数据传输技术

2.3数据传输系统质量指标

传输速率信道带宽信道容量传输质量

在数据通信网络中，信号的传送是由数据传输系统来完成的，对传输系统的性能进行评价是一个重要的问题，通常用传输速率、信道带宽、信道容量以及可靠性等指标来对数据传输系统进行定量分析，下面看一下这些指标的含义：12.4数据传输技术内容数据传输的电平标准数据传输方式编码与调制信道复用传输介质2数据传输中常用的电平标准CMOS电平标准-----单极性电平标准规定：电源电压VDD5~18V，

低电平0~1/2VDD，

高电平标准为1/2VDD~VDD

特点：高低电平驱动能力相同，都大于10mA，且具有对称性。抗干扰能力较强，传输速率不高电平标准是一种电信号法则，是国际标准化组织统一规定的规则，并且被强制推行。电平标准对数字信号的传输距离和抗干扰能力起决定性作用。TTL电平---单极性电平标准

规定：电源电压5V，低电平0~0.8V高电平1.4V~5V

特点：信号传输过程中低电平电压范围窄，高电平带负载能力差，易衰减和干扰。由于外电路的电压干扰常常超过5V，易产生传输错误。所以只适合近距离传输。一般不超过1米。适用范围：计算机内部和实验室，在实际应用中很少使用。3RS-232C电平标准---双极性电平不归零电平标准规定：标准电压最大为±15V，通常选用±12V“1”：－5V~－15V，“0”：＋5V~＋15V规定＋3V~＋5V和－3V~－5V范围为噪声容限，它表明一个系统的稳定裕度，即当外界噪声增加后，通信系统在保证不中断的前提下能够容忍信噪比的程度。噪声容限指标越大表示系统的稳定程度越高标准还规定电源布线长度不得大于15米，通信速度不得大于20Kbps。特点：采用负逻辑，增加噪声容限，抗干扰能力较强4RS-422A电平标准---双极性不归零电平标准为了弥补前面几种电平的不足，无参考地线，用两条传输线互为参考，是一种平衡标准。RS423、RS485与它相似。规定：“1”:正端电压比负端电压高200mV~6V“0”:正端电压比负端电压低200mV~6V

规定在传输线

长度<12米时，最大传输速度为10Mbps520mA电流环

它是一种电流标准，可以驱动线圈和继电器，有一定的输出功率，可以直接用于机械设备的控制。常用做电传打字机的传输接口。

标准规定：有电流时为“1”，没电流时为“0”

抗干扰能力比较强，在过程控制中使用较多。6数据的传输方式基带和频带传输并行和串行传输单工和双工通信同步与异步传输7模拟传输方式在数字传输方式中，传输的是电平编码，各电平之间的电位差较大，容易识别，也容易保持其性质不变。数据传输方式数据在传输通道中是以电信号的形式传输的，有两种基本形式。在模拟传输方式中，需要注意的问题是保真，也就是保持波形不变，如电话、部分电视节目、音频传输设备等。数字传输方式优点：带宽较窄，只占用了部分带宽，适合于多路频分复用缺点：是信号容易失真，不失真恢复信号困难。优点是信号抗干扰能力强，比模拟传输更容易保真；缺点是带宽大，占用了整个通道，不适合频分复用，这是由数字信号的特性决定的。8基带网和宽带网计算机网络依照它的传输信号的带宽分为两类：宽带网和基带网两者的区别是在介质中传输带宽不同，相应的数据传输速率也不同。宽带网被划分成几条逻辑信道分别使用，基带网只包含一条逻辑信道。数字信号的带宽非常大，所以不能在宽带网上直接传输，只能将其转化为模拟信号后，才能实现在宽带网中的传输。在宽带网中传输的只能是模拟信号，而且可以复用。基带网只传输一路信号，对信号的种类无特殊要求，在这样的一条信道中既可以传输模拟信号，也可以传输数字信号。9基带传输和频带传输基带传输信号源产生的原始电信号称为基带信号，即：将数字数据0、1直接用两种不同的电压表示，然后送到线路上去传输。在信道上直接传输基带信号而不作任何处理如：以太网原因：进行远距离数据传输时，要借用已有通信网络，数字基带信号无法直接进行传输。频带传输：将数字信号经过调制后，变为模拟信号传输，新的模拟信号由一个或几个频率组成，占用了一个固有的频带优点：适应公共信道要求；可实现多路复用频带传输10在传输过程中，同一个字节数据中的各个位同时传输，也就是传输一个字节，在时间上是同时的。B7B6B5B4B3B2B1B0B7B6B5B4B3B2B1B0并行传输采用这种方法，一位数据占用一条数据线，根据数据位的不同，需要不同的数据通道，每一位有自己的传输线和发送、接收设备。速率高，但设备和线路多，适于距离较近的传输。（计算机内部、计算机与外设之间）根据在传输介质中的存在状态和先后顺序，数字传输分为并行传输和串行传输11

在传输过程中，同一个字节的各个不同的位按顺序先后发送，在同一个信道上传输。B7B6B5B4B3B2B1B0B7B6B5B4B3B2B1B0B7B6B5B4B3B2B1B0串行传输一个并行的数据被改造成一个二进制数据流。在相同时钟频率下，传输速率明显低于并行传输。但节省大量的数据通道，降低信道成本。此种方式适用于远距离通信，计算机网络普遍采用。12单工通信与双工通信•单工通信发送设备和接收设备之间只有一个传输通道数据单向传输，方向不能改变简单，传输效率不高，适用于计算机与输出设备之间发收在串行传输中，按数据传输方向及时间关系又可将通信方式分为：单工、半双工、全双工13控制较复杂，传输效率不高适用于对话式终端或用于传输通道无足够带宽支持双向通道的场合发收收发半双工通信两设备间轮流双向传输数据，不能同时。要求每一端都具有发送、接收设备和改变方向的控制器14可同时双向传输，具有两条物理上独立信道发收收发全双工传输速率高，控制简单，要求信道有足够带宽15信息发送出去就该考虑接收了。正确接收和发送信息要考虑同步的问题。同步------收发双方在时间上保持一致并行传输：采用握手信号线，由发送方控制，使接收方保证数据接收的准确性。串行传输：为节省信道，不另外加入控制信号线，而是通过通信协议来保证同步，使收发双方在时间基准上一致(包括开始时间、位边界、重复频率等)。根据通信协议所定义的同步方式在串行传输中两种不同的工作方式是：异步传输和同步传输。16异步传输以字符为单位的独立数据传输在每个字符前，附加上起始位、停止位来标记字符的开始和结束，实现字符的同步。接收时，接收方以接收到的起始位确认接收开始。起始位和结束位是用来实现字符的同步。010001110数据位起始位校验位停止位传号传号字符2字符1字符3字符4┗┳┛┗┳┛任意间隔任意间隔任意间隔┗┳┛以字符为单元，每两个字符之间的时间间隔是任意长的，但每个字符所占用的时间固定，也就是发送每一位的时间固定。每一位占用时间的倒数叫波特率。收发双方约定相同的传输速率传送字符，如：1200、2400、9600b/s等，实现位同步。附加差错校验位收发双方采用相同的数据格式（字符位数、停止位数、有无校验位、校验方式据位起始位校验位停止位传号传号字符2字符1字符3字符4┗┳┛┗┳┛任意间隔任意间隔任意间隔┗┳┛数据发送前一直是高电平，起始信号的下跳沿就是接收端的同步参考信号。接收端利用这个变化，启动定时机构，按发送的速率顺序地接收字符，待发送字符结束时，发送端又使传输线处于高电平状态，等待发送下一个字符。在异步传输方式中，收发双方虽然有各自的时钟，但它们的频率必须一致，并且每个字符都要同步一次，在接收一个字符期间不会发生失步，从而保证了数据传输的正确性。18优点---控制简单异步传输通过约定传输速率来实现位同步，收发双方的时钟不需严格同步。通过起始位和结束位来实现字符同步，通过特殊字符来保证帧同步。缺点传输效率低例如，1个起始位、8个数据位、2个停止位时，其效率为8/11＜72％传输速率低因为收发双方的时钟存在差异。常用于低速传输中。19同步传输以数据块为单位的数据传输块开始标志数据块（二进制位流）块校验序列块结束标志同步传输数据格式在同步传输方式下，以固定的时钟节拍来发送数据信号，字符间顺序相连，既无间隙也无插入字符。收发双方的时钟与传输的每一位严格对应，以达到位同步。数据块头尾附加特殊字符，标记开始和结束附加校验序列（如16或32位的CRC）实现差错控制20

位同步：对一个数据块内的每一位接收端都要和发送端保持同步。实现位同步的方法有两种：内同步法、外同步法

内同步法：接收端从信号内部提取同步时钟信号。

外同步法：在发送一个数据块前，发送端先向接收端发送一串同步时钟脉冲，接收端按照该脉冲序列的频率锁定接收频率，使其在接收数据过程中始终与发送端保持同步。同步传输分为面向字符和面向位流的同步传输21面向字符的同步传输数据块头部用一个或多个同步字符“SYN”来标记开始；尾部用一个唯一字符“ETX”来标记结束特殊字符的位模式与任何普通字符都有显著不同同步字符尾部数据传输帧SYNSYNETX典型协议：IBM的二进制同步通信规程BISYNC22面向位流的同步传输数据块的头尾用特殊比特序列标记开始和结束数据块作为位流而不是字符流来处理为避免在流中出现标记块开始和结束的特殊位模式，通常采用位插入的方法帧首0111111001111110帧尾数据HDLC数据帧典型:高级数据链路控制规程(HDLC)同步数据链路控制规程(SDLC)23异步方式和同步方式的比较 异步方式 同步方式简单 复杂字符为单位 数据块为单位每个字符需要同步 数据块在发方和收方同步字符间不需同步 后作为一个整体传送效率低 效率高速率低 速率高收发双方时钟不需严格一致收发双方时钟必须严格一致错误影响一个字符错误影响整个数据块24数据的调制与编码编码

在通信设备内部传输数据，由于各电路功能模块之间的距离短，工作环境可以控制，在传输过程中一般采用简单高效的数据信号传输方式，比如直接将二进制信号送上传输通道进行传输等。在远距离传输的过程中，由于线路较长，数据信号在传输介质中将会产生损耗和干扰，为减少在特定的介质中的损耗和干扰，需要将传输的信号进行转换，使之成为适于在该介质上传输的信号，这一过程称为信号编码。用数字信号承载数字或模拟数据——编码25调制数字信号一般是方波脉冲信号。由方波的频谱可知，其带宽很大，占用了整个信道，在实际的信道中无法不失真地传输。另外为了节约带宽，提高传输效率，要求信号的带宽越小越好。实际中常采用以固定频率的正弦波作为载波，利用的是它的频带窄，把要传输的信号加载在正弦波上，合成的信号若保持载波的原频率，而幅度按照要传输的信号的幅度变化，这样的一个过程叫做幅度调制。常用的调制方式还有调频、调相等。用模拟信号承载数字或模拟数据——调制26不同类型的信号在不同类型的信道上传输有4种情况数据：模拟数据、数字数据信号：模拟信号、数字信号信道：模拟信道、数字信道27每一种相应地需要进行不同的编码处理模拟模拟传输模拟数字模拟模拟数字传输数字数字数字传输数字模拟数据，模拟信号数字数据，模拟信号数字数据，数字信号模拟数据，数字信号10101010模拟传输(调制器调制编码）(信号编码）(PCM编码器采样编码）(放大器、调制器）28编码器解码器调制器解调器数字或模拟数字或模拟数字信号模拟信号g(t)m(t)px(t)s(t)g(t)m(t)数字或模拟数字或模拟P—调制参数编码调制编码和调制用数字信号承载数字或模拟数据——编码用模拟信号承载数字或模拟数据——调制29模拟数据的数字信号编码(采样编码）奈奎斯特定理（采样定理）

如果连续变化的模拟信号最高频率为F，若以2F的采样频率对其采样，则采样得到的离散信号序列就能完整地恢复出原始信号。

例如：语音信号要在数字线路上传输，必须将语音信号转换成数字信号。这需要经过三个步骤：

1）采样——按一定间隔对语音信号进行采样，采样获得的样本是模拟数据。

2）量化——将这些模拟数据人为地分为若干个级别，对每个样本舍入到量化级别上。量化级别越多，获得的数据越为精确，失真越小。

3）编码——对每个舍入后的样本进行编码30模拟话音采样时钟PAM信号PCM信号采样电路量化和编码

数字化声音话音信道带宽<4KHz采样时钟频率：8KHz(>2倍话音最大频率)量化级数：256级(8位二进制码表示)数据率：每路PCM信号的速率=8000次/s*8bit=64kb/s编码后的信号称为PCM信号（脉冲编码调制信号）31PCM转换过程举例

3.23.92.83.41.24.2343314011100011011001100

原始信号

PAM脉冲

(采样）

PCM脉冲

（有量化误差）011100011011001100

PCM输出（编码）32数字数据的模拟信号编码(调制编码）三种常用的调制技术：

1）幅移键控ASK(AmplitudeShiftKeying)，调幅

2）频移键控FSK(FrequencyShiftKeying)，调频

3）相移键控PSK(PhaseShiftKeying)，调相

载波S(t)=Acos(t+)S(t)的参量包括：幅度A、频率

、相位计算机通信的远距离线路通常是模拟线路，需用载波对基带脉冲调制，变换成适于远距离传输的模拟信号基本原理：用数字信号对载波的不同参量进行调制3300110100010ASK调幅FSK调频PSK调相(相对调相)ASK调幅：用载波的两个不同振幅表示0和1FSK调频：用载波的两个不同频率表示0和1PSK调相：用载波的起始相位的变化表示0(同相)和1(反相)34多级调制方法1-单参量多级调制0110000+90+180+27011数据率

=信号速率xlog2N N：调制级数+900010000+2700

11+1800104-PSK35多级调制方法2–多参量多级调制16-QAM(正交振幅调制):使用振幅和相位的16种组合045

16-QAM的星座图9018027013531522536数字数据的数字信号编码数据在通信设备内部传输时，由于距离短，工作环境相对稳定，通常采用最简单的数据传输方式。但在实际的应用中，传输介质所处的环境比较差，杂波干扰比较多，数据传输过程中就会受到它们的干扰。

为了减少特定传输介质中的传输损耗和提高抗干扰能力，需要将所传的数据进行编码。单极性归零码双极性不归零码双极性归零码差分编码单极性相位编码（曼彻斯特编码）交替反转码37

单极性不归零码（NonReturntoZero,NRZ）

二进制数字0、1分别用两种电平来表示。 用+E电平表示1，0电平表示0

01001100011

时钟+E0V信号

优点：通常用在近距离传输上，接口电路简单缺点：1.容易出现连续0或1，不利于接收端同步信号的提取。

2.因为电平不归零和电平单极性造成这种码型有直流分量，不利于判决电路工作。38

单极性归零码数据位“1”对应一个脉冲，脉冲宽度比每位的传输周期短，即提前归零数据位“0”为零电平

01001100011

时钟+E0V信号39

双极性不归零码数据位1用正电平或负电平表示数据位0用相反电平表示（RS-232电平标准采用这种编码）01001100011

时钟+E0V-E1：负电平0：正电平信号40

双极性归零码数据位“1”对应正或负脉冲数据位“0”为相反脉冲两种脉冲都提前回到零01001100011

时钟+E0V-E0：负脉冲

1：正脉冲信号由于有零电平间隔，这种码型有利于传输同步信号，但有直流分量存在。41

差分编码

数据位1：电压极性的跳变来表示。数据位0：电压极性不跳变01001100011

时钟+E-E信号1

111142

交替反转码

数据位“1”交替使用+E和-E表示数据位“0”为零电平01001100011

时钟+E0V-E信号特点：1.容易出现连续0串，不利于同步信号的提取

2.无直流分量，便于判别电路工作

3.数据代码1轮流用正负电平表示利于误码观察。常用于脉冲编码调制（PCM）中43

曼彻斯特编码(Manchestercode)

用电压的变化表示0和1。

规定在每个码元的中间发生跳变：高→低的跳变——0，低→高的跳变——1∵每个码元中间都要发生跳变，接收端可将此变化提取出来作为同步信号，使接收端的时钟与发送设备的时钟保持一致。∴曼彻斯特编码也称为自同步码（Self-SynchronizingCode）。它具有自同步机制，无需外同步信号4401001100011

时钟Manchester高→低的跳变——0，低→高的跳变——1信号000000111111BitTime45差分曼彻斯特编码(DifferentialManchestercode)

与曼彻斯特编码相同，在每个码元的中间，信号都会发生跳变；不同之处在于：用在码元开始处有无跳变来表示0和1：

码元开始处有跳变——0

码元开始处无跳变——14601001100011

时钟差分Manchester

曼彻斯特编码广泛应用于以太网中。

1001100011信号bit中间有信号跳变，bit与bit之间也有信号跳变，表示下一个bit为0bit中间有信号跳变，bit与bit之间无信号跳变，表示下一个bit为1码元开始处无跳变——1码元开始处有跳变——04701001100011

时钟信号1BitTime差分Manchesterbit中间有信号跳变，bit与bit之间无信号跳变，表示下一个bit为1bit中间有信号跳变，bit与bit之间也有信号跳变，表示下一个bit为0码元开始处无跳变——11001100011码元开始处有跳变——048作业：1简述异步传输和同步传输的差别。2请画出信息00110101的单极性归零码、差分编码、曼彻斯特编码、和差分曼彻斯特编码49在长途通信中，常常用到一些带宽很大的传输介质，如同轴电缆、卫星、地面微波和光纤等。为有效利用传输系统，采用多路复用技术。将多个信号共享同一线路，即多路信号在同一物理信道中传输。从而降低通信电缆的安装和维护成本。

解复用器共享信道复用器多路复用技术FDM(频分复用)TDM(时分复用）终端终端复用器将多路信号组合后经信道传输后再经复用器分解为原有的信号，放回到相应的传输通路上。50频分复用(FDM)FrequencyDivisionMultiplexing基本条件：

传输介质的可用带宽超过各路给定信号所需带宽的总和。如果在介质上同时传输多路信号，每路信号以不同的载波频率进行调制，而且各个载波频率完全独立即载波形成的信号不互相重叠，则各路信号可以成功地在介质上传输。原理：整个传输频带被划分为若干个频率通道（频段），每个用户占用一个频段。频率通道之间留有防护频带。子信道A可用频段子信道B子信道C子信道D51频分复用CH2CH1CH3原带宽CH1CH2CH3移频后带宽MUXCH1CH2CH3带宽复用f适用于模拟信号传输

52时分复用TimeDivisionMultiplexing原理：将物理信道按时间分割成小的时间片，每个时间片分为若干个时隙，每个用户占用一个时隙传输数据在任意时刻，整个通路上只有一个特定用户的信号，即每个用户交替使用单一信道，多个信号从宏观上同时进行传输时分多路复用器时分多路复用器12345612345612345612345653同步时分复用SynchronousTDM原理：信道固定时间分配方式，每个时隙分配给固定的用户，任意时刻整个通路上只有一个特定用户的信号。无论用户使用与否，时隙不会被其它用户占用。A2A1A3原始信号D2D1D3数字化信号MUX复用后数据时隙1234D3D2D1适用于数字信号传输54时分复用频率时间BCDBCDBCDBCDAAAA在

TDM

帧中的位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧…TDM帧55时分复用频率时间CDCDCDAAAABBBBCD在

TDM

帧中的位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧…TDM帧56时分复用频率时间BDBDBDAAAABCCCCD在