数据传输word版

第二章数字通信基本原理

2.1数据传输

2.1.1数据和信号

●数据是信息的表示形式，它是计算机处理的对象。数据的类型有：文本、

图像、音频和视频。

●数据自身的特性又可分为数字数据和模拟数据。

模拟数据的值是连续变化的，而数字数据的值只能取若干有限的离散值。

✓文本表示文字信息，世界上有各种不同的语言和文字，采用一个或多个字

节的比特序列编码来代表文字。举例：ASCII、Unicode分别1、2字节表

示。

✓图像是视觉信息的表示形式，它是由许多称为像素的点在行和列上排列而

成的二维信息结构，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幅图像。例如： 400×600=24万像素。如果是数字

图像，若每像素量化为8比特，则该图像的大小是1.92Mb。

✓视频数据是影像信息的表示形式，可由摄像机拍摄获得也可以由图像序列

组合而成。例如，电视信号就是由每秒25帧的图像序列组合而成的。视

频信号的特点是数据量大，如果由上面的图像构成的视频，则它的数据率

为 1.92×25=48Mb／s。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。

●信号是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。

信号也分为模拟信号和数字信号两种形式。在通信和网络中的信号有电信

号和光信号两类信号。

2.1.2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，通常是把模拟的语音或视频调制到高频信号上进行传输。

●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。

●数字数据模拟信号传输

早期的固定电话系统全是模拟系统，为了能在电话网上传输数字数据，采用调制解调器，将数字数据变为模拟信号在电话网上传输。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；无线局域网也是数字数据模拟传输系统。

数字数据数字信号传输

计算机网络属于这一类。基带传输

数字数据通过线路编码转换成数字信号在链路上传送的例子。

2.2 信号分析基础

通信系统中要传输的是包括信息的信号，因此对通信系统分析离不开信号的分析。描述信号的基本方法是用其数学表达式，通常为时间的函数，绘出函数的图形（称为信号的波形），这种方法称为“时域分析法”。时域分析法对于计算信号的某时刻的值很方便，但用其分析信号更多特征，往往较困难。一般地，利用傅里叶变换技术将时域信号被换到频域进行分析，以确定信号的带宽，是否可提取时钟信号等问题，这种方法称为“频域分析法”。 2.2.1 信号的频谱分析

分析信号的频域分布，可以确定信号的带宽，以合理分配信道。傅里叶变换可以使信号的时域和频域建立对应关系。

(1) 周期信号及频谱分析

周期信号的傅里叶级数表达式如下

1()jn t n f t c e ω+∞

-∞=∑

其中，n c 为傅里叶系数，写为11()jn t n c f t e dt T

ω+∞

--∞

=⎰

，12/T ωπ=。

|n c |--ω关系图称为振幅频谱（简称频谱）

周期性矩形信号的频谱(手写)

（改）

(a) (b)

图2-4 周期性矩形脉冲信号的频谱

注：振幅频谱的物理意义（手写）

● 周期性矩形脉冲的频谱是离散的并纵轴对称 ● 周期性矩形脉冲的包络线是抽样函数

● 从频谱图中可以看到信号包含哪些谐波分量及其振幅大小

● 因为信号的能量与振幅的平方成正比，信号的能量主要集中在第一个过

零点的单边频率范围 ● τ越小，带宽越大

(2) 矩形脉冲信号 对于矩形脉冲信号

2τ-

2

τ()f t E

t

（改）

(a) (b)

图2-3 单个矩形脉冲信号及其频谱图

对于2-3(a)所示的单矩形脉冲信号，根据傅里叶变换公式，求得矩形脉冲函数的频谱为()F ω，其频谱图如图2-3(b)所示。

2()() =

sin(

)2

j t E

F f t e dt ωωτ

ωω

+∞

--∞

=⎰

（手写）

● 非周期函数的频谱是连续的并关于纵轴对称 ● 可以看出信号包含哪些频率分量及其振幅 ● 单个矩形脉冲的包络线是抽样函数

● 单个矩形脉冲的能量集中在第一个过零点的单边频率范围 ● τ越小，带宽越大

(3) 冲激信号及频谱

时域冲激信号：()1t δ↔ 频域冲激信号：12()πδω↔

2．2.2信号的带宽

● 定性：信号能量集中的频率范围。这个频率范围内的分量，对标识信号

起决定性的作用 ● 定量计算：（前提原始信号的能量集中在ω=0附近）信号的带宽是占信

号总能量（或功率）90%（95%，99%）的频率范围 （公式手写）

● 工程近似：信号频谱曲线第一个过零点的单边频率范围

⏹ 周期性矩形脉冲函数和单个矩形函数B=1/τ

⏹ 随机的矩形脉冲序列的带宽用单个矩形脉冲的带宽来估算B=1/τ

(*c)

2.2.3信号通过线性系统

● 线性网络频率传输特性函数

⏹ 时域响应（手写） ⏹ 频域响应（手写）

⏹ 线性网络频率传输特性函数的物理意义（手写）