数字通信基本原理
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– 步话机
• 全双工
– 双向通信。任意时刻，信道上可以有向两个方向传输的数据流。 – 电话系统，计算机通信系统
4. 数据传输方式
• 并行通信
– 传送效率高，一次传送多个比特数据，但要用 多根数据线并行连接，用在要求高数据传输速 率，且两个设备相距不远的场合。
• 串行通信
– 数据只在一根数据线上传输，节省传输线，传 输效率低，用在远距离传输的场合。为了提高 数据传输速率，可选用高带宽的信道。
1. 数据和信号
• 信号
– 模拟信号和数字信号 – 光信号和电信号
2. 模拟传输系统和数字传输系统
• 模拟数据模拟信号传输系统：
– 无线电广播，传统的有线电视网、早期的固定电话和第一代移动电话均属于这一 类型。
• 模拟数据数字信号传输系统
– 由于数字传输的优越性，要将模拟数据在数字信道上传输，必须要将模拟数据变 为数字信号。通常采用PCM编码和Δ调制（delta modulation），先把模拟数据变为 数字数据，然后再把数字数据变为数字信号在信道上传输。现代的固定电话系统 只在用户到端局的几公里的传输是模拟的，到了交换局以后已是数字传输，到了 用户接收端又还原为模拟数据。因此，可以把固定电话系统看作模拟数据在数字 信道的传输系统。
加性噪声对信号的影响
12. 信道特性
H ()
m 0
m
H ()
2 B
c mc c m
0
2 B
c m c c m
H ()
A 0.707 A
0
1
2
无失真传输特性
H () K 0
( ) jt0
0
e(t)
r(t)
system
t0
数字数据编码 信号的两电平表示
数字数据编码 归零码和不归零码
– 音频：语音或音乐的表示形式。通过话筒以及相关电压放大电路 把声波转换成电压的波形。通过“采样”和“量化”可以实现模 拟量的数字化。由于音频数据时连续变化的数据流，对传输的延 迟很敏感。
– 视频：影像信息的表示形式。电视信号由每秒25帧的图像序列组 合而成。图像进而编码成数据。视频信号的特点是数据量大。视 频数据也是一个连续的数据流，在传输中对传输的延迟变化要求 很严格。
0 2 4 6 8 10 sampling time, tk [ms]
采样频率 fS = 1/ tS
Vk V (t) δ(t nTs ) n
V (nTs )δ(t nTs )
其中 Ts 1/ fs
, fs : 采样频率
如果一个信号，所包含的最高频率为fMAX，当以 fS 定理 >=2 fMAX 的频率对信号进行采样，则该信号完全
把数字信号解调出来，被传输的信号频谱发生了变化
3. 数据通信模式
• 单工
– 单方向通信，一端只能发送数据，另一端只能接收数据。 – 无线广播，传统的有线电视
• 半双工
– 可以实现分时的双向通信，通信的两端设备既可以发送数据，也 可以接收数据，但不能同时进行双向数据传输，在任意一个时刻， 信道上只有一个方向流动的数据。
• 数据
– 文本：用一个字节或多个字节的二进制比特序列编码表示。例如 可以用ASCII码（1个字节）编码表示字符和符号，汉字用两个字节 编码表示；
– 图像：由行列排列的像素点构成。每个像素点的值代表该像素点 的亮度或颜色，全部像素点的集合就表示一副图像。一张400行 600列的图像大小是400×600=24万像素。如果是数字图像，若每 个像素用8个比特表示，则该图像的大小事1.92Mb。
时间
振幅 1s
01 10 01 11 11 00 10
电平4
电平3
电平2
电平1
脉宽
时间
二电平信号 四电平信号
7. 频谱分析
傅氏变换，傅氏级数
8. 脉冲信号波形及所包含的频率分量
9. 单个矩形脉冲的频谱
f (t) E
2
2
t
10. 周期型矩形脉冲的频谱
11. 噪声和信号
• 噪声
– 加性噪声：外部叠加干扰信号 – 乘性噪声：主要指不理想的信道特性
可以通过采样点的数据表示。
• 采样值的频谱:
对v(t) 进行采样，得到
Vk V (t) δ(t nTs ) n
V (nTs )δ(t nTs ) n
Vk 的频谱为
Vk ( f
)
1 Ts
V(f
n
nfs )
Voltage [V]
0.3
0.2
0.1
0
-0.1
ts
-0.2
0 2 4 6 8 10 sampling time, tk [ms]
1. 数字通信系统的组成
• 发送端 • 接收端 • 传输媒介 • 噪音 • 传输协议
规则1 规则2
. . . 规则n
发送设备
传输媒体 信道
噪音
规则1 规则2
. . . 规则n
发送设备
1. 数据和信号
• 数据：信息的表示形式 • 信号：信息在媒体上的表示形式，它以电
磁能量的方式在媒体上传输。
1. 数据和信号
模拟信号编码 脉冲编码调制
模拟 随时间连续变化的函数 : V(t).
数字
仅在离散的时刻有取值的离散 函数: Vk = V(tk).
Voltage [V] Voltage [V]
0.3 0.2 0.1
0 -0.1 -0.2
0
246 time [ms]
0.3
0.2
0.1
0
-0.1
ts
-0.2
8 Leabharlann Baidu0
数字数据编码 曼彻斯特码和差分码
数字数据编码 多电平信号编码
8B6T MLT-3
100Mb/s以太网的编码原则： 1）如果下一比特是0，电位保持不变； 2）如果下一比特是1并且当前电位非0， 下一电平为0； 3）如果下一比特是1并且当前电位是0， 下一电位是最后一个非零电平的相反值。
数字数据编码 块编码
• 数字数据模拟信号传输系统
– 传统的有线电视网（CATV）是模拟传输系统，使用线缆调制解调器（Cable Modem） 可以传送数字数据；
• 数字数据数字信号传输系统
– 例如：计算机网络 – 基带传输：数字信号直接加到信道上，信号频谱未发生变化； – 频带/宽带传输：把数字信号调制到另一高频信号上，进行传输，在接收端，还要
– 根据同步方式分为：异步通信和同步通信
5. 通信系统主要性能指标
• 数据传输率
– 比特率 – 波特率 – 无噪信道最大传输速率 –…
• 数据传输质量
– 频带利用率 – 差错率 –…
6. 比特率和波特率
同样的波特率下， 二电平信号和多电 平信号的比特速率 不同。
振幅
1s
1011001 电平1
电平2 脉宽
• 全双工
– 双向通信。任意时刻，信道上可以有向两个方向传输的数据流。 – 电话系统，计算机通信系统
4. 数据传输方式
• 并行通信
– 传送效率高，一次传送多个比特数据，但要用 多根数据线并行连接，用在要求高数据传输速 率，且两个设备相距不远的场合。
• 串行通信
– 数据只在一根数据线上传输，节省传输线，传 输效率低，用在远距离传输的场合。为了提高 数据传输速率，可选用高带宽的信道。
1. 数据和信号
• 信号
– 模拟信号和数字信号 – 光信号和电信号
2. 模拟传输系统和数字传输系统
• 模拟数据模拟信号传输系统：
– 无线电广播，传统的有线电视网、早期的固定电话和第一代移动电话均属于这一 类型。
• 模拟数据数字信号传输系统
– 由于数字传输的优越性，要将模拟数据在数字信道上传输，必须要将模拟数据变 为数字信号。通常采用PCM编码和Δ调制（delta modulation），先把模拟数据变为 数字数据，然后再把数字数据变为数字信号在信道上传输。现代的固定电话系统 只在用户到端局的几公里的传输是模拟的，到了交换局以后已是数字传输，到了 用户接收端又还原为模拟数据。因此，可以把固定电话系统看作模拟数据在数字 信道的传输系统。
加性噪声对信号的影响
12. 信道特性
H ()
m 0
m
H ()
2 B
c mc c m
0
2 B
c m c c m
H ()
A 0.707 A
0
1
2
无失真传输特性
H () K 0
( ) jt0
0
e(t)
r(t)
system
t0
数字数据编码 信号的两电平表示
数字数据编码 归零码和不归零码
– 音频：语音或音乐的表示形式。通过话筒以及相关电压放大电路 把声波转换成电压的波形。通过“采样”和“量化”可以实现模 拟量的数字化。由于音频数据时连续变化的数据流，对传输的延 迟很敏感。
– 视频：影像信息的表示形式。电视信号由每秒25帧的图像序列组 合而成。图像进而编码成数据。视频信号的特点是数据量大。视 频数据也是一个连续的数据流，在传输中对传输的延迟变化要求 很严格。
0 2 4 6 8 10 sampling time, tk [ms]
采样频率 fS = 1/ tS
Vk V (t) δ(t nTs ) n
V (nTs )δ(t nTs )
其中 Ts 1/ fs
, fs : 采样频率
如果一个信号，所包含的最高频率为fMAX，当以 fS 定理 >=2 fMAX 的频率对信号进行采样，则该信号完全
把数字信号解调出来，被传输的信号频谱发生了变化
3. 数据通信模式
• 单工
– 单方向通信，一端只能发送数据，另一端只能接收数据。 – 无线广播，传统的有线电视
• 半双工
– 可以实现分时的双向通信，通信的两端设备既可以发送数据，也 可以接收数据，但不能同时进行双向数据传输，在任意一个时刻， 信道上只有一个方向流动的数据。
• 数据
– 文本：用一个字节或多个字节的二进制比特序列编码表示。例如 可以用ASCII码（1个字节）编码表示字符和符号，汉字用两个字节 编码表示；
– 图像：由行列排列的像素点构成。每个像素点的值代表该像素点 的亮度或颜色，全部像素点的集合就表示一副图像。一张400行 600列的图像大小是400×600=24万像素。如果是数字图像，若每 个像素用8个比特表示，则该图像的大小事1.92Mb。
时间
振幅 1s
01 10 01 11 11 00 10
电平4
电平3
电平2
电平1
脉宽
时间
二电平信号 四电平信号
7. 频谱分析
傅氏变换，傅氏级数
8. 脉冲信号波形及所包含的频率分量
9. 单个矩形脉冲的频谱
f (t) E
2
2
t
10. 周期型矩形脉冲的频谱
11. 噪声和信号
• 噪声
– 加性噪声：外部叠加干扰信号 – 乘性噪声：主要指不理想的信道特性
可以通过采样点的数据表示。
• 采样值的频谱:
对v(t) 进行采样，得到
Vk V (t) δ(t nTs ) n
V (nTs )δ(t nTs ) n
Vk 的频谱为
Vk ( f
)
1 Ts
V(f
n
nfs )
Voltage [V]
0.3
0.2
0.1
0
-0.1
ts
-0.2
0 2 4 6 8 10 sampling time, tk [ms]
1. 数字通信系统的组成
• 发送端 • 接收端 • 传输媒介 • 噪音 • 传输协议
规则1 规则2
. . . 规则n
发送设备
传输媒体 信道
噪音
规则1 规则2
. . . 规则n
发送设备
1. 数据和信号
• 数据：信息的表示形式 • 信号：信息在媒体上的表示形式，它以电
磁能量的方式在媒体上传输。
1. 数据和信号
模拟信号编码 脉冲编码调制
模拟 随时间连续变化的函数 : V(t).
数字
仅在离散的时刻有取值的离散 函数: Vk = V(tk).
Voltage [V] Voltage [V]
0.3 0.2 0.1
0 -0.1 -0.2
0
246 time [ms]
0.3
0.2
0.1
0
-0.1
ts
-0.2
8 Leabharlann Baidu0
数字数据编码 曼彻斯特码和差分码
数字数据编码 多电平信号编码
8B6T MLT-3
100Mb/s以太网的编码原则： 1）如果下一比特是0，电位保持不变； 2）如果下一比特是1并且当前电位非0， 下一电平为0； 3）如果下一比特是1并且当前电位是0， 下一电位是最后一个非零电平的相反值。
数字数据编码 块编码
• 数字数据模拟信号传输系统
– 传统的有线电视网（CATV）是模拟传输系统，使用线缆调制解调器（Cable Modem） 可以传送数字数据；
• 数字数据数字信号传输系统
– 例如：计算机网络 – 基带传输：数字信号直接加到信道上，信号频谱未发生变化； – 频带/宽带传输：把数字信号调制到另一高频信号上，进行传输，在接收端，还要
– 根据同步方式分为：异步通信和同步通信
5. 通信系统主要性能指标
• 数据传输率
– 比特率 – 波特率 – 无噪信道最大传输速率 –…
• 数据传输质量
– 频带利用率 – 差错率 –…
6. 比特率和波特率
同样的波特率下， 二电平信号和多电 平信号的比特速率 不同。
振幅
1s
1011001 电平1
电平2 脉宽