第3章 数据传输

第3章

数据传输13.1数据通信模型3.2时域和频域概念3.3数据调制与编码3.4数字数据传输方式3.5数字数据传输接口3.6传输介质3.7多路复用3.8铜环接入技术3.1数据通信模型2信息：人对现实世界事物存在方式或运动状态的某种认识。信号：数据的具体的物理表现。信息的度量3信息量：消息中信息的不确定性的度量。可以通过消息发生的概率来测量。I：信息量，单位为比特bitP：消息发生的概率平均熵4在由M个独立符号x1,…,xM所构成的消息中，每个符号出现的概率为Pj，则统计平均信息量为：H：信源的熵（Entropy）当独立符号等概率(Pj

=1/M)出现时，H最大：3.1数据通信模型5信源：产生数据的设备或人。发送器：对信号进行变换以产生特定的信号以便在信道中传输。信道：连接信源与信宿的传输线路。接收器：将接收信号变换成信宿可以接收的信号。信宿：接收数据的设备或人。信息信息信号信号3.1.1模拟通信系统模型6优点：使用较窄的带宽，信道利用率较高。缺点：易受噪声干扰，难以保证安全性，难以集成化。3.1.2数字通信系统模型7优点：抗干扰，可靠性高，长距离传输，可集成为大规模系统，安全性高。缺点：需要较大带宽传输。发送设备接收设备3.2时域和频域概念

3.2.1时域概念8周期方波周期正弦波离散信号连续信号3.2.2频域概念9f1为基本频率3.2.3数据率和频带的关系10方波包含无穷多个频率成分，因此具有无限带宽，但方波的能量集中在少数低频分量所在的频带内，这个频带称为有效频带或频带。频宽=频带上限–频带下限频宽=3f1–f1=2f13.2.3数据率和频带的关系11假设f1

=1MHz，则该信号的频宽是4MHz，而信号周期T=1/f1=1μs，每一位占0.5μs，则数据速率为1/0.5μs=2Mbps。可见，数据率和频带具有确定的关系。频宽=5f1–f1=4f13.2.3数据率和频带的关系12任何数字传输媒介都只有有限的带宽，在媒介上传输数字波形，会使信号发生畸变，使得接收器产生差错。若想提高数据数率，也就是增大f1。而f1越大，则相应的频宽也会越大(nf1

–f1)，所需传输媒介的传输带宽就越宽。传输媒介的带宽越大，数字波形的畸变就越小，传输质量也就越好，而开销也就越大。3.2.4数据率的限制13Canwesendsignalasfastaswecan?3.2.4数据率的限制14RBmax＝2f(baud)Nyquist定律(无噪声信道)在无噪声信道中，假设f是传输媒介的最高频率，若接收方每秒采样2f次，则可以完全重构原始信号。3.2.4数据率的限制15香农定律(Shannontheorem)—噪声信道受到高斯白噪声干扰的连续信道的容量为：B：信道带宽（Hz）S/N：信噪比（功率表示，非dB）n0：噪声单边功率谱密度（W/Hz）3.3数据调制与编码16几个概念：数据：有意义的实体信号：数据的具体的物理表现，为电磁或电子编码传输：传播和处理信号的过程3.3数据调制与编码17为什么要调制？早期的通信系统都只能支持模拟信号传输，当前的一些通信系统，如电话线路、卫星通信和微波通信，也无法传输数字信号；对于只能传输模拟信号的无线通信系统，需要利用天线将无线电波辐射到空间。为了有效传输电磁波，天线的尺寸必须与所辐射的信号波长的尺寸大致相当；对于低频信号，例如1000Hz，其波长约为300km，则需要300km的天线才能发射，这显然是不可能的；为了传输低频信号，必须采用调制技术将信号变为高频模拟信号进行传输。调制后的信号都为模拟信号。—解决天线尺寸问题3.3数据调制与编码18为什么要编码？模拟信号在传输一定距离后都会衰减，为了实现长距离传输，可以在传输线路中加入放大器来放大信号；但是放大器在放大信号的同时也放大了噪声，如果串联多个放大器，则噪声会使原始信号发生严重的畸变；采用数字信号和数字传输技术可以克服以上问题，数字化使得信号的抗干扰能力大大加强。利用编码可以将模拟信号变成数字信号。—解决抗干扰问题3.3数据调制与编码19传输数据的方法：模拟数据，模拟信号：直接传输，或者调制后传输；数字数据，模拟信号：调制后传输；数字数据，数字信号：直接传输，或者编码后传输；模拟数据，数字信号：编码后传输。3.3.1模拟数据的模拟信号调制20模拟数据经由模拟信号传输时不需要进行变换；但考虑到天线尺寸问题，低频模拟信号需要调制成高频信号才能发射；调制技术分为调幅(AM)和调频(FM)。3.3.2数字数据的模拟信号调制21DigitalsignalAmplitudemodulationFrequencymodulationPhaseshiftmodulation3.3.3数字数据的数字信号编码22编码的原则:编码能提高信道带宽的利用率；传输媒介上没有直流分量流过；甚低频和甚高频分量尽可能小；时钟频率能嵌入到码字中；码字具有差错检测的功能；编码设备必须容易实现；3.3.3数字数据的数字信号编码23脉冲宽度τ=码元宽度Ts

；用脉冲的有无来表示“1”或“0”；占空比为100%；只适用于极短矩离的传输:有直流，一般信道难以传输零频率附近的频率分量；不能提取同步信号,且要求传输线有一个接地。单极性非归零码NRZ（NonReturnZero）3.3.3数字数据的数字信号编码24τ<Ts，由于脉冲宽度窄，使得码元能量下降且占有更宽的频带;占空比为50%;具有很高的直流和低频分量，但从中可以提取同步信息;可以作为其它码型提取同步信息时采取的一种过渡码型。单极性归零码RZ(ReturnZero)3.3.3数字数据的数字信号编码25τ=Ts，有正负电平，正负脉冲的占空比均为100%;如果“1”和“0”等概率出现时，码流中无直流分量;否则,仍含有直流分量;可以在无接地的传输线路上传输;不能直接提取同步信息。双极性非归零码BNRZ(Bi-PolarityNRZ)3.3.3数字数据的数字信号编码26每个码元被分成两个相等的间隔：“1”为半个码元宽度的正电平，后回到零电位；“0”为半个码元宽度的负电平，后回到零电位；发送端不必按固定的频率发送信号，接收端也不必提取同步信息(可自同步）；如果“1”和“0”不是等概率出现，码流中会有直流分量。双极性归零码BRZ3.3.3数字数据的数字信号编码27将每一个码元划分成等宽的间隔：“1”码为半个码元宽度的高电平而后为低电平；“0”码则正好相反，从低电平变到高电平;由于每一个码元的正中间都出现一次电平的转换，它可以实现自同步;完全消除了码型的直流分量，但传输效率减半。曼彻斯特（Manchester）码3.3.3数字数据的数字信号编码28单个码元与曼彻斯特码相同；差分：信号遇见1时保持原有电平。

差分（Differential）曼彻斯特码遇见0时反转（“0变1不变”）。3.3.3数字数据的数字信号编码29传号反转码（CMI）信息“1”交替地用确定相位的一个周期方波表示；信息“0”为半个码元宽度的低电平而后为高电平。相当于交替地用00和11表示“1”，用“01”表示“0”，这有利于进行差错检测。没有直流分量，却有频繁的电平跳变，便于提取同步信号。Example303.3.4模拟数据的数字信号编码31模拟数据编码成数字信号最常见的技术是“脉冲编码调制PCM

(PulseCodeModulation);PCM最初应用在电话系统，对语音进行数字化；PCM编码分三步走：采样，量化，编码。数字信号承载模拟数据模拟话音采样时钟PAM(脉冲振幅调制)信号PCM信号采样电路量化和编码

数字化声音1.采样32定义将模拟信号转变成在时间上离散的数字信号的处理过程。方法采样的分类––理想采样33输入信号冲击函数序列理想采样输出采样的分类––自然采样&

平顶采样34脉冲函数序列自然采样序列平顶采样序列采样定律35低通信号采样定理：对于一个频率在[0,fH]内的时间连续信号x(t)，若以采样频率fs(fs>=2fH)对其进行等间隔采样，则x(t)将被其采样信号xs(nTs)完全确定，或者说，可以从采样信号xs(nTs)中无失真地恢复出原始信号x(t)。显然有Ts

=1/fs,其中1/

2fH称为奈奎斯特间隔，记为TN；2fH称为奈奎斯特速率，记为fN。2.量化36定义

将时间上离散但幅度上连续的采样信号转换成时间和幅度上都离散的信号的过程。量化的实质是用有限个离散电平值来表示模拟采样值的过程。量化的处理过程37确定量化范围；确定量化级数；确定量化电平；确定量化间隔。

原始信号带量化误差的PCM脉冲343314

PAM脉冲3.23.92.83.41.24.2量化误差38有两种方法获得量化值：“四舍五入法”和“舍去法”；量化误差是随机的，它不能在量化过程中被消除，也不能从量化值中去掉误差从而恢复原始值；量化误差只能被减少，例如减小量化间隔。但是这种方法增加了量化级数，这就意味着编码时需要更多的比特，因此传输的数据量会增加。39定义用k比特的二进制码元来表示用N个电压值代表的时间和幅度上都离散的信号的过程。3.编码

PCM输出：01110001101100110001110001101100110034331440脉冲代码波形DigitBinaryequivalentPCMwaveform000001000120010300114010050101601107011181000910011010101110111211001311011411101511113.4数字数据传输方式

3.4.1串行传输与并行传输41串行传输的三种方式42单工通信信道发端收端A地B地半双工通信收端收端发端发端信道A地B地全双工通信收端发端收端发端信道信道A地B地寻呼机对讲机电话3.4.2异步传输和同步传输43异步传输起始位信息位停止位同步传输SYN字符SYN字符SOH字符信息字符EOT字符(a)字符同步(b)帧同步/比特同步FLAGFLAG帧内容3.5数字数据传输接口

3.5.1DTE-DCE接口44DTE:DataTerminalEquipment数据终端设备，如键盘，打印机，电话机等；DCE:DataCircuitterminalEquipment数据电路端接设备，如调制解调器。DTEDTEDCEDCE3.5.2DTE与DCE的接口特性也叫物理特性，指明硬件接口的形状、尺寸、引线数目及制作规范。规定了导线的电气连接及电路的特性，如高、低电平的电压值、0/1的电平值、最大传输速率、输入输出阻抗等。各个端口的名称和功能，如地、输入、输出口等。指明利用接口传输比特流的全过程及传输事件发生的合法顺序。45机械特性：电气特性：功能特性：规程特性：3.5.3RS232C接口特性1.机械特性：9针和25针两种EIA制定的RS232C接口规范是DTE和DCE之间连接的最流行最基本的标准接口，几乎所有的DTE和DCE都支持RS232C标准。463.5.3RS232C接口特性2.电气特性：“1”:－5V~－15V, “0”:＋5V~＋15V数据速率:<20kb/s,传输距离:<15m(50feet)47字符格式3.5.3RS232C接口特性3.功能特性：483.5.3RS232C接口特性4.规程特性：493.6传输介质三种类型的传输媒介:金属导体(铜、铁….)：传输电信号透明玻璃或塑料线：传输光信号空气：传输电磁波503.6.1铜线—双绞线对513.6.1铜线—同轴电缆Thincable Thickcable523.6.2光纤53Snell’sLawforlightenteringadensermediumSnell’sLawforlightenteringalessdensemediumSnell定律3.6.2光纤54Criticalangleforrefraction全内反射Totalinternalreflection,qi>q3.6.2光纤55

光信号穿越光纤3.6.2光纤56单根纤芯Kevlar纤维使光缆更加坚韧以防止折断；外绝缘覆盖层由Teflon或者PVC材料制成。中心（核心）是由玻璃或塑料制成的纤维；塑料保护层用来包裹光缆的内部纤芯；3.6.2光纤—优点

57既不引起也不受到电的干扰；可以通过内部反射光信号，以比金属导体快得多的速度传输光脉冲；可以通过对光信号的编码，单位时间内传输比电信号更多的信息。3.6.3电磁波—卫星58地球同步轨道卫星低地球轨道卫星低地球轨道卫星阵列3.6.3电磁波—其他59RadioMicrowaveInfraredLaser……总结—电磁波谱603.7多路复用61多路复用Multiplex

(MUX)技术可以将来自多个输入源的低速独立信号在一条高速链路上传输。复用的目的是最大限度地使用昂贵的通信链路以为尽可能多的用户传输信息。3.7多路复用62在多路复用中，链路(link)

指的是物理路径；而信道(channel)指的是逻辑连接，能在指定的传输线对之间进行信号传输，可以是某条链路或该链路的分割。

一个链路可以包含很多(n)

个信道

。链路Linkvs.

信道Channel634条链路Multiplexingvs.NoMultiplexing3.7.1频分复用FDM64传输信道的频带被分成若干个相互不重叠的频段，每个频段构成一个子信道，每路信号占用其中一个频段；在接收端采用适当的带通滤波器将多路信号分开，从而恢复信号。1.原理2.FDM的特点65FDM使信道在同一时刻能同时独立传送多路模拟信号，每路信号占用不同的频带；在线路上传输的是各路信号经过调制后的叠加在一起的复合信号。FDM技术适用于宽带网络，需满足：B＞∑fi优点：原理简单、技术成熟、系统效率高、信道的频带利用率高。缺点：要求信道的非线性失真小。

3.Example66复用器时域中观察3.Example67频域中观察3.7.2时分复用TDMTDM技术可以将多条低速数字信道合并成一条高速数字信道。TDM将传输时间划分成许多时隙TS(TimeSlots)，每个信道的信号轮流占用某一个时隙。所有信道总的传输速率不能大于传输媒介的最大容量。1.TDM技术介绍682.TDM原理语音的最高频率是3400Hz，设计标准电话每条话路占用4000Hz，因此每路语音信号采样频率为

8000Hz，取样值用8位二进制表示，容量为：8×8K＝64Kbit/s

因此每秒可取样1,000,000/8k＝125路话音，其总容量为：64K×125＝8Mbit/s若用双绞线传输，其带宽为10M，为了不浪费带宽，可以在单路话音取样点间的间隔时间内传送其他话路信息。若取样时间为1μs，则每秒可取样1,000,000次。69TDM的理论基础两路信号按相同的频率进行采样，采样脉冲宽度越窄，在两个采样值之间留有时间空隙就越大。若两路信号的采样值在时间上不发生重叠，就可以同时在一条物理信道上传输。在接收端只要在时间上与发送端同步，则两个信号就能分别正确恢复。70TDM复用的步骤71Time(1s)特点：多个低速信号轮流使用一条高速媒介。应用：各种数字信号传输，电话主干线。1212121211112222只能用于数字信号3.TDM分类

同步TDM:每个时隙固定分配给每一个数据源，哪怕时隙空闲也不能被其他数据源的数据占用。异步TDM:时隙是动态分配的。空闲时隙可以根据需要分配给任意的数据源。也称为统计时分复用StatisticalTDM

(STDM)。723.7.3同步TDM73每隔T秒从某个线路上获取一次数据。每帧有3个时隙，每个时隙持续时间为T/3

秒.Example只有开始的3帧被填满，总共24个时隙里面有6个时隙是空的，这意味着1/4的传输能力被浪费了。复用过程74数字载波体系DS75DS和群 T线路和E线路是电话公司用于实现DS服务的数字电话线路，二者概念相同，容量不同。系统类型一次群二次群三次群四次群五次群欧洲体制(含中国)符号E1E2E3E4E5话路数3012048019207680数据速率kb/s2048844834368139264565148北美体制符号T1T2T3T4话路数24966724032数据速率kb/s1544631244736274176763.7.4统计TDM(STDM)77同步TDM中，一帧中可能会有许多时隙被浪费。使用STDM时，时隙并未预先分配给特定的数据源，而是按需进行动态分配。用户数据先进入缓存，然后被尽快地放入可用时隙传送出去。对统计复用器而言，TDM帧中有k

个可用时隙，但可能存在n(n>k)条输入线路。所以复用线路上的数据率小于各输入线路数据率的总和。在输入端，复用器扫描输入缓存区，搜集数据，若一个帧被填满，则发送这个帧。在输出端，复用器接收一个帧，然后将各时隙中的数据分发给相应的输出缓存区。WhySTDM?1.STDM原理帧和地址：在同步TDM中，在某一时隙中的数据属于哪个设备由时隙在帧中的位置指明。但是在STDM中，从同一个设备发出的数据在一帧中可能位于第一个时隙，而在另一帧中却可能位于第三个时隙。STDM中数据由于缺乏固定的位置关系，每个时隙必须携带一个地址来告诉解复用器如何为其中的数据定向。这个地址只用于局部，由复用器添加其中，而由解复用器去除。由于地址是一种额外开销，所以STDM只有在传输保持较大时隙的时候才有较高的效率。782.Example只有三条输入线路发送数据793.7.5

码分多路复用CDMA801.简介业务信道在不同时间分配给不同用户如：GSM用户1用户2用户3时间频率TDMA码所有用户在同一时间、同一频段上、根据编码获得业务信道时间频率CDMA用户3用户2用户1用户1用户2用户3时间频率FDMA业务信道在不同频段分配给不同用户如：TACS系统、AMPS系统3.7.5

码分多路复用CDMACDMA:码分多路复用(CodeDivisionMultipleAccess)是靠不同的编码来区分各路原始信号的一种复用方式。所有用户在同一时间、同一频段上，根据编码获得业务信道。此时各路信号利用一组正交码序列来区分，它们占用的频带和时间都可重叠。实现码分复用的关键就是选取正交的码字。1.简介812.CDMA原理设x

和y

表示两个长度为N的二进制码组：互相关系数定义为其中：互相关系数为0的两个码字则称为正交码字。822.CDMA原理例如如果用正交编码用于码分复用中作为“载波”，则合成多路信号很容易用计算互相关系数的方法分开。833.CDMA实现misi＋s1m1s2m2s3m3s4m4积分