數(shù)據(jù)通信的基本概念1

教學(xué)對(duì)象教學(xué)時(shí)間年月日

第2章數(shù)據(jù)通信

教學(xué)內(nèi)容

2.1數(shù)據(jù)通信的基本概念

通過本節(jié)內(nèi)容的學(xué)習(xí)，能夠正確理解數(shù)據(jù)通信的相關(guān)概念，掌握通信系統(tǒng)

教學(xué)目的

模型，深刻把握數(shù)字化是信息社會(huì)發(fā)展的必然趨勢(shì)的原因.

教學(xué)重點(diǎn)數(shù)據(jù)、信息、信號(hào)的定義；通信模型；模擬傳輸與數(shù)字傳輸?shù)膮^(qū)別。

教學(xué)難點(diǎn)理解模擬傳輸與數(shù)字傳輸?shù)倪^程、優(yōu)缺點(diǎn)和二者的區(qū)別。

建議學(xué)時(shí)1學(xué)時(shí)教學(xué)教具多媒體教學(xué)系統(tǒng)

教學(xué)方法講授(PPT)

2.1.1數(shù)據(jù)、信息和信號(hào)

2.1.2通信系統(tǒng)模型

演示設(shè)計(jì)2.1.3數(shù)據(jù)傳輸方式

2.1.4物理信道的連接方式

板書設(shè)計(jì)2.1.5串行通信與并行通信

2.1.6數(shù)據(jù)通信方式

2.1.7數(shù)字化是信息社會(huì)發(fā)展的必然趨勢(shì)

教學(xué)過程

介紹本章在整個(gè)課程中的基礎(chǔ)地位：

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是計(jì)算機(jī)技術(shù)與通信技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物；

本章介紹了數(shù)據(jù)通信的基本概念、基本原理和實(shí)用技術(shù)，是后面章節(jié)

的理論基礎(chǔ)；

數(shù)據(jù)通信技術(shù)在迅速發(fā)展。

提出學(xué)習(xí)要求：

(1)牢固掌握數(shù)據(jù)通信的基本概念；

(2)理解數(shù)據(jù)通信的基本原理；

(3)掌握數(shù)據(jù)通信的實(shí)用技術(shù)；

課程導(dǎo)入(4)了解通信技術(shù)最新發(fā)展動(dòng)向，培養(yǎng)快速跟蹤網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展的知

識(shí)基礎(chǔ)與能力。

提問：數(shù)據(jù)與信息有什么關(guān)系？

2.1數(shù)據(jù)通信的基本概念

2.1.1數(shù)據(jù)、信息和信號(hào)

通信是為了交換信息(Information)。信息的載體可以是數(shù)字、文字、語音、圖形和圖

像，我們常稱它們?yōu)閿?shù)據(jù)(Data)。數(shù)據(jù)是對(duì)客觀事實(shí)進(jìn)行描述與記載的物理符號(hào)。信息是

數(shù)據(jù)的集合、含義與解釋。如對(duì)一個(gè)企業(yè)當(dāng)前生產(chǎn)各類經(jīng)營指標(biāo)的分析，可以得出企業(yè)生產(chǎn)

經(jīng)營狀況的若干信息。顯然，數(shù)據(jù)和信息的概念是相對(duì)的，甚至有時(shí)將兩者等同起來，此處

不多論述。

數(shù)據(jù)可分為模擬數(shù)據(jù)和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。模擬數(shù)據(jù)取連續(xù)值，數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)取離散值。在數(shù)據(jù)被傳

送之前，要變成適合于傳輸?shù)碾姶判盘?hào)：或是模擬信號(hào)，或是數(shù)字信號(hào)。所以，信號(hào)(Signal)

是數(shù)據(jù)的電磁波表示形式。模擬數(shù)據(jù)和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)都可用這兩種信號(hào)來及示。模擬信號(hào)是隨時(shí)

間連續(xù)變化的信號(hào)，這種信號(hào)的某種參量，如幅度、頻率或相位等可以表示要傳送的信息。

傳統(tǒng)的電話機(jī)送話器輸出的語音信號(hào)，電視攝像機(jī)產(chǎn)生的圖像信號(hào)以及廣播電視信號(hào)等都是

模擬信號(hào)。數(shù)字信號(hào)是離散信號(hào)，如計(jì)算機(jī)通信所用的二進(jìn)制代碼“0”和“1”組成的信號(hào)。

模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)的波形圖如圖2.1所示。

▲幅度

1.0,1.0

圖2.1模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)

(a)模擬信號(hào)(b)數(shù)字信號(hào)

和信號(hào)的這種分類相似，信道也可以分成傳送模擬信號(hào)的模擬信道和傳送數(shù)字信號(hào)的

數(shù)字信道兩大類。但是應(yīng)注意，數(shù)字信號(hào)在經(jīng)過數(shù)模變換后就可以在模擬信道上傳送，而

模擬信號(hào)在經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后也可以在數(shù)字信道上傳送。

2.1.2通信系統(tǒng)模型

通信系統(tǒng)的模型如圖2.2所示，一般點(diǎn)到點(diǎn)的通信系統(tǒng)均可用此圖表示。圖中,信源是

產(chǎn)生和發(fā)送信息的一端，信宿是接受信息的一端。變換器和反變換器均是進(jìn)行信號(hào)變換的設(shè)

備，在實(shí)際的通信系統(tǒng)中有各種具體的設(shè)備名稱。如信源發(fā)出的是數(shù)字信號(hào)，當(dāng)要采用模擬

信號(hào)傳輸時(shí)，則要將數(shù)字信號(hào)變成模擬信號(hào)，則用所謂的調(diào)制器來實(shí)現(xiàn)，而接收端要將模擬

信號(hào)反變換為數(shù)字信號(hào)，則用解調(diào)器來實(shí)現(xiàn)。在通信中常要進(jìn)行兩個(gè)方向的通信，故將調(diào)制

器與解調(diào)器做成一個(gè)設(shè)備，稱為調(diào)制解調(diào)器，具有將數(shù)字信號(hào)變換為模擬信號(hào)以及將模擬信

號(hào)恢復(fù)為數(shù)字信號(hào)的兩種功能。當(dāng)信源發(fā)出的為模擬信號(hào)，而要以數(shù)字信號(hào)的形式傳輸時(shí)，

則要將模擬信號(hào)變換為數(shù)字信號(hào)，通常是通過所謂的編碼器來實(shí)現(xiàn)，到達(dá)接收端后再經(jīng)過解

碼器將數(shù)字信號(hào)恢復(fù)為原來的模擬信號(hào)。實(shí)際上，也是考慮到?般為雙向通信，故將編碼器

與解碼器做成一個(gè)設(shè)備，稱為編碼解碼器。信道?般用來表示向某??個(gè)方向傳送信息的媒

體。因此，一條通信線路往往包含一條發(fā)送信道和一條接受信道。一個(gè)信道可以看成是?條

線路。止匕外，信息在信道中傳輸時(shí)，可能會(huì)受到外界的干擾，我們稱之為噪聲。如信號(hào)在無

屏蔽雙絞線中傳輸會(huì)受到電磁場的干擾。

恰.“卜"?變換器,n侑道-n反交換器.卜留信宿一

(二)~~：)

Y16sligy

發(fā)送肉味聲源?I接收梅

圖2.2通信系統(tǒng)的模型

由上可見，無論信源產(chǎn)生的是模擬數(shù)據(jù)還是數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，在傳輸過程中都要變成適合信道

傳輸?shù)男盘?hào)形式。在模擬信道中傳輸?shù)氖悄M信號(hào)，在數(shù)字信道中傳輸?shù)氖菙?shù)字信號(hào)。

2.1.3數(shù)據(jù)傳輸方式

1.模擬傳輸

模擬傳輸指信道中傳輸?shù)臑槟M信號(hào)。當(dāng)傳輸?shù)氖悄M信號(hào)時(shí)，可以直接進(jìn)行傳輸。當(dāng)

傳輸?shù)氖菙?shù)字信號(hào)時(shí)，進(jìn)入信道前要經(jīng)過調(diào)制解調(diào)器調(diào)制，變換為模擬信號(hào)。如圖2.3所示,

（a）為當(dāng)信源為模擬數(shù)據(jù)時(shí)的模擬傳輸，（b）為當(dāng)信源為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)時(shí)的模擬傳輸。其主要

優(yōu)點(diǎn)在于信道的利用率較高，但是其在傳輸過程中信號(hào)會(huì)衰減，會(huì)受到噪聲干擾，且信號(hào)放

大時(shí)噪聲也會(huì)放大。

圖2.3模擬傳輸

（a）信源為模擬數(shù)據(jù)（b）信源為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)

2.數(shù)字傳輸

數(shù)字傳輸指信道中傳輸?shù)臑閿?shù)字信號(hào)。當(dāng)傳輸?shù)男盘?hào)是數(shù)字信號(hào)時(shí),可以直接進(jìn)行傳輸。

當(dāng)傳輸?shù)氖悄M信號(hào)時(shí)，進(jìn)入信道前要經(jīng)過編碼解碼器編碼，變換為數(shù)字信號(hào)。如圖2.4所

示，（a）為當(dāng)信源為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)時(shí)的數(shù)字傳輸，（b）為當(dāng)信源為模擬數(shù)據(jù)時(shí)的數(shù)字傳輸。其主

要優(yōu)點(diǎn)在于數(shù)字信號(hào)只取有離散值，在傳輸過程中即使受到噪聲的干擾，只要沒有畸變到不

可辨識(shí)的程度，均可用信號(hào)再生的方法進(jìn)行恢復(fù)，也即信號(hào)傳輸不失真，誤碼率低，能被復(fù)

用和有效地利用設(shè)備，但是傳輸數(shù)字信號(hào)比傳輸模擬信號(hào)所要求的頻帶要寬的多，因此數(shù)字

傳輸?shù)男诺览寐瘦^低。

信?

2.1.4物理信道的連接方式

1.點(diǎn)到點(diǎn)連接方式

終端（或計(jì)算機(jī)）與計(jì)算機(jī)之間可以直接地或者通過調(diào)制解調(diào)器，用線路（撥號(hào)線路或

專用線路）進(jìn)行連接。當(dāng)兩者之間的通信量較大時(shí)，可采用這種點(diǎn)到點(diǎn)的連接方式。

2.多點(diǎn)連接方式

為了提高物理信號(hào)的利用率，當(dāng)終端（或計(jì)算機(jī)）與計(jì)算機(jī)之間的通信量不大時(shí)，可選

用多點(diǎn)方式。即多個(gè)終端（或計(jì)算機(jī)）通過條公用總線直接或通過調(diào)制解調(diào)器與計(jì)算機(jī)相

連，如圖2.5（a）所示。在該方式中，圖中左側(cè)的計(jì)算機(jī)作為主站，其他各終端（或計(jì)算機(jī)）

均為從站，由主站統(tǒng)一控制公用總線的使用，各終端（或計(jì)算機(jī)）信息的收和發(fā)，都是在總

站的控制下進(jìn)行的，終端（或計(jì)算機(jī)）不能任意發(fā)送信息，否則將在公用總線上發(fā)生信號(hào)沖

突。

3.集中式連接

當(dāng)有多個(gè)相距不遠(yuǎn)的終端（或計(jì)算機(jī)）都要求與遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)通信時(shí)，為了節(jié)省傳輸信道,

可先將多個(gè)相距不遠(yuǎn)的終端連接到多路復(fù)用器或集線器上，再用一條傳輸線路將復(fù)用器或集

線器與計(jì)算機(jī)相連，如圖2.5（b）所示。圖中M代表調(diào)制解調(diào)器，T代表終端。如果計(jì)算

機(jī)到集線器或終端到集線器均采用雙絞線連接，并且小于100米時(shí)，則可直接相連，而不要

加調(diào)制解調(diào)器。

圖2.5物理信道的連接方式

（a）多點(diǎn)連接（b）集中式連接

2.1.5串行通信與并行通信

串行通信指數(shù)據(jù)流一位一位地傳送，從發(fā)送端到接收端只要一根傳輸線即可，易于實(shí)

現(xiàn)。并行通信是一次同時(shí)傳送一個(gè)字節(jié)（字符），即8個(gè)碼元。并行傳送傳輸速率高，但傳

輸設(shè)備要增加7倍，一般用于近距離范圍要求快速傳送的地方.如計(jì)算機(jī)與輸出設(shè)備打印機(jī)

的通信一般是采用并行傳送。串行傳送雖然速率低，但節(jié)省設(shè)備，是目前主要采用的?種傳

輸方式，特別是在遠(yuǎn)程通信中一般采用串行通信方式。

在串行通信中，收、發(fā)雙方存在著如何保持比特與字符同步的問題，而在并行傳輸中，

一次傳送一個(gè)字符，因此收、發(fā)雙方不存在字符同步問題。串行通信的發(fā)送端要將計(jì)算機(jī)中

的字符進(jìn)行并/串變換，在接收端再通過串/并變換，還原成計(jì)算機(jī)的字符結(jié)構(gòu)。

2.1.6數(shù)據(jù)通信方式

[.單工、半雙工與全雙工通信

（1）單〉通信方式。在單工信道上信息只能在一個(gè)方向傳送。發(fā)送方不能接收，接受

方不能發(fā)送。信道的全部帶寬都用于由發(fā)送方到接收方的數(shù)據(jù)傳送。無線電廣播和電視廣播

都是單工傳送的例子。

（2）半雙工通信方式。在半雙工信道上，通信雙方可以交替發(fā)送和接收信息，但不能

同時(shí)發(fā)送和接收。在一段時(shí)間內(nèi)，信道的全部帶寬用于一個(gè)方向上的信息傳遞。航空和航海

無線電臺(tái)以及對(duì)講機(jī)等都是這種方式通信的。這種方式要求通信雙方都有發(fā)送和接收能力，

又有雙向傳送信息的能力，因而比單工通信設(shè)備昂貴，但比全雙工便宜。在要求不很高的場

合，多采用這種通信方式。

（3）全雙工通信方式。這是一?種可同時(shí)進(jìn)行信息的傳遞的通信方式?，F(xiàn)代的電話通信

都是采用這種方式。其要求通信雙方都有發(fā)送和接收設(shè)備，而且要求信道能提供雙向傳輸?shù)?/p>

雙倍帶寬，所以全雙工通信設(shè)備較昂貴。

2.異步傳輸和同步傳輸

在通信過程中，發(fā)送方和接收方必須在時(shí)間上保持步調(diào)一致，亦即同步，才能準(zhǔn)確的傳

送信息。解決的方法時(shí)，要求接收端根據(jù)發(fā)送數(shù)據(jù)的起止時(shí)間和時(shí)鐘頻率，來校正自己的時(shí)

間基準(zhǔn)與時(shí)鐘頻率。這個(gè)過程叫位同步或內(nèi)無同步。在傳送由多個(gè)碼元組成的字符以及由許

多字符組成的數(shù)據(jù)塊時(shí),通信雙方也要就信息的起止時(shí)間取得一致，這種同步作用有兩種不

同的方式，因而也就對(duì)應(yīng)了兩種不同的傳輸方式。

（1）異步傳輸

異步傳輸即把各個(gè)字符分開傳輸，字符與字符之間插入同步信息。這種方式也叫起止式,

即在組成一個(gè)字符的所有位前后分別插入起止位，如圖2.6所示。起始位（0）對(duì)接收方的

時(shí)鐘起置位作用。接收方時(shí)鐘置位后只要在8?11位的傳送時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)確，就能正確的接收該

字符。最后的終止位告訴接收者該字符傳送結(jié)束，然后接收方就能識(shí)別后續(xù)字符的起始位。

當(dāng)沒有字符傳送時(shí)，連續(xù)傳送終止位（1）。加入校驗(yàn)位的目的是檢查傳輸中的錯(cuò)誤，一般使

用奇偶校驗(yàn)。

］偵.7位.］住?I彼?

起始位，字符??校驗(yàn)一終止位.

圖2.6異步傳輸

（2）同步傳輸

異步傳輸不適合于傳送大的數(shù)據(jù)塊，例如磁盤文件。同步傳輸在傳送連續(xù)的數(shù)據(jù)塊時(shí)比

異步傳輸更有效。按這種方式，發(fā)送方在發(fā)送數(shù)據(jù)之前先發(fā)送一串同步字符SYN（編碼為

0010110）,接收方只要檢測(cè)到兩個(gè)以上SYN字符確認(rèn)已進(jìn)入同步狀態(tài)，準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)，隨

后雙方以同一頻率工作（數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)信號(hào)編碼的定時(shí)作用也表現(xiàn)在這里），直到傳送完指示數(shù)

據(jù)結(jié)束的控制字符，如圖2.7所示。這種方式僅在數(shù)據(jù)塊前加入控制字符SYN,所以效率更

高，但實(shí)現(xiàn)起來較復(fù)雜。在短距離高速數(shù)據(jù)傳輸中，多采用同步傳輸方式。

第一數(shù)鋸塊第二數(shù)據(jù)塊

圖2.7同步傳輸*

2.1.7數(shù)字化是信息社會(huì)發(fā)展的必然趨勢(shì)

數(shù)字化是信息社會(huì)發(fā)展的大趨勢(shì)，主要原因如下。

1數(shù)字通信比模擬通信更具優(yōu)勢(shì)

模擬通信藕在傳輸贏的信號(hào)過程中，噪聲將疊加在有用的模擬信號(hào)上，接收端很難

將信號(hào)和噪聲分開，因而模擬通信系統(tǒng)的抗干擾能力比較差。相反，數(shù)字通信系統(tǒng)傳輸?shù)氖?/p>

二進(jìn)制信號(hào)，數(shù)據(jù)是介于數(shù)字脈沖波形的兩種狀態(tài)之中。在數(shù)字通信的接收端對(duì)每一個(gè)接收

信號(hào)進(jìn)行采樣并與某個(gè)門檻電平進(jìn)行比較，只要采樣時(shí)刻的信號(hào)電平不超過門檻電平，接收

端就不會(huì)形成錯(cuò)判，可以正確接收數(shù)據(jù)，而不受噪聲的影響。因此，數(shù)字通信系統(tǒng)比模擬通

信系統(tǒng)的抗干擾能力更強(qiáng)。

同樣，模擬通信時(shí)，噪聲是疊加在有用的模擬信號(hào)上，而通信系統(tǒng)中的模擬放大器無法

將有用的信號(hào)與噪聲分開，因此只好將有用信號(hào)和噪聲同時(shí)放大。隨著傳輸距離的增加以及

模擬放大器的增多，噪聲也會(huì)越來越大。因此模擬通信系統(tǒng)中噪聲的積累，對(duì)遠(yuǎn)距離通信的

質(zhì)量造成很大的影響。而數(shù)字通信系統(tǒng)則是采用再生中繼器的方法，在傳輸過程中信號(hào)所受

到的噪聲干擾經(jīng)過中繼器時(shí)就已經(jīng)被消除，然后再生器恢復(fù)出與原始信號(hào)相同的數(shù)字信號(hào)，

因而克服了模擬通信系統(tǒng)噪聲疊加的問題。因此數(shù)字通信系統(tǒng)比模擬通信系統(tǒng)可以更好地實(shí)

現(xiàn)高質(zhì)量的遠(yuǎn)距離通信，這也即數(shù)字電視比模擬電視的圖像、聲音更清晰的原因。

同時(shí)由于數(shù)字通信系統(tǒng)中傳輸?shù)氖菙?shù)字信號(hào)，因而在傳輸過程中，可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行各種

數(shù)字處理：如存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)發(fā)、復(fù)制、壓縮、計(jì)算、加密、檢錯(cuò)、糾錯(cuò)等。但這些處理在模擬通

信系統(tǒng)中是很難實(shí)現(xiàn)的。正因?yàn)樵跀?shù)字通信系統(tǒng)中可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行各種處理，因而也就可以

在數(shù)字通信系統(tǒng)中采用復(fù)雜的、非線性的長周期的密碼序列對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行加密，從而使數(shù)

字通信具有高度的保密性。而且通過對(duì)數(shù)字信號(hào)使用合適的壓縮算法，使其在傳輸過程中獲

得更高的傳輸效率，在接收端再使用相應(yīng)的解壓縮算法，以恢復(fù)到壓縮前同樣的形式，這對(duì)

解決網(wǎng)絡(luò)通信中的擁塞控制也大有幫助。

2.數(shù)字機(jī)比模擬機(jī)使用更廣泛

電子計(jì)算機(jī)從原理上可分為模擬電子計(jì)算機(jī)和數(shù)字電子計(jì)算機(jī)。模擬電子計(jì)算機(jī)問世較

早，內(nèi)部所使用的是模擬信號(hào)，處理問題的精度差，所有的處理過程均需模擬電路來實(shí)現(xiàn)，

電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，抗外界干擾能力差，因此實(shí)際使用已越來越少。數(shù)字電子計(jì)算機(jī)是當(dāng)今世界

電子計(jì)算機(jī)行業(yè)中的主流，其內(nèi)部處理的是數(shù)字信號(hào)，它的主要特點(diǎn)是“離散”，在相鄰的兩

個(gè)符號(hào)之間不可能有第三種符號(hào)存在。由于這種處理信號(hào)的差異，使得它的組成結(jié)構(gòu)和性能

大大優(yōu)于模擬式電子計(jì)算機(jī)。

目前的計(jì)算機(jī)絕大部分都是數(shù)字機(jī)，而數(shù)字機(jī)只能對(duì)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和處理，因此，

文字、聲音、視頻、圖像等數(shù)據(jù)，必須變換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)后才能存入計(jì)算機(jī)，才能進(jìn)行計(jì)算處

理，而且數(shù)字傳輸?shù)馁|(zhì)量遠(yuǎn)高于模擬傳輸，可見數(shù)字化是信息社會(huì)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

3.數(shù)字設(shè)備越來越便宜

計(jì)算機(jī)等數(shù)字設(shè)備的主要器件是集成電路(芯片)，它的集成度大約每18個(gè)月翻一番。

這就是在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域人所共知的“摩爾定律”，它是英特爾公司創(chuàng)始人之一戈登?摩爾(Gordon

Moore)于1965年在總結(jié)存儲(chǔ)器芯片的增長規(guī)律時(shí)發(fā)現(xiàn)的。伴隨著集成電路集成度越來越

高，其造價(jià)也越來越低，集成電路在我們生活中到處可見，人們已越來越多的使用數(shù)字設(shè)備,

如數(shù)字手機(jī)、數(shù)字照相機(jī)、數(shù)字彩電、數(shù)字?jǐn)z像機(jī)等等，幾乎所有的設(shè)備都在數(shù)字化。

當(dāng)然，數(shù)字通信也有缺點(diǎn)，最大的缺點(diǎn)就是占用的頻帶寬，可以說數(shù)字通信的許多優(yōu)點(diǎn)

是以犧牲信道帶寬為代價(jià)的。以電話為例，一路模擬電話占用4kHz信道帶寬，而一路數(shù)字

電話所需的帶寬是64kbps,所占用的帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于模擬傳輸。數(shù)字通信的這一缺點(diǎn)限制了

它在某些信道帶寬不夠大的場合下使用。但隨著微波、衛(wèi)星、光纜等高寬帶信道的廣泛使用，

帶寬的問題就不突出了。

教學(xué)小結(jié)

本節(jié)是全章的基礎(chǔ)，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中要正確的理解數(shù)據(jù)通信的基本概念，

學(xué)習(xí)指導(dǎo)

對(duì)數(shù)據(jù)通信的基本模型要全面掌握，最后對(duì)數(shù)據(jù)通信的方式要認(rèn)真理解。

參閱教材教材第2章第1節(jié)

運(yùn)用/http:〃/http:〃/

網(wǎng)絡(luò)資源

等搜索引擎，以數(shù)據(jù)、信息、通信模型、數(shù)字化等為關(guān)鍵字進(jìn)行搜索。

作業(yè)習(xí)題2.1、2.2、2.3,2.4、2.5、2.6題

教學(xué)后記

教學(xué)對(duì)象教學(xué)時(shí)間年月日

第2章數(shù)據(jù)通信

教學(xué)內(nèi)容

2.2數(shù)字信號(hào)的頻譜與數(shù)字信道的特性

通過本節(jié)內(nèi)容的學(xué)習(xí)，能夠理解數(shù)字信號(hào)的相關(guān)概念，掌握數(shù)字信道的相

教學(xué)目的

關(guān)概念和重要特性。

信道、信號(hào)的帶寬；數(shù)字信道的特性和原理；基帶傳輸、頻帶傳輸、寬帶

教學(xué)重點(diǎn)

傳輸。

教學(xué)難點(diǎn)理解信號(hào)帶寬和信道帶寬的區(qū)別；掌握數(shù)字信道的特性概念和相關(guān)原理。

建議學(xué)時(shí)1學(xué)時(shí)教學(xué)教具多媒體教學(xué)系統(tǒng)

教學(xué)方法講授(PPT)

2.2.1傅立葉分析

演示設(shè)計(jì)

2.2.2周期矩形脈沖信號(hào)的頻譜

2.2.3數(shù)字信道的特性

板書設(shè)計(jì)

2.2.4基帶傳輸、頻帶傳輸和寬帶傳輸

教學(xué)過程

提問：數(shù)字信道和模擬信道是兩種不同的信道，各有什么特點(diǎn)？

隨著寬帶網(wǎng)絡(luò)的普及，學(xué)生對(duì)其都有初步的感受。通過提問，促使學(xué)

生思考，引導(dǎo)其正確認(rèn)識(shí)數(shù)字信道和模擬信道的概念，并引出本節(jié)要講授

的內(nèi)容。

課程導(dǎo)入

2.2數(shù)字信號(hào)的頻譜與數(shù)字信道的特性

2.2.1傅立葉分析

任何周期信號(hào)都是由一個(gè)基波信號(hào)和各種高次諧波信號(hào)合成的。根據(jù)傅立葉分析法，可

以把一個(gè)周期為T的復(fù)雜函數(shù)g⑺表示為無限個(gè)正弦和余弦函數(shù)之和：

,力?力

gQ)=，+Z。”sin(2^H/r)+bncos(2^z?/r)

n=ln=\

2(,._1

其中。。是常數(shù)，代表直流分量，且"°=〒k")"，/=不為基頻，兒分別是"次

諧波振幅的正弦和余弦分量：

an=yjsin(2型辿

bn=yjcos(2型)力

2.2.2周期矩形脈沖信號(hào)的頻譜

頻譜指組成周期信號(hào)各次諧波的振幅按頻率的分布圖。這種頻譜圖以/為橫坐標(biāo)，相

應(yīng)的各種諧波分量的振幅為縱坐標(biāo)，如圖2.8所示?圖中，諧波的最高頻率亦與最低頻率力

之差(力一力)叫信號(hào)的頻帶寬度，簡稱帶寬，它表示實(shí)際信道所能傳輸信號(hào)的頻率范圍。信

道帶寬山傳輸媒體和有關(guān)附加設(shè)備以及電路的頻率特性綜合決定。

周期性矩形脈沖如圖2.9(a)所示，其幅值為A,脈沖寬度為7,周期為T,對(duì)稱于縱

軸。這是?種最簡單的周期函數(shù)，實(shí)際數(shù)據(jù)傳輸中的脈沖信號(hào)要復(fù)雜的多，但對(duì)這種簡單周

期函數(shù)的分析，可以得出信道帶寬的一個(gè)重要結(jié)論。

圖2.9周期性脈沖及其頻譜

(a)周期性脈沖(b)周期性脈沖的頻譜

上.述周期矩形脈沖的傅立葉級(jí)數(shù)中只含有直流和余弦項(xiàng)，令。=2萬/丁，我們有

8csin(---)

,、AxT2A4T2/、

s(t)=——+)-------------cosW/)

TJTnrco

2

v—_n_r_co

令2,則上式可寫成

AT2ATsin(x)

^(0=—+2^----------cos(")

“=i'

由上式可得周期矩形脈沖的頻譜如圖2.9(b)所示。圖中橫軸用無表示，縱軸用歸?化

2Ar2ATsinxsinx

(2()=-----d=------------------

幅度。,,/口>表示(T,nTT),譜線的包絡(luò)為x,當(dāng)xf8時(shí)，其值趨于

0。由圖可知，諧波分量的頻率越高，其幅值越小。可以認(rèn)為信號(hào)的絕大部分能量集中在第

一個(gè)零點(diǎn)的左側(cè)，由于第一個(gè)零點(diǎn)處于x=萬，因而有〃3/2="，亦即"r=r。若取"=1,

則有r=T。我們定義周期性矩形脈沖信號(hào)的帶寬為

可見信號(hào)的帶寬與脈沖的寬度成反比，與之相關(guān)的結(jié)論是傳送的脈沖的頻率越高(即脈

沖越窄)，要求信道的帶寬也越大。信道的帶寬指信道頻率響應(yīng)曲線上幅度取其頻帶中心處

值的1/收倍的兩個(gè)頻率之間的區(qū)間寬度，如圖2.10所示。為了使信號(hào)在傳輸中的失真小些,

則信道要有足夠的帶寬。

圖2.10信道帶寬

2.2.3數(shù)字信道的特性

一個(gè)數(shù)字脈沖稱為一個(gè)碼元。如字母A的ASCII碼是1000001,可用7個(gè)脈沖來表示,

亦可認(rèn)為由7個(gè)碼元組成。碼元攜帶的信息量由碼元取的離散值個(gè)數(shù)決定。若碼元取。和1

兩個(gè)離散值，則一個(gè)碼元攜帶1比特(bit)的信息。若碼元可取4個(gè)離散值，則一個(gè)碼元

攜帶2比特信息。一般的，一個(gè)碼元攜帶的信息量n(比特)與碼元取的離散值個(gè)數(shù)N具有

如下關(guān)系：

n=log,N

下面用碼元和信息量的概念說明數(shù)字信道的基本情況。

1.波特率、數(shù)據(jù)速率和信道容量

碼元速率表示單位時(shí)間內(nèi)信號(hào)波形的變換次數(shù)，即通過信道傳輸?shù)拇a元個(gè)數(shù)。若信號(hào)碼

元寬度為T秒，則碼元速率B=l/T,單位叫波特，這是為了紀(jì)念電報(bào)碼的發(fā)明者法國人波特

(Baudot),故碼元速率也叫波特率，或稱作調(diào)制速率、波形速率、符號(hào)速率。1924年奈奎

斯特推導(dǎo)出有限帶寬無噪聲信道的極限波特率，稱為奈氏定理。若信道帶寬為W,則奈氏

定理的最大碼元速率為：

B=2W(Baud)

奈氏定理指定的信道容量也叫奈氏極限，它由信道的物理特性決定。超過奈氏極限傳送

脈沖信號(hào)是不可能的。因此要進(jìn)一步提高波特率，就必須改善信道的帶寬。

數(shù)據(jù)速率指單位時(shí)間內(nèi)信道上傳送的信息量(比特?cái)?shù))。數(shù)字信道的通頻帶(即帶寬)

決定了信道中能不失真的傳輸脈沖序列的最高速率，即信道容量。在一定波特率下提高數(shù)據(jù)

速率的途徑是用個(gè)碼元表示更多的比特?cái)?shù)。若把兩比特編碼為一碼元，則數(shù)據(jù)速率可成倍

提高，我們有公式：

R=Blog2N=2W\og2N(b/s)

式中R表示數(shù)據(jù)速率，B、N、W的含義如上所述，單位為每秒比特(bitspersecond),

記為bps或b/s,>

數(shù)據(jù)速率“比特/秒”與碼元的傳輸速率“波特”是兩個(gè)不同的概念。兩者在數(shù)量上有

上述公式所描述的關(guān)系。若1個(gè)碼元只攜帶Ibit的信息量，則兩者在數(shù)值上是相等的。即

R=B。但若使1個(gè)碼元攜帶〃bit的信息量，則MBaud的碼元傳輸速率為朋〃bps。例如,

有一個(gè)帶寬為3kHz的理想低通信道，其碼元傳輸速率為6000baud?而最高數(shù)據(jù)速率可隨編

碼方式的不同而有不同的取值。若1個(gè)碼元能攜帶2bit的信息量，則最高的數(shù)據(jù)速率為

12000bpso這些都是不考慮噪聲的理想情況下的極限值。至于有噪聲影響的實(shí)際信道，則遠(yuǎn)

遠(yuǎn)達(dá)不到這個(gè)極限值。

2.誤碼率

香農(nóng)（shannon）提出有噪聲信道的極限數(shù)據(jù)速率用下述公式計(jì)算

C=Wlog2（l+S/N）

式中，卬為信道帶寬，$為信號(hào)的平均功率，N為噪聲平均功率，S/N叫信噪比。實(shí)

際使用中，S與N的比值太大，故常取分貝數(shù)。例如當(dāng)S/N=1000時(shí)，信噪比為30dB（分

貝）。這個(gè)公式與信號(hào)取的離散值個(gè)數(shù)無關(guān)，也即無論用什么方式調(diào)制，只要給定了信號(hào)和

噪聲的平均功率，則單位時(shí)間內(nèi)最大的信息傳輸量就確定了。例如，信道帶寬為3000Hz,

信噪比為30dB,則最大數(shù)據(jù)速率C=300010§2（1+100。）=3000X9.97弋30000bps。這是極限值，

只有理論上的意義。實(shí)際上在3000Hz帶寬的電話線上，數(shù)據(jù)速率能達(dá)到9600bps就很不錯(cuò)

了。

在有噪聲的信道中，數(shù)據(jù)速率的增加意味著傳輸中出錯(cuò)的概率增加，可用誤碼率來表示

傳輸二進(jìn)制時(shí)出現(xiàn)差錯(cuò)的概率：

Pe=Ne/N

式中Pe表示誤碼率，Ne表示出錯(cuò)位數(shù)，N為傳送的總位數(shù)。計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)中，要

求誤碼率低于10",即平均傳送一百萬位才允許錯(cuò)1位。當(dāng)誤碼率高于一定數(shù)值時(shí)，可用差

錯(cuò)控制進(jìn)行檢查和糾正。

3.信道延遲

信號(hào)在信道中從源端到達(dá)宿端需要的時(shí)間即為信道延遲，它與信道的長度及信號(hào)傳播速

度有關(guān)。電信號(hào)一般已接近光速的速度（300m/ns）傳播，但隨介質(zhì)的不同而略有差別。例

如，電纜中的傳播速度一般為光速的77%,即200m/ps左右。一般來說，考慮信號(hào)從源端

到達(dá)宿端的時(shí)間是沒有意義的，但對(duì)于?種具體的網(wǎng)絡(luò)，我們經(jīng)常對(duì)該網(wǎng)絡(luò)中相距最遠(yuǎn)的兩

個(gè)站之間的傳播時(shí)延感興趣。這時(shí)要考慮信號(hào)傳播速度即網(wǎng)絡(luò)通信線路的最大長度。如500m

銅軸電纜的時(shí)延大約是2.52，遠(yuǎn)離地面3.6萬公里的衛(wèi)星，上行和下行的時(shí)延均約270ms。

2.2.4基帶傳輸、頻帶傳輸和寬帶傳輸

1.基帶傳輸

所謂基帶指的是基本頻帶，也就是數(shù)據(jù)編碼電信號(hào)所固有的頻帶，這種信號(hào)可稱為基帶

信號(hào)。所謂基帶傳輸就是對(duì)基帶信號(hào)不加調(diào)制而直接在線路匕進(jìn)行傳輸，它將占用線路的全

部帶寬，也可稱為數(shù)字基帶傳輸。后面將介紹數(shù)據(jù)可編碼成數(shù)字信號(hào)進(jìn)行傳輸?shù)母鞣N編碼，

就是基帶信號(hào)的各種編碼。但是不能認(rèn)為數(shù)字信號(hào)只能進(jìn)行基帶傳輸，為了充分利用線路帶

寬，可對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行調(diào)制后再進(jìn)行傳輸，即頻帶傳輸。

2.頻帶傳輸

進(jìn)行遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，一般要借用已有的通信網(wǎng)（如電話網(wǎng)），而數(shù)據(jù)的原始形式是

數(shù)字信號(hào)（基帶信號(hào)），它無法在帶寬較窄的通信網(wǎng)中傳輸，需要將帶寬很寬的數(shù)字信號(hào)（基

帶信號(hào)）變換為帶寬符合通信網(wǎng)要求的模擬信號(hào)，而這種模擬信號(hào)通常由某一頻率或某幾個(gè)

頻率組成，它占用了一個(gè)固有頻帶，所以稱為頻帶傳輸。

3.寬帶傳輸

寬帶的概念來源于電話業(yè)，指的是比4KHz更寬的頻帶。寬帶傳輸系統(tǒng)使用標(biāo)準(zhǔn)的有線

電視技術(shù)，可使用的頻帶高達(dá)300MHz（常常到450MHz）。由于使用模擬信號(hào)，可以傳輸近

100km,對(duì)信號(hào)的要求也沒有像數(shù)字系統(tǒng)那樣高。為了在模擬網(wǎng)上傳輸數(shù)字信號(hào)，需要在接

口處安放一個(gè)電子設(shè)備，用以把進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)的比特流轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，并把網(wǎng)絡(luò)輸出的信號(hào)再

轉(zhuǎn)換成比特流。根據(jù)使用的電子設(shè)備類型,lb/s可能占用1Hz帶寬。在更高的頻率上，可以

使用先進(jìn)的調(diào)制技術(shù)達(dá)到多bit/HZ?

寬帶系統(tǒng)可分為多個(gè)信道，每個(gè)信道可用于模擬電視、CD質(zhì)量聲音（1.4Mb/s）或3Mb/s

的數(shù)字比特流。通常電視廣播只需要6MHz的信道，電視信號(hào)和數(shù)據(jù)可在一條電纜上混合傳

輸。然而在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中，“寬帶系統(tǒng)”常指任何使用模擬信號(hào)進(jìn)行傳輸?shù)南到y(tǒng)。

教學(xué)小結(jié)

本節(jié)和上節(jié)是數(shù)據(jù)通信的基本概念比較密集的區(qū)域，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中，

學(xué)習(xí)指導(dǎo)

要注意對(duì)基本概念的正確把握，對(duì)概念進(jìn)行對(duì)比，強(qiáng)化理解。

參閱教材教材第2章第2節(jié)

運(yùn)用http:〃/http:〃/http:〃/

網(wǎng)絡(luò)資源

等搜索引擎，以時(shí)域分析、頻域分析、帶寬、信道等為關(guān)鍵字進(jìn)行搜索。

作業(yè)習(xí)題2.7、2.8、2.9、2.10題

教學(xué)后記

教學(xué)對(duì)象教學(xué)時(shí)間年月日

第2章數(shù)據(jù)通信

教學(xué)內(nèi)容

2.3模擬傳輸

通過本節(jié)內(nèi)容的學(xué)習(xí)，掌握模擬傳輸?shù)脑?，理解調(diào)制解調(diào)器的三種工作

教學(xué)目的

原理，熟悉調(diào)制解調(diào)器常用分類。

教學(xué)重點(diǎn)模擬傳輸；調(diào)制解調(diào)器工作原理。

教學(xué)難點(diǎn)調(diào)制解調(diào)器工作原理

建議學(xué)時(shí)1學(xué)時(shí)教學(xué)教具多媒體教學(xué)系統(tǒng)

教學(xué)方法講授（PPT）

演示設(shè)計(jì)

2.3.1模擬傳輸系統(tǒng)

2.3.2調(diào)制解調(diào)器

板書設(shè)計(jì)

教學(xué)過程

模擬信號(hào)和數(shù)據(jù)信號(hào)在通過某一介質(zhì)時(shí)，往往要進(jìn)行調(diào)制和編碼，以提高

信號(hào)的傳輸性能。

提問：模擬傳輸在我們生活中有哪些應(yīng)用？

通過提問，促使學(xué)生思考，引導(dǎo)其充分認(rèn)識(shí)理解模擬傳輸?shù)母拍睢?/p>

課程導(dǎo)入

2.3模擬傳輸

2.3.1模擬傳輸系統(tǒng)

電話通信系統(tǒng)是典型的模擬傳輸系統(tǒng)。目前全世界的電話機(jī)早-以上十億部。如此多的電

話要互連成網(wǎng)，唯一可行的辦法就是分級(jí)交換。我國的電話網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)分5級(jí)，上面4級(jí)是長途

電話網(wǎng)，最低一級(jí)是市話網(wǎng)。4級(jí)長途交換中心從上到下分別是：①一級(jí)中心，又稱大區(qū)中

心或省間中心。②二級(jí)中心，又稱省中心。③三級(jí)中心，又稱地區(qū)中心或縣間中心。④四級(jí)

中心，又稱縣中心。每一個(gè)上級(jí)交換局均按輻射狀與若干個(gè)下級(jí)交換局連成星形網(wǎng)。在這以

下就是市話交換局，又稱為端局，直接與其管轄范圍內(nèi)的各電話用戶相連。因此，一般屬于

同一個(gè)市話局內(nèi)的兩個(gè)電話的通信只需通過市話局的交換。但在復(fù)雜的情況下，兩個(gè)電話用

戶之間可能需要經(jīng)過多個(gè)不同級(jí)別的交換局的多次轉(zhuǎn)接。

2.3.2調(diào)制解調(diào)器

1.調(diào)制方式

進(jìn)行調(diào)制時(shí)，常把正弦信號(hào)作為基準(zhǔn)信號(hào)或載波信號(hào)。調(diào)制即利用載波信號(hào)的?個(gè)或幾

個(gè)參數(shù)的變化來表示數(shù)字信號(hào)(調(diào)制信號(hào))的過程。基于載波信號(hào)的三個(gè)主要參數(shù)，可把調(diào)

制方式分為三種：振幅調(diào)制、頻率調(diào)制、相位調(diào)制，可分別簡稱為調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相，如圖

2.11所示。

-nArxhnnnnnJ

圖2.11三種模擬調(diào)制方式

(1)調(diào)幅(AM,AmplitudeModulation)

調(diào)幅即指載波的振幅隨計(jì)算機(jī)送出的基帶數(shù)字信號(hào)變化而變化。例如數(shù)字信號(hào)0對(duì)應(yīng)與

無載波輸出，1對(duì)應(yīng)與有載波輸出。調(diào)幅也可以表述為用兩個(gè)不同的載波信號(hào)的幅值分別代

表二進(jìn)制數(shù)字0和1。

(2)調(diào)頻(FM,FrequencyModulation)

調(diào)頻即指載波的頻率隨計(jì)算機(jī)送出的基帶數(shù)字信號(hào)變化而變化。例如數(shù)字信號(hào)0對(duì)應(yīng)于

頻率八，1對(duì)應(yīng)于頻率72。同樣，調(diào)頻也可表述為用兩個(gè)不同的載波信號(hào)的頻率分別代表

二進(jìn)制數(shù)字0和1。

(3)調(diào)相(PM,PhaseModulation)

調(diào)相指載波的初始相位隨計(jì)算機(jī)送出的基帶數(shù)字信號(hào)變化而變化。例如數(shù)字信號(hào)0對(duì)應(yīng)

于0°,1對(duì)應(yīng)用180。。調(diào)相也可以表述為兩個(gè)不同的載波信號(hào)的初相位來代表二進(jìn)制數(shù)字0

和1。這種只有兩種相位(如0。或180。)的調(diào)制方式稱為兩相調(diào)制。為了提高信息的傳輸速

率，還經(jīng)常采用四相調(diào)制和八相調(diào)制方式，這兩種調(diào)制方式的數(shù)字信息的相位分配情況如圖

2.12所示。

數(shù)字信息00011011

相位0°（或45°）90°（或135°）180°（或225°）270°（或315°）

(a)四相調(diào)制方式的相位分配

數(shù)字信息000001010011100101110111

相位0°45°90°135°180°225°270°315°

(b)八相調(diào)制方式的相位分配

圖2.12四相位、八相位調(diào)制方式的相位分配

由上圖可以看出，在四相調(diào)制方式中，用四個(gè)不同的相位分別代表00,01,10,11或

者說每一次調(diào)制可以傳送2個(gè)比特的信息；在八相調(diào)制方式中，則每一次調(diào)制可傳送3個(gè)比

特的信息，顯然兩者都提高了信息的傳輸速率。為了達(dá)到更高的信息傳輸速率，必須采用技

術(shù)上更為復(fù)雜的多元制的振幅相位混合調(diào)制方法。

2.調(diào)制解調(diào)器的分類

調(diào)制解調(diào)器可以根據(jù)應(yīng)用環(huán)境、傳輸速率、功能先進(jìn)性和調(diào)制方式等進(jìn)行分類。

(1)按應(yīng)用環(huán)境分類

①音頻Modem。它將數(shù)字信號(hào)調(diào)制成頻率為0.3?3.4KHz的音頻模擬信號(hào)。當(dāng)這種模

擬信號(hào)經(jīng)過電話系統(tǒng)傳到對(duì)方后，再由解調(diào)器將它還原為數(shù)字信號(hào)。因此，用電話信道傳輸

數(shù)字信號(hào)時(shí)應(yīng)采用音頻調(diào)制解調(diào)器。

②基帶Modem。一般音頻調(diào)制解調(diào)器，功能較齊全，故價(jià)格較貴，多在進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳

輸時(shí)使用。當(dāng)距離較近，比如只需使用市話線傳輸數(shù)據(jù)，則此時(shí)可使用基帶調(diào)制解調(diào)器，傳

輸速率較高，可達(dá)到64Kbps?2Mbps,主要用于網(wǎng)絡(luò)用戶接入高速線路中。

③無線Modem。在短波及衛(wèi)星通信中，都應(yīng)使用與信道特點(diǎn)相適應(yīng)的調(diào)制解調(diào)器。這

類調(diào)制解調(diào)器對(duì)差錯(cuò)的檢測(cè)和糾錯(cuò)能力較強(qiáng)，以克服無線信道差錯(cuò)率較高這一缺點(diǎn)。

(2)按傳輸速率分類

①低速M(fèi)odem。傳輸速率在600bps以下。

②中速M(fèi)odem。傳輸速率在1200?9600bpds。

③高速M(fèi)odem?速率在9600bps以上。

(3)按功能先進(jìn)性分類

按其功能先進(jìn)性可分為三類：

①人工撥號(hào)Modem,進(jìn)行數(shù)據(jù)通信前，先要通過人工撥號(hào)呼叫對(duì)方。待電話局的交換

機(jī)接通對(duì)方并經(jīng)雙方確認(rèn)后，便轉(zhuǎn)向利用Modem進(jìn)行通信。

②自動(dòng)撥號(hào)/自由應(yīng)答式Modem。用戶可通過個(gè)人計(jì)算機(jī)鍵盤撥打電話號(hào)碼或通過相應(yīng)

軟件取出存放在某磁盤文件中的電話號(hào)碼，由Modern按指定順序在指定時(shí)間自動(dòng)撥號(hào)，建立

與對(duì)方的連接。

③智能Modem,在Modem中配置CPU來提高M(jìn)odem的性能和增加新功能，如對(duì)Modem

的參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)設(shè)置，對(duì)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮。在高檔次的Modem中還引入了網(wǎng)絡(luò)管理

功能。

(4)按調(diào)制方式分類

按調(diào)制方式可分為頻移鍵控Modem、相移鍵控Modem和相位幅度調(diào)制Modem。后者是為

了盡量提高傳輸速率又不提高調(diào)制速率，于是采用相位調(diào)制與幅度調(diào)制相結(jié)合的方法，使一

次調(diào)制能產(chǎn)生更多不同的相位和幅度，從而提高傳輸速率。這種Modem價(jià)格較貴。

教學(xué)小結(jié)

本節(jié)是本章的一個(gè)難點(diǎn)，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中要注意對(duì)原理的正確理解，在

學(xué)習(xí)指導(dǎo)

理解原理的基礎(chǔ)上掌握調(diào)制解調(diào)器的常見分類。

參閱教材教材第2章第3節(jié)

運(yùn)用/http:〃/http:〃/

網(wǎng)絡(luò)資源

等搜索引擎，以調(diào)制、解調(diào)、模擬數(shù)據(jù)等為關(guān)鍵字進(jìn)行搜索.

作業(yè)習(xí)題2.11,2.12題

教學(xué)后記

教學(xué)對(duì)象教學(xué)時(shí)間年月日

第2章數(shù)據(jù)通信

教學(xué)內(nèi)容

2.4數(shù)字傳輸

教學(xué)目的通過本節(jié)內(nèi)容的學(xué)習(xí)，掌握數(shù)字傳輸原理。

教學(xué)重點(diǎn)脈碼調(diào)制過程；常用的數(shù)字信號(hào)編碼。

教學(xué)難點(diǎn)脈碼調(diào)制的基本原理。

建議學(xué)時(shí)1學(xué)時(shí)教學(xué)教具多媒體教學(xué)系統(tǒng)

教學(xué)方法講授（PPT）

演示設(shè)計(jì)2.4.1脈碼調(diào)制

2.4.2數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)信號(hào)編碼

板書設(shè)計(jì)2.4.3字符編碼

教學(xué)過程

提問：數(shù)字化為什么是信息社會(huì)發(fā)展的大趨勢(shì)？

數(shù)字化是信息社會(huì)發(fā)展的大趨勢(shì)，現(xiàn)在人們已越來越多使用各種數(shù)字

通信設(shè)備，如數(shù)字手機(jī)、數(shù)字照相機(jī)、數(shù)字彩電、數(shù)字?jǐn)z像機(jī)等等，但是

模擬信號(hào)又怎么變成適合數(shù)字信道的信號(hào)呢？學(xué)生對(duì)脈碼調(diào)制這個(gè)專業(yè)用

詞缺乏感性認(rèn)識(shí)。可以通過提問，促使學(xué)生思考，幫助他們理解。

課程導(dǎo)入

2.4數(shù)字傳輸

2.4.1脈碼調(diào)制

將模擬信號(hào)變換為數(shù)字信號(hào)的常用方法是脈碼調(diào)制PCM(PulseCodeModulation)o

PCM最初并不是為傳送計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)用的，而是為了解決電話局之間中繼線不夠用的問題，希

望使用一條中繼線不是只傳送一路而是可以傳送幾十路的電話。由于歷史上的原因，PCM有

兩個(gè)互不兼容的國際標(biāo)準(zhǔn)，即北美的24路PCM(簡稱為T1)和歐洲的30路PCM(簡稱為El)?

我國采用的是E1標(biāo)準(zhǔn)。T1的速率是1.544Mbps,El的速率是2.048Mbps。下面結(jié)合PCM的取

樣、量化和編碼三個(gè)步驟，說明這些速率是如何得出的。

為了將模擬電話信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，必須對(duì)電話信號(hào)進(jìn)行取樣。即每隔一定的時(shí)間間

隔，取模擬信號(hào)的當(dāng)前值作為樣本。該樣本代表了模擬信號(hào)在某?時(shí)刻的瞬時(shí)值。?系列連

續(xù)的樣本可用來代表模擬信號(hào)在某一區(qū)間隨時(shí)間變化的值。取樣的頻率可根據(jù)奈氏取樣定理

確定。奈氏取樣定理表述為，只要取樣頻率大于模擬信號(hào)最高頻率的2倍，則可以用得到的

樣本空間恢復(fù)原來的模擬信號(hào)。即

力=32/2max

其中f1為取樣頻率,T,為取樣周期，即兩次取樣之間的間隔,Rmax為信號(hào)的最高頻率。

標(biāo)準(zhǔn)電話信號(hào)的最高頻率為3.4KHz,為方便起見，取樣頻率就定為8KHz,相當(dāng)于取樣周期為

125Hs(l/8000s)?圖2.13表示了上述概念。

圖2.13PCM的基本原理

(a)模擬電話信號(hào)(b)取樣后的脈沖信號(hào)(c)編碼后的數(shù)字信號(hào)

(d)解碼后的脈沖信號(hào)(e)恢復(fù)后的模擬電話信號(hào)

這樣，一個(gè)話路的模擬電話信號(hào)，經(jīng)模數(shù)變換后，就變成每秒8000個(gè)脈沖信號(hào)，每個(gè)

脈沖信號(hào)再編為8位二進(jìn)制碼元。因此?個(gè)話路的PCM信號(hào)速率為64Kbps。

為有效利用傳輸線路，通常總是將多個(gè)話路的PCM信號(hào)用時(shí)分多路復(fù)用(見下一節(jié))

的方法裝成幀(即時(shí)分復(fù)用幀)，然后再往線路上一幀接一幀地傳輸。圖2.14說明了E1的

時(shí)分復(fù)用幀的構(gòu)成。

CHOCHO

El的一個(gè)時(shí)分復(fù)用幀(其長度T=125RS)共分為32個(gè)相等的時(shí)間間隙(簡稱時(shí)隙)，

時(shí)隙的編號(hào)為CHO?CH31。時(shí)隙CH0用作幀同步，時(shí)隙CH16用來傳送信令(如用戶的撥

號(hào)信令)?？晒┯脩羰褂玫脑捖肥菚r(shí)隙CH1-CH15和CH17-CH31,共30個(gè)時(shí)隙用作30

個(gè)話路。每個(gè)時(shí)隙傳送8bits。因此，整個(gè)32個(gè)時(shí)隙共傳送256bits,即一個(gè)幀的信息量。每

秒傳送8000個(gè)幀，故PCM一次群E1的數(shù)據(jù)率即為2.048Mbps,圖2.14中，在2.048Mbps

傳輸線路兩端的同步旋轉(zhuǎn)開關(guān)，表示32個(gè)時(shí)隙中比特的發(fā)送和接收必須和時(shí)隙的編號(hào)相對(duì)

應(yīng)，不能弄亂。

北美使用的T1系統(tǒng)共24個(gè)話路。每個(gè)話路的取樣脈沖用7bits編碼，然后再加上1位

信令碼元，因此一個(gè)話路也是占用8bits。幀同步是在24路的編碼之后加上Ibits,這樣每幀

共193bito因此T1一次群的數(shù)據(jù)率為1.544Mbps。

當(dāng)需要有更高的數(shù)據(jù)率時(shí)，可以采用復(fù)用的方法。例如，4個(gè)一次群就可以構(gòu)成一個(gè)二

次群。當(dāng)然，一個(gè)二次群的數(shù)據(jù)率要比4個(gè)一次群的數(shù)據(jù)率總和還要多一些，因?yàn)閺?fù)用后還

需要一些同步的碼元。表2-1所示給出了歐洲和北美系統(tǒng)的高次群的話路數(shù)和數(shù)據(jù)率。日本

的一次群用T1,但自己另有一套高次群的標(biāo)準(zhǔn)。

表2-1數(shù)字傳輸系統(tǒng)高次群的話路數(shù)和數(shù)據(jù)率

系統(tǒng)類型一次群二次群三次群四次群五次群

符號(hào)E1E2E3E4E5

歐洲體制話路數(shù)3012048019207680

數(shù)據(jù)率速(Mbps)2.0488.48833368139.264565.148

符號(hào)T1T2T3T4

北美體制話路數(shù)24966724032

數(shù)據(jù)率速(Mbps)1.5446.31243.736273.176

2.4.2數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)信號(hào)編碼

1.不歸零編碼

不歸零編碼(NRZ,Non-ReturntoZero)如圖2.15(a)所示。NRZ碼規(guī)定用負(fù)電平表

示“0”,用正電平表示“1”，亦可有其他表示方法。如果接收端無法確定每個(gè)比特從什么時(shí)候

開始，什么時(shí)候結(jié)束，則還是不能從高低電平的矩形波中讀出正確的比特串。

2.曼氏編碼

曼氏編碼(Manchester)自帶同步信號(hào)，如圖2.15(b)所示。在曼氏編碼中每個(gè)比特

持續(xù)時(shí)間分為兩半。在發(fā)送比特"0”時(shí)，前一半時(shí)間為高電平，后一半時(shí)間為低電平；在發(fā)

送比特“1”時(shí)則相反。或者也可在發(fā)送比特0時(shí)，前一半時(shí)間電平為低，后一半時(shí)間電平為

高；在發(fā)送比特1時(shí)則相反。

3.差分曼氏編碼

差分曼氏編碼(DifferenceManchester)是對(duì)曼氏編碼的改進(jìn)。它與曼氏編碼的不同之

處主要是：每比特的中間跳變僅做同步用；每比特的值根據(jù)其開始邊界是否發(fā)生跳變決定，

每比特開始除出現(xiàn)電平跳變表示二進(jìn)制“0”，不發(fā)生跳變表示二進(jìn)制T”，如圖2.15(c)所

2.4.3字符編碼

數(shù)字傳輸時(shí)，在信道上傳送的數(shù)據(jù)都是以二進(jìn)制位的形式出現(xiàn)的，如何組合“0”與“1”

這兩種碼元，使之代表不同的字符或信息(數(shù)據(jù)信息和控制信息)，叫做字符編碼。國際標(biāo)

準(zhǔn)化組織1967年推薦了一個(gè)7單位編碼(每個(gè)字符由七位二進(jìn)制碼元組成，另外附加一位

奇偶校驗(yàn)位)，即國際標(biāo)準(zhǔn)IS0646,為世界各國廣泛采用。我國1981年由國家標(biāo)準(zhǔn)總局公布

了信息處理交換用7單位編碼，與IS0646的7單位編碼一致，國標(biāo)代號(hào)GB1988-80,其字符

集標(biāo)準(zhǔn)見表2-2,該字符集與美國ASCII字符集基本一致。

表2-2部頒7位編碼字符集標(biāo)準(zhǔn)

b700001111

b600110011

b501010101

b4b3b2bl行列01234567

00000NUL空白DLE數(shù)據(jù)鏈轉(zhuǎn)義間隔0@P、P

00011SOH標(biāo)題開始DC1設(shè)備控制111AQaq

00102STX正文開始DC2設(shè)備控制22BRbr

00113ETX正文結(jié)束DC3設(shè)備控制33CScs

01004EOT傳輸結(jié)束DC4設(shè)備控制4$4DTdt

01015ENQ詢問NAK否認(rèn)%5EUeu

-

01106ACK承認(rèn)SYN同步6FVfV

01117BEL告警ETB組傳輸結(jié)束7GWgw

10008BS退格CAN作廢(8HXhX

10019I1T橫向制表EM媒體結(jié)束)9IYiy

101010LF換行SUB取代*JZjz

101111VT縱向制表ESC轉(zhuǎn)義+：K[k一

110012FF換頁FS文卷分隔?<LV11

110113CR回車GS群分隔-=M]m—

111014SO移出RS記錄分隔*>Ntn-

mi15SI移入U(xiǎn)S單元分隔/?0-0抹掉

教學(xué)小結(jié)

本節(jié)理論性較強(qiáng)，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中，首先要注意思路的正確把握，對(duì)為

學(xué)習(xí)指導(dǎo)什么要進(jìn)行模擬信號(hào)向數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換要有正確的認(rèn)識(shí)。其次，對(duì)脈碼調(diào)

制的原理要正確的理解。

參閱教材教材第2章第4節(jié)

運(yùn)用http:〃/http:〃/http:〃/

網(wǎng)絡(luò)資源

等搜索引擎，以脈碼調(diào)制、數(shù)字信號(hào)、字符編碼等為關(guān)鍵字進(jìn)行搜索。

作業(yè)習(xí)題2.13,2.14,2.15,2.16題

教學(xué)后記

教學(xué)對(duì)象教學(xué)時(shí)間年月日

第2章數(shù)據(jù)通信

教學(xué)內(nèi)容