數(shù)字通信基礎(chǔ)知識

2023/2/6曹華孝caohuaxiao@2012.92013.1（50學(xué)時(shí)，4學(xué)分）四川師范大學(xué)成都學(xué)院通信工程系

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)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(fù)用技術(shù)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?jǐn)?shù)據(jù)兩種形式模擬數(shù)據(jù)是指在某個(gè)時(shí)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(shí)間連續(xù)函數(shù)。數(shù)字?jǐn)?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(dāng)?shù)男问皆诮橘|(zhì)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(shí)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(guān)心所傳輸信號的內(nèi)容，而只關(guān)心盡量減少信號的衰減和噪聲，長距離傳輸時(shí)，采用信號放大被衰減的信號，但同時(shí)也放大了信號中的噪聲。數(shù)字傳輸：是指數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的傳輸，關(guān)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(shí)，采用轉(zhuǎn)發(fā)器，可消除噪聲的累積。長距離傳輸時(shí)，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(diǎn)終點(diǎn)發(fā)送器接收器調(diào)制解調(diào)器PC機(jī)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?jǐn)?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(jī)Page82-1.1.4數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)模型

源系統(tǒng)源點(diǎn)（信源、源站）：產(chǎn)生要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，如PC機(jī)。發(fā)送器：把源點(diǎn)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(fù)責(zé)把信號從源端傳送到目的端；通常需要處理傳輸差錯(cuò)。

目的系統(tǒng)接收器：把來自傳輸系統(tǒng)的信號轉(zhuǎn)換成目的設(shè)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(dāng)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(jìn)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?yàn)楦哳l分量已被濾波器濾掉無法再恢復(fù)。Page12Shannon定理在噪聲信道中，當(dāng)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(shí)，即當(dāng)一方發(fā)送時(shí)，另一方接收。雙工通信：雙方同時(shí)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?jǐn)?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(jìn)行調(diào)制后形成模擬信號，然后采用頻分復(fù)用技術(shù)實(shí)現(xiàn)寬帶傳輸。有線電視網(wǎng)：帶寬可達(dá)750MHz，以模擬信號傳輸，傳輸距離可達(dá)100km?；旌瞎饫w電纜HFC：頻段54-550MHz是電視信號，550-750MHz是數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。寬帶系統(tǒng)可分為多個(gè)信道，所以模擬和數(shù)字?jǐn)?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?jǐn)?shù)據(jù)通信中，一個(gè)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(jìn)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(gè)通信規(guī)程，使用相同的位同步方式進(jìn)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(shí)鐘不是同一個(gè)，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(gè)字符都要附加1位起始位和1位停止位作標(biāo)志，以標(biāo)記字符的開始和結(jié)束。

此外，還要附加1位奇偶校驗(yàn)位。

波特率異步通信必須指定四個(gè)參數(shù)

字符長度

奇偶校驗(yàn)

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(shí)鐘是同一個(gè)。通常發(fā)送方在發(fā)送數(shù)據(jù)的編碼中包含時(shí)鐘，而接收方則從數(shù)據(jù)流中提取時(shí)鐘用以采樣，所以說雙方所用的時(shí)鐘是同一個(gè)。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(gè)或兩個(gè)同步字符SYN用于數(shù)據(jù)塊的同步。每個(gè)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(guān)參數(shù)：

字符長度

奇偶校驗(yàn)面向bit流的同步通信在面向bit流的同步通信中，每個(gè)數(shù)據(jù)塊的頭部和尾部用一個(gè)或多個(gè)特殊的比特序列（如01111110）來標(biāo)記數(shù)據(jù)塊的開始和結(jié)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(xiàng)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(biāo)記數(shù)據(jù)塊開始和結(jié)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(dāng)出現(xiàn)連續(xù)的五個(gè)1后便自動(dòng)插入一個(gè)0，接收端在接收數(shù)據(jù)流時(shí)，如果檢測到連續(xù)五個(gè)1的序列，就檢查其后的一個(gè)bit，若該bit是0，則刪除；若該bit為1，則表示數(shù)據(jù)塊的結(jié)束，轉(zhuǎn)入結(jié)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(shí)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(shí)間為序。打印機(jī)是常用的并行接口典型的串行接口RS-232C

RS-232C是用于計(jì)算機(jī)或終端與Modem間的物理層協(xié)議（定義接口的機(jī)械、電氣、功能和過程特性）。計(jì)算機(jī)或終端設(shè)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(jìn)：重新設(shè)計(jì)，X.21數(shù)字接口

以RS-232-C為基礎(chǔ)改進(jìn)，1977年提出RS449RS-232C特性Page23機(jī)械特性：25針D型插座及相關(guān)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(jì)算機(jī)或終端通過RS-232-C接口與調(diào)制解調(diào)器連接Page24Page25計(jì)算機(jī)或終端通過RS-232-C接口與計(jì)算機(jī)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(jī)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(jìn)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?jǐn)?shù)據(jù)的模擬編碼數(shù)字?jǐn)?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?jǐn)?shù)據(jù)在模擬信道上傳輸將數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)調(diào)制成模擬信號進(jìn)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(yīng)于頻率2f，“1”對應(yīng)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?jǐn)?shù)據(jù)在數(shù)字信道上傳輸最簡單的方法是用兩個(gè)不同的電壓信號值來表示兩個(gè)二進(jìn)制的數(shù)字?jǐn)?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(gè)碼元的負(fù)脈沖、半個(gè)碼元的正脈沖；“1”表示半個(gè)碼元的正脈沖、半個(gè)碼元的負(fù)脈沖。

差分曼切斯特編碼：“0”表示半個(gè)碼元的負(fù)脈沖、半個(gè)碼元的正脈沖（0變化，差分化）；“1”表示半個(gè)碼元的正脈沖、半個(gè)碼元的負(fù)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(shù)

采樣：使用電子設(shè)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(shí)間軸上的離散值。是分級過程。

若采用8位二進(jìn)制編碼，可分為28=256個(gè)量化級。

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