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1、数据通信基础,本节学习要求：,1.了解计算机通信中信息、数据与信号的基本概念，以及数据通信系统的基本结构；2.掌握串行与并行通信，单工、半双工与全双工通信，模拟通信、数字通信的特点；3.了解基带传输的定义与主要特点，掌握数据传输速率的定义；4.了解频带传输和宽带传输的定义，掌握调制解调器的基本工作原理；5.掌握异步传输与同步传输方式的主要特点；6.掌握模拟数据编码方法与数字数据编码的基本原理与主要特点；7.了解多路复用技术的分类，掌握FDM、WDM、TDM的基本工作原理；8.了解数据通信中差错产生的原因与差错类型，掌握误码率的定义与循环冗余编码CRC的基本工作原理；,一.基本概念,本章关键术语
2、:信道(channel)双工/半双工/全双工基带(baseband)宽带(broadband)模拟信号(analog signal)码元数字信号(digital signal)并行通信/串行通信非屏蔽双绞线UTP（Unshielded Twsited Pair）国际电信联盟ITU（International Telecommunication Union）电气与电子工程师学会IEEE（Institute of Electrical and Electronics Engneering）单模光纤(single-mode fiber)/多模光纤(multimode fiber)复用技术(multi
3、plexing)频分多路复用FDM/时分多路复用TDM移幅键控法ASK/移频键控法FSK/移相键控法PSK调制解调器（modem）曼彻斯特编码,现代数据通信系统实际上是一个计算机网络，由数据传输系统和数据处理系统两部分组成。通信系统模型：,数据通信系统概述,数据通信的基本概念,通信的目的是交换信息(Information)；信息：数据的内容和解析。信息的载体可以是数字、文字、语音、图形或图像；计算机产生的信息一般是字母、数字、符号、图形或图像的组合；数据：载荷信息的物理符号或有意义的实体。数据通信是指在不同计算机之间传送表示字母、数字、符号或图形、图像的二进制代码0、1比特序列的过程；,数据通
4、信的特点,数据通信和电报、电话通信相比，数据通信有如下特点：(1)数据通信是人机或机机通信，计算机直接参与通信是数据通信的重要特征；(2)数据传输的准确性和可靠性要求高；(3)传输速率高，要求接续和传输响应时间快；(4)通信持续时间差异大。,数据的两种分类：,数据可分为模拟数据与数字数据两种。模拟数据：如果数据在某个时间取连续值,则称为模拟数据.例如温度和压力。数字数据：若数据取离散值，则称数字数据。例如文本信息、整数、二进制数字等。,信号：是数据的电磁波或电编码。是数据的具体表示形式。电话线上传送的按照声音的强弱幅度连续变化的电信号称为模拟信号(analog signal)；模拟信号的信号电
5、平是连续变化的；,模拟信号,数字信号,计算机所产生的电信号是用两种不同的电平去表示0、1比特序列的电压脉冲信号，这种电信号称为数字信号(dligital signal）；,信道,信道：传输信息的必经之路称为“信道”。也称为传送电信号的一条道路。按照信道中传输的信号分类，可把信道分为模拟信道和数字信道。在计算机中有所谓物理信道和逻辑信道之分。物理信道是指用来传送信号或数据的物理通路，网络中两个结点之间的物理通路称为通信链路，物理信道由传输介质及有关设备组成。逻辑信道也是一种通路但在信号收、发点之间并不存在一条物理上的传输介质、而是在物理信道基础上，由结点内部的边来实现。,数据传输的基本形式,基带
6、传输：所谓基带，就是指电信号所固有的基本频带，简称基带。数字信号的基本频带是从0至若干兆赫，由传输速率决定。当利用数据传输系统直接传送基带信号，不经频谱搬移时，则称之为基带传输。,数据传输的基本形式2,所谓频带传输，就是把二进制信号(数字信号)进行调制交换，成为能在公用电话网中传输的 音频信号(模拟信号)，将音频信号在传输介质中传送到接收端后，再由调制解调器将该音 频信号解调变换成原来的二进制电信号。这种把数据信号经过调制后再传送，到接收端后又 经过解调还原成原来信号的传输，称为频带传输。,数据传输的基本形式3,宽带是指比音频带宽更宽的频带，指传输介质的频带宽度较宽的信息传输，一般在300-4
7、00MHz左右。使用这种宽频带传输的系统，称为宽带传输系统。它可以容纳全部广播，并可进行高速数据传输。宽带传输系统多是模拟信号传输系统。,宽带传输的优点,一般说，宽带传输与基带传输相比有以下优点：(1)能在一个信道中传输声音、图像和数据信息，使系统具有多种用途；(2)一条宽带信道能划分为多条逻辑基带信道，实现多路复用，因此信道的容量大大增加；(3)宽带传输的距离比基带远，因基带直接传送数字，传输的速率愈高，传输的距离愈短。,通信操作方式根据信号传输方向与时间的关系，可以分为：,通信方式（3）,单工、半双工和全双工,发方,收方,A方,A方,B方,B方,串行传输 与并行传输,串行传输：指一位一位地
8、传送数据，从发送端到接收端只要一根传输线即可。优点是节省设备,降低费用；缺点是传速慢，网络中多采用这种传输方式。并行传输：一次可以传送一个字节(8位)，发端到收端用8根线。目前，计算机内部操作多用并行传输，当采用串行传输时，发端通过并/串转换设备将并行数据流变为串行数据流，在接收端又通过串/并行设备，还原为8位并行数据。,一）串行传输与并行传输串行传输:数据在一个信道上一位一位依次传输。数据线数目与与传输数据无关,特点：通信线路数小，线路利用率高适合于远距离传输。在发送端和接收端需要并/串转换和串/并转换。需要实施同步措施，以确保不产生错字。,串行通信方式,串行传输与并行传输并行传输:数据在多
9、个信道上同时传输。数据线数目与与传输数据相同并可能多一校验线,特点：不需要对传输代码进行时序转换需要数据线数目多。传输速率高。,并行通信方式（2）,带宽:,“带宽”是指在信道上（或一段链路上）能够传送的数字信号的速率，即数据率或比特率。带宽的单位就是比特每秒（bit/s），而更常用的带宽单位是千比特每秒kbit/s、兆比特每秒 Mbit/S（106bit/s）、吉比特每秒 Gbit/s（109bit/s）或太比特 Tbit/S（1012bit/s）。,二.信道特性,信号在时间轴上的宽度就随着带宽的增大而变窄。例如，当信号为1和0相间的脉冲时，在带宽为1Mbit/S链路上，每一个比特在时间轴上的
10、宽度为 lus，但在带宽为4Mbit/s的链路上，每一个比特在时间轴上的宽度就减小到原来的四分之一，即只有025 us。,带宽2,工作速率,符号速率又叫信号速率，记为N。它表示单位时间内(每秒)信道上实际传输的符号个数或 脉冲个数(可以是多进制)。符号速率的单位是波特，即每秒的符号个数。信息传输速率，简称传信率，通常记为R。它表示单位时间内系统传输(或信源发出)的信息量，即二进制码元数。在二进制通信系统中，信息传输速率R(比特秒)等于信号速率。对于多进制两者不相等。例如四进制中符号速率为2400波特，其信息速率为4800bits；而八进制的信息速率为7200bits等等。它们的关系为式中m为符
11、号的进制数。,频带利用率,在比较不同通信系统的效率时，单看它们的信息传输速率是不够的，或者说，即使两个系统 的信息速率相同，它们的效率也可能不同，所以还要看传输这样的信息所占的频带。通信系 统占用的频带愈宽，传输信息的能力应该愈大。在通常情况下，可以认为二者成比例。用单位频带内的符号速率描述系统的传输效率，即每赫的波特数：=符号速率,波特率（baud）和比特率（bit）的关系：波特率：信号每秒钟变化的次数，也称调制速率。比特率：每秒钟传送的二进制位数。波特率与比特率的关系取决于信号值与比特位的关系。例：每个信号值可表示位，则比特率是波特率的倍；每个信号值可表示位，则比特率和波特率相同。对于比特
12、率为bps的信道，发送位所需的时间为 8/B秒，若位为一个周期，则一次谐波的频率是：f1=B/8 Hz能通过信道的最高次谐波数目为：N=fc/f1,音频线路的截止频率为3000HzN=fc/f1=3000/(B/8)=24000/B结论：即使对于完善的信道，有限的带宽限制了数据的传输速率。,数据传输速率,指通信线上传输信息的速度。有两种表示方法，即信号速率和调制速率。信号速率S：指单位时间内所传送的二制位代码的有效位数，以每秒多少比特数计，即bit/s、b/p、位/秒。信号速率的高低，由每位所占的时间决定，若一位数据所占的时间越小，则信号速率越高。设T为传输的电脉冲信号的宽度或周期，N为电脉冲
13、信号所有可能的状态数，则信号速率为S=1/Tlog2N（bps）调制速率B：是脉冲信号经过调制后的传输速率，以波特（BAUD）为单位，通常用于表示调制器之间传输信号的速率。表示每分钟传送多少电信号单元，若T（秒）表示调制周期，则调制速率为：B=1/T,通信容量与带宽成正比,Nyquist公式：S=2Blog2 L Shannon定理：C=Blog2（1+S/N）,理想信道情况，奈奎斯特（Nyquist）准则：理想信道的最高码元传输速率 B=2W BaudW带宽，单位为赫兹；Band波特，码元传输速率的单位，1波特为每秒传送1个码元。1924年，奈魁斯特（H.Nyquist）推导出无噪声有限带宽
14、信道的最大数据传输率公式：最大数据传输率R=2Wlog2N(bps)任意信号通过一个带宽为W的低通滤波器，则每秒采样W次就能完整地重现该信号，信号电平分为N级。,例如：某信道带宽为4kHz，任何时刻数字信号取0、1、2、3四种电平之一，则最大数据速率为：2 X 4kHz X log24=16kbps,1948年，香农（C.Shannon）把奈魁斯特的工作扩大到信道受到随机（热）噪声干扰的情况。热噪声出现的大小用信噪比（信号功率与噪声功率之比）来衡量。：信号功率，：噪声功率10log10S/N单位：分贝（db）,香农的主要结论是：带宽为 H 赫兹，信噪比为S/N的任意信道的最大数据传输率为最大数
15、据传输率=Hlog2(1+S/N)(bps)电话系统的典型信噪比为30db;此式是利用信息论得出的，具有普遍意义；与信号电平级数、采样速度无关；此式仅是上限，难以达到。,二.信道特性,码元：构成信息编码的最小单位，二进制编码的码元为1位二进制数，即1个比特。一个A字符的ASCII码01000001B就是由8个码元构成。一个码元携带的信息量由码元取的离散的状态值个数决定。若码元取0和1两个离散状态值，则一个码元携带1比特(bit)信息。若码元可取4个离散状态值(如四进制，4个离散状态值为3、2、1、0)，则一个码元携带2比特信息。码元携带的信息量n(比特)与码元取的离散值个数N有如下关系n=lo
16、g 2 N,数据传输速率信号速率：也称为数据传输速率。单位时间内在信道上传送的信息量（二进制比特数）。单位为b/s，或bps。调制速率：也称为码元速率。信号经调制后信号状态变化的次数，单位为波特Band。二者之间的关系为：S=Blog2NS信号速率；B调制速率；N一个脉冲代表的有效状态数。实际信道不理想：信道带宽有限；失真；多种干扰进入信道。码元传输速率有上限。,误码率Pe=误传的码元总数/传送的码元总数,可靠性与差错校正,可靠性：可用差错率来表示。常用的差错率指标有平均误码率、平均误字率、平均误码组率等。误码(码组，字符)=接收出现差错的比特(字符、码组)数差错率是一个统计平均值，因此在测试
17、或统计时，总的发送比特(字符、码组)数应达到一定的数量，否则得出的结果将失去意义。误码率：指信息传输的错误率，是衡量系统可靠性的指标。它以接收信息中比特数占总传输比特数的比例来度量，通常应低于10-6。差错校正：字符代码在传输、接收过程中，难免发生错误，如何及时自动检测差错并进一步自动校正，也是数字通信系统研究的重要课题，通常的解决办法采用抗干扰编码或纠错编码，目前常采用的有奇偶校验码、方块码、循环冗余码等。,信道延迟,时延（delay或latency）是指一个报文或分组从一个网络（或一条链路）的一端传送到另一端所需的时间。传播时延是电磁波在信道中传播所需要的时间。传播时延的计算公式是：传播时
18、延=信道长度/电磁波在信道上的传播速率,电磁波在自由空间的传播速率是光速，即3.0*105km/s。电磁波在介质中的传播速率比在自由空间要略低一些，在电缆中的传播速率约为2.3*105km/s，在光纤中的传播速率约为2.0*105km/s。例如，1000 km长的光纤线路带来的传播时延大约为 5 ms。,发送时延与排队时延,发送时延：是发送数据所需要的时间。发送时延的计算公式是：发送时延=数据块长度/信道带宽 信道带宽就是数据在信道上的发送速率，它也常称为数据在信道上的传输速率。信号传输速率和电磁波在信道上的传播速率是两个完全不同的概念 排队时延是数据在交换结点等候发送在缓存的队列中排队所经历
19、的时延。这种时延的大小主要取决于网络中当时的通信量。当网络的通信量很大时，还会发生队列溢出，使数据丢失，这相当于排队时延为无穷大 数据经历的总时延就是以上三种时延之和：总时延=传播时延十发送时延十排队时延,三.传输介质,在网络的最低层次上，所有计算机通信都以某种能量形式对数据进行编码，并将这些能量通过传输介质发送出去。例如，电流可用来在导线上传输数据，而无线电波可用来在空中传输数据。,传输介质,双绞线 双绞线（TP，Twisted Pair）由两根互相绝缘的铜导线并排或相互缠绕而成。缠绕是为了减少相邻导线的电磁干扰。一对或多对（4对）双绞线安置在一个护套种变成了双绞线电缆。双绞线分为屏蔽双绞线
20、（STP，Screened Twsited Pair）和非屏蔽双绞线UTP（Unscreened Twsited Pair）。由于非屏蔽双绞线价格相对便宜，因而多用。电子工业协会（EIA）为计算机用非屏蔽双绞线的不同质量推行了一种分类方法。CAT 3类双绞线适用于10Mbps的计算机网络，CAT 5类双绞线适用于100Mbps左右的计算机网络。特点：高速传输、便宜；抗电磁干扰能力差、不适宜远距离传输。,双绞线,双绞线示意图每根线的绝缘层用于隔离两根导线，绞在一起可减少干扰 绞在一起限制了电磁能量的发射，并有助于防止双绞线中的电流发射能量干扰其他导线。其次，绞在一起也使双绞线本身不易被电磁能量所
21、干扰，有助于防止其他导线中的信号干扰这两根导线。,双绞线2,传输介质,同轴电缆分基带和宽带两类。常见的有:1)RG-58A/u 细缆阻抗50，直径0.18英寸。传基带信号。2)RG-11 粗缆阻抗50，直径0.4英寸。传基带信号。3)RG-59u 阻抗75，直径0.25英寸。常用于CATV，也可作为宽带数据传输线。,同轴电缆,网络中使用的第二种导线是同轴电缆，和有线电视所用的电缆一样。同轴电缆较双绞线有更好的抗干扰作用。与双绞线绞在一起以限制干扰不同，同轴电缆由一根为金属屏蔽层所包围的导线组成，如图所示。,同轴电缆2,光纤的优点,1.传输的形式是光，所以光纤不会引起电磁干扰也不会被干扰。2.因
22、为玻璃纤维可以被制成能反射光纤内绝大多数的光，所以光纤传输信号的距离比导线所能传输的距离要远得多。3.因为较之电信号，光可以对更多的信息进行编码，所以光纤可在单位时间内传输比导线更多的信息。4.与电流总是需要二根导线形成回路不同，光仅需一根光纤即可从一台计算机传输数据到另一台计算机。,传输介质 光导纤维（optical fiber）,结构：单模光纤：细（5m），直线传输多模光纤：传输特点：电光电。发射端：光源（发光二级管、激光器）光脉冲。有光脉冲，1；无光脉冲，0。接收端：光电二极管检测器优点：1）通讯量大，几十Gbps。2）损耗小，传输距离长，2.5Gbps速率下可传输十公里。3）抗雷电和电
23、磁干扰。4）无串音干扰，保密性好。弱点：贵,图为 光纤与电缆频率与衰减关系图,多模光纤和5类双绞线的衰减与频率关系如图所示，当传输频率超过100MHz时，5类双绞线随着频率的增加衰减愈来愈大；而光纤在300MHz以内，衰减基本不变。,光纤与电缆的比较,微波,超出无线电和电视所用的频率范围的微波也能用于传播信息，许多长途电话公司使用微波传输电话通信。一些大公司也安装了微波通信系统作为公司网络的一部分。虽然微波就是频率较高的无线电波，但它们的性质并不相同。与无线电波向各个方向传播不同，微波传输集中于某个方向，可以防止他人截取信号。但是，微波不能穿透金属结构。微波传输在发送和接收器之间存在无障碍的通
24、道时工作得很好，因此，绝大多数微波装置都设有高于周围建筑物和植被的高塔，并且其发送器都直接朝向对方高塔上的接收器。,卫星,传输介质 无线介质 微波,微波通信系统又可分为地面微波系统和卫星微波系统，两者的功能相似，但通信能力有很大差别。微波的频率范围为300Hz-300GHz，这种频率使得数据传输速率较高。微波的特点：1）频谱较高，工业和天电干扰不大，传输质量高；2）频段宽，信道容量大；3）投资小，见效快。缺点：1）直线传播，不能有障碍物。信号分几条略有差别的路径到达接收天线会产生失真；2）受恶劣气候影响；3）密性差；4）大量中继站，建设和维护耗费人力物力。地面微波系统由视野范围内的两个互相对准
25、的发送天线和接收天线组成，长距离通信则需要多个中继站组成微波中继链路。,传输介质 无线介质,卫星通信可看作是悬在太空中的微波中继站。卫星上的转发器把它的波束对准地球上的一定区域，在此区域中的卫星地面站之间可互相通信。地面站以一定的频率段向卫星发送信息(这个称为上行频段)。卫星上的转发器将接收到的信号放大并变换到另一个频段上(下行频段)，发回地面上的接收站。微波具有宽带宽，容量大的优点，不过微波信号容易受到电磁干扰，地面微波通信也会造成相互之间的干扰；大气层中的雨、雪会大量吸收微波信号，当长距离传输时会使得信号衰减至无法接收；另外通信卫星为了保持与地球自转的同步，一般停在36000km的高空。这
26、样长的距离会造成大约270ms的时延，在利用卫星信道组网时，这样长的时延是必须考虑的重要因素。在卫星通讯领域中，大量使用甚小口径地球站VSAT（Very Small Aperture Terminal）。这种小站的天线直径在1米以下，因而每个卫星小站的价格便宜。,红外线,电视和立体声系统所使用的遥控器是用红外线（Infrared）进行通信。红外线一般局限于一个很小的区域（例如，在一个房间内）并且通常要求发送器直接指向接收器。红外硬件与采用其他机制的设备比较相对便宜，且不需要天线。计算机网络可以使用红外技术进行数据通信。例如，为一个大房间配备一套红外连接以使该房间内的所有计算机在房间内移动时仍能
27、和网络保持连接。红外网络对小型的便携计算机尤为方便。因为红外技术提供了无需天线的无绳连接。这样，使用红外技术的便携计算机可将所有的通信硬件放在机内。,四.数据编码,研究数据在信号传输过程中如何进行编码（变换）数字数据的传输分为模拟信道的传输和数字信道的传输，所以需要数据编码 1）单极性码2）极性码 3）双极性码 4）归零编码 5）双相码 6）不归零编码7）曼彻斯特编码8）差分曼彻斯特编码9）多电平码,P86,1）单极性码 正或负电平表一值,0电平表一值.需时钟电路同步定时,如键盘等.抗干扰差2）极性码 正负电平表0,1.仍需时钟电路3）双极性码(AMI)正或负电平交替翻转表一值,0电平表一值.
28、长0-6个0用一组代码代替.,4）归零编码 每一位中间回归0电平 自定时,抗干扰5）双相码 每位中间电平翻转 自定时,可检错,6）不归零编码NRZ：Non-Return to Zero）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”。缺点：a难以分辨一位的结束和另一位的开始；b发送方和接收方必须有时钟同步；c若信号中“0”或“1”连续出现，信号直流分量将累加。结论：容易产生传播错误。A:逢“1”变化的NRZ码原理：在每位开始时，逢“1”电平跳变，逢“0”电平不跳变。B:逢“0”变化的NRZ码原理：在每位开始时，逢“0”电平跳变，逢“1”电平不跳变。,
29、7）曼彻斯特编码Manchester），也称相位编码原理：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”。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。8）差分曼彻斯特编码（Differential Manchester）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”。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。9）多电平码 码元取多个数(2n)之一,比特率大于波特率.缺点:抗干扰差,信号易畸变.,练习.,五.数字调制技术,我国的电话网电话网，模拟线路。联网广泛，接至办公室、家庭，便宜
30、。我国的电话网络系统原来分为5级交换。上面4级为长途电话网络，最低一级为市话电话网。现在分为两级，本地网上设省交换中心，各省的交换中心组成全连通网络。一个标准话路的频率范围是300-3400Hz，加上话路之间应有一些频率间隔，所以国际标准取4kHz为一个标准话路所占用的频带宽度。60，300，1800路。现在长途线路已基本实现数字化，就剩下用户线为模拟电路。,模拟传输与数字传输,模拟通信：信号源发出的模拟信号，并且以模拟信号传输。数字通信：信号源发出的是模拟数据，而以数字信号的形式进行传输，这种通信方式叫数字通信。计算机采用数字信道传输的原因：（1）误码率低，通信质量高。（2）数字传输能以声音
31、、数字、电视、传真，甚至视频电话之类的图像混合在一个信道传输，有效地利用设备。（3）利用已有线路可获得更高的数据传输率。（4）随着集成电路芯片的价格不断降低，数字传输及其相应的交换设备比模拟设备便宜很多。,典型的例子是话音信号在普通的电话系统中传输。一般人的语音频率范围是3003400Hz，为了进行传输，在线路上给它分配一定的带宽，国际标准取4KHz为一个标准话路所占用的频带宽度。在这个传输过程中：语音信号以3003400Hz频率输入，发送方的电话机把这个语音信号转变成模拟信号，这个模拟信号经过一个频分多路复用器进行变化，使得线路上可以同时传输多路模拟信号，当到达接收端以后再经过一个解频的过程
32、把它恢复到原来的频率范围的模拟信号，再由接收方电话机把模拟信号转换成声音信号。,调制与解调,不采取任何措施利用模拟信道来传输数字信号必然会出现很大差错（失真），故在普通电话网上传输数据，就必须将数字信号变换到电话网原来设计时所要求的音频频谱内（即300Hz3400Hz）。调制就是用基带脉冲对载波波形某个参数进行控制，形成适合于线路传送的信号。当已调制信号到达接收端时，再进行解调，即将经过调制器变换过的模拟信号去掉载波恢复成原来的基带数字信号。,调制与解调2,实际使用时，常将调制器和解调器合装在一个设备，使线路的一端同时具有调制和解调功能，称此设备叫调制解调器（MODEM）。它与远程终端或计算机
33、之间的接口用V.24或RS-232C标准。采用调制解调器也可以把音频信号转换成较高频率的信号和把较高频率的信号转换成音频信号。所以调制的另一目的是便于线路复用，以便提高线路利用率。进行调制时，常把正弦信号作为基准信号或称载波信号。任何载波信号都有三个特征：振幅，频率和相位。基于载波信号的三个主要参数，可以把调制方式分为三种：调幅、调频和调相。,数据传送 频带传输（模拟传输）,调制解调器计算机信号要在模拟线路上传输，需对信号作变换。调制解调器（modem）的作用调制modulate：数字信号 模拟信号解调demodulate：模拟信号 数字信号调制方法调幅AM 移幅键控法ASK（Amplitud
34、e Shift Keying）调频FM移频键控法FSK（Frequency Shift Keying）调相PM移相键控法PSK（Phase Shift Keying）混合调制方式：正交调制QAM（Quadrature Amplitude Modulation）：调幅+调相,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（1）幅移键控方式（ASK，Amplitude-Shift Keying）（2）频移键控方式（FSK，Frequency-Shift Keying）（3）相移键控方式（PSK，Ph
35、ase-Shift Keying）,调制方法,调制解调器最基本的调制方法有以下几种：（1）调幅（AM）即载波的振幅随基带数字信号而变化。例如，0对应于无载波输出，而1对应于有载波输出。（2）调频（FM）即载波的频率随基带数字信号而变化。例如，0对应于频率f1，而1对应于频率f2。（3）调相（PM）即载波的初始相位随基带数字信号而变化。例如，0对应于相位0度，而1对应于180度。,调制方法示意图,振幅调制(幅移键控方式),振幅调制ASK：振幅调制简称调幅制，也就是用数字的基带信号控制正弦载波信号的振幅。它是把频率和相位定为常量，而振幅为变量，每一种振幅值代表一种信息元。这个方法叫做幅移键控ASK
36、。如图所示。,ASK方式易受突变干扰的影响，是一种不理想的调制方式。在传输声音的音频线路中，传输的典型速率只能达到1200bit/s。,幅移键控法（调幅）幅移就是把频率、相位作为常量，而把振幅作为变量，即：A(t)取不同的值表示不同的信息码。例如：A(t)取A1，A2，A1表示“0”，A2表示“1”。,频率调制(频移键控方式),频率调制FSK：频率调制简称调频制，是用数字的基带信号控制正弦载波信号的频率。它把振幅和相位定为常量，而频率为变量，每一种频率值代表一种信息元。这个方法叫做频移键控FSK。如图所示。,FSK方式的抗干扰能力优于ASK，在音频线路中，传输速率也只有1200bit/s。FS
37、K还常用于高频无线传输。,频移键控法（调频）频移就是把振幅、相位作为常量，而把频率作为变量，即：(t)取不同的值表示不同的信息码。例如：(t)取 1，2，1表示“0”，2表示“1”。,相位调制(相移键控方式),相位调制PSK：相位调制简称调相制，是用数字的基带信号控制正弦载波信号的相位。它把振幅和频率定为常量，而相位为变量，每一种相位值代表一种信息元。这个方法叫做相移键控PSK。如图所示。,PSK方式较FSK方式有更强的抗干扰能力和更高的效率，在音频线路中，传输速率可达9600bit/s。,相移键控法（调相）相移就是把振幅、频率作为常量，而把相位作为变量，即：(t)取不同的值表示不同的信息码。
38、例如：(t)取 1，2，1表示“0”，2表示“1”。,在现代通信中，提高频谱利用率一直是人们关注的焦点之一。近年来，随着通信业务需求的迅速增长，寻找频谱利用率高的数字调制方式已成为数字通信系统设计、研究的主要目标之一。正交振幅调制QAM(Quadrature Amplitude Modulation)就是一种频谱利用率很高的调制方式，其在中、大容量数字微波通信系统、有线电视网络高速数据传输、卫星通信系统等领域得到了广泛应用。在移动通信中，随着微蜂窝和微微蜂窝的出现，使得信道传输特性发生了很大变化。过去在传统蜂窝系统中不能应用的正交振幅调制也引起人们的重视,正交振幅调制QAM,正交调制QAM,正
39、交调制QAM（Quadrature Amplitude Modulation）：调幅+调相单独使用振幅或相位携带信息时，不能充分地利用信号平面。多进制振幅调制时，矢量端点在一条轴上分布，多进制相位调制时，矢量端点在一个圆上分布。随着进制数M的增大，这些矢量端点之间的最小距离也随之减小。充分地利用整个平面，将矢量端点重新合理地分布，则有可能在不减小最小距离的情况下，增加信号矢量的端点数目。,基于上述概念我们可以采用振幅与相位相结合的调制方式，这种方式常称为数字复合调制方式。一般的复合调制称为幅相键控（APK）。两个正交载波幅相键控称为正交振幅调制（QAM）。,2.4 正交振幅调制(QAM),正交
40、振幅调制的一般表达式为,上式由两个相互正交的载波构成，每个载波被一组离散的振幅Am、Bm所调制，故称这种调制方式为正交振幅调制。式中，Ts为码元宽度。m=1,2,M;M为Am和Bm的电平数。,QAM中的振幅Am和Bm可以表示成：,式中，A是固定的振幅，(dm,em)由输入数据确定。(dm,em)决定了已调QAM信号在信号空间中的坐标点。,QAM的调制和相干解调框图如图 2-41 所示。,图 2-42 8QAM的信号空间,通常，把信号矢量端点的分布图称为星座图。以16进制调制为例，采用16PSK、16QAM和16APK的星座图如下图：,16QAM的星座图(a)方型16QAM星座；(b)星型16Q
41、AM星座,M=4,16,32,256时MQAM信号的星座图如图 9-3 所示。其中，M=4,16,64,256 时星座图为矩形，而M=32,128 时星座图为十字形。前者M为2的偶次方，即每个符号携带偶数个比特信息；后者M为2的奇次方，即每个符号携带奇数个比特信息。,MQAM信号的星座图,六.脉冲编码技术,PCM原来用于使电话局之间一条中继线能传输几十路电话。由于历史原因，通信PCM有两个互不兼容的国际标准，既北美的24路T1载波（1.544Mbps）和欧洲的30路E1载波（2.048Mbps）。我国采用E1载波。,模拟数据数字传输解决模拟信号数字化问题，也称为脉冲代码调制PCM（Pulse
42、Code Modulation）。根据Nyquist原理进行采样。1）常用的PCM技术将模拟信号振幅分成多级（2n），每一级用 n 位表示。例如：贝尔系统的 T1 载波将模拟信号分成128级，每次采样用7位二进制数表示。2）差分脉冲代码调制原理：不是将振幅值数字化，而是根据前后两个采样值的差进行编码，输出二进制数字。3）调制原理：根据每个采样值与前一个值之间差“+1”或“-1”来决定输出二进制“1”或“0”。缺点：编码速度跟不上变化太快的信号。,模拟数据用数字信号表示,脉冲编码调制（PCM）,图2.11 脉码调制(PCM)原理,增量调制（DM）,1、采样“采样”是指每隔相等的时间间隔就测量一次
43、信号振幅。量化是一种对采样结果赋予一个特定范围内的整数值。编码指给量化后的电平按大小次序，列出各对应的二进制码。模拟信号的任何数字表示的精度都取决于采样的数量。采用PAM和PCM技术，我们可以通过无数次采样来完整重现整个波形，或者我们可以仅仅使用三次采样值来对信号变化方向作一个最粗略的描述。因此，问题在于，多少次采样值就足够了呢？根据奈奎斯特定理，当采用PAM技术时，为保证得到足够精度的原始信号的重现，采样频率应该至少是原始信号中最高频分量频率的两倍。,例题：对于一个带宽为10 000（1 00011 000）的信号，需要怎样的采样频率？如果每个样本的量化值是八位二进制数，比特率是多少？解答
44、采样频率必须是信号最高频率的两倍：采样频率：2*（11 000）22 000次/S 每个样本由八位二进制数表示：比特率（22 000次）*（比特次）176bps根据奈奎斯特定理，采样频率必须至少是最高频分量频率的两倍,2、量化量化是一种对采样结果赋予一个特定范围内的整数值的方法。或者，量化的意思是将时间域上幅度连续的样值序列信号变换成为时间域上幅度离散的样值序列信号。,课堂练习1量化的例题：请对采样保持的样值序列为1.8V、4.4V、3.3V、2.2V、0.3V、-1.8V、-2.8V、-2.3V的信号进行3位（8级）或4位（16级）二进制编码前的量化。解：按3位（8级）进行量化的结果是：1.
45、5V、3.5V、3.5V、2.5V、0.5V、-1.5V、-2.5V、-2.5V。按4位（16级）进行量化的结果是：1.5V、4.0V、3.5V、2.5V、0.5V、-1.5V、-3.0V、-2.5V,3、二进制编码二进制编码指选用一定的码型，按照样值量化后的电平大小次序，列出各电平对应的二进制码。例如，一般二进制码或折叠二进制码型。二进制编码的例题：将按3位（8级）进行量化的序列：1.5V、3.5V、3.5V、2.5V、0.5V、-1.5V、-2.5V、-2.5V。用折叠二进制码型进行编码。,通信线路的通信方式连接方式为适应不同的需要，通信线路采用不同的连接方式。点 点方式多点方式,七.通信
46、方式和交换方式,通信方式从信息传送方向和时间的关系角度研究。单工通信方式信息只能单向传输，监视信号可回送。半双工通信方式信息可以双向传输，但在某一时刻只能单向传输。,A,B,数据,监视信号,A,B,数据,监视信号,全双工通信方式信息可以同时双向传输，一般采用四线式结构。,A,B,数据,监视信号,数据通信的操作方式,3.2数据通信技术(17),同步方式目的：接收方必须知道每一位信号的开始及其宽度，以便正确的采样接收。以字符传输（字符为基本传输单位）为例，在基于字符的信息传送中，可以采用异步方式，也可以采用同步方式。异步方式信息是以字符为单位传送的；每个字符由发送方异步产生，有随机性；字符一般采用
47、5，6，7或8位二进制编码；需要辅助位，每个字符可能需要用10位或11位才能传送，例如：起始位，1位；字符编码，7位；奇偶校验位，1位；终止位，1 2位。,3.2数据通信技术(18),特点：传输效率低；主要用于字符终端与计算机之间的通信。,0 1 0 1 0 11 00 1,起始位,字符编码,奇偶校验,终止位,3.2数据通信技术(19),2）同步方式信息是以报文为单位传送的；传输开始时，以同步字符使收发双方同步；从传输信息中抽取同步信息，修正同步，保证正确采样。特点：可以不间断地传输信息，传输效率较高；字符间减少了辅助信息；传输的信息中不能有同步字符出现，透明性较差。,SYN SYN 信 息
48、SYN SYN,3.2数据通信技术(20),3）基于位的传送中，采用同步方式。信息以二进制位流为单位传送；传输过程中收发双方以位为单位同步；传输的开始和结束由特定的八位二进制位同步。特点：传输效率高；通明性好。,标记 二进制位流 标记,同步和异步传输,（a）单同步格式,（b）双同步格式,异步通信格式：,在多结点通信网络中，为有效利用通信设备和线路，一般希望动态地设定通信双方间的线路。动态地接通或断开通信线路，称为“交换”交换方式分类：电路交换报文交换存储转发方式分组交换（包交换）存储转发方式混合交换,3.3.1电路交换（circuit switching）原理直接利用可切换的物理通信线路，连接
49、通信双方。三个阶段建立电路传输数据拆除电路特点在发送数据前，必须建立起点到点的物理通路；建立物理通路时间较长，数据传送延迟较短。例Telephone networksISDN(Integrated Services Digital Networks),A node(switch)in a circuit switching network,incoming links,outgoing links,Node,Multiplexing/DemultiplexingTime divided in frames and frames divided in slotsRelative slot pos
50、ition inside a frame determines which conversation the data belongs toNeeds synchronization between sender and receiverIn case of non-permanent conversationsneeds to dynamic bind a slot to a conservation,3.3.2报文交换（message switching）原理信息以报文（逻辑上完整的信息段）为单位进行存储转发。特点线路利用率高；要求中间结点（网络通信设备）缓冲大；延迟时间长。,3.3.3分
