計算機網絡2(吳功宜)-第3章-補充內容數(shù)據(jù)編碼技術

計算機網絡2(吳功宜)___第3章_補充內容數(shù)據(jù)編碼技術第一頁，共54頁。數(shù)據(jù)編碼技術1、數(shù)據(jù)編碼類型模擬數(shù)據(jù)編碼數(shù)字數(shù)據(jù)編碼非歸零碼曼徹斯特編碼差分曼徹斯特編碼數(shù)據(jù)編碼方式振幅鍵控ASK移頻鍵控FSK移相鍵控PSK信道：模擬通信信道和數(shù)字通信信道。電話通信信道第二頁，共54頁。數(shù)據(jù)的編碼和調制技術在計算機中，數(shù)據(jù)是以離散的二進制“0”、“1”比特序列方式表示的。計算機數(shù)據(jù)在傳輸過程中的數(shù)據(jù)編碼類型主要取決于它采用的通信信道所支持的數(shù)據(jù)通信類型。通信信道分為模擬信道和數(shù)字信道，而依賴于信道傳輸?shù)臄?shù)據(jù)也分為模擬數(shù)據(jù)與數(shù)字數(shù)據(jù)。因此，數(shù)據(jù)的編碼方法包括數(shù)字數(shù)據(jù)的編碼與調制和模擬數(shù)據(jù)的編碼與調制。第三頁，共54頁。數(shù)字數(shù)據(jù)的調制傳統(tǒng)的電話通信信道是為傳輸語音信號設計的，用于傳輸音頻300Hz～3400Hz的模擬信號，不能直接傳輸數(shù)字數(shù)據(jù)。為了利用模擬語音通信的電話交換網實現(xiàn)計算機的數(shù)字數(shù)據(jù)的傳輸，必須首先將數(shù)字信號轉換成模擬信號，也就是要對數(shù)字數(shù)據(jù)進行調制。發(fā)送端將數(shù)字數(shù)據(jù)信號變換成模擬數(shù)據(jù)信號的過程稱為調制（Modulation），調制設備就稱為調制器（Modulator）；接收端將模擬數(shù)據(jù)信號還原成數(shù)字數(shù)據(jù)信號的過程稱為解調（Demodulation），解調設備就稱為解調器（Demodulator）。若進行數(shù)據(jù)通信的發(fā)送端和接收端以雙工方式進行通信時，就需要同時具備調制和解調功能的設備，稱為調制解調器（Modem）。對數(shù)字數(shù)據(jù)調制的基本方法有三種：幅移鍵控、頻移鍵控和相移鍵控。第四頁，共54頁。在調制過程中，選擇音頻范圍內的某一角頻率ω的正（余）弦信號作為載波，該正（余）弦信號可以寫為：

u（t）=um·sin（ωt+φ0）3個可以改變的電參量：—振幅um

—角頻率ω—相位φ可以通過變化3個電參量，來實現(xiàn)模擬數(shù)據(jù)信號編碼的目的。數(shù)字數(shù)據(jù)的調制第五頁，共54頁。幅移鍵控、頻移鍵控和相移鍵控幅移鍵控ASK（AmplitudeShiftKeying）ASK是通過改變載波信號的幅度值表示數(shù)字信號“1”、“0”，以幅度A1表示數(shù)字信號的“1”，用載波幅度A2表示數(shù)字信號的“0”（通常A1取1，A2取0），而載波信號的參數(shù)f和φ恒定。頻移鍵控FSK（FrequencyShiftKeying）FSK是通過改變載波信號頻率的方法表示數(shù)字信號“1”、“0”，用f1表示數(shù)字信號“1”，用f2表示數(shù)字信號“0”，而載波信號的A和φ不變。相移鍵控PSK（PhaseShiftKeying）PSK是通過改變載波信號的相位值表示數(shù)字信號“1”、“0”，而載波信號的A和f不變。PSK包括兩種類型：絕對調相絕對調相使用相位的絕對值，φ為0表示數(shù)字信號“1”，、φ為π表示數(shù)字信號“0”。相對調相相對調相使用相位的相對偏移值，當數(shù)字數(shù)據(jù)為0時，相位不變化，而數(shù)字數(shù)據(jù)為1時，相位要偏移π。第六頁，共54頁。數(shù)字數(shù)據(jù)的調制示例第七頁，共54頁。多相調制ASK、FSK和PSK都是最基本的調制技術，實現(xiàn)容易，技術簡單，抗干擾能力差，調制速率不高，為了提高數(shù)據(jù)傳輸速率，也可以采用多相調制的方法。例如，將待發(fā)送的數(shù)字信號按2個比特一組的方式組織，因為2個比特可以有4種組合方式，即“00、01、10、11”四個碼元，所以用4個不同的相位值就可以表示出這4組組合。在調相信號傳輸過程中，相位每改變一次，傳送兩個二進制比特，這種調制方法就稱為四相相移鍵控。第八頁，共54頁?；旌险{相為了達到更高的信息傳輸速率，采用多元制的振幅相位混合調制技術，比如正交振幅調制QAM（QuadratureAmplitudeModulation），它不但使用相位，而且還使用幅度：8-QAM使用了幅度與相位的8種組合，由于使用3個比特可以表示8種組合，因此，每一種組合代表一個碼元，每個碼元3個比特。16-QAM的幅度和相位有16種組合，每個組合代表一個碼元，每個碼元4個比特。第九頁，共54頁。數(shù)字數(shù)據(jù)的編碼利用數(shù)字通信信道直接傳輸數(shù)字數(shù)據(jù)信號的方法稱作數(shù)字信號的基帶傳輸，而數(shù)字數(shù)據(jù)在傳輸之前，需要進行數(shù)字編碼。數(shù)字數(shù)據(jù)的編碼方式有三種：不歸零碼、曼徹斯特編碼和差分曼徹斯特編碼。不歸零編碼（Non-ReturntoZero，NRZ）NRZ編碼規(guī)定可用負電平表示邏輯“0”，用正電平表示邏輯“1”，反之亦然。原碼：10110010第十頁，共54頁。數(shù)字數(shù)據(jù)的編碼曼徹斯特編碼（Manchester）曼徹斯特編碼是目前應用最廣泛的編碼方法之一，其特點是每一位二進制信號的中間都有跳變，若從低電平跳變到高電平，就表示數(shù)字信號“1”，若從高電平跳變到低電平，就表示數(shù)字信號“0”；差分曼徹斯特編碼（DifferenceManchester）差分曼徹斯特編碼是對曼徹斯特編碼的改進。其特點是每一位二進制信號的跳變依然提供收發(fā)端之間的同步，但每位二進制數(shù)據(jù)的取值，要根據(jù)其開始邊界是否發(fā)生跳變來決定，若一個比特開始處存在跳變則表示“0”，無跳變則表示“1”。第十一頁，共54頁。數(shù)字數(shù)據(jù)編碼的示例第十二頁，共54頁。信道的最高碼元傳輸速率任何實際的信道都不是理想的，在傳輸信號時會產生各種失真以及帶來多種干擾。

碼元傳輸?shù)乃俾试礁?，或信號傳輸?shù)木嚯x越遠，在信道的輸出端的波形的失真就越嚴重。第十三頁，共54頁。數(shù)字信號通過實際的信道失真不嚴重失真嚴重實際的信道（帶寬受限、有噪聲、干擾和失真）輸入信號波形輸出信號波形(失真不嚴重)輸入信號波形實際的信道（帶寬受限、有噪聲、干擾和失真）輸出信號波形(失真嚴重)第十四頁，共54頁。奈氏(Nyquist)準則每赫帶寬的理想低通信道的最高碼元傳輸速率是每秒

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個碼元。Baud是波特，是碼元傳輸速率的單位，1波特為每秒傳送1個碼元。理想低通信道的最高碼元傳輸速率=2WBaudW是理想低通信道的帶寬，單位為赫(Hz)不能通過能通過0頻率(Hz)W(Hz)第十五頁，共54頁。另一種形式的奈氏準則每赫帶寬的理想低通信道的最高碼元傳輸速率是每秒

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個碼元。理想帶通特性信道的最高碼元傳輸速率=WBaudW是理想帶通信道的帶寬，單位為赫(Hz)不能通過能通過0頻率(Hz)W(Hz)不能通過第十六頁，共54頁。要強調以下兩點實際的信道所能傳輸?shù)淖罡叽a元速率，要明顯地低于奈氏準則給出上限數(shù)值。波特(Baud)和比特(bit)是兩個不同的概念。波特是碼元傳輸?shù)乃俾蕟挝唬棵雮鞫嗌賯€碼元）。碼元傳輸速率也稱為調制速率、波形速率或符號速率。比特是信息量的單位。

第十七頁，共54頁。要注意信息的傳輸速率“比特/秒”與碼元的傳輸速率“波特”在數(shù)量上卻有一定的關系。若1個碼元只攜帶1bit的信息量，則“比特/秒”和“波特”在數(shù)值上相等。若1個碼元攜帶nbit的信息量，則MBaud的碼元傳輸速率所對應的信息傳輸速率為M

nb/s。第十八頁，共54頁。信道的極限信息傳輸速率香農(Shannon)用信息論的理論推導出了帶寬受限且有高斯白噪聲干擾的信道的極限、無差錯的信息傳輸速率。信道的極限信息傳輸速率C可表達為C=Wlog2(1+S/N)b/sW為信道的帶寬（以Hz為單位）；S為信道內所傳信號的平均功率；N為信道內部的高斯噪聲功率。

第十九頁，共54頁。香農公式表明信道的帶寬或信道中的信噪比越大，則信息的極限傳輸速率就越高。只要信息傳輸速率低于信道的極限信息傳輸速率，就一定可以找到某種辦法來實現(xiàn)無差錯的傳輸。若信道帶寬W或信噪比S/N沒有上限（當然實際信道不可能是這樣的），則信道的極限信息傳輸速率C也就沒有上限。實際信道上能夠達到的信息傳輸速率要比香農的極限傳輸速率低不少。第二十頁，共54頁。奈氏準則和香農公式

在數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中的作用范圍源系統(tǒng)傳輸系統(tǒng)目的系統(tǒng)傳輸系統(tǒng)源點終點發(fā)送器接收器輸入信息輸出信息輸入數(shù)據(jù)輸出數(shù)據(jù)發(fā)送的信號接收的信號碼元傳輸速率受奈氏準則的限制信息傳輸速率受香農公式的限制第二十一頁，共54頁。模擬數(shù)據(jù)調制為數(shù)字信號在模擬數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中，信源的信息經過轉換，形成電信號，比如人說話的聲音經過電話轉變?yōu)槟M的電信號，這也是模擬數(shù)據(jù)的基帶信號。模擬數(shù)據(jù)的基帶信號具有比較低的頻率，不宜直接在信道中傳輸，而數(shù)字信號傳輸失真小、誤碼率低、數(shù)據(jù)傳輸速率高，因此在網絡中除計算機直接產生的數(shù)字信號外，語音、圖像信息必須數(shù)字化處理，需要對信號進行調制，將信號搬移到適合信道傳輸?shù)念l率范圍內，接收端將接收的已調信號再搬回到原來信號的頻率范圍內，恢復成原來的消息，比如無線電廣播。第二十二頁，共54頁。PCM技術脈沖編碼調制PCM（PulseCodeModulation）是模擬數(shù)據(jù)數(shù)字化的主要方法。PCM技術的典型應用是語音數(shù)字化。在發(fā)送端通過PCM編碼器將語音數(shù)據(jù)變換為數(shù)字化的語音信號，通過通信信道傳送到接收方，接收方再通過PCM解碼器還原成模擬語音信號。語音數(shù)據(jù)數(shù)字化后，其傳輸速率高、失真小，可以存儲在計算機中，進行必要的處理。因此在網絡與通信的發(fā)展中語音數(shù)字化成為重要的部分。第二十三頁，共54頁。PCM的工作原理脈沖編碼調制包括三部分：采樣、量化和編碼。采樣：每隔一定的時間間隔，采集模擬信號的瞬時電平值做為樣本，表示模擬數(shù)據(jù)在某一區(qū)間隨時間變化的值。量化：量化是將取樣樣本幅度按量化級決定取值的過程。量化級可以分為8級、16級，或者更多的量化級，這取決于系統(tǒng)的精確度要求。編碼：編碼是用相應位數(shù)的二進制代碼表示量化后的采樣樣本的量級。第二十四頁，共54頁。PCM的工作過程3.23.92.83.41.24.2433140111000110110011001001100采樣信號：基于nyquist理論原始信號PAM脈沖（采樣）PCM脈沖（量化）有量化差錯PCM輸出（編碼）3第二十五頁，共54頁。PCM的工作過程第二十六頁，共54頁。PCM的工作過程3.23.92.83.41.24.2433140111000110110011001001100采樣信號：基于nyquist理論原始信號PAM脈沖（采樣）PCM脈沖（量化）有量化差錯PCM輸出（編碼）Nyquist理論在理想的無噪聲信道，若f是傳輸媒體的最大傳輸頻率,采樣頻率為2*f時，接收方才可以從采樣脈沖信號中完全恢復原信號Nyquist,1920第二十七頁，共54頁。PCM編碼的典型應用第二十八頁，共54頁。調制解調器Modem是為數(shù)字信號在具有有限帶寬的模擬信道上進行遠距離傳輸而設計的，是一種數(shù)據(jù)通信設備DCE。其主要功能是進行信號的調制和解調，在DTE和模擬傳輸線路之間起到數(shù)字信號與模擬信號之間的轉換作用。計算機也可以通過Modem的傳真和語音功能，發(fā)送傳真以及提供電話錄音留言和全雙工的免持聽筒服務。公用電話網調制解調器計算機計算機調制解調器DTEDCEDCEDTERS-232CRS-232C第二十九頁，共54頁。調制解調器的組成Modem一般由基帶處理、調制解調、信號放大和濾波、均衡等幾部分組成。調制——把數(shù)字信號轉換為模擬信號的過程。解調——把模擬信號轉換為數(shù)字信號的過程。第三十頁，共54頁。調制解調器的分類一按通信設備分類可分為：撥號Modem撥號Modem主要用于公用電話網上傳輸數(shù)據(jù)。撥號Modem具有在性能指標較低的環(huán)境中進行有效操作的特殊性能。多數(shù)撥號Modem具備自動撥號、自動應答和自動拆線等功能。專線Modem專線Modem主要用在專用線路或租用線路上，它不必帶有自動應答和自動拆線功能。專線Modem的數(shù)據(jù)傳輸率比撥號Modem要高。第三十一頁，共54頁。調制解調器的分類二外置式Modem放置于機箱外，通過串行通訊口與主機連接。這種Modem方便靈巧、易于安裝，閃爍的指示燈便于監(jiān)視Modem的工作狀況。但外置式Modem需要使用額外的電源與電纜。

內置式Modem

內置式Modem在安裝時需要拆開機箱，并且要對中斷和COM口進行設置，安裝較為繁瑣。這種Modem要占用主板上的擴展槽，但無需額外的電源與電纜，且價格比外置式Modem要便宜一些。

按Modem與計算機的連接方式分類第三十二頁，共54頁。小結：數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的模型

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)送器接收器調制解調器PC機公用電話網調制解調器數(shù)字比特流數(shù)字比特流模擬信號模擬信號正文正文數(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機第三十三頁，共54頁。小結：模擬的和數(shù)字的數(shù)據(jù)、信號模擬數(shù)據(jù)模擬信號放大器調制器模擬數(shù)據(jù)數(shù)字信號

PCM編碼器數(shù)字數(shù)據(jù)模擬信號調制器數(shù)字數(shù)據(jù)數(shù)字信號數(shù)字發(fā)送器第三十四頁，共54頁。多路復用技術多路復用技術:就是使兩個或多個數(shù)據(jù)資源共享一個公共的傳輸介質，使得每一數(shù)據(jù)資源都有其自己的通道。通俗的說就是讓不同的計算機連接到相同的信道上共享信道資源。第三十五頁，共54頁。多路復用技術多路復用技術要解決的問題：實際上要解決如何在單一的物理通信線路上建立多條并行通信信道的問題。多路復用系統(tǒng)就是將一個區(qū)域的多個用戶的信息通過多路復用器進行匯集，然后將匯集的信息群通過一條物理線路傳遞到接收設備；接收設備通過多路復用器將信息群分離回原來的各個單獨的信息，然后分發(fā)到多個接收用戶。第三十六頁，共54頁。多路復用技術多路復用技術的基本原理是：各路信號在進入同一個有線的或無線的傳輸介質之前，先采用調制技術把它們調制為互相不會混淆的信號，然后進入傳輸介質傳送到對方。而對方再用解調（反調制）技術對這些信號加以區(qū)分，并使它們恢復成原來的信號，從而達到多路復用的目的。常用的多路復用技術有頻分多路復用、時分多路復用、波分多路復用和碼分多路復用。

第三十七頁，共54頁。頻分多路復用FDM（FrequencyDivisionMultiplexing）信道帶寬分割：在物理信道的可用帶寬超過單個原始信號所需帶寬情況下，可將該物理信道的總帶寬分割成若干個與傳輸單個信號帶寬相同(或略寬)的子信道，每個子信道傳輸一路信號，這就是頻分多路復用。頻譜搬移：多路原始信號在頻分復用前，先要通過頻譜搬移技術將各路信號的頻譜搬移到物理信道頻譜的不同段上，使各信號的帶寬不相互重疊，然后用不同的頻率調制每一個信號，每個信號要一個以它的載波頻率為中心的一定帶寬的通道。為了防止互相干擾，使用保護帶來隔離每一個通道。頻分多路復用主要應用于模擬信號。第三十八頁，共54頁。FDM原理示意圖第三十九頁，共54頁。時分多路復用時分多路復用（TimeDivisionMultiplexing，TDM）是各路信號在同一信道上占有不同時間間隙進行通信。由前述的抽樣理論可知，抽樣的一個重要作用，是將時間上連續(xù)的信號變成時間上離散的信號，其在信道上占用時間的有限性，為多路信號沿同一信道傳輸提供了條件。具體說，就是把時間分成一些均勻的時間間隙，將各路信號的傳輸時間分配在不同的時間間隙，以達到互相分開，互不干擾的目的。時分多路復用用于數(shù)字信道的復用，例如PCM通信。第四十頁，共54頁。TDM原理示意圖第四十一頁，共54頁。同步時分復用采用固定時間片分配方式，即將傳輸信號的時間按特定長度連續(xù)地劃分成特定時間段(一個周期)，再將每一時間段劃分成等長度的多個時隙，每個時隙以固定的方式分配給各路數(shù)字信號，各路數(shù)字信號在每時間段都順序分配到一個時隙。時分多路復用又分為同步時分復用(SynchronousTimeDivisionMultiplexing,STDM)和異步時分復用(AsynchronousTimeDivisionMultiplexing,ATDM)第四十二頁，共54頁。同步時分復用由于在同步時分復用方式中，時隙預先分配且固定不變，無論時隙擁有者是否傳輸數(shù)據(jù)都占有一定時隙，形成了時隙浪費，其時隙的利用率很低。第四十三頁，共54頁。TDM—異步時分復用ATDM異步時分復用又被稱為統(tǒng)計時分復用，它能動態(tài)地按需分配時隙，以避免每個時間段中出現(xiàn)空閑時隙。ATDM就是只有某一路用戶有數(shù)據(jù)要發(fā)送時才把時隙分配給它。當用戶暫停發(fā)送數(shù)據(jù)時，則不給它分配時隙。電路的空閑時隙可用于其他用戶的數(shù)據(jù)傳輸。在所有的數(shù)據(jù)幀中，除最后一個幀外，其他所有幀均不會出現(xiàn)空閑的時隙，從而提高了資源的利用率，也提高了傳輸速率。第四十四頁，共54頁。波分多路復用WDMWDM主要用于全光纖網組成的通信系統(tǒng)。波分復用就是光的頻分復用。人們借用傳統(tǒng)的載波電話的頻分復用的概念，可以做到使用一根光纖來同時傳輸多個頻率很接近的光載波信號,提高了光纖的傳輸能力。最初，在一根光纖上只能復用兩路光載波信號，隨著技術的發(fā)展，在一根光纖上復用的路數(shù)越來越多?，F(xiàn)在已達到在一根光纖上復用80路或更多路數(shù)的光載波信號，這種復用方式就是密集波分復用DWDM(DenseWavelengthDivisionMultiplexing)。第四十五頁，共54頁。波分復用原理圖第四十六頁，共54頁。波分復用波分復用的技術特點與優(yōu)勢如下：

可靈活增加光纖傳輸容量同時傳輸多路信號

成本低、維護方便、可靠性高，應用廣泛第四十七頁，共54頁。時分多路復用案例---貝爾系統(tǒng)的T1載波T1載波也叫一次群。24路音頻信道按照時分多路的原理復用在一條1.544Mb/s的通信線路上；該系統(tǒng)在北美和日本被廣泛使用。每路音頻模擬信號在送到多路復用器之前，要通過一個PCM編碼器；編碼器每秒取樣8000次；24路PCM信號的每一路輪流將一個字節(jié)插入到幀中；每個字節(jié)的長度為8位，其中7位是數(shù)據(jù)位，1位用于信道控制；每幀由24×8=192位組成，附加一位作為幀開始標志位，所以每幀共有193位；發(fā)送一幀需要125毫秒；T1載波的數(shù)據(jù)傳輸速率為1.544Mb/s。第四十八頁，共54頁。同步光纖網SONET和

同步數(shù)字系列SDH舊的數(shù)字傳輸系統(tǒng)存在著許多缺點。其中最主要的是以下兩個方面：數(shù)據(jù)傳輸速率標準不統(tǒng)一,存在著T1與E1兩個互不兼容的標準，在高次群的速率方面，日本又使用了第三種不兼容的標準；如果不對高次群的數(shù)字傳輸速率進行標準化，國際范圍的高速數(shù)據(jù)傳輸就很難實現(xiàn)光設備接口標準不規(guī)范，沒有國際的標準規(guī)范，各個廠家使用自己標準；不是同步傳輸。在過去相當長的時間，為了節(jié)約經費，各國的數(shù)字網主要是采用準同步方式。

第四十九頁，共54頁。同步光纖網SONET同步光纖網的概念由美國貝爾通信研究所首先提出來；設計同步光纖網的目的是解決光接口標準規(guī)范問題，定義同步傳輸?shù)木€路速率的等級體系，以使不同的廠家的產品可以互連，從而能夠建立大型的光纖網絡；同步光纖網SONET(Synchr