数字通信基础知识

1、SICHUAN NORMAL UNIVERSITY CHENGDU COLLEGECOMMUNICATION DEPARTMENT HUAXIAO -CAO2021-10-29曹华孝曹华孝 2012.9-2013.1 2012.9-2013.1 （5050学时学时 ， 4 4学分）学分）四川师范大学成都学院通信工程系四川师范大学成都学院通信工程系计算机网络计算机网络SICHUAN NORMAL UNIVERSITY CHENGDU COLLEGE HUAXIAO-CAOPage 2Chapter2-1 数字通信基本知识2-1.2 2-1.2 通信信道及其主要特性通信信道及其主要特性2-1.4

2、2-1.4 多路复用技术多路复用技术2-1.1 2-1.1 数据通信基本概念数据通信基本概念2-1.3 2-1.3 信道数据编码信道数据编码SICHUAN NORMAL UNIVERSITY CHENGDU COLLEGE HUAXIAO-CAOPage 32-1.1.1 2-1.1.1 数据数据2-1.1.3 2-1.1.3 数据传输数据传输2-1.1.2 2-1.1.2 信号信号2-1.1 数据通信基本概念2-1.1.4 2-1.1.4 数据通信系统模型数据通信系统模型SICHUAN NORMAL UNIVERSITY CHENGDU COLLEGE HUAXIAO-CAOPage 42-

3、1.1.1 数据 数据涉及的是事物的表现形式数据涉及的是事物的表现形式 信息是数据的内容和含义，是数据的解释信息是数据的内容和含义，是数据的解释 数据有数据有模拟数据模拟数据和和数字数据数字数据两种形式两种形式模拟数据是指在某个时间段产生的连续的值，例如声音模拟数据是指在某个时间段产生的连续的值，例如声音和视频、温度和压力等都是时间连续函数。和视频、温度和压力等都是时间连续函数。数字数据是指产生的离散的值，例如文本信息和整数。数字数据是指产生的离散的值，例如文本信息和整数。SICHUAN NORMAL UNIVERSITY CHENGDU COLLEGE HUAXIAO-CAOPage 52-

4、1.1.2 信号 信号是数据的表示形式，或称数据的电磁或电子编码信号是数据的表示形式，或称数据的电磁或电子编码 信号使数据能以适当的形式在介质上传输信号使数据能以适当的形式在介质上传输 信号有信号有模拟信号模拟信号和和数字信号数字信号两种形式两种形式模拟信号是指随时间连续变化的信号，在通信中，一般模拟信号是指随时间连续变化的信号，在通信中，一般用这种信号的某种参量（如振幅、频率、相位）来表示要用这种信号的某种参量（如振幅、频率、相位）来表示要传递的数据。传递的数据。数字信号是只取有限值（或状态）的信号，在通信中，数字信号是只取有限值（或状态）的信号，在通信中，是以某一瞬间的状态来表示传送的信息

5、。是以某一瞬间的状态来表示传送的信息。SICHUAN NORMAL UNIVERSITY CHENGDU COLLEGE HUAXIAO-CAOPage 62-1.1.3 数据传输 数据传输以信号为载体数据传输以信号为载体模拟传输模拟传输：是指模拟数据的传输，不关心所传输信号的：是指模拟数据的传输，不关心所传输信号的内容，而只关心尽量减少信号的衰减和噪声，长距离传输内容，而只关心尽量减少信号的衰减和噪声，长距离传输时，采用信号放大被衰减的信号，但同时也放大了信号中时，采用信号放大被衰减的信号，但同时也放大了信号中的噪声。的噪声。数字传输数字传输：是指数字数据的传输，关心信号的内容，可：是指数字

6、数据的传输，关心信号的内容，可以数字信号传输，也可以模拟信号传输，长距离传输时，以数字信号传输，也可以模拟信号传输，长距离传输时，采用转发器，可消除噪声的累积。采用转发器，可消除噪声的累积。 长距离传输时，通常采用的是数字传输长距离传输时，通常采用的是数字传输SICHUAN NORMAL UNIVERSITY CHENGDU COLLEGE HUAXIAO-CAOPage 72-1.1.4 数据传输系统模型传输系统输入信息输入数据发送的信号接收的信号输出数据源点终点发送器接收器调制解调器PC 机公用电话网调制解调器数字比特流数字比特流模拟信号模拟信号 输入汉字显示汉字数据通信系统源系统目的系统

7、传输系统输出信息PC 机SICHUAN NORMAL UNIVERSITY CHENGDU COLLEGE HUAXIAO-CAOPage 82-1.1.4 数据传输系统模型 源系统源系统源点（信源、源站）：产生要传输的数据，如源点（信源、源站）：产生要传输的数据，如PCPC机。机。发送器：把源点产生的数据变成能在传输系统中的信号，并发送。发送器：把源点产生的数据变成能在传输系统中的信号，并发送。 传输系统传输系统负责把信号从源端传送到目的端；通常需要处理传输差错。负责把信号从源端传送到目的端；通常需要处理传输差错。 目的系统目的系统接收器：把来自传输系统的信号转换成目的设备能处理的信息。接收

8、器：把来自传输系统的信号转换成目的设备能处理的信息。终端（信宿、目的站）：获取接收器传来的信息，是调制的逆过程。终端（信宿、目的站）：获取接收器传来的信息，是调制的逆过程。SICHUAN NORMAL UNIVERSITY CHENGDU COLLEGE HUAXIAO-CAOPage 92-1.2 通信信道及其主要特性2-1.2.1 2-1.2.1 基本概念基本概念2-1.2.2 2-1.2.2 信道工作方式信道工作方式2-1.2.3 2-1.2.3 宽带传输和基带传输宽带传输和基带传输2-1.2.4 2-1.2.4 异步通信和同步通信异步通信和同步通信2-1.2.5 2-1.2.5 并行通

9、信和串行通信并行通信和串行通信SICHUAN NORMAL UNIVERSITY CHENGDU COLLEGE HUAXIAO-CAOPage 102-1.2.1 基本概念 数据传输速率与带宽数据传输速率与带宽 信号传播速率信号传播速率 载波频率载波频率 采样频率采样频率 量化量化 噪声、噪声比噪声、噪声比 波特率与比特率波特率与比特率比特率比特率 = log= log2 2V V波特率波特率SICHUAN NORMAL UNIVERSITY CHENGDU COLLEGE HUAXIAO-CAOPage 11Nyquist定理 在无噪声信道中，当带宽为在无噪声信道中，当带宽为H HzH H

10、z，信号电平为，信号电平为V V级，级，则：则：数据传输速率数据传输速率 = 2H log= 2H log2 2 V b/s V b/s（V V：信号电平的级数，在二进制中，仅为：信号电平的级数，在二进制中，仅为0 0、1 1两级）两级） 即：以每秒高于即：以每秒高于2H2H次的速率对线路采样是无意义的，次的速率对线路采样是无意义的，因为高频分量已被滤波器滤掉无法再恢复。因为高频分量已被滤波器滤掉无法再恢复。SICHUAN NORMAL UNIVERSITY CHENGDU COLLEGE HUAXIAO-CAOPage 12Shannon定理 在噪声信道中，当带宽为在噪声信道中，当带宽为H

11、HzH Hz，信噪比为，信噪比为S/NS/N，则：，则：最大数据传输速率（最大数据传输速率（b/sb/s） = H log= H log2 2 （1+S/N1+S/N）很多情况下信噪比用分贝（很多情况下信噪比用分贝（dBdB）表示）表示信噪比（信噪比（dBdB）=10 log=10 log1010S/NS/N如：信噪比为如：信噪比为30dB30dB，则，则S/N=1000S/N=1000SICHUAN NORMAL UNIVERSITY CHENGDU COLLEGE HUAXIAO-CAOPage 132-1.2.2 信道工作方式 按照信息交互方式分：按照信息交互方式分：单工通信单工通信：单

12、向传输，如广播、电视。：单向传输，如广播、电视。半双工通信半双工通信：双方都可以发送或接收，但不能同时，即当一：双方都可以发送或接收，但不能同时，即当一方发送时，另一方接收。方发送时，另一方接收。双工通信双工通信：双方同时可以发送和接收信息。：双方同时可以发送和接收信息。全双工需要两条信道全双工需要两条信道SICHUAN NORMAL UNIVERSITY CHENGDU COLLEGE HUAXIAO-CAOPage 142-1.2.3 数据传输方式 基带传输基带传输：信号源产生的原始信号。：信号源产生的原始信号。 即：将数字数据即：将数字数据0 0、1 1直接用两种不同的电压表示，然后直接

13、用两种不同的电压表示，然后送到线路上去传输。送到线路上去传输。 宽带传输宽带传输：将基带信号进行调制后形成模拟信号，然：将基带信号进行调制后形成模拟信号，然后采用频分复用技术实现宽带传输。后采用频分复用技术实现宽带传输。 有线电视网：带宽可达有线电视网：带宽可达750MHz750MHz，以模拟信号传输，传输，以模拟信号传输，传输距离可达距离可达100km100km。 混合光纤电缆混合光纤电缆HFCHFC：频段：频段54-550MHz54-550MHz是电视信号，是电视信号，550-550-750MHz750MHz是数字数据。是数字数据。 宽带系统可分为多个信道，所以模拟和数字数据可混合使宽带系

14、统可分为多个信道，所以模拟和数字数据可混合使用，但通常解决数据双向传输的问题。用，但通常解决数据双向传输的问题。SICHUAN NORMAL UNIVERSITY CHENGDU COLLEGE HUAXIAO-CAO2-1.2.4 数据通信方式 在数字数据通信中，一个最基本的要求是发送端和接收端之间在数字数据通信中，一个最基本的要求是发送端和接收端之间以某种方式保持以某种方式保持位同步位同步，只有保证了位同步才可能保证帧同步。，只有保证了位同步才可能保证帧同步。 所以接收端必须对它所接收的数据流中每一位进行正所以接收端必须对它所接收的数据流中每一位进行正确采样，才能确保数据接收的正确性。确采

15、样，才能确保数据接收的正确性。 异步异步通信通信 同步同步通信通信 通信双方必须遵循通信双方必须遵循同一个通信规程同一个通信规程，使用相同的位同步方式进，使用相同的位同步方式进行数据传输。根据通信规程所定义的位同步方式，可分为：行数据传输。根据通信规程所定义的位同步方式，可分为：SICHUAN NORMAL UNIVERSITY CHENGDU COLLEGE HUAXIAO-CAO异步通信 异步通信异步通信：是指发送方和接收方的采样时钟不是同一个，而：是指发送方和接收方的采样时钟不是同一个，而是以字符为单位的数据传输，常用的是是以字符为单位的数据传输，常用的是ASCIIASCII字符集。字符

16、集。 数据块以数据块以字符字符为单位，每个字符都要附加为单位，每个字符都要附加1 1位起始位和位起始位和1 1位停位停止位作标志，以标记字符的开始和结束。止位作标志，以标记字符的开始和结束。 此外，还要附加此外，还要附加1 1位奇偶校验位。位奇偶校验位。 波特率波特率 异步通信必须指定四个参数异步通信必须指定四个参数 字符长度字符长度 奇偶校验奇偶校验 停止位长度停止位长度SICHUAN NORMAL UNIVERSITY CHENGDU COLLEGE HUAXIAO-CAOPage 17同步通信 同步通信同步通信：发送方和接收方的采样时钟是同一个。：发送方和接收方的采样时钟是同一个。 通常

17、发送方在发送数据的编码中包含时钟，而接收方则通常发送方在发送数据的编码中包含时钟，而接收方则从数据流中提取时钟用以采样，所以说双方所用的时钟是从数据流中提取时钟用以采样，所以说双方所用的时钟是同一个。同一个。 根据同步通信规程分：根据同步通信规程分： 面向字符面向字符的同步通信的同步通信 面向面向bitbit流流的同步通信的同步通信SICHUAN NORMAL UNIVERSITY CHENGDU COLLEGE HUAXIAO-CAO面向字符的同步通信 在面向字符的同步通信中，字符集可用在面向字符的同步通信中，字符集可用ASCIIASCII或或EBCDICEBCDIC，数据块由字符组成，数据

18、块前加一个或两，数据块由字符组成，数据块前加一个或两个同步字符个同步字符SYNSYN用于数据块的同步。用于数据块的同步。 每个字符必须有起始位和停止位。每个字符必须有起始位和停止位。 波特率波特率 典型的面向字符的同步通信规程是典型的面向字符的同步通信规程是BISYNCBISYNC与异步通与异步通信相类似，必须指定相关参数：信相类似，必须指定相关参数： 字符长度字符长度 奇偶校验奇偶校验SICHUAN NORMAL UNIVERSITY CHENGDU COLLEGE HUAXIAO-CAO面向bit流的同步通信 在面向在面向bitbit流的同步通信中，每个数据块的头部和尾流的同步通信中，每个

19、数据块的头部和尾部用一个或多个特殊的比特序列（如部用一个或多个特殊的比特序列（如0111111001111110）来标）来标记数据块的开始和结束，数据块将作为记数据块的开始和结束，数据块将作为bitbit流来处理，流来处理，而不是作为字符流来处理。而不是作为字符流来处理。 典型的面向位流的同步通信规程是高级数据链路控制典型的面向位流的同步通信规程是高级数据链路控制（HDLCHDLC）规程和同步数据链路控制（）规程和同步数据链路控制（SDLCSDLC）规程，）规程，收发双方必须约定的参数有：收发双方必须约定的参数有： 传输速率传输速率 CRCCRC生成多项式等生成多项式等SICHUAN NORM

20、AL UNIVERSITY CHENGDU COLLEGE HUAXIAO-CAO面向bit流的透明传输 在面向在面向bitbit流的同步通信中，为了避免在数据块的数流的同步通信中，为了避免在数据块的数据中出现标记数据块开始和结束的特殊位模式（如据中出现标记数据块开始和结束的特殊位模式（如0111111001111110），通常采用位插入法，即发送端总是检测），通常采用位插入法，即发送端总是检测所发送的数据流，每当出现连续的所发送的数据流，每当出现连续的五个五个1 1后便自动插后便自动插入一个入一个0 0，接收端在接收数据流时，如果检测到连续，接收端在接收数据流时，如果检测到连续五个五个1 1

21、的序列，就检查其后的一个的序列，就检查其后的一个bitbit，若该，若该bitbit是是0 0，则删除；若该则删除；若该bitbit为为1 1，则表示数据块的结束，转入结，则表示数据块的结束，转入结束处理。束处理。SICHUAN NORMAL UNIVERSITY CHENGDU COLLEGE HUAXIAO-CAOPage 212-1.2.5 串行通信与并行通信 串行通信串行通信数据数据按位按位为单位，以时间为序。为单位，以时间为序。典型的串行接口典型的串行接口RS-232CRS-232C 并行通信并行通信数据数据按字符按字符为单位，以时间为序。为单位，以时间为序。打印机是常用的并行接口打

22、印机是常用的并行接口SICHUAN NORMAL UNIVERSITY CHENGDU COLLEGE HUAXIAO-CAO典型的串行接口RS-232C RS-232CRS-232C是用于计算机或终端与是用于计算机或终端与ModemModem间的物理层间的物理层协议（定义接口的机械、电气、功能和过程特性）。协议（定义接口的机械、电气、功能和过程特性）。计算机或终端设备：计算机或终端设备：DTEDTE（data terminal equipmentdata terminal equipment）调制解调器：调制解调器：DCEDCE（data circuit-terminating data c

23、ircuit-terminating equipmentequipment）RS232RS232工作环境工作环境 不足：不足：传输性能低、距离短、速率低传输性能低、距离短、速率低 改进：改进：重新设计，重新设计，X.21X.21数字接口数字接口 以以RS-232-CRS-232-C为基础改进，为基础改进，19771977年提出年提出RS449RS449SICHUAN NORMAL UNIVERSITY CHENGDU COLLEGE HUAXIAO-CAORS-232C特性Page 23 机械特性：机械特性：2525针针D D型插座及相关长、宽、高；型插座及相关长、宽、高； DTE DTE为插

24、头、为插头、DCEDCE为插座；为插座； DB25 DB25、DB9DB9。 电气特性：电气特性：逻辑逻辑0 0：+12V+12V； 逻辑逻辑1 1：-12V-12V； 最长传输距离最长传输距离15m15m； 最大传输速率最大传输速率20Kbps信号宽度SICHUAN NORMAL UNIVERSITY CHENGDU COLLEGE HUAXIAO-CAO2-1.4.2 时分多路复用技术 时分复用时分复用TDMTDM（Time Division MultiplexingTime Division Multiplexing）当信道能达到的位传输速率大于各路信号的数据传输速率当信道能达到的位传输

25、速率大于各路信号的数据传输速率总和时，可以将信道的时间分割为一个个的总和时，可以将信道的时间分割为一个个的时间片时间片，按照，按照一定规则将这些时间片分割给各路信号源，每一信号源只一定规则将这些时间片分割给各路信号源，每一信号源只能在自己的时间片内独占信道进行传输。能在自己的时间片内独占信道进行传输。SICHUAN NORMAL UNIVERSITY CHENGDU COLLEGE HUAXIAO-CAOTDM的同步和异步 同步同步TDMTDM：时间片与输入装置一一对应，即同步：时间片与输入装置一一对应，即同步 如某个时间片对应的输入装置无数据发送，则该时间片空闲；如某个时间片对应的输入装置无

26、数据发送，则该时间片空闲；传输介质的传输速率不能低于各个输入信号的数据速率之和。传输介质的传输速率不能低于各个输入信号的数据速率之和。SICHUAN NORMAL UNIVERSITY CHENGDU COLLEGE HUAXIAO-CAOTDM的同步和异步 异步（统计）异步（统计）TDMTDM：时间片是：时间片是按需按需动态分配的动态分配的 在传输的数据单元中必须包含地址信息，以便寻找目的在传输的数据单元中必须包含地址信息，以便寻找目的节点节点 传输介质的传输速率只要不低于各个输入信号的平均数传输介质的传输速率只要不低于各个输入信号的平均数据速率即可。据速率即可。SICHUAN NORMAL UNIVERSITY