04数据通信

在传输介质上传输的信号有两种形式：模拟信号与 数字信号 信息源数据也有两种形式：模拟数据与数字数据 传输形式有四种： 模拟数据到模拟信号； 模拟数据到数字信号； 数字数据到模拟信号； 数字数据到数字信号；
模拟信号是随时间连续变化的电流、电压或电 磁波； 数字信号则是一系列离散的电脉冲。可选择适 当的参量来表示要传输的数据。
编码后的信号称为PCM（Pulse Coded Modulation）信号 （脉冲编码调制信号）
采样时钟 PAM 信号
PCM 信号
模拟话音
采样电路
量化和编码
数字化 声音
--话音信道带宽<4KHz --采样时钟频率：8KHz (> 2倍话音最大频率) --量化级数：256级 (8位二进制码表示) --数据率：8000次/s*8bit = 64Kb/s
缺点：需要双倍的传输带宽（即信号速率是数 据速率的2倍）。
差分曼彻斯特编码(Differential Manchester code) 与曼彻斯特编码相同，在每个码元的中间，信 号都会发生跳变；不同之处在于： 用在码元开始处有无跳变来表示0和1 ：
码元开始处有跳变——0
码元开始处无跳变——1
三种数字编码的波形图
0
0
1 1
0
1
0 0
0
1
0
ASK调幅 FSK调频
PSK调相
多路复用技术
• 复用——多个信息源共享一个公 共信道 为何要复用？线路成本
共享信道 MUX DEMUX
复用器
解复用器
复用类型

FDM (频分复用) WDM (波分复用) TDM (时分复用)


1.频分复用 Frequency Division Multiplexing
对于二进制的数据信号，信号仅有两种有效状态，分别代表 “0”和“1”，所以V=2，此时，无噪声信道的最大传输速率 =2B (bps)。如果我们使用模拟电话系统传输二进制信号，
即使用话音级信道，带宽3000Hz，那么最大传输速率为 6000bps。现在大多数电话拨号上网用户采用的就是模拟电话 系统，即利用3000Hz的话音级信道，来传输计算机信息，实际 上现在一般拨号上网的速率都在14000bps以上，这又是怎么回 事呢？这是因为采用了特殊的编码方法，将V的值增大，自然 就提高了数据传输速率。那么，是不是可以无限增大V的值， 从而提高数据传输速率呢？当然不是，下面介绍的香农定理将 会回答这个问题。
香农给出了有噪声信道的最大传输速率与带宽的关系，因为实 际信道不可能没有噪声，所以香农定理比奈奎斯特定理更进了一步。 C=Blog2(1+S/N)
S是信号能量，N是噪声能量 S/N是信噪比，用来描述信道的质量，噪声小的系统信噪比大，反之则小。 （1）信道传输速率R≦C，一定存在一种编码，使信息源能以任意小的差错率通过信道
通信方式（2）
串行传输与并行传输 并行传输:数据在多个信道上同时传输。数据线数目与与传 输数据相同并可能多一校验线 特点： 1. 不需要对传输代码进 行时序转换 2. 需要数据线数目多。 3. 传输速率高。 4. 高速率下信号间串扰 问题突出
通信方式（3）
通信操作方式 根据信号传输方向与时间的关系，可以分为：
10、信道容量定理（香农（Shannon）定理）
香农在二十世纪四十年代初奠定了通信的数字理论基础。他的 “信道容量定理”指出，可以找到这样一种技术，当数据传输速率 小于或等于某个最大传输速率（信道容量）时，通过它可以以任意 小的错误概率传送信息。相反，如果大于这个上限，则不论采用什 么编码技术，错误概率都将无法忍受。
接收器： 从传输系统接收信号并转换成目的站设备能处 理的信号； 目的站； 从接收器输入数据的设备
通信系统模型：
信息源
发送器
传输介质 噪声源
接收器
受信者
数据通信的基本概念： 数据 信号：分连续信号与离散信号；随机信号与确定信号 信息 噪声 信源 信道：如电话线、光纤等 信号带宽 信道带宽
术语的解释 1)数据－有意义的实体。数据可分为模拟数据和数 字数据。模拟数据是在某区间内连续变化的值；数字数 据是离散的值。 2)信号－是数据的电子或电磁编码。信号可分为模 拟信号和数字信号。模拟信号是随时间连续变化的电流、 电压或电磁波；数字信号则是一系列离散的电脉冲。可 选择适当的参量来表示要传输的数据。 3)信息－是数据的内容和解释。 4)信源－通信过程中产生和发送信息的设备或计算 机。 5)信宿－通信过程中接收和处理信息的设备或计算 机。 6)信道－信源和信宿之间的通信线路。
不同类型的信号在不同类型的信道上传输有4种组合， 每一种相应地需要进行不同的编码处理。
数据：模拟数据、数字数据
信号：模拟信号、数字信号
信道：模拟信道、数字信道
模拟数据，模拟信号
话音 模拟 模拟传输
模拟数据，数字信号
模拟 CODEC 数字
数字数据，模拟信号
数字 Modem 模拟
1010
数字数据，数字信号
方式 单工方式 半双工方式 全双工方式
描述
支持数据双向分 时 流 动 ， 线 路 只 支持数据双向同 只支持数据的单 有 一 条 ， 两 个 方 时流动，线路有 向流动。 向 须 分 时 使 用 信 两条或四条。 道。
单工、半双工和全双工
•示意图
发方 收方
A方
B方
A方
B方
模拟数据通信与数字数据通信
∴每路PCM信号的速率 = 64000bps
PCM 转换波形图
PAM 信号 模拟话音 采样电路 量化和编码 PCM 信号
A
B
采样时钟
C
D
A B C D
数字数据数字信号
为什么要编码？数字数据为二进制数(0或1)，数字信号为高电 平或低电平进行传输，所以需要将二进制数转换为高电平或低 电平。
不归零制(NRZ，Non-Return to Zero) 二进制数字0、1分别用两种电平来表示。
同步 TDM
A1 B1 C1 D1 A2 B2 C2 D2
周期1 周期2
本节讨论4个问题
1、通信的方式； 2、多路复用技术； 3、数据的分类； 4、数据的编码；
数据通信是两个实体之间数据的传输和交换。
数据传输是传播处理信号的过程，将原站的数据 编码成信号，沿传播介质传播至目的站。
数据通信模型
这个模型中关键的部分： 源： 产生要发送的数据的设备； 发送器： 对信号进行转换或编码以产生能在特定的传输 系统中传输的电磁信号 传输系统：连接源和目的地的传输线或复杂的网络；
数字 数字编码 数字
•编码和调制
用数字信号承载数字或模拟数据——编码 用模拟信号承载数字或模拟数据——调制
编码
g(t)
数字或 模拟
x(t) g(t) Coder 数字信号 s(t) m(t)
Modulator
Demodulator
Decoder
数字或 模拟
调制
m(t)
数字或 模拟
模拟信号
数字或 模拟
7、信道带宽：信道上传输的是电磁波信号，某个信道能 够传送电磁波的有效频率范围就是该信道的带宽。数据 通信系统的信道传输的是电磁波(包括无线电、微波、光 波等)，带宽就是它所能传输电磁波的最大有效频率与最 小有效频率之差。 8、信道容量：信道的传输能力是有一定限制的，某个 信道传输数据的速率有一个上限，叫作信道的最大传输速 率，即信道容量。信道的最大传输速率是与信道带宽有 直接联系的。 9、奈奎斯特定理：1924年，奈奎斯特(Nyquist)就发现 了信道传输速率有上限，并且给出了有限带宽、无噪声信 道的最大传输速率公式： 无噪声信道最大传输速率=2Blog2V(bps) B代表信道的带宽。V是信号有效状态的数量。 bps=bit/second
F1
采用无源设备，更可靠

光纤1
共享光纤
F1 F2 F3
F2
光纤2

F3 光纤3
棱柱/衍射光栅
共享光纤的光谱


3.时分复用 Time Division Multiplexing
原理：把时间分割成小的时间片，每个时间片分为若干个 通道（时隙）D1 ，每个用户占用一个通道传输数据。 A1
时间片
A2
D2
数据通信基础知识
首先让我们先来看一个利用电话系统来通信的模型：
问题：一个n比特的信号是被同时传输出去，还是一个比特 一个比特传输的呢？一条线路上可以同时传输几路信号呢？ 从信源到信宿既有模拟通信又有数字通信，信号有时如何转 换的呢？等等。一个电话通信系统集成了很多的通信技术， 我们分以下一步一步阐述
0
NRZ
1
0
0
1
1
0
0
0
1
1
Manchester 差分 Manchester
数字数据模拟信号
三种常用的调制技术： 1） 幅移键控ASK(Amplitude Shift Keying)，调幅 2） 频移键控FSK(Frequency Shift Keying)，调频 3） 相移键控PSK(Phase Shift Keying) ，调相 基本原理：用数字信号对载波的不同参量进行调制。
常用－5V表示1，＋5V表示0。
缺点：存在直流分量，传输中不能使用变压器；
不具备自同步机制，必须使用外同步。
曼彻斯特编码(Manchester code)
用电压的变化表示0和1。
规定在每个码元的中间发生跳变： 高 →低的跳变——0，低→高的跳变——1
∵每个码元中间都要发生跳变，接收端可将此 变化提取出来作为同步信号，使接收端的时钟与 发送设备的时钟保持一致。 ∴曼彻斯特编码也称为自同步码（SelfSynchronizing Code）。它具有自同步机制，无 需外同步信号。