计算机网络2(吴功宜)-第3章-补充内容数据编码技术

计算机网络2(吴功宜)___第3章_补充内容数据编码技术第一页，共54页。数据编码技术1、数据编码类型模拟数据编码数字数据编码非归零码曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码数据编码方式振幅键控ASK移频键控FSK移相键控PSK信道：模拟通信信道和数字通信信道。电话通信信道第二页，共54页。数据的编码和调制技术在计算机中，数据是以离散的二进制“0”、“1”比特序列方式表示的。计算机数据在传输过程中的数据编码类型主要取决于它采用的通信信道所支持的数据通信类型。通信信道分为模拟信道和数字信道，而依赖于信道传输的数据也分为模拟数据与数字数据。因此，数据的编码方法包括数字数据的编码与调制和模拟数据的编码与调制。第三页，共54页。数字数据的调制传统的电话通信信道是为传输语音信号设计的，用于传输音频300Hz～3400Hz的模拟信号，不能直接传输数字数据。为了利用模拟语音通信的电话交换网实现计算机的数字数据的传输，必须首先将数字信号转换成模拟信号，也就是要对数字数据进行调制。发送端将数字数据信号变换成模拟数据信号的过程称为调制（Modulation），调制设备就称为调制器（Modulator）；接收端将模拟数据信号还原成数字数据信号的过程称为解调（Demodulation），解调设备就称为解调器（Demodulator）。若进行数据通信的发送端和接收端以双工方式进行通信时，就需要同时具备调制和解调功能的设备，称为调制解调器（Modem）。对数字数据调制的基本方法有三种：幅移键控、频移键控和相移键控。第四页，共54页。在调制过程中，选择音频范围内的某一角频率ω的正（余）弦信号作为载波，该正（余）弦信号可以写为：

u（t）=um·sin（ωt+φ0）3个可以改变的电参量：—振幅um

—角频率ω—相位φ可以通过变化3个电参量，来实现模拟数据信号编码的目的。数字数据的调制第五页，共54页。幅移键控、频移键控和相移键控幅移键控ASK（AmplitudeShiftKeying）ASK是通过改变载波信号的幅度值表示数字信号“1”、“0”，以幅度A1表示数字信号的“1”，用载波幅度A2表示数字信号的“0”（通常A1取1，A2取0），而载波信号的参数f和φ恒定。频移键控FSK（FrequencyShiftKeying）FSK是通过改变载波信号频率的方法表示数字信号“1”、“0”，用f1表示数字信号“1”，用f2表示数字信号“0”，而载波信号的A和φ不变。相移键控PSK（PhaseShiftKeying）PSK是通过改变载波信号的相位值表示数字信号“1”、“0”，而载波信号的A和f不变。PSK包括两种类型：绝对调相绝对调相使用相位的绝对值，φ为0表示数字信号“1”，、φ为π表示数字信号“0”。相对调相相对调相使用相位的相对偏移值，当数字数据为0时，相位不变化，而数字数据为1时，相位要偏移π。第六页，共54页。数字数据的调制示例第七页，共54页。多相调制ASK、FSK和PSK都是最基本的调制技术，实现容易，技术简单，抗干扰能力差，调制速率不高，为了提高数据传输速率，也可以采用多相调制的方法。例如，将待发送的数字信号按2个比特一组的方式组织，因为2个比特可以有4种组合方式，即“00、01、10、11”四个码元，所以用4个不同的相位值就可以表示出这4组组合。在调相信号传输过程中，相位每改变一次，传送两个二进制比特，这种调制方法就称为四相相移键控。第八页，共54页。混合调相为了达到更高的信息传输速率，采用多元制的振幅相位混合调制技术，比如正交振幅调制QAM（QuadratureAmplitudeModulation），它不但使用相位，而且还使用幅度：8-QAM使用了幅度与相位的8种组合，由于使用3个比特可以表示8种组合，因此，每一种组合代表一个码元，每个码元3个比特。16-QAM的幅度和相位有16种组合，每个组合代表一个码元，每个码元4个比特。第九页，共54页。数字数据的编码利用数字通信信道直接传输数字数据信号的方法称作数字信号的基带传输，而数字数据在传输之前，需要进行数字编码。数字数据的编码方式有三种：不归零码、曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码。不归零编码（Non-ReturntoZero，NRZ）NRZ编码规定可用负电平表示逻辑“0”，用正电平表示逻辑“1”，反之亦然。原码：10110010第十页，共54页。数字数据的编码曼彻斯特编码（Manchester）曼彻斯特编码是目前应用最广泛的编码方法之一，其特点是每一位二进制信号的中间都有跳变，若从低电平跳变到高电平，就表示数字信号“1”，若从高电平跳变到低电平，就表示数字信号“0”；差分曼彻斯特编码（DifferenceManchester）差分曼彻斯特编码是对曼彻斯特编码的改进。其特点是每一位二进制信号的跳变依然提供收发端之间的同步，但每位二进制数据的取值，要根据其开始边界是否发生跳变来决定，若一个比特开始处存在跳变则表示“0”，无跳变则表示“1”。第十一页，共54页。数字数据编码的示例第十二页，共54页。信道的最高码元传输速率任何实际的信道都不是理想的，在传输信号时会产生各种失真以及带来多种干扰。

码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远，在信道的输出端的波形的失真就越严重。第十三页，共54页。数字信号通过实际的信道失真不严重失真严重实际的信道（带宽受限、有噪声、干扰和失真）输入信号波形输出信号波形(失真不严重)输入信号波形实际的信道（带宽受限、有噪声、干扰和失真）输出信号波形(失真严重)第十四页，共54页。奈氏(Nyquist)准则每赫带宽的理想低通信道的最高码元传输速率是每秒

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个码元。Baud是波特，是码元传输速率的单位，1波特为每秒传送1个码元。理想低通信道的最高码元传输速率=2WBaudW是理想低通信道的带宽，单位为赫(Hz)不能通过能通过0频率(Hz)W(Hz)第十五页，共54页。另一种形式的奈氏准则每赫带宽的理想低通信道的最高码元传输速率是每秒

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个码元。理想带通特性信道的最高码元传输速率=WBaudW是理想带通信道的带宽，单位为赫(Hz)不能通过能通过0频率(Hz)W(Hz)不能通过第十六页，共54页。要强调以下两点实际的信道所能传输的最高码元速率，要明显地低于奈氏准则给出上限数值。波特(Baud)和比特(bit)是两个不同的概念。波特是码元传输的速率单位（每秒传多少个码元）。码元传输速率也称为调制速率、波形速率或符号速率。比特是信息量的单位。

第十七页，共54页。要注意信息的传输速率“比特/秒”与码元的传输速率“波特”在数量上却有一定的关系。若1个码元只携带1bit的信息量，则“比特/秒”和“波特”在数值上相等。若1个码元携带nbit的信息量，则MBaud的码元传输速率所对应的信息传输速率为M

nb/s。第十八页，共54页。信道的极限信息传输速率香农(Shannon)用信息论的理论推导出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限、无差错的信息传输速率。信道的极限信息传输速率C可表达为C=Wlog2(1+S/N)b/sW为信道的带宽（以Hz为单位）；S为信道内所传信号的平均功率；N为信道内部的高斯噪声功率。

第十九页，共54页。香农公式表明信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高。只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定可以找到某种办法来实现无差错的传输。若信道带宽W或信噪比S/N没有上限（当然实际信道不可能是这样的），则信道的极限信息传输速率C也就没有上限。实际信道上能够达到的信息传输速率要比香农的极限传输速率低不少。第二十页，共54页。奈氏准则和香农公式

在数据通信系统中的作用范围源系统传输系统目的系统传输系统源点终点发送器接收器输入信息输出信息输入数据输出数据发送的信号接收的信号码元传输速率受奈氏准则的限制信息传输速率受香农公式的限制第二十一页，共54页。模拟数据调制为数字信号在模拟数据通信系统中，信源的信息经过转换，形成电信号，比如人说话的声音经过电话转变为模拟的电信号，这也是模拟数据的基带信号。模拟数据的基带信号具有比较低的频率，不宜直接在信道中传输，而数字信号传输失真小、误码率低、数据传输速率高，因此在网络中除计算机直接产生的数字信号外，语音、图像信息必须数字化处理，需要对信号进行调制，将信号搬移到适合信道传输的频率范围内，接收端将接收的已调信号再搬回到原来信号的频率范围内，恢复成原来的消息，比如无线电广播。第二十二页，共54页。PCM技术脉冲编码调制PCM（PulseCodeModulation）是模拟数据数字化的主要方法。PCM技术的典型应用是语音数字化。在发送端通过PCM编码器将语音数据变换为数字化的语音信号，通过通信信道传送到接收方，接收方再通过PCM解码器还原成模拟语音信号。语音数据数字化后，其传输速率高、失真小，可以存储在计算机中，进行必要的处理。因此在网络与通信的发展中语音数字化成为重要的部分。第二十三页，共54页。PCM的工作原理脉冲编码调制包括三部分：采样、量化和编码。采样：每隔一定的时间间隔，采集模拟信号的瞬时电平值做为样本，表示模拟数据在某一区间随时间变化的值。量化：量化是将取样样本幅度按量化级决定取值的过程。量化级可以分为8级、16级，或者更多的量化级，这取决于系统的精确度要求。编码：编码是用相应位数的二进制代码表示量化后的采样样本的量级。第二十四页，共54页。PCM的工作过程3.23.92.83.41.24.2433140111000110110011001001100采样信号：基于nyquist理论原始信号PAM脉冲（采样）PCM脉冲（量化）有量化差错PCM输出（编码）3第二十五页，共54页。PCM的工作过程第二十六页，共54页。PCM的工作过程3.23.92.83.41.24.2433140111000110110011001001100采样信号：基于nyquist理论原始信号PAM脉冲（采样）PCM脉冲（量化）有量化差错PCM输出（编码）Nyquist理论在理想的无噪声信道，若f是传输媒体的最大传输频率,采样频率为2*f时，接收方才可以从采样脉冲信号中完全恢复原信号Nyquist,1920第二十七页，共54页。PCM编码的典型应用第二十八页，共54页。调制解调器Modem是为数字信号在具有有限带宽的模拟信道上进行远距离传输而设计的，是一种数据通信设备DCE。其主要功能是进行信号的调制和解调，在DTE和模拟传输线路之间起到数字信号与模拟信号之间的转换作用。计算机也可以通过Modem的传真和语音功能，发送传真以及提供电话录音留言和全双工的免持听筒服务。公用电话网调制解调器计算机计算机调制解调器DTEDCEDCEDTERS-232CRS-232C第二十九页，共54页。调制解调器的组成Modem一般由基带处理、调制解调、信号放大和滤波、均衡等几部分组成。调制——把数字信号转换为模拟信号的过程。解调——把模拟信号转换为数字信号的过程。第三十页，共54页。调制解调器的分类一按通信设备分类可分为：拨号Modem拨号Modem主要用于公用电话网上传输数据。拨号Modem具有在性能指标较低的环境中进行有效操作的特殊性能。多数拨号Modem具备自动拨号、自动应答和自动拆线等功能。专线Modem专线Modem主要用在专用线路或租用线路上，它不必带有自动应答和自动拆线功能。专线Modem的数据传输率比拨号Modem要高。第三十一页，共54页。调制解调器的分类二外置式Modem放置于机箱外，通过串行通讯口与主机连接。这种Modem方便灵巧、易于安装，闪烁的指示灯便于监视Modem的工作状况。但外置式Modem需要使用额外的电源与电缆。

内置式Modem

内置式Modem在安装时需要拆开机箱，并且要对中断和COM口进行设置，安装较为繁琐。这种Modem要占用主板上的扩展槽，但无需额外的电源与电缆，且价格比外置式Modem要便宜一些。

按Modem与计算机的连接方式分类第三十二页，共54页。小结：数据通信系统的模型

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正文正文数据通信系统源系统目的系统传输系统输出信息PC机第三十三页，共54页。小结：模拟的和数字的数据、信号模拟数据模拟信号放大器调制器模拟数据数字信号

PCM编码器数字数据模拟信号调制器数字数据数字信号数字发送器第三十四页，共54页。多路复用技术多路复用技术:就是使两个或多个数据资源共享一个公共的传输介质，使得每一数据资源都有其自己的通道。通俗的说就是让不同的计算机连接到相同的信道上共享信道资源。第三十五页，共54页。多路复用技术多路复用技术要解决的问题：实际上要解决如何在单一的物理通信线路上建立多条并行通信信道的问题。多路复用系统就是将一个区域的多个用户的信息通过多路复用器进行汇集，然后将汇集的信息群通过一条物理线路传递到接收设备；接收设备通过多路复用器将信息群分离回原来的各个单独的信息，然后分发到多个接收用户。第三十六页，共54页。多路复用技术多路复用技术的基本原理是：各路信号在进入同一个有线的或无线的传输介质之前，先采用调制技术把它们调制为互相不会混淆的信号，然后进入传输介质传送到对方。而对方再用解调（反调制）技术对这些信号加以区分，并使它们恢复成原来的信号，从而达到多路复用的目的。常用的多路复用技术有频分多路复用、时分多路复用、波分多路复用和码分多路复用。

第三十七页，共54页。频分多路复用FDM（FrequencyDivisionMultiplexing）信道带宽分割：在物理信道的可用带宽超过单个原始信号所需带宽情况下，可将该物理信道的总带宽分割成若干个与传输单个信号带宽相同(或略宽)的子信道，每个子信道传输一路信号，这就是频分多路复用。频谱搬移：多路原始信号在频分复用前，先要通过频谱搬移技术将各路信号的频谱搬移到物理信道频谱的不同段上，使各信号的带宽不相互重叠，然后用不同的频率调制每一个信号，每个信号要一个以它的载波频率为中心的一定带宽的通道。为了防止互相干扰，使用保护带来隔离每一个通道。频分多路复用主要应用于模拟信号。第三十八页，共54页。FDM原理示意图第三十九页，共54页。时分多路复用时分多路复用（TimeDivisionMultiplexing，TDM）是各路信号在同一信道上占有不同时间间隙进行通信。由前述的抽样理论可知，抽样的一个重要作用，是将时间上连续的信号变成时间上离散的信号，其在信道上占用时间的有限性，为多路信号沿同一信道传输提供了条件。具体说，就是把时间分成一些均匀的时间间隙，将各路信号的传输时间分配在不同的时间间隙，以达到互相分开，互不干扰的目的。时分多路复用用于数字信道的复用，例如PCM通信。第四十页，共54页。TDM原理示意图第四十一页，共54页。同步时分复用采用固定时间片分配方式，即将传输信号的时间按特定长度连续地划分成特定时间段(一个周期)，再将每一时间段划分成等长度的多个时隙，每个时隙以固定的方式分配给各路数字信号，各路数字信号在每时间段都顺序分配到一个时隙。时分多路复用又分为同步时分复用(SynchronousTimeDivisionMultiplexing,STDM)和异步时分复用(AsynchronousTimeDivisionMultiplexing,ATDM)第四十二页，共54页。同步时分复用由于在同步时分复用方式中，时隙预先分配且固定不变，无论时隙拥有者是否传输数据都占有一定时隙，形成了时隙浪费，其时隙的利用率很低。第四十三页，共54页。TDM—异步时分复用ATDM异步时分复用又被称为统计时分复用，它能动态地按需分配时隙，以避免每个时间段中出现空闲时隙。ATDM就是只有某一路用户有数据要发送时才把时隙分配给它。当用户暂停发送数据时，则不给它分配时隙。电路的空闲时隙可用于其他用户的数据传输。在所有的数据帧中，除最后一个帧外，其他所有帧均不会出现空闲的时隙，从而提高了资源的利用率，也提高了传输速率。第四十四页，共54页。波分多路复用WDMWDM主要用于全光纤网组成的通信系统。波分复用就是光的频分复用。人们借用传统的载波电话的频分复用的概念，可以做到使用一根光纤来同时传输多个频率很接近的光载波信号,提高了光纤的传输能力。最初，在一根光纤上只能复用两路光载波信号，随着技术的发展，在一根光纤上复用的路数越来越多。现在已达到在一根光纤上复用80路或更多路数的光载波信号，这种复用方式就是密集波分复用DWDM(DenseWavelengthDivisionMultiplexing)。第四十五页，共54页。波分复用原理图第四十六页，共54页。波分复用波分复用的技术特点与优势如下：

可灵活增加光纤传输容量同时传输多路信号

成本低、维护方便、可靠性高，应用广泛第四十七页，共54页。时分多路复用案例---贝尔系统的T1载波T1载波也叫一次群。24路音频信道按照时分多路的原理复用在一条1.544Mb/s的通信线路上；该系统在北美和日本被广泛使用。每路音频模拟信号在送到多路复用器之前，要通过一个PCM编码器；编码器每秒取样8000次；24路PCM信号的每一路轮流将一个字节插入到帧中；每个字节的长度为8位，其中7位是数据位，1位用于信道控制；每帧由24×8=192位组成，附加一位作为帧开始标志位，所以每帧共有193位；发送一帧需要125毫秒；T1载波的数据传输速率为1.544Mb/s。第四十八页，共54页。同步光纤网SONET和

同步数字系列SDH旧的数字传输系统存在着许多缺点。其中最主要的是以下两个方面：数据传输速率标准不统一,存在着T1与E1两个互不兼容的标准，在高次群的速率方面，日本又使用了第三种不兼容的标准；如果不对高次群的数字传输速率进行标准化，国际范围的高速数据传输就很难实现光设备接口标准不规范，没有国际的标准规范，各个厂家使用自己标准；不是同步传输。在过去相当长的时间，为了节约经费，各国的数字网主要是采用准同步方式。

第四十九页，共54页。同步光纤网SONET同步光纤网的概念由美国贝尔通信研究所首先提出来；设计同步光纤网的目的是解决光接口标准规范问题，定义同步传输的线路速率的等级体系，以使不同的厂家的产品可以互连，从而能够建立大型的光纤网络；同步光纤网SONET(Synchr