第二章數(shù)據(jù)通信基礎（二）第二章數(shù)據(jù)通信基礎（二）1三、數(shù)據(jù)傳輸1.數(shù)據(jù)傳輸?shù)男问剑篈.時域的概念研究一個時間函數(shù)信號S（t）如果對于所有的a，滿足下式：那么S（t）是連續(xù)的，反之只取信號振幅的有限個值，則該信號是離散的。連續(xù)函數(shù)左極限和右極限都存在且左極限=右極限不連續(xù)左極限≠右極限三、數(shù)據(jù)傳輸1.數(shù)據(jù)傳輸?shù)男问剑哼B續(xù)函數(shù)不連續(xù)2如果對于所有的t，滿足下式S（t+T）=S（t）-∞＜t＜+∞，T是常數(shù)，則該信號是周期性的，T是信號的周期（T為滿足方程的最小值）。正弦波和方波脈沖，都是周期性信號。如果對于所有的t，滿足下式S（t+T）=S（t）-∞＜t＜3頻率是周期T的倒數(shù)，f=1/T角頻率=2πf=2π/T；單位是弧度/S相位是用在一個周期時間內(nèi)信號的相對位置來度量的。S(t)=A·Sin(2πft-π/2)S(t)=A·Sin(2πft)A是振幅，f是頻率，-π/2是相位。頻率是周期T的倒數(shù)，f=1/TS(t)=A·Sin(2πft4B.頻域的概念：由傅里葉級數(shù)和傅里葉變換可知，任何信號都是由不同頻率的正弦波成分組成的，任何信號都可以分解成不同頻率的正弦波信號。信號的頻譜就是信號所包含的頻率范圍。信號的帶寬就是頻譜的寬度。B.頻域的概念：5例如：某個信號S（t）包含了三個頻率成分：f1，3f1，5f1。那么，S（t）的帶寬為5f1-f1=4f1。例如：6C.數(shù)據(jù)傳輸?shù)男问剑涸谕ㄐ畔到y(tǒng)中，要把數(shù)據(jù)從一個地方傳送到另一個地方總是要借助于一定的物理信號（如電磁波、遠紅外和光）。有二種數(shù)據(jù)，有二種信號，于是就產(chǎn)生了四種數(shù)據(jù)傳輸形式。1）模擬數(shù)據(jù)的模擬信號傳送：電話系統(tǒng)對于音頻電話通信：聲音信號的頻率是300-3400HZ，國際標準取4KHZ為一個標準話路所占用的頻帶寬度。頻帶比音頻還小的設備叫做窄帶設備（如用于速率較低的電報傳輸）。頻帶比單個音頻信道的頻帶寬的設備叫做寬帶設備。C.數(shù)據(jù)傳輸?shù)男问剑?2）數(shù)字數(shù)據(jù)的數(shù)字信號傳送使用數(shù)字信號傳輸數(shù)據(jù)時：數(shù)字信號幾乎要占有整個頻帶，這個原始電信號所固有的頻帶，稱為基本頻帶（簡稱基帶），在信道中直接傳送基帶信號時，稱為基帶傳輸。2）數(shù)字數(shù)據(jù)的數(shù)字信號傳送8為什么基帶傳輸時數(shù)字信號幾乎占有整個頻帶？設信道數(shù)據(jù)速率為100bps，采用全寬碼：⑴當傳輸全“0”信號時，數(shù)字信號的頻率最低為0。⑵當傳輸“0”、“1”交替的數(shù)字信號時，信號頻率最高為50Hz。設信道的數(shù)據(jù)速率為10Mbps時，信號的最低頻率為0，最高為5MHz。當數(shù)據(jù)速率更高時，信號占用的頻帶也就更大。為什么基帶傳輸時數(shù)字信號幾乎占有整個頻帶？93）數(shù)字數(shù)據(jù)的模擬信號傳送數(shù)字數(shù)據(jù)的模擬信號傳送要使用調(diào)制解調(diào)器；在采用模擬信號傳輸數(shù)字數(shù)據(jù)時，往往只占有有限的頻譜，將其稱為頻帶傳輸。4）模擬數(shù)據(jù)的數(shù)字信號傳送模擬數(shù)據(jù)的數(shù)字信號傳送要使用編碼解碼器。這四種數(shù)據(jù)傳輸方式除了第一種模擬數(shù)據(jù)的模擬信號傳送外其它三種都還有二個問題要解決：A.數(shù)據(jù)的信號表示問題（編碼問題）B.接收方如何正確地接收問題（同步問題）3）數(shù)字數(shù)據(jù)的模擬信號傳送102.數(shù)字數(shù)據(jù)的模擬信號編碼——頻帶傳輸為了利用廉價的公共電話交換網(wǎng)來實現(xiàn)計算機之間的遠程通信，必須將數(shù)字數(shù)據(jù)變換成模擬信號來傳輸。因為電話網(wǎng)為頻帶模擬信道，頻帶范圍僅4KHZ；數(shù)字信號的頻寬范圍一般可從0HZ-幾千MHZ，故必須要變換成電話網(wǎng)所允許的音頻頻帶范圍。模擬信號傳輸?shù)幕A是載波。載波是頻率和幅度都相當穩(wěn)定的電磁波（正弦波）。工作站A——MODEM——公共電話網(wǎng)——MODEM——工作站B數(shù)字信號音頻信號音頻信號數(shù)字信號2.數(shù)字數(shù)據(jù)的模擬信號編碼——頻帶傳輸工作站A——MODEM11載波具有三大要素：幅度、頻率和相位。載波具有三大要素：幅度、頻率和相位。12數(shù)字調(diào)制的三種基本形式A.移幅鍵控法ASK A·sin（2πft+θ） 數(shù)字“1” 0 數(shù)字“0”用于低速的調(diào)制解調(diào)器，數(shù)據(jù)速率≤1200bps信號波形圖S（t）=數(shù)字調(diào)制的三種基本形式S（t）=13移幅鍵控法ASK的實現(xiàn)+-開關數(shù)字信號F移幅鍵控法ASK的實現(xiàn)+開關數(shù)字信號F14B.移頻鍵控法：FSK A·sin（2πf1t+θ）當基帶信號為1時 A·sin（2πf2t+θ）當基帶信號為0時用于中低速的調(diào)制解調(diào)器9600bPS≥數(shù)據(jù)速率＞1200bpsS（t）=B.移頻鍵控法：FSKS（t）=15數(shù)據(jù)通信基礎(二)課件16話頻線路上的全雙工FSK傳輸，可用于全雙工的通信，一個方向上，用1070HZ表示“0”，1270HZ表示“1”；另一個方向上：用2025HZ表示“0”，2225HZ表示“1”；間隔為100HZ，允許誤差±50HZ。頻率范圍圖：話頻線路上的全雙工FSK傳輸，可用于全雙工的通信，一個方向上17C.相移鍵控法：PSK利用載波信號相位移動來表示數(shù)據(jù)。相位調(diào)制又可以分為絕對相移調(diào)制和相對相移調(diào)制。1）絕對相移調(diào)制利用正弦載波的不同相位直接表示數(shù)字。如傳輸基帶信號為“1”時，絕對相移調(diào)制信號和載波信號的相位差為“0”（即載波信號）。如傳輸基帶信號為“0”時，絕對相移調(diào)制信號和載波信號的相位差為π。 A·sin（2πft+θ） 當基帶信號為“1”時 A·sin（2πft+θ+π） 當基帶信號為“0”時S（t）=C.相移鍵控法：PSKS（t）=18數(shù)據(jù)通信基礎(二)課件19絕對相移調(diào)制變換成正交相移調(diào)制編碼 A·sin（2πft+450） 當基帶信號為11時 A·sin（2πft+1350） 當基帶信號為01時 A·sin（2πft+2250） 當基帶信號為10時 A·sin（2πft+3150） 當基帶信號為00時

相位各相差900，有4種相位的變化，每次

相位的信號變化表示2位二進制。S（t）=絕對相移調(diào)制變換成正交相移調(diào)制編碼S（t）=20如要傳送數(shù)據(jù)0111001011100001如要傳送數(shù)據(jù)212）相對相移調(diào)制利用前后碼元信號相位的相對變化來傳送數(shù)字信息的。當傳輸?shù)幕鶐盘枮椤?”時，后一個碼元信號和前一個碼元信號的相位差為π。當傳輸?shù)幕鶐盘枮椤?”時，后一個碼元信號和前一個碼元信號的相位差為0。2）相對相移調(diào)制223）相位幅度調(diào)制等相位幅度調(diào)制PAM，既在相位又在幅度上進行調(diào)制。如：采用12種相位，其中的4種相位，每個信號取2種幅度，可以得到16種不同的相位幅度離散狀態(tài)，可使一個信號表示４位二進制數(shù)據(jù)。2DPSK：將信號分別移相四種不同角度的移相鍵控法，即一個信號表示2位二進制數(shù)據(jù)。3DPSK：將信號分別移相八種不同角度的移相鍵控法，即一個信號表示3位二進制數(shù)據(jù)。3）相位幅度調(diào)制等233.數(shù)字數(shù)據(jù)的數(shù)字信號傳送基帶傳輸，數(shù)字信號可以直接采用基帶傳輸?；鶐侵富绢l帶：調(diào)制前信號所占有的頻帶，即原始信號所占有的固有頻帶。基帶傳輸只能用于近距離的傳送，如CPU內(nèi)部的各部件之間，CPU和外設，近距離的局域網(wǎng)等?；鶐鬏敃r，要解決數(shù)字數(shù)據(jù)的編碼問題和信號的同步問題。3.數(shù)字數(shù)據(jù)的數(shù)字信號傳送24編碼問題：全寬碼（不歸零碼）；歸零碼；曼徹斯特編碼。全寬碼——每一位編碼占用了碼元的全部寬度，某一位碼元與其下一位碼元之間沒有間隙，不易區(qū)分識別。1）單極性全寬碼：無電壓，無電流為“0”正電壓、正電流為“1”采樣時間為T/2判別門限為V/2編碼問題：252）雙極性全寬碼：正電壓，正電流為“1”負電壓，負電流為“0”采樣時間為T/2判別門限為02）雙極性全寬碼：26全寬碼的優(yōu)、缺點：難以確定一位的結(jié)束和另一位的開始，要設法解決收發(fā)雙方同步問題。占用的帶寬比較少。全寬碼的優(yōu)、缺點：27歸零碼——每一個碼元總是到0結(jié)束（或從0開始）1）單極性歸零碼“1”發(fā)一個正的窄脈沖；正電流或正電壓的持續(xù)時間＜碼元寬度“0”不發(fā)電流電壓采樣時間：位于正脈沖的1/2處判別門限：為1/2脈沖幅度歸零碼——每一個碼元總是到0結(jié)束（或從0開始）282）雙極性歸零碼“1”正的窄脈沖“0”負的窄脈沖采樣時間：位于脈沖的1/2處判別門限：02）雙極性歸零碼293）交替雙極性歸零碼“1”發(fā)交替的正、負窄脈沖“0”不發(fā)脈沖采樣時間：位于脈沖的1/2處判別門限：有無脈沖3）交替雙極性歸零碼30數(shù)據(jù)通信基礎(二)課件31歸零碼的優(yōu)、缺點：能區(qū)別一位的結(jié)束和下一位的開始。占用的頻帶比較寬。單極性碼的優(yōu)、缺點：會積累直流分量。不能使用變壓器進行交流耦合。連接點的表面電鍍層容易損壞。雙極性碼的優(yōu)、缺點：克服以上缺點。要求的帶寬更高。歸零碼的優(yōu)、缺點：32曼徹斯特編碼和差分曼徹斯編碼1.曼徹斯特編碼：在每一位的中間有一跳變。位中間的跳變，既作為時鐘信號，又作為數(shù)據(jù)信號。從低到高的跳變?yōu)椤?’，從高到低的跳變?yōu)椤?’。連成波形。2.差分曼徹斯編碼：在每一位的中間有一跳變。該跳變僅代表時鐘，不代表數(shù)據(jù)。用每個碼元周期開始有無跳變表示數(shù)據(jù)。有跳變?yōu)椤?’，無跳變?yōu)椤?’。連成波形。曼徹斯特編碼和差分曼徹斯編碼33——曼徹斯特碼和差分曼徹斯碼占用較大的帶寬，在最壞情況下，信號速率是數(shù)據(jù)速率的兩倍。最壞情況如傳輸一系列的“0”信號。在圖中，對于每個數(shù)據(jù)‘0’，曼徹斯特編碼要改變兩次，即信號速率是數(shù)據(jù)速率的兩倍?！絾栴}（后面敘述）——曼徹斯特碼和差分曼徹斯碼占用較大的帶寬，在最壞情況下，信343.模擬數(shù)據(jù)的數(shù)字信號編碼CODEC（Coder/Decoder）編碼解碼器將模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換器稱為編碼器。將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換器稱為解碼器。信源/信宿←→CODEC←信道→CODEC←→信源/信宿模擬數(shù)據(jù)模擬數(shù)據(jù)數(shù)字信號3.模擬數(shù)據(jù)的數(shù)字信號編碼信源/信宿←→CODEC←信道→35模擬信號數(shù)字化的方法有兩種：脈沖編碼調(diào)制PCM——（脈碼調(diào)制技術）增量調(diào)制 1）脈碼調(diào)制技術（PCM技術）是以采樣定理為基礎的。模擬信號數(shù)字化的方法有兩種：36A.采樣定理數(shù)學上可以證明，若對連續(xù)變化的模擬信號進行周期性采樣，只要采樣頻率大于等于有效信號最高頻率或其帶寬的兩倍，則采樣值便可包含原始信號的全部有效信息，利用低通濾波器可以從這些采樣中重新構(gòu)造出原始信號。Fs＝1/Ts≥2·Fmax或Fs≥2Bs。Bs=Fmax-Fmin為原始信號的帶寬。Fs為采樣頻率，Ts為采樣周期，F(xiàn)max為原始信號的最高頻率，F(xiàn)min為原始信號的最低頻率。A.采樣定理37B.轉(zhuǎn)換的過程分三步：采樣、量化、編碼采樣：就是按照一定的時間間隔采樣測量模擬信號的幅值。量化：使連續(xù)信號變?yōu)闀r間軸上離散值（分級）。將模擬信號的最大可能幅值等分為若干級（2R級）。將采樣測量得到的幅值按量級，分級舍入取整得到一個不連續(xù)的正整數(shù)值。編碼：將量化后的整數(shù)值用二進制數(shù)來表示。B.轉(zhuǎn)換的過程分三步：采樣、量化、編碼38C.解碼接受端，先進行譯碼，將二進制數(shù)碼轉(zhuǎn)換成代表原來模擬信號的幅度不等的量化脈沖。經(jīng)過濾波（低通濾波器）將量化脈沖還原成原來的模擬信號。誤差小于最小等級的1/2。C.解碼392）差分脈碼調(diào)制DPCM由于信號變化比采樣頻率慢，用7bit或8bit來使模擬信號數(shù)字化太浪費了。采用輸出不是數(shù)字化的幅度本身，而是當前值和前一個值之差，如果相鄰樣點間±16級或更大的跳變是不可能的，所以這樣的話只要4bit就可以了。信號偶然發(fā)生大的跳變，編碼邏輯可能需要幾個取樣周期才能趕上這個跳變；對于話音，允許這樣的誤差。2）差分脈碼調(diào)制DPCM40差分脈碼調(diào)制DPCM如原來為32個量化級，需要5位二進制編碼。采用DPCM技術后，只需要三位二進制編碼。當信號發(fā)生大的跳變時，編碼邏輯可能需要幾個取樣周期才能趕上這個跳變。-0010110差分脈碼調(diào)制DPCM-0010110413）增量調(diào)制在DPCM的基礎上進一步壓縮。要求每個取樣值與前一個值相差+1或-1，這樣只需要傳送1位比特就可以表示新的取值是大于或小于前一個取樣值（假設兩個相鄰取樣值間的變化是很小的）。例如：103）增量調(diào)制10424）聲音數(shù)據(jù)采用PCM技術聲音數(shù)據(jù)的最高頻率Fmax≤4KHZ，F(xiàn)s=8000次/S。采樣的間隔時間為125μS。若采用128個量化級，用7位二進制來表示一個采樣值。數(shù)據(jù)速率為8000次/S×7bit/次=56000bps=56Kbps。4）聲音數(shù)據(jù)采用PCM技術435）模擬數(shù)據(jù)的數(shù)字信號傳送的優(yōu)、缺點優(yōu)點：抗干擾能力強，當信噪比降低時，可用信號再生方法。保密性好。二進制數(shù)字編碼序列I（t）；二進制密碼序列C（t）。傳送到信道上傳送的信號為B（t）=I（t）+C（t）。接受端：B（t）+C（t）=I（t）（模二加法）。第三方如不知道C（t），則不能破譯出。5）模擬數(shù)據(jù)的數(shù)字信號傳送的優(yōu)、缺點44如：缺點：占用的頻帶較寬。數(shù)字設備和聯(lián)網(wǎng)技術比較復雜，和現(xiàn)有的設備矛盾。如：45四、通信方式1.并行通信和串行通信并行通信：同時傳送多位二進制，不需要做任何變換便可以直接使用，速度快，但設備費，常用于近距離通信。四、通信方式1.并行通信和串行通信46串行通信：一次傳送一位二進制，速度慢，設備省（n·T，T為并行傳送總時間），并要有并行變串行、串行變并行的轉(zhuǎn)換設備。串行通信：472.數(shù)據(jù)通信的方向信號的傳輸方向可以是單工、半雙工和全雙工三種方式。單工：傳送的信息始終是一個方向，只有一個信道。2.數(shù)據(jù)通信的方向48半雙工：信息流可以在兩個方向傳輸，但同一時刻只限于一個方向傳輸，只有一個信道。半雙工：信息流可以在兩個方向傳輸，但同一時刻只限于一個方向傳49全雙工：可以同時作雙向的通信，可以采用多條線路或頻分法來實現(xiàn)。全雙工：可以同時作雙向的通信，可以采用多條線路或頻分法來實現(xiàn)503.同步通信和異步通信1）同步問題為了在接受端能正確地接收數(shù)據(jù)，接收端要按照發(fā)送端所發(fā)送的每個碼元的重復頻率及起止時間來接收數(shù)據(jù)，在接收過程中還要不斷的校準時間和頻率，這一過程稱為同步過程。3.同步通信和異步通信51同步的方法：同步傳輸——位同步，使接收端對每一位二進制數(shù)據(jù)都要和發(fā)送端保持同步。異步傳輸——群同步，將傳輸?shù)男畔⒎譃槿舾扇海汉腿褐g不同步，群內(nèi)各二進制位嚴格同步。群群同步的方法：群群522）位同步——同步通信外同步法：接收端的同步信號是由發(fā)送端送來的，而不是自己產(chǎn)生的，也不是從信號波形中提取出來的。優(yōu)缺點：同步簡單，實現(xiàn)容易；但要有二個信道2）位同步——同步通信53自同步法：發(fā)送方將時鐘信號和數(shù)據(jù)信號結(jié)合起來一起發(fā)送，接收方從數(shù)據(jù)信息波形中提取同步信號（時鐘信號）。優(yōu)缺點：只要有一個信道；但占有帶寬比較多?！鼜厮固卮a和差分曼徹斯碼就是實現(xiàn)自同步。自同步法：543）異步傳輸：又稱起止式同步通信，群同步發(fā)送時：信道上無信號傳送時為高電平在發(fā)送信息前先發(fā)送1位起始位（為低電平）發(fā)送數(shù)據(jù)位（5-8位），‘0’為低電平，‘1’為高電平發(fā)送校驗位（可有可無，有占1位），‘0’為低，‘1’為高電平發(fā)送停止位（占1位，1.5位，2位）為高電平接收方：在通信前通信雙方就數(shù)據(jù)速率和數(shù)據(jù)格式協(xié)商一致3）異步傳輸：又稱起止式同步通信，群同步55接收時：接收方以數(shù)據(jù)速率的16倍（64倍）頻率來采樣信號線如果接收到連續(xù)8個低電平（16倍時）就認為接收到起始位以后每16個采樣信號（16倍時）采樣一次，接收信息按數(shù)據(jù)格式分別接收數(shù)據(jù)位、校驗位和停止位例如：發(fā)送和接收ASCII碼字符‘E“（45H）（7位數(shù)據(jù)位，偶校驗，停止位1位）發(fā)送和接收漢字字符”漢“（BABAH）要采用8位數(shù)據(jù)位，無校驗位，停止位1位(漢字字符只能使用8位數(shù)據(jù)位，無校驗位，且每個漢字需要二個群)接收時：56通信參數(shù)的設置通信參數(shù)的設置57五、通信線路（通信介質(zhì)）任何一個數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)都包括發(fā)送部分、接收部分和通信線路（信道），通信線路的選擇會影響到通信質(zhì)量?？紤]通信媒體的特性是：物理特性：說明媒體的物理特征。傳輸特性：使用模擬信號還是數(shù)字信號，采用的調(diào)制技術，傳輸量及傳輸?shù)念l率范圍。連通性：點到點，點到多點。地理范圍：網(wǎng)上各點間最大距離。抗干擾性。相對價格。五、通信線路（通信介質(zhì)）任何一個數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)都包括發(fā)送部分、58通信線路可分為二大類：有線：雙絞線，同軸電纜，光纖無線：微波，紅外線，激光1.雙絞線：由螺旋形扭在一起的兩根絕緣銅線組成；銅質(zhì)，線經(jīng)0.038-0.142cm?？捎糜跀?shù)字信號傳輸，也可用于模擬信號傳輸，模擬信號5-6公里要一個放大器；數(shù)字信號2-3公里要一個中繼器。連接性：普遍用于點-點通信、點-多點時連接性能較差。通信線路可分為二大類：59雙絞線可分兩類：屏蔽雙絞線（STP）——抗干擾性能好。非屏蔽雙絞線（UTP）。雙絞線可分兩類：60非屏蔽雙絞線的布線標準，包括5類（UTP）。1類線：可用于電話傳輸，無固定的性能要求，不適合數(shù)據(jù)傳輸。2類線：4Mbps的數(shù)據(jù)傳輸和電話，由4對雙絞線組成。3類線：10Mbps的數(shù)據(jù)傳輸（10Base以太網(wǎng)），由4對雙絞線組成。4類線：16Mbps的數(shù)據(jù)傳輸，由4對雙絞線組成。5類線：100Mbps的快速以太網(wǎng)，由4對銅芯雙絞線組成。雙絞線采用RJ-45連接器（8根導線）電話線用RJ-11連接器（4根導線）非屏蔽雙絞線的布線標準，包括5類（UTP）。612.同軸電纜主要分為二類：50Ω—基帶同軸電纜，用來直接傳送數(shù)字信號。75Ω—寬帶同軸電纜，用來傳送模擬信號。50Ω：使用曼徹斯特編碼，最高速率可達