第3章数据通信技术 (2)PPT讲稿.ppt

第3章数据通信技术(2)第1页，共141页，编辑于2022年，星期二3.2 数据通信的理论基础 主要内容：信号信号在通信信道上传输时的数学表示数学表示及其所受到的限制所受到的限制。借助于电压或电流的变化，可以在线路上传输信息（数据）；如何用电压或电流的变化来表示信息？由于非线性负载的影响，电压（电流）波形失真，如何表示？不同的信道，带宽不同，对于数据的传输有什么影响；第2页，共141页，编辑于2022年，星期二3.2.1 傅立叶分析（1）傅立叶分析：任何一个周期为T的周期函数 g(t)可分解为若干项（可能无限多项）正弦和余弦函数之和：其中：f=1/T基本频率，即一次谐波频率 an,bnn次谐波项的正弦和余弦振幅值 任何一个周期为T的周期信号都是由一个基波信号和各种不同频率信号（谐波信号）合成的；信号可以用时域函数和频域函数表述！信号可以用时域函数和频域函数表述！第3页，共141页，编辑于2022年，星期二3.2.1 傅立叶分析（2）已知 g(t)，求c,an,bn1)将等式两边从到积分可得c2)用sin(2kft)乘等式两边，并从到积分，可得an3)用cos(2kft)乘等式两边，并从到积分，可得bn 第4页，共141页，编辑于2022年，星期二2 1 5 6 7 8 9 10 11 12 4 3 13 13 14 15 A011010000T谐波号振 幅（a）06 3 1 2 4 5 7 AT7个谐波振 幅（e）04 1 2 3 AT4个谐波振 幅（d）01 AT1个谐波振 幅（b）2 1 0AT2个谐波振 幅（c）时域函数和频域函数问题：从这张图可以得出什么结论？问题：从这张图可以得出什么结论？第5页，共141页，编辑于2022年，星期二信号频谱与信道带宽信号频谱是指组成周期信号的各次谐波的振幅按频率的分布图。信号带宽谐波的最高频率与与最低频率之差。对于脉冲宽度为 矩形脉冲信号，信号带宽B=f=1/信道带宽是指信道频率响应曲线上幅度取其频带中心处值的根号2分之一倍的两个频率之间的区间宽度。为了降低信号在传输过程中的失真，信道必须要求足够的带宽。第6页，共141页，编辑于2022年，星期二信号的信道传输特性l信道对信号的不同傅立叶分量（谐波分量）的衰减不同，导致输出失真；l通过信道的谐波次数越多，信号越逼真。l为了降低信号在传输过程中的失真，信道必须要求足够的带宽。第7页，共141页，编辑于2022年，星期二3.3 数据通信系统模型主要内容：数据在通信信道上的各种传输方式及其所采用的技术。第8页，共141页，编辑于2022年，星期二3.3.1 数据通信系统的基本结构传输系统输入信息输入数据发送的信号接收的信号输出数据源点终点发送器接收器调制解调器PC 机公用电话网调制解调器数字比特流数字比特流模拟信号模拟信号 正文正文数据通信系统源系统目的系统传输系统输出信息PC 机第9页，共141页，编辑于2022年，星期二3.3.2 数据与信号 信息：信息：数据数据：传递信息的实体（模拟数据与数字数据）信息和数据（0、1比特）不能直接在介质上传输。信号：信号：数据的物理量编码（数据的电气的或电磁的表现电编码)，数据以信号的形式传播信道：传送信息的通路(或线路）通信系统的任务：把携带信息的数据用物理信号形式通过介质（信道）传送到目的地。信息数据信号在介质上传输信号数据信息模拟信号只能在模拟信道上传输，数据信号只能在数据信道上传输。第10页，共141页，编辑于2022年，星期二数据表示和信号方式组合第11页，共141页，编辑于2022年，星期二模拟传输和数字传输比较模拟传输的目标是是波形无失真地传输；数字传输则要求无差错地恢复代码。数字信号比模拟信号容易衰减，传输距离没有模拟传输系统距离长；因此数字信号只适宜在有限的距离传输。但是无论从价格和传输质量，数字传输都优于模拟传输。模拟信号可以使用放大器来增强信号能量以增加传输距离，使用放大器的缺点是使干扰信号分量也增加；第12页，共141页，编辑于2022年，星期二3.3.4 数据传输方式1.信息交互方式单工通信、半双工通信、全双工通信2.传送的信号基带传输、宽带传输3.同时传送的比特位并行传输、串行传输4.信号同步的方式异步传输、同步传输第13页，共141页，编辑于2022年，星期二单工通信、半双工通信、全双工通信信道：往某一方向传送信息的媒介，一条通信电路往往包含一条发送信道和一条接受信道；第14页，共141页，编辑于2022年，星期二并行传输、串行传输DTE 数 据 源 DTE 数 据 宿 图3.17 并行传输方式 0 1 1 1 0 0 1 1 2 2 3 3 n-1 n-1 信号地 信号地 DTE 数 据 源 DTE 数 据 宿 0 0 0 1 1 1 1 0 图3.18 串行传输方式 第15页，共141页，编辑于2022年，星期二3.3.4 数据传输方式基带传输方波固有的频带称为基带，在信道上直接传送数据的基带信号（编码器、译码器）称为基带传输；基带信号含有从直流到高频的频率特性，对信道要求高，传输距离受到一定的限制。频带传输（数字数据在模拟信道上传输，调制/解调)为克服基带信号通过电话通信系统后产生严重畸变的缺陷；将基带数字信号调制成模拟音频信号后再发送和传输，到达接收端时再把音频信号解调成原来的数字信号的传输方式；频带传输更适宜传输更远的距离,但信道的速率有限;宽带传输是指将基带信号进行调制后形成的频分复用模拟信号，不仅能够传输频带信号，还可以提高传输线路信道的利用率；宽带传输在不同的时期含义略有不同 第16页，共141页，编辑于2022年，星期二3.3.5 数据同步方式同步同步是指接收端严格地按照发送端所发送的每个是指接收端严格地按照发送端所发送的每个码元码元的的重复频率重复频率以及以及起起止时间止时间来接收数据，也就是要在时间基准上必须取得一致。来接收数据，也就是要在时间基准上必须取得一致。(包括开始包括开始时间、位边界、重复频率等时间、位边界、重复频率等)。在通信时，接收端要校准自己的时间和重复频率，以便和发送端取得一致，这一过程称为同步过程；位同步位同步 字符同步字符同步 帧同步帧同步 图 37 位同步机制第17页，共141页，编辑于2022年，星期二（1）位同步定义接收端根据发送端发送数据的时钟频率与比特流的起始时刻，来校正自己的时钟频率与接收数据的时钟时刻，这个过程就是位同步。外同步接收端的时钟信号是由对方送来的，而不是从数据信号中提取出来的 自同步直接从数据信号波形中提取同步信号的方法。第18页，共141页，编辑于2022年，星期二（1）位同步第19页，共141页，编辑于2022年，星期二（2）字符同步有异步制和同步制两种方式。有异步制和同步制两种方式。第20页，共141页，编辑于2022年，星期二（3）帧同步 通信双方进行信息传送时，在字符正确同步的基础通信双方进行信息传送时，在字符正确同步的基础上，还必须将线路上的字符流（实际上字节流）划分成上，还必须将线路上的字符流（实际上字节流）划分成一定大小的数据段，如一定大小的数据段，如HDLC规程的帧。规程的帧。HDLC帧标志为帧标志为7FH（01111110），），当检测出该当检测出该帧标志时，认为帧开始或结束。帧同步除使用帧同步信帧标志时，认为帧开始或结束。帧同步除使用帧同步信号外，还可在帧间加入定位码，这些定位码有着特定的号外，还可在帧间加入定位码，这些定位码有着特定的码型，以便能够与正常的信号编码相区别。码型，以便能够与正常的信号编码相区别。第21页，共141页，编辑于2022年，星期二传输介质一、传输介质的分类一、传输介质的分类有线介质有线介质 如：同轴电缆、双绞线、光纤等。如：同轴电缆、双绞线、光纤等。特点：需布线，抗干扰性好特点：需布线，抗干扰性好无线介质无线介质 通过大气进行各种形式的传播，如：微波、红通过大气进行各种形式的传播，如：微波、红外线、卫星等。外线、卫星等。特点：无需布线，抗干扰性差特点：无需布线，抗干扰性差第22页，共141页，编辑于2022年，星期二电磁频谱分布第23页，共141页，编辑于2022年，星期二频段计算通过求微分，就可以根据波段的宽度计算相应的频段f 电磁波的频率f、波长和在真空中传播速度c的基本关系 第24页，共141页，编辑于2022年，星期二有线介质：双绞线由按螺旋结构排列的两根绝缘线构成。适用于较短距离的信息传输。带宽取决于铜线的粗细、传输的距离和采用的技术。包括两种类型：STP、UTP。多采用点到点的连接方式。抗干扰性取决于适当的屏蔽和线对的扭曲程度，在低频传输时接近于同轴电缆，高频传输时劣于其他有线介质。价格在有线介质中最低。传输距离取决于具体采用的技术，如在模拟传输时很容易到达15km或更大的距离，对100BaseT点到点最大距离为100m。内导体内导体芯线芯线绝缘绝缘箔屏蔽箔屏蔽铜屏蔽铜屏蔽外套外套第25页，共141页，编辑于2022年，星期二STP：以铝箔屏蔽以减少干扰和串音UTP：3类、5类、6类（16M、155M、200M）双绞线外没有任何附加屏蔽双绞线第26页，共141页，编辑于2022年，星期二双绞线CAT-1：目前未被TIA/EIA承认。以往用在传统电话网络（POTS）、ISDN 及门钟的线路.CAT-2：目前未被TIA/EIA承认。以往常用在 4 Mbit/s 的令牌环网络。CAT-3：目前以TIA/EIA-568-B所界定及承认。并提供16MHz的带宽。曾经常用在10Mbps以太网络。CAT-4：目前未被TIA/EIA承认。提供20MHz的带宽。以往常用在 16 Mbit/s 的令牌环网络。CAT-5：目前以TIA/EIA-568-A所界定及承认。并提供100MHz的带宽。目前常用在快速以太网（100 Mbit/s）中。CAT-5e：目前以TIA/EIA-568-B所界定及承认。并提供100MHz的带宽。目前常用在快速以太网及千兆以太网（1Gbit/s）中。CAT-6：目前以TIA/EIA-568-B所界定及承认。提供250MHz的带宽，比CAT-5与CAT-5e高出一倍半。CAT-6A：将来使用在万兆以太网（10 Gbit/s）中。第27页，共141页，编辑于2022年，星期二与 标准：绿白，绿，橙白，蓝，蓝白，橙，棕白，棕标准：橙白，橙，绿白 ，蓝，蓝白，绿，棕白，棕为了保持最佳的兼容性，普遍采用 标准来制作网线。以太网的网线使用、编号的芯线传递数据，而 网卡需要使用四对线。由于网卡能够使用按 方式制作的网线；而且双绞线又提供有四对线，因而即使使用 网卡，一般也按 方式制作网线。标准中要求、线必须是双绞。这是因为，在数据的传输中，为了减少和抑制外界的干扰，发送和接收的数据均以差分方式传输，即每一对线互相扭在一起传输一路差分信第28页，共141页，编辑于2022年，星期二与第29页，共141页，编辑于2022年，星期二主要品牌国外品牌网线:1）安普(AMP)2)康普(AVAYA)3）西蒙4）朗讯5）丽特6）IBM国内品牌网线:1)IBMNET2)TCL3)一舟(SHOP)4)清华同方5)兆龙6)绿色硅谷第30页，共141页，编辑于2022年，星期二水晶头剥线钳网线模块双绞线器件第31页，共141页，编辑于2022年，星期二测试仪器第32页，共141页，编辑于2022年，星期二2、同轴电缆同轴电缆在20世纪80年代初的局域网中使用最为广泛，其结构是一个空心外部导体围裹着一个内部导体。同轴电缆按阻抗可分为：75同轴电缆：即CATV电缆。宽带宽（300400MHz），适于传输模拟信号，传输距离可达几十公里。50同轴电缆：仅用户传输数字信号，传输距离可达几公里，又可分为：细缆（10Base2,1.02mm）和粗缆(10Base5,2.54mm）。一般采用多点连接方式。抗干扰性和价格介于双绞线 和光纤之间。第33页，共141页，编辑于2022年，星期二3、光纤由三个同心部分组成：纤芯、包层和护套。光纤可由塑料、玻璃或超高纯石英玻璃组成，不同的材料构成的光线的损耗、传输距离和价格也不同。光纤通过光信号的有无来表示二进制信号光纤通过光信号的有无来表示二进制信号0和和1。在发送方需要电光转换设备，在接收方有光电转换设备。布线中直接使用的是光缆，一根光缆由多根光纤组成第34页，共141页，编辑于2022年，星期二多采用数字传输技术多采用数字传输技术常用的波长窗口（光纤波段）常用的波长窗口（光纤波段）850m：衰减（attenuation)大，传输速率和距离受限制，但价格便宜；1310nm：衰减小，无色散（dispersion）补偿、功率放大情况下，最大传40km（最坏情况）；1550nm：衰减小，无色散补偿、功率放大情况下，最大传80km（最坏情况）组网方式组网方式点到点：四根线（两根用于保护倒换）环：两根线（一根用于保护倒换）特征：不受电磁干扰；不受电磁干扰；价格昂贵。目前，在试验室中光纤带宽超过50Tbps；8 2.5 Gbps，8 10 Gbps，32 10 Gbps的光纤传输已经实用；3、光纤第35页，共141页，编辑于2022年，星期二 多模多模多模多模 MMFMMF 输入电信号输入电信号输入电信号输入电信号输出电信号输出电信号输出电信号输出电信号单模单模单模单模 SMFSMF 波长波长:1300,1550 nm:1300,1550 nm波长波长 :850,1300 nm:850,1300 nmh2 h2h1 h1芯芯芯芯/封套特性封套特性封套特性封套特性h1 h1h2 h2光纤的直径减小到一个光波波长多束光线以不同的反射角传播多束光线以不同的反射角传播单束光线沿直线传播单束光线沿直线传播光纤传送模式第36页，共141页，编辑于2022年，星期二美国美国JDSU MTS-6000 JDSU MTS-6000 光时域反射仪光时域反射仪 日本住友日本住友TYPE-39TYPE-39光纤熔接机光纤熔接机 光源光源 OLPOLP光功率计光功率计 光话机光话机 光纤溶解、测试设备第37页，共141页，编辑于2022年，星期二三、无线介质描述以下无线通信的基本原理：电磁频谱 无线电传输 微波传输 红外线和毫米波 光波传输 卫星通信第38页，共141页，编辑于2022年，星期二无线电第39页，共141页，编辑于2022年，星期二地面微波接力第40页，共141页，编辑于2022年，星期二地球同步卫星第41页，共141页，编辑于2022年，星期二传输介质的选择费用费用材料和设备的安装费用；运营维护费用；提供的最大带宽提供的最大带宽信号衰减程度信号衰减程度抗电磁干扰能力抗电磁干扰能力安全性安全性第42页，共141页，编辑于2022年，星期二3.5 数据通信性能指标一、时延与时延带宽积一、时延与时延带宽积二、误码率与误比特率误码率与误比特率三、信息传输速率与码元传输速率三、信息传输速率与码元传输速率第43页，共141页，编辑于2022年，星期二一、时延与时延带宽积时延（delay）:计算机网络中,一个数据块（帧、分组、报文段等）从网络的一端传送到另一端所需要的时间。由以下3个部分组成：发送时延（transmission delay）发送时延数据块长度/信息传输速率传播时延（propagation delay）发送时延信道长度/电磁波在信道上的传输速率转发时延（relay delay）数据块在中间结点转发数据引起的的时延总时延发送时延传播时延转发时延往返时间：TCPRRT）报文发出时刻到确认返回时刻 这 一段时间，TCP的重传策略依据。第44页，共141页，编辑于2022年，星期二时延带宽积:传播时延和带宽的乘积：时延带宽积传播时延带宽(bit/s)管道的体积；表示这一链路上可以容纳多少比特；（用一个圆柱形管道表示一条传输链路）时延带宽积又称为比特长度，即以比特为单位的链路长度。TCP的往返时延带宽积 一、时延与时延带宽积第45页，共141页，编辑于2022年，星期二误码率Pc:传输的码元被传错的概率，当传输的码元总数很大时，Pc可以近似定义为：Pc 传错的码元数 传输的码元总数二、误码率与误比特率第46页，共141页，编辑于2022年，星期二误比特率:是指传输的比特被传错的概率，又称比特误码率（BER-bit error rate），当传输的总比特数很大时，Pb误比特率可以近似为：Pb 传错的比特数 传输的比特总数 计算机网络传输差错使用比特误码率，有时简称为误码率。二、误码率与误比特率第47页，共141页，编辑于2022年，星期二3.5.3 信息传输速率与码元传输速率l信息传输速率:每秒传输的编码前的数字数据的二进制比特数，单位是比特/秒，即b/s(bit/second)或 bps。称为比特率比特率。1Kbps=1000bps,1Mbps=1000kbps 计算机网络中，和信息传输速率具有同样含义的另一个术语称为带宽(bandwidth)、吞吐量。第48页，共141页，编辑于2022年，星期二3.5.3 信息传输速率与码元传输速率l码元传输速率:数字数据经编码后的传输信号在信道上的传输速率，它是指每秒传输的码元数，即每秒钟传输信号变化的次数，单位是波特，波特每秒（波特，波特每秒（Bps）。又称为波特率。波特率。在信息传输通道中，携带数据信息的信号单元叫码元，通过不同的调制方法可以在一个码元上负载多个比特信息。每秒钟通过信道传输的码元数称为码元传输速率，简称波特率。波特率是传输通道频宽的指标。第49页，共141页，编辑于2022年，星期二码元状态数码元状态数可以表示的二进制数每个码元可以传送的比特数20,11400,01,10,1128000,001,010,011,100,101,110,1113一个码元就是一个传输信号,不同波形的的传输信号就是不同的码元(码元状态)波特率与比特率的关系是比特率=波特率单个调制状态对应的二进制位数。第50页，共141页，编辑于2022年，星期二 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。比特率：每秒钟传送的二进制位数。一个信号往往可以携带多个二进制位一个信号往往可以携带多个二进制位(一个码元中可以传送多个比特一个码元中可以传送多个比特（bitbit）。）。所以在固定的信号传输速率下，比特率往往大于波特率。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。Rb=RB log2 V (V为电平的级数为电平的级数)(码元的状态数码元的状态数)编码效率编码效率=Rb/RB 取决于编码方法和信号频率第51页，共141页，编辑于2022年，星期二l早在1924年，尼奎斯特就认识到这一根本性限制，并推导出一个有限带宽无噪声信道的最大数据传输速率的表达式；l1948年，香农进一步把尼奎斯特的结论扩展到随机（动态）噪声影响的信道。3.5.4 信道最大数据传输速率第52页，共141页，编辑于2022年，星期二V 最大数据率(C)2 6000 bps 4 12000 bps 8 18000 bps16 24000 bps32 30000 bps64 36000 bps CMAX=最大数据传输率，单位b/s或bpsH=带宽，单位HzV=信号电平级数例如：话音级线路(3000 Hz)的信道容量计算，如右图所示。P80例2Nyquist公式为估算已知带宽无噪声信道的最高速率提供了依据公式为估算已知带宽无噪声信道的最高速率提供了依据。结论：结论：P86适用于理想低通信道（有限带宽无噪声信道）Nyquist 公式CMAX2Hlog2V第53页，共141页，编辑于2022年，星期二Rb=RB log2 VRBmax 2HCMAX2Hlog2VNyquist 公式推导第54页，共141页，编辑于2022年，星期二S/NdB 信噪比（信噪比（dB分贝）的定义分贝）的定义CMAX=H log2 V(1+S/N)S/NdB=10 log10 S/N例例：信道带宽：信道带宽W=3KHz，信噪比为，信噪比为30dB（S/N=1000），），则则C=3000*log2(1+1000)30KbpsC=传输率，单位传输率，单位b/sH=带宽，单位带宽，单位HzS=信号功率信号功率N=噪声功率噪声功率Shannel公式：高斯噪声干扰信道CMAX=H log2 V(1+S/N)CMAX=H log2(1+S/N)第55页，共141页，编辑于2022年，星期二Shannel公式：高斯噪声干扰信道香农定理:如果信息源的信息速率R小于或者等于信道容量C，那么，在理论上存在一种方法可使信息源的输出能够以任意小的差错概率通过信道传输；如果RC，则没有任何办法传递这样的信息，或者说传递这样的二进制信息的差错率为1/2。Shannel公式:在被高斯白噪声干扰的信道中，传送的最大信息速率C由下述公式确定：CMAX=Hlog2(1+S/N)B是信道带宽（赫），S是信号功率（瓦），N是噪声功率（瓦）。信道带宽限制了比特率的增加，信道容量还取决于系统信噪比以及编码技术种类 第56页，共141页，编辑于2022年，星期二 CMAX=2Hlog2V 此公式说明数据传输率C随信号编码级数增加而增加。CMAX=Hlog2(1+S/N)无论采样频率多高，信号编码分多少级，此公式给出了信道能达到的最高传输速率。即噪声的存在将使编码级数不可能无限增加。对于一条带宽为3.1kHz的标准电话信道，若信噪比为30dB，不管用多少码元状态编码。信息传输速率不能超过其极限速率31Kb/s.Nyquist公式和Shannel公式的比较第57页，共141页，编辑于2022年，星期二3.6 数据编码数据转换为信号才能在信道上传输；模拟数据模拟信号数字数据数字信号数字数据模拟信号模拟数据数字信号第58页，共141页，编辑于2022年，星期二3.6.1 信号编码（数字信号编码）1.1.不归零制码（不归零制码（NRZNRZ：Non-Return to ZeroNon-Return to Zero）2.2.曼彻斯特码（曼彻斯特码（ManchesterManchester）3.3.差分曼彻斯特码（差分曼彻斯特码（Differential ManchesterDifferential Manchester第59页，共141页，编辑于2022年，星期二1.不归零制码（NRZ：Non-Return to Zero）原理：用两种不同的电平分别表示二进制信息原理：用两种不同的电平分别表示二进制信息“0”0”和和“1”,1”,低电平表示低电平表示“0”,0”,高电平表示高电平表示“1”1”缺点：缺点：难以分辨一位的结束和另一位的开始；难以分辨一位的结束和另一位的开始；送方和接收方必须有时钟同步；送方和接收方必须有时钟同步；若信号中若信号中“0”0”或或“1”1”连续出现，信号直流分量将累加。连续出现，信号直流分量将累加。结论：容易产生传播错误。结论：容易产生传播错误。第60页，共141页，编辑于2022年，星期二1.不归零制码（NRZ：Non-Return to Zero）逢逢“1”变化的变化的NRZ码码原理：在每位开始时，原理：在每位开始时，逢逢“1”1”电平跳变，电平跳变，逢逢“0”0”电平不跳电平不跳变。变。逢逢“0”变化的变化的NRZ码码原理：在每位开始原理：在每位开始时，逢时，逢“0”0”电平电平跳变，逢跳变，逢“1”1”电电平不跳变。平不跳变。第61页，共141页，编辑于2022年，星期二2、曼彻斯特码（Manchester)（英国曼彻斯特大学）曼彻斯特码（曼彻斯特码（ManchesterManchester），也称相位编码），也称相位编码原理：每一位中间都有一个跳变，从低跳到高表示原理：每一位中间都有一个跳变，从低跳到高表示“0”0”，从高跳到低表示，从高跳到低表示“1”1”。优点：克服了优点：克服了NRZNRZ码的不足。码的不足。每位中间的跳变即可作为数据，每位中间的跳变即可作为数据，又可作为时钟，能够自同步。又可作为时钟，能够自同步。第62页，共141页，编辑于2022年，星期二3.3.差分曼彻斯特码（差分曼彻斯特码（Differential ManchesterDifferential Manchester）原理：每一位中间都有一个跳变，每位开始时有跳变表示原理：每一位中间都有一个跳变，每位开始时有跳变表示“0”0”，无跳变表示，无跳变表示“1”1”。位中间跳变表示时钟，。位中间跳变表示时钟，位前跳变表示数据。位前跳变表示数据。优点：优点：时钟、数据分离，便于提取。信号反向不影响编时钟、数据分离，便于提取。信号反向不影响编码。码。IEEE802.5 IEEE802.5 令牌环协议令牌环协议第63页，共141页，编辑于2022年，星期二差分曼彻斯特编码波形图1.第一个是0的从低到高，第一个是1的从高到低，后面的就看有没有跳变来决定了（差分曼彻斯特编码)2.1代表没有跳变（也就是说上一个波形图在高现在继续在高开始，上一波形图在低继续在低开始）0代表有跳变（也就是说上一个波形图在高位现在必须改在低开始，上一波形图在高位必须改在从低开始）第64页，共141页，编辑于2022年，星期二比特流101100101的以下两个波形 曼彻斯特编码用于以太网中；差分曼彻斯特编码用于令牌环网。曼彻斯特编码用于以太网中；差分曼彻斯特编码用于令牌环网。第65页，共141页，编辑于2022年，星期二3、差分曼彻斯特码（、差分曼彻斯特码（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原理：每一位中间都有一个跳变，每位开始时有跳变表示“0”0”，无跳变表示无跳变表示“1”1”。位中间跳变表示时钟，位前跳变表示数据。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。信号反向不影响编码。优点：时钟、数据分离，便于提取。信号反向不影响编码。4、逢、逢“1”变化的变化的NRZ码码原理：在每位开始时，逢原理：在每位开始时，逢“1”1”电平跳变，逢电平跳变，逢“0”0”电平不跳变。电平不跳变。5、逢、逢“0”变化的变化的NRZ码码原理：在每位开始时，逢原理：在每位开始时，逢“0”0”电平跳变，逢电平跳变，逢“1”1”电平不跳变。电平不跳变。信号编码（续）第66页，共141页，编辑于2022年，星期二mB/nB编码mB/nB编码（m out of n,m=2f2max过程：采样(取样）、量化（标准量级取值）、编码（用二进制吗表示采样序列量化后的量化幅度）；第73页，共141页，编辑于2022年，星期二采样第74页，共141页，编辑于2022年，星期二量化、编码 采样把模拟信号变成了时间上离散的脉冲信号，但脉冲的幅度仍然是模拟的，还必须进行离散化处理，才能最终用数码来表示。这就要对幅值进行舍零取整的处理，这个过程称为量化。抽样、量化后的信号还不是数字信号，需要把它转换成数字编码脉冲，这一过程称为编码。最简单的编码方式是二进制编码。具体说来，就是用n比特二进制码来表示已经量化了的样值，每个二进制数对应一个量化值，然后把它们排列，得到由二进制值脉冲组成的数字信息流 例如，一个模拟信号的4个采样值分别为0.9、3.1、8.6和13.2，量化后分别为1、3、9、和13，如果量化的值用简单的4比特二进制编码，分别可表示为001、0011、1001、1101。编码一般采用810比特，可达2561026个量级第75页，共141页，编辑于2022年，星期二PCM例程数值等效二进制数数字等效二进制数00000810001000191001200101010103001111101140100121100501011311016011014111070111151111第76页，共141页，编辑于2022年，星期二PCM 转换波形变换BACDAABBCCDD采样时钟采样时钟采样时钟采样时钟PAM PAM 信号信号信号信号PCM PCM 信号信号信号信号采样电路采样电路量化和编码量化和编码数字化声音数字化声音数字化声音数字化声音第77页，共141页，编辑于2022年，星期二标准电话语音编码速率标准电话信号的最高频率3.4kHz，取采样频率为8kHz，即采样周期为125微秒，量化后每秒8000个脉冲信号，每个脉冲信号在编为8为二进制码元，一个标准电话信号的PCM信号速率就是8000次/s 8bit/s=64Kbps第78页，共141页，编辑于2022年，星期二常用的PCM技术1）振幅调制技术）振幅调制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）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。第79页，共141页，编辑于2022年，星期二调制解调器 调制器的主要作用就是个波形变换器，它将基带数字信号的波形变换成适合于模拟信道传输的波形(注意：这并不改变数据的内容)。解调器的作用就是个波形识别器，它将经过调制器变换过的模拟信号恢复成原来的数字信号。若识别不正确，则要产生误码。ITU-T V.34和V.90第80页，共141页，编辑于2022年，星期二调制解调器图例第81页，共141页，编辑于2022年，星期二3.7 信道复用技术引入：引入：由于一条传输线路的能力远远超过传输一个用户信号所需的能力，为了提高线路利用率，经常让多个信号同时共用一条物理线路。例如：P80例2 DEMUX复用器复用器解复用器解复用器共享信道 MUX第82页，共141页，编辑于2022年，星期二常用技术信道复用技术时分复用时分复用 TDM（Time Division Multiplexing）频分复用频分复用 FDM（Frequency Division Multiplexing）波分复用波分复用 WDM（Wavelength Division Multiplexing）码分复用码分复用CDM（Code Division Multiplexing）第83页，共141页，编辑于2022年，星期二3.6.1 时分多路复用技术 TDM、STDM1.定义：当传输介质所能达到的数据传输速率超过各路信号的数据传输速率的总和时，可以将物理信道按时间分成若干时间片轮换地分配给多路信号使用，每一路信号在自己的时间片内独占信道传输，这就是时分多路复用。2.TDM的实现a)传输时将时间分成等长的时间片（时分复用帧TDM帧）每个TDM帧划分为若干个时隙；b)通过时隙轮转方式将时隙依次分配给指定的信号；c)在接收方也通过时隙轮转方式在指定的时隙依次接收指定的信号。3.TDM的分类同步TDM 特点：时隙固定分配，适合固定速率传输异步TDM 特点：时隙按需分配，适合可变速率传输第84页，共141页，编辑于2022年，星期二同步与异步TDM第85页，共141页，编辑于2022年，星期二时分多路复用(续)TDMTDM多适用于数字信号传输多适用于数字信号传输第86页，共141页，编辑于2022年，星期二理解TDM第87页，共141页，编辑于2022年，星期二时分多路复用(续)第88页，共141页，编辑于2022年，星期二统计(异步)TDM STDMTDM的缺点：某用户无数据发送，其他用户也不能占用该的缺点：某用户无数据发送，其他用户也不能占用该 通道，将会造成带宽浪费。通道，将会造成带宽浪费。改进：改进：使用统计时分多路复用（使用统计时分多路复用（STDM），用户不固），用户不固 定占用某个通道，有空时间片就将数据放入。定占用某个通道，有空时间片就将数据放入。各数据之前要附有该路地址，各数据之前要附有该路地址，以便接收方能分出各路信号以便接收方能分出各路信号第89页，共141页，编辑于2022年，星期二TDM 和 STDM 的比较ABCD待发数据待发数据t1 t2 t3A1B1C1D1C2D2A2B2周期周期1周期周期2同步同步 TDM带宽浪费带宽浪费A1B1C2B2周期周期1周期周期2可用带宽可用带宽统计统计TDM(数据之前附有该路地址数据之前附有该路地址)第90页，共141页，编辑于2022年，星期二T1/E1现在的数字传输系统都是采用脉冲调制PCM体制，PCM目前有两个互补兼容的国际标准；北美的24路PCM（T1，速率是1.544Mbps)欧洲的30路PCM（E1，速率是2.048Mbps）原理：为了有效的利用传输线路，将多路语音的PCM信号用时分复用的方法装成帧，然后再送往线路上，完成传输。第91页，共141页，编辑于2022年，星期二时分多路复用的应用 T1 信道 广泛用于北美和日本的电话系统中。每秒 8000 次采样(帧)，一共24路信号，每路信号8位(含1比 特 控 制),每 帧 还 有 1同 步 比 特。数据传输率：193*8000=1.544 Mbps第92页，共141页，编辑于2022年，星期二T1 信道传输速率1.544 Mbps第93页，共141页，编辑于2022年，星期二T1 信道复用24路电话第94页，共141页，编辑于2022年，星期二TDM 分层多路复用(T1,T2,T3,T4)T1T2T3T4见P95页表3-2第95页，共141页，编辑于2022年，星期二T1 Carrier24路PCM信号的每一路，轮流将一个字节插入帧中，每个字节长度为8，其中7位是数据位，1位用于校验位。再加上附加1位作为帧的开始标识位，所以共193位。193/（12510-6)1.544Mbps。（每个TDM帧长125微秒，占用带宽（bps）1.544Mbps,或者说24路电话（T1）占用1.544Mbps）第96页，共141页，编辑于2022年，星期二时分多路复用(续)E1信道 用于北美和日本以外地区，包括中国。每秒8000次采样(帧)，一共32路信号(其中2路作信令同步)，每路信号8位,每帧还有1同步比特。速率为：8*32*8000=2.048 Mbps30 路话音数据信道+2 路控制信道0121631125 125 m m m ms/32 s/32 时隙时隙时隙时隙/2.048 Mbps/2.048 Mbps帧同步帧同步信令信道信令信道第97页，共141页，编辑于2022年，星期二E1 的时分复用帧2.048 Mb/s传输线路CH0CH16CH17CH15CH15CH16CH17CH31CH31CH0CH1CH1时分复用帧T CH0 CH1 CH2 CH15 CH16 CH17 CH30 CH31 CH08 bitt时分复用帧时分复用帧T=125 ms15 个话路15 个话路帧同步帧同步信令信道信令信道第98页，共141页，编辑于2022年，星期二3.6.2 频分多路复用技术 FDM1.定义：当传输介质的可用带宽（频率带宽）超过各路给定信号所需带宽的总和时，可以把多个信号调制在不同的载波频率上，从而在同一介质上实现同时传送多路信号，这就是频分多路复用。2.FDM的实现通过调制将不同信号的频率调制到不同的频率范围；将多路信号合成为一路频率范围更大的信号进行发送；在接收方再通过解调将信号重新还原成多路信号。第99页，共141页，编辑于2022年，星期二频分复用信道1信道2信道3话音频率为3003400hz，大概带宽限制在3000左右第100页，共141页，编辑于2022年，星期二FDM图例第101页，共141页，编辑于2022年，星期二FDM 分层多路复用第102页，共141页，编辑于2022年，星期二问题时分复用和频分复用各自适合数字信号还是模时分复用和频分复用各自适合数字信号还是模拟信号？拟信号？第103页，共141页，编辑于2022年，星期二波分多路复用WDM波分多路复用（WDM）:是光的频分复用。不同的信源使用不同波长的光波来传输数据，各路光波经过一个棱镜（或衍射光栅）合成一个光束在光纤干道上传输，在接收端利用相同的设备将各路光波