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1、数据通信与计算机网络（第二版）电子教案,笫四讲 传输技术,本讲内容,第二章 物理层与数据通信基础 2.3 传输技术 2.3.1 模拟传输与数字传输 2.3.2 数字调制技术 2.3.3 脉码调制 2.3.4 多路复用 2.3.5 数字信号的编码方法 2.4 物理层接口标准举例 2.4.1 EIA-RS-232C * *是要求同学了解的，这些内容在本电子教案中并未讲解而是要求同学自己阅读教材。,2.3.1 模拟传输与数字传输,模拟传输是一种不考虑其内容的模拟信号传输方式。在传输过程中，信号由于噪声的干扰和能量的损失总会发生畸变和衰减。 放大器 多级放大器数字传输则不一样，关心的是信号的内容0和1
2、变化模式的数据就可以采用。方波脉冲式的数字信号会衰减,也会更容易发生畸变 转发器(repeater) ：再生器(regenerator),2.3.1 模拟传输与数字传输(续),在长距离通信中，数字传输技术逐步取代模拟传输技术已是一种必然的趋势。但是，在如局域网这种近距离的通信中，由于衰减和畸变不太严重，甚至于不必经过放大器中继，模拟传输技术仍有一席之地。,本讲内容,第二章 物理层与数据通信基础 2.3 传输技术 2.3.1 模拟传输与数字传输 2.3.2 数字调制技术 2.3.3 脉码调制 2.3.4 多路复用 2.3.5 数字信号的编码方法 2.4 物理层接口标准举例 2.4.1 EIA-R
3、S-232C * *是要求同学了解的，这些内容在本电子教案中并未讲解而是要求同学自己阅读教材。,2.3.2 数字调制技术,基本概念通信系统中基带信号：由信源产生的原始电信号 ；调制信号（实际上是被调制的信号，即基带信号） 调制的过程就是按调制信号（基带信号）的变化规律去改变载波某些参数的过程 调制的方法分两大类正弦型高频信号作为载波的正弦波调制 模拟（连续）调制：调制信号为连续型的正弦波调制 数字调制 ：调制信号为数字型的正弦波调制 用脉冲串作为载波的脉冲调制,2.3.2 数字调制技术（续）,正弦振荡的载波可用A sin(2nft+)来表示，使其幅度A、频率f或相位随基带信号变化而变化，就可在
4、载波上进行调制了。这三者分别成为幅度调制(Amplitude Modulation)、频率调制(Frequency Modulation)或相位调制(Phase Modulation)，亦可分别简称为调幅(AM)、调频(FM)或调相(PM)。,调幅例子（图中(a)）,在幅度调制方式中，两个不同载波信号的幅值分别代表两个二进制数字0和1。有时，也用恒定幅度的载波的有或无来代表二进制数字0和1,2.3.2 数字调制技术（续）,频率调制方式中，用两个不同频率的载波分别代表二进制数字0和1 抗干扰能力优于调幅，但频带利用率不高，也只在传输较低速率的数字信号时得到广泛应用,调频例子（图中(b)）,如下图
5、所示,例子,下图是贝尔公司的108系列调频方式的调制解调器在音频3003000 Hz的范围内一分为二。一个方向的已调信号的频率范围在3001700 Hz，另一个方向的已调信号的频率范围在17003000 Hz之间图中每对频率周围的阴影区表示每个方向已调信号的实际带宽。阴影部分重叠极少，也就意味着相互干扰很小,2.3.2 数字调制技术（续）,相位调制方式中，可以用不同相位的载波，比如说用相位为0和的载波分别表示二进制数字0和1，即下图公式，更多的是用载波的相位变化来表示二进制数字0和1。,调相例子（图中(c)）,当两个间隔载波信号的相位差为时，表示前后相邻两位的数字不同(01或10)，而两个间隔
6、的载波信号的相位差为0时，则表示前后相邻两位的数字相同（00或11）。由于相位差0代表没有相位偏移,2.3.2 数字调制技术（续）,以上所介绍的各种调制方式可适当地组合使用。最常用的有调相与调幅的结合，正交调制QAM(Quadrature Amplitude Modulation) 就是调相和调幅组合（如图2.19）,图2.19 一种正交调制相位-幅值的星座图,2.3.2 数字调制技术（续）,在数据通信中调幅、调频和调相常相应地称为幅移键控ASK(Amplitude Shift Keying)频移键控FSK(Frequency Shift Keying)相移键控PSK(Phase Shift
7、Keying),2.3.2 数字调制技术（续）,下面是数字电路开关来实现FSK调制的原理图,本讲内容,第二章 物理层与数据通信基础 2.3 传输技术 2.3.1 模拟传输与数字传输 2.3.2 数字调制技术 2.3.3 脉码调制 2.3.4 多路复用 2.3.5 数字信号的编码方法 2.4 物理层接口标准举例 2.4.1 EIA-RS-232C * *是要求同学了解的，这些内容在本电子教案中并未讲解而是要求同学自己阅读教材。,2.3.3 脉码调制,在发送端将模拟信号变换为数字信号的装置称为编码器（Coder），而在接收端将收到的数字信号复原成模拟信号的装置则称为解码器(Decoder)。通常进
8、行的是双向通信，使用既能编码又能解码的装置，即编码解码器（Codec）。将模拟信号变换为数字信号的常用方法是脉码调制PCM(Pulse Code Modulation)。脉码调制的过程由取样、量化和编码三步构成。,2.3.3 脉码调制（续）,图2.21模拟信号的数字传输,2.3.3 脉码调制(续),取样按照一定的时间间隔采样测量模拟信号幅值奈奎斯特定理可以证明，若模拟信号的带宽是H Hz，则2H的取样频率就足以捕获可恢复原有模拟信号的信息。量化将取样点处测得的信号幅值分级取整的过程量化就是将模拟信号的最大可能幅值等分为若干级（通常为2n级），而后测量得到的幅值按此分级舍入取整，得到一个正整数。
9、编码将量化后的整数值用二进制数来表示,脉码调制例子,图2.22脉码调制,该图中的例子是一个4 kHz的音频模拟信号，故125 s取样一次。量化时是按最大幅值等分为16级来进行的，并采取了四舍五入的方法，故其量化误差小于等于最大幅值的1/32。量化后获得的整数要用4位二进制来编码，故该段信号最后得到的脉码为00101000111111000101001101000101,2.3.3 脉码调制(续),差分脉码调制DPCM (Differential Pulse Code Modulation) 增量调制（Delta Modulation）预测性编码（Predictive Encoding）一般说来
10、，越是复杂的编码方法实现起来也就更困难，编码解码器的价格也就更贵,2.3.3 脉码调制(续),差分脉码调制DPCM (Differential Pulse Code Modulation) 输出不是数字化的幅度本身，而是当前值和前一个值之差这种压缩方法的一种变形只考虑每个取样值是大于或是小于前一个值,2.3.3 脉码调制(续),增量调制（Delta Modulation）用0或1就可以分别表示新的取样值是大于或是小于前一个取样值，这样只需传送一个比特这个技术假设两个相邻取样值间的变化是小的，如果信号变化太快，增量编码将遇到麻烦。,2.3.3 脉码调制(续),预测性编码（Predictive E
11、ncoding）改进是从前面的几个值预测将要到来的下一个值，然后对实际信号值和预测值间的差进行量化和编码发送器和接收器必须使用同样的预测算法它缩短了编码数字的长度，因而减少了需要发送的比特数,本讲内容,第二章 物理层与数据通信基础 2.3 传输技术 2.3.1 模拟传输与数字传输 2.3.2 数字调制技术 2.3.3 脉码调制 2.3.4 多路复用 2.3.5 数字信号的编码方法 2.4 物理层接口标准举例 2.4.1 EIA-RS-232C * *是要求同学了解的，这些内容在本电子教案中并未讲解而是要求同学自己阅读教材。,2.3.4 多路复用,多路复用(Multiplexing) 把多路信号
12、在单一的传输线路和用单一的传输设备来进行传输的技术 最简单的多路复用技术是空分多路复用SDM（Space Division Multiplexing） 最两种常用的多路复用技术是：频分多路复用FDM（Frequency Division Multiplexing）时分多路复用TDM（Time Division Multiplexing）,2.3.4 多路复用（续）,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，我们就可将该物理信道的总带宽分割成若干个和传输的单个信号带宽相同（或略为宽一点）的子信道传输一路信号 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
13、频谱搬移到物理信道频谱的不同段上，这可以通过频率调制时采用不同的载波来实现,例1,3路话频原始信号频分多路复用一带宽为12k Hz（从60k Hz-72k Hz）的物理信道的示意图,图2.23 频分多路复用FDM,例2,已知一条话频信道的带宽为4k Hz（实际用户使用的仅中间的3k Hz带宽，并在两边各留有500 Hz的隔离频带，以防相邻频带的串扰） 已标准化的FDM方案是将12路话音频分多路复用到一条带宽为48k Hz的线路上，称之为群（group），可以是12k Hz-60k Hz或60k Hz-108k Hz等 5个群又可被频分多路复用为带宽为240k Hz的超群（super group
14、），亦即一个超群中含有60路话音信道又可由5个或10个超群进一步频分多路复用为带宽更宽的主群（master group），它们分别含有300路或600路话音信道，这两者分别为ITU-T的标准和北美与日本采用的贝尔标准。,2.3.4 多路复用（续）,时分多路复用：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路信号所使用。与FDM区别：每一时间片由复用的一个信号占用，而FDM是同一时间同时发送各路信号 举例：990k Hz上广新闻台9:00地球嘹望、12:10市民与社会、16:05时事大挑战、19:02法庭内外等就可以看成是一种时分多路复用 性质上：特别适合于数字信号的场合，可用一组定时的时
15、间选通门来执行信号的复合与分离,例1,数据速率为48k Hz的信道可为5条9600 bps速率的信号时分多路复用也可为20条速率为2400 bps的信号时分多路复用,例2（北美流行的T1信道 ）,该线路中每125 s传输193位，构成一帧（注意，这里的“帧”并非在OSI模型中数据链路层的帧） 。故其数据速率为193 bits/125 s = 1.544M b/s。 193位可按时分多路复用方式细分为24个信道，每条信道8位。8位中的7位正好用来传输一路话音由上小节介绍的128级量化PCM技术产生的脉冲编码。每个信道中多余的1位用来传输控制信号，控制信号容量为1 bit/125 s = 8k b
16、/s，824位=192位，每帧中还多余一位则用于同步。连续的帧中的该位一直要保持01010101的模式。,例2（北美流行的T1信道，续 ）,例3（欧洲的E1标准）,与T1类似区别：在E1标准中，每帧时分为32个子信道，每个子信道8位，总共数据速率为 这32个子信道中有30个 用来传输话音，而另外2个用于传输控制信号及帧同步,多路复用的发展,同步光纤网SONET(Synchronous Optical Network) 的数字传输标准 美国在1988年推出，并为ITU-T接受 以此为基础制定出称之为同步数字系列SDH(Synchronous Digital Hierarchy) 的国际标准。,多
17、路复用的发展（续）,SONET与SDH的区别使用了不同的术语，SDH中称之为不同级别的同步传送模块STM(Synchronous Transfer Module) ；而SONET中则称之为不同级别的同步运输信号STS(Synchronous Transport Signal) 或对光传输称之为不同级别的光载波OT(Optical Carrier),多路复用的发展（续）,SONET从51.84M b/s开始，为STS-1/OC-1；而SDH则从155.52M b/s开始，为STM-1，它相当于STS-1/OC-1的3倍，即STS-3/OT-3 该两项标准术语“-” 后面的阿拉伯数字都代表了其数据
18、速率是开始级别数据速率的倍数，换句话说，它代表了该级别的信道是由多少开始级别信道复用而得到的。,波分多路复用WDM,波分多路复用WDM（Wavelength Division Multiplexing） 波长与频率有着一一对应的关系，实质上波分多路复用就是在光信道上采用的一种频分多路复用的变种 区别：光复用采用的技术与设备不同于电复用,码分多路复用CDM,码分多路复用CDM （Code Division Multiplexing）通常被称为码分多址CDMA（Code Division Multiple Access，又译为码分多路访问特点：有很强的抗干扰能力且隐蔽性好，主要用于军事通信，但现在
19、随着技术的发展己成为第三代民用移动通信的首选原型技术,码分多路复用CDM（续）,原理给每个用户分配一种经过特殊挑选的编码序列，称为码片序列(chip sequence) 码片序列：也可看成是给每个用户分配了一特定的地址码，用它来对通信的信号进行编码调制 特殊挑选：指这些地址码应相互具有正交性，从而使得不同的用户可以在同一时间同一频带的公共信道上传输不同的信息但知道某一用户的码片序列的接收器仍可以从所有收到的信号中检测到该用户信息，并将其分离出来，以便接收。,本讲内容,第二章 物理层与数据通信基础 2.3 传输技术 2.3.1 模拟传输与数字传输 2.3.2 数字调制技术 2.3.3 脉码调制
20、2.3.4 多路复用 2.3.5 数字信号的编码方法 2.4 物理层接口标准举例 2.4.1 EIA-RS-232C * *是要求同学了解的，这些内容在本电子教案中并未讲解而是要求同学自己阅读教材。,2.3.5 数字信号的编码方法,曼彻斯特编码（Manchester Encoding）为了自带位同步（或称比特同步）信号而采用的一种编码方法 在曼彻斯特编码中每个比特持续时间分为两半，在发送比特1时，前一半时间电平为高，而后一半时间电平为低；在发送比特0时则正好相反。这样，在每个比特持续时间的中间肯定有一次电平的跳变，接收方可以通过检测该跳变来保持与发送方的比特同步。,差分曼彻斯特编码（Diffe
21、rential Manchester Encoding）,图2.25 曼彻斯特编码,2.3.5 数字信号的编码方法（续）,曼彻斯特编码与差分曼彻斯特编码曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码已被某些局域网的标准采用 缺点是在每比特的持续时间内将可能出现多达两次跳变，编码效率只有50%。,4B/5B编码： 实际上是用5比特的码组来编码4比特的输入数据。特点：每个5比特码组中不含多于3个“0”，或者不会少于2个“1”。具体将5比特码组转换成电信号的波形采用了NRZI（Non Return to Zero, Invert on ones）方式，即不归零制4B/5B的编码效率已经提高到80%。已广泛使用于10
22、0M b/s以太网和光纤分布式数据接口环网FDDI(Fiber Distributed Data Interface)中,练习题,2.16 一个简单的电话系统由两个终端局和一个长途局组成，每个终端局用1M Hz的全双工中继线连到长途局。平均每台电话在8小时的工作日中使用4次，每次通话平均持续6分钟，其中10%的通话是长途电话（即经过长途局的）。若设每路话音带宽为4k Hz，问每个终端局能够支持的电话机最多台数是多少？ 2.19 一个4k Hz的模拟信号若采用4比特编码的DPCM方式进行数字传输，需要多大的数据速率？若改采用增量调制的方法，需要多大的数据速率？ 2.20 某单位总机共有K条中继出口线。若外线电话是随机发生的，且服从普阿松分布，两次相邻外线电话间的平均间隔时间为1 /秒，且每次外线电话的通话时间也服从负指数分布，平均为1 / 秒。在中继出口线不空时，电话在单一队列中按先到先服务的规则排队等候。试推导出因所有中继线都被占用而电话需排队等候的概率的表达式。2.25 绘出比特流011000101111的基本曼彻斯特编码波形图。,
