数字通信基础

通信技术基础陈红2014年03月二、数字通信基础返回1、数字通信技术2、通信系统的性能指标本节内容与要求返回通信技术基础——主要介绍数据通信的概念、调制解调技术、传输编码、传输方式、差错控制、传输控制协议、多路复用、数据交换、虚电路概念等。要求——本节内容是计算机网络通信的基础，能够理解网络通讯的基本原理。1、数字通信技术数字通信——在数字信道上实现模拟信息或数字信息的传输模拟通信——在模拟信道上实现模拟信息或数字信息的传输返回数字通信系统信源编码调制器信道解调器信道解码噪声源信源收信者信道编码信源解码差错控制数字通信的优点返回抗噪声（干扰）能力强可以控制差错，提高了传输质量便于用计算机进行处理易于加密、保密性强可以传输语音、数据、影像，通用、灵活计算机通信仅在不得已的情况下，才会采用模拟通信，如通过电话线拨号上网。（1）信源编码信源编码——将信息或信号接一定的规则进行数字化 的过程。对于本身具有离散的特点的信息，如文字、符号等可以用一组一定长度的二进制代码来表示，称其为信息码。对于连续信号如话音、图像等，其数字编码与解码过程，实际上就是模数转换（A/D）和数模转换（D/A）返回(a)ASCII码—文字、符号数字化A1000001Q1010001g1100111w1110111“0100010B1000010R1010010h1101000x1111000#0100011C1000011S1010011i1101001y1111001$0100100D1000100T1010100j1101010z1111010%0100101E1000101U1010101k110101100110000&0100110F1000110V1010110l110110010110001‘0100111G1000111W1010111m110110120110010(0101000H1001000X1011000n110111030110011)0101001I1001001Y1011001o110111140110100*0101010J1001010Z1011010p111000050110101+0101011K1001011a1100001q111000160110110,0101100L1001100b1100010r111001070110111.0101101M1001101c1100011s111001180111000-0101110N1001110d1100100t111010090111001/0101111O1001111e1100101u1110101sp0100000

P1010000f1100110v1110110!0100001

返回(b)PCM—话音信号数字化

语音信号011100011011001100

PCM输出343314011100011011001100

PCM脉冲（有量化误差）3.23.92.83.41.24.2

PAM脉冲返回模拟话音f<4kHz采样时钟PCM信号采样电路量化和编码数字化声音fs=8kHz话音信道带宽<4kHz(防混叠低通滤波器限带)采样时钟频率f：8kHz(>2倍话音最大频率)

（此时采样周期T=1/f=1/8000=125x10-6s=125us）量化级数：256级(每个抽样值用8位二进制码表示)数据率：（8x103次/s）*8bit=64x103bit/s每路PCM信号的速率=64kbit/sPCM信号速率64kbit/s返回*采样定理语音信号要在数字线路上传输，必须将语音信号转换成数字信号。这需要经过三个步骤：采样：按一定间隔对语音信号进行采样量化：对每个样本舍入到量化级别上编码：对每个舍入后的样本进行编码编码后的信号称为PCM信号(脉冲编码调制,PulseCodedModulation)如果模拟信号的最高频率为f，若以2f的采样频率对其采样，则采样得到的离散信号序列就能完整地恢复出原始信号。返回E1-帧格式（PCM信号的传输输）0121631时间片125ms=32时隙=2.048Mbps帧同步信令30路话音数据(PCM数据)+2路控制用户话路用户话路E1——线路也可以以用于计算算机通信每125us为一个时间间片，每时时间片分为为32个通通道。（此时采样周期T=1/f=1/8000=125x10-6s=125us）通道0用于于同步，通通道16用用于信令，，其他30个通道用用于传输30个PCM话音数据。。E1速率=(32x8bit)/125us=2.048Mb/s返回复用后的数据流时隙号1231D3D2D1时间片12时间片2D1时隙D2A2A1A3原始信号D2D1D3数字化信号MUX复用器同步时分复复用-TDM原理——把时间分割割成小的时间片（帧帧），每个时间间片分为若若干个时隙，每路数据占用一个时隙进行传输。。由于每路数数据总是使使用每个时时间片的固固定时隙，所以这种种时分复用用也称为同步时分复复用（Synchronous—TDM)返回PCM信号的帧传输帧(Frame)——数据链路中中的传输单单位，包含含数据和控控制信息息的数据块块。返回*PCM信号传输—E1/T1制式T1-标准(北北美、日本本)——24时隙的的帧结构E1-标准(欧欧洲、中国国、南美)——30／32时隙的帧帧结构E1(一次群)标标准对E1进一步复用用，还可构构成E2、E3、E4和E5。E5可承载7680个话话路，数据据率约为565Mbit/s返回*E1/T1制式主要技技术参数G.711建议对PCM基群规定的的主要技术术参数如下下表参数30/32路制式-E124路制式-T1话音频率（kHz）300～3400300～3400抽样率（kHz）88编码位数88量化层次256256压缩律A律（A=87.6）μ律（μ=255）单路编码率（kbit/s）6464帧长（μs）125125时隙（帧）3224话路（帧）3024复用码流速（kbit/s）20481544返回ABCD待发数据t1t2t3A1B1C1D1C2D2A2B2时间片1时间片2同步TDM带宽浪费A1B1B2时间片1时间片2统计TDM可用带宽C2*异步(Asynchronous)—TDM返回TDM的缺点：某某用户无数数据发送，，其他用户户也不能占占用该时隙隙，将会造造成带宽浪浪费。改进：用户户不固定占占用某个时时隙，有空空时隙就将将数据放入入。*异步传输输模式ATM简介信元头部有效载荷5Byte

48Byte信元返回ATM是一种高速速分组交换技技术，采用了以以信元(Cell)为单位的存存储转发方方式，故又又称为信元元交换。信信元由5字节的信元头部和48字节的有效载荷构成ATM将话音、数据据和图像等数据分解解成长度固定的的数据块，并在各数数据块前加加上地址、、优先级等等控制信息息构成信元元。信元流123456数据块在ATM网络中，空空信元以一定的速率率出现，发送送站只要获获得空信元即可把信息息插入到信信元中发送送。因信息息插入位置置无周期性性，故称这这种传送方方式为异步传输模模式。实际上就就是统计时时分复用。。ATM特点：面向连接接(虚连接)，按序递交交；固定大大小的信元元，便于高高速处理(可用硬件实实现)，传输速率率155-622Mbps；可以实时时地传送语音和活动动图像。*ATM特点返回*SONET同步光网络络和SDH同步数字系系列SONET同步光网络络和SDH同步数字系系列(ITU-T标准)。常用的线线路速率近近似为155Mbit/s，622Mbit/s，2.5Gbit/s和10Gbit/s。返回SONETSDH制式（电）制式（光）速率（Mbit/s）制式速率（Mbit/s）STS-1OC-151.84STM-1155.52STS-3OC-3155.52STS-9OC-9466.56STM-4622.08STS-12OC-12622.08STS-18OC-18933.12STS-24OC-241244.16STS-36OC-361866.24STM-162488.32STS-48OC-482488.32STS-96OC-964976.64STM-649953.28STS-192OC-1929953.28F2F1F3光谱F1F2F3共享光纤的光谱光纤2光纤3光纤1共享光纤棱柱/衍射光栅波分复用原理：整个个波长频带带被划分为为若干个波波长范围，，每路信号号占用一个个波长范围来进行行传输。返回（c）图像与视视频信号数数字化图像或视频频信号的频频带较宽、、数据量较较大（如一幅分分辨率为10241024的的真彩色图图像，其数数据量约为为25Mbit），经数字字化后的速速率很高，，通常超过过100Mbit/s，其中HDTV高达746Mbit／s，不压缩传传送占用的的信道容量量相当大，，必须采用用高效的压压缩编码技技术才能解解决数字图图像和视频频信号的有有效传输问问题。目前用于图图像压缩的的方法主要要有：无损编码和和有损编码码。无损编码利用信号的的统计特性进进行数据压压缩，所以又称称为熵编码码。有损编码利用人的视觉特性进进行数据压压缩，可使得解解压缩后的的图像看起起来逼近于于原图像信信号，但无无法完全无无失真地恢恢复它。常用国际标标准：JBIG标准、JPEG标准、H.261建议、MPEG标准返回图像压缩JBIG-JPEGJBIG（JointBiLevelImageGroup）联合二值图像专家组拟定定，无损压缩标准（适用于黑白白图像）。JPEG（JointPhotographicExpertsGroup）联合图图像专家家小组拟拟定，针对相片片图像而广泛使使用的一一种有损压缩缩标准方法法。静止止图像压压缩标准准（JPEG/JPEG2000)适用于黑白及彩彩色照片片、传真真和印刷刷图片。JPEG本身只有有描述如如何将一一个图像转换换为字节节的数据流流（streaming），但并并没有说说明这些些字节如如何在任任何特定定的存储储媒体上上被封存存起来。。视频压缩缩H.261H.261又称为P*64，其中P为64kb/s的取值范范围，是是1到30的可变参数数，它最初是是针对在在ISDN上实现电电信会议议应用，，特别是是面对面的可视电话话和视频会议议而设计的的视频压缩缩MPEG-1/2MPEG（MovingPictureExpertsGroup）运动图图像专家家组。MPEG-1用于传输输1.5Mbps数据传输输率的数字存储储媒体运运动图像像及其伴伴音的编编码，经过MPEG-1标准压缩缩后：视频数据据压缩率率为1/100-1／200，音频压缩缩率为1／6.5,提供每秒30帧352*240分辨率的的图像。MPEG-2主要针对对高清晰度度电视（HDTV）的需要要，传输输速率为为10Mbps，与MPEG-1兼容，适用于于1.5-60Mbps甚至更高高的编码码范围。。MPEG-2有每秒30帧704*480的分辨率率。(2)信道编码码信道编码码——为了让数数字基带带信号能能够适应应传输信信道的特特性所进行的的码型转换换(电量规定定）。适合信信道传输输特性的的码型型种类很很多，常常用的码码型除二二电平归归零（RZ）码、非归零（（NRZ）码外，还有有：差分码（（相对码码）、Manchester码（双相码码）、差分曼彻彻斯特码码、传传号号交替反反转（AMI）码、传传号号反转（（CMI）码、三三阶高高密度双双极性（（HDB3）码、4B5B码、5B6B码、2B1Q码、N连零取代双双极性（BNZS）码及4B3T码、MMS43码、3B2T（SU32）码等。返回*常用数字信信号传输速速率与码型型应用系统典型速率采用码型PCM基群T11.544Mbit/sAMIE12.048Mbit/sHDB3PCM二次基群T26.312Mbit/sB6ZS/AMIE28.448Mbit/sHDB3PCM三次基群T3(日)32.064Mbit/sAMIT3(美)44.736Mbit/sB3ZSE334.368Mbit/sHDB3PCM四次群E4139.264Mbit/sCMI同步数字系列（SDH）STM-1155.520Mbit/sCMI局域网（LAN）以太网10Mbit/sManchester令牌环网4.16Mbit/s差分Manchester光纤分布式数据接口FDDI100Mbit/s4B5BISDN基本速率接口（BRI）S接口192Mbit/sAMIU接口160Mbit/s2B1Q数字数据网G.7032.048Mbit/sHDB3V.3564kbit/sN(2B1Q)返回非归零码(NRZ)不归零码(NRZ，Non-ReturntoZero)二进制数字字0、1分别用两种种电平来表表示。常常用－5V表示1，＋5V表示0（与常识高高电平1，低0相反）。缺点：存在在直流分量量，传输中中不能使用用变压器；；不具备自同同步机制，，传输时必必须使用外外同步。时钟01001100011NRZ返回01001100011时钟差分码差分码返回差分码中利利用电平跳跳变或不跳跳变来分别别表示数字字1或0：编码波形相相对于前一一码电平产产生跳变，，表示1；波形不产生生跳变与前前一码相同同，表示0。用电压的变变化表示0和1,规定在每个码元的的中间发生跳变：：高→低(10)的跳变代表表0，低→高(01)的跳变代表表1曼彻斯特编编码(ManchesterCode)返回01001100011

时钟Manchester差分Manchester差分曼彻斯斯特编码(Differential)返回差分曼彻斯斯特编码(DifferentialManchester)每个曼彻斯特编编码元的中间仍要发生跳跳变用码元开始处处有跳变代表表1，无跳变代代表0曼彻斯特编编码(ManchesterCode)缺点：需要要双倍的传输输带宽（即信号速率是数据速率的2倍）。每个码元中中间都要发发生跳变，，接收端可可将此变化化提取出来来作为同步步信号。这这种编码也称为为自同步码码(Self-SynchronizingCode)。(3)差错控制差错产生的的原因——噪声。线路本身的的电气特性性产生的信信号幅度、、频率、相相位的变化化和衰减信号在线路路上反射产产生的干扰扰相邻线路间间的干扰电磁干扰等等外界因素素数字编码有有三种类型型：信源编码、、信道编码码和差错控控制编码差错控制编编码——是为了让误误码所产生生的影响降降至最低所所进行的码码型变换。。对数字信信号的加密密与解密，，技术上与与差错控制制编码有很很大的相似似之处。返回奇偶校验垂直奇偶校校验——以字符为单位附加加校验位的检验方法法水平奇偶校校验——以字符块为单位附加加校验字符的检验方方法垂直水平奇奇偶校验——例：H——01001000（ASCII码）A——01000001P——01010000P——01010000I——11001001E——11000101S——0101001101010110水平（偶））校验返回循环冗余校校验（CRC）CRC（cyclicredundancycode)原理：例：110011可用p(x)=x5+x4+x1+1表示差错控制——在数据码上上加冗余码码。分纠错码码和检验码收发双方约约定一个生成多项式式G(x)将要发送的的二进制数数当作多项项式p(x)=anxn+an-1xn-1+…+a2x2+a1x1+a0的系数。发送方在帧帧的末尾加加上校验和，使带校验验和的帧的的多项式能能被G(x)整除。校验和是16位或32位的位串。。接收方收到到后，用G(x)除多项式，，若有余数数，则传输输有错。返回(4)数字信号的的载波调制制编码基本原理：：用数字信号号对载波的的不同参量量进行调制制。载波：S(t)=Acos(t+)S(t)的参量包括括：幅度A、频率、初相位数字数据调制就是要使载波的A、或随数字基基带信号的的变化而变变化返回00110100010ASKFSKPSK数字信号载载波调制幅移键控ASK(AmplitudeShiftKeying)：用载波的的两个不同同振幅表示示0和1频移键控FSK(FrequencyShiftKeying)：用载波的的两个不同同频率表示示0和1相移键控PSK(PhaseShiftKeying)：用载波的的起始相位位的变化表表示0和1返回*数字信号号载波调制制—频率键控（（FSK)FSK方式——主要用于低低速（≤1200bit/s）Modem数字信号载载波调制方方式很多，，常用的有有三类：频率键控（（FSK)、差分相位位键控（DPSK）和幅度相位位联合键控控（APSK）。返回*频率调制制—差分相位键键控（DPSK）多用4相和和8相DPSK（记作4DPSK，8DPSK），其相对对相位变化化规则分别别如图2-34a和图2-34b所示。主主要应用于于中速（1200～4800bit/s）的Modem。（a）4DPSK（b）8DPSK图2-344DPSK与8DPSK载波相移矢量图调制波形表表示式为：：fi(t)=Acos(ω0t+i)i=1，2，…，N返回*频率调制制——幅度相位联联合键控（（APSK）主要包括正正交调幅（（QAM）和网格编编码调制（（TCM，trelliscodingmodulation），其信号号空间矢量量如图2-35和图2-36所示。图2-3516QAM的信号空间图调制波形表表示式为：：fi(t)=Aicos(ω0t+i)=aicosω0t+bisinω0t，I=1，2，…，N返回*频率调制制—网格编码调调制（TCM）图2-36V.32TCM的信号空间图调制波形表表示式为：：fi(t)=Aicos(ω0t+i)=aicosω0t+bisinω0t，I=1，2，…，N返回（5）数字信号号传输方式式数字基带信信号——对原始信号号只进行码型型变换，而未经调制的数字信号号。因此占占据的频带带大致与原原数字脉冲冲的相同，，一般从直直流或低频频开始到能能量集中的的一段频率率范围。返回宽带传输——数字信号需需调制成频频带模拟信信号后再传传送（进行频谱搬搬移，使所占频率范围与电话信道道的频带相相匹配），接收方方需要解调调例如：通过过电话模拟拟信道传输输通过闭路电电视的信号号传输基带传输——在线路上直直接传输数数字基带信信号。例如：以太太网局域网网数字通信系系统信源编码调制器信道解调器信道解码噪声源信源收信者信道编码信源解码数字通信系系统模型返回差错控制2、通信系系统的性能能指标衡量通信系系统性能优优劣的基本本指标有两两个：系统统的有效性和可可靠性。有效性——传输一定的的信息量所所消耗的信道道资源数（带宽或时时间）；可靠性——接收信息的准确程度。有效性和可可靠性这两个指标通通常是矛盾盾的。返回数字通信系系统的有效效性数字通信系系统的有效性用速率来衡衡量，速率越高，有效性越越好。数据传输速速率—简称数据率率，指单位位时间内传传送二进制制数据位数数Rb，单位bps(位/秒)，称比特率（BitRate）。码元速率(信息速率））Rs---单位时间传传输的码元元数为码元元速率Rs，又称波特特率（BaudRate-简记Bd)。返回波特率（Baud)—码元码元---信息传送的基本单位。每个码元元可携带1位或多位位2进制信息。。例：二进制数：：占用1位（1bit)四进制数：：占用2位(log24=2bit)八进制数：：占用3位(log28=3bit)M进制数：占用log2M位ASII码：：占占用用7位一元元码码二元元码码三元元码码七元元码码占用用不同同的的Bit数返回回波特特率率(Baud)—比特特率率(bit/s)码元元速速率率Rs与数数据据率率Rb之间间的的关关系系为为：：Rb=Rslog2MRs=Rb/log2M例：每每秒秒钟钟传传送送2400个个码码元元，，则则码码元元速速率率为为2400Baud；当当传传输输的的是是二二进进制制的的信信息息时时，，数据据率率为2400bit/s；若若传传输输四四进进制制的的信信息息时时，，数据据率率为4800bit/s。返回回数字字通通信信系系统统的的可可靠靠性性数字字通通信信系系统统的可靠靠性性用差差错错率率来来衡衡量量。。差错错率率用误误比比特特率率Pb和误误码码率率Ps表示示：：Pb=错误误比比特特数数/传传输输总总比比特特数数Ps=错误误码码元元数数/传传输输总总码码元元数数有时时将将误比比特特率率称称为为误误信信率率，误码码率率称称为为误误符符号号率率。差差错错率率越越小小，，通通信信的的可可靠靠性性越越高高。。传输输数数字字电话话信信号号时，，电电话话线线路路在在300—2400bps传输输速速率率时时，，平平均均Pb在10-3～10-6之间间，，在在2400—9600bps传输输速速率率时时，，平平均均Pb在10-2～10-4之间间，，而而传传输输计算算机机数数据据则要要求求Pb<10-9。当当信信道道不不能能满满足足要要求求时时，，必必须须加加纠纠错错措措施施。。返回回练习习与与思思考考题题11、、什什么么是是信信息息码码？