《数字通信原理》课件 项目七-仿真数据通信系统

数字通信原理01项目1：认识通信系统02项目2：认识通信信号CONTENTS03项目3：认知数字基带传输04项目4：理解调制解调05项目5：揭秘编码06项目6：认知定时与同步07项目7：仿真数据通信系统08项目8：仿真移动通信系统09项目9：探索通信新技术项目7仿真数据通信系统仿真数据通信系统项目7项目描述结合数据通信系统的网络结构、组成原理，剖析数据通信的信源编码、信道编码技术，进一步理解数据通信的调制解调技术，配合同步技术，建立数据通信仿真系统。项目分析本项目中涉及的编码、调制、解调技术是在传统原理基础知识的升级，需要具有持续的学习能力和理论联系实际的职业素养。仿真数据通信系统项目7学习目标在已有通信原理知识的基础上，结合数据通信系统的实际，完成从数据通信系统理论到实践仿真的设计与实施。课程思政结合数据通信技术发展和物联网、大数据等新一代通信技术的研究，认识我国互联网产业发展的必要性，通过大物云智移等技术的发展，激发学生的民族自尊心和自豪感。认知数据通信系统任务7.1任务目标画出数据通信系统的信号处理过程。任务分析理解数据通信信号处理流程，分析从计算机到局域网、城域网到广域网的信号处理过程。从通信信号处理角度来看，数据通信系统可抽象为相应模型。

7.1.1数据通信网数据通信网络结构一般分为骨干网、城域网和接入网。骨干网由骨干节点组成。城域网由核心节点、汇聚节点和业务控制节点组成。接入网由接入节点组成。7.1.2数据通信系统模型

从信号处理的角度，数据通信可抽象为相应模型，如图7-2所示1.信源

信源：信源的功能是把原始信息变换成原始电信号，例如计算机网络中的计算机、服务器、终端等

7.1.2数据通信系统模型2.信源编码信源编码的主要任务有两个：一是将信源送出的模拟信号数字化，即对连续信息进行模/数(A/D)转换，用一定的数字脉冲组合来表示信号的一定幅度。3.信道编码

信道编码主要解决数据通信的可靠性问题，故又称作抗干扰编码或纠错编码。

7.1.2数据通信系统模型4.数字调制将数字基带信号调制到高频信号上的过程称为数字调制。5.同步同步系统是数字通信系统的重要组成部分。分析数据通信系统的信源编码任务7.2任务目标分析已经学过的通信系统PCM等信源编码技术，理解编码原理和应用场景。结合数据通信系统的发展研究数据通信系统信源编码的关键技术，利用仿真系统实现信源编码的仿真。任务分析数据通信系统中常用的编码技术有信源编码和信道编码。随着数据通信系统的发展，编码技术也在不断发展。编码技术的发展，有助于理解编码的演进与发展，进而深入理解数据通信的编码原理。不同类型的终端设备，会用到不同的信源编码技术。（1）计算机类数字终端：主要是信源压缩类编码。（2）电话机类模拟终端：主要采用PCM编码。

7.2.1信源编码简介霍夫曼编码（HuffmanCoding）是一种无压缩编码方式，是可变字长编码（VLC）的一种。霍夫曼编码是Huffman于1952年提出一种编码方法，该方法完全依据字符出现概率来构造异字头的平均长度最短的码字，因此也被称为最佳编码。

7.2.2霍夫曼编码假如有A、B、C、D、E五个字符，出现的频率（即权值）分别为5、4、3、2、1。(1)

第一步：先取两个最小权值作为左右子树构造一棵树，即取1、2构成树，其结点为1+2=3(2)把新生成的权值为3的结点放到剩下的集合中，这时候集合变成{5,4,3,3}，再根据第二步，取最小的两个权值构成第二棵树(3)第三步：把新生成的权值为6的结点放到剩下的集合中，所以集合变成{6,5,4}再依次建立霍夫曼树

霍夫曼编码思路将图7-5中各实线圈中权值替换对应的字符即为最终霍夫曼树图中各字符对应的编码分别为：A的编码是11，B的编码是10，C的编码是00，D的编码是011，E的编码是010

霍夫曼编码思路曼彻斯特编码通过电平的高低转换来表示“0”或“1”，每位中间的电平转换既表示了数据代码，也作为定时信号使用。曼彻斯特编码常常用在以太网中

。差分曼彻斯特码，又叫条件双相码（CDP码）。是改进型的曼彻斯特编码。

7.2.3曼彻斯特编码曼彻斯特编码通过电平的高低转换来表示“0”或“1”，每位中间的电平转换既表示了数据代码，也作为定时信号使用。曼彻斯特编码常常用在以太网中

。差分曼彻斯特码，又叫条件双相码（CDP码）。是改进型的曼彻斯特编码。

7.2.3曼彻斯特编码识别差分曼彻斯特编码的方法：主要看两个相邻的波形，如果后一个波形和前一个的波形相同，则后一个波形表示0，如果波形不同，则表示1。

7.2.3曼彻斯特编码曼彻斯特编码仿真模型如图7-8所示

7.2.4曼彻斯特编码仿真曼彻斯特编码仿真模型中各图符参数设置见表7-1

7.2.4曼彻斯特编码仿真曼彻斯特编码仿真中部分波形如图7-9所示

7.2.4曼彻斯特编码仿真理解数据通信系统的信道编码任务7.3任务目标分析学过的通信系统信道编码技术，理解信道编码原理和应用场景。结合计算机网络的发展研究数据通信系统信道编码的关键技术，利用仿真系统实现信道编码的仿真。任务分析随着计算机网络的不断发展，信道编码技术也在不断发展。了解信道编码技术的发展，有助于理解信道编码技术的演进过程，进而深入理解数据通信的信道编码原理。数据通信系统传输的比特流，在传输过程中不可避免会出现差错。差错分为位错（比特差错）和帧错，如图所示。

7.3.1数据通信系统的差错控制链路层为网络层提供服务时，如果是通信线路质量较好的有线传输链路，可以选择无确认、无连接服务；如果是通信线路较差的无线传输链路，可以选择有确认、无连接或有确认、面向连接的服务

7.3.1数据通信系统的差错控制在数据通信系统中，差错控制的主要方式有以下三种：1.检错重发ARQ：利用差错控制编码。2.前向纠错(ForwardErrorCorrection，FEC)：利用纠错编码。3.混合纠检错HFC

7.3.1数据通信系统的差错控制CRC校验码是利用除法及余数的原理来做错误侦测的。实际应用时，发送装置计算出CRC值并随数据一同发送给接收装置，接收装置对收到的数据重新计算CRC并与收到的CRC相比较，若两个CRC值不同，则说明信号出现错误。

7.3.2CRC-16编码BCH码是循环码的一个重要子类，是以三个发现者博斯(Bose)、查德胡里(Chaudhuri)和霍昆格姆(Hoequenghem)名字的开头字母命名的。它具有纠正多个错误的能力，BCH码有严密的代数理论，是目前研究最透彻的一类码型。

7.3.3BCH编码BCH码仿真

7.3.3BCH编码BCH码仿真参数设置

7.3.3BCH编码编码前后的波形如图7-19所示

7.3.3BCH编码探索数据通信系统的调制技术任务7.4任务目标理解数据通信系统中ADSLMODEM、光纤MODEM等调制解调原理。任务分析通过对不同数据通信系统调制技术实现原理的分析与仿真实践，理解调制技术的发展历程与不同调制技术的优缺点。在ADSL宽带技术中，由ADSLModem实现调制解调功能

7.4.1ADSLMODEMADSLModem在系统中的位置和作用如图7-21所示

7.4.1ADSLMODEMDMT调制技术采用频分复用的方法，把4kHz以上一直到1.1MHz的高端频谱划分为256个子信道，每个子信道占据4kHz带宽（严格讲是4.3125kHz），并使用不同的载波（即不同的音调）进行数字调制。

7.4.1ADSLMODEM所谓光猫，是泛指将光以太信号转换成其他协议信号的收发设备。猫的本质实际上就是把光以太信号变换成一种协议信号的收发设备。

7.4.2光纤MODEM

7.4.3ADSLMODE和光纤MODEM的对比解析数据通信系统的同步技术任务7.5任务目标理解数据通信系统中是如何实现同步的。任务分析同步技术使整个通信系统有序、可靠、准确的运行支撑，因此同步的性能好坏直接影响到整个通信系统的性能好坏。通过分析数据通信系统的同步原理，理解网络同步、节点同步、传输信道同步原理。在数据通信系统中，不管采用基带传输，还是频带传输，都需要位同步。位同步是数字通信中非常重要的一种同步技术。在数字通信中，信息流是用若干码元组成一个个“字”，又用若干个“字”组成“句”。在接收这些数字信息时，必须知道这些“字”、“句”的起止时刻，否则接收端无法正确恢复信息。

7.5.1数据通信系统中的同步（1）世界时世界时UT，可以简单理解为按照地球自转一周来计量24小时的时间标准，由于地球自转速率的变化，世界时的秒长会有微小的变化，每天的快慢可以达到千分之几秒。（2）TAI时间世界时不准，因此国际组织定义了TAI时间，即国际原子时（InternationalAtomicTime），其起点是1958年的开始（世界时UT），以铯原子钟走秒连续计时的时间。

7.5.1数据通信系统中的同步（3）UTC时间计算机网络普遍使用的UTC时间（协调世界时），由国际计量局BIPM综合全世界多个守时实验室的钟组计算得到。（4）北京时间北京时间也就是东八区时间，在UTC时间基础上加8小时

7.5.1数据通信系统中的同步（5）GPS时间由GPS系统通过卫星信号发播的原子时间，GPS时间用自1980年1月6日零点（UTC时间）起的星期数和该星期内内的秒数来表示。（6）北斗（BDS）时间由北斗卫星导航系统通过卫星信号发播的原子时间，同样，北斗接收机会根据闰秒数将北斗时间换算为我们通常使用的UTC时间。

7.5.1数据通信系统中的同步（7）频率时间的导数就是频率，机械发条、石英晶体振荡器、原子钟等各种时钟源通过产生频率信号，按照频率均匀打拍计数，模拟时间的等间隔流逝，就有了可见的“时间”。（8）频率准确度手表有准和不准的，反映的就是频率准不准，时钟频率和标准频率的偏差可以用频率准确度来衡量。1E-9量级表示1秒会差1ns（9）时间同步广义的“时间同步”包括的时间和频率的同步。

7.5.1数据通信系统中的同步实例一：NTP协议NTP（NetworkTimeProtocol）网络时间协议基于UDP诞生于1985年，用于网络时间同步的协议，使网络中的计算机时钟同步到UTC，再配合各个时区的偏移调整就能实现精准同步对时功能。

7.5.2数据通信系统同步实例实例二：PTP协议为克服NTP的各种缺点，PTP(PrecisionTimeProtocol，精确时间同步协议)应运而生，最新协议是IEEE1588v2，可实现亚微秒量级的时间同步精度。