數(shù)字通信基礎知識

2023/2/6曹華孝caohuaxiao@2012.92013.1（50學時，4學分）四川師范大學成都學院通信工程系

計算機網(wǎng)絡Page2Chapter2-1數(shù)字通信基本知識2-1.2通信信道及其主要特性2-1.4多路復用技術2-1.1數(shù)據(jù)通信基本概念2-1.3信道數(shù)據(jù)編碼Page32-1.1.1數(shù)據(jù)2-1.1.3數(shù)據(jù)傳輸2-1.1.2信號2-1.1數(shù)據(jù)通信基本概念2-1.1.4數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)模型Page42-1.1.1數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)涉及的是事物的表現(xiàn)形式信息是數(shù)據(jù)的內(nèi)容和含義，是數(shù)據(jù)的解釋數(shù)據(jù)有模擬數(shù)據(jù)和數(shù)字數(shù)據(jù)兩種形式模擬數(shù)據(jù)是指在某個時間段產(chǎn)生的連續(xù)的值，例如聲音和視頻、溫度和壓力等都是時間連續(xù)函數(shù)。數(shù)字數(shù)據(jù)是指產(chǎn)生的離散的值，例如文本信息和整數(shù)。Page52-1.1.2信號信號是數(shù)據(jù)的表示形式，或稱數(shù)據(jù)的電磁或電子編碼信號使數(shù)據(jù)能以適當?shù)男问皆诮橘|上傳輸信號有模擬信號和數(shù)字信號兩種形式模擬信號是指隨時間連續(xù)變化的信號，在通信中，一般用這種信號的某種參量（如振幅、頻率、相位）來表示要傳遞的數(shù)據(jù)。數(shù)字信號是只取有限值（或狀態(tài)）的信號，在通信中，是以某一瞬間的狀態(tài)來表示傳送的信息。Page62-1.1.3數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)傳輸以信號為載體模擬傳輸：是指模擬數(shù)據(jù)的傳輸，不關心所傳輸信號的內(nèi)容，而只關心盡量減少信號的衰減和噪聲，長距離傳輸時，采用信號放大被衰減的信號，但同時也放大了信號中的噪聲。數(shù)字傳輸：是指數(shù)字數(shù)據(jù)的傳輸，關心信號的內(nèi)容，可以數(shù)字信號傳輸，也可以模擬信號傳輸，長距離傳輸時，采用轉發(fā)器，可消除噪聲的累積。長距離傳輸時，通常采用的是數(shù)字傳輸Page72-1.1.4數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)模型傳輸系統(tǒng)輸入信息輸入數(shù)據(jù)發(fā)送的信號接收的信號輸出數(shù)據(jù)源點終點發(fā)送器接收器調(diào)制解調(diào)器PC機公用電話網(wǎng)調(diào)制解調(diào)器數(shù)字比特流數(shù)字比特流模擬信號模擬信號輸入漢字顯示漢字數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)源系統(tǒng)目的系統(tǒng)傳輸系統(tǒng)輸出信息PC機Page82-1.1.4數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)模型

源系統(tǒng)源點（信源、源站）：產(chǎn)生要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，如PC機。發(fā)送器：把源點產(chǎn)生的數(shù)據(jù)變成能在傳輸系統(tǒng)中的信號，并發(fā)送。

傳輸系統(tǒng)負責把信號從源端傳送到目的端；通常需要處理傳輸差錯。

目的系統(tǒng)接收器：把來自傳輸系統(tǒng)的信號轉換成目的設備能處理的信息。終端（信宿、目的站）：獲取接收器傳來的信息，是調(diào)制的逆過程。Page92-1.2通信信道及其主要特性2-1.2.1基本概念2-1.2.2信道工作方式2-1.2.3寬帶傳輸和基帶傳輸2-1.2.4異步通信和同步通信2-1.2.5并行通信和串行通信Page102-1.2.1基本概念數(shù)據(jù)傳輸速率與帶寬信號傳播速率載波頻率采樣頻率量化噪聲、噪聲比波特率與比特率比特率=log2V波特率Page11Nyquist定理在無噪聲信道中，當帶寬為HHz，信號電平為V級，則：數(shù)據(jù)傳輸速率=2Hlog2Vb/s（V：信號電平的級數(shù)，在二進制中，僅為0、1兩級）即：以每秒高于2H次的速率對線路采樣是無意義的，因為高頻分量已被濾波器濾掉無法再恢復。Page12Shannon定理在噪聲信道中，當帶寬為HHz，信噪比為S/N，則：最大數(shù)據(jù)傳輸速率（b/s）=Hlog2

（1+S/N）很多情況下信噪比用分貝（dB）表示信噪比（dB）=10log10S/N如：信噪比為30dB，則S/N=1000Page132-1.2.2信道工作方式按照信息交互方式分：單工通信：單向傳輸，如廣播、電視。半雙工通信：雙方都可以發(fā)送或接收，但不能同時，即當一方發(fā)送時，另一方接收。雙工通信：雙方同時可以發(fā)送和接收信息。全雙工需要兩條信道Page142-1.2.3數(shù)據(jù)傳輸方式

基帶傳輸：信號源產(chǎn)生的原始信號。即：將數(shù)字數(shù)據(jù)0、1直接用兩種不同的電壓表示，然后送到線路上去傳輸。

寬帶傳輸：將基帶信號進行調(diào)制后形成模擬信號，然后采用頻分復用技術實現(xiàn)寬帶傳輸。有線電視網(wǎng)：帶寬可達750MHz，以模擬信號傳輸，傳輸距離可達100km。混合光纖電纜HFC：頻段54-550MHz是電視信號，550-750MHz是數(shù)字數(shù)據(jù)。寬帶系統(tǒng)可分為多個信道，所以模擬和數(shù)字數(shù)據(jù)可混合使用，但通常解決數(shù)據(jù)雙向傳輸?shù)膯栴}。2-1.2.4數(shù)據(jù)通信方式

在數(shù)字數(shù)據(jù)通信中，一個最基本的要求是發(fā)送端和接收端之間以某種方式保持位同步，只有保證了位同步才可能保證幀同步。所以接收端必須對它所接收的數(shù)據(jù)流中每一位進行正確采樣，才能確保數(shù)據(jù)接收的正確性。

異步通信

同步通信

通信雙方必須遵循同一個通信規(guī)程，使用相同的位同步方式進行數(shù)據(jù)傳輸。根據(jù)通信規(guī)程所定義的位同步方式，可分為：異步通信

異步通信：是指發(fā)送方和接收方的采樣時鐘不是同一個，而是以字符為單位的數(shù)據(jù)傳輸，常用的是ASCII字符集。

數(shù)據(jù)塊以字符為單位，每個字符都要附加1位起始位和1位停止位作標志，以標記字符的開始和結束。

此外，還要附加1位奇偶校驗位。

波特率異步通信必須指定四個參數(shù)

字符長度

奇偶校驗

停止位長度Page17同步通信

同步通信：發(fā)送方和接收方的采樣時鐘是同一個。通常發(fā)送方在發(fā)送數(shù)據(jù)的編碼中包含時鐘，而接收方則從數(shù)據(jù)流中提取時鐘用以采樣，所以說雙方所用的時鐘是同一個。根據(jù)同步通信規(guī)程分：

面向字符的同步通信

面向bit流的同步通信面向字符的同步通信在面向字符的同步通信中，字符集可用ASCII或EBCDIC，數(shù)據(jù)塊由字符組成，數(shù)據(jù)塊前加一個或兩個同步字符SYN用于數(shù)據(jù)塊的同步。每個字符必須有起始位和停止位。

波特率典型的面向字符的同步通信規(guī)程是BISYNC與異步通信相類似，必須指定相關參數(shù)：

字符長度

奇偶校驗面向bit流的同步通信在面向bit流的同步通信中，每個數(shù)據(jù)塊的頭部和尾部用一個或多個特殊的比特序列（如01111110）來標記數(shù)據(jù)塊的開始和結束，數(shù)據(jù)塊將作為bit流來處理，而不是作為字符流來處理。典型的面向位流的同步通信規(guī)程是高級數(shù)據(jù)鏈路控制（HDLC）規(guī)程和同步數(shù)據(jù)鏈路控制（SDLC）規(guī)程，收發(fā)雙方必須約定的參數(shù)有：

傳輸速率

CRC生成多項式等面向bit流的透明傳輸在面向bit流的同步通信中，為了避免在數(shù)據(jù)塊的數(shù)據(jù)中出現(xiàn)標記數(shù)據(jù)塊開始和結束的特殊位模式（如01111110），通常采用位插入法，即發(fā)送端總是檢測所發(fā)送的數(shù)據(jù)流，每當出現(xiàn)連續(xù)的五個1后便自動插入一個0，接收端在接收數(shù)據(jù)流時，如果檢測到連續(xù)五個1的序列，就檢查其后的一個bit，若該bit是0，則刪除；若該bit為1，則表示數(shù)據(jù)塊的結束，轉入結束處理。Page212-1.2.5串行通信與并行通信串行通信數(shù)據(jù)按位為單位，以時間為序。典型的串行接口RS-232C并行通信數(shù)據(jù)按字符為單位，以時間為序。打印機是常用的并行接口典型的串行接口RS-232C

RS-232C是用于計算機或終端與Modem間的物理層協(xié)議（定義接口的機械、電氣、功能和過程特性）。計算機或終端設備：DTE（dataterminalequipment）調(diào)制解調(diào)器：DCE（datacircuit-terminatingequipment）RS232工作環(huán)境不足：傳輸性能低、距離短、速率低

改進：重新設計，X.21數(shù)字接口

以RS-232-C為基礎改進，1977年提出RS449RS-232C特性Page23機械特性：25針D型插座及相關長、寬、高；DTE為插頭、DCE為插座；DB25、DB9。電氣特性：邏輯0：+12V；

邏輯1：-12V；

最長傳輸距離15m；

最大傳輸速率<20Kbps。功能特性：定義了21條線，許多子集，

基本與CCITTV.24兼容。規(guī)程特性：對不同功能子集，有不同的規(guī)程；RS-232C中有14種不同的接口類型；

適合于：單工、半雙工、全雙工、同步、異步。EIARS-232插頭計算機或終端通過RS-232-C接口與調(diào)制解調(diào)器連接Page24Page25計算機或終端通過RS-232-C接口與計算機連接常用的串行接口Page26常用串行接口有25pin和9pin兩種Page27常用的并行接口打印機是常用的并行接口Page282-1.3信道數(shù)據(jù)編碼

數(shù)據(jù)編碼：把一種形式的數(shù)據(jù)用另一種形式的數(shù)據(jù)來表示。在數(shù)據(jù)通信中，編碼通常是指用不同的電信號（或其他信號）來表示二進制數(shù)據(jù)或其他信號。思考：如何用信號表示0和1？

編碼方式：數(shù)字數(shù)據(jù)的模擬編碼數(shù)字數(shù)據(jù)的數(shù)字編碼模擬數(shù)據(jù)的數(shù)字編碼Page29數(shù)字數(shù)據(jù)在模擬信道上傳輸將數(shù)字數(shù)據(jù)調(diào)制成模擬信號進行傳輸，通常有三種基本方式調(diào)幅ASK（AmplitudeShiftKeying）：指載波的振幅隨輸入信號變化。如：用“0”表示無載波，“1”表示有載波。

調(diào)頻FSK（FrequencyShiftKeying）：指載波的頻率隨輸入信號變化。如：“0”對應于頻率2f，“1”對應于頻率f。調(diào)相PSK（PhaseShiftKeying）：指載波的初相位隨輸入信號而變化。如：用信號相位角為00表示“0”，相位角為1800表示“1”。三種調(diào)制方式比較Page31數(shù)字數(shù)據(jù)在數(shù)字信道上傳輸最簡單的方法是用兩個不同的電壓信號值來表示兩個二進制的數(shù)字數(shù)據(jù)值0和1。常用的數(shù)字信號編碼有：

不歸零編碼：正電平表示1，零電平表示0；

曼切斯特編碼：“0”表示半個碼元的負脈沖、半個碼元的正脈沖；“1”表示半個碼元的正脈沖、半個碼元的負脈沖。

差分曼切斯特編碼：“0”表示半個碼元的負脈沖、半個碼元的正脈沖（0變化，差分化）；“1”表示半個碼元的正脈沖、半個碼元的負脈沖（1不變化）。三種編碼方式比較

思考：畫出信息“100101”的不歸零碼、曼切斯特編碼、差分曼切斯特編碼波形圖？Page33模擬數(shù)據(jù)在數(shù)字信道上傳輸

采用脈沖編碼調(diào)制PCM（PulseCodeModulation）技術

采樣：使用電子設備利用采用定理采出模擬信號的值。

量化：將模擬信號變?yōu)闀r間軸上的離散值。是分級過程。

若采用8位二進制編碼，可分為28=256個量化級。

編碼：將離散值編成一定位數(shù)的二進制碼。采樣、量化和編碼Page352-1.4多路復用技術2-1.4.1頻分多路復用2-1.4.2時分多路復用2-1.4.3波分多路復用2-1.4.4碼分多路復用2-1.4.1頻分多路復用技術頻分復用FDM（FrequencyDivisionMultiplexing）頻分復用是指當信道帶寬大于各路信號的總帶寬時，可以將信號分割成若干個子信道，各個子信道間要留一個寬度（保護帶），每個子信道用來傳輸一路信道。特點：隔離帶：防干擾信道寬度>信號寬度2-1.4.2時分多路復用技術時分復用TDM（TimeDivisionMultiplexing）當信道能達到的位傳輸速率大于各路信號的數(shù)據(jù)傳輸速率總和時，可以將信道的時間分割為一個個的時間片，按照一定規(guī)則將這些時間片分割給各路信號源，每一信號源只能在自己的時間片內(nèi)獨占信道進行傳輸。TDM的同步和異步同步TDM：時間片與輸入裝置一一對應，即同步如某個時間片對應的輸入裝置無數(shù)據(jù)發(fā)送，則該時間片空閑；傳輸介質的傳輸速率不能低于各個輸入信號的數(shù)