通信网络与综合布线 第2版 课件 2-2数字通信基础

通信(数字）技术基础陈红2023年09月二、数字通信基础1、数字通信技术2、通信系统的性能指标3、通信网概念4、数字交换技术本节内容与要求通信技术基础——主要介绍数据通信的概念、调制解调技术、传输编码、传输方式、差错控制、传输控制协议、多路复用、数据交换、虚电路概念等。要求——本节内容是计算机网络通信的基础，能够理解网络通讯的基本原理。1、数字通信技术数字通信——在数字信道上实现模拟信息或数字信息的传输模拟通信——在模拟信道上实现模拟信息或数字信息的传输返回数字通信系统信源编码调制器信道解调器信道解码噪声源信源信宿信道编码信源解码差错控制数字通信的优点返回抗噪声（干扰）能力强可以控制差错，提高了传输质量便于用计算机进行处理易于加密、保密性强可以传输语音、数据、影像，通用、灵活计算机通信仅在不得已的情况下，才会采用模拟通信，如通过电话线拨号上网。（1）信源编码信源编码——将信息（如文字、符号、数据）或信号（语音、图像）接一定的规则进行数字化的过程。对于本身具有离散的特点的信息，如文字、符号等可以用一组一定长度的二进制代码来表示，称其为信息码。对于连续信号如话音、图像等，其数字编码与解码过程，实际上就是模数转换（A/D）和数模转换（D/A）返回(a)ASCII码—文字、符号数字化A1000001Q1010001g1100111w1110111“0100010B1000010R1010010h1101000x1111000#0100011C1000011S1010011i1101001y1111001$0100100D1000100T1010100j1101010z1111010%0100101E1000101U1010101k110101100110000&0100110F1000110V1010110l110110010110001‘0100111G1000111W1010111m110110120110010(0101000H1001000X1011000n110111030110011)0101001I1001001Y1011001o110111140110100*0101010J1001010Z1011010p111000050110101+0101011K1001011a1100001q111000160110110,0101100L1001100b1100010r111001070110111.0101101M1001101c1100011s111001180111000-0101110N1001110d1100100t111010090111001/0101111O1001111e1100101u1110101sp0100000

P1010000f1100110v1110110!0100001

返回(b)PCM—话音信号数字化

语音信号011100011011001100

PCM输出343314011100011011001100

PCM脉冲（有量化误差）3.23.92.83.41.24.2

PAM脉冲返回模拟话音f<4kHz采样时钟PCM信号采样电路量化和编码数字化声音fs=8kHz话音信道带宽<4kHz(防混叠低通滤波器限带)采样时钟频率f：8kHz(>2倍话音最大频率)

（此时采样周期T=1/f=1/8000=125x10-6s=125us）量化级数：256级(每个抽样值用8位二进制码表示)数据率：（8x103次/s）*8bit=64x103bit/s每路PCM信号的速率=64kbit/sPCM信号速率64kbit/s返回*采样定理语音信号要在数字线路上传输，必须将语音信号转换成数字信号。这需要经过三个步骤：采样：按一定间隔对语音信号进行采样量化：对每个样本舍入到量化级别上编码：对每个舍入后的样本进行编码编码后的信号称为PCM信号(脉冲编码调制,PulseCodedModulation)如果模拟信号的最高频率为f，若以2f的采样频率对其采样，则采样得到的离散信号序列就能完整地恢复出原始信号。返回复用后的数据流时隙号1231D3D2D1时间片12时间片2D1时隙D2A2A1A3原始信号D2D1D3数字化信号MUX复用器同步时分复用-TDM原理——把时间分割成小的时间片（帧），每个时间片分为若干个时隙，每路数据占用一个时隙进行传输。由于每路数据总是使用每个时间片的固定时隙，所以这种时分复用也称为同步时分复用（Synchronous—TDM)

返回TDM典型例子（PCM信号的帧传输）PCM信号的传输把多个话路的PCM话音数据用TDM的方法装成帧(帧中还 包括了帧同步信息和信令信息)每帧在一个时间片内发送每个时隙承载一路PCM信号帧(Frame)——数据链路中的传输单位，包含数据和控制信 息的数据块。返回E1-帧格式（PCM信号的传输）0121631时间片125ms=32时隙=2.048Mbps帧同步信令30路话音数据(PCM数据)+2路控制用户话路用户话路E1——线路也可以用于计算机通信每125us为一个时间片，每时间片分为32个通道。通道0用于同步，通道16用于信令，其他30个通道用于传输30个PCM话音数据。E1速率=(32x8bit)/125us=2.048Mb/s返回*E1/T1制式主要技术参数G.711建议对PCM基群规定的主要技术参数如下表参数30/32路制式-E124路制式-T1话音频率（kHz）300～3400300～3400抽样率（kHz）88编码位数88量化层次256256压缩律A律（A=87.6）μ律（μ=255）单路编码率（kbit/s）6464帧长（μs）125125时隙（帧）3224话路（帧）3024复用码流速（kbit/s）20481544返回*PCM信号传输—E1/T1制式T1-标准(北美、日本)——24时隙的帧结构E1-标准(欧洲、中国、南美)——30／32时隙的帧结构E1(一次群)标准对E1进一步复用，还可构成E2、E3、E4和E5。E5可承载7680个话路，数据率约为565Mbit/sSONET同步光网络和SDH同步数字系列(ITU-T标准)。 常用的线路速率近似为155Mbit/s，622Mbit/s， 2.5Gbit/s和10Gbit/s。——新的TDM标准返回体系结构：PDHSDH*常用数字信号传输速率与码型应用系统典型速率采用码型PCM基群T11.544Mbit/sAMIE12.048Mbit/sHDB3PCM二次基群T26.312Mbit/sB6ZS/AMIE28.448Mbit/sHDB3PCM三次基群T3(日)32.064Mbit/sAMIT3(美)44.736Mbit/sB3ZSE334.368Mbit/sHDB3PCM四次群E4139.264Mbit/sCMI同步数字系列（SDH）STM-1155.520Mbit/sCMI局域网（LAN）以太网10Mbit/sManchester令牌环网4.16Mbit/s差分Manchester光纤分布式数据接口FDDI100Mbit/s4B5BISDN基本速率接口（BRI）S接口192Mbit/sAMIU接口160Mbit/s2B1Q数字数据网G.7032.048Mbit/sHDB3V.3564kbit/s

N(2B1Q)返回体系结构：PDHSDHABCD待发数据t1t2t3A1B1C1D1C2D2A2B2时间片1时间片2同步TDM带宽浪费A1B1B2时间片1时间片2统计TDM可用带宽C2*异步(Asynchronous)—TDM返回TDM的缺点：某用户无数据发送，其他用户也不能占用该时隙，将会造成带宽浪费。改进：用户不固定占用某个时隙，有空时隙就将数据放入。*ATM信元头部有效载荷5Byte

48Byte信元返回ATM是一种高速分组交换技术，采用了以信元(Cell)为单位的存储转发方式，故又称为信元交换。信元由5字节的信元头部和48字节的有效载荷构成ATM将话音、数据和图像等数据分解成长度固定的数据块，并在各数据块前加上地址、优先级等控制信息构成信元。信元流123456数据块在ATM网络中，空信元以一定的速率出现，发送站只要获得空信元即可把信息插入到信元中发送。因信息插入位置无周期性，故称这种传送方式为异步传输模式。实际上就是统计时分复用。ATM特点：面向连接(虚连接)，按序递交；固定大小的信元，便于高速处理(可用硬件实现)，传输速率155-622Mbps；可以实时地传送语音和活动图像。*异步传输模式ATM返回（c）图像与视频信号数字化图像或视频信号的频带较宽、数据量较大（如一幅分辨率为1024

1024的真彩色图像，其数据量约为25Mbit），经数字化后的速率很高，通常超过100Mbit/s，其中HDTV高达746Mbit／s，不压缩传送占用的信道容量相当大，必须采用高效的压缩编码技术才能解决数字图像和视频信号的有效传输问题。目前用于图像压缩的方法主要有：无损编码和有损编码。无损编码利用信号的统计特性进行数据压缩，所以又称为熵编码。有损编码利用人的视觉特性进行数据压缩，可使得解压缩后的图像看起来逼近于原图像信号，但无法完全无失真地恢复它。常用国际标准：JBIG标准、JPEG标准、H.261建议、MPEG标准

返回图像压缩JBIG-JPEG

JBIG（JointBiLevelImageGroup）联合二值图像专家组，无损压缩。

JPEGJointPhotographicExpertsGroup（联合图像专家小组），针对相片图像而广泛使用的一种有损压缩标准方法。静止图像压缩标准（JPEG/JPEG2000)适用于黑白及彩色照片、传真和印刷图片。JPEG本身只有描述如何将一个图像转换为字节的数据流（streaming），但并没有说明这些字节如何在任何特定的存储媒体上被封存起来。视频压缩H.261

H.261又称为P*64，其中P为64kb/s的取值范围，是1到30的可变参数，它最初是针对在ISDN上实现电信会议应用，特别是面对面的可视电话和视频会议而设计的视频压缩MPEG-1/2MPEG（MovingPictureExpertsGroup）运动图像专家组。

MPEG-1用于传输1.5Mbps数据传输率的数字存储媒体运动图像及其伴音的编码，经过MPEG-1标准压缩后：视频数据压缩率为1/100-1／200，音频压缩率为1／6.5,提供每秒30帧352*240分辨率的图像。MPEG-2主要针对高清晰度电视（HDTV）的需要，传输速率为10Mbps，与MPEG-1兼容，适用于1.5-60Mbps甚至更高的编码范围。MPEG-2有每秒30帧704*480的分辨率。(2)信道编码

信道编码——为了让数字基带信号能够适应传输信道的特性 所进行的码型转换。适合信道传输特性的码型种类很 多，常用的码型除二电平归零（RZ）码、非归零 （NRZ）码外，还有：差分码（相对码）、Manchester码（双相码）、差分曼彻斯特码、传号交替反转（AMI）码、传号反转（CMI）码、三阶高密度双极性（HDB3）码、4B5B码、5B6B码、2B1Q码、N连零取代双极性（BNZS）码及4B3T码、MMS43码、3B2T（SU32）码等。返回非归零码(NRZ)不归零码(NRZ，Non-ReturntoZero)二进制数字0、1分别用两种电平来表示。常常用－5V表示1，＋5V表示0（与常识高电平1，低0相反）。缺点：存在直流分量，传输中不能使用变压器；不具备自同步机制，传输时必须使用外同步。

时钟01001100011NRZ返回01001100011

时钟NRZManchester差分Manchester三种数字编码的波形图返回用电压的变化表示0和1。规定在每个码元的中间发生跳变：高→低的跳变代表0，低→高的跳变代表1每个码元中间都要发生跳变，接收端可将此变化提取出来作为同步信号。这种编码也称为自同步码(Self-SynchronizingCode)。缺点：需要双倍的传输带宽（即信号速率是数据速率的2倍）。曼彻斯特编码(ManchesterCode)返回每个码元的中间仍要发生跳变用码元开始处有无跳变来表示0和1有跳变代表0，无跳变代表1差分曼彻斯特编码(Differential～)返回(3)差错控制差错产生的原因——噪声。线路本身的电气特性产生的信号幅度、频率、相位的变化和衰减信号在线路上反射产生的干扰相邻线路间的干扰电磁干扰等外界因素

数字编码有三种类型：信源编码、信道编码和差错控制编码

差错控制编码——是为了让误码所产生的影响降至最低所进行的码型变换。对数字信号的加密与解密，技术上与差错控制编码有很大的相似之处。返回奇偶校验垂直奇偶校验——以字符为单位附加校验位的检验方法水平奇偶校验——以字符块为单位附加校验字符的检验方法垂直水平奇偶校验——例：H——01001000（ASCII码）

A——01000001P——01010000P——01010000I——11001001E——11000101S——01010011

01010110水平（偶）校验返回循环冗余校验（CRC）CRC（cyclicredundancycode)原理：例：110011可用p(x)=x5+x4+x1+1表示

差错控制——在数据码上加冗余码。分纠错码和检验码收发双方约定一个生成多项式G(x)将要发送的二进制数当作多项式p(x)=anxn+an-1xn-1+…+

a2x2+a1x1+a0的系数。发送方在帧的末尾加上校验和，使带校验和的帧的多项式能被G(x)整除。校验和是16位或32位的位串。接收方收到后，用G(x)除多项式，若有余数，则传输有错。返回(4)数字数据的调制编码基本原理：用数字信号对载波的不同参量进行调制。

载波：S(t)=Acos(

t+

)

S(t)的参量包括：幅度A、频率

、初相位

调制就是要使A、或随数字基带信号的变化而变化返回00110100010ASKFSKPSK数字信号载波调制幅移键控ASK(AmplitudeShiftKeying)：用载波的两个不同振幅表示0和1频移键控FSK(FrequencyShiftKeying)：用载波的两个不同频率表示0和1相移键控PSK(PhaseShiftKeying)：用载波的起始相位的变化表示0和1返回*数字信号载波调制—频率键控（FSK)FSK方式——主要用于低速（≤1200bit/s）Modem数字信号载波调制方式很多，常用的有三类：频率键控（FSK)、差分相位键控（DPSK）和幅度相位联合键控（APSK）。返回*频率调制—差分相位键控（DPSK）多用4相和8相DPSK（记作4DPSK，8DPSK），其相对相位变化规则分别如图2-34a和图2-34b所示。主要应用于中速（1200～4800bit/s）的Modem。（a）4DPSK（b）8DPSK图2-344DPSK与8DPSK载波相移矢量图调制波形表示式为：fi(t)=Acos(ω0t+

i)

i=1，2，…，N

返回*频率调制——幅度相位联合键控（APSK）主要包括正交调幅（QAM）和网格编码调制（TCM，trelliscodingmodulation），其信号空间矢量如图2-35和图2-36所示。图2-3516QAM的信号空间图调制波形表示式为：fi(t)=Aicos(ω0t+

i)=aicosω0t+bisinω0t，I=1，2，…，N

返回*频率调制—网格编码调制（TCM）图2-36V.32TCM的信号空间图调制波形表示式为：fi(t)=Aicos(ω0t+

i)=aicosω0t+bisinω0t，I=1，2，…，N返回（5）数字信号传输方式（a）并行传输与串行传输返回(b)单-双工传输单工：数据单向传输（无线电广播）半双工：数据可以双向交替传输，但不能在同一时刻双向传输（对讲机）全双工：数据可以双向同时传输（电话）或者具有两条物理上独立的传输线路或者具有一条物理线路上的两个信道，分别用于不同方向的信号传输返回(c)基带传输与频带传输信源编码调制器信道解调器信道解码噪声源信源收信者信道编码信源解码通信系统模型数字基带信号——对原始信号只进行码型变换，而未经调制的数字信号。因此占据的频带大致与原数字脉冲的相同，一般从直流或低频开始到能量集中的一段频率范围。返回差错控制数字基带与频带传输宽带传输——数字信号需调制成频带模拟信号后再传送（进行频谱搬移，使所占频率范围与电话信道的频带相匹配），接收方需要解调例如：通过电话模拟信道传输例如：闭路电视的信号传输返回基带传输——在线路上直接传输数字基带信号。 例如：以太网

t码元1码元2码元3码元4码元5信号同步脉冲同步脉冲：用于码元的同步定时，识别码元的开始▲同步脉冲也可位于码元的中部▲一个码元也可有多个同步脉冲相对应*(6)数据同步方式返回数据同步方法数据同步的目的是使接收端与发送端在时间基准上一致(包括开始时间、位边界、重复频率等)。有三种同步方法：(a)位同步(b)字符同步(c)帧同步返回(a)位同步目的是使接收端接收的每一位信息都与发送端保持同步外同步——发送端发送数据时同时发送同步时钟信号，接收方用同步信号来锁定自己的时钟脉冲频率。自同步——通过特殊编码(如曼彻斯特编码)，这些数据编码信号包含了同步信号，接收方从中提取同步信号来锁定自己的时钟脉冲频率。返回起始位数据位停止位间隔,不固定(b)字符同步以字符为边界实现字符的同步接收，也称为起止式或异步制。每个字符的传输需要：返回频率的漂移不会积累，每个字符开始时都会重新同步每两个字符之间的间隔时间不固定增加了辅助位，所以效率低——例如，采用1个起始位、8个数据位、2个停止位时，其效率为8/11＜72％1个起始位5～8个数据位1，1.5，2个停止位(c)帧同步帧(Frame)数据链路(层）中的传输单位—包含数据和控制信息的数据块。帧同步识别一个帧的起始和结束。返回如OSI网络模型标准——数据链路层HDLC帧结构：面向字符的——以同步字符(SYN，16H)来标识一个帧的 开始，适用于数据为字符类型的帧面向比特的——以特殊位序列(7EH，即01111110)来标识 一个帧的开始，适用于任意数据类型的帧帧起始控制信息数据帧结束校验和0–nbit8bit8bit16-32m地址8bit〉练习与思考题11、什么是信息码？在通信中PCM指什么含义？常用话音信号数字化方法有哪些？2、什么是数字基带信号？数字基带传输方式常用于哪些场合？3、数字基带传输中为什么要进行码型转换？试举出一种码型转换的原理。返回2、通信系统的性能指标衡量通信系统性能优劣的基本指标有两个：系统的有效性和可靠性。有效性——传输一定的信息量所消耗的信道资源数 （带宽或时间）；可靠性——接收信息的准确程度。有效性和可靠性这两个指标通常是矛盾的。返回（1）数字通信系统的有效性数字通信系统的有效性用速率来衡量，速率越高，有效性越好。数据传输速率—简称数据率，指单位时间内传送二进制数据位数Rb，单位bps(位/秒)，称比特率（BitRate）。码元速率(信息速率）Rs---单位时间传输的码元数为码元速率Rs，又称波特率（BaudRate-简记Bd)。返回波特率（Baud)—码元码元---信息传送的基本单位。每个码元可携带1位或多 位2进制信息。例：二进制数：占用1位（1bit)四进制数：占用2位(log24=2bit)八进制数：占用3位(log28=3bit)M进制数：占用log2M

位ASII码：占用7位一元码二元码三元码七元码占用不同的Bit数返回波特率(Baud)—比特率(bit/s)码元速率Rs与数据率Rb之间的关系为：Rb=Rslog2MRs=Rb/log2M

例：每秒钟传送2400个码元，则码元速率为2400Baud；当传输的是二进制的信息时，数据率为2400bit/s；若传输四进制的信息时，数据率为4800bit/s。返回(2)数字通信系统的可靠性数字通信系统的可靠性用差错率来衡量。差错率用误比特率Pb和误码率Ps表示：Pb=错误比特数/传输总比特数Ps=错误码元数/传输总码元数有时将误比特率称为误信率，误码率称为误符号率。差错率越小，通信的可靠性越高。传输数字电话信号时，电话线路在300—2400bps传输速率时，平均Pb在10-3～10-6之间，在2400—9600bps传输速率时，平均Pb在10-2～10-4之间，而传输计算机数据则要求Pb<10-9。当信道不能满足要求时，必须加纠错措施。

返回练习与思考题21、什么是通信系统的有效性和可靠性？模拟通信系统的有效性和可靠性分别用什么参数度量？数字通信系统的有效性和可靠性又分别是用什么参数度量的？2、某二元码序列的信息速率是2400bit/s，若改用八元码序列传送该消息,试求码元速率是多少？3、某消息用十六元码序列传送时，码元速率是300波特。若改用二元码序列传输该消息，其信息速率是多少？4、某消息以2Mbit/s的信息速率通过有噪声的信道，在接收机输出端平均每小时出现72bit差错，试求误比特率。返回720P720P是美国电影电视工程师协会（SMPTE)制定的高等级高清数字电视的格式标准，有效显示格式为：1280×720.SMPTE（美国电影电视工程协会）将数字高清信号数字电视扫描线的不同分为1080P、1080I、720P(i是interlace,隔行的意思，p是Progressive,逐行的意思)。720P是一种在逐行扫描下达到1280×720的分辨率的显示格式。720P，960P，1080P概念高清网络摄像机中，我们通常叫成百万、两百万像素摄像机：1080P实际是指分辨率1920*1080=2073600像素，大家一般都会叫1080P或1080i为200万像素分辨率；960P

实际是指分辨率1280*960=1228800，大家一般都会叫960P或960i为130万像素分辨率；720P实际是指分辨率1280*720=921600像素，大家一般都会叫720P或720i为百万像素分辨率摄像机—