数据通信_第二章 数据通信技术基础

1、第二章 数据通信技术基础传输信道数据编码技术数据压缩技术差错控制多路复用技术数字复接技术传输信道信道的概念：指以传输介质为基础的信号通路 广义信道：包含传输媒体和完成各种形式的信号变换功能的设备。如：调制信道、编码信道。狭义信道：仅指传输媒体本身，能够传输信号的任何抽象的或具体的通路，如：电话线、同轴电缆、光纤、微波、短波等。信道分类按传输的信号类型分：模拟信道和数字信道信道都是以模拟形式表现出来的，差别在于是否以离散的方式使用。按信道使用方式分：专用信道（两点或多点间的线路是固定不变的，例如租用的光纤链路）和公用信道（通过公用交换网络，如公用电话网、数字数据网）按传输媒质分：有线信道和无线信

2、道根据传输序列出错关系分：记忆信道（每个码元发生错误是与其前后码元之间有一定关系的，例如线路存在容性，高电平充电低电平无法快速回落）和无记忆信道（没关系），理想的数字信道是无记忆信道。 记忆信道产生的原因由于线路的容性，放电不及时导致数据接收错误InOut数字信道的深入分析（1）当奇次谐波更丰富时，合成的波形将更逼近方波。数字信道的深入分析（2）典型的数字信道典型数字信道：平稳、无记忆、对称、离散，可为二进制或多进制。平稳：对任何码元来说，正确或错误传输的概率与发生时间无关；无记忆：接收到的第i个码元仅与发送的第i个码元有关，与前面的其他码元无关；对称：指任一个码元正确传输和错误传输的概率与这

3、个码元是哪一种无关。信道容量 信道容量是指通信系统最大的信息传输速率。我们在设计一个通信系统时，通常信道的带宽一定，要考虑信道的容量可以通过理论计算出极限值；或者要求信道容量，要计算需要的信道带宽。 主要是通过奈奎斯特和香农两个定理来计算 数字信道的信道容量 1924年，奈奎斯特（H. Nyquist）推导出无噪声、对称无记忆的有限带宽数字信道的最高传输率公式（奈奎斯特准则）： C= 2Blog2L (bit/s)B为信道带宽，L为数据使用的进制数；奈奎斯特准则是理想的最大值，实际系统无法超越。例题普通电话线路带宽约3kHz，请计算其传输二进制码元速率极限值C =2*B=2*3k=6K (Ba

4、ud 或者bps) ；若码元采用16QAM调制，计算其最大信息传输速率C=2*3k*log216=24K (bps) 模拟信道的信道容量 1948年，香农（C. Shannon）把尼奎斯特的工作扩大到信道受到随机（热）噪声干扰的情况。热噪声出现的大小用信噪比S/N（信号功率S与噪声功率N之比）来衡量。通常使用dB作为单位：10lg(S/N)在加性高斯白噪声信道中，传输功率受限的信号，信道极限传输速率（信道容量）C为：C=Blog2(1+S/N)其中B为信道频带宽度，S/N是平均信号噪声功率比（信噪比）增加信号功率，降低噪声可以提高信道容量。此式是利用信息论得出的，具有普遍意义；与信号电平级数、

5、采样速度无关；此式仅是上限，难以达到。该公式说明在给定的频带宽度和信噪比条件下，高斯白噪声信道的最大无差错传输能力是一定的，否则就不可能是误差错传输, 并不是单纯通过增加单符号信息量能够无限增加的, 只是逼近理想的最大值。模拟信道的信道容量计算 例题1：已知数据传输信道，信噪比为30dB，带宽为3kHz，求信道的最大数据传输速率。 10lg(S/N)=30 S/N=1030/10=1000 C=3klog2(1+1000)30k bps 例题2：对于带宽为3KHz的信道，若有8种不同的物理状态来表示数据（例如8QPSK调制方式），信噪比为20dB，问：结合Nyquist定理和Shannon定理

6、计算最大限制的数据速率是多少？ 10lg(S/N)=20 S/N=1020/10=100 C=3klog2(1+100)=3K*(lg101)/(lg2)20k bps 根据Nyquist准则：C=2Blog2L=2*3k*3=18k bps所计算结果小于Shannon定理最大限制的数据速率20k，因此最大速率18K 有线传输介质 双绞线双绞线T P（Twisted Pair）是目前使用最广，价格相对便宜的一种传输介质。它是由两条相互绝缘的铜导线组成。其中导线的典型直径为1 m m（在0 . 4 m m至1 . 4 m m之间）。这两条线扭绞在一起，可以减少对邻近线对的电气干扰，因为两条平行的

7、金属线可以构成一个简单的天线，而双绞线则不会。由若干对双绞线构成的电缆被称为双绞线电缆。双绞线对可以并排放在保护套中。目前双绞线电缆广泛应用于电话系统。几乎所有的电话机都是通过双绞线接到电话局的。在双绞线中传输的信号在几公里的范围内不需放大，但传输距离比较远时就必须使用放大器。双绞线既可以传输模拟信号，又能传输数字信号。用双绞线传输数字信号时，其数据传输率与电缆的长度有关。距离短时，数据传输率可以高一些。在几公里的范围内，双绞线的数据传输率可达1 0 M b p s，甚至1 0 0 M b p s，因而可以采用双绞线来构成价格便宜的计算机局域网。双绞线平衡传输的原理双绞线大多采用平衡传输，采用

8、了平衡发差分收。平衡就是没有地，信号在两条线间。差分收可以抵消共模干扰。 5类UTP网线头的定义?网卡使用1、2；3、6两对平衡线作为收和发颜色线和同颜色带白色条纹的线在电缆中是扭成对的。建议的顺序是：橙白，橙；蓝白，绿；绿白，蓝；棕白，棕12345678有线传输同轴电缆通常由50和75，50通常称为射频电缆，用于无线通信馈线（发射设备和天线之间的电缆）；75用于2M和有线电视，多用于基带。低频串音及抗干扰性能不如双绞线。具有寿命长、频带宽、质量稳定、外界干扰小、可靠性高、维护便利、技术成熟等优点。其费用介于双绞线与光纤之间 。有线传输光纤频带宽、容量大；损耗低、中继距离长；抗电磁干扰能力强；

9、尺寸小、重量轻；抗腐蚀性好。 有线传输光缆结构有线传输光纤导光原理?有线传输光纤种类有线传输光纤分类特点光纤波长有850nm、1310nm和1550nm等单模光纤波长1550nm，只有单一的传播路径，一般用于长距离传输带宽为2000MHz/km，单模光纤在波长1.31um或1.55um时，光速的低损耗窗口每公里衰减可做到0.20.4dB以下，因此光纤通讯方式可实现20km无中继传输，使用激光光源，光纤成本高，多用于干线。多模光纤波长850nm，有多种传播路径，多模光纤的带宽为50500MHz/km，可以使用发光二极管作光源，光纤成本低，多用于支线；1310nm波长区有多模光纤和单模两种。有线传

10、输光纤通信系统电端机调制光检测 判决再生光源光检测放大电端机光源中继机光纤光纤光发信机光接收机无线传输信道微波中继信道微波通信：利用微波波段的电磁波在对流层的视距离范围内进行信息传输的一种通信方式。它使用的频率范围一般在1 GHz至2 0 G H z左右。在长途线路上，典型的工作频率为2 G 、4 G、8 G 和12 GHz。 与其它波长的无线电通信比较，有如下优点：1.工作频带宽、通信容量大2.受外界干扰小3.通信效果较好4.具有较大的灵活性5.投资省、见效快无线传输信道微波中继信道无线传输信道微波中继信道微波通信基本上采用定向天线微波信道分两种：模拟微波、数字微波模拟微波传输模拟信号主要采

11、用频分复用；模拟微波(FDM-FM) 数字微波传输数字信号主要采用时分复用；数字微波(TDM-PCM-DPSK) 一路PCM信号的速率为64kB/s 一次基群（30路PCM信号）的速率2.048MB/s 二次基群的速率为8.448MB/s 三次基群的速率为34.368MB/s无线传输信道卫星中继信道卫星通信:是利用人造卫星作为中继站的一种通信方式卫星信道的特点： 1.覆盖地区大、通信距离远 2.具有多址连接能力 3.频带宽、容量大 4.通信机动灵活 5.通信稳定可靠 6.建站费用与距离无关无线传输信道卫星中继信道无线传输信道短波信道一、短波通信概述短波的波长为100m-10m(频率为3-30M

12、Hz)二、短波通信的组成第二节 数据编码技术信源编码：将原始的消息转换成用代码表示的数据的转换过程。信道编码：为提高数据信号传输可靠性采取的差错控制技术。数据安全：为了提高数据的安全性，而将原始数据进行的加密处理。三个重要概念语音的数据编码语音编码要根据采样定理，fs2fm，语音的最高频率一般取4KHz，所以采样频率通常为8KHz最常用的PCM，是几乎所有语音编码的基础，用8BIT 256阶数字化，再用A/率（13/15折）变换，提高语音的动态范围（通常话音最大和最小相差上百倍，不进行非线性变换不能充分利用8BIT动态范围）。所以PCM输出单路语音速率为64K。 A/率非线性变换均匀量化时，由

13、于对编码范围内小信号或大信号都采用等量化级进行量化，因此小信号的“信号与量化噪声比”小，而大信号的“信号与量化噪声比”大，这对小信号来说是不利的。 均匀量化前先让信号经过一次处理，对大信号进行压缩而对小信号进行较大的放大 由于小信号的幅度得到较大的放大，从而使小信号的信噪比大为改善。 在系统中与压缩器对应的有扩张器，二者的特性恰好相反。 A/率压缩曲线数据压缩技术冗余度压缩：也成为无损压缩、无失真压缩、可逆压缩等；根据香农信息论，数据是信息和冗余度的组合，去掉冗余或减少冗余实现的压缩方法。Huffman 编码、Lempel-Ziv编码、Zip, RAR熵压缩：也成为有损压缩，不可逆压缩。是允许

14、一定程度的失真情况下的压缩，这种压缩可能有较大的压缩比，但损失的信息不能再恢复。 常用于语音和图象的压缩几种常见的声音编码MP3 Audio 128kbps (Stereo)100,0001,00010,000Bits per SecondCD Audio PCM 705kbps (mono)DECT ADPCM 32kbpsG.711 PCM 64kbpsCVSD/ADM 24kbps P25 IMBE 4.8kbpsNew Generation Digital TWRRALCWI 2.4kbpsTETRA CELP 4.8kbpsGSM LPT 13kbpsGSM LPT 6kbps Hi

15、FiToll Quality Voice AMBE2000 2.4kbps G.729A 8kbps常见的语音压缩编码语音压缩方案的选择软件压缩方案速率音质抗环境噪声能力抗误码能力传输音频特性算法公开性算法复杂程度芯片压缩方案芯片尺寸芯片功耗附带的AD/DA等功能成本代表芯片：CMX618、AMBE2000自然噪声火-11警车9直升机-5船舶0PCMFREFREHR背景噪声下的测试结果差错控制技术基本概念信息码元：指原始的数字码元。监督码元：为了纠检错而在信息码元后增加的“冗余”码元码字：由信息码元与监督码元组成的定长数字序列码集：码字的集合体码重：码字中“1”的数目。例如10011011的码

16、重=5码距：两个等长码字之间，对应位上不同取值的个数。例如10011010和11100011码距为5。最小码距：在一个码集中，全部码距的最小者。编码效率：在一个码字中信息位所占的比重，强调增加监督码元实现纠检错，提高了传输可靠性，但是以降低编码效率为代价的。最小码距在纠检错中的作用0000010100111001011101113位2进制数表示8种组合的码集最小码距=1全部为许用码字每个码字任何一位或者几位错都会落入许用码字范围内，无法发现错误。1110001010001010111103位2进制数表示4种组合的码集最小码距=2许用码字4种，禁用码字4种错其中一位就会出了许用码字范围，可以发现

17、错误；但错两位就会进入到许用范围，无法发现错误。001000101禁用码字出错了最小码距与纠检错能力关系在一个码集中只要检测e个错误，要求最小码距满足：dmine+1在一个码集中，要纠正t个错误，要求最小码距满足： dmin2t+1在一种码集中纠正t个错误同时检测e（et）个错误，最小码距满足： dmint+e+1常用的检错码奇偶监督码（奇偶校验）：通过增加一个比特保证码字中1的个数为奇数或偶数。能检奇数个错误、不能检测出偶数个错。行列奇偶监督码：码字先排矩阵，行列各加一位校验。循环冗余码（CRC）行列奇偶监督码 字符代码 奇偶位（偶校验位） 0 0 1 0 1 1 1 0 0 1 0 0 0

18、 0 0 1 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 检验字符 CRC校验原理假设原始序列为K(X), 欲增加长度为r的监督码元, G(X)为生成多项式T(X)= Xr*K(X)+R(X)-发送的码, R(X)为附加的冗余监督码字因为Q(X)=Xr*K(X)/G(X)余R(X)- 乘以Xr表示左移r位, 后面加r个0所以Xr*K(X)=G(X)*Q(X)+R(X)两边都加上R(X)得Xr*K(X)+R(X)=G(X)*Q(X)+R(X)+R(X)因为本式是模2运算得R(X)+R(X)=0代入上式T(X)=

19、G(X)*Q(X)得T(X)/G(X)=Q(X)-除尽了, 没有余数接收端的校验过程就是将接收到的码字多项式除以G(x)的过程： T(X)/G(X)=Q(X) 若得到的余式为零则认为传输无差错；若余式不为零则传输有差错。CRC(r)校验码生成及校验步骤生成过程将原始数据K(X)后面附加r个0形成新的序列Xr*K(X)用模2除法将新序列Xr*K(X)除以生成多项式G(X)生成多项式是一个长度为r+1序列求得余数序列R(X)R(X)即是要计算的CRC校验码序列生成最后要传送的序列T(X)= Xr*K(X)+R(X)校验过程将接收到的T(X)用生成多项式G(X)序列作模2除法得T(X)/G(X)=Q

20、(X)若得到的余式为零则认为传输无差错；若余式不为零则传输有差错。通信原理书上方法校正子S(X)=T(X)*HT(X)CRC冗余码计算过程（例）设生成多项式G(X)=X4+X3+1即11001 (r=4)设原数据K(X)=X6+X4+X3+1那Xr*K(X)= 10110010000设商为Q(X)1 0 1 1 0 0 1 0 0 0 0 110011 1 0 0 11 1 1 1 01 1 0 0 11 1 1 1 01 1 0 0 1 1 1 1 0 01 1 0 0 11 0 1 0 发送序列T(X)=X4*K(X)+R(X)为:101100110101101010CRC冗余码校验过程（

21、例）接收到某码字T(X)为10110011011，若G(X)=X4+X3+1(对应代码11001)，计算该码字是否出错.用G(X)去除T(X)来计算余数, 看余数是否为01 0 1 1 0 0 1 1 0 1 1110011 1 0 1 1 1 1 1 0 0 11 1 1 1 01 1 0 0 11 1 1 1 11 1 0 0 11 1 0 0 11 1 0 0 10 0 0 0 1因为计算出来的余数是1，不等于0, 所以可知接收到的码字有错误.CRC(Cyclic redundancy check)CRC是一种检错码编码效率：k/(k+r)CRC检错能力：能检查出长度小于或等于r位的突发

22、错（非随机）；能检查出2r-1个随机错。 CRC生成多项式 生成多项式的位数越多其校验能力越强，但并不是任何一个r + 1位的二进制数都可以做生成多项式。目前广泛使用的生成多项式主要有以下几种： CRC8=x8 + x7 + x3 + x2 + 1 （CCITT） CRC12= X12 + X11 + X3 + X2 + 1 （Telecom system） CRC16= X16 + X15 + X2 + 1 （IBM） CRC16= X16 + X12 + X5 + 1（CCITT） CRC32= X32 + X26 + X23 + X22 + X16 + X12 + X11 + X10 +

23、 X8 + X7 + X5 + X4 + X2 + X + 1（IEEE 802.3）线性分组码和循环码的组成 在一个长度为k的二进制信息序列后，附加上一定规则的校验位r（r = n k）后，组成了长度为n的二进制信息序列，称为n位循环码，如图所示。 n位循环码 k位 r位 信息段 校验段 这种码又称为（n，k）码。如果r个校验位中，每一位都由k个信息位中的某几位线性模2相加得到，则这样的循环码又称为线性分组码。例:（7，3）循环码的编码 循环码特性 封闭性：任意两个码字的对应位按模2相加，得到的结果仍是8个码字中的一个码。这称为“封闭性”，是线性码的一个重要性质。 循环性：如果将一个线性码的

24、一个码字循环右移一位，所得到的码仍是这8个线性码中的一个码字，所以这种线性码称为循环码。能纠错的码-汉明码特点汉明码是一种线性纠错码在通信领域广泛应用于FEC码字长: n=2r-1信息位: k=2n-r-1最小码距: d min=3纠错能力: t=1检错能力: e=22rk+r+1Richard W Hamming1915-1998 Nationality: AmericanFields: Mathematics汉明码举例漢明碼的編碼方法：設為一碼字，則 為信息位元並我們亦可以利用向量和矩陣來編碼，將信息表達成向量 再乘以生成矩陣G就得到碼字漢明碼的全部碼字為譯碼方法也十分簡單，衹須將收到的數

25、碼組乘上校驗矩陣再將與的列比較，其中例如並非碼字，一定是出了錯誤，譯碼時先計算此時是的第五行，因此的第五位元錯了所以被譯成，注意是碼字如果是碼字，有因此設則而這就是的第行汉明码应用扩展-BPTC+交织Interleave Index = Index 181 modulo 196汉明码应用扩展-BPTC+交织差错控制的基本方式检错重发（ARQ）：发送端发送的是有一定检错能力的检错码，接收端在接收的码字中检测出错误，就通过反馈信道通知发送端重发该码字，直到正确接收为止。前向纠错（FEC）：发送端发送的是具有一定纠错能力的纠错码，接收端对接收码字中不超过纠错能力范围的差错自动进行纠正。混合纠错（HE

26、C）：是检错重发和前向纠错的结合。发送端发送的是有一定纠错能力并具有更强检错能力的码，如果接收端收到的码字错误较少且在码的纠错能力范围内，则译码器自动将错误纠正；如果错误较多，超过了码的纠错能力，但有没有超过码检错能力，则译码器通过反馈信道通知发送端重发该码字，达到正确传输目的。差错控制的基本方式时间数据加密安全-鉴权利用鉴权(Authentication)来进行身份验证数据加密安全-加密/解密利用密钥(Key)对数据进行加密利用相同的密钥对数据进行解密洛伦兹机器被用来第二次世界大战期间加密高级德国军事通信。 第一个保密机由德国工程师在 一次世界大战结束时发明 数据加密安全-端到端加密普通无线

27、通信系统终端A终端B透明的一次会话终端A与B使用相同的Key数据加密安全-空口加密？普通无线通信系统终端A终端B不透明的一次会话终端A与B使用不同的Key多路复用技术利用一条信道实现多路信号同时传输的技术叫多路复用技术 频分多路复用（FDM）时分多路复用（TDM）-同步时分多路复用（ STDM ）Synchronization Time-Division Multiplexing -统计时分多路复用 （ STDM ）Statistical Time Division Multiplexing 码分多址复用（CDMA）波分复用（WDM）空分复用（SDM）多路复用技术-频分多路复用（FDM） 将信

28、道传输频带按照一定间隔划分成若干较窄频带。每个窄频带作为独立传输信道使用。原则是每个子信道占用带宽限制，不发生频谱重叠。例如：25KHz信道典型使用16KHz有效带宽，剩余部分作为保护带。通常使用临道功率？来衡量发生重叠的程度。ETSI建议25K信道小于-70dB；12.5K信道小于-60dB。多路复用技术-频分多路复用（FDM） CH2CH1CH3原带宽 CH1CH2CH3移频后带宽 MUXCH1CH2CH3带宽复用信号 f复用器 从频率维度进行区分多路复用技术-时分多路复用（TDM） A2A11A3 原始信号 D2D11D3 数字化信号 MUX复用后的数据流 时隙号 1231D3D2D1时

29、间片12时间片2D1时隙 D2复用器 从时间维度进行区分, 通常结合频分一同使用多路复用技术-时分多路复用（TDM） 同步时分（STDM）由于每路数据总是使用每个时间片的固定时隙，所以这种时分复用也称为同步时分复用。时分复用的典型例子：PCM信号的传输把多个话路的PCM话音数据用TDM的方法装成帧(帧中还包括了帧同步信息和信令信息)每帧在一个时间片内发送每个时隙承载一路PCM信号0121631时间片125 ms = 32 时隙 = 2.048 Mbps帧同步信令30 路话音数据(PCM数据) + 2 路控制用户话路用户话路多路复用技术-时分多路复用（TDM） 举例：2兆（E1）PCM信号传输就

30、是将30/32路PCM共用一个E1通路传输。时分复用数字载波复用标准T-标准 (北美、日本)E-标准 (欧洲、中国、南美)E1(一次群)标准(CCITT)每125us为一个时间片，每时间片分为32个通道。通道0用于同步，通道16用于信令，其他30个通道用于传输30个PCM话音数据。E1速率 = (32x8bit)/125us = 2.048 Mb/s对E1进一步复用，还可构成E2、E3、E4和E5。E5可承载7680个话路，数据率约为565Mbit/s新的TDM标准是同步光网络(SONET)和ITU-T的同步数字系列(SDH)。常用的线路速率为(近似值) 155Mbit/s，622Mbit/s，2.5Gbit/s和10Gbit/s。多路复用技术-E1标准 多路复用技术-T1标准 Bell系统的T1载波利用脉码调制PCM和时分TDM技术，使24路采样声音信号复用一个通道。193bits/125s=1.544Mbps 多路复用技术-T1载波系统PCMPCMPCMPCMPCMPCMMUXDEM