第4講 數(shù)字通信技術(shù).

1、第四講第四講 數(shù)據(jù)通信技術(shù)數(shù)據(jù)通信技術(shù)數(shù)據(jù)通信技術(shù) 本章主要內(nèi)容本章主要內(nèi)容v 數(shù)據(jù)通信基本概念數(shù)據(jù)通信基本概念v 數(shù)據(jù)的傳輸和數(shù)據(jù)編碼調(diào)制技術(shù)數(shù)據(jù)的傳輸和數(shù)據(jù)編碼調(diào)制技術(shù)v 數(shù)據(jù)交換技術(shù)數(shù)據(jù)交換技術(shù)v 信道的多路復(fù)用技術(shù)信道的多路復(fù)用技術(shù)v 通信接口與傳輸介質(zhì)通信接口與傳輸介質(zhì)1.1. 差錯(cuò)控制技術(shù)差錯(cuò)控制技術(shù)3.1 數(shù)據(jù)通信基本概念v信息（信息（InformationInformation）n客觀事物的屬性和相互聯(lián)系特性的表現(xiàn)。客觀事物的屬性和相互聯(lián)系特性的表現(xiàn)。v數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)（DataData）n信息的載體，它是信息的表示形式。數(shù)據(jù)可以是數(shù)字、信息的載體，它是信息的表示形式。數(shù)據(jù)可以是數(shù)字

2、、字符、符號(hào)等。字符、符號(hào)等。v信號(hào)（信號(hào)（SignalSignal）n數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中的具體物理表示形式。數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中的具體物理表示形式。基本概念v傳輸介質(zhì)傳輸介質(zhì)n通信中傳送信息的載體，又稱為信道（通信中傳送信息的載體，又稱為信道（ChannelChannel）n傳輸介質(zhì)分為有線傳輸介質(zhì)和無(wú)線傳輸介質(zhì)。傳輸介質(zhì)分為有線傳輸介質(zhì)和無(wú)線傳輸介質(zhì)。v信息、數(shù)據(jù)和信號(hào)三者的關(guān)系信息、數(shù)據(jù)和信號(hào)三者的關(guān)系n數(shù)據(jù)通過(guò)信號(hào)形式傳輸，信息由各種數(shù)據(jù)來(lái)表達(dá)。數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)通過(guò)信號(hào)形式傳輸，信息由各種數(shù)據(jù)來(lái)表達(dá)。數(shù)據(jù)通信就是把表達(dá)這個(gè)信息的數(shù)據(jù)通過(guò)物理信號(hào)進(jìn)行傳遞。通信就是把表達(dá)這個(gè)信息的數(shù)據(jù)通過(guò)物理信號(hào)進(jìn)行傳

3、遞。模擬通信和數(shù)字通信 v通信系統(tǒng)模型通信系統(tǒng)模型v模擬信號(hào)模擬信號(hào)n是一個(gè)連續(xù)變化的物理量，一般用連續(xù)變化的電壓表示。是一個(gè)連續(xù)變化的物理量，一般用連續(xù)變化的電壓表示。 模擬通信和數(shù)字通信 v數(shù)字信號(hào)數(shù)字信號(hào)n是離散的，即在時(shí)間特性上幅度的取值是有限的離散值，是離散的，即在時(shí)間特性上幅度的取值是有限的離散值，一般用脈沖序列來(lái)表示。常用的數(shù)字是二進(jìn)制數(shù)字一般用脈沖序列來(lái)表示。常用的數(shù)字是二進(jìn)制數(shù)字0 0和和1 1，分別低電平和高電平兩個(gè)狀態(tài)信號(hào)。，分別低電平和高電平兩個(gè)狀態(tài)信號(hào)。v數(shù)字通信數(shù)字通信n使用數(shù)字信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ畔到y(tǒng)。使用數(shù)字信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ畔到y(tǒng)。 模擬通信和數(shù)字通信v模

4、擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)，在傳輸過(guò)程中都會(huì)受到干模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)，在傳輸過(guò)程中都會(huì)受到干擾導(dǎo)致信號(hào)的變形。擾導(dǎo)致信號(hào)的變形。v數(shù)字信號(hào)的可靠性比模擬信號(hào)要高數(shù)字信號(hào)的可靠性比模擬信號(hào)要高v數(shù)字信號(hào)比較容易存儲(chǔ)、處理和傳輸數(shù)字信號(hào)比較容易存儲(chǔ)、處理和傳輸v模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)是可以相互轉(zhuǎn)換的。模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)是可以相互轉(zhuǎn)換的。數(shù)據(jù)通信的技術(shù)指標(biāo) v1.1.信道帶寬信道帶寬 n信道能夠傳送電磁波的有效頻率范圍就是該信道的帶寬信道能夠傳送電磁波的有效頻率范圍就是該信道的帶寬n有效是指信號(hào)在傳輸過(guò)程中沒(méi)有失真有效是指信號(hào)在傳輸過(guò)程中沒(méi)有失真n為使數(shù)據(jù)信號(hào)通過(guò)信道的失真盡量小，就要求有足夠的為使數(shù)據(jù)信號(hào)通過(guò)信

5、道的失真盡量小，就要求有足夠的帶寬帶寬v2.2.數(shù)據(jù)傳輸速率數(shù)據(jù)傳輸速率n數(shù)據(jù)傳輸速率也稱為比特率，是指信道每秒所能傳輸?shù)臄?shù)據(jù)傳輸速率也稱為比特率，是指信道每秒所能傳輸?shù)亩M(jìn)制比特?cái)?shù)，單位為二進(jìn)制比特?cái)?shù)，單位為bpsbps。n數(shù)據(jù)傳輸速率的高低，由每位數(shù)據(jù)所占用的時(shí)間決定數(shù)據(jù)傳輸速率的高低，由每位數(shù)據(jù)所占用的時(shí)間決定 數(shù)據(jù)通信的技術(shù)指標(biāo) v3.3.信道的容量信道的容量 n信道傳輸數(shù)據(jù)速率的上限，稱為信道的容量。信道傳輸數(shù)據(jù)速率的上限，稱為信道的容量。n信道容量與信道帶寬、噪聲功率和信號(hào)功率的關(guān)系信道容量與信道帶寬、噪聲功率和信號(hào)功率的關(guān)系 香農(nóng)定理：香農(nóng)定理：C CWlog2(1+S/N )W

6、log2(1+S/N )，其中，其中C C信道容量；信道容量；WW為信道帶寬；為信道帶寬；NN為噪聲功率；為噪聲功率；S S為信號(hào)功率。為信號(hào)功率。 信噪比即信噪比即S/NS/N，通常采用，通常采用10lgS/N10lgS/N來(lái)表示，其單位為分來(lái)表示，其單位為分貝（貝（dBdB）。）。 奈奎斯特定理給出了有限帶寬、無(wú)噪聲離散信道的信道奈奎斯特定理給出了有限帶寬、無(wú)噪聲離散信道的信道容量公式：容量公式：C=2Wlog2LC=2Wlog2L，式中，式中L L是信號(hào)有效狀態(tài)的數(shù)是信號(hào)有效狀態(tài)的數(shù)量量 。數(shù)據(jù)通信的技術(shù)指標(biāo) n例例1 1：典型的模擬電話系統(tǒng)帶寬為：典型的模擬電話系統(tǒng)帶寬為3kHz3kH

7、z，信噪比為，信噪比為30dB30dB，即，即S/NS/N10001000，它的信道容量為：，它的信道容量為： C C3000log3000log2 2(1+1000)30000bps(1+1000)30000bpsn例例2 2，一個(gè)無(wú)噪聲，一個(gè)無(wú)噪聲3kHz3kHz帶寬的信道，若傳輸二進(jìn)制信帶寬的信道，若傳輸二進(jìn)制信號(hào)（號(hào)（L=2L=2），它的信道容量為：），它的信道容量為： C=2C=230003000loglog2 22=6000bps2=6000bps數(shù)據(jù)通信的技術(shù)指標(biāo)v4.4.波特率波特率n波特率是傳輸?shù)男盘?hào)值每秒變化的次數(shù)。如果被傳輸?shù)牟ㄌ芈适莻鬏數(shù)男盘?hào)值每秒變化的次數(shù)。如果被傳輸

8、的信號(hào)周期為信號(hào)周期為T T秒，則波特率秒，則波特率Rb=1/TRb=1/T。n波特率波特率RbRb與比特率與比特率R R的關(guān)系：的關(guān)系：R RRblogRblog2 2V V，其中，其中V V表表示所傳輸信號(hào)所包含的離散電平數(shù)示所傳輸信號(hào)所包含的離散電平數(shù)n采用不同的調(diào)制方法，波特率和比特率的相對(duì)關(guān)系也就采用不同的調(diào)制方法，波特率和比特率的相對(duì)關(guān)系也就不一樣不一樣調(diào)制速率（調(diào)制速率（baud）1200120012001200多相調(diào)制的相數(shù)多相調(diào)制的相數(shù)二相調(diào)制（二相調(diào)制（V2） 四相調(diào)制（四相調(diào)制（V4） 八相調(diào)制（八相調(diào)制（V8） 十六相調(diào)制（十六相調(diào)制（V16）數(shù)據(jù)傳輸速率數(shù)據(jù)傳輸速率(

9、bps)1200240036004800數(shù)據(jù)通信的技術(shù)指標(biāo) v5.5.信道延遲信道延遲 n信號(hào)沿信道傳輸需要一定的時(shí)間，這就是信道延遲。信號(hào)沿信道傳輸需要一定的時(shí)間，這就是信道延遲。n信道延遲發(fā)送和接收處理時(shí)間傳輸介質(zhì)的延遲時(shí)間信道延遲發(fā)送和接收處理時(shí)間傳輸介質(zhì)的延遲時(shí)間發(fā)送和接收設(shè)備的響應(yīng)時(shí)間通信設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)間發(fā)送和接收設(shè)備的響應(yīng)時(shí)間通信設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)間v6.6.誤碼率誤碼率 n誤碼率是接收錯(cuò)誤的碼元數(shù)占傳送總碼元數(shù)的比例。誤碼率是接收錯(cuò)誤的碼元數(shù)占傳送總碼元數(shù)的比例。 Pe= Ne /N Pe= Ne /Nn誤碼率越低，通信系統(tǒng)可靠性越高，通信質(zhì)量越好。誤碼率越低，通信系統(tǒng)可靠性越高，通信質(zhì)量越

10、好。3.2 數(shù)據(jù)的傳輸 v數(shù)據(jù)傳輸模式數(shù)據(jù)傳輸模式n串行通信串行通信 數(shù)據(jù)是一位一位地在通信線路上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是一位一位地在通信線路上傳輸?shù)?串行通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)串行通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)RS-232,RS-422,RS-485,USBRS-232,RS-422,RS-485,USBn并行通信并行通信 要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)中的多個(gè)數(shù)據(jù)位同時(shí)在兩個(gè)設(shè)備中傳輸要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)中的多個(gè)數(shù)據(jù)位同時(shí)在兩個(gè)設(shè)備中傳輸 計(jì)算機(jī)內(nèi)部的總線結(jié)構(gòu)就是并行通信計(jì)算機(jī)內(nèi)部的總線結(jié)構(gòu)就是并行通信 通信線路的連接方式v點(diǎn)到點(diǎn)連接方式點(diǎn)到點(diǎn)連接方式 n點(diǎn)到點(diǎn)的連接就是在發(fā)送端和接收端之間采用一條線路點(diǎn)到點(diǎn)的連接就是在發(fā)送端和接收端之間采用一條線路連接

11、，使用的線路可以是專用線路、租用線路或交換線連接，使用的線路可以是專用線路、租用線路或交換線路。路。 圖圖3-2點(diǎn)到點(diǎn)連接示意圖點(diǎn)到點(diǎn)連接示意圖 通信線路的連接方式v多點(diǎn)連接方式多點(diǎn)連接方式 n多點(diǎn)連接方式是指各個(gè)站點(diǎn)通過(guò)一條公共的通信線路或多點(diǎn)連接方式是指各個(gè)站點(diǎn)通過(guò)一條公共的通信線路或集線器連接起來(lái)。集線器連接起來(lái)。 圖33多點(diǎn)連接示意圖1 圖34多點(diǎn)連接示意圖2 信道的通信方式v單工通信單工通信 n在單工通信方式中，信號(hào)只能向一個(gè)方向傳輸。在單工通信方式中，信號(hào)只能向一個(gè)方向傳輸。n典型例子：無(wú)線廣播電臺(tái)的廣播、電視播放典型例子：無(wú)線廣播電臺(tái)的廣播、電視播放圖圖3-5單工通信單工通信信道

12、的通信方式v半雙工通信半雙工通信 n在半雙工通信方式中，信號(hào)可以雙向傳送，但必須交替在半雙工通信方式中，信號(hào)可以雙向傳送，但必須交替進(jìn)行，在任一時(shí)刻只能向一個(gè)方向傳送。進(jìn)行，在任一時(shí)刻只能向一個(gè)方向傳送。n典型例子：對(duì)講機(jī)、串行通信標(biāo)準(zhǔn)典型例子：對(duì)講機(jī)、串行通信標(biāo)準(zhǔn)圖圖3-6半雙工通信半雙工通信信道的通信方式v全雙工通信全雙工通信 n在全雙工通信方式中，信號(hào)可以同時(shí)雙向傳送數(shù)據(jù)在全雙工通信方式中，信號(hào)可以同時(shí)雙向傳送數(shù)據(jù) 。n典型例子：以太網(wǎng)通信、串行通信標(biāo)準(zhǔn)典型例子：以太網(wǎng)通信、串行通信標(biāo)準(zhǔn)232232圖圖3-7全雙工通信全雙工通信 信號(hào)的傳輸方式 v基帶傳輸基帶傳輸 n在數(shù)據(jù)通信中，二進(jìn)制

13、比特序列在數(shù)據(jù)通信中，二進(jìn)制比特序列0 0和和1 1的數(shù)字信號(hào)按照的數(shù)字信號(hào)按照矩形脈沖信號(hào)的固有頻率進(jìn)行傳輸稱為基帶傳輸。矩形脈沖信號(hào)的固有頻率進(jìn)行傳輸稱為基帶傳輸。n基帶傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)：無(wú)須調(diào)制就可以傳送數(shù)字信號(hào)，簡(jiǎn)化基帶傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)：無(wú)須調(diào)制就可以傳送數(shù)字信號(hào)，簡(jiǎn)化了通信處理過(guò)程，提高了傳輸速度了通信處理過(guò)程，提高了傳輸速度n基帶傳輸適合于近距離（幾公里以內(nèi)）傳輸基帶傳輸適合于近距離（幾公里以內(nèi)）傳輸信號(hào)的傳輸方式 v頻帶傳輸頻帶傳輸n頻帶傳輸方式是將數(shù)字信號(hào)調(diào)制成模擬音頻信號(hào)后再發(fā)頻帶傳輸方式是將數(shù)字信號(hào)調(diào)制成模擬音頻信號(hào)后再發(fā)送和傳輸，到達(dá)接收端時(shí)再把音頻信號(hào)解調(diào)成原來(lái)的數(shù)送和傳輸，到達(dá)接

14、收端時(shí)再把音頻信號(hào)解調(diào)成原來(lái)的數(shù)字信號(hào)。字信號(hào)。n頻帶傳輸不僅可以利用電話系統(tǒng)傳輸數(shù)字信號(hào)，而且可頻帶傳輸不僅可以利用電話系統(tǒng)傳輸數(shù)字信號(hào)，而且可以實(shí)現(xiàn)多路復(fù)用，提高信道的利用率。以實(shí)現(xiàn)多路復(fù)用，提高信道的利用率。n頻帶傳輸既適合于近距離（幾公里以內(nèi)）傳輸，也適合頻帶傳輸既適合于近距離（幾公里以內(nèi)）傳輸，也適合遠(yuǎn)距離傳輸遠(yuǎn)距離傳輸 信號(hào)的傳輸方式 v寬帶傳輸寬帶傳輸n寬帶是指比音頻更寬的頻帶，它包括大部分電磁波頻譜，寬帶是指比音頻更寬的頻帶，它包括大部分電磁波頻譜，利用寬帶進(jìn)行的數(shù)據(jù)傳輸稱為寬帶傳輸。利用寬帶進(jìn)行的數(shù)據(jù)傳輸稱為寬帶傳輸。n寬帶傳輸系統(tǒng)可以是模擬或數(shù)字傳輸系統(tǒng)。寬帶系統(tǒng)可寬帶傳輸

15、系統(tǒng)可以是模擬或數(shù)字傳輸系統(tǒng)。寬帶系統(tǒng)可容納全部的廣播信號(hào)，可以把聲音、圖像及數(shù)據(jù)等信息容納全部的廣播信號(hào)，可以把聲音、圖像及數(shù)據(jù)等信息綜合到一個(gè)物理信道進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸。綜合到一個(gè)物理信道進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸。n寬帶傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)是傳輸距離遠(yuǎn)，可達(dá)幾十公里，但技術(shù)寬帶傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)是傳輸距離遠(yuǎn)，可達(dá)幾十公里，但技術(shù)復(fù)雜，傳輸成本較高復(fù)雜，傳輸成本較高 。數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐郊夹g(shù) v通信雙方在發(fā)送接收比特序列時(shí)，要求接收端按通信雙方在發(fā)送接收比特序列時(shí)，要求接收端按照發(fā)送端所發(fā)送的二進(jìn)制位的傳送頻率和起止時(shí)照發(fā)送端所發(fā)送的二進(jìn)制位的傳送頻率和起止時(shí)間來(lái)接收數(shù)據(jù)，使收發(fā)兩端在時(shí)間基準(zhǔn)上保持一間來(lái)接收數(shù)據(jù)，使收發(fā)兩

16、端在時(shí)間基準(zhǔn)上保持一致，我們把這種協(xié)調(diào)一致的通信過(guò)程稱為同步。致，我們把這種協(xié)調(diào)一致的通信過(guò)程稱為同步。 v同步最基本的單位是字符同步，可以有異步傳輸同步最基本的單位是字符同步，可以有異步傳輸和同步傳輸兩種方式。和同步傳輸兩種方式。數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐郊夹g(shù)v異步傳輸（異步傳輸（Asynchronous TransmissionAsynchronous Transmission）n不發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，信道一直處于高電平狀態(tài)，每傳送一個(gè)不發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，信道一直處于高電平狀態(tài)，每傳送一個(gè)字符（字符（7 7位或位或8 8位）都要在字符前加位）都要在字符前加1 1個(gè)起始位（起始位個(gè)起始位（起始位為低電平），表示字符的

17、開(kāi)始，在字符代碼和校驗(yàn)碼后為低電平），表示字符的開(kāi)始，在字符代碼和校驗(yàn)碼后面加面加1 1或或2 2位停止位（停止位為高電平），表示字符結(jié)位停止位（停止位為高電平），表示字符結(jié)束。接收方根據(jù)這種規(guī)則進(jìn)行同步。束。接收方根據(jù)這種規(guī)則進(jìn)行同步。 圖3-8異步傳輸方式數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐郊夹g(shù)v同步傳輸（同步傳輸（Synchronous TransmissionSynchronous Transmission） n是以數(shù)據(jù)塊（一組字符或比特流）為單位進(jìn)行傳輸?shù)?。是以?shù)據(jù)塊（一組字符或比特流）為單位進(jìn)行傳輸?shù)摹Ｔ跀?shù)據(jù)塊之前先發(fā)送一個(gè)或多個(gè)同步字符在數(shù)據(jù)塊之前先發(fā)送一個(gè)或多個(gè)同步字符SYNSYN，用于，用于接收方進(jìn)行同步檢測(cè)，從而使通信雙方進(jìn)入同步狀態(tài)。接收方進(jìn)行同步檢測(cè)，從而使通信雙方進(jìn)入同步狀態(tài)。在同步字符之后，可以連續(xù)發(fā)送任意多個(gè)字符或數(shù)據(jù)塊，在同步字符之后，可以連續(xù)發(fā)送任意多個(gè)字符或數(shù)據(jù)塊，發(fā)送完畢，再使用同步字符來(lái)標(biāo)識(shí)整個(gè)發(fā)送過(guò)程結(jié)束發(fā)送完畢，再使用同步字符來(lái)標(biāo)識(shí)整個(gè)發(fā)送過(guò)程結(jié)束 。圖3-9同步傳輸方式數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐郊夹g(shù)v異步、同