《计算机网络教学资料》第2章数据通信a.ppt

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1、1第2章 网络数据通信基础知识问题问题原由原由数据通信技术完成数据的编码、传输和处理，为计数据通信技术完成数据的编码、传输和处理，为计算机网络的应用提供必要的技术支持和可靠的通信算机网络的应用提供必要的技术支持和可靠的通信环境。那么，它是如何实现这些功能的呢？这就是环境。那么，它是如何实现这些功能的呢？这就是本章所要讨论的问题。本章所要讨论的问题。本章重点讨论数据通信系统和常用通信信道类型、本章重点讨论数据通信系统和常用通信信道类型、数据调制与编码技术、数据传输技术、多路复用技数据调制与编码技术、数据传输技术、多路复用技术、数据交换技术。术、数据交换技术。教学教学重点重点能力能力要求要求掌握掌

2、握:数据通信的基本概念数据通信的基本概念,数据传输与编码技术数据传输与编码技术.了解：了解：传输介质、物理层接口标准。传输介质、物理层接口标准。熟悉熟悉:多路复用技术、数据交换技术、差错控制技多路复用技术、数据交换技术、差错控制技 术等。术等。2数据通信系统 1 1 1 1、数据通信系统的基本结构、数据通信系统的基本结构、数据通信系统的基本结构、数据通信系统的基本结构 任何一个通信系统都可以看作是由发送设备、传输信道和任何一个通信系统都可以看作是由发送设备、传输信道和接收设备三大部分组成。我们把产生和发送信息的一端称为信接收设备三大部分组成。我们把产生和发送信息的一端称为信源，把接收信息的一端

3、称为信宿，把信源传送到信宿的通信线源，把接收信息的一端称为信宿，把信源传送到信宿的通信线路称为信道。路称为信道。在实际通信系统中，难免受到外界电磁波等噪音源的干扰在实际通信系统中，难免受到外界电磁波等噪音源的干扰影响。因此，数据通信系统的基本结构如图影响。因此，数据通信系统的基本结构如图2-32-3所示。所示。图图 2-3 2-3 通信系统的基本结构通信系统的基本结构数据数据+噪音噪音噪音源噪音源信信 源源信信 道道信信 宿宿2.1数据通信的基本概念 32.1 2.1 数据通信系统的模型数据通信系统的模型 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

4、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 正文正文源系统目的系统传输系统输出信息PC 机数据通信系统4信信 源源 ：把待传输的消息转换成原始电信号，如电：把待传输的消息转换成原始电信号，如电话系统中电话机可看成是信源。话系统中电话机可看成是信源。发送设备：将信源和信道匹配起来，即将信源产生发送设备：将信源和信道匹配起来，即将信源产生 的原始电信号变换成适合在信道中传输的信号。的原始电信号变换成适合在信道中传输的信号。信道：信号传输的通道，可以是简单的传输线路，信道：信号传输的通道，可以是简单的传输线路，也可以是复杂的网络系统。也可以是复杂的网络系统。接收设备：任务是从带有干扰

5、的接收信号中恢复出接收设备：任务是从带有干扰的接收信号中恢复出 相应的原始电信号来。相应的原始电信号来。信宿：将复原的原始电信号转换成相应的消息信宿：将复原的原始电信号转换成相应的消息。5数据通信系统 2 2 2 2、数据通信类型、数据通信类型、数据通信类型、数据通信类型 在数据通信系统中，将传输模拟信号的系统称为模拟通信在数据通信系统中，将传输模拟信号的系统称为模拟通信系统，将传输数字信号的系统称为数字通信系统。系统，将传输数字信号的系统称为数字通信系统。(1)(1)模拟通信系统：模拟通信系统：普通的电话、广播、电视等信号都属普通的电话、广播、电视等信号都属于模拟信号于模拟信号,由模拟信号所

6、构成的通信系统属于模拟通信系统由模拟信号所构成的通信系统属于模拟通信系统。模拟通信系统通常由信源、调制器、信道、解调器、信宿以及模拟通信系统通常由信源、调制器、信道、解调器、信宿以及噪音源组成，其基本结构模型如图噪音源组成，其基本结构模型如图2-42-4所示。所示。图图 2-4 2-4 模拟通信系统结构模拟通信系统结构信信 源源调制器调制器解调器解调器信信 宿宿信信 道道噪音源噪音源6数据通信系统 (2)(2)数字通信系统：数字通信系统：计算机通信、数字电话以及数字电视计算机通信、数字电话以及数字电视等信号都属于数字信号，由数字信号构成的通信系统属于数字等信号都属于数字信号，由数字信号构成的通

7、信系统属于数字通信系统通信系统。数字通信系统通常由信源数字通信系统通常由信源、编码器编码器、信道信道、解码器、解码器、信宿以及噪音源组成，其基本结构模型如图信宿以及噪音源组成，其基本结构模型如图2-52-5所示。所示。图 2-5 数字通信系统基本结构图图 2-5 2-5 数字通信系统结构数字通信系统结构信信 源源编码器编码器解码器解码器信信 宿宿信信 道道噪音源噪音源 由于数字信号不适合远距离传输，所以在传输前将其变为由于数字信号不适合远距离传输，所以在传输前将其变为模拟信号。因此，数字通信系统通常由信源、信源编码器、调模拟信号。因此，数字通信系统通常由信源、信源编码器、调制器、信道、解调器、

8、信道译码器、信源译码器、信宿、噪音制器、信道、解调器、信道译码器、信源译码器、信宿、噪音源组成，其结构模型如图源组成，其结构模型如图2-62-6所示。所示。7数据通信系统 信信宿宿噪音源噪音源信信道道编编码码器器信信源源译译码码器器信信源源编编码码器器信信源源解解调调器器调调制制器器信信道道信信道道译译码码器器图图 2-6 数字通信系统结构模型数字通信系统结构模型以上介绍了数据通信技术的基本概念。事实上，无论是实现模拟通信以上介绍了数据通信技术的基本概念。事实上，无论是实现模拟通信,还还是实现数字通信是实现数字通信,都涉及到一系列的技术问题，包括数据调制与编码技术、都涉及到一系列的技术问题，包

9、括数据调制与编码技术、数据传输技术、多路复用技术、数据交换技术、数据传输的差错检测与控数据传输技术、多路复用技术、数据交换技术、数据传输的差错检测与控制技术等。制技术等。8模拟的和数字的数据、信号模拟的和数字的数据、信号 模拟数据模拟信号放大器调制器模拟数据数字信号 PCM编码器数字数据模拟信号调制器数字数据数字信号 数字发送器9 指传送的信息始终是一个方向传送指传送的信息始终是一个方向传送,没反没反 方向的交互。其信道一般是二线制，一方向的交互。其信道一般是二线制，一 根用于传输数据根用于传输数据,另一根用于监测信号。另一根用于监测信号。允许数据在两个方向上传输允许数据在两个方向上传输,但在

10、某一时但在某一时 刻，只允许数据在一个方向上传输刻，只允许数据在一个方向上传输,它实它实 际上是一种切换方向的单工通信。际上是一种切换方向的单工通信。允许数据同时在两个方向上传输允许数据同时在两个方向上传输,它是两它是两 个单工通信方式的结合个单工通信方式的结合,它要求发送设备它要求发送设备 和接收设备都有独立的接收和发送能力和接收设备都有独立的接收和发送能力。单向传输与双向传输单工单工通信通信半双工半双工通信通信全双工全双工通信通信 数据在通信线路上传输是有方向的，根据信号传送的方向数据在通信线路上传输是有方向的，根据信号传送的方向与时间关系，数据通信可分为三种基本工作方式：单工通信、与时间

11、关系，数据通信可分为三种基本工作方式：单工通信、半双工通信与全双工通信。半双工通信与全双工通信。10 数据传输介质是网络中连接收发双方的物理通路，是数据数据传输介质是网络中连接收发双方的物理通路，是数据通信中实际传送信息的载体。网络中常用的传输介质有：同轴通信中实际传送信息的载体。网络中常用的传输介质有：同轴电缆、双绞线、光纤、微波、卫星、红外线等。电缆、双绞线、光纤、微波、卫星、红外线等。1 1 1 1、同轴电缆（、同轴电缆（、同轴电缆（、同轴电缆（Coaxial CableCoaxial CableCoaxial CableCoaxial Cable）同轴电缆是局域网中最早使用而且应用十分

12、广泛的传输介同轴电缆是局域网中最早使用而且应用十分广泛的传输介质，可以通过专用的中同轴电缆质，可以通过专用的中同轴电缆(俗称粗缆俗称粗缆)或小同轴电缆或小同轴电缆(俗称俗称细缆细缆)来组网，并广泛应用于局域网中。同轴电缆由内导体、绝来组网，并广泛应用于局域网中。同轴电缆由内导体、绝缘层、屏蔽层及外部保护层组成，其结构如图缘层、屏蔽层及外部保护层组成，其结构如图2-142-14所示。所示。保护层、屏蔽层、绝缘层、导体保护层、屏蔽层、绝缘层、导体图图 2-14 2-14 同轴电缆结构示意图同轴电缆结构示意图 同轴电缆的最大优点是抗同轴电缆的最大优点是抗干扰性强干扰性强,而且支持多点连接。而且支持多

13、点连接。缺点是物理可靠性不好，缺点是物理可靠性不好，所以现在基本上已被双绞线所所以现在基本上已被双绞线所替代。替代。2.2传输介质11按特性阻抗分类按特性阻抗分类v基带同轴电缆（基带同轴电缆（5050）：）：为数据通信传送基带数字信号为数据通信传送基带数字信号局域网局域网v宽带同轴电缆（宽带同轴电缆（7575）用于传送模拟信号用于传送模拟信号有线电视系统有线电视系统12按电缆直径分类按电缆直径分类v粗同轴电缆粗同轴电缆 适用于比较大型的局部网络，它的标准距离长，可靠性适用于比较大型的局部网络，它的标准距离长，可靠性高，由于安装时不需要切断电缆，因此可以根据需要灵高，由于安装时不需要切断电缆，因

14、此可以根据需要灵活调整计算机的入网位置，但粗缆网络必须安装收发器活调整计算机的入网位置，但粗缆网络必须安装收发器电缆，安装难度大，所以总体造价高。电缆，安装难度大，所以总体造价高。v细同轴电缆细同轴电缆 安装则比较简单，造价低，但由于安装过程要切断电缆，安装则比较简单，造价低，但由于安装过程要切断电缆，两头须装上基本网络连接头（两头须装上基本网络连接头（BNCBNC），），然后接在然后接在T T型连接型连接器两端，所以当接头多时容易产生不良的隐患，这是目器两端，所以当接头多时容易产生不良的隐患，这是目前运行中的以太网所发生的最常见故障之一。前运行中的以太网所发生的最常见故障之一。132.2 2

15、.2 传输介质传输介质细缆142.2 2.2 传输介质传输介质细缆BNCBNC桶型接头：用于连接两段细同轴电缆，如图所示。桶型接头：用于连接两段细同轴电缆，如图所示。BNCBNC连接器及连接器及插头：插头：终端匹配器终端匹配器152.2 2.2 传输介质传输介质粗缆16铜缆或铜线连接到以太网铜缆或铜线连接到以太网的示意图的示意图 主机箱主机箱主机箱主机箱主机箱主机箱双绞线双绞线集线器BNC T 型接头型接头收发器电缆收发器电缆网卡网卡插入式插入式分接头分接头MAUMDI保护外层保护外层外导体屏蔽层外导体屏蔽层内导体内导体收发器收发器DB-15连接器连接器BNC 连接器连接器插口插口RJ-45插

16、头172.2 数据传输介质 2 2 2 2、双绞线（、双绞线（、双绞线（、双绞线（Twisted PairTwisted PairTwisted PairTwisted Pair）双绞线的物理结构是由按规则螺旋结构排列的双绞线的物理结构是由按规则螺旋结构排列的2 2根、根、4 4根或根或8 8根绝缘导线组成。一对线可以作为一条通信线路，各个线对螺根绝缘导线组成。一对线可以作为一条通信线路，各个线对螺旋排列的目的是为了使各线对之间的电磁干扰最小。旋排列的目的是为了使各线对之间的电磁干扰最小。双绞线是模拟和数字数据通信最普通的传输媒体，它的主双绞线是模拟和数字数据通信最普通的传输媒体，它的主要应用

17、范围是电话系统中的模拟话音传输，最适合于较短距离要应用范围是电话系统中的模拟话音传输，最适合于较短距离的信息传输，当超过几千米时信号因衰减可能会产生畸变，这的信息传输，当超过几千米时信号因衰减可能会产生畸变，这时就要使用中继器（时就要使用中继器（RepeaterRepeater）来放大信号和再生波形。）来放大信号和再生波形。双绞线的价格在传输媒体中是最便宜的，并且安装简单，双绞线的价格在传输媒体中是最便宜的，并且安装简单，所以得到广泛的使用。在局域网中一般也采用双绞线作为传输所以得到广泛的使用。在局域网中一般也采用双绞线作为传输媒体。双绞线可分为媒体。双绞线可分为非屏蔽双绞线非屏蔽双绞线UTP

18、UTP（Unshielded Twisted Unshielded Twisted PairPair）和）和屏蔽双绞线屏蔽双绞线STPSTP（Shielded Twisted PairShielded Twisted Pair）。）。182.2 2.2 传输介质传输介质屏蔽双绞线屏蔽双绞线(STP)非屏蔽双绞线非屏蔽双绞线(UTP)以铝箔屏蔽以减少以铝箔屏蔽以减少 干扰和串音干扰和串音3类、类、4类、类、5类类双绞线外没有任何附加屏双绞线外没有任何附加屏蔽蔽192.2 2.2 传输介质传输介质（4）19911991年年，美美国国电电子子工工业业协协会会(EIA)EIA)颁颁布布了了EIA-56

19、8EIA-568标标准准，即即商商业大楼的通信布线标准。业大楼的通信布线标准。EIA-568-AEIA-568-A有三种有三种UTPUTP电缆。电缆。3 3类：类：UTPUTP电缆及其端接设备的传输频率定义为电缆及其端接设备的传输频率定义为1616MHMHZ Z。4 4类：类：UTPUTP电缆及其端接设备的传输频率定义为电缆及其端接设备的传输频率定义为2020MHMHZ Z。5 5类：类：UTPUTP电缆及其端接设备的传输频率定义为电缆及其端接设备的传输频率定义为100100MHMHZ Z。3 3类类UTPUTP电电缆缆对对应应于于在在大大多多数数办办公公楼楼里里大大量量使使用用的的话话音音级

20、级电电缆缆；在有限的距离内，经过适当的设计，数据速率可以达到在有限的距离内，经过适当的设计，数据速率可以达到1616MbpsMbps。5 5类类是是数数字字级级电电缆缆，现现正正成成为为新新建建大大楼楼的的预预装装设设施施；在在一一定定的的范范围内，经过适当的设计，围内，经过适当的设计，5 5类电缆可以达到类电缆可以达到100100MbpsMbps速率。速率。3 3类和类和5 5类类UTPUTP的关键差别在于单位距离上的螺旋的数目。的关键差别在于单位距离上的螺旋的数目。5 5类旋类旋得较紧，一般为每英寸得较紧，一般为每英寸3-43-4转，而转，而3 3类则一般是每英尺类则一般是每英尺3-43-

21、4转；旋转；旋得越紧，价格越贵，但性能也好得多。得越紧，价格越贵，但性能也好得多。20v实际使用时，双绞线是由多对双绞线一起包在一个绝缘实际使用时，双绞线是由多对双绞线一起包在一个绝缘电缆套管里的。典型的双绞线有四对的，也有更多对双电缆套管里的。典型的双绞线有四对的，也有更多对双绞线放在一个电缆套管里的。这些我们称之为双绞线电绞线放在一个电缆套管里的。这些我们称之为双绞线电缆。缆。v线缆的二头分别按一定的线序压在线缆的二头分别按一定的线序压在RJ45RJ45水晶头内，这也水晶头内，这也就是通常大家说的就是通常大家说的“网线网线”。212.2数据传输介质单模光纤单模光纤多模光纤多模光纤 3 3

22、3 3、光纤（、光纤（、光纤（、光纤（FiberFiberFiberFiber）光纤是光导纤维（光纤是光导纤维（Fiber OpticsFiber Optics）的简称，采用光导纤维）的简称，采用光导纤维作为传输介质，是网络传输介质领域中发展最快、性能最好、作为传输介质，是网络传输介质领域中发展最快、性能最好、应用前途最广泛的一种。光纤分为应用前途最广泛的一种。光纤分为单模单模（8.3/125um8.3/125um ）和）和多多模模（50/125um50/125um，62.5/125um62.5/125um）两种。）两种。22光传播特性光传播特性-折射、临界角、反射折射、临界角、反射23光线在

23、光纤中的折射光线在光纤中的折射 折射角入射角 包层（低折射率的媒体）包层（低折射率的媒体）纤芯（高折射率的媒体）包层纤芯24包层n2纤芯n1纤芯的折射率比包层稍高纤芯的折射率比包层稍高，损耗比包层更低，损耗比包层更低，光能量主要在纤芯内传输。光能量主要在纤芯内传输。包层为光的传输提供反射面和光隔离，并起一包层为光的传输提供反射面和光隔离，并起一定的机械保护作用。定的机械保护作用。设设纤纤芯芯和和包包层层的的折折射射率率分分别别为为n1和和n2，光光能能量量在在光光纤纤中中传传输输的的必要条件是必要条件是n1n2。必要条件：必要条件：25光纤的工作原理光纤的工作原理高折射率(纤芯)低折射率(包层

24、)光线在纤芯中传输的方式是不断地全反射可见光部分波长范围是：可见光部分波长范围是：390760nm(纳米纳米)。大于。大于760nm部分是红外光，小于部分是红外光，小于390nm部分是紫外光。光纤中应用的是：部分是紫外光。光纤中应用的是：850nm，1310nm，1550nm三种。三种。光纤损耗一般是随波长加长而减小光纤损耗一般是随波长加长而减小262.2 2.2 传输介质传输介质b.光纤通信原理光发射源光发射源Light Emitting Diode(LED)：发光二极管：发光二极管Injection Laser Diode(ILD)：注入型激光二极管：注入型激光二极管光接收端：光电二极管光

25、接收端：光电二极管27光传输系统光传输系统c.根据光在光纤中传输方式的不同分为：单模光根据光在光纤中传输方式的不同分为：单模光纤和多模光纤纤和多模光纤d.光纤通信的优点：轻便；低衰减；电磁隔离光纤通信的优点：轻便；低衰减；电磁隔离所谓所谓“模模”是指以一定角速度是指以一定角速度进入光纤的一束光进入光纤的一束光 28v多模光纤允许多束光在光纤中同时传播，从而形成多模光纤允许多束光在光纤中同时传播，从而形成模模分散分散u因为每一个因为每一个“模模”光进入光纤的角度不同它们到达另光进入光纤的角度不同它们到达另一端点的时间也不同，这种特征称为模分散。一端点的时间也不同，这种特征称为模分散。u限制了多模

26、光纤的带宽和距离限制了多模光纤的带宽和距离 u成本比较低，一般用于建筑物内或地理位置相邻的环成本比较低，一般用于建筑物内或地理位置相邻的环境下境下 v多模光纤又根据其包层的折射率进一步分为多模光纤又根据其包层的折射率进一步分为突变型折突变型折射率和渐变型折射率射率和渐变型折射率29传输模式传输模式-多模突变多模突变Multimode step-index fiber发光管以大于临界角发射的所有光都在光缆包层接口进发光管以大于临界角发射的所有光都在光缆包层接口进行反射，并通过多次内部反射沿纤心传播。行反射，并通过多次内部反射沿纤心传播。折射率基本上是平均不变，而只有在包层（折射率基本上是平均不变

27、，而只有在包层（cladding）表面上才会突然降低表面上才会突然降低30传输模式传输模式-多模渐变多模渐变v芯的折射率（芯的折射率（refraction index)refraction index)于芯的外围最小而逐渐于芯的外围最小而逐渐向中心点不断增加，从而减少讯号的模式色散向中心点不断增加，从而减少讯号的模式色散.v光纤的散射通过使用具有可变折射率的纤心材料来减小光纤的散射通过使用具有可变折射率的纤心材料来减小 。v折射率随离开纤心的距离增加导致光沿纤心的传播好象是折射率随离开纤心的距离增加导致光沿纤心的传播好象是正弦波。正弦波。Multimode graded-index fiber

28、31传输模式传输模式-单模单模单模光纤单模光纤 将纤芯直径减小到光波波长大小时，将纤芯直径减小到光波波长大小时，则只有则只有轴向的光线能通过轴向的光线能通过Single-mode fiber32输入脉冲输出脉冲单模光纤多模光纤与单模光纤多模光纤与单模光纤输入脉冲输出脉冲多模光纤33v单模光纤只能允许一束光传播，所以单模光纤没有单模光纤只能允许一束光传播，所以单模光纤没有模分散特性模分散特性v单模光纤的纤芯相应较细，传输频带宽、容量大，单模光纤的纤芯相应较细，传输频带宽、容量大，传输距离长，但因其需要激光源，成本较高传输距离长，但因其需要激光源，成本较高 v单模光纤接收的信号与输入的信号最接近，

29、多模渐单模光纤接收的信号与输入的信号最接近，多模渐变型次之，多模突变型接收的信号散射最严重，因变型次之，多模突变型接收的信号散射最严重，因而它所获得的速率最低。而它所获得的速率最低。v单模光纤是当前计算机网络中研究和应用的重点，单模光纤是当前计算机网络中研究和应用的重点，也是光纤通信与光波技术发展的必然趋势。也是光纤通信与光波技术发展的必然趋势。34高锟高锟获得获得20092009年诺贝尔物理学奖的华裔年诺贝尔物理学奖的华裔科学家科学家 1010月月6 6日，瑞典皇家科学院宣布，将日，瑞典皇家科学院宣布，将20092009年诺贝尔年诺贝尔物理学奖授予英国华裔科学家高锟以及美国科学物理学奖授予英

30、国华裔科学家高锟以及美国科学家威拉德家威拉德博伊尔和乔治博伊尔和乔治史密斯史密斯 35v高锟获奖，是因为他在高锟获奖，是因为他在“有关光在纤维中的传输以有关光在纤维中的传输以用于光学通信方面用于光学通信方面”做出了突破性成就。做出了突破性成就。v 高锟被誉为高锟被誉为“光纤之父光纤之父”。早在年，高。早在年，高锟就在一篇论文中首次提出用玻璃纤维作为光波导锟就在一篇论文中首次提出用玻璃纤维作为光波导用于通讯的理论。简单地说，就是提出以玻璃制造用于通讯的理论。简单地说，就是提出以玻璃制造比头发丝更细的光纤，取代铜导线作为长距离的通比头发丝更细的光纤，取代铜导线作为长距离的通讯线路。这个理论引起了世

31、界通信技术的一次革命。讯线路。这个理论引起了世界通信技术的一次革命。随着第一个光纤系统于年成功问世，高锟随着第一个光纤系统于年成功问世，高锟“光纤之父光纤之父”美誉传遍世界美誉传遍世界。由于他取得的成果，有超过由于他取得的成果，有超过1010亿公里的光缆以闪电般的速度亿公里的光缆以闪电般的速度通过宽带互联网，为全球各地的办事处和家居提供数据。通过宽带互联网，为全球各地的办事处和家居提供数据。36传输媒体小结传输媒体小结3737v不同类型的信号在不同类型的信道上传输有不同类型的信号在不同类型的信道上传输有4 4种情况种情况数据：模拟数据、数字数据数据：模拟数据、数字数据信号：模拟信号、数字信号信

32、号：模拟信号、数字信号 信道：模拟信道、数字信道信道：模拟信道、数字信道2.3数据调制与编码 3838话音话音移频移频,调制调制模拟模拟数字数字模拟模拟模拟模拟PCM编码编码数字数字数字数字数字编码数字编码数字数字模拟数据模拟数据 模拟信号模拟信号数字数据数字数据 模拟信号模拟信号数字数据数字数据 数字信号数字信号模拟数据模拟数据 数字信号数字信号10101010调制调制 模拟传输和数字传输模拟传输和数字传输模拟传输和数字传输模拟传输和数字传输3939用数字信号承载数字或模拟数据用数字信号承载数字或模拟数据编码编码用模拟信号承载数字或模拟数据用模拟信号承载数字或模拟数据调制调制编码编码编码编码

33、EncoderDecoder数字或数字或模拟数据模拟数据数字信号数字信号g(t)x(t)g(t)数字或数字或模拟数据模拟数据数字信道数字信道发送方发送方接收方接收方编码与调制的区别编码与调制的区别(1)解码解码解码解码4040 调制调制调制调制ModulatorDemodulator数字或数字或模拟数据模拟数据模拟信号模拟信号模拟信号模拟信号m(t)s(t)m(t)数字或数字或模拟数据模拟数据载波载波模拟信道模拟信道发送方发送方接收方接收方编码与调制的区别编码与调制的区别(2)解调解调解调解调41数字数据的数字编码 数字数据的数字编码就是如何把数字数据用物理信号的数字数据的数字编码就是如何把数

34、字数据用物理信号的波形表示，是用高低电平的不同组合来表示二进制的方法。波形表示，是用高低电平的不同组合来表示二进制的方法。常用的编码方式主要有常用的编码方式主要有3 3种种：不归零编码不归零编码、曼彻斯特编码曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码。和差分曼彻斯特编码。1 1 1 1、不归零码（、不归零码（、不归零码（、不归零码（Non-Return to ZeroNon-Return to ZeroNon-Return to ZeroNon-Return to Zero，NRZNRZNRZNRZ）不归零码是一种全宽码，即信号波形在一个码元全部时不归零码是一种全宽码，即信号波形在一个码元全部时间内发出或

35、不发出电流，每一位码占全部码元的宽度。间内发出或不发出电流，每一位码占全部码元的宽度。NRZ码的缺点是无法判断一位的开始与结束，收发双方不能码的缺点是无法判断一位的开始与结束，收发双方不能保持同步；保持同步；为保证收发双方的同步，必须在发送为保证收发双方的同步，必须在发送NRZ码的同时，用另一码的同时，用另一个信道同时传送同步信号；个信道同时传送同步信号；如果信号中如果信号中“1”与与“0”的个数不相等时，存在直流分量。的个数不相等时，存在直流分量。4242v曼彻斯特编码曼彻斯特编码(Manchester Code)用电压的变化表示用电压的变化表示0和和1。规定在规定在每个码元的中间每个码元的

36、中间发生跳变：发生跳变：高高低的跳变代表低的跳变代表0，低低高的跳变代表高的跳变代表1每个码元中间都要发生跳变，接收端可将此变每个码元中间都要发生跳变，接收端可将此变化提取出来作为同步信号。化提取出来作为同步信号。这种这种编码也称为编码也称为自同步码。自同步码。v差分曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码(Differential Manchester Code)每个码元的中间每个码元的中间仍要发生跳变仍要发生跳变用用码元开始处码元开始处有无跳变来表示有无跳变来表示0和和1：有跳变代有跳变代表表0，无跳变代表无跳变代表1曼彻斯特编码的特点曼彻斯特编码的特点4343三种数字编码的波形图三种数字编码的波形图

37、0 01 10 00 01 11 10 00 00 01 11 1 时钟时钟时钟时钟NRZNRZManchesterManchester 差分差分差分差分ManchesterManchester44数字数据的模拟调制数字数据的模拟调制45调制解调器调制解调器 v数据经过模拟传输系统后会出现差错。数据经过模拟传输系统后会出现差错。出现差错010010 0100还原后的数据t接收到的失真信号010011100t发送的基带信号t采样时刻46v传传统统的的电电话话通通信信信信道道是是为为传传输输语语音音信信号号设设计计的的，只只适适用用于于传传输输音音频频范范围围（300Hz300Hz3400Hz34

38、00Hz）的的模模拟拟信信号号，无无法法直直接接传输计算机的数字信号；传输计算机的数字信号；v为为了了利利用用模模拟拟语语音音通通信信的的电电话话交交换换网网实实现现计计算算机机的的数数字字数数据信号的传输，必须首先将数字信号转换成模拟信号；据信号的传输，必须首先将数字信号转换成模拟信号；v采采用用模模拟拟信信号号传传输输数数据据时时，往往往往只只占占用用有有限限的的频频带带，对对应应基带传输将其称为频带传输。基带传输将其称为频带传输。v将将发发送送端端数数字字数数据据信信号号变变换换成成模模拟拟数数据据信信号号的的过过程程称称为为调调制，将调制设备称为调制器（制，将调制设备称为调制器（mod

39、ulatormodulator）；）；v将将接接收收端端模模拟拟数数据据信信号号还还原原成成数数字字数数据据信信号号的的过过程程称称为为解解调，将解调设备称为解调器（调，将解调设备称为解调器（demodulatordemodulator）；）；v同同 时时 具具 备备 调调 制制 与与 解解 调调 功功 能能 的的 设设 备备 称称 为为 调调 制制 解解 调调 器器（modemmodem）。）。4747 数字数据的调制编码数字数据的调制编码v常用的三种调制技术常用的三种调制技术：幅移键控幅移键控ASK(Amplitude Shift Keying)频移键控频移键控FSK(Frequency

40、Shift Keying)相移键控相移键控PSK(Phase Shift Keying)v基本原理：用数字信号对载波的不同参量进行调制基本原理：用数字信号对载波的不同参量进行调制 载波载波 S(t)=Acos(t+)vS(t)的参量包括：的参量包括：幅度幅度A、频率频率 、初相位初相位 调制就是要使调制就是要使A、或或 随随数字基带信号数字基带信号的变化的变化而变化而变化48数字数据的模拟调制 数数字字数数据据的的调调制制基基于于调调幅幅、调调频频、调调相相3 3种种调调制制技技术术，分分别别称称为为振振幅幅键键控控、移移频频键键控控和和移移相相键键控控。图图2-102-10显显示示了了对对数

41、数字数据字数据“010010010010”进行不同调制方法的波形。进行不同调制方法的波形。图图 2-10 2-10 数字数据的调制原理示意图数字数据的调制原理示意图49数字数据的模拟调制 1 1 1 1、振幅键控（、振幅键控（、振幅键控（、振幅键控（Amplitude-Shift KeyingAmplitude-Shift KeyingAmplitude-Shift KeyingAmplitude-Shift Keying，ASKASKASKASK）振振幅幅键键控控是是通通过过改改变变载载波波信信号号振振幅幅来来表表示示数数字字信信号号1 1、0 0。例例如如，我我们们可可以以用用载载波波幅幅

42、度度UmUm表表示示数数字字1 1，用用载载波波幅幅度度0 0表表示示数数字字0 0。ASKASK信号波形如图信号波形如图2-102-10（a a）所示。所示。其数学表达式为：其数学表达式为：2 2 2 2、移频键控（移频键控（移频键控（移频键控（Frequency-Shift KeyingFrequency-Shift KeyingFrequency-Shift KeyingFrequency-Shift Keying，FSKFSKFSKFSK）移频键控方法是通过改变载波信号角频率来表示数字信号移频键控方法是通过改变载波信号角频率来表示数字信号1 1、0 0。例如，我们可以用角频率。例如，我

43、们可以用角频率1 1t t表示数字表示数字l l，用角频率用角频率2 2t t表示数字表示数字0 0。FSKFSK信号波形如图信号波形如图2-102-10（b b）所示。所示。u(t)u(t)UmUmsinsin（1 1t t）数字数字 1 10 0 数字数字 0 0u(t)振幅键控振幅键控ASKASK信号实现容易信号实现容易,技术简单技术简单,但抗干扰能力较差但抗干扰能力较差。50数字数据的模拟调制其数学表达式为：其数学表达式为：由由于于移移频频键键控控FSKFSK信信号号实实现现容容易易，技技术术简简单单，抗抗干干扰扰能能力力较强，是目前最常用的调制方法之一。较强，是目前最常用的调制方法之

44、一。3 3 3 3、移相键控（、移相键控（、移相键控（、移相键控（Phase-Shift KeyingPhase-Shift KeyingPhase-Shift KeyingPhase-Shift Keying，PSKPSKPSKPSK）移移相相键键控控方方法法是是通通过过改改变变载载波波信信号号的的相相位位值值来来表表示示数数字字信信号号1 1、0 0。如如果果用用相相位位的的绝绝对对值值表表示示数数字字信信号号1 1、0 0，则则称称为为绝绝对对调调相相。如如果果用用相相位位的的相相对对偏偏移移值值表表示示数数字字信信号号1 1、0 0，则则称为相对调相。称为相对调相。UmUmsinsin

45、（2 2t）数字数字 0 0UmUmsinsin（1 1t t）数字数字 1 1u(t)u(t)51数字数据的模拟调制UmUmsinsin（tt0 0）数字数字 1 1 接接收收端端可可以以通通过过检检测测载载波波相相位位的的方方法法来来确确定定它它所所表表示示的的数数字信号值。绝对调相波形如图字信号值。绝对调相波形如图2-102-10（c c）所示。所示。绝绝对对调调相相（Absolute Absolute PSKPSK）：在在载载波波信信号号u(t)u(t)中中,为为载载波波信信号号的的相相位位。当当表表示示数数字字1 1时时,取取0 0；当当表表示示数数字字0 0时时,取取。这种最简单的

46、绝对调相方法可以用下式表示：这种最简单的绝对调相方法可以用下式表示：UmUmsinsin（tt）数字数字 0 0u(t)u(t)相相对对调调相相（Differential Differential PSKPSK）：是是用用载载波波在在两两位位数数字字信信号号的的交交接接处处产产生生的的相相位位偏偏移移来来表表示示载载波波数数字字信信号号。最最简简单单的的相相对对调调相相方方法法是是：两两比比特特信信号号交交接接处处遇遇0 0，载载波波信信号号相相位位不不变变；两两比比特特信信号号交交接接处处遇遇1 1，载载波波信信号号相相位位偏偏移移。相相对对调调相相波波形形如图如图2-102-10（d d）

47、所示。所示。52模拟信号模拟信号 PAMPAM信号信号 PAMPAM信号信号 数字信号数字信号模拟数据的数字编码 模模拟拟数数据据的的数数字字编编码码是是把把模模拟拟数数据据转转换换为为数数字字信信号号的的编编码码方方法法。由由于于数数字字信信号号传传输输失失真真小小、误误码码率率低低、传传输输速速率率高高、便便于于计算机存储，所以将模拟数据数字化已成为必然趋势。计算机存储，所以将模拟数据数字化已成为必然趋势。模模拟拟数数据据数数字字编编码码的的最最常常用用方方法法是是脉脉冲冲编编码码调调制制（Pulse Pulse Code Code ModulationModulation，PCM),PC

48、MPCM),PCM的的工工作作过过程程包包括括3 3个个步步骤骤：采采样样、量化与编码，其相应的波形信号如图量化与编码，其相应的波形信号如图2-132-13所示。所示。图图 2-13 PCM2-13 PCM脉冲编码调制过程示意图脉冲编码调制过程示意图采样速采样速率率8000t/8000t/s s指定数指定数值给对值给对应的应的PAMPAM信号信号将量化将量化值进行值进行编码编码53模拟数据的数字编码 1 1 1 1、采样（、采样（、采样（、采样（SamplingSamplingSamplingSampling）采采样样是是模模拟拟信信号号数数字字化化的的第第一一步步。模模拟拟信信号号是是电电平

49、平连连续续变变化化的的信信号号,采采样样是是隔隔一一定定的的时时间间间间隔隔,将将模模拟拟信信号号的的电电平平幅幅度值取出来作为样本度值取出来作为样本,让其表示原来的信号让其表示原来的信号。采样频率采样频率f f应为应为：f2Bf2B 或或 f fl lT2T2f f 式式中中：B B为为通通信信信信道道带带宽宽；T T为为采采样样周周期期；f f为为信信道道允允许许通通过的信号最高频率。过的信号最高频率。2 2 2 2、量化（量化（量化（量化（QuantizingQuantizingQuantizingQuantizing）量量化化是是将将采采样样样样本本幅幅度度按按量量化化级级决决定定取取

50、值值的的过过程程，经经量量化化后后的的样样本本幅幅度度为为离离散散的的量量化化级级值值已已不不是是连连续续值值。量量化化的的目目的是为每一个的是为每一个PAMPAM信号设定一个信号值。信号设定一个信号值。54模拟数据的数字编码 量量化化之之前前要要将将信信号号分分为为若若干干量量化化级级,同同时时,要要规规定定好好每每一一级级对对应应的的幅幅度度范范围围。若若量量化化范范围围在在0 0127,127,则则每每个个采采样样用用7 7位位二二进进制制(2(27 7128)128)来来表表示示,量量化化速速率率需需要要5600056000bps(80007)bps(80007)；若若量量化化的的范范