数字通信基础知识

2023/2/6曹华孝caohuaxiao@2012.92013.1（50学时，4学分）四川师范大学成都学院通信工程系

计算机网络Page2Chapter2-1数字通信基本知识2-1.2通信信道及其主要特性2-1.4多路复用技术2-1.1数据通信基本概念2-1.3信道数据编码Page32-1.1.1数据2-1.1.3数据传输2-1.1.2信号2-1.1数据通信基本概念2-1.1.4数据通信系统模型Page42-1.1.1数据数据涉及的是事物的表现形式信息是数据的内容和含义，是数据的解释数据有模拟数据和数字数据两种形式模拟数据是指在某个时间段产生的连续的值，例如声音和视频、温度和压力等都是时间连续函数。数字数据是指产生的离散的值，例如文本信息和整数。Page52-1.1.2信号信号是数据的表示形式，或称数据的电磁或电子编码信号使数据能以适当的形式在介质上传输信号有模拟信号和数字信号两种形式模拟信号是指随时间连续变化的信号，在通信中，一般用这种信号的某种参量（如振幅、频率、相位）来表示要传递的数据。数字信号是只取有限值（或状态）的信号，在通信中，是以某一瞬间的状态来表示传送的信息。Page62-1.1.3数据传输数据传输以信号为载体模拟传输：是指模拟数据的传输，不关心所传输信号的内容，而只关心尽量减少信号的衰减和噪声，长距离传输时，采用信号放大被衰减的信号，但同时也放大了信号中的噪声。数字传输：是指数字数据的传输，关心信号的内容，可以数字信号传输，也可以模拟信号传输，长距离传输时，采用转发器，可消除噪声的累积。长距离传输时，通常采用的是数字传输Page72-1.1.4数据传输系统模型传输系统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输入汉字显示汉字数据通信系统源系统目的系统传输系统输出信息PC机Page82-1.1.4数据传输系统模型

源系统源点（信源、源站）：产生要传输的数据，如PC机。发送器：把源点产生的数据变成能在传输系统中的信号，并发送。

传输系统负责把信号从源端传送到目的端；通常需要处理传输差错。

目的系统接收器：把来自传输系统的信号转换成目的设备能处理的信息。终端（信宿、目的站）：获取接收器传来的信息，是调制的逆过程。Page92-1.2通信信道及其主要特性2-1.2.1基本概念2-1.2.2信道工作方式2-1.2.3宽带传输和基带传输2-1.2.4异步通信和同步通信2-1.2.5并行通信和串行通信Page102-1.2.1基本概念数据传输速率与带宽信号传播速率载波频率采样频率量化噪声、噪声比波特率与比特率比特率=log2V波特率Page11Nyquist定理在无噪声信道中，当带宽为HHz，信号电平为V级，则：数据传输速率=2Hlog2Vb/s（V：信号电平的级数，在二进制中，仅为0、1两级）即：以每秒高于2H次的速率对线路采样是无意义的，因为高频分量已被滤波器滤掉无法再恢复。Page12Shannon定理在噪声信道中，当带宽为HHz，信噪比为S/N，则：最大数据传输速率（b/s）=Hlog2

（1+S/N）很多情况下信噪比用分贝（dB）表示信噪比（dB）=10log10S/N如：信噪比为30dB，则S/N=1000Page132-1.2.2信道工作方式按照信息交互方式分：单工通信：单向传输，如广播、电视。半双工通信：双方都可以发送或接收，但不能同时，即当一方发送时，另一方接收。双工通信：双方同时可以发送和接收信息。全双工需要两条信道Page142-1.2.3数据传输方式

基带传输：信号源产生的原始信号。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。

宽带传输：将基带信号进行调制后形成模拟信号，然后采用频分复用技术实现宽带传输。有线电视网：带宽可达750MHz，以模拟信号传输，传输距离可达100km。混合光纤电缆HFC：频段54-550MHz是电视信号，550-750MHz是数字数据。宽带系统可分为多个信道，所以模拟和数字数据可混合使用，但通常解决数据双向传输的问题。2-1.2.4数据通信方式

在数字数据通信中，一个最基本的要求是发送端和接收端之间以某种方式保持位同步，只有保证了位同步才可能保证帧同步。所以接收端必须对它所接收的数据流中每一位进行正确采样，才能确保数据接收的正确性。

异步通信

同步通信

通信双方必须遵循同一个通信规程，使用相同的位同步方式进行数据传输。根据通信规程所定义的位同步方式，可分为：异步通信

异步通信：是指发送方和接收方的采样时钟不是同一个，而是以字符为单位的数据传输，常用的是ASCII字符集。

数据块以字符为单位，每个字符都要附加1位起始位和1位停止位作标志，以标记字符的开始和结束。

此外，还要附加1位奇偶校验位。

波特率异步通信必须指定四个参数

字符长度

奇偶校验

停止位长度Page17同步通信

同步通信：发送方和接收方的采样时钟是同一个。通常发送方在发送数据的编码中包含时钟，而接收方则从数据流中提取时钟用以采样，所以说双方所用的时钟是同一个。根据同步通信规程分：

面向字符的同步通信

面向bit流的同步通信面向字符的同步通信在面向字符的同步通信中，字符集可用ASCII或EBCDIC，数据块由字符组成，数据块前加一个或两个同步字符SYN用于数据块的同步。每个字符必须有起始位和停止位。

波特率典型的面向字符的同步通信规程是BISYNC与异步通信相类似，必须指定相关参数：

字符长度

奇偶校验面向bit流的同步通信在面向bit流的同步通信中，每个数据块的头部和尾部用一个或多个特殊的比特序列（如01111110）来标记数据块的开始和结束，数据块将作为bit流来处理，而不是作为字符流来处理。典型的面向位流的同步通信规程是高级数据链路控制（HDLC）规程和同步数据链路控制（SDLC）规程，收发双方必须约定的参数有：

传输速率

CRC生成多项式等面向bit流的透明传输在面向bit流的同步通信中，为了避免在数据块的数据中出现标记数据块开始和结束的特殊位模式（如01111110），通常采用位插入法，即发送端总是检测所发送的数据流，每当出现连续的五个1后便自动插入一个0，接收端在接收数据流时，如果检测到连续五个1的序列，就检查其后的一个bit，若该bit是0，则删除；若该bit为1，则表示数据块的结束，转入结束处理。Page212-1.2.5串行通信与并行通信串行通信数据按位为单位，以时间为序。典型的串行接口RS-232C并行通信数据按字符为单位，以时间为序。打印机是常用的并行接口典型的串行接口RS-232C

RS-232C是用于计算机或终端与Modem间的物理层协议（定义接口的机械、电气、功能和过程特性）。计算机或终端设备：DTE（dataterminalequipment）调制解调器：DCE（datacircuit-terminatingequipment）RS232工作环境不足：传输性能低、距离短、速率低

改进：重新设计，X.21数字接口

以RS-232-C为基础改进，1977年提出RS449RS-232C特性Page23机械特性：25针D型插座及相关长、宽、高；DTE为插头、DCE为插座；DB25、DB9。电气特性：逻辑0：+12V；

逻辑1：-12V；

最长传输距离15m；

最大传输速率<20Kbps。功能特性：定义了21条线，许多子集，

基本与CCITTV.24兼容。规程特性：对不同功能子集，有不同的规程；RS-232C中有14种不同的接口类型；

适合于：单工、半双工、全双工、同步、异步。EIARS-232插头计算机或终端通过RS-232-C接口与调制解调器连接Page24Page25计算机或终端通过RS-232-C接口与计算机连接常用的串行接口Page26常用串行接口有25pin和9pin两种Page27常用的并行接口打印机是常用的并行接口Page282-1.3信道数据编码

数据编码：把一种形式的数据用另一种形式的数据来表示。在数据通信中，编码通常是指用不同的电信号（或其他信号）来表示二进制数据或其他信号。思考：如何用信号表示0和1？

编码方式：数字数据的模拟编码数字数据的数字编码模拟数据的数字编码Page29数字数据在模拟信道上传输将数字数据调制成模拟信号进行传输，通常有三种基本方式调幅ASK（AmplitudeShiftKeying）：指载波的振幅随输入信号变化。如：用“0”表示无载波，“1”表示有载波。

调频FSK（FrequencyShiftKeying）：指载波的频率随输入信号变化。如：“0”对应于频率2f，“1”对应于频率f。调相PSK（PhaseShiftKeying）：指载波的初相位随输入信号而变化。如：用信号相位角为00表示“0”，相位角为1800表示“1”。三种调制方式比较Page31数字数据在数字信道上传输最简单的方法是用两个不同的电压信号值来表示两个二进制的数字数据值0和1。常用的数字信号编码有：

不归零编码：正电平表示1，零电平表示0；

曼切斯特编码：“0”表示半个码元的负脉冲、半个码元的正脉冲；“1”表示半个码元的正脉冲、半个码元的负脉冲。

差分曼切斯特编码：“0”表示半个码元的负脉冲、半个码元的正脉冲（0变化，差分化）；“1”表示半个码元的正脉冲、半个码元的负脉冲（1不变化）。三种编码方式比较

思考：画出信息“100101”的不归零码、曼切斯特编码、差分曼切斯特编码波形图？Page33模拟数据在数字信道上传输

采用脉冲编码调制PCM（PulseCodeModulation）技术

采样：使用电子设备利用采用定理采出模拟信号的值。

量化：将模拟信号变为时间轴上的离散值。是分级过程。

若采用8位二进制编码，可分为28=256个量化级。

编码：将离散值编成一定位数的二进制码。采样、量化和编码Page352-1.4多路复用技术2-1.4.1频分多路复用2-1.4.2时分多路复用2-1.4.3波分多路复用2-1.4.4码分多路复用2-1.4.1频分多路复用技术频分复用FDM（FrequencyDivisionMultiplexing）频分复用是指当信道带宽大于各路信号的总带宽时，可以将信号分割成若干个子信道，各个子信道间要留一个宽度（保护带），每个子信道用来传输一路信道。特点：隔离带：防干扰信道宽度>信号宽度2-1.4.2时分多路复用技术时分复用TDM（TimeDivisionMultiplexing）当信道能达到的位传输速率大于各路信号的数据传输速率总和时，可以将信道的时间分割为一个个的时间片，按照一定规则将这些时间片分割给各路信号源，每一信号源只能在自己的时间片内独占信道进行传输。TDM的同步和异步同步TDM：时间片与输入装置一一对应，即同步如某个时间片对应的输入装置无数据发送，则该时间片空闲；传输介质的传输速率不能低于各个输入信号的数