第二章 数据通信技术基础

1、1第2章 数据通信技术基础主要学习内容主要学习内容 ：数据通信的基本概念数据通信的基本概念数据通信方式数据通信方式数据通信传输介质和特点数据通信传输介质和特点了解数据编码技术了解数据编码技术多路复用技术多路复用技术数据交换技术数据交换技术22.1 2.1 数据通信的基本概念数据通信的基本概念1 1、信息与编码、信息与编码 信息信息可以是数字、文字、语言、图形和图像等可以是数字、文字、语言、图形和图像等各种形式，是人们要通过通信系统传递的内容。各种形式，是人们要通过通信系统传递的内容。 编码编码就是用二进制代码来表示信息中的每一个就是用二进制代码来表示信息中的每一个字符。字符。2 2、数据、数据

2、 编码后的信息就是编码后的信息就是数据数据。32.1 2.1 数据通信的基本概念数据通信的基本概念3 3、信号、信号 数据的传输表现形式称为信号。数据的传输表现形式称为信号。 从信号的实现形式上划分为从信号的实现形式上划分为: 模拟信号模拟信号:是用幅度连续变化的电磁波来表示信息的信号。是用幅度连续变化的电磁波来表示信息的信号。 数字信号数字信号:是一种不连续（离散）的信号。是一种不连续（离散）的信号。通常是一串电压脉冲序列序号。 基带信号：将数字信号1或0直接用两种不同的电压来表示，然后送到线路上去传输。 宽带信号：将基带信号进行调制后形成的频分复用模拟信号。42.1 2.1 数据通信的基本

3、概念数据通信的基本概念4 4、信道、信道 在数据通信系统中，在数据通信系统中，信道是传输信号的通道信道是传输信号的通道。 逻辑上逻辑上，信道一般都是用来表示向某一个方向，信道一般都是用来表示向某一个方向传送信息的传送信息的“介质介质”。 信道可分为适合传送模拟信号的信道可分为适合传送模拟信号的模拟信道模拟信道和适和适合传送数字信号的合传送数字信号的数字信道数字信道。52.1 2.1 数据通信的基本概念数据通信的基本概念5 5、通信系统基本模型、通信系统基本模型信道信道发送设备发送设备发送机发送机接收机接收机接收设备接收设备是发出信息的源，其是发出信息的源，其作用是把信息转换成作用是把信息转换成

4、原始信号，是产生数原始信号，是产生数据的设备。据的设备。 是指传输信号的通道，是指传输信号的通道，是连接信源和信宿的传是连接信源和信宿的传输线路，信道既给信号输线路，信道既给信号以通路，也对信号产生以通路，也对信号产生各种干扰和噪声。各种干扰和噪声。 从传输系统接收信号并将从传输系统接收信号并将其转换成信宿设备能够处其转换成信宿设备能够处理的形式。主要进行解调、理的形式。主要进行解调、译码、解码等，用来恢复译码、解码等，用来恢复原始信号。原始信号。 从接收器上取得传入数从接收器上取得传入数据的设备，将复原的原据的设备，将复原的原始信号转换成相应的消始信号转换成相应的消息。息。 通信系统的作用是

5、传递信息。无论模拟通信系统还是数通信系统的作用是传递信息。无论模拟通信系统还是数字通信系统均包含字通信系统均包含5个基本组件：个基本组件：发送设备、发送机、信道、发送设备、发送机、信道、接收机和接收设备接收机和接收设备。 是将信源和信道匹配，是将信源和信道匹配，将信源产生的信号变将信源产生的信号变换成适合信道传输的换成适合信道传输的信号，并进行发送。信号，并进行发送。62.1 2.1 数据通信的基本概念数据通信的基本概念 例：数据通信系统是通过数据电路将分布在远地的数据例：数据通信系统是通过数据电路将分布在远地的数据终端设备与计算机系统连接起来，实现数据传输、交换、存终端设备与计算机系统连接起

6、来，实现数据传输、交换、存储和处理的系统。比较典型的数据通信系统主要由数据终端储和处理的系统。比较典型的数据通信系统主要由数据终端设备、数据电路、计算机系统三部分组成。设备、数据电路、计算机系统三部分组成。数据通信系统组成数据通信系统组成正文正文数字比特流数字比特流模拟信号模拟信号公用电话网公用电话网模拟信号模拟信号数字比特流数字比特流正文正文PC机机调制解调器调制解调器调制解调器调制解调器PC机机源点源点发送器发送器输入输入数据数据传输系统传输系统发送的信号发送的信号接收的信号接收的信号接收器接收器终点终点输出输出数据数据输出输出信息信息源系统源系统传输系统传输系统目的系统目的系统72.1

7、2.1 数据通信的基本概念数据通信的基本概念6 6、数据通信的主要技术指标、数据通信的主要技术指标信道带宽：信道带宽：信道上传输的是电磁信号。信道上传输的是电磁信号。某个信道能够传送某个信道能够传送电磁波的有效频率范围就是该信道的带宽。电磁波的有效频率范围就是该信道的带宽。 信道带宽最大有效频率最小有效频率信道带宽最大有效频率最小有效频率 信道带宽信道带宽 信道带宽信道带宽和和信道最大传输速率信道最大传输速率是影响是影响信道质量信道质量的两个的两个主要因素。主要因素。82.1 2.1 数据通信的基本概念数据通信的基本概念数据传输速率数据传输速率 是指信道每秒所能传输的是指信道每秒所能传输的二进

8、制比特数二进制比特数，记作，记作bps（比特（比特每秒）。常见单位：每秒）。常见单位：Kbps、Mbps、Gbps。它与信道带宽紧密。它与信道带宽紧密相连的，即相连的，即信道带宽越宽，数据传输速率越高信道带宽越宽，数据传输速率越高。 波特率：每秒传送的码元数。它与数据传输速率成正比关系。波特率：每秒传送的码元数。它与数据传输速率成正比关系。 1 Baud = （log2M） bps 其中M是信号的编码级数,即一个脉冲信号所表示的有效状态数 Rbit = Rbaud log2M （比特率（比特率=波特率波特率X信号所含比特数信号所含比特数）92.1 2.1 数据通信的基本概念数据通信的基本概念码

9、元码元:是承载信息的基本信号单位。比如用脉冲信号表示数据时，是承载信息的基本信号单位。比如用脉冲信号表示数据时，一个单位脉冲就是一码元。一个单位脉冲就是一码元。 一码元的信息量是由码元所能表示的数据有效状态值个数一码元的信息量是由码元所能表示的数据有效状态值个数决定的，若一码元有决定的，若一码元有00、01、10、11四个有效状态值，则一码四个有效状态值，则一码元能携带元能携带2bit的信息。的信息。 又如：当波特率为又如：当波特率为9600时，若时，若M=2，数，数据传输率为据传输率为9600b/s；若；若M=16，数据传输率为，数据传输率为38.4kb/s。102.1 2.1 数据通信的基

10、本概念数据通信的基本概念信道容量信道容量：是指信道的允许的最大传输速率。：是指信道的允许的最大传输速率。 吞吐量：信道在单位时间内成功传输的信息量。如某信道在吞吐量：信道在单位时间内成功传输的信息量。如某信道在10分钟内成功传输了分钟内成功传输了6Mb的数据，其吞吐量为的数据，其吞吐量为 6*1024 / (10*60)10Kbps。误码率误码率(Bit error rate)：信道传输可靠性指标：信道传输可靠性指标 P= 错误的位数错误的位数 / 传输的总位数传输的总位数注意：信道带宽越大，信道容量也越大，传输速率也越高。112.2 2.2 信号传输的基本形式信号传输的基本形式 1. 通信系

11、统的信号传输基本形式按信号是否调制分类：通信系统的信号传输基本形式按信号是否调制分类：l基带传输：编码后的数字脉冲信号直接在信上传送，不调制， (基带：调制前原始信号所占的频道），既可传输模拟信号，也可传输数字信号，如以太网、令牌网。l频带传输：调制成模拟信号后再传送，接收方需要解调，例如，通过电话模拟信道传输。l宽带传输：采用模拟传输技术，将不同频率的多种调制信号在统一传输线路中传输。如多路复用（闭路电视系统）。122.2 2.2 信号传输的基本形式信号传输的基本形式宽带传输的主要特点： 一个宽带信道可划分为多个逻辑信道或频率段，进行多路复用传输，信道容量大增；可在同一信道上进行数字信息或模

12、拟信息的传输；宽带传输的距离比基带传输要远许多，因为数字数字需要被模拟信号运载后传输，模拟信号传输比数字信号远；宽带传输中的信号具有单向性，如要实现双向传输需要同时具备两条数据通路。132.3 2.3 数据通信方式数据通信方式- -并行与串行并行与串行（1 1）串行数据传输串行数据传输 按照由低位到高位的顺序逐个传送比特位。适应长距离传输，成本低，速度慢。如USB、RS-232/485等（2 2）并行数据传输并行数据传输 同时传输一组比特，每个比特使用单独一条线路（导线）。适应短距离之间的通信，如主机和打印机、显示器、硬盘等。 2.通信系统的通信方式按照字节使用通道数分：通信系统的通信方式按照

13、字节使用通道数分： 142.3 2.3 数据通信方式数据通信方式- -传输方向传输方向 3. 3. 通信系统的通信方式按消息传送的方向和时间分类：通信系统的通信方式按消息传送的方向和时间分类： 1)1)单工通信（单向通信单工通信（单向通信 ） 单工通信就是指传送的信息单工通信就是指传送的信息始终是一个方向始终是一个方向，而，而不进行与此不进行与此相反方向相反方向的传送。无线电广播、电视信号传播、遥测、遥控都是的传送。无线电广播、电视信号传播、遥测、遥控都是单工传送的例子。单工传送的例子。152.3 2.3 数据通信方式数据通信方式- -传输方向传输方向 2) 2)半双工通信（双向交替通信半双工

14、通信（双向交替通信 ） 半双工通信是指信息流可在两个方向上传输，半双工通信是指信息流可在两个方向上传输，但同一时刻只但同一时刻只限于一个方向传输限于一个方向传输。如对讲机、收发报机就是以这种方式通信。如对讲机、收发报机就是以这种方式通信的。的。半双工通信由要频繁调换信道方向，故效率低，但可节省半双工通信由要频繁调换信道方向，故效率低，但可节省传输线路。传输线路。162.3 2.3 数据通信方式数据通信方式- -传输方向传输方向 3) 3)全双工通信（双向同时通信全双工通信（双向同时通信 ） 全双工通信是指能全双工通信是指能同时做双向通信同时做双向通信。如图所示。这种方。如图所示。这种方式适用于

15、普通电话、手机以及计算机式适用于普通电话、手机以及计算机计算机间高速数据计算机间高速数据通信。通信。全双工与半双工比较全双工与半双工比较, ,全双工通信效率高，控制简单，但全双工通信效率高，控制简单，但是结构较复杂，成本较高。是结构较复杂，成本较高。172.3 2.3 数据通信方式数据通信方式- -连接方式连接方式 1 1）点到点的连接方式（专线直通）点到点的连接方式（专线直通 ） 计算机 计算机 调制解调器 调制解调器 公共交换 电话网 计算机 终端 终端 终端 2 2）多点的连接方式（交换网络）多点的连接方式（交换网络 ）4.4.通信系统的通信方式按连接形式分类有：通信系统的通信方式按连接

16、形式分类有： 3 3）集中式连接方式）集中式连接方式18 字符同步字符同步：以字符为边界实现字符的同步接收。：以字符为边界实现字符的同步接收。 同步传输方式同步传输方式中发送方和接收方的时钟是统一的、字符与字符间的传输是同步无间隔的。 异步传输方式异步传输方式并不要求发送方和接收方的时钟完全一样，字符与字符间的传输是异步的。2.3 数据通信方式数据通信方式-同步处理同步处理数据通信的同步传输方式由数据通信的同步传输方式由字符同步字符同步和和位同步位同步共同构成。共同构成。192.3 2.3 数据通信方式数据通信方式- -字符同步字符同步 1) 1)异步式异步式各个字符分开传输，字符之间插入同步

17、信息。异步式各个字符分开传输，字符之间插入同步信息。异步式又称为又称为起止同步方式起止同步方式。传输数据以。传输数据以“字符字符”为数据单元，为数据单元，一般由起始位（一般由起始位（1 1位）、数据位（位）、数据位（5 59 9位，位，PCPC机机7 78 8位）、位）、奇偶校验位（奇偶校验位（1 1位）和停止位（位）和停止位（1-21-2位）部分组成，两字符位）部分组成，两字符之间的间隔长度可以不固定。之间的间隔长度可以不固定。 202.3 2.3 数据通信方式数据通信方式- -字符同步字符同步 例如，一般不发字符时线路保持例如，一般不发字符时线路保持“1”状态，当发送一个状态，当发送一个字

18、符代码时，字符前面要加一个起始信号，极性为字符代码时，字符前面要加一个起始信号，极性为“0”，即，即空号极性，预告字符的信息代码即将开始。在数据位和校验空号极性，预告字符的信息代码即将开始。在数据位和校验位结束后面要加一个终止符号，极性为位结束后面要加一个终止符号，极性为“1”，即传号极性，即传号极性，表示该字符已结束。表示该字符已结束。 异步方式异步方式实现起来简单容易实现起来简单容易，每个字符都为该字符的位同步，每个字符都为该字符的位同步提供了时间基准，对线路和收发器要求较低。提供了时间基准，对线路和收发器要求较低。缺点是通信开销较缺点是通信开销较大，线路效率低，大，线路效率低，数据传输速

19、率多在数据传输速率多在1.2kb/s以下。以下。212.3 2.3 数据通信方式数据通信方式- -字符同步字符同步 2) 2)同步式同步式 同步式要求不管是否传输信息代码，每个比特位必须在收发两端始终保持同步，中间没有间断时间，即为比特位同步。 01111110 01111110 B A X 01111110 SYN SYN B A X SYN 同步字符（一个或多个） 同步位模式（一个或多个） 可变长度的位数据块 可变长度的字符数据块 特点是开销少、效率高，一般在高速传输数据的系统中采用。缺点是整个数据块一旦有一位错传，就必须重传整个数据块。 222.3 2.3 数据通信方式数据通信方式- -

20、位同步位同步位同步：使接收端接收的每一位信息都与发送端保持同步。（接收端根据发送段发送数据的起止时间和时钟频率来校正自己的时间基准和时钟频率） 外同步发送端发送同步时钟信号，接收方用它来锁定自己的时钟脉冲频率。 自(内)同步接收方通过特殊编码（如曼彻斯特编码，其数据编码信号包含了同步脉冲），提取同步信号来锁定自己的时钟脉冲频率。 发 送 站 同 步 信 号数 据接 收 的 同 步 信 号锁 定 后 的 同 步 信 号接 收 站接 收 站 收 到 的 数 据数 据2.4 2.4 传输介质传输介质 金属导体：利用电流变化金属导体：利用电流变化双绞线、双绞线、 同轴电缆同轴电缆( (粗、细粗、细)

21、) 光纤：利用光波光纤：利用光波 无线介质：利用电磁波的辐射无线介质：利用电磁波的辐射无线电、短波、微波、卫星、光波无线电、短波、微波、卫星、光波传输介质：传输介质：网络中连接收发双方的物理通路，实网络中连接收发双方的物理通路，实际传输信息的载体。（有线与无线）际传输信息的载体。（有线与无线）24 双绞线双绞线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-螺旋绞合的双导线，螺旋绞合的双导线， 1mm-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

22、、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、局域网应用领域：电话网络、局域网2.4 2.4 传输介质传输介质2.4 2.4 传输介质传输介质 屏蔽双绞线 (STP) 非屏蔽双绞线 (UTP)由由外部保护层外部保护层、屏蔽层屏蔽层与与多对双绞线组成。多对双绞线组成。以铝箔以铝箔屏蔽以减少干扰和串音屏蔽以减少干扰和串音由由外部保护层外部保护层与与多对双绞线多对双绞线组成。组成。双绞线外没有任何附加屏蔽，以双绞线外没有任何附加屏蔽，以太网广泛使用。太网广泛使用。 3 3类、类、5

23、 5类、类、6 6类类（16M16M、155M155M、1200M1200M）RJ45接头与双绞线顺序 (以5类UTP为例)直连线：用于将计算机连入到集线器或交换机 线图如下： 1 2 3 4 5 6 7 8 A端：橙白 橙 绿白 蓝 蓝白 绿 棕白 棕 B端：橙白 橙 绿白 蓝 蓝白 绿 棕白 棕 交叉线：计算机与计算机、交换机与交换机直接相连，计算机直接接入路由器的以太网口 线图如下： 1 2 3 4 5 6 7 8 A端：橙白 橙 绿白 蓝 蓝白 绿 棕白 棕 B端：绿白 绿 橙白 蓝 蓝白 橙 棕白 棕 2.4 2.4 传输介质传输介质RJ45接头与双绞线顺序 (以5类UTP为例)2.

24、4 2.4 传输介质传输介质282.4 2.4 传输介质传输介质（1）物理特性物理特性： 采用四对双绞线且外套塑料保护套组成。采用四对双绞线且外套塑料保护套组成。 （2）传输特性传输特性 ： 模拟传输和数字传输都可以使用双绞线。模拟传输和数字传输都可以使用双绞线。 （3）连通性连通性 ： 一般仅支持点对点连接，多点连接需增加相关设一般仅支持点对点连接，多点连接需增加相关设备，如集线器（备，如集线器（Hub）。）。 （4）地理范围地理范围：通信距离一般为几：通信距离一般为几km到十几到十几km。（5）抗干扰能力抗干扰能力：一般，尤其是低频使用和短距离使用时较好。：一般，尤其是低频使用和短距离使用

25、时较好。（6）价格价格： 较低。较低。29 同轴电缆同轴电缆 基带同轴电缆基带同轴电缆 阻抗50，用于数字传输，已被双绞线取代。 宽带同轴电缆宽带同轴电缆 阻抗75 ，用于模拟传输，主要用于有线电视网 （CATV）。铜芯铜芯绝缘层绝缘层外导体外导体屏蔽层屏蔽层保护套保护套2.4 2.4 传输介质传输介质302.4 2.4 传输介质传输介质 注：当需要将计算机连接到电缆上的某一处时，同轴注：当需要将计算机连接到电缆上的某一处时，同轴电缆要比用双绞线麻烦很多。通常都是利用电缆要比用双绞线麻烦很多。通常都是利用T型分接头型分接头(又又称为称为T型连接器）。型连接器）。l应用：总线式局域网31细同轴：

26、细同轴： D=1.02cm，10Mbit/s 每段每段185m、4中继、中继、5段（段（925m） 优缺点：优缺点： 价格低价格低 安装方便（安装方便（T型连接器、型连接器、BNC接头、接头、Terminator） 抗干扰能力较强抗干扰能力较强 可靠性差可靠性差粗粗同轴：同轴： D=2.54cm，10Mbit/s 每段每段500m、4中继、中继、5段（段（2500m） 优缺点：价格稍高优缺点：价格稍高 安装方便（收发器、收发器电缆、安装方便（收发器、收发器电缆、Terminator） 抗干扰能力强抗干扰能力强 连接距离中等连接距离中等 可靠性好可靠性好 2.4 2.4 传输介质传输介质32 光

27、缆光缆 光纤通信就是利用光导光纤通信就是利用光导纤维纤维(以下简称为光纤以下简称为光纤)传递光脉冲来进行通信。传递光脉冲来进行通信。一根光纤传输带宽远远一根光纤传输带宽远远大于目前其它各种传输大于目前其它各种传输介质的带宽。介质的带宽。 如：有光脉冲相当于如：有光脉冲相当于1，而没有光脉冲相当于而没有光脉冲相当于0。 2.4 2.4 传输介质传输介质应用领域：局域网主干、电信网络、服务器连接。332.4 2.4 传输介质传输介质（1）物理特性物理特性 利用其利用其“全反射全反射”特性，实现光波在纤芯中的传播。光纤特性，实现光波在纤芯中的传播。光纤按光在其中的传输模式可分：按光在其中的传输模式可

28、分： 多模光纤：可以存在许多条不同入射角度的光线在一条光纤多模光纤：可以存在许多条不同入射角度的光线在一条光纤中传输。中传输。单模光纤：光纤的直径减少到只有一个光的波长，则该光纤单模光纤：光纤的直径减少到只有一个光的波长，则该光纤就象一根波导那样，它可使光线一直向前传播，而不会经多次就象一根波导那样，它可使光线一直向前传播，而不会经多次反射传播。反射传播。 单模光纤的光源要使用昂贵的半导体激光器，而单模光纤的光源要使用昂贵的半导体激光器，而不能使用较便宜的发光二极管。但单模光纤的衰减系数较小。不能使用较便宜的发光二极管。但单模光纤的衰减系数较小。34 与双绞线和同轴电缆相比，光纤具有如下优点：

29、与双绞线和同轴电缆相比，光纤具有如下优点： 容量更大，即带宽更大，传输速率更高；容量更大，即带宽更大，传输速率更高； 体积更小，重量更轻；体积更小，重量更轻； 衰减更小，转发器的间隔更远。衰减更小，转发器的间隔更远。2.4 2.4 传输介质传输介质（2）连通性连通性：点对点。：点对点。（3）地理范围地理范围：传输损耗小，中继距离长，可达数十公里：传输损耗小，中继距离长，可达数十公里而不必用中继器。而不必用中继器。（4）抗干扰性抗干扰性：抗雷电和电磁干扰性能好；无串音干扰；：抗雷电和电磁干扰性能好；无串音干扰；保密性好，不易被窃听或截取数据。保密性好，不易被窃听或截取数据。（5）价格价格：比较昂

30、贵，但价格正在逐年下降。：比较昂贵，但价格正在逐年下降。35 无线传输介质（信号在大气或外层空间自由传播）无线传输介质（信号在大气或外层空间自由传播）2.4 2.4 传输介质传输介质 使用电磁波或光波携带信息 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： 无线电、地面微波 通信卫星 红外线362.4 2.4 传输介质传输介质 无线电波无线电波可全方向传播传输距离：天线的高度、类型和信号强度传输可靠性：障碍物传输正确性：气象条件2.4 2.4 传输介质传输介质38 微波通信微波通信 收发两端使用抛物面天线，常用频段：收发两端使用抛物面天线，常用

31、频段：2G-6G2G-6G 方向性强，直线传输，距离远时使用中继站方向性强，直线传输，距离远时使用中继站 用于高速数传用于高速数传 受天气影响较大受天气影响较大2.4 2.4 传输介质传输介质39蜂窝通信蜂窝通信 蜂窝单元的大小划分以满足流量需求为目的蜂窝单元的大小划分以满足流量需求为目的 移动电话局协调各个基站与中央电话站之间的通信移动电话局协调各个基站与中央电话站之间的通信 固定终端点（基站）和终端之间是无线链路固定终端点（基站）和终端之间是无线链路 应用领域：移动通信、无线局域网（应用领域：移动通信、无线局域网（WLANWLAN）2.4 2.4 传输介质传输介质基站基站40卫星通信卫星通

32、信 一个卫星可工作在多个频段一个卫星可工作在多个频段 同步卫星：卫星与地球保持相对静止，同步卫星：卫星与地球保持相对静止， 三颗同步卫星即可覆盖全球三颗同步卫星即可覆盖全球 传输时延大传输时延大2.4 2.4 传输介质传输介质 通信卫星相当于一个中继站，两个或多个地球站通过通信卫星相当于一个中继站，两个或多个地球站通过它实现相互间的通信。它实现相互间的通信。412.4 2.4 传输介质传输介质常用传输介质比较常用传输介质比较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线双绞线宽带宽带基带基带1Gb/s模拟模拟: 10km数字数字: 50

33、0m较好较好低低模拟模拟/数字信数字信号传输号传输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42无线通信无线通信的网络结构的网络结构光纤光纤微波微波微波用户驻地设备无线网络中心设备房顶中继器中继器无线节点房顶无线节

34、点用户天线用户终端2.4 2.4 传输介质传输介质432.5 2.5 数据编码技术数据编码技术数据：模拟数据、数字数据信号：模拟信号、数字信号 信道：模拟信道、数字信道不同类型的信号在不同类型的信道上传输有4种组合，每一种相应地需要进行不同的编码处理。模拟数据和数字数据都可用模拟信号或数字信号来表示，相应地也可用模拟信道或数字信道来传输。用数字信号承载数字或模拟数据编码用模拟信号承载数字或模拟数据调制编码与调制2.5 2.5 数据编码技术数据编码技术1. 数字数据用数字信号传输：数据数字直接用二进制数字脉冲信号来表示（二进制数据编码为数字信号）。如数据数字网DDN2. 模拟数据用数字信号传输：

35、用编码解码器完成与调制解调器相反的功能。如编码解码器接受一个模拟信号后，经采样、压缩等处理，用二进制位流近似表示该信号，然后进行传输。线路另一段的编码解码器将二进制码恢复为原来的模拟数据。如数字电话3. 数字数据用模拟信号传输：用调制解调器（Modem）把数字数据调制成模拟信号，在普通电话线上传输，另一段Modem再把信号解调为原来的数字信号。如Modem拨号上网4. 模拟数据用模拟信号传输：模拟数据直接使用占有相同频带的模拟信号来表示。如模拟电话四种数据编码和调制方法：45问题的提出问题的提出 ： 数字信号为什么要采用编码传输呢？数字信号为什么要采用编码传输呢？ 二个理由：二个理由： （1

36、1）长距离数字信号传输可能存在衰减问题。长距离数字信号传输可能存在衰减问题。例如连续发送若例如连续发送若干个干个“1 1”，可能因存在的衰减导致误识别成，可能因存在的衰减导致误识别成“0 0”； 连续发送若连续发送若干个干个“0 0”，可能因干扰或累积电平漂移而误识别成，可能因干扰或累积电平漂移而误识别成“1 1”； （2 2）同步问题。同步问题。例如，当出现一长串的连例如，当出现一长串的连1 1或连或连0 0时，在接收端时，在接收端无法从收到的比特流中提取位同步信号。无法从收到的比特流中提取位同步信号。 数字数据的数字信号编码 （同步技术）2.5 2.5 数据编码技术数据编码技术46 在基带

37、传输中，数字数据信号的编码方式主要有：在基带传输中，数字数据信号的编码方式主要有：不不归零码、曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码等。归零码、曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码等。 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。 缺点：不具备自同步机制，传输时必须使用外同步。存缺点：不具备自同步机制，传输时必须使用外同步。存在直流分量。在直流分量。 数字数据编码方法数字数据编码方法2.5 2.5 数据编码技术数据编码技术47 曼彻斯特编码曼彻斯特编码(Manchester Code)（1）编码原理）编码原理 用电压

38、的变化表示用电压的变化表示0和和1。 将每一个码元（将每一个码元（bit）传输时间分成两个相等的时间间隔。）传输时间分成两个相等的时间间隔。 规定在每个码元的中间发生跳变规定在每个码元的中间发生跳变，接收端可将此变化提，接收端可将此变化提取出来作为同步信号。这种取出来作为同步信号。这种编码也称为自同步码编码也称为自同步码(Self-Synchronizing Code)。 位中部从位中部从高高低低的跳变代表的跳变代表“0”，位中部位中部低低高高的跳变的跳变代表代表“1”。（2）存在的问题）存在的问题 它所占的频带宽度比原始的基带信号整整增加了一它所占的频带宽度比原始的基带信号整整增加了一倍倍（

39、即信号速率是数据速率的（即信号速率是数据速率的2倍）倍）。2.5 2.5 数据编码技术数据编码技术48数据数据 0 1 0 0 1 1 0 1 0 NRZ编码编码 (a) “0”：位中部从高到低；：位中部从高到低；“1”：位中部从低到高；：位中部从低到高； 曼彻斯曼彻斯 特编码特编码 (b) 位起始时有电平变化代表位起始时有电平变化代表“0”，反之代表，反之代表“1”，位中部始终变化。，位中部始终变化。 差分差分 曼彻曼彻 斯特斯特 编码编码 曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码原理图曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码原理图 (c)49 差分曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码(Differential )（1

40、）编码原理）编码原理 与曼彻斯特编码一样仍然将每一个码元（与曼彻斯特编码一样仍然将每一个码元（bit）传输）传输时间分成两个相等的时间间隔，所不同的是：时间分成两个相等的时间间隔，所不同的是： 若码元为若码元为0，则其前半个码元的持续电平与上一个码元，则其前半个码元的持续电平与上一个码元的后半个码元的持续电平相反（即的后半个码元的持续电平相反（即有跳变代表有跳变代表“0”）。）。 若码元为若码元为1，则其前半个码元的持续电平与上一个码元，则其前半个码元的持续电平与上一个码元的后半个码元的持续电平一样（即的后半个码元的持续电平一样（即无跳变代表无跳变代表“1”）。）。 不论码元是不论码元是0或或

41、1，在每个码元的正中间的时刻，一定在每个码元的正中间的时刻，一定要有一次电平的转换要有一次电平的转换。（2）特点：具有比曼彻斯特编码强的抗干扰能力，）特点：具有比曼彻斯特编码强的抗干扰能力， 但技术复杂，效率低。但技术复杂，效率低。2.5 2.5 数据编码技术数据编码技术50（1 1）问题的提出）问题的提出 现有的模拟信号传输系统（如现有的模拟信号传输系统（如PSTNPSTN）不能传输数字信号吗？）不能传输数字信号吗？关注：关注：（a)a)发送的基带信号包含有各种的频率成分，由于现有发送的基带信号包含有各种的频率成分，由于现有PSTNPSTN系统系统的频宽有限，因而其中的一部分高频分量已落到电

42、话通信系统所的频宽有限，因而其中的一部分高频分量已落到电话通信系统所能通过的频率范围之外。能通过的频率范围之外。（b b）在能够通过电话线路的这部分频率成分中，各频率成分经受）在能够通过电话线路的这部分频率成分中，各频率成分经受的衰减和时延可能会有不同。这也要产生失真。的衰减和时延可能会有不同。这也要产生失真。（c c）电话线路中存在噪声和各种干扰信号，使信号失真。）电话线路中存在噪声和各种干扰信号，使信号失真。2. 数字数据的模拟编码 （调制/解调技术）2.5 2.5 数据编码技术数据编码技术51 波形变换波形变换 波形识别波形识别 调制解调器的作用调制解调器的作用 调制调制解调器解调器 调

43、制调制解调器解调器 （2 2）调制解调器（）调制解调器（modemmodem） 是一种基于某种载波频率来实现对是一种基于某种载波频率来实现对数字信号进行转换的装置。包括数字信号进行转换的装置。包括为发送为发送信号用的调制器信号用的调制器和和为接收信号用的解调为接收信号用的解调器器。 调制器的主要作用实际上就是一个调制器的主要作用实际上就是一个波形变换装置波形变换装置，它将基带数字信号的波，它将基带数字信号的波形变换成适合于模拟信道传输的波形。形变换成适合于模拟信道传输的波形。 解调器的作用就是个解调器的作用就是个波形识别器波形识别器，它将经过调制器变换过的模拟信号恢复它将经过调制器变换过的模拟

44、信号恢复成原来的数字信号。成原来的数字信号。2.5 2.5 数据编码技术数据编码技术52（3 3）几种最基本的调制方法）几种最基本的调制方法 从物理学的知识知道，反映一个频率波形的主要参量有从物理学的知识知道，反映一个频率波形的主要参量有三个，即三个，即“振幅振幅、频率频率和和相位相位”，因而，因而ModemModem对数字信号的对数字信号的变换，相对应有三种不同的调制技术（变换，相对应有三种不同的调制技术（数字信号到模拟信号数字信号到模拟信号的变换的变换 ）。）。（a）幅移键控幅移键控ASK（Amplitude Shift Keying，调幅调幅） 频率和相位为常量，而振幅为变量频率和相位为

45、常量，而振幅为变量，通过改变载波频率，通过改变载波频率的振幅来表示二进制数的的振幅来表示二进制数的0和和1。例如，数字。例如，数字0对应于无载波对应于无载波输出，而数字输出，而数字1对应于有载波输出。对应于有载波输出。2.5 2.5 数据编码技术数据编码技术53 0 1 0 0 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 1 1 0 0 基带信号基带信号 基带信号基带信号 调幅调幅 振幅改变振幅改变 f f1 1 f f2 2 调频调频 频率改变频率改变 调相调相 相位改变相位改变 三种调制技术的原理三种调制技术的原理 54（b b）频移键控频移键控FSKFSK（ Frequency Shift

46、Keying Frequency Shift Keying，调频调频） 振幅和相位为常量，而频率为变量振幅和相位为常量，而频率为变量，通过使用载波频，通过使用载波频率附近的两个不同频率值来表示二进制数的率附近的两个不同频率值来表示二进制数的0 0和和1 1。例如，。例如，数字数字0 0对应于频率对应于频率f f1 1，而数字，而数字1 1对应于频率对应于频率f f2 2。（c c）相移键控相移键控PSKPSK（ Phase Shift Keying Phase Shift Keying，调相调相） 把把振幅振幅和频率为常量，而相位为变量和频率为常量，而相位为变量，通过利用载波，通过利用载波频率

47、初始相位移动的不同来表示二进制数的频率初始相位移动的不同来表示二进制数的0 0和和1 1。例如，。例如，数字数字0 0对应于相位对应于相位0 00 0，而数字，而数字1 1对应于对应于1801800 0。（4 4）三种调制方法的比较）三种调制方法的比较 调幅法易于受到增益干扰的影响，实现比较容易。调幅法易于受到增益干扰的影响，实现比较容易。 调相法抗干扰能力最强，但实现比较复杂。调相法抗干扰能力最强，但实现比较复杂。 调频法介于调频法介于AMAM法和法和PMPM法之间。法之间。2.5 2.5 数据编码技术数据编码技术552.5 2.5 数据编码技术数据编码技术（1）问题的提出）问题的提出 （2

48、）脉码调制方法脉码调制方法（Pulse Code ModulatorPCM） 现在的数字传输系统都是采用脉码调制现在的数字传输系统都是采用脉码调制PCM体制。体制。 PCM有两个互不兼容的国际标准，即北美的有两个互不兼容的国际标准，即北美的24路时分多路路时分多路复用复用PCM (简称为简称为T1)和欧洲的和欧洲的30路时分多路复用路时分多路复用PCM (简称为简称为E1)。我国采用的是欧洲的。我国采用的是欧洲的E1标准。标准。 T1的数据传输速率为的数据传输速率为1.544Mbps； E1为为2.048Mbps。3. 模拟数据的数字编码 （信源编码/译码技术）56PCM的基本原理的基本原理

49、模拟信号转变为数字信号，需经模拟信号转变为数字信号，需经采样、量化和编码采样、量化和编码三个阶段。三个阶段。（a）采样）采样 那么采样的频率那么采样的频率(周期周期)T是多少是多少? 根据采样定理，根据采样定理，T2fmax，只要，只要采样频率不低于采样信号（电采样频率不低于采样信号（电话信号）最高频率的话信号）最高频率的2倍倍，就可以从采样脉冲信号无失真地恢复出，就可以从采样脉冲信号无失真地恢复出原来信号。原来信号。 例如：语声的能量和频谱主要分布在例如：语声的能量和频谱主要分布在300Hz3.4kHz，为了简，为了简化起见，通常采样频率就定为化起见，通常采样频率就定为8kHz，相当于采样周

50、期为，相当于采样周期为125us。2.5 2.5 数据编码技术数据编码技术57（b）量化采样后的信号）量化采样后的信号 所谓所谓“量化量化”就是对每个采样点按量化级取一个恰当的就是对每个采样点按量化级取一个恰当的数值过程，即取整等级。数值过程，即取整等级。（c）编码）编码 所谓所谓“编码编码”就是对每个采样点所对应的数值确定一种就是对每个采样点所对应的数值确定一种二进制的表示方式，以实现从模拟信号到数字信号的转换。二进制的表示方式，以实现从模拟信号到数字信号的转换。一般而言，每个点用一般而言，每个点用n位二进制数进行编码。位二进制数进行编码。如当PCM用于数字化语音系统时，音信道带宽 2倍话音

51、最大频率)量化级数：256级 (8位二进制码表示)数据率：8000次/s*8bit = 64Kb/s 每路PCM信号的速率 = 64000bps2.5 2.5 数据编码技术数据编码技术584. 模拟数据的模拟调制模拟数据经由模拟通信系统传输时不需要进行变换。模拟数据经由模拟通信系统传输时不需要进行变换。在无线传输和频分多路复用等需要，模拟数据需要进行模在无线传输和频分多路复用等需要，模拟数据需要进行模拟调制。拟调制。 模拟调制有模拟调制有l 调幅调幅AMAM（Amplitude ModulationAmplitude Modulation）l 调频调频FMFM（Frequency Modula

52、tionFrequency Modulation）l 调相调相PMPM（Phase ModulationPhase Modulation） 最常用的是调幅和调频技术。最常用的是调幅和调频技术。2.5 2.5 数据编码技术数据编码技术59 复用：多个信息源共享一个公共信道复用：多个信息源共享一个公共信道 所谓所谓“多路复用技术多路复用技术”就是把多个不同的信号同就是把多个不同的信号同时在一条传输线路路上进行传输的技术。时在一条传输线路路上进行传输的技术。 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

53、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2.6 2.6 多路复用技术多路复用技术60 通信系统按复用方式分类：通信系统按复用方式分类： 频分复用频分复用FDM (Frequency Division Multiplexing) 波分复用波分复用WDM (Wave Division Multiplexing) 时分复用时分复用TDM (Time Division Multiplexing)2.6 2.6 多路复用技术多路复用技术612.6 2.6 多路复用技术多路

54、复用技术 频分复用（频分复用（ FDM ） 原理：将信道的原理：将信道的可用带宽可用带宽划分为若干个频率通道，每路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。频率通道之间留有防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。主要适用于护频带以防相互干扰。主要适用于模拟信道模拟信道环境中环境中 。如。如有线电视有线电视CATV。CH2CH1CH3原带宽原带宽CH1CH2CH3移频后带宽移频后带宽MUXCH1CH2CH3带宽复用信带宽复用信号号f复用器复用器622.6 2.6 多路复用技术多路复用技术 波分复用（波分复用（ WDM ）光的频分复用光的频分复用 原理：

55、整个原理：整个波长频带波长频带被划分为若干个波长范围，每路被划分为若干个波长范围，每路信号占用一个波长范围来进行传输。如光纤通信。信号占用一个波长范围来进行传输。如光纤通信。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632.6 2.6 多路复用技术多路复用技术 时分复用（时分复用（ TDM ） 原理：将信道的原理：将信道的可用时间可用时间分割成小的时间片，每个时分割成小的时间片，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间片分为若干个时隙，每路数据占用一个时隙进行传输。主要适用于输。主要适用

56、于数字信道数字信道环境中环境中 。如移动。如移动GSM。 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1231D3D2D1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642.6 2.6 多路复用技术多路复用技术 时分复用（时分复用（ TDM ） 原理：将信道的原理：将信道的可用时间可用时间分割成小的时间片，每个时分割成小的时间片，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间片分为若干个时隙，每路数据占用一个时隙进行传输。主要适用于输。主要适用于数字信道数字信道环境中环境中 。如移动。如移动GSM。 A2A1A3原始信号D2D1

57、D3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1231D3D2D1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 由于每路数据总是使用每个时间片的固定时隙，这类时分复用也成同步时分复用 。 一个时间片内传输的多路数据称为帧。 典型例子：PCM信号的传输 把多个话路的PCM语音数据用TDM的方法装成帧（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 每个时隙承载一路PCM信号2.6 2.6 多路复用技术多路复用技术统计(异步)TDMSTDMTDMTDM的缺点的缺点：某用户无数据发送，其他用户也不能占用该通道，将：某用户无数据发送，其他用户也不能占用该通道，将

58、会造成带宽浪费。会造成带宽浪费。改进：改进：统计时分多路复用（统计时分多路复用（STDMSTDM），用户不固定占用某个通道，有），用户不固定占用某个通道，有空槽就将数据放入。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 TDM带宽浪费带宽浪费A1B1C2B2周期周期1周期周期2统计TDM可用带宽可用带宽2.6 2.6 多路复用技术多路复用技术 三种复用技术的比较 1）FDM传输模拟信号，TMD传输数字信号，WDM传输光波信号； 2） WDM与FDM技术原理类似，TDM与FDM相比，技术比较复杂，但抗干扰能力强，且数字信号容易

59、实现自动转换，易于集成化。计算机通信中广泛使用TDM和WDM。 3）TDM与FDM比较： TDM设备易于实现，且传输速率高，可以充分利用信道全部带宽； TDM中多路信号只需一个MODEM，而FDM中每路信号均需要一个MODEM； FDM通常需要模/数转换设备，而TMD具有明显数字形式，适合计算机直接相连； 在进行差错控制和校正时，TDM比FDM产生较多的时间延迟。2.6 2.6 多路复用技术多路复用技术 码分复用(Code Division Multiplexing)原理：又称CDMA，在CDMA系统中，所有用户使用同一频率，占用相同的带宽，各个用户可以同时发送或接收信号，各个用户的信号不是靠

60、频率不同或时隙不同来区分的，而是用各自不同的地址码序列来区分，或者说是靠信号的不同波形来区分。应用于移动通信系统，笔记本电脑和掌上电脑等移动性计算机的联网通信大量使用了这种技术。2.6 2.6 多路复用技术多路复用技术69 什么是交换？什么是交换？ 交换就是按某种方式动态地分配传输线路资源。交换就是按某种方式动态地分配传输线路资源。 例如，电话交换机在用户呼叫时为用户选择一条例如，电话交换机在用户呼叫时为用户选择一条可用的线路进行接续。用户挂机后则断开该线路，可用的线路进行接续。用户挂机后则断开该线路，该线路又可分配给其它用户。该线路又可分配给其它用户。 为什么要采用交换技术？为什么要采用交换