数据通信的基本概念1

教学对象教学时间年月日

第2章数据通信

教学内容

2.1数据通信的基本概念

通过本节内容的学习，能够正确理解数据通信的相关概念，掌握通信系统

教学目的

模型，深刻把握数字化是信息社会发展的必然趋势的原因.

教学重点数据、信息、信号的定义；通信模型；模拟传输与数字传输的区别。

教学难点理解模拟传输与数字传输的过程、优缺点和二者的区别。

建议学时1学时教学教具多媒体教学系统

教学方法讲授(PPT)

2.1.1数据、信息和信号

2.1.2通信系统模型

演示设计2.1.3数据传输方式

2.1.4物理信道的连接方式

板书设计2.1.5串行通信与并行通信

2.1.6数据通信方式

2.1.7数字化是信息社会发展的必然趋势

教学过程

介绍本章在整个课程中的基础地位：

计算机网络是计算机技术与通信技术结合的产物；

本章介绍了数据通信的基本概念、基本原理和实用技术，是后面章节

的理论基础；

数据通信技术在迅速发展。

提出学习要求：

(1)牢固掌握数据通信的基本概念；

(2)理解数据通信的基本原理；

(3)掌握数据通信的实用技术；

课程导入(4)了解通信技术最新发展动向，培养快速跟踪网络技术发展的知

识基础与能力。

提问：数据与信息有什么关系？

2.1数据通信的基本概念

2.1.1数据、信息和信号

通信是为了交换信息(Information)。信息的载体可以是数字、文字、语音、图形和图

像，我们常称它们为数据(Data)。数据是对客观事实进行描述与记载的物理符号。信息是

数据的集合、含义与解释。如对一个企业当前生产各类经营指标的分析，可以得出企业生产

经营状况的若干信息。显然，数据和信息的概念是相对的，甚至有时将两者等同起来，此处

不多论述。

数据可分为模拟数据和数字数据。模拟数据取连续值，数字数据取离散值。在数据被传

送之前，要变成适合于传输的电磁信号：或是模拟信号，或是数字信号。所以，信号(Signal)

是数据的电磁波表示形式。模拟数据和数字数据都可用这两种信号来及示。模拟信号是随时

间连续变化的信号，这种信号的某种参量，如幅度、频率或相位等可以表示要传送的信息。

传统的电话机送话器输出的语音信号，电视摄像机产生的图像信号以及广播电视信号等都是

模拟信号。数字信号是离散信号，如计算机通信所用的二进制代码“0”和“1”组成的信号。

模拟信号和数字信号的波形图如图2.1所示。

▲幅度

1.0,1.0

图2.1模拟信号与数字信号

(a)模拟信号(b)数字信号

和信号的这种分类相似，信道也可以分成传送模拟信号的模拟信道和传送数字信号的

数字信道两大类。但是应注意，数字信号在经过数模变换后就可以在模拟信道上传送，而

模拟信号在经过模数转换后也可以在数字信道上传送。

2.1.2通信系统模型

通信系统的模型如图2.2所示，一般点到点的通信系统均可用此图表示。图中,信源是

产生和发送信息的一端，信宿是接受信息的一端。变换器和反变换器均是进行信号变换的设

备，在实际的通信系统中有各种具体的设备名称。如信源发出的是数字信号，当要采用模拟

信号传输时，则要将数字信号变成模拟信号，则用所谓的调制器来实现，而接收端要将模拟

信号反变换为数字信号，则用解调器来实现。在通信中常要进行两个方向的通信，故将调制

器与解调器做成一个设备，称为调制解调器，具有将数字信号变换为模拟信号以及将模拟信

号恢复为数字信号的两种功能。当信源发出的为模拟信号，而要以数字信号的形式传输时，

则要将模拟信号变换为数字信号，通常是通过所谓的编码器来实现，到达接收端后再经过解

码器将数字信号恢复为原来的模拟信号。实际上，也是考虑到•般为双向通信，故将编码器

与解码器做成一个设备，称为编码解码器。信道•般用来表示向某••个方向传送信息的媒

体。因此，一条通信线路往往包含一条发送信道和一条接受信道。一个信道可以看成是•条

线路。止匕外，信息在信道中传输时，可能会受到外界的干扰，我们称之为噪声。如信号在无

屏蔽双绞线中传输会受到电磁场的干扰。

恰.“卜"।变换器,n侑道-n反交换器.卜留信宿一

(二)~~：)

Y16sligy

发送肉味声源•I接收梅

图2.2通信系统的模型

由上可见，无论信源产生的是模拟数据还是数字数据，在传输过程中都要变成适合信道

传输的信号形式。在模拟信道中传输的是模拟信号，在数字信道中传输的是数字信号。

2.1.3数据传输方式

1.模拟传输

模拟传输指信道中传输的为模拟信号。当传输的是模拟信号时，可以直接进行传输。当

传输的是数字信号时，进入信道前要经过调制解调器调制，变换为模拟信号。如图2.3所示,

（a）为当信源为模拟数据时的模拟传输，（b）为当信源为数字数据时的模拟传输。其主要

优点在于信道的利用率较高，但是其在传输过程中信号会衰减，会受到噪声干扰，且信号放

大时噪声也会放大。

图2.3模拟传输

（a）信源为模拟数据（b）信源为数字数据

2.数字传输

数字传输指信道中传输的为数字信号。当传输的信号是数字信号时,可以直接进行传输。

当传输的是模拟信号时，进入信道前要经过编码解码器编码，变换为数字信号。如图2.4所

示，（a）为当信源为数字数据时的数字传输，（b）为当信源为模拟数据时的数字传输。其主

要优点在于数字信号只取有离散值，在传输过程中即使受到噪声的干扰，只要没有畸变到不

可辨识的程度，均可用信号再生的方法进行恢复，也即信号传输不失真，误码率低，能被复

用和有效地利用设备，但是传输数字信号比传输模拟信号所要求的频带要宽的多，因此数字

传输的信道利用率较低。

信«

2.1.4物理信道的连接方式

1.点到点连接方式

终端（或计算机）与计算机之间可以直接地或者通过调制解调器，用线路（拨号线路或

专用线路）进行连接。当两者之间的通信量较大时，可采用这种点到点的连接方式。

2.多点连接方式

为了提高物理信号的利用率，当终端（或计算机）与计算机之间的通信量不大时，可选

用多点方式。即多个终端（或计算机）通过条公用总线直接或通过调制解调器与计算机相

连，如图2.5（a）所示。在该方式中，图中左侧的计算机作为主站，其他各终端（或计算机）

均为从站，由主站统一控制公用总线的使用，各终端（或计算机）信息的收和发，都是在总

站的控制下进行的，终端（或计算机）不能任意发送信息，否则将在公用总线上发生信号冲

突。

3.集中式连接

当有多个相距不远的终端（或计算机）都要求与远程计算机通信时，为了节省传输信道,

可先将多个相距不远的终端连接到多路复用器或集线器上，再用一条传输线路将复用器或集

线器与计算机相连，如图2.5（b）所示。图中M代表调制解调器，T代表终端。如果计算

机到集线器或终端到集线器均采用双绞线连接，并且小于100米时，则可直接相连，而不要

加调制解调器。

图2.5物理信道的连接方式

（a）多点连接（b）集中式连接

2.1.5串行通信与并行通信

串行通信指数据流一位一位地传送，从发送端到接收端只要一根传输线即可，易于实

现。并行通信是一次同时传送一个字节（字符），即8个码元。并行传送传输速率高，但传

输设备要增加7倍，一般用于近距离范围要求快速传送的地方.如计算机与输出设备打印机

的通信一般是采用并行传送。串行传送虽然速率低，但节省设备，是目前主要采用的•种传

输方式，特别是在远程通信中一般采用串行通信方式。

在串行通信中，收、发双方存在着如何保持比特与字符同步的问题，而在并行传输中，

一次传送一个字符，因此收、发双方不存在字符同步问题。串行通信的发送端要将计算机中

的字符进行并/串变换，在接收端再通过串/并变换，还原成计算机的字符结构。

2.1.6数据通信方式

[.单工、半双工与全双工通信

（1）单〉通信方式。在单工信道上信息只能在一个方向传送。发送方不能接收，接受

方不能发送。信道的全部带宽都用于由发送方到接收方的数据传送。无线电广播和电视广播

都是单工传送的例子。

（2）半双工通信方式。在半双工信道上，通信双方可以交替发送和接收信息，但不能

同时发送和接收。在一段时间内，信道的全部带宽用于一个方向上的信息传递。航空和航海

无线电台以及对讲机等都是这种方式通信的。这种方式要求通信双方都有发送和接收能力，

又有双向传送信息的能力，因而比单工通信设备昂贵，但比全双工便宜。在要求不很高的场

合，多采用这种通信方式。

（3）全双工通信方式。这是一•种可同时进行信息的传递的通信方式。现代的电话通信

都是采用这种方式。其要求通信双方都有发送和接收设备，而且要求信道能提供双向传输的

双倍带宽，所以全双工通信设备较昂贵。

2.异步传输和同步传输

在通信过程中，发送方和接收方必须在时间上保持步调一致，亦即同步，才能准确的传

送信息。解决的方法时，要求接收端根据发送数据的起止时间和时钟频率，来校正自己的时

间基准与时钟频率。这个过程叫位同步或内无同步。在传送由多个码元组成的字符以及由许

多字符组成的数据块时,通信双方也要就信息的起止时间取得一致，这种同步作用有两种不

同的方式，因而也就对应了两种不同的传输方式。

（1）异步传输

异步传输即把各个字符分开传输，字符与字符之间插入同步信息。这种方式也叫起止式,

即在组成一个字符的所有位前后分别插入起止位，如图2.6所示。起始位（0）对接收方的

时钟起置位作用。接收方时钟置位后只要在8〜11位的传送时间内准确，就能正确的接收该

字符。最后的终止位告诉接收者该字符传送结束，然后接收方就能识别后续字符的起始位。

当没有字符传送时，连续传送终止位（1）。加入校验位的目的是检查传输中的错误，一般使

用奇偶校验。

］侦.7位.］住・I彼・

起始位，字符•・校验一终止位.

图2.6异步传输

（2）同步传输

异步传输不适合于传送大的数据块，例如磁盘文件。同步传输在传送连续的数据块时比

异步传输更有效。按这种方式，发送方在发送数据之前先发送一串同步字符SYN（编码为

0010110）,接收方只要检测到两个以上SYN字符确认已进入同步状态，准备接收数据，随

后双方以同一频率工作（数字数据信号编码的定时作用也表现在这里），直到传送完指示数

据结束的控制字符，如图2.7所示。这种方式仅在数据块前加入控制字符SYN,所以效率更

高，但实现起来较复杂。在短距离高速数据传输中，多采用同步传输方式。

第一数锯块第二数据块

图2.7同步传输*

2.1.7数字化是信息社会发展的必然趋势

数字化是信息社会发展的大趋势，主要原因如下。

1数字通信比模拟通信更具优势

模拟通信藕在传输赢的信号过程中，噪声将叠加在有用的模拟信号上，接收端很难

将信号和噪声分开，因而模拟通信系统的抗干扰能力比较差。相反，数字通信系统传输的是

二进制信号，数据是介于数字脉冲波形的两种状态之中。在数字通信的接收端对每一个接收

信号进行采样并与某个门槛电平进行比较，只要采样时刻的信号电平不超过门槛电平，接收

端就不会形成错判，可以正确接收数据，而不受噪声的影响。因此，数字通信系统比模拟通

信系统的抗干扰能力更强。

同样，模拟通信时，噪声是叠加在有用的模拟信号上，而通信系统中的模拟放大器无法

将有用的信号与噪声分开，因此只好将有用信号和噪声同时放大。随着传输距离的增加以及

模拟放大器的增多，噪声也会越来越大。因此模拟通信系统中噪声的积累，对远距离通信的

质量造成很大的影响。而数字通信系统则是采用再生中继器的方法，在传输过程中信号所受

到的噪声干扰经过中继器时就已经被消除，然后再生器恢复出与原始信号相同的数字信号，

因而克服了模拟通信系统噪声叠加的问题。因此数字通信系统比模拟通信系统可以更好地实

现高质量的远距离通信，这也即数字电视比模拟电视的图像、声音更清晰的原因。

同时由于数字通信系统中传输的是数字信号，因而在传输过程中，可以对信号进行各种

数字处理：如存储、转发、复制、压缩、计算、加密、检错、纠错等。但这些处理在模拟通

信系统中是很难实现的。正因为在数字通信系统中可以对信号进行各种处理，因而也就可以

在数字通信系统中采用复杂的、非线性的长周期的密码序列对数字信号进行加密，从而使数

字通信具有高度的保密性。而且通过对数字信号使用合适的压缩算法，使其在传输过程中获

得更高的传输效率，在接收端再使用相应的解压缩算法，以恢复到压缩前同样的形式，这对

解决网络通信中的拥塞控制也大有帮助。

2.数字机比模拟机使用更广泛

电子计算机从原理上可分为模拟电子计算机和数字电子计算机。模拟电子计算机问世较

早，内部所使用的是模拟信号，处理问题的精度差，所有的处理过程均需模拟电路来实现，

电路结构复杂，抗外界干扰能力差，因此实际使用已越来越少。数字电子计算机是当今世界

电子计算机行业中的主流，其内部处理的是数字信号，它的主要特点是“离散”，在相邻的两

个符号之间不可能有第三种符号存在。由于这种处理信号的差异，使得它的组成结构和性能

大大优于模拟式电子计算机。

目前的计算机绝大部分都是数字机，而数字机只能对数字数据进行存储和处理，因此，

文字、声音、视频、图像等数据，必须变换为数字数据后才能存入计算机，才能进行计算处

理，而且数字传输的质量远高于模拟传输，可见数字化是信息社会发展的必然趋势。

3.数字设备越来越便宜

计算机等数字设备的主要器件是集成电路(芯片)，它的集成度大约每18个月翻一番。

这就是在计算机领域人所共知的“摩尔定律”，它是英特尔公司创始人之一戈登•摩尔(Gordon

Moore)于1965年在总结存储器芯片的增长规律时发现的。伴随着集成电路集成度越来越

高，其造价也越来越低，集成电路在我们生活中到处可见，人们已越来越多的使用数字设备,

如数字手机、数字照相机、数字彩电、数字摄像机等等，几乎所有的设备都在数字化。

当然，数字通信也有缺点，最大的缺点就是占用的频带宽，可以说数字通信的许多优点

是以牺牲信道带宽为代价的。以电话为例，一路模拟电话占用4kHz信道带宽，而一路数字

电话所需的带宽是64kbps,所占用的带宽远远大于模拟传输。数字通信的这一缺点限制了

它在某些信道带宽不够大的场合下使用。但随着微波、卫星、光缆等高宽带信道的广泛使用，

带宽的问题就不突出了。

教学小结

本节是全章的基础，学生在学习过程中要正确的理解数据通信的基本概念，

学习指导

对数据通信的基本模型要全面掌握，最后对数据通信的方式要认真理解。

参阅教材教材第2章第1节

运用/http:〃/http:〃/

网络资源

等搜索引擎，以数据、信息、通信模型、数字化等为关键字进行搜索。

作业习题2.1、2.2、2.3,2.4、2.5、2.6题

教学后记

教学对象教学时间年月日

第2章数据通信

教学内容

2.2数字信号的频谱与数字信道的特性

通过本节内容的学习，能够理解数字信号的相关概念，掌握数字信道的相

教学目的

关概念和重要特性。

信道、信号的带宽；数字信道的特性和原理；基带传输、频带传输、宽带

教学重点

传输。

教学难点理解信号带宽和信道带宽的区别；掌握数字信道的特性概念和相关原理。

建议学时1学时教学教具多媒体教学系统

教学方法讲授(PPT)

2.2.1傅立叶分析

演示设计

2.2.2周期矩形脉冲信号的频谱

2.2.3数字信道的特性

板书设计

2.2.4基带传输、频带传输和宽带传输

教学过程

提问：数字信道和模拟信道是两种不同的信道，各有什么特点？

随着宽带网络的普及，学生对其都有初步的感受。通过提问，促使学

生思考，引导其正确认识数字信道和模拟信道的概念，并引出本节要讲授

的内容。

课程导入

2.2数字信号的频谱与数字信道的特性

2.2.1傅立叶分析

任何周期信号都是由一个基波信号和各种高次谐波信号合成的。根据傅立叶分析法，可

以把一个周期为T的复杂函数g⑺表示为无限个正弦和余弦函数之和：

,力•力

gQ)=，+Z。”sin(2^H/r)+bncos(2^z?/r)

n=ln=\

2(,._1

其中。。是常数，代表直流分量，且"°=〒k")"，/=不为基频，儿分别是"次

谐波振幅的正弦和余弦分量：

an=yjsin(2型辿

bn=yjcos(2型)力

2.2.2周期矩形脉冲信号的频谱

频谱指组成周期信号各次谐波的振幅按频率的分布图。这种频谱图以/为横坐标，相

应的各种谐波分量的振幅为纵坐标，如图2.8所示•图中，谐波的最高频率亦与最低频率力

之差(力一力)叫信号的频带宽度，简称带宽，它表示实际信道所能传输信号的频率范围。信

道带宽山传输媒体和有关附加设备以及电路的频率特性综合决定。

周期性矩形脉冲如图2.9(a)所示，其幅值为A,脉冲宽度为7,周期为T,对称于纵

轴。这是•种最简单的周期函数，实际数据传输中的脉冲信号要复杂的多，但对这种简单周

期函数的分析，可以得出信道带宽的一个重要结论。

图2.9周期性脉冲及其频谱

(a)周期性脉冲(b)周期性脉冲的频谱

上.述周期矩形脉冲的傅立叶级数中只含有直流和余弦项，令。=2万/丁，我们有

8csin(---)

,、AxT2A4T2/、

s(t)=——+)-------------cosW/)

TJTnrco

2

v—_n_r_co

令2,则上式可写成

AT2ATsin(x)

^(0=—+2^----------cos(")

“=i'

由上式可得周期矩形脉冲的频谱如图2.9(b)所示。图中横轴用无表示，纵轴用归•化

2Ar2ATsinxsinx

(2()=-----d=------------------

幅度。,,/口>表示(T,nTT),谱线的包络为x,当xf8时，其值趋于

0。由图可知，谐波分量的频率越高，其幅值越小。可以认为信号的绝大部分能量集中在第

一个零点的左侧，由于第一个零点处于x=万，因而有〃3/2="，亦即"r=r。若取"=1,

则有r=T。我们定义周期性矩形脉冲信号的带宽为

可见信号的带宽与脉冲的宽度成反比，与之相关的结论是传送的脉冲的频率越高(即脉

冲越窄)，要求信道的带宽也越大。信道的带宽指信道频率响应曲线上幅度取其频带中心处

值的1/收倍的两个频率之间的区间宽度，如图2.10所示。为了使信号在传输中的失真小些,

则信道要有足够的带宽。

图2.10信道带宽

2.2.3数字信道的特性

一个数字脉冲称为一个码元。如字母A的ASCII码是1000001,可用7个脉冲来表示,

亦可认为由7个码元组成。码元携带的信息量由码元取的离散值个数决定。若码元取。和1

两个离散值，则一个码元携带1比特(bit)的信息。若码元可取4个离散值，则一个码元

携带2比特信息。一般的，一个码元携带的信息量n(比特)与码元取的离散值个数N具有

如下关系：

n=log,N

下面用码元和信息量的概念说明数字信道的基本情况。

1.波特率、数据速率和信道容量

码元速率表示单位时间内信号波形的变换次数，即通过信道传输的码元个数。若信号码

元宽度为T秒，则码元速率B=l/T,单位叫波特，这是为了纪念电报码的发明者法国人波特

(Baudot),故码元速率也叫波特率，或称作调制速率、波形速率、符号速率。1924年奈奎

斯特推导出有限带宽无噪声信道的极限波特率，称为奈氏定理。若信道带宽为W,则奈氏

定理的最大码元速率为：

B=2W(Baud)

奈氏定理指定的信道容量也叫奈氏极限，它由信道的物理特性决定。超过奈氏极限传送

脉冲信号是不可能的。因此要进一步提高波特率，就必须改善信道的带宽。

数据速率指单位时间内信道上传送的信息量(比特数)。数字信道的通频带(即带宽)

决定了信道中能不失真的传输脉冲序列的最高速率，即信道容量。在一定波特率下提高数据

速率的途径是用个码元表示更多的比特数。若把两比特编码为一码元，则数据速率可成倍

提高，我们有公式：

R=Blog2N=2W\og2N(b/s)

式中R表示数据速率，B、N、W的含义如上所述，单位为每秒比特(bitspersecond),

记为bps或b/s,>

数据速率“比特/秒”与码元的传输速率“波特”是两个不同的概念。两者在数量上有

上述公式所描述的关系。若1个码元只携带Ibit的信息量，则两者在数值上是相等的。即

R=B。但若使1个码元携带〃bit的信息量，则MBaud的码元传输速率为朋〃bps。例如,

有一个带宽为3kHz的理想低通信道，其码元传输速率为6000baud«而最高数据速率可随编

码方式的不同而有不同的取值。若1个码元能携带2bit的信息量，则最高的数据速率为

12000bpso这些都是不考虑噪声的理想情况下的极限值。至于有噪声影响的实际信道，则远

远达不到这个极限值。

2.误码率

香农（shannon）提出有噪声信道的极限数据速率用下述公式计算

C=Wlog2（l+S/N）

式中，卬为信道带宽，$为信号的平均功率，N为噪声平均功率，S/N叫信噪比。实

际使用中，S与N的比值太大，故常取分贝数。例如当S/N=1000时，信噪比为30dB（分

贝）。这个公式与信号取的离散值个数无关，也即无论用什么方式调制，只要给定了信号和

噪声的平均功率，则单位时间内最大的信息传输量就确定了。例如，信道带宽为3000Hz,

信噪比为30dB,则最大数据速率C=300010§2（1+100。）=3000X9.97弋30000bps。这是极限值，

只有理论上的意义。实际上在3000Hz带宽的电话线上，数据速率能达到9600bps就很不错

了。

在有噪声的信道中，数据速率的增加意味着传输中出错的概率增加，可用误码率来表示

传输二进制时出现差错的概率：

Pe=Ne/N

式中Pe表示误码率，Ne表示出错位数，N为传送的总位数。计算机通信网络中，要

求误码率低于10",即平均传送一百万位才允许错1位。当误码率高于一定数值时，可用差

错控制进行检查和纠正。

3.信道延迟

信号在信道中从源端到达宿端需要的时间即为信道延迟，它与信道的长度及信号传播速

度有关。电信号一般已接近光速的速度（300m/ns）传播，但随介质的不同而略有差别。例

如，电缆中的传播速度一般为光速的77%,即200m/ps左右。一般来说，考虑信号从源端

到达宿端的时间是没有意义的，但对于•种具体的网络，我们经常对该网络中相距最远的两

个站之间的传播时延感兴趣。这时要考虑信号传播速度即网络通信线路的最大长度。如500m

铜轴电缆的时延大约是2.52，远离地面3.6万公里的卫星，上行和下行的时延均约270ms。

2.2.4基带传输、频带传输和宽带传输

1.基带传输

所谓基带指的是基本频带，也就是数据编码电信号所固有的频带，这种信号可称为基带

信号。所谓基带传输就是对基带信号不加调制而直接在线路匕进行传输，它将占用线路的全

部带宽，也可称为数字基带传输。后面将介绍数据可编码成数字信号进行传输的各种编码，

就是基带信号的各种编码。但是不能认为数字信号只能进行基带传输，为了充分利用线路带

宽，可对数字信号进行调制后再进行传输，即频带传输。

2.频带传输

进行远距离数据传输时，一般要借用已有的通信网（如电话网），而数据的原始形式是

数字信号（基带信号），它无法在带宽较窄的通信网中传输，需要将带宽很宽的数字信号（基

带信号）变换为带宽符合通信网要求的模拟信号，而这种模拟信号通常由某一频率或某几个

频率组成，它占用了一个固有频带，所以称为频带传输。

3.宽带传输

宽带的概念来源于电话业，指的是比4KHz更宽的频带。宽带传输系统使用标准的有线

电视技术，可使用的频带高达300MHz（常常到450MHz）。由于使用模拟信号，可以传输近

100km,对信号的要求也没有像数字系统那样高。为了在模拟网上传输数字信号，需要在接

口处安放一个电子设备，用以把进入网络的比特流转换为模拟信号，并把网络输出的信号再

转换成比特流。根据使用的电子设备类型,lb/s可能占用1Hz带宽。在更高的频率上，可以

使用先进的调制技术达到多bit/HZ«

宽带系统可分为多个信道，每个信道可用于模拟电视、CD质量声音（1.4Mb/s）或3Mb/s

的数字比特流。通常电视广播只需要6MHz的信道，电视信号和数据可在一条电缆上混合传

输。然而在计算机网络中，“宽带系统”常指任何使用模拟信号进行传输的系统。

教学小结

本节和上节是数据通信的基本概念比较密集的区域，学生在学习过程中，

学习指导

要注意对基本概念的正确把握，对概念进行对比，强化理解。

参阅教材教材第2章第2节

运用http:〃/http:〃/http:〃/

网络资源

等搜索引擎，以时域分析、频域分析、带宽、信道等为关键字进行搜索。

作业习题2.7、2.8、2.9、2.10题

教学后记

教学对象教学时间年月日

第2章数据通信

教学内容

2.3模拟传输

通过本节内容的学习，掌握模拟传输的原理，理解调制解调器的三种工作

教学目的

原理，熟悉调制解调器常用分类。

教学重点模拟传输；调制解调器工作原理。

教学难点调制解调器工作原理

建议学时1学时教学教具多媒体教学系统

教学方法讲授（PPT）

演示设计

2.3.1模拟传输系统

2.3.2调制解调器

板书设计

教学过程

模拟信号和数据信号在通过某一介质时，往往要进行调制和编码，以提高

信号的传输性能。

提问：模拟传输在我们生活中有哪些应用？

通过提问，促使学生思考，引导其充分认识理解模拟传输的概念。

课程导入

2.3模拟传输

2.3.1模拟传输系统

电话通信系统是典型的模拟传输系统。目前全世界的电话机早-以上十亿部。如此多的电

话要互连成网，唯一可行的办法就是分级交换。我国的电话网络现分5级，上面4级是长途

电话网，最低一级是市话网。4级长途交换中心从上到下分别是：①一级中心，又称大区中

心或省间中心。②二级中心，又称省中心。③三级中心，又称地区中心或县间中心。④四级

中心，又称县中心。每一个上级交换局均按辐射状与若干个下级交换局连成星形网。在这以

下就是市话交换局，又称为端局，直接与其管辖范围内的各电话用户相连。因此，一般属于

同一个市话局内的两个电话的通信只需通过市话局的交换。但在复杂的情况下，两个电话用

户之间可能需要经过多个不同级别的交换局的多次转接。

2.3.2调制解调器

1.调制方式

进行调制时，常把正弦信号作为基准信号或载波信号。调制即利用载波信号的•个或几

个参数的变化来表示数字信号(调制信号)的过程。基于载波信号的三个主要参数，可把调

制方式分为三种：振幅调制、频率调制、相位调制，可分别简称为调幅、调频、调相，如图

2.11所示。

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图2.11三种模拟调制方式

(1)调幅(AM,AmplitudeModulation)

调幅即指载波的振幅随计算机送出的基带数字信号变化而变化。例如数字信号0对应与

无载波输出，1对应与有载波输出。调幅也可以表述为用两个不同的载波信号的幅值分别代

表二进制数字0和1。

(2)调频(FM,FrequencyModulation)

调频即指载波的频率随计算机送出的基带数字信号变化而变化。例如数字信号0对应于

频率八，1对应于频率72。同样，调频也可表述为用两个不同的载波信号的频率分别代表

二进制数字0和1。

(3)调相(PM,PhaseModulation)

调相指载波的初始相位随计算机送出的基带数字信号变化而变化。例如数字信号0对应

于0°,1对应用180。。调相也可以表述为两个不同的载波信号的初相位来代表二进制数字0

和1。这种只有两种相位(如0。或180。)的调制方式称为两相调制。为了提高信息的传输速

率，还经常采用四相调制和八相调制方式，这两种调制方式的数字信息的相位分配情况如图

2.12所示。

数字信息00011011

相位0°（或45°）90°（或135°）180°（或225°）270°（或315°）

(a)四相调制方式的相位分配

数字信息000001010011100101110111

相位0°45°90°135°180°225°270°315°

(b)八相调制方式的相位分配

图2.12四相位、八相位调制方式的相位分配

由上图可以看出，在四相调制方式中，用四个不同的相位分别代表00,01,10,11或

者说每一次调制可以传送2个比特的信息；在八相调制方式中，则每一次调制可传送3个比

特的信息，显然两者都提高了信息的传输速率。为了达到更高的信息传输速率，必须采用技

术上更为复杂的多元制的振幅相位混合调制方法。

2.调制解调器的分类

调制解调器可以根据应用环境、传输速率、功能先进性和调制方式等进行分类。

(1)按应用环境分类

①音频Modem。它将数字信号调制成频率为0.3〜3.4KHz的音频模拟信号。当这种模

拟信号经过电话系统传到对方后，再由解调器将它还原为数字信号。因此，用电话信道传输

数字信号时应采用音频调制解调器。

②基带Modem。一般音频调制解调器，功能较齐全，故价格较贵，多在进行远距离传

输时使用。当距离较近，比如只需使用市话线传输数据，则此时可使用基带调制解调器，传

输速率较高，可达到64Kbps〜2Mbps,主要用于网络用户接入高速线路中。

③无线Modem。在短波及卫星通信中，都应使用与信道特点相适应的调制解调器。这

类调制解调器对差错的检测和纠错能力较强，以克服无线信道差错率较高这一缺点。

(2)按传输速率分类

①低速Modem。传输速率在600bps以下。

②中速Modem。传输速率在1200〜9600bpds。

③高速Modem»速率在9600bps以上。

(3)按功能先进性分类

按其功能先进性可分为三类：

①人工拨号Modem,进行数据通信前，先要通过人工拨号呼叫对方。待电话局的交换

机接通对方并经双方确认后，便转向利用Modem进行通信。

②自动拨号/自由应答式Modem。用户可通过个人计算机键盘拨打电话号码或通过相应

软件取出存放在某磁盘文件中的电话号码，由Modern按指定顺序在指定时间自动拨号，建立

与对方的连接。

③智能Modem,在Modem中配置CPU来提高Modem的性能和增加新功能，如对Modem

的参数进行自动设置，对传输的数据进行数据压缩。在高档次的Modem中还引入了网络管理

功能。

(4)按调制方式分类

按调制方式可分为频移键控Modem、相移键控Modem和相位幅度调制Modem。后者是为

了尽量提高传输速率又不提高调制速率，于是采用相位调制与幅度调制相结合的方法，使一

次调制能产生更多不同的相位和幅度，从而提高传输速率。这种Modem价格较贵。

教学小结

本节是本章的一个难点，学生在学习过程中要注意对原理的正确理解，在

学习指导

理解原理的基础上掌握调制解调器的常见分类。

参阅教材教材第2章第3节

运用/http:〃/http:〃/

网络资源

等搜索引擎，以调制、解调、模拟数据等为关键字进行搜索.

作业习题2.11,2.12题

教学后记

教学对象教学时间年月日

第2章数据通信

教学内容

2.4数字传输

教学目的通过本节内容的学习，掌握数字传输原理。

教学重点脉码调制过程；常用的数字信号编码。

教学难点脉码调制的基本原理。

建议学时1学时教学教具多媒体教学系统

教学方法讲授（PPT）

演示设计2.4.1脉码调制

2.4.2数字数据信号编码

板书设计2.4.3字符编码

教学过程

提问：数字化为什么是信息社会发展的大趋势？

数字化是信息社会发展的大趋势，现在人们已越来越多使用各种数字

通信设备，如数字手机、数字照相机、数字彩电、数字摄像机等等，但是

模拟信号又怎么变成适合数字信道的信号呢？学生对脉码调制这个专业用

词缺乏感性认识。可以通过提问，促使学生思考，帮助他们理解。

课程导入

2.4数字传输

2.4.1脉码调制

将模拟信号变换为数字信号的常用方法是脉码调制PCM(PulseCodeModulation)o

PCM最初并不是为传送计算机数据用的，而是为了解决电话局之间中继线不够用的问题，希

望使用一条中继线不是只传送一路而是可以传送几十路的电话。由于历史上的原因，PCM有

两个互不兼容的国际标准，即北美的24路PCM(简称为T1)和欧洲的30路PCM(简称为El)„

我国采用的是E1标准。T1的速率是1.544Mbps,El的速率是2.048Mbps。下面结合PCM的取

样、量化和编码三个步骤，说明这些速率是如何得出的。

为了将模拟电话信号转变为数字信号，必须对电话信号进行取样。即每隔一定的时间间

隔，取模拟信号的当前值作为样本。该样本代表了模拟信号在某•时刻的瞬时值。•系列连

续的样本可用来代表模拟信号在某一区间随时间变化的值。取样的频率可根据奈氏取样定理

确定。奈氏取样定理表述为，只要取样频率大于模拟信号最高频率的2倍，则可以用得到的

样本空间恢复原来的模拟信号。即

力=32/2max

其中f1为取样频率,T,为取样周期，即两次取样之间的间隔,Rmax为信号的最高频率。

标准电话信号的最高频率为3.4KHz,为方便起见，取样频率就定为8KHz,相当于取样周期为

125Hs(l/8000s)„图2.13表示了上述概念。

图2.13PCM的基本原理

(a)模拟电话信号(b)取样后的脉冲信号(c)编码后的数字信号

(d)解码后的脉冲信号(e)恢复后的模拟电话信号

这样，一个话路的模拟电话信号，经模数变换后，就变成每秒8000个脉冲信号，每个

脉冲信号再编为8位二进制码元。因此•个话路的PCM信号速率为64Kbps。

为有效利用传输线路，通常总是将多个话路的PCM信号用时分多路复用(见下一节)

的方法装成帧(即时分复用帧)，然后再往线路上一帧接一帧地传输。图2.14说明了E1的

时分复用帧的构成。

CHOCHO

El的一个时分复用帧(其长度T=125RS)共分为32个相等的时间间隙(简称时隙)，

时隙的编号为CHO〜CH31。时隙CH0用作帧同步，时隙CH16用来传送信令(如用户的拨

号信令)。可供用户使用的话路是时隙CH1-CH15和CH17-CH31,共30个时隙用作30

个话路。每个时隙传送8bits。因此，整个32个时隙共传送256bits,即一个帧的信息量。每

秒传送8000个帧，故PCM一次群E1的数据率即为2.048Mbps,图2.14中，在2.048Mbps

传输线路两端的同步旋转开关，表示32个时隙中比特的发送和接收必须和时隙的编号相对

应，不能弄乱。

北美使用的T1系统共24个话路。每个话路的取样脉冲用7bits编码，然后再加上1位

信令码元，因此一个话路也是占用8bits。帧同步是在24路的编码之后加上Ibits,这样每帧

共193bito因此T1一次群的数据率为1.544Mbps。

当需要有更高的数据率时，可以采用复用的方法。例如，4个一次群就可以构成一个二

次群。当然，一个二次群的数据率要比4个一次群的数据率总和还要多一些，因为复用后还

需要一些同步的码元。表2-1所示给出了欧洲和北美系统的高次群的话路数和数据率。日本

的一次群用T1,但自己另有一套高次群的标准。

表2-1数字传输系统高次群的话路数和数据率

系统类型一次群二次群三次群四次群五次群

符号E1E2E3E4E5

欧洲体制话路数3012048019207680

数据率速(Mbps)2.0488.48833368139.264565.148

符号T1T2T3T4

北美体制话路数24966724032

数据率速(Mbps)1.5446.31243.736273.176

2.4.2数字数据信号编码

1.不归零编码

不归零编码(NRZ,Non-ReturntoZero)如图2.15(a)所示。NRZ码规定用负电平表

示“0”,用正电平表示“1”，亦可有其他表示方法。如果接收端无法确定每个比特从什么时候

开始，什么时候结束，则还是不能从高低电平的矩形波中读出正确的比特串。

2.曼氏编码

曼氏编码(Manchester)自带同步信号，如图2.15(b)所示。在曼氏编码中每个比特

持续时间分为两半。在发送比特"0”时，前一半时间为高电平，后一半时间为低电平；在发

送比特“1”时则相反。或者也可在发送比特0时，前一半时间电平为低，后一半时间电平为

高；在发送比特1时则相反。

3.差分曼氏编码

差分曼氏编码(DifferenceManchester)是对曼氏编码的改进。它与曼氏编码的不同之

处主要是：每比特的中间跳变仅做同步用；每比特的值根据其开始边界是否发生跳变决定，

每比特开始除出现电平跳变表示二进制“0”，不发生跳变表示二进制T”，如图2.15(c)所

2.4.3字符编码

数字传输时，在信道上传送的数据都是以二进制位的形式出现的，如何组合“0”与“1”

这两种码元，使之代表不同的字符或信息(数据信息和控制信息)，叫做字符编码。国际标

准化组织1967年推荐了一个7单位编码(每个字符由七位二进制码元组成，另外附加一位

奇偶校验位)，即国际标准IS0646,为世界各国广泛采用。我国1981年由国家标准总局公布

了信息处理交换用7单位编码，与IS0646的7单位编码一致，国标代号GB1988-80,其字符

集标准见表2-2,该字符集与美国ASCII字符集基本一致。

表2-2部颁7位编码字符集标准

b700001111

b600110011

b501010101

b4b3b2bl行列01234567

00000NUL空白DLE数据链转义间隔0@P、P

00011SOH标题开始DC1设备控制111AQaq

00102STX正文开始DC2设备控制22BRbr

00113ETX正文结束DC3设备控制33CScs

01004EOT传输结束DC4设备控制4$4DTdt

01015ENQ询问NAK否认%5EUeu

-

01106ACK承认SYN同步6FVfV

01117BEL告警ETB组传输结束7GWgw

10008BS退格CAN作废(8HXhX

10019I1T横向制表EM媒体结束)9IYiy

101010LF换行SUB取代*JZjz

101111VT纵向制表ESC转义+：K[k一

110012FF换页FS文卷分隔»<LV11

110113CR回车GS群分隔-=M]m—

111014SO移出RS记录分隔*>Ntn-

mi15SI移入US单元分隔/?0-0抹掉

教学小结

本节理论性较强，学生在学习过程中，首先要注意思路的正确把握，对为

学习指导什么要进行模拟信号向数字信号的转换要有正确的认识。其次，对脉码调

制的原理要正确的理解。

参阅教材教材第2章第4节

运用http:〃/http:〃/http:〃/

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等搜索引擎，以脉码调制、数字信号、字符编码等为关键字进行搜索。

作业习题2.13,2.14,2.15,2.16题

教学后记

教学对象教学时间年月日

第2章数据通信

教学内容