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1、第三章 物理层与数据通信基础3.1 数据通信的基础知识3.1.0 基础知识l 基本术语如果信息的自然状态是模拟的，如语音、图像等，经数字化处理后，用数字信号的形式进行传送就成为数字通信。如果信息的自然状态是数字的（离散的），如计算机数据，那么不管采用那种形式的信号进行传送，都叫数据通信。信道是一个逻辑的概念，可表示为向某一方向传输信息的通道。通过采用多路复用技术，一条2线制的物理信道可以同时传输多路信息。因此，可以广义的理解为一条物理信道可以包含多条逻辑信道。从通信过程中发送端所产生的信号形式来看，信号可分为模拟信号（连续变化的，如正弦波或余弦波形式）和数字信号（离散的、脉冲信号形式）两类。与
2、此相应的，信道可以分为传送模拟信号的模拟信道和传送数字信号的数字信道。当然，数字信号经过调制后，可以改变成模拟信号在模拟信道传输，模拟信号经过模数变换后，也可以转换成数字信号在数字信道上传输。l 数据传输方式数据通信的基本方式有两种，一种是并行通信，一种是串行通信。并行通信通常用于计算机系统内部及与外设之间大量频繁的数据传输。在这种方式中，每个数据编码的各个比特都是同时发送的，因此，数据传输率高。但在远距离通信时，由于这种通信需要的线路太多，因而通信成本太高，另外，并行线路间电平的相互干扰也会影响传输质量。因此，一般不采用并行通信。串行通信就是比特（bit）的逐位传送，对于要进行远距离传输的每
3、个数据编码的各个比特来说，一般按照从低位到高位的顺序依次进行传送。由于这种方式节省线路成本，因此它是远距离数据通信较好的选择。l 通信制式通信制式（Communication mode）主要是指有关信息传输方向的定义。1）单工通信。凡是利用一条物理信道（2线制）只能进行单向信息传输的通信，称之为单工通信。单工通信多用于早期简单的或测试控制环境下的数据通信，现在已很少采用。2）半双工通信。半双工通信是指可以进行双向传输，但由于只有一条物理信道（2线制），因此，同一时刻只限于一个方向传输，这种制式方泛应用于交互式会话通信情况下。3）全双工通信。全双工通信是指通信双方在任何时刻，均可进行双向通信，无
4、任何限 制，这种制式往往用于实时数据交换，它需要具有两条以上的物理信道（3线制或4线制）。为了提高传输速度，现在越来越多的高速数据通信系统或计算机网络系统开始采用全双工通信制式。3.1.1通信系统模型点到点数据通信系统的一般结构形式如书图3-1 所示。解释说明：略通过模拟信道进行数据通信的结构形式如图3-1 所示DTEDTE通信线路或网络ModemModem噪声源图21 数据通信系统基本构成更一般的结构形式为跨越网络的通信。其中，数据终端设备DTE(Data Terminal Equipment)是对属于用户所有的连网设备和工作站的通称。它们是数据的产生源和接收源，一般具有根据协议控制通信的功
5、能。典型的数据终端设备有：计算机、输入/输出设备和各种形式的数据终端（如POS机等）。调制解调器用于实现信号的变换，可以将由计算机输出的抗干扰能力较差的数字数据转换成抗干扰能力较强的模拟数据，从而实现远距离的传输。同时还可以进行相反方向的转换，将接收到的模拟数据转换成数字数据送给计算机系统进行存储或处理。3.1.2 带宽与傅立叶分析任何实际的模拟信道所能传输的信号的频率都有一定的范围。这个范围就称之为该信道通频带的宽度或称为带宽（Bandwidth）。信道的带宽是由传输媒体和有关的附加设备与电路的频率特性综合决定的。对一个低通信道来说，若从0到某个截止频率fc的信号通过时，振幅不会衰减或衰减很
6、小，而超过此截止频率fc的信号通过时就会大大衰减，则此信道的带宽为fc（Hz）。因此，信道的带宽越宽，则它传输数字信号时失真越小。反之，若信道的带宽是固定的，则它用来直接传输数字信号的数据传输速率越高，则失真越大。3.1.3 数据通信的技术指标1. 数据传输速率数据传输速率有两种度量单位，即波特率和比特率。l 波特率波特率又称波形速率，即指数据通信系统中线路上每秒传送的波形个数，其单位为波特。设一个波形的持续周期为T，则波特率B=1/T（波特）l 比特率比特率又称为信息速率，它反映一个数据通信系统每秒所传输的2进制数据位数，单位是：比特/秒（bits/s）或bps。信息速率直接与波形速率和一个
7、波形所携带的信息量有关，因此，比特率S可按下式公式计算：S=Blog2N (bps)，其中N为一个周期内电脉冲信号所有可能的有效状态，log2N则表示每个周期的电脉冲信号所能表示的二进制数据位数。l 误码率误码率是衡量通信系统线路质量的一个重要参数，它的定义为，二进制符号在传输系统中被传错的概率。近似的等于被传错的二进制符号数与所传二进制符号总数的比值，即：误码率Pe = 接收的错误比特数 / 传输的总比特数在计算机网络通讯中误码率要求低于10-9。l 信道容量信道容量是衡量系统有效性的指标，它和系统的通信效率和可靠性都有直接的关系。实际上，衡量系统可靠性指标的误码率和衡量通信效率的传输速率两
8、者之间是相互制约的。即在一定条件下，提高通信效率会使可靠性降低，提高可靠性就会使通信效率降低。但是衡量可靠性的误码率指标受通信设备，传输线路和传输环境等影响不可能大幅度提高，那么能否在误码率一定的条件下，无限制地或者尽可能的提高传输速率呢？实际上这是不可能的。对特定的数据通信系统来讲，传输速率是有极限的。对于无热噪声的理想信道来说，这个极限值可以用奈奎斯特（Nyquist）公式给出：信道容量 C=2Flog2L。 其中，F为信道带宽（Hz），S为单位周期内数字信号的状态数。对于有热噪声的信道来说，这个极限值可以用香农（Shannon）公式计算出来：信道容量 C=Flog2(1+S/N)。 其中
9、，S为接收端信号平均功率（W），N为信道内噪声平均功率（W），一般的数据通信系统都必须保证信噪比S/N的比值。信道容量就是指信道所能达到的最大传输功率能力。当信道的实际信息传输速率低于信道容量C时，就可以实现有效的信息传输；而当实际信息传输速率超过信道容量时，传输质量就不能保证。注意：分贝值的计算为10log10X，例如信噪比为30分贝，那么S/N=1030/10。可见，信道最大传输速率与信道带宽之间存在着直接的关系。*3.1.4 数据的同步方式数据在传输线路上以串行方式进行传输时，为了保证发送端发送的信号能够被接收端正确无误的接收，接收端必须与发送端同步。也就是说，接收端不但要知道一组二进制
10、位的开始与结束，还需要知道每位的持续时间，这样才能做到用合适的采样频率适时采样所接收到的数据。通常接收器在每位的中心进行采样。如果发送端和接收端的时钟不同步，即使只有极小的误差，随着时间的增加，误差逐渐积累，终究会造成收发之间的失步。由于发送端和接收端的时钟信号不可能绝对一致，因此必须采取一定的同步手段。实际上，同步技术直接影响着通信的质量，质量不好的同步将会使通信系统不能正常工作。常用的同步方式有两种：异步传输和同步传输1. 异步传输控制异步传输控制是以一个字符的编码作为数据传输的基本单位，因此也叫字符同步方式，其具体的做法是，在每个传输字符编码的首末分别增加1位起始位和1位/（1.5位）/
11、2位停止位。分别表示字符编码的开始和结束。起始位是“0”，结束位是“1”（字符编码连校验位是8位）。现以传输“10110010”为例，说明数据传输形式： 1 0 1 1 0 0 1 0 起始位 结束位图31 异步传输控制下的数据传输形式平时不传输字符时，传输线一直处于停止的状态，即高电平。当某台设备要向另外一台设备发送数据时，首先置位传输线，发送一个低电平信号代表起始位，然后按编码规则，发送数据，数据发送完成，发出一至二个高电平状态的结束位，并将传输线状态复位，保持高电平状态，直至发送下一个数据。接收端一旦检测到传输线上有“1”“0”的跳变，即说明传输线上有数据到达，接收端立即应用这个电平的变
12、化启动定时机构，按顺序接收数据，当检测到结束位后，说明本次数据传输结束，停止接收数据，直至检测到新的信号跳变。这种方式接收时钟仍应与发送时钟同步。但由于每次只接收一个字符，因而对接收时钟的精度要求可以放宽，一般的时钟偏差都不会引起采样出错。异步传输控制方式实现简单，但传输的效率较低。因为每个字符都要附加起始位和结束位，辅助开销比例很大，因此一般用于低速线路中，像计算机与终端，计算机与调制解调器与多路复用器等通信设备的连接。2. 同步传输控制同步传输控制是以“数据块”或“位块”为单位进行传输，一个数据块一般有几千个数据位。为了防止发送端和接收端的失步，发送时钟和接收时钟必须高度同步。目前一般采用
13、自同步法，即从所接收的数据中提取时钟的特征。如后面所要讲的双相码就具有同步能力，因为其发送数据中包含着发送时钟信号。接收端从接收数据中提取与发送时钟一致的时钟信号作为接收时钟信号，这样接收和发送时钟就自动同步了。为使接收端和发送端同步，除使双方时钟同步外，还必须使接收端能准确判断出数据的开始与结束。一般的做法是在数据块前面加一个确定长度的位模式，一般称为前同步信号（前文），数据结束后也加上后同步信号（后文）。前文、后文加上所传输的数据信息就构成一个完整的同步传输方式下的数据单位，称为帧。帧是常用的数据传输单位。简单说来，帧的接收过程是这样的，接收端检测到前文后，即说明有数据到达，接收端利用从数
14、据中提取的时钟信号作为接收时钟，按顺序接收前文后的数据信息，直至接收到后文为止。同步传送因为以“数据块”为单位（几千比特），因而额外开销小，传输效率高，在数据通信中涉及到了广泛的应用。但是这种方式的缺点是发送端和接收端的控制复杂，且对线路要求也较高。3.2物理传输媒体（介质）3.2.1 双绞线双绞线通常是由4对（橙、橙白、绿、绿白、蓝、蓝白）按螺旋结构排列的导线所构成的双绞线电缆。把各个线对扭在一块儿可使导线之间的电磁干扰最小，这样可减少串扰及信号放射影响的程度，每根导线在导电传输中放出的电波会被另一根线上发出的电波所抵消。双绞线的传输距离一般不超过100m，典型的数据传输速率为10Mbps、
15、100Mbps、150Mbps，采用特殊技术甚至可达1000bps。双绞线一般用于点到点的连接。在低频传输时，双绞线的抗干扰性相当于或高于同轴电缆。但是超过10100KHz时，同轴电缆就比双绞线明显优越。双绞线（TP）一般分为非屏蔽双绞线（UTP）和屏蔽双绞线（STP）两种。1、非屏蔽双绞线电缆非屏蔽双绞线电缆是由多对双绞线和一个塑料外皮构成，如图3-3所示。图2-4 屏蔽双绞线电缆的结构形式图2-3 非屏蔽双绞线电缆的结构形式根据电子工业协会EIA和通信工业协会（TIA）所设计的规格，双绞线有以下几类：第1类：早期用于音频传输，一般作为电话线使用，不同于传输数据。第2类：用于传输数据，作为令
16、牌传输协议网络的传输介质，支持4Mbps。第3类：用于以太10Base-T局域网，支持10Mbps。第4类：用于基于令牌或10base-T/100Base-T网络，支持16mbps或10mbps。第5类：用于100Base-T(和10base-T)网络，支持100mbps。超5类：用于100base-T网络，支持100mbps。第6类：适用于1000base-T网络，支持1000mbps。实际上，国际电气工业协会（EIA）是为双绞线电缆定义了几种不同的质量级别。由于第五类双绞线通过增加缠绕密度、高质量绝封缘材料，极大地改善了传输介质的性质，所以可用于高速网络。计算机网络中最常使用的是第三类和第
17、五类非屏蔽双绞线电缆，第五类双绞线适用于目前大部分计算机网络。2、屏蔽双绞线电缆屏蔽双绞线电缆的内部与非屏蔽双绞线电缆的内部一样是双绞铜线，外层由铝箔包着，如图3-4所示。屏蔽双绞线相对来讲要贵一些，但它仍然比同轴粗缆和光缆要便宜些。它的安装要比非屏蔽双绞线电缆难一些，类似于同轴电缆。它必须配有支持屏蔽功能的特殊连接器和相应的安装技术。它具有较高的传输速率，100内可达500Mbps，但是通常使用的传输率都不超过500Mbps。当今使用最普遍的速率是500Mbps。屏蔽双绞线电缆的最大使用距离也限制在几百米之内。3.2.2 同轴电缆同轴电缆的结构形式如下图3-5所示。常见的同轴电缆有以下几种：
18、1） RG-58A/u：细缆阻抗50，0.18英寸，传输基带数据信号，特性差，价格低；2） RG-11：粗缆阻抗50，0.4英寸，传输基带数据信号，特性好，价格高；图2-5 同轴电缆的结构形式3） RG-59u：CATV（有线电视电缆）阻抗75，0.25英寸，用于视频信号及宽带数据传输；4） RG-62u：专用同轴电缆阻抗95，0.25英寸，用于IBM终端，ARCnet等由于有金属屏蔽网，因而受到的电磁干扰较小，传输距离较长；但布线不够方便，且成本相对较高。同轴电缆的典型数据传输速率是10Mbps，细缆的最大直接传输距离为185米，粗缆的最大直接传输距离为500米，曾经一度被广泛用于连接总线结
19、构的微机局域网，目前已很少使用。3.2.3 光纤光纤传播的是光信号，它是将对应的电信号通过光电转换器转换得到的。激光光源可以是发光二极管LED或激光二级管ILD，其传播过程不受电磁及静电干扰，因而误码率低。此外由于损耗小，因而传播距离长（10km）。在2km距离内，速率可达25M100PBPS。但光纤的缺点是不易施工，价格昂贵。目前常用的光纤一般都是采用多成份的玻璃纤维制成的光导纤维，因为其性能价格比最优。当然也有用超纯二氧化硅和塑料制造的光导纤维，但性价比太低，以致于很少应用。光导纤维的横截面为圆形，由纤芯、包层两部分构成。二者由两种光学性能不同的介质构成。实用的光缆外部还须有一个保护层，如
20、图3-5所示。其中，纤芯为光通路；包层由多层反射玻璃纤维构成，用来将光线反射到纤芯上。因而可以使光聚集在纤芯内以近似于全反射方式向前传播，形成光波导，如图3-6所示。可将多股光纤捆在一起形成光缆。目前市场的光缆结构有多种形式。短距离用的光缆主要有两种，一种光缆是在中心加钢丝或尼龙丝，外束有若干根光纤，外面再加一层塑料护套；另一种是高密度光缆，它由多层丝带叠合而成。每一层丝带上平行敷设了一排光导纤维。光纤有单模（长波）和多模（短波）之分。图4-15 光纤的信号传播形式单模光纤：这种光纤的芯很细，（10um以内），因而光信号基本沿轴线以一条途径向前传输，带宽可达几百GHZ，常用的为8.3/125u
21、m（芯径/包层直径）。图2-6 光纤的传播形式图2-5 光纤的结构形式多模光纤：光纤的芯较粗（1075um），光波以不同角度进入管道以不同路径（非轴路径）进行传输，因而造成散射，由此行走距离较长，且不同时到达终点，结果造成光脉冲在接收端重叠、混乱，致使带宽下降，速率只能达到几千Mbps，带宽约几千MHZ，常用的为62 .5/125um、50/125 um、100/140 um（芯径/包层直径）。由于每根光纤在任何时候都只能单向传输，因此，要实行双向通信，它必须成对出现，一个用于输入，一个用于输出，光纤两端接到光学接口上。每一条光纤电缆的连接都需要小心地磨光端头，通过电烧烤或化学环氯工艺与光学接
22、口连在一起。整个安装过程，必须要确保光通道没有被阻塞，也不能被光纤拉得太紧或形成直角。对光载波的调制属于移幅键控法ASK，也称为亮度调制（Intensity Modulation）。典型的做法是在给定的频率下，以光的出现和消失来表示两个二进制数字。发光二极管和注入型激光二极管ILD的信号都可用这种方法调制，PIN和APD检波器直接响应亮度调制。目前正在研制超高速光纤通信系统，除2.4Gbps的系统已投入商用外，20Gbps、100Gbps的系统也正处于研制阶段。超高速系统中最主要的问题是速度受到光纤和电子器件速率的限制，因而需要研究解决高速调制的方法和器件。在增大容量方面，利用特高频或微波作为
23、负载波进行调制和频分复用技术形成多路调制信号。l 光纤的特点：1、低衰减、大容量2、电磁隔离、抗干扰3、轻便、耐腐蚀3.2.4 无线传输媒体（介质）除了可以利用上述有线介质传输信息外，还可以利用自由空间以电磁波的形成传播数据，即各通信结点没有可见的物理通信线路，在此情况下，发送结点需要有一个高频发射机，产生高频振荡波，通过天线发送出去； 在接收结点则需要通过接收天线和接收设备（机）接收之，进行数据通信可以采用短波和微波频率范围。短波（Shortwave）频率范围大致在3M300MHZ之间，这一频率范围的振荡波可以从地球上空的电离层反射回来，因而传输的较远，但由于该电离层是处于地球上空的一层带电
24、离子区域，受太阳辅射就会游离，一年四季，白天黑夜都在变化着，从而导致电磁波反射回来的强度不同；另外反射途径也不止一条，所以反射回来的电磁波会互相干扰，由此造成通信线路的不稳定。然而，它具有灵活、机动、经济的特点，适用于移动式的通信。微波（Microwave）一般是指频率大于300MHZ的电磁波，它在电离层已不能反射，而在地球表面绕射损耗又很大，所以只能用于视距之内的通信，通俗地说，就是接收天线与发送天线要互相可见，在长距离通信的情况下，就要通过“接力”方式来实现，即每隔一定距离（如50公里）设一个中继站，从而构成一个微波中继系统。这种无线介质由于不需要铺设电缆，对于连接不同建筑物内的局域网特别
25、有用，这是因为很难在建筑物之间架设电缆，不论在地下或用电线杆，特别是要穿越的空间属于公共场所，例如，要跨越公路时，会更加困难。而使用无线技术只需在每个建筑物上安装设备。微波对一般雨和雾的敏感度较低。3.2.5 卫星通信卫星通信系统也是微波通信的一种，只不过其中继站设在卫星上。卫星通信利用地球同步卫星(在36，000km高空轨道运行)作中继来转发微波信号，如图3-16所示。卫星通信可以克服地面微波通信距离的限制。一个同步卫星可以覆盖地球的三分之一以上表面，三个这样的卫星就可以覆盖地球上全部通信区域，这样，地球上的各个地面站之间都可以互相通信了。由于卫星信道频带宽，也可采用频分多路复用技术分为若干
26、子信道，有些用于由地面站向卫星发送（称为上行信道），有些用于由卫星向地面转发（称为下行信道）卫星通信的。图2-16 光纤的结构形式卫星通信优点是容量大、距离远。此外，采用无线通信方式进行数据传输的一个最大优点就是具有广播能力、多站可以同时接收一组信息。缺点是传播延迟时间长。从发送站通过卫星转发到接收站的传播延迟时间为270ms，且这个传播延迟时间是和两站点间的距离无关的。这相对于地面电缆传播延迟时间约来说，特别对于近距离的站点要相差几个数量级。红外(Infrared)通信是指利用红外线进行的通信。它已广泛应用于短距离的通信。电视机、空调的遥控器就是应用红外通信的例子。它要求有一定的方向性，即发
27、送器直接指向接收器，而且不能穿透物体。无须申请频率。激光（Laser）同样无需申请频率、不能穿透物体。但可在长距离内保持聚焦（定向）。但对雨和雾比较敏感。3.3传输技术数字数据可以采用数字信号传输，也可以采用模拟信号传输；同理，模拟数据也可以采用数字信号传输或模拟信号传输。这样，就构成了数据的四种传输方式：数字数据的数字传输方式；数字数据的模拟传输方式；模拟数据的数字传输方式；模拟数据的模拟传输方式。对于模拟数据的模拟传输方式，由于无需对信号进行编码与解码，更不需要转换与调制，因此实现比较简单，我们不在此进行讨论，而仅对前三种方式做进一步讨论。3.3.1 模拟传输与数字传输略。3.3.2 数字
28、调制技术（数字数据的模拟编码与传输）基带数字信号含有大量的低频成份和直流分量，此外，基带信号的抗干扰能力也不支持在模拟线路（如电话线路）上进行远距离传输。要想利用已有的模拟线路传输数字信号，就必须采取某种措施将基带数字信号调制到模拟线路的频带范围内，转换成频带信号再行传输，即实现频带传输。这种将基带脉冲信号转换成连续载波信号的设备就是调制器。经过调制后的信号，我们称为已调信号。已调信号传输到对端后，还要恢复成基带脉冲信号，才能被对端的数据终端设备所识别和接收，这种将连续载波信号转换成基带脉冲信号的设备就是解调器。同时具备调制与解调功能，实现两个相反方向转换的设备成为调制解调器。数字信号的调制实
29、际上就是利用基带信号对载波波形的某些参数进行控制，使这些参数随基带脉冲信号的变化而变化。根据调制参数的不同，其调制方式可分为：幅移调制（ASK）与解调、频移调制（FSK）与解调和相移调制（PSK）与解调三类。如图17所示。1、 幅移调制与解调幅移调制又称幅移键控，它就是利用基带脉冲信号去控制载波的瞬时幅度变化，而保持频率和相位不变。在实现上一般就是利用不同的数字信号（“1”/“0”）控制接通或断开连续的载波。如发“1”码时，就允许载波输出；而发“0”码时，就禁止载波输出。这就如同有一个开关控制一样，如图17 b）所示。ASK方法中，由于数字数据的幅值易受噪声影响而产生差错，因此一般用于低速传输
30、（ 1300bps）的情况。其解调过程最为简单，只需检测有无载波信号即可，对应产生基带脉冲信号。图17 数字数据的三种模拟编码形式2、 频移调制与解调频移调制又称频移键控，它就是利用基带脉冲信号对载波的频率进行调制，而保持幅值和相位不变。频移调制就是利用基带脉冲信号中的“0”和“1”数据码元来控制载波的频率，使不同的数据码元对应不同的频率。这就相当于有一个开关在控制载波频率变化，如图1- 7 c）-1所示。调频信号的产生可以通过在调制端采用一个载波信号发生器，通过基带脉冲信号来改变其载波输出的频率，从而产生相位连续的调频信号。调频方式实现简单，而且抗干扰能力强，但频带利用率低，一般用于低速数据
31、传输。调频信号的解调，根据其是否采用相干信号可分为相干解调和非相干解调两种方法。相干解调方式中的相干信号一般就是采用初始载波信号，通过将接收到的调频信号和相干信号的对比来实现解调，但这种方法不但设备复杂，而且效果也没有显著的提高，因此很少采用。在实际应用中，由于调频的特点，一般都采用非相干解调方法，而不利用相干解调方法。因此设备相对简单，效果也比较好。实现非相干解调的方法很多，这里只介绍一种零交点法，其它诸如鉴频法、差分检波法、动态滤波法等等均不再讨论。零交点法就是利用信号波形在单位时间内与零电平纵横交叉的平均数的值不同，来把信号的频率信息检测出来的方法。3、 相移调制与解调所谓相移调制是指利
32、用基带脉冲信号控制频波的相位变化，使不同的基带脉冲信号（“0”/“1”）对应不同的相位，这同样像有个开关一样，可以用开关去选取与数据信号相应的相位，所以又可称之为相位键控。相位调制方法在实现上又可分为绝对移相（Absolute phase-shift）和相对移相（Relative phase-shift）两种：1） 绝对移相设载波为c(t)=ACOS0t，基带数据信号为s(t)= 那么当s(t)0时，调相信号e1(t)ACOS0t；当s(t) 1时，调相信号e3(t) ACOS (0t+)。即所有基带信号s(t)的“0”对应已调信号e(t)的零相位，而s(t)中的“1”对应已调信号e(t)的相
33、位。在这种方式中，由于已调信号的两种相位都是相对未调载波的相位而言的，那么这种利用不同相位的绝对值对应不同基带数据信号的移相方式就称为绝对移相方式。如图1-7 c）-2所示。2） 相对移相相对移相又称差分相位调制。这种制式的参考相位不是固定的载波零相位，而是前一码元的相位。当码元为“1”时，载波的相位相对前一码元的载波相位移动一个；而当码元为“0”时，相对前一码元的载波相位不变。如图1-7 e）所示。与绝对移相不同，相对移相中所有的“1”信号不是都具有相同的相位，而是根据前一码元的相位来决定，而绝对移相则具有相同的相位。3.3.3脉码调制（模拟数据的数字编码与传输）在数据通信系统及计算机网络中
34、，传输多媒体数据是必然的需要，因此，除直接传输计算机所产生的数字信号外，语音、图像等模拟信息的数字化也已成为发展的必然趋势。模拟数据数字化的主要方法有脉冲编码调制（PCM，Pulse Code Modulation）和增量调制（DM，Delta Modulation）。其中，以PCM方法的应用为多，因此，这里只对PCM作以介绍。脉冲编码调制工作包括三个步骤，即采样、量化与编码。1、 采样采样是每隔一定的时间间隔，将模拟信号的电平幅度值取出来作为样本，用它来表示被取样的原始信号值。一般来说，采样频率越高，根据采样值恢复原始信号的精度越高。如果采样频率为信号最高频率的2倍，就可以准确再现原始信号。
35、2、 量化量化是将取样样木幅度按量化级决定取值的过程。量化之前要按规定将信信号分为若干量化级，例如可分为8级或16级，以及更多的量化级。这要根据精度要求来确定。同时还要规定好每一级对应的幅度范围。然后将采样所得样本幅值与上述量化级幅值进行比较，确定所属的量化级。经过量化后的样本幅度就已成为离散的量级值，已不是连续值。3、 编码编码是用相应位数的二进制代码表示量化后的采样样本的量级。如果有K个量化级，则所需的二进制的位数为log2K。例如量化级有16个，就需要4位编码。目前常用的语音数字化系统中多采用128个量级，需要7位编码。经过编码后，我们就可以在线路上产生和传输与编码对应的脉冲信号了。如图
36、18所示，D5取样幅度为1.52，取整后为1.5，量化级为15，样本编码为1111。将二进制编码1111发送到接收端，接收端可以将它还原成量化级15，对应的电平幅度值为1.5。脉冲编码调制方法用于数字化语音系统时，通常是将语音声音分为128个量化级，采用7位二进制编码表示。由于采样速率一般规定为8000样本秒，因此数据传输速率应达到7 8000bit/s56kbps。PCM除用于语音图2-8 PCM工作过程传输以外，也同样可用于计算机图形及图像的数字化与传输处理。脉冲编码调制方法的缺点是：使用的二进制位数较多，编码效率较低，传输速度太慢。目前对脉冲编码调制一般采用压缩编码的方法，以减少编码传输
37、的信息量。现在的数字传输系统都是采用脉冲码调制PCM体制。PCM最初的目的是解决电话局之间中继线的不够用，使一条中继线可以传送几十路话路。由于历史上的原因，PCM有两个互不兼容的国际标准，即北美的24路PCM（简称T1）和欧洲的30路PCM（简称1）。我国采用的是E1标准。T1的速率是1.544Mbps ，E1的速率是2.048 Mbps。为了有效地利用传输线路，通常总是将多个话路的PCM信号采用时分复用的方法合成一高速信号后再往线路上传输。E1是由个用户话路及两个发送控制信息的话路合成的一次群。因此E1的数据速率为3264Kbps2.048Mbps。北美使用的T1系统共有24个用户话路，每2
38、4个用户话路信号有一位控制位，因此T1一次群的数据率为1.544Mbps。当需要更高的数据率时，可以采用复用一次群的方法合成二次群。二次群由个一次群合成时，其数据率要比个一次群速率的总和多一些，因为复用后还需要一些控制信号。如果信道带宽允许（如光纤信道），可以再合成为三次群、四次群等。表1-2给出了北美和欧洲数字传输系统的高次群话路数和数据率。日本的一次群用T1，但自己另有一套高次群的标准。应当指出的是，如果在两个计算机之间的通信电路中，只有部分电路采用数字传输，那么数字传输的优越性并不能充分发挥在果通信电路由模拟电路和数字电路交换组成，那么由于要进行多次模数和数模变换反而降低了效率。因此，只
39、有两端之间所有通路都是数字化电路，数字传输的优越性才能充分发挥。3.3.4多路复用为了节省线路，充分利用信道的容量，提高信道的利用率，一种有效的方法就是采用多路复用（Multiplex）技术，把单条物理信道划分成多条逻辑信道，用一条物理信道同时传输多路数据。多路复用的技术实现方式有以下几种：1. 时分多路复用技术(TDM)时分多路复用则是以信道传输时间作为分割对象，通过为多个信道分配互不重叠的时间片的方法来实现多路复用，因此，时分多路复用更适合于数字数据信号的传输。时分多路复用TDM是将信道用于传输的时间划分为若干个时间片，每个用户分得一个时间片，在其占有的时间片内，用户使用通信信道的全部带宽
40、。目前广泛应用的时分多路复用的方法是贝尔系统的TI载波（如图3-3所示）。T1载波系统是将24路音频信道复用在一条通信线路上。每路音频模拟信号在送到多路复用器之前，要通过一个PCM编码器。编码器每秒取样8000次。24路PCM信号的每一路，轮流将一个字节插入到帧中。每个字节的长度为 8位，其中 7位是数据位，1位用于信道控制。每帧由248192位组成，附加一位作为帧开始标志位，所以每帧共有193位。由于发送一帧需要125毫秒，因此TI载波的数据传输速率为1.544Mbps。图23 时分多路复用原理示意图可见，时分多路通信的主要特点是利用不同时隙来传送各路不同的信号。各路信号在频谱上是重叠的，但
41、在时间上是不重叠的。目前，时分多路复用通信方式大都用于数字通信系统。2. 频分多路复用技术(FDM)频分多路复用是以信道频带作为分割对象，按不同的频率范围将一条物理信道划分成多条逻辑信道。这种通过为物理信道分配互不重叠的频率范围的方法来实现多路复用的技术就称为多路复用技术。频分多路复用更适于模拟数据信号的传输。频分多路复用的基本原理是：由于各条逻辑信道占用的频率范围（即频带）是不同的，即各个信道所占用的频带不相互重叠，因此在进行多路数据传输时，需要将多路信号的每一路信号用不同的载波频率进行调制，并且相邻信道之间用“警戒频带”隔离。那么，每个逻辑信道就能独立地传输一路数据信号。在接收端，利用上述
42、相反的调制过程，把各种信号通过反调制再搬回原来的频段上，并进一步恢复各路原来的信号。从而实现在一个传输频带上，分割为多个频段，让多路信号通过这多个频段同时进行传输。3. 波分多路复用技术(WDM)光纤通道技术采用了波长分隔多路复用方法，简称为波分多路复用WDM（Wavelength Division Multiplexing），这是目前正在发展的一项新的技术。实际上，波分多路复用也是频分多路复用的方法。波分多路复用的工作原理如图3-2所示。图中所示的两束光波的频率是不相同的，它们通过棱镜（或光栅）之后，使用了一条共享的光纤传输，它们到达目的结点后，再经过棱镜（或光栅）重新分成两束光波。因此，波
43、分多路复用并不是什么新的概念。只要每个信道有各自的频率范围且互不重叠，它们就能够以多路复用的方式通过共享光纤进行远距离传输。与电信号的频分多路复用不同之处在于，波分多路复用是在光学系统中利用衍射光栅来实现多路不同频率光波信号的合成与分解。图24 波分多路复用原理示意图在图3-2所示的波分多路复用系统中，从光纤1进入的光波将传送到光纤3；从光纤2进入的光波将传送到光纤4。由于这种波分多路复用系统是固定的，因此从光纤1进入的光波就不能传送到光纤4。我们也可以使用交换式的波分复用系统。这样，一个星型结构的交换式波 分复用系统，就可以支持数百条光纤信道的多路复用。这种系统在未来的高速光纤网络中，将会有
44、广泛的应用前景。3.3.5 数字信号的编码方法数字数据在数字信道中的传输一般称作基带传输。例如，利用各种数据传输介质直接传送从数据终端设备送出的未经任何转换的脉冲数字信号的过程就是一种基带数据传输形式。大多数局域网都采用基带传输方式。由于基带传输是在基本不改变数字数据信号频带（即波形）的情况下直接传输数字信号，因此可以达到很高的数据传输速率，是目前广泛应用的一种数据通信方法。基带传输中数字信号的编码方式主要有以下几种：1、 曼彻斯特编码曼彻斯特编码的规则是：在每一数据位的中间产生一次信号跳变，从“0”“1”表示“0”，从“1”“0”表示数据“1”。由于这一跳变是在每位的中心产生，因此，同时能够
45、表示数据的发送时钟。典型的曼彻斯特编码波形如图3.25 b) 所示。2、 差分曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码是经过改进的曼彻斯特编码。差分曼彻斯特编码特点是：位中心的跳变只表示时钟，而用每位开始时有无跳变表示数据。本例中，每位开始有跳变时表示“0”，无跳变表示时表示“1”。典型的曼彻斯特编码波形如图3.25 c) 所示。数据位： 0 1 0 0 1 0 1 1a) NRZ同步时钟b) 曼彻斯特编码c) 差分曼彻斯特编码 图 3.25 数字数据信号编码波形双相码的优点是：1）具有自同步能力。因此曼彻斯特编码又称作“自含时钟编码”或“自同步编码”。发送曼彻斯特编码信号时只需要一条信道，而无需用另外一条信道去发送同步信号。2）曼彻斯特编码信号不含直流分量。3、4B/5B编码用5位的编码表示4位的数据。编码规则：特点：5位的码组中不含多于3个“0”，或者不会少于2个“1”。统计时分复用例子：单位用车，公共汽车作业：1、 名词解释：数据、信号、模拟信号、数字信号、单工通信、全双工通信2、 同步通信与异步通信的主要区别？3、 什么是曼彻斯特编码？画出10011101的曼彻斯特编码的波形。13
