第3章 数据传输技术

1、1数据通信与计算机网络（第 4 版）杨心强 陈国友编著电子工业出版社 2012 年 5 月2课件制作人声明n本课件是数据通信与计算机网络(第4版)的教辅材料，共12个 Powerpoint 文件(每章一个)。任课教师可根据教学的实际需要，自行修改或增删其内容，但不能自行出版销售。n对于课件中存在的缺点和错误，欢迎读者提出宝贵意见，以便及时修订。 课件制作人 杨心强 2012年5月3数据通信与计算机网络第 3 章数据传输技术4第 3 章 数据传输技术教学目的n掌握实现数据传输的各种基本技术，包括数字基带传输技术、数字频带传输技术、脉冲编码调制技术、信道访问技术、信道复用技术、扩频技术、同步控制技

2、术、数据交换技术和差错控制技术。学习内容数字基带传输技术数字频带传输技术脉冲编码调制技术信道访问技术信道复用技术扩频技术同步控制技术数据交换技术差错控制技术5第3章：内容提纲3.1 数字基带传输技术3.2 数字频带传输技术3.3 脉冲编码调制技术3.4 信道访问技术3.5 信道复用技术3.6 扩频技术3.7 同步控制技术3.8 数据交换技术3.9 差错控制技术63.1 数字基带传输技术n基带信号(简称基带)是指原始的数据信号。基带信号中含有直流、低频率和其他频率成分的谐波分量。n直接利用基带信号的传输方式，称为基带传输。以基带传输方式实现的传输系统，称为基带传输系统。n为什么要研究基带传输呢？

3、主要理由是：近距离传输常采用基带传输，颇有实用价值；多数传输系统对传输信号都有一个处理基带波形的过程；理论上可证明，任何一个带通传输系统总可以由一个基带传输系统来替代。可见，基带传输是研究频带传输的基础，具有一定的意义。73.1.1 基带传输对信号的要求(续1)n由于实际的传输信道存在各种缺陷(频率特性不理想和噪声的影响) ，因此需要对原始数据信号进行码型变换和波形处理，使之适合于在相应系统中传输的信号。 n基带传输是不搬移频谱的直接传输。通常经过波形变换后，仍含有直流成分，所以基带传输有两种方式：直流传送和交流传送。其中，以交流传送方式为优。83.1.1 基带传输对信号的要求(续2)基带传输

4、对传输信号的要求应有利于提高系统的频带利用率。 应含有少量的直流、甚低频及高频分量。 应含有可供提取定时信号的信号分量。 其码型不应受信源统计特性的影响。 其频谱能量要集中，所占带宽要窄。 码型应具有较强的抵抗力和自检能力。 变换电路应简单，成本低，性能好，易调整。 93.1.2 基带信号的波形及其传输码型1、基带信号的波形n基带信号的波形有多种，因矩形易于形成和变换，故最为常用。n常用的基带信号波形：n单极性不归零脉冲(图3-2a)n单极性归零脉冲(图3-2b)n双极性不归零脉冲(图3-2c)n双极性归零脉冲(图3-2d)n差分波形(图3-2e)n多电平脉冲(图3-2f)103.1.2 基带

5、信号的波形及其传输码型(续1)“1”- E / 0“0”- 0 / E“1”“0”/“0”“1”进行极性变化(a)单极性不归零脉冲(b)单极性归零脉冲(c)双极性不归零脉冲(d)双极性归零脉冲(e)(传号)差分脉冲(f)四电平脉冲3E-3E0E11-E00101110110110“1”- E“0”- 0“1”- E“0”- -E“00”- 3E“01”- E“11”- -E“10”- -3E10000101010100000010101111EE000-E-EEEE0编码规则113.1.2 基带信号的波形及其传输码型(续2)n按照上述基带信号波形的特征，可归纳为三种基本分类： 按照信号的极性不

6、同，分为单极性和双极性信号。 按照每位信号的单一极性电位是否占满整个码元时间，分为归零信号与不归零信号。 按照信号幅度的取值不同，分为二电平信号和多电平信号。n由于单极性信号含有较大的直流分量，且判决可靠性较差，所以使用双极性信号较为普遍。n每个多电平信号所含的信息量是二电平信号的 n 倍，因此在相同信号速率的情况下，多电平信号的速率仅为二电平信号的1/n。123.1.2 基带信号的波形及其传输码型(续3)2、常用的基带传输码型nITU-T建议使用的基带传输码型有20余种。常用的有： 双相码(图3-3a) 。又称分相码、裂相码或曼彻斯特(Manchester)码。它用一个周期的方波表示“1”，

7、而用它的反相波形表示“0”。 差分双相码(图3-3b)。利用“差分”的概念，将双相码中用绝对电平表示的波形改为用电平的相对变化的波形。 传号交替反转码(图3-3c)。记作AMI码。其编码规则是：信息“0”变换为基带信号幅度取值为零，而“1”则交替地变换取值为+E和-E的归零码。 三阶高密度双极性码HDB3 (图3-3d)。133.1.2 基带信号的波形及其传输码型(续4)“1”- E / -E“0000”- 000V / B00V“0”0(a)双相码(b)差分双相码(c)传号交替反转码00101110110110-EE“1”- -EE“0”-E-EE00“1”- E / -E“0”- 0“1”

8、、“0”- -EE E-E“1”“0” 极性变化E0-E-E(d)三阶高密度码HDB3001000111000000E-E编码规则143.1.2 基带信号的波形及其传输码型(续5)3、基带传输码型的分析 各种码型的功率谱曲线3.1.2 基带信号的波形及其传输码型(续6)由各种码型的功率谱曲线，可得如下结论： 在直流传送方式中，双极性不归零码的大部分能量集中在零频率点附近，直流和低频能量很大。所占带宽为0f0。仅适用于近距离传输。 在交流传送方式中， 这种码型都不含直流成分，可作为线路传输码型。 所占带宽，以二阶双极性码最窄，为0 f0 /2。双相码和差分双相码最宽，为02 f0。 15163.

9、1.2 基带信号的波形及其传输码型(续7) 在交流传送方式中(续) 提取定时信号，当出现连“0”码时，将使提取定时信号变得困难。 传输过程中如将两根传输线对调接线位置，双相码解码后易发生极性错误，其他则不会。 AMI码和HDBn码邻近线对的干扰小。 抗干扰性能以二电平码为最好。 AMI码、HDB3码均有较好的检测错误的能力。 17第3章：内容提纲3.1 基带传输技术3.2 频带传输与调制技术3.3 脉冲编码调制技术3.4 信道访问技术3.5 信道复用技术3.6 扩频技术3.7 同步控制技术3.8 数据交换技术3.9 差错控制技术183.2 数字频带传输技术n基带传输在数据传输中并非占据主导地位

10、。其原因是多数信道(尤其是无线电信道)并不能进行直接传输，必须用基带信号对载波波形的某些参量进行控制，使这些参量随基带信号的变化而变化，成为以载波频率为中心的带通信号，这就是“调制”的概念。 n“调制”是实现频谱搬移，将数字基带信号变换成适合于信道传输的频带信号。用载波调制进行传输的方式称为频带传输。n调制分为线性调制和非线性调制两种。线性调制的频谱产生平移，而非线性调制的已调信号的频谱中会出现新的频率分量。193.2 频带传输与调制技术(续1)n在数据通信系统中，一般选用形式简单、便于生成和接收的正弦信号作为载波。 n数据通信一般采用数字调制，它是用载波信号参量的离散状态来表征所传输的数据信

11、息，在解调时只需对载波信号的受调参量进行检测和判决。n数字调制就是利用数字信号键控载波的幅度、频率和相位，实现振幅键控(ASK) 、频移键控(FSK) 和相移键控(PSK) 。n数字调制形式的选择往往是频带利用率、差错率、信噪比和设备实现复杂性等因素综合考虑的结果。 3.2 频带传输与调制技术(续2)二进制正弦载波的基本键控波形20213.2.1 基本数字调制技术1、数字幅度调制 二进制幅度键控(2ASK)n基本思想：利用数字基带信号键控载波幅度的变化，即传送“1”信号输出正弦载波信号 ，传送“0”信号无载波输出。 )cos(cctA010011100基带信号调幅223.2.1 基本数字调制技

12、术(续1)2ASK信号的调制233.2.1 基本数字调制技术(续2)2ASK信号的解调n主要有包络检波法和相干解调法。n相干调解法的基本原理：将输入已调信号S(t)与相干载波信号C(t)在相乘器相乘后，再由低通滤波器过滤，即得所需的基带信号(图3-7)。n实现相干解调的关键：有一个与ASK信号的载波保持同相同频的的相干载波，否则会产生波形失真。243.2.1 基本数字调制技术(续3) 多进制幅度键控(MASK)n基本思想：利用多电平的矩形基带脉冲去控制正弦载波信号幅度。253.2.1 基本数字调制技术(续4)n多电平信号所包含的信息量是二电平信号的lb M倍(M为电平数)，所以多电平调制的频带

13、利用率(指单位频带内的信息传输速率)比二电平调制高。nMASK信号的解调方法与2ASK相同，也有包络检波法和相干解调法。263.2.1 基本数字调制技术(续7)2、数字频率调制n基本思想：利用数字基带信号控制载波频率的变化来传输数字信息“1”和“0”。nFSK的抗噪声、抗衰落优于ASK，设备不复杂、实现较容易，所以一直被广泛应用在中、低速数据通信系统中。但是，由于在功率和频率利用率方面，传统的2FSK不及PSK，在DPSK取得成功后，被逐渐取而代之。近年来，FSK有着很大进步，在卫星、无线电通信中得到应用。273.2.1 基本数字调制技术(续8) 二进制频移键控(2FSK)n2FSK信号一般用

14、频率选择法和载波调频法。频率选择法产生相位不连续的2FSK信号。载波调频法产生相位连续的2FSK信号。 010011100基带信号调频283.2.1 基本数字调制技术(续9)2FSK信号的调制n利用频率选择法生成2FSK信号293.2.1 基本数字调制技术(续10)2FSK信号的解调n有相干解调法和非相干解调法。n目前常用非相干解调法(图3-10)，虽然它的抗干扰性能不及相干解调法优越，但解调时无需从FSK信号中提取相干载波，因而实现起来比较简单。n实现非相干解调的关键是匹配滤波器。303.2.1 基本数字调制技术(续11) 多进制频移键控(MFSK)n基本思想：利用M个不同频率的信号波形(如

15、正弦波)来代表M进制的M个码元符号。 MFSK信号的调制nMFSK信号的生成常采用频率选择法(图3-11)。313.2.1 基本数字调制技术(续12)MFSK信号的解调n有相干解调法和非相干解调法(图3-12) 。323.2.1 基本数字调制技术(续13)3、数字相位调制n基本思想：利用基带数字信号控制载波相位的变化来传输数字信息“1”和“0”。调相010011100基带信号333.2.1 基本数字调制技术(续14)n载波相位变化有“绝对移相”和“相对移相”两种。“绝对移相”是利用载波的不同相位直接去表示数字信息，而“相对移相”则利用载波的相对相位，即前后码元载波相位的相对变化来表示数字信息的

16、。由于表征信息的载波相位只取有限个离散值，故又称相移键控(PSK)。n由于实际系统中接收端提供的相干载波往往存在“相位模糊”现象。因此，“绝对移相”虽提出很早，但实用的却是“相对移相” (DPSK)。n相移键控不仅在恒参信道上具有较优的抗噪声性能和频带利用率，而且在有衰落和多径现象的信道上也有较好的接收结果。与幅度键控、频移键控相比，是一种比较优越的调制形式。343.2.1 基本数字调制技术(续15) 二进制相对相移键控(2DPSK)n由于相对移相是利用前后码元之间载波相位的相对变化来传送数字信息的，当保持前后码元载波相位差不变，解调后恢复的数字信息就不会出现极性相位，因此相对移相能够克服相位

17、模糊现象。n2DPSK信号的典型波形如图3-13所示。每个码元中载波相位的变化是以前一码元载波相位作为参考的。若假定当传送的数字信号为“1”时，码元中载波的相位相对于前一码元的载波相位差为；当传送的数字信号为“0”时，码元中载波的相位相对于前一码元的载波相位不变。 353.2.1 基本数字调制技术(续16)n从分析数字信息与码元信号载波相位的关系可知：把数字信息码先变换成相对码，再用它去进行绝对移相，与将它直接进行相对移相的结果是一样的。这说明相对移相是变换成相对码后的数字信号序列的绝对移相。在用相对码表示传送信息之后，2DPSK信号的时域表达式和功率谱密度与2PSK信号是相同的。363.2.

18、1 基本数字调制技术(续17)2DPSK信号的调制n2DPSK信号的调制有调相法和相位选择法。但都需要进行预处理，即先把输入的基带信号编码转换成相对码，再进行绝对移相(见图3-14)。373.2.1 基本数字调制技术(续18)2DPSK信号的解调n2DPSK信号的解调有两种方法：极性比较法和相位比较法。n用极性比较法解调2DPSK信号的原理框图及各点波形如图3-16所示。383.2.1 基本数字调制技术(续19) 多进制移相键控(MPSK) n多进制相移键控是利用载波的多个相位或相位差来表示数字信息的。n多相调制载波的每一相位或相位差与k比特码元的一个状态相对应，而k比特码元包含的信息量是二进

19、制码元所含有信息量的k倍。随着k取值增大，信号之间的相位差也随之减小，传输可靠性降低。所以在实际使用中用得较多的是k=4、8。n在M进制相移键控中，多相调制波形可看作对两个正交载波进行多电平双边带调制所得信号之和。因此，多相调制波的带宽与多电平双边带调制一样。393.2.1 基本数字调制技术(续20)n四相调制也有绝对相移键控(4PSK)和相对相移键控(4DPSK)两种实现方式。n4PSK是利用载波的四种不同相位来表示数字信息的。因为4PSK存在相位模糊现象，所以在实际常采用4DPSK。4DPSK信号可以看成是两路正交的2DPSK信号的合成。生成4DPSK信号通常采用调相法和相位选择法。403

20、.2.2 正交幅相调制n基本思想：利用两个独立的基带波形对两个相互正交的同频载波进行抑制载波的双边带幅度调制。n利用合成的已调信号在相同频带范围内频谱正交特性，从而实现了在同一频带内两路数据信息的并行传输。 n基带波形为矩形脉冲的正交幅度调制，称为正交幅度键控(QASK)。基带波形为多电平时，则构成多电平正交幅度键控(MQASK)。413.2.2 正交幅相调制(续1)正交幅度调制的原理图 正交幅度键控信号解调必须采用相干解调法。载波信号m1(t)基带信号m2(t)(a)调制载波信号m2(t)基带信号m1(t)已调信号S(t)(b)解调m1(t)m2(t)+低通滤波器低通滤波器cos ctcos

21、 ctsin ctsin ct423.2.3 幅相混合调制n多进制调制技术提高了频带利用率，是以牺牲功率利用率为代价。在信号星座图中，当M值增加时，各信号之间的最小距离减小，相应的信号判决区域缩小，因而接收信号的误码率将随之提高。n1960年，C.R.Chen提出了幅相混合键控APK的设想。幅相混合键控是对载波信号的幅度和相位同时进行调制的一种调制形式。在M值较大的情况下，幅相混合键控不仅可以提高系统的频带利用率，而且还可以获得较好的功率利用率，而设备却比MPSK系统简单。 433.2.3 幅相混合调制(续1)n幅相混合调制是对载波信号的幅度和相位同时进行调制的一种调制形式。当选择载波信号的不

22、同幅度和不同相位，对其进行不同的组合时，就可得到多种不同类型的APK信号。nAPK信号的时域表达式为 nncsntnTtgatS)cos()()(ncsnncsntnTtgYtnTtgXsin)(cos)(n此式表明，APK信号可看作两个正交载波调制信号之和。 443.2.3 幅相混合调制(续2)n通常把APK信号矢量端点(An，Bn)在二唯空间内的分布图称为星座图。图3-18表示在功率相等或最大幅度相等的条件下，16QAM和16PSK信号的星座图。453.2.3 幅相混合调制(续3)结论n16PSK相邻信号点之间的距离为 d16PSK=0.39A，16QAM相邻信号点之间的距离为 d16QA

23、M=0.47A，则d16QAMd16PSK，这结果说明 超过约1.64dB。n幅度相位混合调制在M比较大的情况下，不仅可以使通信的有效性和可靠性有较好的改善，而且在设备构成上也比MPSK系统简单，所以在载波信道和微波信道中得到了重视和应用。3.2.4 正交频分复用调制n正交频分复用OFDM调制技术实际上是一种多载波调制。n基本思想是：将信道分成若干个正交子信道，再将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到每个子信道上进行传输。接收端采用相关技术将正交信号分开，这样可以减少子信道之间的相互干扰。n由于每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此可将每个子信道上看成平坦性衰落，从而消除了符号

24、间干扰。而且每个子信道的带宽仅是原信道带宽的一小部分，因此信道均衡变得相对容易。463.2.4 正交频分复用调制(续1)OFDM调制的优点n具有较高的频谱利用率，在抗多径衰落、抗窄带干扰能力上具有明显的优势，n可有效地抗信号波形间干扰，可以提高系统的非视距传播能力，适用于多径环境和衰落信道中的高速数据传输。47483.3 脉冲编码调制技术n话音和视频类的模拟数据在数字网络上进行数字传输时，需将模拟数据转换成数字信号，此时要用到一对编解码器。编解码器使用的主要技术是脉冲编码调制PCM(Pulse Code Modulation)。nPCM主要有三种方式：标准PCM、差分脉冲编码调制DPCM（Di

25、fferential PCM）和自适应差分脉冲编码调制ADPCM（Adaptive DPCM）。n标准PCM把频带被量化为线性步长，用于存储绝对量值。DPCM存储的是前后电流值之差，因而存储量减少了约25%。ADPCM 改变了DPCM的量化步长，在给定的信噪比下可压缩更多的信息。493.3.1 标准PCM技术n基本原理：对一个信号f(t)以固定的时间间隔并以高于信号最大主频率两倍的速率进行采样，那么这些样本就包含了原始信号中的所有信息,这些样本通过低通滤波器就可重建函数f(t)。n以4000Hz话音信号为例，通常择取8000个样本/秒就足以反映这个话音信号。需注意的是，这些样本是模拟样本(PA

26、M样本)。欲想转换为数字，还需要为每个模拟样本赋予一个二进制码。常用8比特样本(即允许256个量化电平)，则经恢复后的话音信号就可达到模拟传输同样的效果。所以，传输一路话音信号所需要的传输速率是 8000个样本/秒8比特/样本=64kb/s 503.3.1 标准PCM技术(续1)采样器量化器编码器模拟信号数字信号时间离散、振幅连续的信号(PAM脉冲)时间离散、振幅离散的信号(PCM脉冲)(a) 话音信号(c) 模拟样本(d) PCM码1110010011010000011011000100010000100110(b) 采样脉冲脉码调制框图3.3.1 标准PCM技术(续2)脉码调制的主要过程n

27、采样 将发送端输入的时间连续、振幅连续的模拟信号转换成离散时间、连续幅度的采样信号(PAM脉冲)。 n量化 把时间离散、振幅连续的采样信号转换成时间离散、振幅离散的信号(PCM脉冲) 。n编码 将量化后的数字信号进行编码形成二进制比特流的数字信号。PCM编码过程的实质是将模拟数据转换成为一个二进制脉冲序列(即模/数转换)。513.3.1 标准PCM技术(续3)脉码调制的主要过程(续)52模拟信号数字信号时间离散、振幅连续的信号(PAM脉冲)时间离散、振幅离散的信号(PCM脉冲)编码器量化器采样器n接收端恢复得到的f(t)与发送端输入的f(t)是有差别的，这是由量化和噪声的影响所造成的。3.3.

28、1 标准PCM技术(续4)PCM信道的特点 具有较强的抗干扰性。因为采用再生中继技术，远距离再生中继时噪声不会累积； 可采用有效、安全的编码技术，提高了系统的可靠性和安全性； 适于高速数据传输； 需要很宽的传输频带，传输一路PCM数字电话信号，约占32kHz的带宽； 整个通信系统较复杂。53543.3.1 标准PCM技术(续5)影响PCM中继间隔的因素n码间串扰 发送/接收端的滤波器和线路的线性失真，以及再生中继站均衡器的不理想，会引起信道传输的基带波形的展宽与较长的拖尾，这对后继波形将会造成干扰，这种干扰称为码间干扰。码间干扰难以避免，用均衡器可减少影响。n线路噪声 指热噪声、脉冲噪声、系统

29、间的串话噪声等噪声。553.3.1 标准PCM技术(续4)n串话干扰 当PCM线路与话音线路设置在同一条电缆内，来自话音电路的冲击性噪声(主要是拨号脉冲噪声)也会对PCM中继设备产生串话干扰。3.3.2 自适应差分脉冲编码调制n自适应差分脉冲编码调制ADPCM是在DPCM基础上，在编码话音信号的标准脉码调制中计算两个连续话音取样之间的差异而进行编码的一种技术。n核心想法是：利用自适应的思想改变量化阶的大小；使用过去的样本值估算下一个输入样本的预测值，使实际样本值和预测值之间的差值总是最小。因此，ADPCM 所用量化间隔的大小可按差值信号的统计结果能自动适配到最佳量化，从而使因量化造成的失真最小

30、化。5657第3章：内容提纲3.1 基带传输技术3.2 频带传输与调制技术3.3 脉冲编码调制技术3.4 信道访问技术3.5 信道复用技术3.6 扩频技术3.7 同步控制技术3.8 数据交换技术3.9 差错控制技术583.4 信道访问技术n“访问”是指引起主、客体之间的信息相互交换或者系统状态改变的主、客体交互行为。n确保单一使用公用信道的技术称为信道访问技术。 访问特征使用技术 预约式静态频分多路复用（FDMA），时分多路复用（TDMA）码分多路复用（CDMA），空分多路复用（SDMA）动态集中统计时分多路复用（ATDMA）无冲突访问选择式 菊花链式访问，轮叫轮询，传递轮询，单一选择争用式A

31、LOHA纯ALOHA（P-ALOHA），时隙ALOHA（S-ALOHA）CSMA非坚持CSMA，1坚持CSMA，P坚持CSMA，CSMA/CD环 式权标（TOKEN），分时环，寄存器插入，开关转换混合式预约ALOHA，有限争用，争用环593.4.1 轮询访问技术n轮询访问是在多个结点共享公用信道的线路中，主机依照一定的顺序探询各结点有无传送信息的要求，被探询的结点如有传送信息的要求就占用公用信道，将信息发送给主机。否则，主机继续探询下一结点。这是一种轮询式的受控接入信道访问技术。n按照探询控制权的转移与否，轮询可分为轮叫轮询和传递轮询两种类型。 603.4.1 轮询访问技术(续1)1、轮叫轮询

32、n轮叫轮询的基本原理如图3-21所示。n轮叫轮询是由主机按事先确定的顺序向各个结点或者向指定结点轮流询问，并接收各结点发来的信息。因为主机一直持有探询各结点的控制权，各结点始终是被探询的对象，因此是一种集中控制的方法。 3.4.1 轮询访问技术(续2)n假设主机向各结点发送的探询帧为定长，其传输时间为t0 ，每个结点识别探询帧所需平均时间为 ts，各结点在多点线路上物理分布是均匀的，主机到最远结点的单程传播时间为。则采用轮叫轮询的整个探询系统巡回时间为 L=N(t0 +ts)+(N+1) (3-20)n举例：详见教材例3-261623.4.1 轮询访问技术(续3)2、传递轮询n传递轮询的基本工

33、作原理如图3-22所示。 n传递轮询允许被探询结点修改探询帧的接收地址，从而克服了轮叫轮询方式中主机一直掌握着发送探询帧的控制权，造成通信开销大、帧的传送时延长的缺点。633.4.1 轮询访问技术(续4)n注意两点： 1、传递轮询控制中，探询帧和响应帧都附有接收地址，是接收结点的单一性的保证。 2、传递轮询的特点是探询控制权的转移。改变接收结点地址顺序，就可控制轮询的顺序。n采用传递轮询技术的整个系统巡回时间为 L=Nts+2 (3-21)n举例：详见教材例3-3643.4.1 轮询访问技术(续5)传递轮询与轮叫轮询的比较n在相同条件下，传递轮询帧的时延比轮叫轮询的时延要小，而且结点间距离越大

34、，其效果越明显。n因为传递轮询技术的实现较复杂，所以实际使用中还是以轮叫轮询为主。653.4.2 争用访问技术n争用技术是一种随机访问技术。由于所有用户都可以根据自己的需要向公用信道发送信息，于是就产生了争用信道使用权的问题。只有争用获胜者才取得了信道使用权可以发送信息，而争用的存在又必然会发生冲突(或碰撞)，这就须解决冲突所带来的问题。nALOHA是美国夏威夷大学20世纪70年代初期研制成功的一个集中控制式的随机接入系统。该系统允许地理上分散的多个用户通过无线电信道来使用中心计算机。 663.4.2 争用访问技术(续1)1、ALOHA技术(1)纯ALOHAn夏威夷大学最初研制的ALOHA称为

35、纯ALOHA。系统设有一个主站和若干个从站，从站到主站的频率是407.35MHz，主站到从站的频率是413.475MHz，带宽各为100KHz，数据传送速率为9600b/s。n每一站均可自由地发送帧，并利用应答技术来确保发送的成功。当从站发送一个帧之后，必须等待主站的应答帧予以确认，方能继续发送下一帧。如果未收到应答信号，就意味着发生了帧的冲突，必须进行重发。纯ALOHA采用让发生帧冲突的从站各自等待一段随机的时间后再进行重发的策略，直到发送成功为止。 673.4.2 争用访问技术(续2)n纯ALOHA系统的帧冲突 n纯ALOHA的吞吐量S与网络负载G之间的关系为GGeS2（3-22）n当G0

36、.5时，Smax0.5e-10.184，说明纯ALOHA最大的吞吐量只达18.4。683.4.2 争用访问技术(续3)(2)时隙ALOHAn时隙ALOHA系统是使各站在同步状态下工作，并把时间划分为等长的时隙。同时规定无论帧何时到达，都只能在每个时隙的开始时刻才能发送出去。n时隙ALOHA的吞吐量公式为n当G1时，Smax0.368，表示该系统达到的最大吞吐量。GGeS（3-24）693.4.2 争用访问技术(续4) 纯ALOHA与时隙ALOHA的S-G关系 n基于这两种ALOHA信道利用率都比较低，因而有人提出把预约和争用技术结合起来，从而保证了所发送的帧不会与别的站发送的帧发生冲突。这就是

37、预约ALOHA。n预约ALOHA的基本指导思想是当网络负载轻时，按ALOHA方式工作；当网络负载重时，网络按接近于时分复用方式工作。 703.4.2 争用访问技术(续5)2、CSMA技术nCSMA是对用于有线信道ALOHA系统的一种改进，它要求每个站都设置一硬件(即载波监听装置， “载波”是指在公用信道上传输的信号。)，用来在发送数据之前监听同一信道上其他站是否也在发送数据。如果该站监听到有别的站正在发送，就暂不发送数据，从而减少发送冲突的可能性，也提高了整个系统的吞吐量和信道利用率。 713.4.2 争用访问技术(续6)n根据每个站所采用的载波监听策略，CSMA可分为以下几种类型： 非坚持C

38、SMA 如果进行载波监听时发现信道空闲，则将准备好的帧发送出去；如果监听到信道忙，就不再继续坚持听下去，而根据协议的算法延迟一个随机时间再重新监听。 1坚持CSMA 当监听到信道空闲时，就立即发送帧；如果监听到信道为忙，则继续监听下去，一直坚持到信道变成空闲为止。 P坚持CSMA 当监听到信道为空闲时，以概率p立即发送帧，而以概率(1- p)延迟一段时间 (端端传播时延)再重新监听信道；当监听到信道为忙时，则继续监听下去，一直坚持到信道空闲为止。nCSMA也可以采用时隙式，同样有上述三种类型。 723.4.2 争用访问技术(续7)3、环访问技术n最常用的环是令牌环和时隙环。(1)令牌环n令牌环

39、是一种最早提出的环访问技术。利用令牌环技术构成的局域网有Newhall环网和IBM令牌环网。它们是制定IEEE 802.5标准的基础。n令牌环技术的优点是易于调节通信量。缺点是令牌操作和管理复杂。733.4.2 争用访问技术(续8)令牌环技术基本原理n利用在环路中流动的唯一的令牌帧。初始状态时，不含有数据的令牌帧称为“闲”令牌帧。要求传输数据的站必须等待令牌帧的到达，如检测是“闲”的，于是就通过改变其比特组合将令牌由“闲”改成“忙”，并在此令牌后面传输待发送的数据。此时环路上因没有“闲”令牌，其他希望发送数据的站必须等待。当包含数据的“忙”令牌帧沿环路传送到非目的站时，则转发该帧。只有当它传送

40、到目的站时，目的站才复制该帧的有关信息，并继续转发该帧。这个“忙”令牌帧绕环一周后又返回到源站，则由源站对数据实施检查和回收，并将“忙”改为“闲”。743.4.2 争用访问技术(续9)n由于令牌是唯一的，在任何情况下，令牌都保证一次仅有一个站在传输数据。只有当源站释放出一个新的“闲”令牌时，处于下游的有传输数据要求的站才能截获“闲”令牌并进行数据传输。n令牌环技术应具有故障恢复机制。n令牌丢失 由令牌主动管理站采用超时机制来检测令牌的丢失情况。 n恢复令牌 由管理站重新生成一个“闲”令牌。n一张令牌 由管理站检测持续循环的“忙”令牌，通过设置管理比特，自动地将“忙”令牌更改为“闲”令牌。n管理

41、站有效 被管理站通过检测主动站是否故障，采用竞争算法产生新的主动站。 753.4.2 争用访问技术(续10)(2)时隙环n时隙环是J.R.Pierce于1972年首先研制成功的，因而有时也称为Pierce环。763.4.2 争用访问技术(续11)时隙环技术的基本原理n把信息在环路上的传送时间划分为固定长度的时间段(简称时隙)。每一个时隙都含有一先导标志位，表示该时隙的现行状态：空或满。若干时隙在环路上绕环运行。初始时，所有的时隙都是空的。要求传送数据的站必须等待一个空时隙到达，将先导标志位改为满，同时在时隙中加入所要传送的数据。当载有数据的时隙到达目的站时，目的站将复制时隙中的数据，同时设置响

42、应位，以表征接收的状态(接收、拒收和忙)。只有当时隙返回到源站时，才将时隙先导标志位重新改为空，以便该时隙供下游的结点继续使用。773.4.2 争用访问技术(续12)n最著名的时隙环是剑桥环，于1974年由英国剑桥大学研制成功。n时隙环的主要优点是简单。其主要缺点是因时隙中含有较多的管理开销浪费了带宽；当环路上只有少数站要求传输数据时，就会造成许多空时隙在环路上作毫无意义的循环。 3.4.2 争用访问技术(续13)n选择信道访问技术的主要因素是吞吐量。n对于使用率较低的小型网络，采用争用访问技术较为合适。n对于使用率很高的大型网络，采用轮询访问技术则更适合。n选择信道访问技术的关键是找到轮询访

43、问和争用访问的相交点。在构建总线式LAN时，同一网段上部署的用户数以20个为宜。7879第3章：内容提纲3.1 基带传输技术3.2 频带传输与调制技术3.3 脉冲编码调制技术3.4 信道访问技术3.5 信道复用技术3.6 扩频技术3.7 同步控制技术3.8 数据交换技术3.9 差错控制技术803.5 信道复用技术n动机：信道的带宽往往要比所传送的信号的带宽宽得多，为了充分利用信道的容量，提高信道的传输效率，开发了信道复用技术。复用(multiplexing)是通信技术中的基本概念。 n信道多路复用的理论依据是信号分割原理。实现信号分割是基于信号之间的差别，这种差别存在于信号的频率、时间参量以及

44、码型结构。813.5 信道复用技术(续1)n多路复用是一种将若干路彼此无关的信号合并成一路复合信号，并在一条公用信道上传输，到达接收端后再进行分离的技术。该项技术包含信号复合，传输和分离三个方面的内容。823.5.1 频分复用n频分多路复用FDM(Frequency Division Multiplexing)是按照频率参量的差别来分割信号的技术。n基本思路：把信道的可用频带分割为若干条较窄的子频带，用户自始至终使用分配到的子频带来传输信号。所有用户在同样的时间占用着不同的带宽资源(请注意，这里的“带宽”是频率带宽而不是数据的发送速率)。 833.5.1 频分复用(续1)n信道带宽与各子频带之

45、间满足如下关系：n话音信号频分多路载波通信系统 niibnbB1) 1(3-28)843.5.1 频分复用(续2)nFDM的主要优点：实现简单；技术成熟；能较充分地利用信道频带，因而系统效率较高。nFDM的主要缺点：保护频带的存在，大大地降低了FDM技术的效率；信道的非线性失真，改变了它的实际频带特性，易造成串音和互调噪声干扰；所需设备量随输入路数增加而增多，且不易小型化；频分多路复用本身不提供差错控制技术，不便于性能监测。n在实际应用中，FDM正在被时分多路复用所替代。853.5.2 波分复用n波分复用是传统的频分复用技术应用于光纤通信领域，因此波分复用的本质是频分复用。n波分复用是将1根光

46、纤转换为多条“虚拟”光纤，每条虚拟光纤独立工作于不同波长，从而极大地提高了光纤的传输容量，充分发挥了光纤的潜在能力。n波分复用通常有三种复用方式。 1310nm和1550nm波长的波分复用 粗波分复用CWDM 密集波分复用DWDM863.5.2 波分复用(续1) 1550 nm 0 1551 nm 1 1552 nm 2 1553 nm 3 1554 nm 4 1555 nm 5 1556 nm 6 1557 nm 70 1550 nm 1 1551 nm 2 1552 nm 3 1553 nm 4 1554 nm 5 1555 nm 6 1556 nm 7 1557 nm 8 2.5 Gb/

47、s1310 nm20 Gb/s复用器分用器EDFA120 km光调制器光解调器密集波分复用举例3.5.2 波分复用(续2)波分复用的特点利用光纤低损耗波段，增加了光纤的传输容量。在一根光纤中传送2个或数个非同步信号，这有利于数字信号和模拟信号的兼容。对已建光纤系统，只要原系统有功率余量，便可进行增容，因而有较强的灵活性。光纤使用量的减少，降低了建设成本。有源光设备的共享性，降低了成本。系统中有源设备的减少，提高了系统的可靠性。87883.5.3 时分复用1、传统时分复用n时分多路复用TDM是按照时间参量的差别来分割信号的技术。n时分复用则是将时间划分为一段段等长的时分复用帧(TDM 帧)。每一

48、个时分复用的用户在每一个 TDM 帧中占用固定序号的时隙。每一个用户所占用的时隙是周期性地出现(其周期就是 TDM帧的长度)。因此，TDM 信号也称为等时(isochronous)信号。n时分复用的所有用户是在不同的时间占用同样的频带宽度。 893.5.3 时分复用(续1)时分多路复用的原理图频率时间C DC DC DAAAABBBB C DA 在 TDM 帧中的位置不变TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧903.5.3 时分复用(续2)时分多路复用的原理图(续1)频率时间C DC DC DAAAABBBB C DB 在 TDM 帧中的位置不变TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM

49、 帧TDM 帧913.5.3 时分复用(续3)时分多路复用的原理图(续2)频率时间BDBDBDAAAA BCCCC DC 在 TDM 帧中的位置不变TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧923.5.3 时分复用(续4)时分多路复用的原理图(续3)频率时间B CB CB CAAAA B CDDDDD 在 TDM 帧中的位置不变TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧933.5.3 时分复用(续5)传统TDM的特点通信双方是按照预先指定的时隙进行通信的，而且这种时间关系是固定不变的；就某一瞬时来看，公用信道上仅传输某一对设备的信号，而不是多路复合信号，但就一段时间而言，公用信

50、道上传送着按时间分隔的多路复合信号。只要时分多路复用器的扫描操作适当，以及采取必要的缓冲措施和合理地分配时隙，就能够保证多路通信的正常进行。943.5.3 时分复用(续6)2、统计时分多路复用n使用传统时分多路复用来传输计算机数据，由于计算机数据的突发性，用户对分配到的子信道的利用率一般是不高的。ABCDaabbcdb cattttt4 个时分复用帧#1acbcd传统时分复用#2#3#4用户953.5.3 时分复用(续7)n为了提高时隙的利用率，可以采用按需分配(或动态分配)时隙，以避免每帧中出现闲置时隙的现象。这种动态分配时隙的TDM，称为统计时分多路复用STDM(Statistic TDM

51、)。用户ABCDabcdttttt3 个 STDM 帧#1acbab bcacd#2#3统计时分复用963.5.3 时分复用(续8)nSTDM也存在技术缺陷。如当复用器连接的设备较多，又都处于工作状态,或者少数设备发送很长的数据块，将会出现与数据块和排队有关的时延加剧问题。又如当传输出现差错时造成一个或数个帧数据重发，将会导致时延的加剧。n在复用器输入的数据吞吐量超过了复用信道的容量时，出现缓冲区溢出造成数据丢失，就必须采用相应的缓冲措施。n在STDM基础上，引入数据压缩技术，称谓智能时分多路复用ITDM。其主要优点是提高信道利用率。n时分复用技术应用于光通信领域，称为光时分复用OTDM。97

52、3.5.4 码分复用n码分复用CDMA 是按照码型结构的差别来分割信号的技术。n用户使用经过特殊挑选的不同码型，就可以在同样的时间内使用同样的频带进行通信，而不会造成相互干扰。 n码分复用技术最初用于军事通信，现已广泛用于民用移动通信。CDMA信号具有很强的抗干扰能力，其频谱类似于白噪声，不易被发现。nCDMA技术可提高话音质量和数据传输的可靠性，减少干扰对通信的影响，增大通信系统的容量(是GSM的45倍)，以及减少平均发射功率等。983.5.4 码分复用(续1)n每一个比特时间被划分为m个间隔，称为码片(chip)。通常m的值是64或128。n使用CDMA的每一个站被分派一个唯一的bit码片

53、序列（chip sequence）。一个站如果要发送比特1，则发送它自己的m bit码片序列。如果要发送比特0，则发送该码片序列的二进制反码。n例如，S 站的 8 bit 码片序列是 00011011。n发送比特 1 时，就发送序列 00011011，n发送比特 0 时，就发送序列 11100100。n为了方便，我们以后将两码片中的0写成1，将1写为+1。 因此，S 站的码片序列：(1 1 1 +1 +1 1 +1 +1)993.5.4 码分复用(续2)nCDMA系统采用的码片具有如下特性： 令向量A表示A站的码片向量，再令B表示其他任何站的码片向量。 分派给每一个站的码片不仅互不相同，并且必

54、须互相正交(orthogonal)。向量A和B的内积都是0。miiiBAmBA101（3-29） 任何一个码片向量的规格化内积都是1。一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是 1。1) 1(11112121mimiimiiimAmAAmAA（3-30）1003.5.4 码分复用(续3)CDMA工作原理举例S 站的码片序列 S110ttttttm 个码片tS 站发送的信号 SxT 站发送的信号 Tx总的发送信号 Sx + Tx规格化内积 S Sx规格化内积 S Tx数据码元比特发送端接收端101第3章：内容提纲3.1 基带传输技术3.2 频带传输与调制技术3.3 脉冲编码调制技术3.4 信

55、道访问技术3.5 信道复用技术3.6 扩频技术3.7 同步控制技术3.8 数据交换技术3.9 差错控制技术1023.6 扩频技术3.6.1 概述n扩展频谱通信(Spread Spectrum Communication，简称扩频通信) 是指发送端将待传送的数据利用扩频码调制实现频谱扩展后再进行宽带通信，接收端则采用相同的扩频码进行相关解扩及解调，恢复成原始的数据信号的一种通信方式。n扩频通信的特点是传输信息所用信号的带宽远大于信息本身的带宽或者传输信息必需的最小带宽。n扩频增益(或处理增益) 是衡量扩频系统一个最重要的指标，它表示传输信号所占用的频带宽度(W)与原始信息本身实际所需的最小(有效

56、)带宽(DF)之比值。 Gp=W/DF (3-31)3.6.1 概述(续1)n扩频码具有近似于随机信号的性能(因为真正的随机信号和噪声是不能重复再现和产生)，我们用一种周期性的脉冲信号来模仿随机噪声的性能，因此扩频码又称伪随机码或PN(pseudorandom number)码。1031043.6.1 概述(续2)扩频通信原理图通常，扩频通信系统都要进行三次调制和相应的解调。一次调制为信号调制，二次调制为扩频调制，三次调制为射频调制，以及相应的射频解调、解扩和信号解调。与一般通信系统比较，扩频通信增加了扩频调制和解扩两个部分。 1053.6.1 概述(续3)扩频通信的优点n抗干扰性能好 n抗多

57、径衰落 n安全保密性好 n具有隐蔽性和低的截获概率 n可多址复用和任意选址 n可数模兼容n便于高精度测量n安装简便，易于推广应用 1063.6.2 直接序列扩频n直接序列扩频DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum，简称直扩) 是指直接利用具有高速变化的扩频码序列在发送端扩展信号的频谱，在接收端则利用相同的扩频码序列进行解扩，把展宽的扩频信号还原成原始的数据的一种通信方式。n直扩是一种数字调制方法。是将信源与一定的PN码进行模2加。例如，在发送端将“1”和“0”分别用11000100110和00110010110来代替，这个过程就实现了扩频。在接收端只要把接收到

58、的序列是11000100110恢复成“1”，是00110010110恢复成“0”，这就是解扩。此时信源速率被提高了11倍，使处理增益达到10dB以上，有效提高了整机信噪比。 1073.6.2 直接序列扩频(续1)直扩系统的组成与原理图接收机输入端的信号与噪声经过解扩处理后，信号功率再集中通过滤波器，同时干扰信号功率扩散后被滤波器滤除，这就大大提高了输出端的信噪比。直扩系统具有很强的抗干扰能力。 3.6.2 直接序列扩频(续2)直扩技术的优点n直扩信号的功率谱密度低，具有隐蔽性和低的截获概率。n直扩伪随机序列的伪随机性和密钥量使信息具有保密性，即系统本身具有加密的能力。n利用直扩伪随机序列码型的

59、正交性，可构成直接序列扩展频谱码分多址系统。n具有抗宽带干扰、抗多频干扰及单频干扰的能力。n具有抗多径效应的能力。n可实现精确的测距定位。n适用于数字话音和数据信息的传输。1081093.6.3 跳频扩频n跳频扩频FHSS(Frequency Hopping Spread Spectrum，简称跳频)是用伪随机码序列进行选择性的多频率频移键控的一种通信方式。n跳频的载频受一个伪随机码的控制，在其工作带宽范围内，其频率合成器按PN码的随机规律不断改变频率。在接收端，接收机频率合成器也受伪随机码控制，并保持与发送端变化规律相同。n也就是说，跳频扩频使用扩频码序列进行频移键控调制，跳频系统通常有几个

60、、几十个、甚至上千个频率、由所传信息与扩频码的组合去进行选择控制，使载波频率不断地跳变。 1103.6.3 跳频扩频(续1)跳频系统的组成与原理图跳频扩频是载波频率在一定范围内不断跳变意义上扩频，而不是对被传送信息进行扩谱，不会得到直序扩频的处理增益。3.6.3 跳频扩频(续2)跳频扩频的优点跳频图案的伪随机性和跳频图案的密钥量使得跳频系统具有保密性。载波频率的跳变，使得跳频系统具有抗单频及部分带宽干扰的能力。利用载波频率的快速跳变，具有频率分集的作用，使得跳频系统具有抗多径衰落的能力。利用跳频图案的正交性可构成跳频码分多址系统，共享频谱资源，具有承受过载的能力。跳频系统为瞬时窄带系统，能与现