不变。FSK避免了ASK中大多数的 噪声问题，但英受限于载波的物理容最。FSK所需带宽：其带宽频谱是中心频率分别为fco和fci的两个 ASK频谱的组合。公式：BW =（ fci - fcO） + NbaudBW振幅Nbaud/2Nbaud/2频率fcOFSA中波特率和带宽的

17、关烝29PSK所需带宽30数据通信与网络基础第二章关于数据通信2. 2编码与调制 PSK：通过改变载波信号的相位來农示二进制0或1。在改变相 位时，最大振幅和频率都不改变，值依赖于所代农的比特值（0或1） o PSK避免了ASK中的噪声问题,但和FSK样，受限 于载波的物理容量。 PSK所需带宽:振福最小带宽=Nbaudfc -Nbad/2fcfc +Nbad/2频率数据通信与网络基础第二章关于数据通信2. 2编码与调制 PSK：通过改变载波信号的相位來表示二进制0或1。在改变相位时, 最大振幅和频率都不改变，值依赖于所代农的比特值（0或1）o PSK避免了ASK屮的哩声问题.们和FSK样.受

18、限丁载波的物理容 量。一般的PSK编码方式常常被称为2-PSK,或者称为二相位PSK,这是 由于在调制屮使用了两个不同的和位值（0度和180度）比特相位001180数据通信与网络基础第二章关于数拯通信2. 2编码与调制还叮以采用四种信乃变化，每种相位代表两个比特。这种PSK编码 方式常常被称为4-PSK（Q-PSK） o比特相位00001901()18()112704PSK特征图32数据通信与网络基础第二章关于数据通信2. 2编码与调制还可以采用八种信巧变化，每种相位代表三个比特。这种PSK编码 方式常常被称为8-PSKo比特相位0000(X)l4501()90Oil1351001801012

19、25110270in3150104PSK特征图3334数据通信与网络基础第二章关于数据通信2.2编码与调制PSK： PSK编码中所需的带宽，与计算ASK调制所需的最小带宽的原理和 同。注意：尽管在相同的带宽下ASK与PSK调制的最大波特率相同，但 PSK调制的比特率却nJ以是ASK调制的闻倍或更多。振福最小带宽=Nbaudfc -Nbad/2fcfc -Nbad/2频率PSK中波特率和带宽的关系数据通信与网络基础课堂练习1以2000bps的速率传输的4-PSK编码所需的带宽为多少？传 输模式为半双工。2.给出一个10000HZ （从1000到11000）的带宽，画出全双 工传输ASK调制信号的

20、系统图。求出每个方向匕载波频率和带 宽。假设在两个方向的波段之间不存在间隙。35数据通信与网络基础2.1.2数撼编码模拟模拟转换：是用模拟信号来表示模拟信息的一种 技术。模拟到模拟调制可以通过三种方法实现，即调 幅（AM）、调频（FM）、调相（PM） o调幅（AM）：在调幅（AM）传输技术中，对载波信 号进行调制，使振幅根据调制信号振幅的改变而被变 化。调制信号变成了载波信号的一个包络线。调幅的带宽：调幅信号的带宽等于调制信号带宽的两 倍，并且覆盖以载波频率为屮心的频率范围。音频信 号（语音和音乐）的带宽通常为5KHZo因此，一个调 幅无线电台至少需要lOKHz的带宽。事实上，联邦通 信委员会

21、（FCC）为每个条幅台分配的带宽是lOKHz。37数据通信与网络基础2.1.2数据编码调幅无线电台可采用在530-1700KHZ （1.7MHz） Z间 的任何频率作为载波频率。但是，每个电台的载波频 率必须和其他电台的载波频率间隔至少lOKHz （一个 调幅带宽）米防止干扰。见下图：fcfcfcfcfcfcfc数据通信与网络基础2.1.2数撼编码调频（FM ）：在调频（FM）传输技术中，载波信号 的频率随着调制信号电压（振幅）的改变而调整。载 波信号的最人振幅和相位都保持不变，但是当调制信 号的振幅改变时，载波信号的频率相应的会改变。调频的带宽：调频信号的带宽等于调制信号带宽的10 倍，调频

22、信号所需耍的整个带宽可以通过音频信号的 带宽决定：BWt= lOXBWt o在立体声广播里的音频信号（语音和音乐）的带宽人 约是15KHZo因此，每个调频电台最少需要150KHZ带 宽。FCC为每个电台预留了200KHZ的带宽以便于容纳 警戒波段。38数据通信与网络基础第二章关于数据通信2.2编码与调制39调频带宽：振幅调频带宽 BWt = 10X BVVmSRWm5BWm1rfcBWm =（音频）调制信号的带宽BWt = 个（无线电）倍号的带宽 fc =磯波频率频率调频带宽数据通信与网络基础2.1.2数拯编码 调频无线电台町采用在88-108MHz （1.7MHz） Z间的任何频率 作为载波

23、频率。但是，为防I上电台Z间波段亟叠，电台间必须有 至少200KHZ频率差來防I上干扰。见下图：fcfcfcfc-4b4无线 电台无线 电台oo o o无线 电台40fcfc200KHz108MHz数据通信与网络基础习题1 什么是数字编码？2.编码与调制有什么区别？3为什么调频耍优丁调幅？4 采用NRZ编码的主要缺点是什么？5. 给定比特率的调制类型，计算波特率：2000bps FSK4000bps ASK6000bps 2-PSK6000bps 4-PSK6. 诸将二进制位流100100110000000010分别用曼彻斯特编码、差分曼彻斯特编码、B8ZS、HDB3画出它们的波形图。P38 2.1, 2.641附录物理层标准举例ETA-232-E 接 口标准 DTE (Data Terminal Equipment)是数据 终端设备，是具有一定的数据处理能 力和发送、接收数据能力的设备。 DCE (Data Circuit-terminating Equipment)是 数据电路端接设备，它在DTE和传输线路 之间提供信号变换和编码的功能，并且负责 建立、保持和释放数据链路的连接。42DTE通过DCE与通信传输线路相连EIA-232/V.24的信号定义-DTE(1)保护地n(2)发送数据TxD 1(3)接收