数据通信技术-1(new)

数据通信技术

主讲人：熊小华数据通信技术1：概述2：数据通信基础知识3:传输技术4：差错控制与多路复用1概述通信的概念计算机通信的发展数据通信的关键问题数据通信的标准制定机构通信的概念信息的交流与传递是人类存在的基础。通信（Communication）：实现信息交流与传递的各种技术手段和技能的总称。

将大量有用的信息无失真、高效率的进行传输，同时还要在传输过程中抑制掉无用信息和有害信息。通信的概念通信方式古代：烽火、狼烟、金鼓、旗语近代：灯光现代：电报、电话、传真、电视克服距离上的障碍，迅速准确的传送信息是通信的主要任务。数据通信的概念数据通信是计算机与通信相结合而产生的一种新的通信方式和业务。简单地说，数据通信就是计算机与其他数字终端设备之间的通信。严格的讲，数据通信就是按照通信协议，通过某种传输介质在计算机或数据终端之间进行数据的传递和交换。信息、消息与信号信息(Information)是指对于收发双方具有一定意义的有待传递、交换、提取或存储的书面或口头的内容。信息必须以某种形式表现出来才能实现交流与传递，如语言、文字、图像、数据等——消息（Message）为了有效的传递和利用消息，常需要把消息转换成便于传输和处理的表达形式——信号(Signal)信息、消息与信号信息是消息的度量，特指信息中有意义的部分，即“有用的消息”消息是信息的表现形式信号是反映信息或消息的物理量，是通信传递的客观对象消息是一组有序符号序列（如文字、语音、图像等）信号是消息的具体表现形式（电信号、声信号、光信号等）信息是消息和信号中包含的某种有意义的抽象的东西载体载体内涵计算机通信技术的发展1864年美国Rand公司提出存储转发的概念，电路交换向分组交换过渡。快速分组交换技术——帧中继、ATMB-ISDN——综合化、高速化计算机网络的发展1969年美国国防部ARPANET1976年X.25标准1989年ATM交换1993年国家信息基础结构（NII）行动计划：信息高速公路1994年全球信息基础结构（GII）1996年下一代因特网计划（NGI）面向21世纪的计算机通信宽带综合业务数字网(B-ISDN)计算机无线通信数字通信涉及的主要技术信道与噪声涉及的基本问题有信道的概念、常用信道的特性及对所传信道的影响，克服不良信道特性的办法等。数字通信涉及的主要技术数字终端技术包括发端、收端对信号进行处理过程中所涉及到的技术。模拟信号数字化问题中的信源编码/译码；数据压缩处理，语音压缩编码技术；多路复用、数字复接技术等。数字通信涉及的主要技术数据交换技术数据交换又叫数据转接。这与电话系统的交换局一样，因为任意一对用户都是用公共的网络，转接是必然的，转接技术直接影响了通信质量和线路利用率。它与信道共享问题密切相关。数字通信涉及的主要技术信道共享技术公共信道应同时为多对用户提供数据传输服务，不能被某一对用户独占，这是提高线路利用率的有效方法。数字通信涉及的主要技术差错控制编码技术差错控制编码/译码，属信道编码之范畴。信道编码技术主要研究检错、纠错码概念及基本实现方法。数字通信涉及的主要技术数字同步技术同步就是使系统的收发两端在时间上保持步调一致。同步的主要内容有载波同步、位同步、帧同步以及网同步。数字通信涉及的主要技术数字基带传输技术数字频带传输技术数字调制/解调技术，是将输入的数字信号(基带数字信号)变换为适合于信道传输的频带信号（较高频率范围的模拟信号）。数据通信系统的质量指标信息传输速率信息传输速率(或称信息速率、比特率)指单位时间内所传送的信息量，单位是比特/秒(b/s，或bps)。数据通信系统的质量指标码元速率码元速率又称为调制速率，或波特率，是指单位时间内所传递的码元数目，单位是波特(Baud)。它是对每秒内信号在通信信道中变化或状态发生转换的次数的量度。波特率的计算假设一个信号码元持续时间为T，则波特率为

B=1/T(波特)波特率和比特率的关系C:信号传输速率，单位:bpsB:码元传输速率，单位:BaudN:一个码元所具有的状态数，往往取2的幂次数。若N=2，则C=B例1设一数字传输系统传送二进制码元的速率为1200B，试求该系统的信息速率；若该系统改成传送八进制信号码元，则此时系统信息速率为多少？数据通信系统的质量指标误码率误码率是指码元在传输系统出差错的概率。常用的误码率可表示为：例2已知某四进制通信系统信息传输速率为1200bps，在接收端2小时共测的432个错误码元，求该系统的误码率？制订数据通信标准的机构ISO国际标准化组织InternationalStandardOrganizationITU国际电信联盟InternationalTelecommunicationUnionIEEE电子电气工程师协会InstituteofElectricalandElectronicsEngineersEIA电子工业协会ElectronicsIndustriesAssociationIAB互联网架构委员会InternetArchitectureBoard2数据通信基础知识信息、数据与信号数据通信系统分析编码与码型信道数据传输方式信号分类连续信号、离散信号如果在某一时间间隔内，对一切的时间值，除若干不连续的点外，该函数都给出确定的函数值，这种信号就称为连续信号。离散信号的时间函数只在某些不连续的瞬间给出函数值。信号分类信号分类随机信号、确定信号随机信号是指在它出现以前，总有某种程度的不确定性的一种信号。确定信号是一种没有不确定值的信号。信号分类周期信号、非周期信号如果用时间函数表示的信号s(t)满足s(t+T)=s(t)则该信号为周期信号。T为信号的周期。如不满足s(t+T)=s(t)则该信号为非周期信号。信号分类周期信号信号的特性时间特性与频率特性信号的幅值是信号各个时刻的瞬时值信号的频率是周期的倒数，用赫兹来表示信号的相位是描述周期信号在时间轴上的相对位置，用弧度表示。信号的分析方法时域分析法时域分析的基本手段是把外加的复杂激励信号，在时域中分解成一系列单元激励信号，然后分别计算各个单元信号通过通信系统的响应，最后在输出端叠加而得到总的响应。频域分析法任何信号都可表示成各种频率成分的正弦波或余弦波之和

信号的频率信号的频率范围概念信号也可以看成是频率的函数。根据傅氏分析，满足一定条件的周期函数g(t),可以用若干正弦和余弦函数的和表示。若函数的周期为T，其倒数称为函数的基波频率，用符号f1表，则f1=1/T。上式中的an和bn分别为第n次谐波的正弦及余弦函数的幅值。1/2C为直流分量。这一分解称为傅氏级数。信号的频率信号的频谱和带宽频谱：是一个信号所含有的频率范围。周期信号频谱：其频谱由离散的频率成分，即基波和谐波构成。非周期信号频谱：信号的频率范围为无穷大。根据信号能量衰减的程度来确定其频谱，当频率上升或下降到某一极限频率而使信号能量降低为信号能量最大值一半时，该频率就是频谱的边界。信号的带宽：频谱的宽度（包含信号大部分功率的那部分频谱的宽度）传输系统的带宽对传输性能的影响传输系统的带宽是指该系统不失真传输信号的频率范围。如传输系统的带宽超过传输信号的频带宽度，在传输过程中就不会引起信号失真。信号的数据率越高，信号的带宽也就越宽。如果信号的传输率为X比特/秒（即Xbps）,传输系统的带宽应大于2XHz。衰减、增益和失真衰耗：信号电能经过传输系统传输后，系统输出的电功率小于输入端的电功率。增益：信号电能经过传输系统传输后，系统输出的电功率大于输入端的电功率。信号通过传输系统时，其波形可能发生畸变，波形的畸变称为失真。通信系统模型把各种消息转换成原始电信号对原始信号完成某种变换，使原始电信号适合在信道中传输信号传输的通道，提供了信源与信宿之间在电气上的联系把接收到的信号反变换，转换成原始电信号将复原的原始电信号转换成相应的消息通信系统实例通信系统的分类按通信业务电报、电话、传真、数据传输、可视电话、无线寻呼等。按调制方式基带传输和频带传输。按信道中所传信号通常信道中传送的信号可分为数字信号和模拟信号，因此通信可分为数字通信和模拟通信。通信系统的分类按传输媒质通信可分为有线通信和无线通信。按工作频段根据通信设备的工作频率不同，通信通常可分为长波通信、中波通信、短波通信、微波通信等。通信系统的分类按信号复用方式频分复用方式（FDM）、时分复用方式（TDM）和码分复用方式（CDM）等；按通信网络专线通信和公网通信等；通信系统的分类按收信者是否运动移动通信和固定通信；按通信方式单工、单双工、双工通信等。模拟通信与数字通信系统在信道中传输模拟信号的系统称为模拟通信系统。它包含两种重要变换，一是把原始消息变为电信号，二是把不适合传输的基带信号通过调制器转换成频带信号；同时两种变换在收端都要经过反变换。在信道中传输数字信号的系统称为数字通信系统。数字通信系统信源和信宿：信源的作用是把消息转换成原始的电信号，完成非电/电的转换；信宿的作用是把复原的电信号转换成相应的消息，就是完成电/非电的转换。信源编码和信源解码：信源编码有两个作用，其一，进行模/数转换；其二，数据压缩，即设法降低数字信号的数码率。数字通信系统信道编码与信道解码：数字信号在信道中传输时，由于噪声影响，会引起差错。调制和解调：数字调制的任务是把各种数字基带信号转换成适应于信道传输的数字频带信号。经过变换后有两个基本特征：一是携带信息；二是适宜在信道中传输。数字通信系统信道：信道是信号传输的通道（媒质）。信道分为有线信道、无线信道。最佳接收和同步：依据最小差错准则进行接收，可以合理设计接收机达到最佳。数字通信的特点相对于模拟通信系统而言，数字通信系统有如下优点。抗干扰能力强容易实现高质量的、远距离通信传输模拟信号时干扰是可累积的传输数字信号时噪声不累积数字通信的特点便于实现综合业务数字网ISDN易于加密（比如采用异或门即可实现）易于集成化、智能化数字通信的特点数字通信相对于模拟通信系统来说，主要有以下两个缺点。数字信号占用的频带宽。例如，一个话路的模拟电话约占4kHZ,一个数字话路所需的带宽远大于4kHZ对同步要求高，系统设备比较复杂信道传输信道：为信号传输提供了通路，是沟通通信双方的桥梁。从两个角度理解传输信道：广义信道：包含传输媒体和完成各种形式的信号变换功能的设备。如：调制信道、编码信道。狭义信道：仅指传输媒体本身，能够传输信号的任何抽象的或具体的通路，如：明线、电缆、光纤、微波、短波等信道分类模拟信道和数字信道：按照允许的信号的类型分类模拟信道只允许传输波形连续变化的模拟信号，通信质量可用失真和输出信噪比来衡量数字信道只允许传输离散的数字信号，数字信道的特性可用差错率及差错序列的统计特性来描述单工、半双工、全双工信道：按照信道上的信号的传输方向分类单工信道是只能沿一个方向传送信号的信道半双工信道是可沿两个方向传送信号，但同一时间只能沿一个方向传送信号的信道全双工信道是可同时沿两个方向传送信号的信道信道分类专用（租用）信道和公共交换信道：按信道的使用方法分类专用信道是指连接两点或多点的固定线路公共交换信道是一种通过交换机转接可为大量用户服务的信道有线信道和无线信道：按照信道采用的传输介质分类信道的容量定义：在传输差错率任意趋近于零的情况下，单位时间内可以传输的信息量即信道在单位时间里所能传输信息的最大速率。单位：比特/秒有扰模拟信道的信道容量香农定律：在信号平均功率受限的高斯白噪声信道中，信道容量C=Blog2(1+S/N)b/s其中：C：信道容量，B：信道带宽，S/N：平均信号噪声功率比。信噪比S／N信噪比是确定一个传输系统性能的最重要参数之一。它是信号的功率与噪声功率之比。通常以分贝（dB）来作为S/N的单位。(S/N)dB=10log10(S/N)S/N愈高，表示信号质量愈高，对远距离通信来说，意味着需要的中间转发器愈少。有扰模拟信道的信道容量由以上公式可得出以下结论：任何一个信道，都有它的信道容量。如果信息源的信息传输速率R小于等于信道容量C，则在理论上存在一种方法，使得信息源输出能以任意小的差错率通过信道进行传输；如果R>C，那么无差错传输在理论上是不可能的。信道容量C与带宽B和信噪比S/N有关。若C固定，则B与S/N可互为替换，宽带系统呈现出较好的抗干扰能力传输介质信道是通信系统必不可少的组成部分，信道通常是以传输介质为基础的信号通道。按传输介质的特性可分为：有线（有形）信道和无线（无形）信道两类。有线介质：又称为硬介质。连接在端点间用于传送数据的导线，包括双绞线、同轴电缆、光纤等。无线介质：又称为软介质。利用电磁波在空中传输数据，通信的端点间无线连接。传输介质通信是指信号在传输媒介上传输，实现信息的传递传输媒介会对信号引入一系列的影响，如衰减、畸变等，这些不利于信号传输的影响通常称之为噪声或干扰。双绞线同轴电缆10BaseX系列电缆光纤信道光通信分为无线光通信和有线光通信无线光通信：在可视距离范围内发收两端之间所进行的光通信。有线光通信：发、收两端分别设置半导体光源和光检测器，传输媒体是光纤或光缆，传输途径中间设置中继站。光纤通信优点可供利用的频带很宽，能容纳的通信量大。损耗小，可以大大增加无中继传输距离，有利于长途干线通信。在很宽的运用频带内，光纤的衰减与频率基本上无关。很难被窃听，保密性好，同一光缆中各相邻光纤之间几乎没有串扰。光纤上光波沿单一方向传播，没有大地回路，不会受大地电流影响。光纤对电磁是绝缘体，不受电磁干扰、静电干扰、人为干扰等影响。光纤通信不存在发生电火花的危险。制造光纤的材料是石英，用料省，自然资源丰富。尺寸小，重量轻。光纤有待改进、提高之处光纤制造工艺较复杂，生产成本高；光纤连接、耦合需要精密的工艺；由于数字光信号的单极性，要求对光纤线路编码进行特别的设计；光器件、单模光纤和无源器件的研制，及相应理论问题尚有待更深入地进行探讨；光纤通信的发展及应用。光纤中继信道的组成电端机调制光检测

判决再生光检测放大电端机中继机光纤光纤光发射机光接收机光源光源光纤中继信道的组成光纤系统的五个部分光发信机：由光源、驱动器和调制器光收信机：由光检测器和放大电路光纤或光缆中继机：补偿光信号的衰减；对波形失真的脉冲进行整形光纤连接器、耦合器等无源器件

光纤的结构四芯光纤的结构光纤的种类按制作材料划分：石英光纤、多组分玻璃光纤、塑料光纤、氟化物光纤按传输模式划分：单模光纤、多模光纤按折射率分布划分：突变型光纤、渐变型光纤、三角形光纤、W型光纤按工作波段不同划分：短波长光纤、长波长光纤、超长波长光纤多模光纤射到光纤表面的光线的入射角大于某一临界角度，就可以产生全反射，并且可以存在许多条不同角度入射的光线在一条光纤中传输，这种光纤就称为多模光纤（MultimodeFiber）。（a）折射角大于入射角（b）光波在纤芯中传播（c）62.5/125μm渐变增强型多模光纤多模光纤多模方式指的是多条满足全反射角度的光线在线芯中传输。由于存在多条传输路径，每一条路径的长度不等，因而通过光纤的时间不同。这就造成了信号在时间上分散开，从而限制了数据传输速率。单模光纤单模光纤的中心玻璃芯很细，只能传送一种模式的光。单模光纤主要用于传送距离很长的主干线及国际长途通信系统，速率为几个Gbps光纤的传输特性当光在光纤中传输时，随着传输距离的增加，光功率逐渐减小，这种现象称为光纤的损耗。损耗大小影响光纤的传输距离长短和中继距离的选择.

定义：a()=（10/L）lg(P1/P2)(dB/km)L为光纤的长度，P1为光纤输入端的功率，P2为光纤输出端的功率光纤的传输特性光纤损耗的因素吸收损耗：光波通过光纤材料时，有一部分光能变成热能，造成光功率损失，和光纤材料有关。散射损耗：指光通过密度或折射率不均匀的物体时，除了光的传播方向以外，在其它方向也可以看到光这种现象称为光的散射。辐射损耗：光纤应用时弯曲，使光纤内导波模式变为辐射模式所致无线信道无线信道的频率范围很宽，从极低频一直到微波波段，其中根据频率的不同和传播方式的不同又可以分为很多种信道。

信号的无线传输

发送

天线

无线信道

接收

天线

红外线和激光红外线通信和激光通信就是把要传输的信号分别转换成红外光信号和激光信号直接在自由空间沿直线进行传播，它比微波通信具有更强的方向性，难以窃听、插入数据和进行干扰，但红外线和激光对雨雾等环境干扰特别敏感。微波微波传送是单向的，微波站产生信号沿直线传播到另一个微波站。微波信号会受到雨雪和两个微波站之间的障碍物的影响。微波的频带很宽，可以传送大量数据。微波传送可分为地面微波和卫星微波。地面微波通信视线传送:直线传播的方式称为视线传送.微波通信：利用微波波段的电磁波在对流层的视距离范围内进行信息传输的一种通信方式。采用多路复用的工作方式；工作于射频的微波频段；中继通信。地面微波通信的优缺点与其它波长的无线电通信比较，有如下优点：工作频带宽、通信容量大受外界干扰小通信效果较好投资省、见效快微波通讯中存在的主要问题：中继站定点复杂（在山上，难施工、难维护）相连单位距离不能太远,并且两点直线范围不能有阻挡物地面微波中继信道的组成地面微波的应用长距离传输电话电视业务卫星信道卫星通信定义:是利用人造卫星作为中继站的一种通信方式卫星通信属于宇宙通信卫星信道是微波通信的一种特殊形式卫星信道的特点覆盖地区大、通信距离远具有多址连接能力频带宽、容量大通信机动灵活通信稳定可靠建站费用与距离无关卫星中继信道的组成为了在地面站间通信,要求经过多颗卫星转发.用3颗静止卫星就可以提供地球任意两点间的通信.卫星中继信道的组成通信卫星（静止卫星）主要任务是实现中继转接，即接受地球站发来的无线电信号，经变频放大处理后，再转发出去。地球站是卫星中继通信双方的收、发信台站。卫星微波的应用卫星通信主要用来远距离传送电话、电视和电传业务。铱星移动通信系统1990年美国摩托罗拉公司设计的一种全球性卫星移动通信系统，它通过卫星手持电话机，通过卫星可在地球上的任何地方拨出和接收电话讯号。目前使用的ＧＳＭ和ＣＤＭＡ地面移动通信系统只适于在人口密集的区域。铱星计划的市场目标定位是需要在全球任何一个区域范围内都能够进行电话通信的移动客户。为了保证通信讯号的覆盖范围，获得清晰的通话讯号，初期设计认为全球性卫星移动通信系统必须在天空上设置７条卫星运行轨道，每条轨道上均匀分布１１颗卫星，组成一个完整的卫星移动通信的星座系统。由于它们就像化学元素铱（Ｉｒ）原子核外的７７个电子围绕其运转一样，所以该全球性卫星移动通信系统被称为铱星。后来经过计算证实，设置６条卫星运行轨道就能够满足技术性能要求，因此，全球性卫星移动通信系统的卫星总数被减少到６６颗，但仍习惯称为铱星移动通信系统。传输代码数据通信整个过程中所处理的对象是数据，在数字通信中这些数据是以二进制数来表示的，而由数据终端设备或计算机发出的数据信息一般都是字母（大、小写）、数字和符号的组合及声音、图像、视频动画等多媒体信息。为了传递这些信息，首先需将这些信息以二进制码的组合，即用二进制代码来表示。目前常用的二进制代码有国际5号码（IA5）、EBCDIC码和国际电报2号码（ITA2）等。国际5号码（IA5）即美国信息交换标准码（ASCII），ASCII是7位字符集，有128种组合，最高位位奇偶校验码。查一个字符的编码，从相应的列开始，依次从上端b7开始至b6，在看该字符所在的行，从左到右b4,b3,b2,b1。EBCDIC码这是扩充的二—十进制交换码（ExtendedBinaryCodedDecimalInterchangeCode）的简称，它是一种8单位码，这种码的功能虽比国际5号码略多，在这一编码中的第8位码仅仅用来达到扩展功能的目的，不能用作奇偶校验。因此，这种编码一般不作为远距离传输用，而作为计算机的内部码使用，在美国IBM公司的产品中采用较多。

国际电报2号码（ITA2）

这是一种5单位代码，又称波多（Baudot）码，为现用的起止电传电报通信中的标准电码。目前，在某些低速数据通信系统中仍然使用。Unicode编码

由于存在多种编码方式，同一个二进制数可以解释成不同的字符。Unicode可以容纳所有符号，并且每个符号的编码都是唯一的。具体可查的Unicode符号对应表，或上/网站了解。Unicode仅是一个符号集，没有规定二进制代码的存储问题。UTF-8是因特网上广泛使用的一种Unicode编码的实现方式。数据传输方式并行传输数据的每一位各占用一条信道，并行传输提高了数据的传输速率，但代价是硬件成本提高了。仅限于较小范围内或同一系统内的设备间通信。串行传输仅使用一个传输信道，数据的若干位顺序地按位串行排列成数据流。串行传输速度较低，但硬件成本低，目前广泛应用于通信网和计算机网络中的数据传输。数据传输方式

并行接口

并行接口

并行接口

数据终端

数据终端

并行接口

串行接口

数据终端

并行接口

数据终端

串行接口

数据终端

图数据的并行传输与串行传输

串行信道（如同轴电缆）

并行信道（如8芯线缆）

数据传输方式无论是并行传输还是串行传输，数据发送方发送数据后，接收方都必须正确的区分出每一个代码，这是数据传输必须解决的问题。并行传输时，由于距离近，可以增加一条控制线来通知接收方。串行传输中，通常不设立专门的信号线来控制收发双方的数据同步，而是在数据编码中解决。异步传输和同步传输异步传输异步传输以字符为单位，传输的字符没有规律的间隔，因此在每个字符的头、尾附加一个比特位起始位和终止位，用来指示一个字符的开始和结束。起始位一般为“0”，占一位，终止位为“1”，长度可以是1位，1.5位或2位。

数据

图：异步传输

空闲状态

空闲状态

起始比特

终止比特

校验比特

异步传输和同步传输异步传输的特点异步传输中，一般不需要发送和接收设备间传输定时信号，实现较为简单。缺点：每个字符都需要加上起始位和终止位，传输效率低。适用于低速数据传输，比较适合于人机之间的通信，如计算机键盘与主机、电视机遥控器与电视机等。异步传输和同步传输同步传输：发送方以固定的时钟节拍发送数据信号，接收方以与发送方相同的时钟节拍接收数据。在数据流中，各信号码元之间的相对位置都是固定的。在同步传输中，数据的发送一般以组（帧）为单位。一帧数据包含多个字符的代码或多个独立的比特。在帧的开始和结束处须加上预先规定的起始序列和终止序列作为标志。面向字符的同步规程SOH:StartofHeaderSTX:StartofTextETB:EndofTransmissionBlockETX:EndofText面向比特的同步规程3:传输技术

编码技术调制与解调技术信道复用技术差错控制编码与码型信源编码用编码的方法提高通信的传输效率称为信源编码，信源编码是压缩冗余，增强通信有效性。信道编码为了解决误码问题而采用了检错和纠错码称为信道编码，信道编码是引入冗余，获取更高的可靠性

数字信号的信源编码在数据通信中，由DTE产生的数字信号通常也要经过编码才送入信道。对于传输数字信号来说，最普通且最容易的方法是用两个不同的电压值来表示两个二进制值。用无电压（或负电压）表示0，而正电压表示1。常用的数字编码方式有：不归零码、归零码、曼彻斯特码。不归零码（NRZ）原理：用两种不同的电平分别表示二进制信息0和1，低电平表示0,高电平表示1。优点：实现容易，费用低缺点：发送号,接收号难以同步，当出现一串0或1时，难断定采样起始位归零码（RZ）与NRZ相比,归零码在信号为”1”时前半码元有脉冲，而在信号为0时则无脉冲。与NRZ相比，占据更大的带宽，且连续“0”时无同步能力，大多数应用不采用这种编码。双相编码双相编码包括双相-电平（即Manchester编码）、双相M、双相-S以及差分Manchester几种编码方式。曼彻斯特码原理：每一位中间都有一个跳变，从低跳到高表示0，从高跳到低表示1(或者相反)。优点:克服了NRZ码的不足，每位中间的跳变即可作为数据，又可作为时钟，能够自同步差分曼彻斯特码原理：每一位中间都有一个跳变，每位开始时有跳变表示0，无跳变表示1(或者相反)。每位中间跳变表示时钟，位前跳变表示数据。优点：时钟、数据分离，便于提取双相一M双相一M又称为双相一传号，在码元开始时总有电平转移，同时在信号“1“时的码元中间有电平转移。在信号“0”时的码元中间无电平转移。双相一S双相一S也称为双相一空号，它在码元开始时总有电平转移，与双相一M不同之处是在信号“1”时无电平转移，而在信号“0”时码元中间有电平转移。不归零（NRZ）编码、曼彻斯特（Manchester）编码和差分曼彻斯特双相编码的优点同步所有双相码在每一比特时间都至少有一次电平跳变，可以此跳变作为同步的依据。差错检测若在定义处该有跳变而无跳变时，即可判别为检测到差错。延迟调制

延迟调制（DelayModulation）又称为Miller编码。采用Miller编码时，每2比特时间至少有一次电平转移（二进制101情况下的前2比特时间只有一次电平转移），而且在每一比特中电平转移的次数不会超过1。当信号为“1”时，码元中间有电平转移，当信号为“0”时，如后面跟的是“1”，无电平转移，如后面跟“0”，则在码元未尾有电平转移。多电平二进制编码

多电平二进制编码（MultilevelBinary）使用了2个以上的电平。信号的调制和解调在通信系统模型中，变换器的功能是将信源发出的原始电信号转换成适宜在信道上传输的电信号。这个转换的过程广义上称为调制。而在接收端的反变换过程称为解调。调制方法载波调制是按基带信号的变化规律去改变载波某些参数的过程。调制的载波可以分为两类：一类用正弦型信号，称为正弦载波调制；一类用脉冲串，称为脉冲调制。基带信号也可分为两类：一类是模拟信号，即基带信号的取值是连续的，称为模拟调制；另一类是数字信号，即基带信号的取值是离散的，称为数字调制。调制的目的将消息变换为便于传输的形式。也就是说，变换为某种形式使信道容量达到最大，而且传输更可靠和有效。提高性能，特别是提高抗干扰性。有效的利用频带。调制与解调原理载波选用正弦型载波，基带信号为模拟信号，设正弦型载波为s（t）=Acos（ωct+φ0）式中A——载波的幅度 ωc——载波角频率 φ0——载波的初始相位数字数据的模拟信号编码

通过调制振幅、频率和相位等载波特性或者这些特性的某种组合，来对数字数据进行编码。最基本的数字数据→模拟信号调制方式有以下三种：幅移键控方式（ASK，Amplitude-ShiftKeying）频移键控方式（FSK，Frequency-ShiftKeying）相移键控方式（PSK，Phase-ShiftKeying）幅移键控方式两个不同载波信号的副值分别代表二进制数字1和0。易于实现调幅方式易受突发干扰的影响，通常只用于低的数据速率。频移键控方式用两个不同频率的载波分别代表二进制数字1和0。它的抗干能力优于调幅，但频率利用率不高，也只在传输较低速率的数字信号时得到广泛应用。相移键控方式用载波的相位变化来表示二进制数字1和0。由于相位调制占用频带较窄，抗干扰性能好，可以达到更高的数据速率。接收端，提取相位0和π来表示0，1

这是2相调制，也可以采用0，1/2π，π，3/2π四相调制，一码元可传2bit信息。例相移键控星座图基带数字信号的几种调制方法信号的解调技术调制后的信号经过传输后恢复原信号格式的过程称为解调。解调的三个过程：取样：确定每秒取样的次数量化：确定需要采用多少个电平级数来表示所取的样本编码：将不同的电平级数用不同的二进制比特串表示。调制解调器（Modem）调制解调器的英文“Modem”来自于调制器（Modulator）和解调器（Demodulator）的缩写，世界上有些地方又称它为数传机（DataSet）。Modem的分类按功能分类：通用Modem和具有传真功能的Modem。按外形分类：外置式和内置式。按传输速率分类：标准的传输速率为1200bit/s，2400bit/s，9600bit/s，14400bit/s，33600bit/s和56000bit/s等。按操作模式分类：同步和异步两种模式。按数据压缩及纠错方法分类：可以以数据纠错的方法保证收到的数据正确无误，同时通过对数据进行压缩提高有效传输速率，其中最常用的是MNP5和V.42bis。按传输介质分类：有线和无线Modem。宽带调制解调器简介目前Modem若以带宽区分，则可以细分为窄带Modem和宽带Modem。窄带Modem指的是带宽在56kbit/s以下的Modem，也就是传统的Modem。宽带Modem则是指电缆线Modem（CableModem）和ADSLModem。宽带调制解调器电缆调制解调器前面介绍的Modem主要是在电话线路上使用的，而电缆调制解调器（CableModem）主要在有线电视线路上使用的。ADSLModemADSL（非对称数字用户环路）是指现有的电话线上加装ADSLModem（又称为ATU-R），利用ADSL技术用户可以在使用电话时，同时以高于一般Modem的速率接入Internet或进行数据的传输，而且上网和打电话两不误。模拟信号数字化传输模拟信号的抽样信号的量化编码脉码调制示意图采样频率对模拟信号的任何数字化表示的精度都取决于采样的数量。根据奈奎斯特定理，采样频率应该至少是原始信号中最高频率的两倍。例对于一个带宽为10000HZ(1000HZ到11000HZ)的信号，需要多大的采样频率？根据采样频率必须是信号最高频率的两倍:采样频率=2*11000=22000次/秒每个样本多少位当规定了采样频率后,需要确定每一样本发送的比特数。选取比特数要使重新复制的原始信号能在振幅上满足预期的精度例采样一个信号，每个样本要求至少12级精度(+0~+5,-0~-5)。每个样本应发送多少位？解:需要4位,1位符号位,3位数值位。3位表示有23=8，比6级多；两位表示仅有4级，不够，4位数值位的话太多。比特率规定每个样本位数后，可用以下公式计算比特率：比特率=采样频率*每个样本的位数例要数字化语音，假定每个样本采用8位，则比特率是多少？解:通常语音频率为0~4000HZ，所以采样频率=4000*2=8000次/秒比特率=采样频率*每个样本的位数=8000*8=64000b/s=64kbps4：多路复用与差错控制多路复用技术差错控制的方式多路复用的概念允许多个信号在一条数据链路上同时传输多个信号的技术。采用多路复用技术能把多个信号组合起来在一条物理电缆上进行传输，可大大节省电缆的安装和维护费用。

频分多路复用在物理信道能提供比单个原始信号宽得多的带宽的情况下，就可将该物理信道的总带宽分割成若干与传输的单个信号带宽相同（或略为宽一点）的子信道来传输一路信号，这就是频分多路复用。

多路的原始信号在频分复用前，首先要通过频谱搬移技术，将各路信号的频谱搬移到物理通频谱的不同段上，这可以通过频率调制时采用不同的载波来实现频分多路复用电话中继线的通频带为60~108KHZ,带宽108－60＝48KHZ,一般一个语音信号占3.4KHZ,为避免干扰放大到4KHZ，48/4=12路信道,即一条物理线路可以频分复用为12个信道。

信道1，载波频率为60~64KHZ

信道2，载波频率为64~68KHZ

.....

信道12，载波频率为104~108KHZ频分多路复用特点适合于传输模拟信道，故多用于电话系统；所有信道并行工作，故每一路的数据传输没有时延；设备费用低；当终端数目较多时，由于分配给每个终端的带宽都比较窄，故对带通滤波器的要求较严格最大传输速率降低时分多路复用(TDM-TimeDivisionMultiplexing)时分多路复用就是将一条物理的传输线路按时间分成若干时间片，轮换地为多个信号使用。每一时间片由复用的一个信号占用。TDM,MultiplexingTDM,DemultiplexingPCM通信系统电信局将电话用户所传来的声音(模拟信号)经过抽样、量化和编码以后得到数字信号，这一过程称为脉冲编码调制PCM。数字通信中，常将多路信号组合在一起进行处理，成为群。两类通信业务标准：24路基础群(T1)和30/32路基础群(E1)Bell系统的T1信道（PCM时分复用）。PCM时分复用，是一种异步TDM，利用PCM和TDM技术，使24路语音信号分时复用一个通道，用于数字传输系统，又叫T1载波（或叫一次群）标准，在北美、日本使用很广。

T1原理PCM24：将一帧分为24个时隙，每个时隙8比特，另加1比特的帧同步比特，一帧（24路复用）长度=8×24+1=193bit；取样频率8KHz，每一周期125us；则总传输速率为193/(125×10-6)=1.544Mbps30/32路PCM通信系统E1是欧洲标准，我国也使用这个标准。30/32路PCM基群的帧结构示意图如图所示30/32路PCM通信系统帧结构的构成包括如下内容：每帧路时隙数为32，编号为0—31，分别以TS0，TS1，TS2……TS31表示。每个路时隙的比特数为8，编号为1~8。TS1~TS15和TSl7~TS31共30个时隙供通话用，编号为1~30。TS0的8bit用作帧同步码、监视码。TS16用于传输信令码。30/32路PCM通信系统在E1信道中，8bit组成一个时隙(TS)，由32个时隙组成了一个帧(F)，则每帧传送32×8=256bit;取样频率8KHz，每一周期125us，则E1系统的总传输速率为256/(125×10-6)=2.048Mbps波分多路复用(WDM-WaveDivisionMultiplexing)波分多路复用实质上就是在光信道上采用的一种频分多路复用的变种。不同的信源使用不同波长的光波来传播数据，各路光波经过一个棱镜衍光栅合成一个光束在光纤干道上传输，在接受端利用相同的设备将各路光波分开。波分复用在单根光纤上承载多个波长(信道)系统，将1根光纤转换为多条“虚拟”纤，每根虚拟光纤独立工作在不同波长上，这样就大大地提高了光纤传输的容量。码分复用CDMA(CodeDivisionMultiplexingAccess)与FDM和TDM不同，它允许所有的站在同一时间使用整个信道进行数据传送。在CDMA中，每个比特时间又再分成m个码片，每个站分配一个唯一的m比特码序列。当某个站要发“1”时，它就在信道中发送它的码序列，当要发“0”时，就发送码序列的反码。当两个站或者多个站同时发送时，各路数据在信道中被线性相加。通过对码序列的数学运算，计算出所发送的数据。

CDMA广泛用于移动通信系统中.码片序列(chipsequence)每一个比特时间划分为m个短的间隔，称为码片(chip)。每个站被指派一个惟一的mbit码片序列。如发送比特1，则发送自己的mbit码片序列。如发送比特0，则发送该码片序列的二进制反码。

例如，S站的8bit码片序列是00011011。发送比特1时，就发送序列00011011，发送比特0时，就发送序列11100100。S站的码片序列：(–1–1–1+1+1–1+1+1)CDMA的重要特点每个站分配的码片序列不仅必须各不相同，并且还必须互相正交(orthogonal)。令向量S表示站S的码片向量，令T表示其他任何站的码片向量。两个不同站的码片序列正交，就是向量S和T的规格化内积(innerproduct)都是0：正交关系的另一个重要特性任何一个码片向量和该码片向量自己的规格化内积都是1。一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是–1。CDMA信号提取计算原理用户收到信号数据(叠加码)用户存有自身数据码片序列如每个码元扩展为8个码片则依次将收到数据中每个码片乘以自身数据的每个码片后再除以8,如果结果是1则发送1,结果是-1,则发送0,如果结果是0则没有发送。例某一站点自身码是-1+1-1+1+1+1-1-1收到码是-3-1-1+1+3+1-1+1-1+1-1+1+1+1-1-1*-3-1-1+1+3+1-1+1___________________________+3-1+1+1+3+1+1-1=88/8=1所以该点收到了所发送的１多点线路多点线路系统工作在主－从方式状态下。系统只能有一个主站，而多个从站共享一条线路与主站通信，无论是总线还是星形通信，归根结底总由一根通信线连接服务器。所以这也是一种多路复用。多机系统信道共享技术多台计算机共享一条通路竞争信道，引起信道的访问冲突。为了减少或避免信道访问冲突，必须采取某种控制策略来分配信道的使用权：受控接入选择型：按一定策略，例如按固定顺序或站的优先级，选择一个计算机发送信息，未被选中的站不得发送；预约型：每个站分得一个时间片，每个站按所规定的时间片发送信息；令牌控制型：获得令牌的站有权占用信道，发送数据。随机接入竞争型：连接在信道上的站通过竞争占用，获得发送信息的权利。选择型总线接入控制中心询问总线接入控制选择型总线接入控制轮转询问载波侦听多路访问CSMA为了避免冲突，源站点在发送信息之前，首先侦听信道是否空闲，若侦听到信道上有载波信号，则推迟发送，直到信道空闲时才进行发送。此方式称为载波侦听多路访问(CarrierSenseMultipleAccess,简称CSMA)非坚持型CSMA坚持协议CSMAP－坚持协议CSMACSMA/CD令牌环令牌环网（TokenRing）是一种LAN协议，定义在IEEE802.5中，其中所有的工作站都连接到一个环上，每个工作站只能同直接相邻的工作站传输数据。通过围绕环的令牌信息授予工作站传输权限。令牌环工作原理令牌环上传输的小的数据（帧）叫为令牌，谁有令牌谁就有传输权限。如果环上的某个工作站收到令牌并且有信息发送，它就改变令牌中的一位（该操作将令牌变成一个帧开始序列），添加想传输的信息，然后将整个信息发往环中的下一工作站。当这个信息帧在环上传输时，网络中没有令牌，这就意味着其它工作站想传输数据就必须等待。因此令牌环网络中不会发生传输冲突。信息帧沿着环传输直到它到达目的地，目的地创建一个副本以便进一步处理。信息帧继续沿着环传输直到到达发送站时便可以被删除。发送站可以通过检验返回帧以查看帧是否被接收站收到并且复制。时隙环(SlottedRing)差错控制产生差错的原因信号无论是在有线信道还是在无线信道中传输，在传输的过程中，由于外界干扰或者信道自身的原因，都有可能造成接收到的码元与发送的码元不一致的情形，这就是差错。在数据传输的过程中，不产生差错是不现实的，在一个通信系统中必须有发现差错的能力并采取措施纠正。差错控制的基本方法时间冗余法将同一块数据在同一信道上传送两次或两次以上，通过相互比较来检测差错是否存在。数据冗余法在发送端要传送的数据块上附加若干校验码一起发送，校验码和数据信息码元存在一定的数学关系，接收端按相应的译码公式进行验证。设备冗余法发送端将同一数据从不同的信道上发送给接收端，接收端采取表决的方法，选取多数一致的数据作为正确的数据接收。差错控制的方式检错码，又称为自动重发请求(ARQ)发端发送检错码，收端收到信息码元后能够检查出错误。纠错码，又称为前向纠错(FEC)发端发送能够纠正错误的码，收端收到信息码元后自动地纠正传输中的错误。特点是单向传输(不需要反向信道来传递请求重发的)，实时性好，但译码设备较复杂。差错控制编码的基本原理差错编码的基本思想是在被传输信息中增加一些冗余码，利用附加码元和信息码元之间的约束关系加以校验，以检测和纠正错误，增加冗余码的个数可增加纠检错能力。编码效率用差错控制编码提高通信系统的的可靠性，是以降低有效性为代价换来的。定义编码效率R来衡量有效性：R=d/(d+r)其中，d是信息位的个数，r为校验码位数。常用的检错码和纠错码奇偶校验码奇偶校验码是一种通过增加冗余位使得码字中"1"的个数恒为奇数或偶数的编码方法,它是一种检错码。在实际使用时又可分为垂直奇偶校验、水平奇偶校验和水平垂直奇偶校验等几种定比码定比码，也称为恒比码。每个码字中均含有相同数目的“1”，码字长一定，“1”的数目一定后，所含“0”的数目也必然相同。这种码在检测时，只要计算接收码元中1的个数是否与规定的相同，就可判断有无错误。常用的定比码7中取3码：即一个代码的7个码元中恒定保持3个1，4个0的比例；8中取4码：即一个代码的8个码元中恒定保持4个1，4个0的比例；正反码正反码是一种能够简单纠错的编码，其冗余位的个数与信息位的个数相同。冗余位与信息位要么完全相同要么完全相反，由信息位中“1”的个数决定。正反码举例电报通信钟常用五单位电码编成正反码的规则如下：k=5，r=k=5，n=r+k=10，当信息位有奇数个1时，冗余位就是信息位的简单重复，当有偶数个1时，冗余位为信息为的反码。正反码接收端解码先将码组中信息位与冗余位按位模2加，得到合成码组产生校验码组若接收码组中信息码元有奇数个“1”，则校验码组=合成码组，否则校验码组=合成码组的反码按照校验码组中“1”的个数进行检错及纠错正反码对照表例若接收端收到的码为1101101011，请问是否发生差错？海明码Hamming于1950年在美国贝尔实验室提出了海明码，是第一个用来纠错的线性码，被广泛地应用在数据通信和数据存储系统的差错控制中。Hamming不仅具有检测错误的能力，同时还具有给出错误所在准确位置的能力。是一种可以纠正一位差错的编码。海明不等式海明码是在原编码的基础上附加部分冗余码，使其满足纠错码的条件，原编码称为信息码，冗余码称为校验码或监督码。海明码不等式若信息位为k位，增加r位冗余位，构成一个n=k+r位的码字，必须满足如下关系式：2r>=n+1或2r>=k+r+1Hamming的编码效率R=k/(k+r)其中，k是信息位的个数，r为校验码位数确定校验码的位置Hamming码将校验码插入信息码之中，插入的位置是以2为底的各位数字，如1，2，4，8，……,其余是数据位。如校验位rn对应的位置为2n，n的取值从0开始。由此可以看出，当发送的信息码越长，加入码的比例越少。确定校验码的值寻找校验码比特值的规律：r1与所有码位所对应的二进制形式最末位都是1的位有关3=(011)2,5=(101)2,7=(111)2,r2与所有码位所对应的二进制形式倒数第2位都是1的位有关；r4与所有码位所对应的二进制形式倒数第3位都是1的位有关；……对不同的比特组合进行偶检验，每一种组合的校验值就是对应校验码值。海明码编码步骤海明码编码可遵循以下四个步骤：由信息位数，根据海明不等式，确定校验位数；确定校验码位置；确定校验码的值；求出海明码例1：求海明码已知信息码为1011(k=4)，求海明码字？解：(1)由海明不等式确定校验码的位数2r≥4+r+1，确定校验码位数为3位因为23≥4+3+1(2)确定校验码的位置

7654321d7(1)d6(0)d5(1)r4d3(1)r2r1例1：求海明码(3)确定每位校验码的比特值

r1=d3+d5+d7=1(+相当于是异或运算)r2=d3+d6+d7=0r4=d5+d6+d7=0(4)确定海明码

76543211010101位数例2：海明码纠错信息位8位的海明码，在接收到报文110010100000，判断传输是否出错，并求出发送端发送的信息位。

解：(1)由海明不等式确定校验码的位数2r≥8+r+1，确定校验码位数为4位因为24≥8+4+1(2)对接收数据进行分解

(2)对接收数据进行分解

121110987654321d12d11d10d9r8d7d6d5r4d3r2r1接收到的数据为：110010100000，由此可知d12=1,d11=1,d10=0,d9=0,r8=1,d7=0,d6=1,d5=0,r4=0,d3=0,r2=0,r1=0从而可以得知，信息码为11000100，校验码为：1000(3)根据接收的信息码计算校验码各位的比特值r1’=d3+d5+d7+d9+d11=1r2’=d3+d6+d7+d10+d11=0r4’=d5+d6+d7+d12=0+0=0r8’=d9+d10+d11+d12=0

(4)将接收到的校验码与步骤（3）中的逐位进行异或运算s1=r1’+r1=1+0=1s2=r2’+r2=0+0=0s4=r4’+r4=0+0=0s8=r8’+r8=0+1=1求出来的S8S4S2S1=1001（即十进制9），该数指示了发生错误的比特的准确位置是第9位，1旦确定了错误的位置，接收方就可在将该位纠正过来.所以正确的信息码应为：11010100。注：若S8S4S2S1全为0，则证明传输正确。

练习对比特序列10011101计算它的海明码。练习使用海明码进行纠错，7位码长（x7x6x5x4x3x2x1），其中4位数据。如果接收到的码字为1000101，那么纠错后的码字是______。A.1000001B.1000101C.1001101D.1010101练习接收方收到的码为11110101101。利用海明码算法，发送的原码是什么？循环冗余检验在数据链路层传送的帧中，广泛使用了循环冗余检验CRC的检错技术。用二进制的模2运算进行2n乘M的运算，这相当于在M后面添加n个0。得到的(k+n)bit的数除以事先选定好的长度为(n+1)bit的数P，得出商是Q而余数是R，余数R比除数P至少要少1个比特。冗余码的计算举例

现在k=6,M=101001。设n=3,除数P=1101，被除数是2nM=101001000。模2运算的结果是：商Q=110101，余数R=001。把余数R作为冗余码添加在数据M的后面发送出去。发送的数据是：2nM+R

即：101001001，共(k+n)位。

检测出差错

只要得出的余数R不为0，就表示检测到了差错。但这种检测方法并不能确定究竟是哪一个或哪几个比特出现了差错。一旦检测出差错，就丢弃这个出现差错的帧。需要经过严格的挑选，并使用位数足够多的除数，那么出现检测不到的差错的概率就很小很小。

110101

←

Q(商)P(除数)→

1101101001000

←

2nM(被除数)

1101

1110

1101

0111

0000

1110

1101

0110

0000

1100

1101

001←R(余数)，作为FCS

循环冗余检验算式

←

Q

商

除数

P→

1101101001001

←

2nM被除数

1101

1110

1101

1110

1101

1101