数据通信与网络课件教材

数据通信与网络基础3数据通信概述

Overview数据转换为信号才能在信道上传输模拟数据和数字数据都可以编码成模拟信号或数字信号，编码方案取决于具体的要求和所用的传输媒体及通信设备。问题：在实际基带传输系统中，并非所有的原始数字基带信号都能在信道中传输，例如： ●含有丰富直流和低频成分的基带信号就不适宜在信道中传输，因为它有可能造成信号严重畸变； ●如果代码出现长时间的连“0”符号，不利于准确提取同步信息； ●易于形成码间干扰； ●抗噪声性能差，Ud不易设定。传输编码要求：信号中没有直流成分信号自带同步时钟以较少的带宽获得较高的数据率有抗干扰的能力有发现传输错误的能力实现要简单编码类型用数字信号传输数字类数据用模拟信号传输数字类数据用数字信号传输模拟类数据用模拟信号传输模拟类数据数字数据→数字信号

DigitalData,DigitalSignal数字信号离散的不连续的电压脉冲一个脉冲代表一个信号元素(码元)※二进制数据可直接编码成信号元素DigitaltoDigitalEncodingDigitalDataDigitalsignal术语Terms数据率

R：数据传输的速率（比特/秒）比特持续时间或长度

1/R发送方发送一个比特所需的时间比率r：每个信号元素承载的数据元素的数量（见P68图）调制速率(modulationrate)信号电平改变的速率以波特(baud)为单位=每秒信号元素数“传号”(mark)和“空号”

(space)分别是二进制数字1和0信号的解读

InterpretingSignals接收方必须知道：各个比特的定时方式——何时起始,何时结束每个比特信号电平的状态——是高或低这两项任务都是通过在每个比特间隔的中间位置采样来进行的影响信号成功解读的因素：数据率提高会增加误码率信噪比提高会降低误码率带宽增加可提高数据率亦可通过编码方案提高传输性能编码方案的评价指标

EvaluatingofEncodingSchemes(1)信号频谱(signalspectrum)没有高频分量,可减少传输所需的带宽没有直流分量,可通过变压器进行交流耦合,实现隔离减少干扰实际上,信道的传输性能通常在频带的两边较差。一个好的信号设计应将传输功率集中在带宽中部,以减小失真。时钟同步

(clocking)测定每一个比特起始和结束位置（同步）并非易事。一种相当昂贵的方案是在发送和接收设备间增设一条外部时钟线另一种方案是提供某些基于所传送信号的同步机制。这一点可以通过合适的编码技术来实现。编码方案的评价指标

EvaluatingofEncodingSchemes(2)差错检测

(errordetection)可在具体的信号编码中方案加入部分差错检测功能以提高检错速度信号干扰和抗噪声度有些编码在噪声存在的状态下仍具有优秀的性能费用和复杂性数据速率一定时,信号速率超高,成本越高有些编码要求信号速率高于实际的数据速率编码方案

EncodingSchemesNonreturntoZero-Level(NRZ-L)NonreturntoZeroInverted(NRZI)ManchesterDifferentialManchesterBipolar-AMIPseudoternaryB8ZSHDB3…数字信号的编码格式（1）单极性非归零波形(NRZ)特点：①

有直流分量和低频分量。在有些信道中不易传输。②

波形之间无间隔，易产生码间干扰。③

不能直接提取同步信息。④

抗噪性能差：判决门限不能稳定在最佳电平。⑤

需信道一端接地。单极性：基带信号的“0，正”电平分别与二进制符号“0，1”一一对应。单极性编码只使用一个电压值。非归零：τ＝Ts设：消息代码由二进制符号0、1组成，则单极性编码存在的问题

ProblemsforUnipolarEncoding两个问题使得单极性编码在信号传输应用中使用不多:直流分量（DCComponent）信号的平均振幅不是零。不能由没有处理直流分量能力的媒体传输，如微波或变压器。主要用于光纤传输。同步（Synchronization）在一个码元时间内，不是有电压(或电流),就是无电压(或电流)，电脉冲之间没有间隔，不易区分识别。所以接收方不能正确识别每一个比特何时开始、何时结束(原始数据中出现连续的1或0时）。同步：问题在哪里?到底有几个”1”（用高电平表示）?当一台设备发送一个比特的数字信号时，它将在一定的周期内（假定为T）产生一个持续的信号。一个内置的时钟负责定时。接收设备必须知道信号的周期，这样它才能在每个T时间单元内对信号进行采样。它也有一个负责定时的内置时钟。剩下的就是确保收发两端的两个时钟使用同样的T。但两个时钟能完全一致么？

原因：收发双方脉冲时钟不可能精确一致答案是否定的。原因在于：任何物理设备都存在着设计上的局限性和缺陷。几乎可以肯定任何两个时钟都存在着微小的差别，这使得设备无法对传输信号作十分精确的采样。就象指挥家确保演奏者的同步一样，通信设备也需要某种机制以使它们的定时保持一致。不变的信号不具备同步机制。但如果信号改变的话，这种改变就可以用来保持设备的同步。有些强制信号改变的编码方案就是基于这个原因。

传输不同步：换一种方式理解用户A用户B我发了几个大箱几个小箱?四个大箱四箱小箱

问题在于：

连续多个相同数据的采样节奏用户A用户B我发了几个大箱几个小箱?？？大概是……极性编码

TypesofPolarEncoding极性码不归零型归零型双相位型

不归零电平编码不归零反相编码曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码采用两个电压值编码：一个正电压，一个负电压。不归零编码

NonreturntoZero(NRZ)不归零电平编码（NRZ-L）负电平用于表示一个二进制值，正电平用于表示另一个二进制值由比特值决定信号的电平。

不归零反相编码（NRZI）

用一个比特间隔开始时是否出现电平跳变表示1或0。属于差分编码，可靠性更好比特值决定正负电压之间是否跳变，而非决定电平正负。不归零码：问题及应用

Problems&ApplicationsforNRZ对工程师而言，实施容易。能充分利用带宽。仍含有一定的直流分量，且缺乏同步能力。因其简单性和较低的频率响应特性，常用于终端设备、接口和数字磁记录。信号传输中则不常单独用之。※应用实例：连接优盘的USB串行接口通常使用NRZI作为信号的编码。为了解决一长串连续比特0引起的同步问题，采用了所谓“位填充技术”。即在连续传输6个比特0的情况下强行插入一个比特1。归零编码

RZEncoding归零编码使用两组电平值：正-零，负-零信号变化不是发生在比特之间而是发生在每个比特内。在每个比特间隙的中段，信号将归零。比特“1”实际上是用正电平跳变到零表示，比特“0”则用负电平跳变到零表示，而不是仅仅通过电平的正负来表示。在每个比特内产生信号变化可以解决同步问题。但这种编码方案中每比特需要两次信号变化，从而占用了更多的带宽。归零码：在40G传输技术中的应用目前，绝大多数的信号均采用了非归零码（NRZ）的编码方式，这种方式可以降低信号的谱宽，但由于占空比较大，前后脉冲的间隔较小，较容易发生重叠，造成码间串扰。而归零码（RZ）的占空比通常只有普通非归零码的34％～67％，拉开了相邻脉冲的间隔，在信号平均能量不变的基础上，大大提高了峰值功率，为接收端提供了更高的光信噪比，同时也提高了对光纤中极化模色散造成的时延的抵抗能力。朗讯科技公司在其最新的40G远距离传输技术采用了一种称为载波抑制的归零码调制技术(CSRZ)，该技术可以最大程度地减小编码造成的频谱展宽，同时保留了归零码所拥有的一切优点。资料来源

/news/content/73/20050316094321.htm双相位编码BiphaseEncoding解决同步问题的最佳方案信号在比特间隔中发生改变但并不归零现代网络中常用的双相位编码方式:曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码曼彻斯特编码

ManchesterEncoding每个比特间隔的中间位置处都存在一个跳变。这种中间处的跳变既含有时钟信息，也含有数据信息：从低到高的跳变代表1，从高到低的跳变代表0(注意有些系统也可能相反)。差分曼彻斯特编码

DifferentialManchesterEncoding比特间隔中间位置处的跳变仅含有时钟信息。在比特间隔开始处如果出现跳变表示0，如果没有跳变表示1。下一个位是1：无反向；下一个位是0：反向同步问题回头看用户A用户B我发了几个大箱几个小箱?？？大概是……

曼彻斯特编码如何解决收发同步问题?用户A用户B我发了几个大箱几个小箱?哈哈,我知道了!双相位编码的应用

ApplicationsofBiphaseCodes数据传输中的常用技术曼彻斯特编码是IEEE802.3（以太局域网）标准规定的编码（使用同轴电缆和双绞线）。差分曼彻斯特编码是IEEE802.5（令牌局域网）标准规定的编码（使用屏蔽双绞线）。双相位编码的优缺点

BiphaseProsandCons缺点每个比特时间内至少出现一次跳变，可能出现两次最大调制率是NRZ的两倍需要更大的带宽（高速低效）优点通过比特中间跳变实现同步(自定时)无直流分量差错检测如果发现预期的跳变未出现双极性编码

TypesofBipolarEncoding双极性编码信号交替反转码双极性8零替换编码高密度双极性3零编码使用两个以上的电平值进行编码双极性交替信号反转码（AMI）

BipolarAMIEncoding伪三进码

Pseudoternary用零值电平代表二进制数1用正负交替变换的电平代表二进制数0可以说是双极性AMI编码的另一种形式多电平方案m个数据元素组可以产生2m数据模式组合。不同信号元素可用不同电平表示2B1Q：两位数据模式编码成一个4电平信号元素2B1Q用于DSL技术，通过使用用户电话提高高速因特网连接8B6T（自行阅读）编码方案：把8位模式编码成6个信号元素模式，每个信号有3个电平平均速率4D-PAM5（自行阅读）多线路传输编码规则：如果下一个位是0，无跳变如果下一个位是1且当前电平不是0，下一个电平是0如果下一个位是1且当前电平是0，下一个电平是最后一个非零电平的相反值应用：100base-T作业：为什么要用MLT-3编码方式多电平二进制的不足

TradeOffforMultilevelBinary编码效率不如NRZ线路信号电平值有三个，但每个信号元素本来可以表示log23=1.58个比特的信息，在此只能表示一个比特的信息接收器必须区分三个电平状态(+A,-A,0)而不是区分两个电平状态差错率相同的情况下，需要增加约3分贝的额外信号功率（换言之，信噪比一定时NRZ的差错率比多电平二进制低得多）。未能完全解决同步问题双极性AMI连续长串0时，伪三进码连续长串1时块编码描述

SubstitutioninBlockCoding块编码表示：mB/nB三个步骤：分组、置换、组合特点当n>m时，这一变化就增加了许多冗余码，对于前面的多种编码方法，加上块编码可以弥补它们的不足，提高性能。4B/5B编码原理

SubstitutioninBlockCoding4B/5B原理从25=32个可能的编码中取出24=16个来表示0～F，使每组编码中0的个数不超过3个，1的个数不少于2个。4B/5B编码严格上来说只是一种数据编码而不是信号编码，即不是把一定数量（4bit）0或1编程另外一种数量，但也是为了避免直流分量，并能增加控制信息参见P4124B/5B编码技术（4B/5BEncoding）曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码每个比特需要多达两次信号状态跳变——10Mbps的数据率将使线路上信号状态每秒变化20M次(20M波特)，编码效率只有50%（常用于10Mbps的LAN中）。4B/5B编码以4个比特为一组进行编码，编码位数为5个，所以又称为“块编码”（‘Blockcoding）。其编码效率达80%（100Mbps→125M波特）。4B/5B编码确保无论4比特符号为何种组合(包括全“0”)，其对应的5比特编码中至少有2位“1”，从而保证所传输的这组信号中至少发生两次跳变，以利于接收端的时钟提取。为了得到信号同步，可以采用二级编码的方法。即先按4B/5B编码，然后再利用NRZ-I编码。4B/5B编码用于百兆位以太网和FDDI网等。此外，还有可用于千兆位以太网的8B/10B（在多模光纤上支持高达149.76Mbps速率）等编码技术。块编码与NRZ-I结合可以克服NRZ-I的缺陷，解决同步问题；但是增加了NRZ-I的信号速率。冗余位增加了20%的波特，结果仍然小于两相方案，并且无法解决DC成分问题扰码技术Scrambling扰码技术的原理：将可能产生恒定电平的比特序列用足够多的跳变替换掉，以满足同步的要求（高速高效）填入的比特序列应产生足够的跳变以保证同步应能被接收方识别并能被自动替换成原始的比特序列与原始的比特序列等长优点无直流分量无长时间的零电平状态不降低数据率可提供差错检测功能典型方案：B8ZS、HDB3B8ZS

双极性8零替换编码基于双极性AMI（北美方式）编码规则－与前导比特极性有关如果出现连续八个0，且其前导比特1是正电平，则八个0比特被编码为：000+-

0-

+如果出现连续八个0，且其前导比特1是负电平，则八个0比特被编码为：000-

+0+

-其中有两个码元违背了AMI编码规则（所谓“扰乱”），亦不可能是由噪声产生。接收方检测到这一组编码后，会将其还原为连续八个0的比特序列。“双极性8零替换”编码示意图

B8ZSEncodingHDB3

高密度双极性3零编码亦基于双极性编码（欧洲和日本方式）遇到连续四个0比特时就在编码中用含有一个或两个正负电平的脉冲来制造“扰乱”，以便同步。遇到连续四个0比特即“扰乱”，而不是连续八个0比特，故曰“高密度”。编码规则：根据前导比特1的极性和自上一次替换后传输的比特1的数目，按四种方式相应改变编码。“高密度双极性3零”编码示意图

HDB3Encoding

AMI、B8ZS和HDB3编码比较B-合乎AMI编码规则V-不合AMI编码规则多电平二进制编码的应用实例ISDN接口192kbps的“基本速率”接口，使用伪三进码。1.544Mbps的“基群速率”接口，使用B8ZS的AMI编码。2.048Mbps的“基群速率”接口，使用HDB3的AMI编码。小结：“数字→数字”编码方案4.1用数字信号传输数字类数据4.2用模拟信号传输数字类数据4.3用数字信号传输模拟类数据4.4用模拟信号传输模拟类数据调制技术示意图

ModulationTechniques改变载波信号的振幅改变载波信号的频率改变载波信号的相位幅移键控ASK描述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。幅移键控编码

AmplitudeShiftKeying二进制的两个数分别由载波信号两种不同的振幅值表示。通常，其中一个振幅值为零，以降低传输信息所需的能量。所生成的调制信号：式中，载波信号是Acos(2πfct)。噪声通常只影响振幅。所以ASK是受噪声影响最大的调制技术。在语音线路上ASK通常仅用于数据率不高于1200bps的情况。更多地用于通过光纤传输数字数据（有无光脉冲）。调幅信号的带宽：B=(1+d)×S（0<d≦1,取决于调制和过滤处理）幅移键控编码

AmplitudeShiftKeying二进制1二进制0频移键控编码

FrequencyShiftKeying二进制的两个数分别由邻近载波频率的两个频率表示。

式中，

f1

和

f2

通常是载波频率fc

的两个偏移值，其绝对值相等，偏移方向相反。抗干扰性能优于ASK（噪声对其影响小）。典型数据率为1200bps左右（语音线路）。亦常用于高频

(3to30MHz)无线传输。使用同轴电缆的局域网中，甚至可用于更高的频率。带宽BFSK=(1+d)×S

+|f2-f1|二进制1二进制0频移键控编码示意图

FSKEncoding相移键控编码

PhaseShiftKeying通过载波相位的变换表示数据抗干扰性能优于ASK（噪声对其影响小）。用两个相位代表两个二进制数：双值相移键控

(BPSK)及其“星座图”(Constellation)二进制1二进制0二相位PSK编码示意图

B-PSKEncoding4–PSK(QPSK)我们还可以采用四种信号相位变化方式，让每一种变化代表两个比特(4-PSK)。此时我们可以用两倍于2-PSK的速率传输数据。四相位PSK编码示意图

4–PSKEncoding8-PSK

八相位PSK4-PSK的想法可进一步扩展到8相位。此时每次对相位只变化45°,而不是90°。通过使用八个不同相位,每相移一次可以代表三个比特。所以8-PSK的传输速率比2-PSK快三倍。性能问题

Performance带宽ASK带宽与数据率R成正比。PSK带宽亦与数据率R成正比。FSK的带宽与低频数据率R直接相关，但如果频率很高，则主要取决于调制频率相对于载波频率的偏移量ΔF。在存在噪声干扰的情况下，DPSK和QPSK的比特差错率要比ASK和FSK优3dB。正交调幅编码

QuadratureAmplitudeModulation(QAM)一种常用于ADSL（非对称数字用户线路）和无线通信的模拟信号传输技术。调幅(ASK)和调相(PSK)技术的综合(同时改变正弦波三个特性中的振幅和相位)。理论上可以有无数的状态组合。※8-QAM编码示意图

8-QAMEncoding16-QAMConstellations

三种常见的16-QAM编码星座图QAM调制器：实例图

QAMModulator4.1用数字信号传输数字类数据4.2用模拟信号传输数字类数据4.3用数字信号传输模拟类数据DigitalData,AnalogSignal4.4用模拟信号传输模拟类数据AnalogData,AnalogSignal模拟数据→数字信号

AnalogData,DigitalSignal数字化(Digitization)把模拟数据转换为数字数据，再通过NRZ-L或其他技术转换为数字信号进行传输。AnalogtoDigitalEncoding※Codec-编码解码器模拟数据数字化

DigitizingAnalogData主要问题如何在不损失信号质量的前提下，将信息（数据）从无穷多的连续值转换为有限个离散值。主要方法：PCM（脉冲编码调制）采样（脉幅调制，PAM）→量化→二进制编码脉冲振幅调制

PulseAmplitudeModulation(PAM)模拟-数字编码的第一步是所谓“PAM”（脉幅调制），即对模拟信号进行采样，然后生成一连串基于采样结果的脉冲。思考：采样时间是越短越好还是越长越好？采样:奈奎斯特定理

Sampling:NyquistTheorem如果以一定时间间隔对某个信号f(t)进行采样，并且采样频率高于该信号最高频率的两倍，则采样值包含了原信号的全部信息。通过使用低通过滤器，可以由这些采样值重新构成信号f(t)

。说明：1、只有信号带宽是有限时，才对其进行采样2、采样率是最该频率而不是带宽的两倍量化Quantization脉冲振幅调制信号的量化二进制编码

BinaryEncoding思考：1、量化位数越多越好？还是越少越好？2、两个指标：量化等级？量化误差？“数字-数字”编码

DigitaltoDigitalEncoding使用各种“数字-数字”编码技术将二进制数字转换为数字信号进行传送。脉冲编码调制:模拟数据数字化

PCM:Fromanalogtodigitalsignal从模拟信号到PCM

FromAnalogtoPCM脉幅调制(PAM)→量化→二进制编码→“数字-数字”编码小结：模拟信号在数字信道上传输

要先进行脉冲编码调制(PCM,PulseCodeModulation):◆采样：按信号最高频率fmax的两倍频率取样可精确还原（NyquistTheorem，奈奎斯特定理）◆量化：将取样获得的脉冲信号在振幅上进行数值分级（我国标准中量化分为256个等级）◆编码：将量化后的数值转换为对应的二进制编码然后再用“数字→数字”编码技术进行二次编码。非线性编码

NonlinearEncoding用于优化PCM编码方案。量化值间距相等带来的问题是：不论信号电平大小如何，每个采样值的绝对误差都相同。结果是振幅值较低的时候失真就更大一些。解决方法:量化值不要均匀分度——在振幅较低时设置的量化级数更多一些。由此可降低信号的整体失真，大大提高脉码调制的信噪比。非线性编码的效果

EffectofNonlinearCodingP120图5.18增量调制(△调制)

（自行阅读）DeltaModulation将输入的模拟信号用一个阶梯函数来近似。在每个采样周期上升或下降一个步长值(

)。通过近似一个模拟信号的导数而不是它的振幅，产生一个比特流。如果阶梯函数将在下一个周期上升，那么就生成比特1，相反则生成比特0。与PCM相比，DM的主要优势在于实现比较简单。通常，在数据率相同的情况下，PCM具有更好的信噪比。增量调制举例

ExampleofDeltaModulation4.1用数字信号传输数字类数据4.2用模拟信号传输数字类数据4.3用数字信号传输模拟类数据4.4用模拟信号传输模拟类数据（自行阅读）AnalogData,AnalogSignal模拟数据→模拟信号

AnalogData,AnalogSignals调制：将输入信号m(t)与频率为fc

的载波信号合并的过程。调制后产生的信号s(t)的带宽以fc为中心。

模拟信号进行模拟调制的必要高频可以获得更高的传输效率可使用“频分复用技术”调制方式振幅频率

相位AnalogtoAnalogEncodingAnalogModulation

模拟调制本章作业1.简述信号速率和数据速率的区别2.

LAN常用的编码方案是什么？为什么说它的带宽利用率只有50%？3.模拟信号在数字信道上传输时，要进行何种调制？要经过哪些处理步骤？为什么一条8位编码的语音线路PCM信号速率是64Kbps。4.画出数据流01010101的NRZ-I、曼彻斯特、差分曼彻斯特、MLT-3方案的图5.教材P90-91，第2、27、28、31题6.发送数据信号序列为11010010，分别画出2ASK、2FSK、2PSK、QPSK、4-QAM的波形图7.教材P103第11题（a）、第12题（d）——双号教材P103第11题（d）、第12题（a）——单号8.教材P103第14题（c）、第15题（c）——单号教材P103第14题（d）、第12题（a）——双号9.P104第18题

TheEnd信号传输的基本方法基带传输基带：未经调制变换的信号所占的频带基带信号：一般基带数字信号的频谱是从零开始直到一定频率。这种高限频率与低限频率之比远大于1的信号称为“基带信号”。基带传输：不搬移基带信号频谱的传输方式不使用载波频带传输在发送端通过调制使基带信号频谱搬移到适合信道的载波频带，并在接收端通过解调恢复基带信号频谱的传输方式通过载波进行载波：频率的选取与使用的传输媒体相兼容调制的定义：将输入信号m(t)与频率为fc的载波信号合并的过程。调制