数据编码技术和数据传输方式.ppt

2.2 数据编码技术和数据传输方式首先回顾一下信息传输过程首先回顾一下信息传输过程:广州广州北京北京39要将要将“39”这个数字传输到北京这个数字传输到北京通过电话进行情感交流通过电话进行情感交流39100111100111vt模拟信号和数字信号通信的特点模拟信号和数字信号通信的特点n模拟信号通信的特点：模拟信号通信的特点：n 传输距离远；传输距离远；n 效率低；效率低；n 信号质量差；信号质量差；n数字信号通信的特点：数字信号通信的特点：n 传输距离不远；传输距离不远；n 抗干扰能力弱；抗干扰能力弱；n 传输效率高；传输效率高；n为了使扬长避短，在不同的场合，我们必须要将表示数据的信号进行为了使扬长避短，在不同的场合，我们必须要将表示数据的信号进行相应的转换后再进行传输相应的转换后再进行传输-如：数字信号模拟传输、或模拟信号数如：数字信号模拟传输、或模拟信号数字传输；字传输；n这种将传输数据用不同形式的传输信号进行表示的处理技术我们简称这种将传输数据用不同形式的传输信号进行表示的处理技术我们简称为为数据编码技术数据编码技术，n数据在传输过程中采用的处理方式我们简称为数据在传输过程中采用的处理方式我们简称为数据传输方式数据传输方式一、数据编码技术2.2.1 2.2.1 数字数据的模拟信号编码数字数据的模拟信号编码模拟数据的数字信号编码模拟数据的数字信号编码数字数据的数字信号编码数字数据的数字信号编码2.2.1 数字数据的模拟信号编码数字数据的模拟信号编码(即数字信号的模拟传输即数字信号的模拟传输)广州广州北京北京39要将要将“39”这个数字传输到北京；这个数字传输到北京；39100111100111vtn由于在数字信号通信方式中，信号传输距离近、由于在数字信号通信方式中，信号传输距离近、抗干扰能力弱，因此，为了使数字信号能进行抗干扰能力弱，因此，为了使数字信号能进行长距离的可靠传输，常常将数字信号长距离的可靠传输，常常将数字信号“搭载搭载”到一个高频的模拟信号上进行传输，到一个高频的模拟信号上进行传输，n实现数字信号与模拟信号互换的设备称作调制实现数字信号与模拟信号互换的设备称作调制解调器解调器(Modem)。n调制：由发送端将数字数据信号转换成模拟数调制：由发送端将数字数据信号转换成模拟数据信号的过程称为据信号的过程称为“调制调制”n解调：在接收端把模拟数据信号还原为数字数解调：在接收端把模拟数据信号还原为数字数据信号的过程称为据信号的过程称为“解调解调”n载波正（余）弦信号可以写为：载波正（余）弦信号可以写为：nu u（t t）=u=um msinsin（t+t+）n 振振 幅幅 u um mn 角频率角频率 n 相相 位位 n模拟信号传输的基础是载波，载波具有三模拟信号传输的基础是载波，载波具有三大要素：幅度、频率和相位，数字数据可大要素：幅度、频率和相位，数字数据可以针对载波的不同要素或它们的组合进行以针对载波的不同要素或它们的组合进行调制。调制。1.1.移幅键控移幅键控（amplitude shift keying,ASKamplitude shift keying,ASK）u um msinsin（1 1t+t+0 0）数字数字1 1 u u（t t）=0 0(或或u un nsinsin（1 1t+t+0 0）)数字数字0 0n移幅键控移幅键控ASKASK信号实现容易，技术简单，但抗干扰能信号实现容易，技术简单，但抗干扰能力较差。力较差。n在在ASKASK方式下，用载波的两种不同幅度来表示二进制方式下，用载波的两种不同幅度来表示二进制的两种状态。的两种状态。ASKASK方式容易受增益变化的影响，是一方式容易受增益变化的影响，是一种低效的调制技术。在电话线路上，通常只能达到种低效的调制技术。在电话线路上，通常只能达到1200bps1200bps的速率。的速率。2.2.移频键控移频键控（frequency-shift keying frequency-shift keying，FSK FSK）u um msinsin（1 1t+t+0 0）数字数字1 1 u u（t t）=u um msinsin（2 2t+t+0 0）数字数字0 0n移频键控移频键控FSKFSK信号实现容易，技术简单，抗干扰能信号实现容易，技术简单，抗干扰能力较强，是目前最常用的调制方法之一。力较强，是目前最常用的调制方法之一。n在在FSKFSK方式下，用载波频率附近的两种不同频率来方式下，用载波频率附近的两种不同频率来表示二进制的两种状态。在电话线路上，使用表示二进制的两种状态。在电话线路上，使用FSKFSK可以实现全双工操作，可以实现全双工操作，3.3.移相键控移相键控（phase-shift keyingphase-shift keying，PSKPSK）n绝对调相绝对调相 u um msinsin（t+0t+0）数字数字1 1 u u（t t）=u um msinsin（t+t+）数字数字0 0n移相键控可以分为：移相键控可以分为：绝对调相绝对调相 相对调相相对调相 二相调相二相调相 多相调相多相调相 n在在PSKPSK方式下，用载波信号相位移动来表示数据。方式下，用载波信号相位移动来表示数据。PSKPSK可以使用二相或多于二相的相移，利用这种技术，可可以使用二相或多于二相的相移，利用这种技术，可以对传输速率起到加倍的作用。以对传输速率起到加倍的作用。数字数据的模拟信号编码图数字数据的模拟信号编码图 数字调制的三种基本形式：移幅键控法数字调制的三种基本形式：移幅键控法ASK、移频键控法、移频键控法FSK、移相键控法、移相键控法PSK。模拟数据的数字信号编码-模拟信号的数字传输通过电话进行情感交流通过电话进行情感交流1.脉码调制PCM。n脉码调制是以采样定理为基础，对连续变化的模拟信号进行周期性采样，利用有效信号最高频率或其带宽倍的采样频率，通过低通滤波器从这些采样中重新构造出原始信号。n采样定理表达公式:nFs(=1/Ts)2Fmax或Fs2Bsn式中Ts为采样周期nFs为采样频率nFmax为原始信号的最高频率nBs(=Fmax-Fmin)为原始信号的带宽2.模拟信号数字化的三步骤模拟信号数字化的三步骤n1)采样，以采样频率采样，以采样频率Fs把模拟信号的值采出；把模拟信号的值采出；n2)量化，使连续模拟信号变为时间轴上的离散值；量化，使连续模拟信号变为时间轴上的离散值；n3)编码，将离散值变成一定位数的二进制数码。编码，将离散值变成一定位数的二进制数码。数字数据数字信号编码方法数字数据数字信号编码方法n数字信号可以直接采用基带传输。基带传输就是在线路中直接传送数字信号的电脉冲，它是一种最简单的传输方式，近距离通信的局域网都采用基带传输。基带传输时，需要解决的问题是数字数据的数字信号表示及收发两端之间的信号同步两个方面。n1.数字数据的数字信号表示n对于传输数字信号来说，最常用的方法对于传输数字信号来说，最常用的方法是用不同的电压电平来表示两个二进制是用不同的电压电平来表示两个二进制数字，即数字信号由矩形脉冲组成。数字，即数字信号由矩形脉冲组成。n（1）、非归零码）、非归零码NRZn（2）、归零编码）、归零编码 RZ n（3）、单极性编码）、单极性编码n（4）、双极性编码）、双极性编码a)单单极性不极性不归归零脉冲零脉冲b)双极性不双极性不归归零脉冲零脉冲c)单单极性极性归归零脉冲零脉冲d)双极性双极性归归零脉冲零脉冲e)交替双极性交替双极性归归零脉冲零脉冲.2、归零码和不归零码、单极性码和双极性码的特点n不归零码在传输中难以确定一位的结束和另一位的开始，需要用某种方法使发送器和接收器之间进行定时或同步；归零码的脉冲较窄，根据脉冲宽度与传输频带宽度成反比的关系，因而归零码在信道上占用的频带较宽。n单极性码会积累直流分量，这样就不能使变压器在数据通信设备和所处环境之间提供良好绝缘的交流耦合，直流分量还会损坏连接点的表面电镀层；双极性码的直流分量大大减少，这对数据传输是很有利的。3.同步过程n1)位同步位同步n2)群同步群同步1)位同步n位同步又称同步传输，它是使接收端对每一位数据都位同步又称同步传输，它是使接收端对每一位数据都要和发送端保持同步。实现位同步的方法可分为外同步法要和发送端保持同步。实现位同步的方法可分为外同步法和自同步法两种。和自同步法两种。n在在外同步法外同步法中，接收端的同步信号事先由发送端送来，中，接收端的同步信号事先由发送端送来，而不是自己产生也不是从信号中提取出来。即在发送数据而不是自己产生也不是从信号中提取出来。即在发送数据之前，发送端先向接收端发出一串同步时钟脉冲，接收端之前，发送端先向接收端发出一串同步时钟脉冲，接收端按照这一时钟脉冲频率和时序锁定接收端的接收频率，以按照这一时钟脉冲频率和时序锁定接收端的接收频率，以便在接收数据的过程中始终与发送端保持同步。便在接收数据的过程中始终与发送端保持同步。n自同步法自同步法是指能从数据信号波形中提取同步信号的方是指能从数据信号波形中提取同步信号的方法。典型例子就是著名的曼彻斯特编码，常用于局域网传法。典型例子就是著名的曼彻斯特编码，常用于局域网传输。在曼彻斯特编码中，每一位的中间有一跳变，位中间输。在曼彻斯特编码中，每一位的中间有一跳变，位中间的跳变既作时钟信号，又作数据信号；从高到低跳变表示的跳变既作时钟信号，又作数据信号；从高到低跳变表示1，从低到高跳变表示，从低到高跳变表示0。还有一种是差分曼彻斯特编。还有一种是差分曼彻斯特编码，每位中间的跳变仅提供时钟定时，而用每位开始时有码，每位中间的跳变仅提供时钟定时，而用每位开始时有无跳变表示无跳变表示0或或1，有跳变为，有跳变为0，无跳变为，无跳变为1。n两种曼彻斯特编码是将时钟和数据包含在数据流中，在传输代码信息的同时，也将时钟同步信号一起传输到对方，每位编码中有一跳变，不存在直流分量，因此具有自同步能力和良好的抗干扰性能。但每一个码元都被调成两个电平，所以数据传输速率只有调制速率的1/2。图图2.9数字信号的同步数字信号的同步编码编码 中间跳变1变100变01中间仍然跳变信号前沿0跳1不跳2)群同步n在数据通信中，群同步又称异步传输。是指传输的信息被分成若干“群”。数据传输过程中，字符可顺序出现在比特流中，字符间的间隔时间是任意的，但字符内各个比特用固定的时钟频率传输。字符间的异步定时与字符内各个比特间的同步定时，是群同步即异步传输的特征n群同步传输每个字符由四部组成：n1)1位起始位，以逻辑0表示；n2)58位数据位，即要传输的字符内容；n3)1位奇偶校验位，用于检错；n4)12位停止位，以逻辑1表示,用作字符间的间隔。图图2.10群同步的字符格式群同步的字符格式二、常用数据传输方式二、常用数据传输方式n基带传输、宽带传输基带传输、宽带传输n同步传输、异步传输同步传输、异步传输n多路复用多路复用基带传输与宽带传输基带传输与宽带传输n根据不同的通信要求，可以采用两种不同的根据不同的通信要求，可以采用两种不同的方式将数字信号在线路上进行传输：基带传方式将数字信号在线路上进行传输：基带传输和宽带传输；输和宽带传输；n基带传输基带传输：将数据直接转换为脉冲信号加到电缆上：将数据直接转换为脉冲信号加到电缆上传送出去；传送出去；n-一般的，有脉冲表示一般的，有脉冲表示1 1、无脉冲表示、无脉冲表示0 0；n计算机局域网正是采用这种基带传输方式；计算机局域网正是采用这种基带传输方式；n为了使数字信号能高效地在线路进行基带传输，我们采用为了使数字信号能高效地在线路进行基带传输，我们采用各种方式的数字信号编码，将数字信号进行一定的编码后，各种方式的数字信号编码，将数字信号进行一定的编码后，然后再在线路上进行传输；具体的传输编码方式包括：然后再在线路上进行传输；具体的传输编码方式包括：NRZNRZ编码、编码、RZRZ编码、曼彻斯特编码、和差分曼彻斯特编码；编码、曼彻斯特编码、和差分曼彻斯特编码；n特点：特点：n简单、信道利用率低；简单、信道利用率低；n在传输时占用电缆的整个频宽；易受电磁干扰。在传输时占用电缆的整个频宽；易受电磁干扰。n宽带传输宽带传输：将数据加载到载波信号上送出去，：将数据加载到载波信号上送出去，一般以正弦波作为载波，根据数据内容改变载一般以正弦波作为载波，根据数据内容改变载波的振幅、频率或相位；可同时传输多个信号。波的振幅、频率或相位；可同时传输多个信号。n即将数字信号进行调制后再在线路上进行传输；由即将数字信号进行调制后再在线路上进行传输；由于线路都具有一定的频宽，因此，可以将数字信号于线路都具有一定的频宽，因此，可以将数字信号调制在多个不同的频率上进行传输，从而，可以提调制在多个不同的频率上进行传输，从而，可以提高线路的利用率；高线路的利用率；1002105809671MHz2Mhz3Mhz8Mhz2.2.5 2.2.5 异步传输与同步传输异步传输与同步传输n同步的含义：数据在传输线上传输时同步的含义：数据在传输线上传输时,为为保证发送端发送的信息能够被接收端正保证发送端发送的信息能够被接收端正确无误地接收确无误地接收,要求发送端和接收端动作要求发送端和接收端动作的起始时间和频率保持一致的技术称为的起始时间和频率保持一致的技术称为“同步技术同步技术”n（1 1）同步传输：）同步传输：n在通信期间，双方通过特定的方式一直保持时间上在通信期间，双方通过特定的方式一直保持时间上的同步；的同步；n同步方法：用专门的时钟通信线路；先发一串同步同步方法：用专门的时钟通信线路；先发一串同步比特校准时钟再发数据；将同步信号叠加在所传数比特校准时钟再发数据；将同步信号叠加在所传数据中据中n同步传输通信效率高，质量高，但实现技术复杂、同步传输通信效率高，质量高，但实现技术复杂、成本也高成本也高n（2 2）异步传输：）异步传输：n采用特殊的采用特殊的“数据发送开始数据发送开始”和和“数据发送结束数据发送结束”这两个特殊的标志来指示接收方的动作；在传送字这两个特殊的标志来指示接收方的动作；在传送字符期间同步，不传送字符期间可以不同步符期间同步，不传送字符期间可以不同步n异步传输通信方式速率低，对高速信道不适用；但异步传输通信方式速率低，对高速信道不适用；但容易实现、成本低，在低速通信场合还有一定作用容易实现、成本低，在低速通信场合还有一定作用2.2.6 2.2.6 多路复用技术多路复用技术多路复用技术的原因及含义多路复用技术的原因及含义(1)(1)减少远距离通信时的线路开支减少远距离通信时的线路开支(2)(2)降低单路信号通信时的线路带宽的浪费降低单路信号通信时的线路带宽的浪费(3)(3)所谓的多路复用技术所谓的多路复用技术:是指将多路信号在单一的传输线路上同时传输是指将多路信号在单一的传输线路上同时传输 2.2.6 2.2.6 多路复用技术多路复用技术常用的多路复用技术常用的多路复用技术:1.1.频频分分多多路路复复用用(FDM):(FDM):在在物物理理信信道道能能提提供供比比单单个个原原始始信信号号宽宽的的多多的的带带宽宽情情况况下下,把把物物理理信信道道的的总总带带宽宽划划分分成成若若干干个个与与单单个个信信号号带带宽宽相相同同(一一般般略略宽宽,以以防防相相邻邻频频带带的的串串扰扰)的的频频带带(段段),),用每个频段来传输一路信号用每个频段来传输一路信号.n典型应用典型应用:无线广播无线广播,无线无线(有线有线)电视电视.n特点特点:发发射射端端在在发发射射之之前前先先将将原原始始信信号号,用用频频率率调调制制到到对对应应的的频频段段,称为称为”频谱搬移频谱搬移”.”.各各频频带带的的带带宽宽中中预预留留有有”保保护护带带”以以防防相相邻邻频频段段信信号号的的串串扰扰.一般用于一般用于”模拟信号模拟信号”传输中传输中.频分多路复用技术CH2CH1CH3原带宽原带宽CH1CH2CH3移频后带宽移频后带宽MUXCH1 CH2 CH3带宽复用带宽复用fFDM适用于模拟信号传输适用于模拟信号传输 典型例子：典型例子：ADSL通信通信2.2.6 2.2.6 多路复用技术多路复用技术2.2.时时分分多多路路复复用用(TDM):(TDM):是是以以信信道道传传输输时时间间作作为为分分割割对对象象,通通过过为为多多个个信信道道分分配配互互不不重重叠叠的的时时间间片来实现多路复用片来实现多路复用.同同步步时时分分复复用用:将将一一条条共共享享传传输输线线路路上上的的时时隙隙按按固固定定,预先决定好的形式分配给设备预先决定好的形式分配给设备.注注:此此处处的的”同同步步”并并非非”同同步步传传输输”,”,而而是是指指时时间间片片预预先先分分配配给给固固定定的的数数据据源源,不不管管数数据据源源是是否否有有数数据据要要传传送送,其所对应的时间片都被传输出去其所对应的时间片都被传输出去.同步时分多路复用A2A1A3原始信号D2D1D3数字化信号MUX复用后数据复用后数据时隙时隙1234D3D2D1TDM适用于数字信号适用于数字信号传输传输 时间片时间片2.2.6 多路复用技术(2)(2)异步时分复用异步时分复用：将一条共享传输路线上：将一条共享传输路线上的时隙动态，按需分配给设备的一种时分的时隙动态，按需分配给设备的一种时分复用技术。复用技术。注：与同步时分复用相比可克服时隙的浪费，线路注：与同步时分复用相比可克服时隙的浪费，线路的容量可以小于所连接设备数据传输速率总和。的容量可以小于所连接设备数据传输速率总和。异步时分复用ABCD待发数据待发数据t1t2t3A1B1C2B2周期周期1周期周期2异步异步TDM可用带宽A1B1C1D1C2D2A2B2周期周期1周期周期2同步同步TDM带宽浪费3、波分多路复用（WDM）将光纤信道划分为多个波段，相当于FDM中的频段，每路信号占用一个波段。n光纤通道（光纤通道（fiber optic channel）技术采用了波长分隔多路）技术采用了波长分隔多路复用方法，简称为波分复用复用方法，简称为波分复用WDM;n在一根光纤上复用在一根光纤上复用80路或更多路的光载波信号称为密集波分路或更多路的光载波信号称为密集波分复用复用DWDM；n目前一根单模光纤的数据传输速率最高可以达到目前一根单模光纤的数据传输速率最高可以达到20Gb/s。多路复用技术典型应用实例：北美T1载波系统欧洲的CITT标准的E1载波系统北北美美T1T1载载波波系系统统的的载载波波就就是是采采用用脉脉码码调调制制（PCM PCM）和和时时分分多多路路复复用用技技术术（TDMTDM）使使2424路路采样声音信号复用一个通道。采样声音信号复用一个通道。工工作作原原理理：将将一一条条路路线线按按时时分分划划分分为为2424个个信信道道，每每信信道道按按125s125s的的间间隔隔采采样样各各自自的的模模拟拟信信号号、用用128128级级量量化化的的PCMPCM脉脉冲冲编编码码为为8 8位位（7 7位位为为数数据据，1 1位位为为作作校校验验的的控控制制信信号号）。每每2424路路采采样样后后另另加加一一个个同同步步比比特。特。传输速率传输速率=(24*8+1)/(125*10=(24*8+1)/(125*10-6-6)=1.544Mbps)=1.544Mbps图图2.13T1载载波波帧结帧结构构 欧欧洲洲的的CITTCITT标标准准的的E1E1载载波波系系统统，信信道道的的载载波波也是采用脉码调制技术与时分多路复用技术。也是采用脉码调制技术与时分多路复用技术。其其帧帧结结构构：开开始始8 8位位同同步步信信号号+8+8位位信信令令位位+30+30路路8 8位位数数据据信信号号=256=256位位传输速率：传输速率：256/(125*10256/(125*10-6-6)=2.048Mbps)=2.048Mbps2.048 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 个话路微秒