《網(wǎng)絡與通信技術(shù)》第2章

1、網(wǎng)絡與通信技術(shù)第2章 數(shù)字通信系統(tǒng)基本原理1.數(shù)字通信系統(tǒng)基本知識 2.數(shù)字傳輸3.模擬傳輸4.復用技術(shù)5.傳輸介質(zhì) 2.1 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)基本知識2.1.1 模擬與數(shù)字1.數(shù)據(jù)分為：模擬數(shù)據(jù)和數(shù)字數(shù)據(jù)2模擬數(shù)據(jù)：是指連續(xù)狀態(tài)的信息，采用連續(xù)值 。例：聲音、V、I2數(shù)字數(shù)據(jù)：是指離散狀態(tài)的信息，采用離散值 。例：二進制數(shù)據(jù)2.信號分為：模擬信號（連續(xù)信號）和數(shù)字信號（離散信號）2模擬信號：在一段時間內(nèi)有無窮多個強度等級。 例：電壓、電流2數(shù)字信號：只有有限個已定義的數(shù)值。 例：2.1 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)基本知識2.1.1 模擬與數(shù)字信號的分類：四種2周期模擬信號2周期數(shù)字信號2非周期模擬信號2非周期數(shù)

2、字信號常用的：周期模擬信號和非周期數(shù)字信號（原因？）信號的帶寬（通常有兩含義）2指一段頻率范圍（f1f2）。有“信號帶寬”和“信道帶寬2指信號傳輸速率。“通道容量”2其它的定義？信道的帶寬2.1 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)基本知識2.1.2 模擬信號1.正弦信號2振幅2頻率2相位2.時域和頻域2時域信號顯示了信號振幅隨時間的變化情況。2頻域信號只與峰值和頻率相關(guān)，不顯示一個周期中的振幅變化。2.1 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)基本知識2.1.2 模擬信號單頻模擬信號2.1 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)基本知識2.1.2 模擬信號周期模擬復合信號2.1 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)基本知識2.1.2 模擬信號非周期模擬信號2.1 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)基本知識2.1

3、.2 模擬信號模擬信號帶寬2帶寬為信號最高頻率與最低頻率的差值。模擬信號特征2信號的頻率分布（帶寬）都是在有限范圍內(nèi) ；2周期模擬信號的頻譜圖是離散的；而非模擬周期信號的頻譜圖是連續(xù)的。 2.1 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)基本知識2.1.3 數(shù)字信號1.數(shù)字信號的表示2一個二進制數(shù)字信號用兩個電平表示。1可以編碼為正電平，0可以編碼為0電平； 2數(shù)字信號也可以用多個電平表示。此時，每個電平就可以發(fā)送多個位。 2一般，如果信號有L個電平，則每個電平需要（log2L）個bit位。 2.1 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)基本知識2.1.3 數(shù)字信號數(shù)據(jù)速率（又稱比特率）2比特率是一秒種發(fā)送的位數(shù)。其單位bps。用Rb表示。信號速率

4、（又稱波特率）2是每秒發(fā)送信號元素的數(shù)量，單位是Bd。用RB表示。兩者的關(guān)系2logbBRRL2.1 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)基本知識2.1.3 數(shù)字信號數(shù)字信號的特征2對于數(shù)字信號，無論是周期信號還是非周期信號，它們的帶寬都是無窮大的；2周期信號有離散譜，而非周期信號有連續(xù)譜。 2.1 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)基本知識2.1.3 數(shù)字信號數(shù)字信號的傳輸2基帶傳輸：基帶傳輸就是所發(fā)送的數(shù)字信號不轉(zhuǎn)換成模擬信號，直接進行傳輸。 2基帶傳輸需要一個帶寬下限頻率接近0的低通通道。低通通道可分為窄帶寬的低通通道和寬帶寬的低通通道。2寬帶傳輸：又稱頻帶傳輸或調(diào)制，使用帶通通道 ?！締栴}】數(shù)字信號傳輸所需的信道帶寬是多少？2.1

5、 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)基本知識2.1.4 傳輸損耗1.衰減（attenuation）：衰減意味著能量的損失。 原因？2信號損失或增益的強度的表示：分貝2分貝是用于計算兩種信號之間，或者同一信號在兩個不同位置之間的相對強度。 2公式：dB = 10log10(P2/P1)2.1 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)基本知識2.1.4 傳輸損耗失真（distortion）：意味著信號改變了形狀或形態(tài) 。 失真主要產(chǎn)生在由不同頻率成分組成的復合信號當中。原因？2.1 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)基本知識2.1.4 傳輸損耗噪聲（noise）：是另一個損耗原因 。有以下幾種類型的噪聲： 2熱噪聲：是電纜中的電子隨機移動而產(chǎn)生的額外信號，而不是信號發(fā)

6、送裝置發(fā)送的。 2感應噪聲：來源是電動機和設備，這些設備工作時相當于發(fā)射天線，而傳輸介質(zhì)稱為接收天線。 2串擾：是電纜之間的相互影響。 2脈沖噪聲：是一種尖峰信號，來自輸電線、閃電等。 信噪比（Signal-to-noise tatio，SNR）2SNR = 平均信號功率 / 噪聲信號功率2用分貝表示時 ：SNRdB = 10 log10SNR 2.1 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)基本知識2.1.5 數(shù)據(jù)傳輸速率限制1.描述：在一個通道中能夠以多快的速率發(fā)送數(shù)據(jù)？數(shù)據(jù)傳輸速率取決于三種因素： 2有效帶寬2使用的信號電平數(shù) 2通道的質(zhì)量 2.無噪聲信道最大數(shù)據(jù)傳輸速率 （Nyquist bit rate） 最大

7、比特率 = 2Blog2L（bps） 有噪聲信道最大數(shù)據(jù)傳輸速率 。也稱“信道容量”，又稱Shannon Capacity C = B log2 (1+SNR) 2.1 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)基本知識2.1.6 數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡的性能1.帶寬（Bandwidth） 2以頻率衡量的帶寬：是指復合信號包含的頻率范圍，或通道能通過的頻率范圍。2以能量衡量的帶寬：信號的能量與信號總能量之比。 2以比特率衡量的帶寬：是指通道或鏈路中bit的傳輸速率。 2.吞吐量（throughput） 2吞吐量用于衡量通過網(wǎng)絡發(fā)送數(shù)據(jù)的快慢。例： 3.延遲（delay） 2延遲定義了第一個位從源開始發(fā)出到整個報文完全到達目標所經(jīng)歷的

8、時間。 延遲 = 傳播時間 + 傳輸時間 + 排隊時間 + 處理時間 傳播時間= 距離 / 傳播速度 傳輸時間= 報文長度 / 帶寬2.2 數(shù)字傳輸 本節(jié)主要內(nèi)容1.傳輸編碼2常用的傳輸編碼技術(shù) 線路編碼（數(shù)字信號） 塊編碼（數(shù)字數(shù)字）2傳輸編碼要求： 信號中沒有直流成分； 信號自帶同步時鐘； 以較少的帶寬獲得較高的數(shù)據(jù)率； 有抗干擾的能力； 有發(fā)現(xiàn)傳輸錯誤的能力； 實現(xiàn)要簡單2.模擬信號數(shù)字化傳輸3.傳輸模式2.2 數(shù)字傳輸2.2.1 線路編碼1.單極性/雙極性編碼2.不歸零編碼（NRZ）定義：特點：2信號的兩個狀態(tài)對應1比特的兩個值； 21比特占用一個脈沖，數(shù)據(jù)率等于波特率； 2都有直流成

9、分； 2都沒有自帶同步時鐘。 2.2 數(shù)字傳輸2.2.1 線路編碼歸零碼（RZ）定義：特點：2直流成分較少；自帶了時鐘。2信號是3電平（-，0，+）產(chǎn)生信號和判別其值均較復雜； 21比特時間有2個脈沖，即比特率是波特率的一半。波特率高要求轉(zhuǎn)輸?shù)膸捑透?，這不符合用較少帶寬傳送更高速率數(shù)據(jù)的要求。2.2 數(shù)字傳輸2.2.1 線路編碼曼徹斯特編碼和差分曼徹斯特碼定義： 特點：？2沒有直流成分，自帶同步時鐘，解決NRZ-I的同步問題；2實現(xiàn)簡單； 2波特率是比特率的兩倍，要求的帶寬大。應用： 10Mbps以太網(wǎng)2.2 數(shù)字傳輸2.2.1 線路編碼多電平編碼定義：表示： mBnL例子：8B6T8B6T

10、應用：100Base-T42.2 數(shù)字傳輸2.2.2 塊編碼1.塊編碼描述：2.表示：mB/nB3.三個步驟：2分組2置換2組合4.特點：2當nm時，這一變換，就增加了許多冗余碼，對于前面的多種編碼方法，加上塊編碼可以彌補它們的不足，提高其性能。 2.2 數(shù)字傳輸2.2.2 塊編碼常用的mB/nB24B/5B28B/10B塊編碼4B/5B2.2 數(shù)字傳輸2.2.2 塊編碼塊編碼與NRZ-I結(jié)合可以克服NRZ-I的缺陷同步問題（長0或1字符串引起的基線偏移）。2.2 數(shù)字傳輸2.2.3 模擬信號數(shù)字化傳輸1.描述2.方法2波形編碼：直接把時域波形變換為數(shù)字代碼序列。比特率在1664kbps范圍內(nèi)

11、，接收端重建信號質(zhì)量好。常用的波形編碼 ：PCM，ADPCM，DM2參數(shù)編碼：利用信號處理技術(shù)，提取語音信號的特征參數(shù)，再變換成數(shù)字代碼。其比特率在16kpbs，接收端恢復信號的質(zhì)量不夠好，如新型預測編碼（LP）。2.2 數(shù)字傳輸2.2.3 模擬信號數(shù)字化傳輸 - PCM1.描述：PCM是用一組二進制數(shù)字代替連續(xù)信號的采樣值。2.PCM編碼過程2采樣：必須滿足“采樣定理”；否則，會出現(xiàn)“混疊失真”2量化：均勻量化和非均勻量化2編碼（數(shù)字編碼）2.2 數(shù)字傳輸2.2.3 模擬信號數(shù)字化傳輸 - PCM2.2 數(shù)字傳輸2.2.3 模擬信號數(shù)字化傳輸 - PCM非均勻量化2均勻量化的缺陷2理想的對數(shù)

12、壓擴律 2A律壓擴特性2律壓擴特性11lnyxK ln(1|)ln(1)xy|1,0 |ln(1|)1 ln1 ln|1ln(1),| 11 lnA xxxAAyA xxAA2.2 數(shù)字傳輸2.2.3 模擬信號數(shù)字化傳輸 - PCM編碼要注意的問題2碼字和碼型的選擇對于M個量化電平，可以用n位二進制碼來表示，其中的每一個碼組稱為一個碼字。碼型指的是代碼的編碼規(guī)律。2碼位數(shù)的選擇與安排碼位數(shù)的選擇，它不僅關(guān)系到通信質(zhì)量的好壞，而且還涉及到設備的復雜程度。碼位數(shù)的多少，決定了量化分層的多少，反之，若信號量化分層數(shù)一定，則編碼位數(shù)也被確定。 如信號量化分層數(shù)為8，則碼位數(shù)為3。 2.2 數(shù)字傳輸2.

13、2.4 傳輸模式1.傳輸模式分類2.2 數(shù)字傳輸2.2.4 傳輸模式并行傳輸2.2 數(shù)字傳輸2.2.4 傳輸模式串行傳輸2.2 數(shù)字傳輸2.2.4 傳輸模式異步傳輸2.2 數(shù)字傳輸2.2.4 傳輸模式同步傳輸2.3 模擬傳輸2.3.1 數(shù)字信號調(diào)制與解調(diào)1.描述2如果只有帶通信道，怎么辦哪？2載波采用正弦信號2.調(diào)制方式：2調(diào)幅2調(diào)頻2調(diào)相( )cos(2)cs tAft2.3 模擬傳輸2.3.1 數(shù)字信號調(diào)制與解調(diào)調(diào)幅1.描述：2是正弦信號的振幅隨數(shù)字基帶信號變化的的數(shù)字調(diào)制。當數(shù)字基帶信號為二進制時，稱為幅移鍵控（2ASK）。2基帶信號的表示2.2ASK信號的產(chǎn)生2.3 模擬傳輸2.3.1

14、 數(shù)字信號調(diào)制與解調(diào)2ASK2ASK信號的頻譜2由連續(xù)譜和離散譜組成；2調(diào)幅信號的帶寬是基帶信號的兩倍。2.3 模擬傳輸2.3.2 數(shù)字信號調(diào)制與解調(diào)調(diào)頻1.描述：2是正弦信號的頻率隨數(shù)字基帶信號在頻率f1和f2兩個頻率點間變化。當數(shù)字基帶信號為二進制時，稱為頻移鍵控（2FSK）。2基帶信號的表示2.2FSK信號的產(chǎn)生2.3 模擬傳輸2.3.2 數(shù)字信號調(diào)制與解調(diào)2FSK2FSK信號的頻譜2由連續(xù)譜和離散譜組成；2帶寬為BFSK=2Bb+|f2-f1|。2.3 模擬傳輸2.3.3 數(shù)字信號調(diào)制與解調(diào)調(diào)相1.描述：2是正弦信號的相位隨數(shù)字基帶信號離散變化而變化。當數(shù)字基帶信號為二進制時，稱為相移

15、鍵控（2PSK）。2兩種：2PSK和2DPSK2.2PSK信號的產(chǎn)生2“倒相” 現(xiàn)象2.3 模擬傳輸2.3.3 數(shù)字信號調(diào)制與解調(diào)2DPSK2DPSK信號的產(chǎn)生2= 0 02=180 12DPSK的實現(xiàn)方法2先對二進制基帶信號進行差分編碼，將絕對碼變?yōu)橄鄬Υa；2再進行絕對調(diào)相PSK信號的頻譜2.3 模擬傳輸2.3.4 數(shù)字信號調(diào)制與解調(diào)QPSK正交(Quadrature)PSK（QPSK）的思想2用兩個獨立的BPSK進行調(diào)制；2一個是同相的，一個是正交的。1.特點2調(diào)制輸出信號有四種信號元素；2每個信號元素可以表示2bits。2.3 模擬傳輸2.3.4 數(shù)字信號調(diào)制與解調(diào)QPSK2.3 模擬傳

16、輸2.3.4 數(shù)字信號調(diào)制與解調(diào)星座圖坐標 2水平軸與同相載波相關(guān) 2垂直軸與正交載波相關(guān)2.3 模擬傳輸2.3.4 數(shù)字信號調(diào)制與解調(diào)星座圖ASK，BPSK，QPSK信號的星座圖2.3 模擬傳輸2.3.5 正交振幅調(diào)制QAMQAM是ASK與PSK的結(jié)合2由于PSK受到設備辨別相位細小差別能力的限制，所以也就限制了其潛在的比特率。2 如果將ASK和PSK結(jié)合，使“同相載波”和“正交載波”的振幅大小不同，可以提高分辨能力。2QAM可能的變化有很多種，如下圖：2.4 復用技術(shù)1.描述2復用2分用2.常用的復用方式2頻分復用2時分復用2波分復用2.4 復用技術(shù)2.4.1 頻分復用（FDM）1.描述2

17、.復用方法2把各個輸入的低頻信號調(diào)制到各不相同的載波高頻信號上，實現(xiàn)頻譜平移，平移后的頻譜互不重疊； 2把各個已調(diào)信號相加，得到復合信號； 2將復合信號送鏈路。 2.4 復用技術(shù)2.4.1 頻分復用（FDM）分用方法2將復合信號用中心頻率各不相同的帶通濾波器進行濾波，分為多個獨立的調(diào)制信號； 2用解調(diào)器還原為低頻信號； 2將低頻信號送各接收端。 2.4 復用技術(shù)2.4.2 波分復用（WDM）1.描述2光纖的速率可達50 000Gbps，由于光電轉(zhuǎn)換器件達不到那樣的高速度，所以目前在光纖中的數(shù)據(jù)速率是2.5Gbps和10Gbps。顯然，如果一根光纖上只傳輸一路光信號，光纖的使用效率是很低的。2W

18、DM就是光纖上光信號的復用技術(shù) 。2.4 復用技術(shù)2.4.3 時分復用（TDM）1.描述：2.分類：同步時分復用和統(tǒng)計時分復用3.同步時分復用的基本原理2.4 復用技術(shù)2.4.3 時分復用（TDM）采用TDM的收、發(fā)兩端的工作原理2.4 復用技術(shù)2.4.3 時分復用（TDM）采用TDM的收、發(fā)兩端的工作原理2.4 復用技術(shù)2.4.3 時分復用（TDM）公共電話系統(tǒng)的TDM2TDM采用PCM調(diào)制方式。2國際上將PCM基群分為兩種標準：PCM24路制式（律壓擴特性）和PCM30/32路（A律壓擴特性）2形成了早期的準同步數(shù)字體系（PDH），存在很大缺陷。PCM24路復用方式2.4 復用技術(shù)2.4.3 時分復用