《网络与通信技术》第2章

1、网络与通信技术第2章 数字通信系统基本原理1.数字通信系统基本知识 2.数字传输3.模拟传输4.复用技术5.传输介质 2.1 数据通信系统基本知识2.1.1 模拟与数字1.数据分为：模拟数据和数字数据2模拟数据：是指连续状态的信息，采用连续值 。例：声音、V、I2数字数据：是指离散状态的信息，采用离散值 。例：二进制数据2.信号分为：模拟信号（连续信号）和数字信号（离散信号）2模拟信号：在一段时间内有无穷多个强度等级。 例：电压、电流2数字信号：只有有限个已定义的数值。 例：2.1 数据通信系统基本知识2.1.1 模拟与数字3.信号的分类：四种2周期模拟信号2周期数字信号2非周期模拟信号2非周

2、期数字信号4.常用的：周期模拟信号和非周期数字信号（原因？）5.信号的带宽（通常有两含义）2指一段频率范围（f1f2）。有“信号带宽”和“信道带宽2指信号传输速率。“通道容量”2其它的定义？6.信道的带宽2.1 数据通信系统基本知识2.1.2 模拟信号1.正弦信号2振幅2频率2相位2.时域和频域2时域信号显示了信号振幅随时间的变化情况。2频域信号只与峰值和频率相关，不显示一个周期中的振幅变化。2.1 数据通信系统基本知识2.1.2 模拟信号3.单频模拟信号2.1 数据通信系统基本知识2.1.2 模拟信号4.周期模拟复合信号2.1 数据通信系统基本知识2.1.2 模拟信号5.非周期模拟信号2.1

3、 数据通信系统基本知识2.1.2 模拟信号6.模拟信号带宽2带宽为信号最高频率与最低频率的差值。7.模拟信号特征2信号的频率分布（带宽）都是在有限范围内 ；2周期模拟信号的频谱图是离散的；而非模拟周期信号的频谱图是连续的。 2.1 数据通信系统基本知识2.1.3 数字信号1.数字信号的表示2一个二进制数字信号用两个电平表示。1可以编码为正电平，0可以编码为0电平； 2数字信号也可以用多个电平表示。此时，每个电平就可以发送多个位。 2一般，如果信号有L个电平，则每个电平需要（log2L）个bit位。 2.1 数据通信系统基本知识2.1.3 数字信号2.数据速率（又称比特率）2比特率是一秒种发送的

4、位数。其单位bps。用Rb表示。3.信号速率（又称波特率）2是每秒发送信号元素的数量，单位是Bd。用RB表示。4.两者的关系2logbBRRL2.1 数据通信系统基本知识2.1.3 数字信号5.数字信号的特征2对于数字信号，无论是周期信号还是非周期信号，它们的带宽都是无穷大的；2周期信号有离散谱，而非周期信号有连续谱。 2.1 数据通信系统基本知识2.1.3 数字信号6.数字信号的传输2基带传输：基带传输就是所发送的数字信号不转换成模拟信号，直接进行传输。 2基带传输需要一个带宽下限频率接近0的低通通道。低通通道可分为窄带宽的低通通道和宽带宽的低通通道。2宽带传输：又称频带传输或调制，使用带通

5、通道 。7.【问题】数字信号传输所需的信道带宽是多少？2.1 数据通信系统基本知识2.1.4 传输损耗1.衰减（attenuation）：衰减意味着能量的损失。 原因？2信号损失或增益的强度的表示：分贝2分贝是用于计算两种信号之间，或者同一信号在两个不同位置之间的相对强度。 2公式：dB = 10log10(P2/P1)2.1 数据通信系统基本知识2.1.4 传输损耗2.失真（distortion）：意味着信号改变了形状或形态 。 失真主要产生在由不同频率成分组成的复合信号当中。原因？2.1 数据通信系统基本知识2.1.4 传输损耗3.噪声（noise）：是另一个损耗原因 。有以下几种类型的噪

6、声： 2热噪声：是电缆中的电子随机移动而产生的额外信号，而不是信号发送装置发送的。 2感应噪声：来源是电动机和设备，这些设备工作时相当于发射天线，而传输介质称为接收天线。 2串扰：是电缆之间的相互影响。 2脉冲噪声：是一种尖峰信号，来自输电线、闪电等。 4.信噪比（Signal-to-noise tatio，SNR）2SNR = 平均信号功率 / 噪声信号功率2用分贝表示时 ：SNRdB = 10 log10SNR 2.1 数据通信系统基本知识2.1.5 数据传输速率限制1.描述：在一个通道中能够以多快的速率发送数据？数据传输速率取决于三种因素： 2有效带宽2使用的信号电平数 2通道的质量 2

7、.无噪声信道最大数据传输速率 （Nyquist bit rate） 最大比特率 = 2Blog2L（bps） 3.有噪声信道最大数据传输速率 。也称“信道容量”，又称Shannon Capacity C = B log2 (1+SNR) 2.1 数据通信系统基本知识2.1.6 数据传输网络的性能1.带宽（Bandwidth） 2以频率衡量的带宽：是指复合信号包含的频率范围，或通道能通过的频率范围。2以能量衡量的带宽：信号的能量与信号总能量之比。 2以比特率衡量的带宽：是指通道或链路中bit的传输速率。 2.吞吐量（throughput） 2吞吐量用于衡量通过网络发送数据的快慢。例： 3.延迟（

8、delay） 2延迟定义了第一个位从源开始发出到整个报文完全到达目标所经历的时间。 延迟 = 传播时间 + 传输时间 + 排队时间 + 处理时间 传播时间= 距离 / 传播速度 传输时间= 报文长度 / 带宽2.2 数字传输 本节主要内容1.传输编码2常用的传输编码技术 线路编码（数字信号） 块编码（数字数字）2传输编码要求： 信号中没有直流成分； 信号自带同步时钟； 以较少的带宽获得较高的数据率； 有抗干扰的能力； 有发现传输错误的能力； 实现要简单2.模拟信号数字化传输3.传输模式2.2 数字传输2.2.1 线路编码1.单极性/双极性编码2.不归零编码（NRZ）定义：特点：2信号的两个状态

9、对应1比特的两个值； 21比特占用一个脉冲，数据率等于波特率； 2都有直流成分； 2都没有自带同步时钟。 2.2 数字传输2.2.1 线路编码3.归零码（RZ）定义：特点： 直流成分较少；自带了时钟。 信号是3电平（-，0，+）产生信号和判别其值均较复杂； 1比特时间有2个脉冲，即比特率是波特率的一半。波特率高要求转输的带宽就高，这不符合用较少带宽传送更高速率数据的要求。2.2 数字传输2.2.1 线路编码4.曼彻斯特编码和差分曼彻斯特码定义： 特点：？2没有直流成分，自带同步时钟，解决NRZ-I的同步问题；2实现简单； 2波特率是比特率的两倍，要求的带宽大。应用： 10Mbps以太网2.2

10、数字传输2.2.1 线路编码5.多电平编码定义：表示： mBnL例子：8B6T8B6T应用：100Base-T42.2 数字传输2.2.2 块编码1.块编码描述：2.表示：mB/nB3.三个步骤：2分组2置换2组合4.特点：2当nm时，这一变换，就增加了许多冗余码，对于前面的多种编码方法，加上块编码可以弥补它们的不足，提高其性能。 2.2 数字传输2.2.2 块编码5.常用的mB/nB24B/5B28B/10B6.块编码4B/5B2.2 数字传输2.2.2 块编码7.块编码与NRZ-I结合可以克服NRZ-I的缺陷同步问题（长0或1字符串引起的基线偏移）。2.2 数字传输2.2.3 模拟信号数字

11、化传输1.描述2.方法2波形编码：直接把时域波形变换为数字代码序列。比特率在1664kbps范围内，接收端重建信号质量好。常用的波形编码 ：PCM，ADPCM，DM2参数编码：利用信号处理技术，提取语音信号的特征参数，再变换成数字代码。其比特率在16kpbs，接收端恢复信号的质量不够好，如新型预测编码（LP）。2.2 数字传输2.2.3 模拟信号数字化传输 - PCM1.描述：PCM是用一组二进制数字代替连续信号的采样值。2.PCM编码过程2采样：必须满足“采样定理”；否则，会出现“混叠失真”2量化：均匀量化和非均匀量化2编码（数字编码）2.2 数字传输2.2.3 模拟信号数字化传输 - PC

12、M2.2 数字传输2.2.3 模拟信号数字化传输 - PCM3.非均匀量化2均匀量化的缺陷2理想的对数压扩律 2A律压扩特性2律压扩特性11lnyxK ln(1|)ln(1)xy|1,0 |ln(1|)1 ln1 ln|1ln(1),| 11 lnA xxxAAyA xxAA2.2 数字传输2.2.3 模拟信号数字化传输 - PCM4.编码要注意的问题2码字和码型的选择对于M个量化电平，可以用n位二进制码来表示，其中的每一个码组称为一个码字。码型指的是代码的编码规律。2码位数的选择与安排码位数的选择，它不仅关系到通信质量的好坏，而且还涉及到设备的复杂程度。码位数的多少，决定了量化分层的多少，反

13、之，若信号量化分层数一定，则编码位数也被确定。 如信号量化分层数为8，则码位数为3。 2.2 数字传输2.2.4 传输模式1.传输模式分类2.2 数字传输2.2.4 传输模式2.并行传输2.2 数字传输2.2.4 传输模式3.串行传输2.2 数字传输2.2.4 传输模式4.异步传输2.2 数字传输2.2.4 传输模式5.同步传输2.3 模拟传输2.3.1 数字信号调制与解调1.描述2如果只有带通信道，怎么办哪？2载波采用正弦信号2.调制方式：2调幅2调频2调相( )cos(2)cs tAft2.3 模拟传输2.3.1 数字信号调制与解调调幅1.描述：2是正弦信号的振幅随数字基带信号变化的的数字

14、调制。当数字基带信号为二进制时，称为幅移键控（2ASK）。2基带信号的表示2.2ASK信号的产生2.3 模拟传输2.3.1 数字信号调制与解调2ASK3.2ASK信号的频谱2由连续谱和离散谱组成；2调幅信号的带宽是基带信号的两倍。2.3 模拟传输2.3.2 数字信号调制与解调调频1.描述：2是正弦信号的频率随数字基带信号在频率f1和f2两个频率点间变化。当数字基带信号为二进制时，称为频移键控（2FSK）。2基带信号的表示2.2FSK信号的产生2.3 模拟传输2.3.2 数字信号调制与解调2FSK3.2FSK信号的频谱2由连续谱和离散谱组成；2带宽为BFSK=2Bb+|f2-f1|。2.3 模拟

15、传输2.3.3 数字信号调制与解调调相1.描述：2是正弦信号的相位随数字基带信号离散变化而变化。当数字基带信号为二进制时，称为相移键控（2PSK）。2两种：2PSK和2DPSK2.2PSK信号的产生2“倒相” 现象2.3 模拟传输2.3.3 数字信号调制与解调2DPSK3.2DPSK信号的产生2= 0 02=180 14.2DPSK的实现方法2先对二进制基带信号进行差分编码，将绝对码变为相对码；2再进行绝对调相5.PSK信号的频谱2.3 模拟传输2.3.4 数字信号调制与解调QPSK1.正交(Quadrature)PSK（QPSK）的思想2用两个独立的BPSK进行调制；2一个是同相的，一个是正

16、交的。1.特点A.调制输出信号有四种信号元素；B.每个信号元素可以表示2bits。2.3 模拟传输2.3.4 数字信号调制与解调QPSK2.3 模拟传输2.3.4 数字信号调制与解调星座图1.坐标 2水平轴与同相载波相关 2垂直轴与正交载波相关2.3 模拟传输2.3.4 数字信号调制与解调星座图2.ASK，BPSK，QPSK信号的星座图2.3 模拟传输2.3.5 正交振幅调制QAM1.QAM是ASK与PSK的结合2由于PSK受到设备辨别相位细小差别能力的限制，所以也就限制了其潜在的比特率。2 如果将ASK和PSK结合，使“同相载波”和“正交载波”的振幅大小不同，可以提高分辨能力。2QAM可能的

17、变化有很多种，如下图：2.4 复用技术1.描述2复用2分用2.常用的复用方式2频分复用2时分复用2波分复用2.4 复用技术2.4.1 频分复用（FDM）1.描述2.复用方法2把各个输入的低频信号调制到各不相同的载波高频信号上，实现频谱平移，平移后的频谱互不重叠； 2把各个已调信号相加，得到复合信号； 2将复合信号送链路。 2.4 复用技术2.4.1 频分复用（FDM）3.分用方法2将复合信号用中心频率各不相同的带通滤波器进行滤波，分为多个独立的调制信号； 2用解调器还原为低频信号； 2将低频信号送各接收端。 2.4 复用技术2.4.2 波分复用（WDM）1.描述2光纤的速率可达50 000Gb

18、ps，由于光电转换器件达不到那样的高速度，所以目前在光纤中的数据速率是2.5Gbps和10Gbps。显然，如果一根光纤上只传输一路光信号，光纤的使用效率是很低的。2WDM就是光纤上光信号的复用技术 。2.4 复用技术2.4.3 时分复用（TDM）1.描述：2.分类：同步时分复用和统计时分复用3.同步时分复用的基本原理2.4 复用技术2.4.3 时分复用（TDM）4.采用TDM的收、发两端的工作原理2.4 复用技术2.4.3 时分复用（TDM）4.采用TDM的收、发两端的工作原理2.4 复用技术2.4.3 时分复用（TDM）5.公共电话系统的TDM2TDM采用PCM调制方式。2国际上将PCM基群分为两种标准：PCM24路制式（律压扩特性）和PCM30/32路（A律压扩特性）2形成了早期的准同步数字体系（PDH），存在很大缺陷。6.PCM24路复用方式2.4 复用技术2.4.3 时分复用（TDM）7.PC