数据编码技术 (2)

1、计算机网络基础 数据编码技术 主讲人：徐光达 一、数据通信系统基本概念回顾 n数据（data）数据通信中传输的二进制代码，是传输 信息的载体 n信息（information）数据的内容和解释 n信号(signal)数据在传输过程中的电磁波表示形式 n模拟信号随时间连续变化连续变化的物理量 n数字信号相对于时间和幅值而言都是不连续不连续的， 即离散的物理量 模拟信号 数字信号 信号 n 周期信号信号在一段可测量的时间内完成一种模式， 并且在随后同样长的时段内不断重复这种模式 q周期t完成一个完整模式所需要的时间，其值是 固定的 信号 n 非周期信号在随时间变化的过程中，不会出 现重复的模式 信号

2、 数据通信相关概念： n数据通信：在两点或多点之间以二进制形 式进行信息交换 n信源：一次通信中发送信息的一端 n信宿：一次通信中接收信息的一端 n信道：信源和信宿之间的通信线路 通信 线路 输 入 信 息 输 入 数 据 发送 的信号 接收 的信号 输 出 数 据 源点终点发送器接收器 调制解调器 pc 机 公用电话网 调制解调器 数字比特流数字比特流模拟信号模拟信号 正文 正文 数据通信系统 信源 源系统 信宿 目的系统 信道 传输系统 输 出 信 息 pc 机 数据通信系统模型 n一个数据通信系统由信源、信道和信宿三个部分组成。 二、数据通信系统的技术指标 n数据传输速率 n带宽 n时延

3、 n信道容量 数据传输速率 n比特率：单位时间内所传送的二进制码的有效位数，单位bps。 n波特率：是脉冲信号经过调制后的传输速率，它是指单位时间 内传输的码元数目，单位波特（baud）。 q码元：一个数字脉冲信号。一个码元可以携带k种状态 n比特率与波特率的换算关系为： r(bps比特率)b（波特率）log2k n误码率：二进制码在传输过程中出现错误的概率。 误码率=传输中发生差错的码元数/传输总码元数 n设信号的波特率为600baud，采用4相dpsk（相键控 调控）调制，则信道支持的最大数据速率为_。 a. 300b/s b. 600b/s c. 800b/s d. 1200b/s 例题

4、 带宽 n对于模拟信号而言，带宽又称为频宽，以赫兹（hz） 为单位。 n对于数字信号而言，带宽是指单位时间内链路能够通 过的数据量。 n为了与模拟信道的带宽进行区分，数字信道的带宽一 般直接用波特率或符号率来描述。 n信号从源端发送到宿端所需要的时间 q发送时延 q传播时延 q处理时延 时延(delay 或 latency) n发送时延（传输时延 ） 发送数据时，数据 块从结点进入到传输媒体所需要的时间。 发送时延 = 数据块长度（比特） 信道带宽（比特/秒） 时延 n传播时延 电磁波在信道中需要传播一定的距离而花 费的时间。 n信号传输速率（即发送速率）和信号在信道上的传播 速率是完全不同的

5、概念。 传播时延 = 信道长度（米） 信号在信道上的传播速率（米/秒） 时延 n处理时延：交换结点为存储转发而进行一些必要的 处理所花费的时间。 n结点缓存队列中分组排队所经历的时延是处理时延 中的重要组成部分。 n处理时延的长短往往取决于网络中当时的通信量。 n有时可用排队时延作为处理时延。 时延 n数据经历的总时延就是发送时延、传播时延和 处理时延之和： 总时延 = 发送时延 + 传播时延 + 处理时延 时延 三种时延所产生的地方 1 0 1 1 0 0 1 发送器 队列 在链路上产生 传播时延 结点 b 结点 a 在发送器产生发 送时延 在队列中产生 处理时延 数据 从结点 a 向结点

6、b 发送数据 链路 信道容量 n信道容量：单位时间内，信道上所能传输的最大比特数， 用bps表示。当传输速率超过信道容量时，会产生信号失真 n香农定理： c=wlog2(1+s/n) qc:信道的极限数据传输速率 qw:信道带宽（hz） n带宽为6khz，信噪比为20db的信道，发送二进制信号时 的最大数据传输率是多少？ ns:信道内信号的平均功率 nn:信道内的噪声功率。 三、编码类型及方式 模拟的和数字的数据、信号 模拟数据模拟信号 放大器 整形器 模拟数据数字信号 pcm 编码器 数字数据模拟信号调制器 数字数据数字信号 数字 发送器 四、数据编码技术 n数字数据调制为模拟信号 n数字数

7、据编码为数字信号 n模拟数据编码为数字信号 调制解调器 n调制解调器(modem)包括： q调制器(modulator)：把要发送的数字信号转换为 频率范围在 3003400 hz 之间的模拟信号，以便 在电话用户线上传送。 q解调器(demodulator)：把电话用户线上传送来的 模拟信号转换为数字信号。 n数据经过模拟传输系统后会出现差错。 出现差错 010010 0100 还原后 的数据 t 接收到的 失真信号 010011100 t 发送的 基带信号 t 采样时刻 调制解调器 n调制器的主要作用就是个波形变换器，它把基 带数字信号的波形变换成适合于模拟信道传输 的波形 n解调器的作用

8、就是个波形识别器，它将经过调 制器变换过的模拟信号恢复成原来的数字信号 q若识别不正确，则产生误码。 q在调制解调器中还要有差错检测和纠正的设施。 调制解调器 1、 数字调制技术 n 调制数字数据转换为模拟信号，即选取某一频率的 正（余）弦波作为载波，来运载需传输的数字数据 a：信号振幅； f：信号频率，单位时间内信号变化次数，周/秒 ：初始相角，单位为弧度 （相位） )sin(ftay(t)= n 根据正弦波的3个控制参数（振幅a，频率f和相 位）有3种基本调制技术： n 振幅调制（am） n 频率调制（fm） n 相位调制（pm） n 正交调幅（qam） 振幅调制 n振幅调制幅移键控（as

9、k） q改变载波信号的振幅来表示二进制0和1，频率 和相位保持不变 频率调制 n频率调制频移键控（fsk） q改变载波信号的频率来表示二进制0和1，振幅 和相位保持不变 相位调制 n相位调制相移键控（psk） q改变载波信号的相位来表示二进制0和1，振 幅和频率保持不变 n相对相位调制 n绝对相位调制 n用载波信号相位的相对变化来表示数字0和1 相对相位调制 n用载波信号的不同相位直接表示数字0和1 绝对相位调制 正交调幅 n结合使用载波信号中的振幅和相位变化，为每个 比特组合比特组合分配一个给定的振幅和相位信号。 n可以增加信号模式，提高比特率（每秒发送的比 特数）。但必须使信号之间保持较大

10、的差异，提 高信号的抗干扰能力。 n信号星座图中的每一个点，就是一个合法 的信号模式，信号的振幅对应于该点到原点的 距离d，相位对应于振幅和水平轴的夹角a。 正交调幅 8-qam信号星座图信号星座图 2个振幅和4个相位，产生 8（2*4）种信号模式，每种 信号模式表示3位（log28） 比特串 比特值比特值调制信号的振幅调制信号的振幅调制信号的相位调制信号的相位 000a10 001a20 010a1/2 011a2/2 100a1 101a2 110a13/2 111a23/2 a1a2 8qam 例：数据例：数据001 100 011 000 110 010 111 101 按按8-qam

11、调制调制 2、数据编码技术 1 单极性编码 只使用一种极性（正或负）的电压脉冲二进制1，零 电压二进制0。 q简单、易实现 q不能由没有处理直流分量信号能力的介质传输 q存在同步问题 数据编码技术 1 单极性编码 例如：数字数据01001101的单极性编码 数据编码技术 2 极化编码 采用两种极性（正和负）的电压脉冲，减少直流分量。 非归零电平编码电压脉冲一种极性为1，另一种极性为 0；存在发送方和接收方的时钟同步问题 。 数据编码技术 3 双相位编码 信号中含同步信息，每个比特中间信号都跳变 。 n 曼彻斯特编码：中间跳变既表示同步信息，又表示不同值。 q负电平到正电平1， 正电平到负电平0

12、。 n差分曼彻斯特编码：中间跳变仅用来表示同步信息。 q每比特的开始位置没有跳变1， 有跳变0。 例：将数字数据例：将数字数据01001101进行双相位编码进行双相位编码 （设起始位置的电压为正电平设起始位置的电压为正电平 ）。）。 思考：哪个是曼思考：哪个是曼 彻斯特编码？彻斯特编码？ 3、 模拟数据编码为数字信号 n采样 q在时间上将模拟信号离散化 n量化 q用有限个幅度值近似原来连续变化的幅度值 n编码 q量化后的值用二进制表示，然后转换成二值或多值的数字信号 流 采样电路采样电路量化和编码量化和编码 -话音信道带宽话音信道带宽 2倍倍话音话音最大频率最大频率) -量化级数：量化级数：256级级 (8