第二章 数字通信基本原理

1、网络与通信技术第二章 数字通信基本原理,华北电力大学（保定）,1,1. 数字通信系统的组成,发送端 接收端 传输媒介 噪音 传输协议,数据：信息的表示形式 信号：信息在媒体上的表示形式，它以电磁能量的方式在媒体上传输。,1. 数据和信号,数据 文本：用一个字节或多个字节的二进制比特序列编码表示。例如可以用ASCII码（1个字节）编码表示字符和符号，汉字用两个字节编码表示； 图像：由行列排列的像素点构成。每个像素点的值代表该像素点的亮度或颜色，全部像素点的集合就表示一副图像。一张400行600列的图像大小是400600=24万像素。如果是数字图像，若每个像素用8个比特表示，则该图像的大小事1.9

2、2Mb。 音频：语音或音乐的表示形式。通过话筒以及相关电压放大电路把声波转换成电压的波形。通过“采样”和“量化”可以实现模拟量的数字化。由于音频数据时连续变化的数据流，对传输的延迟很敏感。 视频：影像信息的表示形式。电视信号由每秒25帧的图像序列组合而成。图像进而编码成数据。视频信号的特点是数据量大。视频数据也是一个连续的数据流，在传输中对传输的延迟变化要求很严格。,1. 数据和信号,信号 模拟信号和数字信号 光信号和电信号,1. 数据和信号,模拟数据模拟信号传输系统： 无线电广播，传统的有线电视网、早期的固定电话和第一代移动电话均属于这一类型。 模拟数据数字信号传输系统 由于数字传输的优越性

3、，要将模拟数据在数字信道上传输，必须要将模拟数据变为数字信号。通常采用PCM编码和调制（delta modulation），先把模拟数据变为数字数据，然后再把数字数据变为数字信号在信道上传输。现代的固定电话系统只在用户到端局的几公里的传输是模拟的，到了交换局以后已是数字传输，到了用户接收端又还原为模拟数据。因此，可以把固定电话系统看作模拟数据在数字信道的传输系统。 数字数据模拟信号传输系统 传统的有线电视网（CATV）是模拟传输系统，使用线缆调制解调器（Cable Modem）可以传送数字数据； 数字数据数字信号传输系统 例如：计算机网络 基带传输：数字信号直接加到信道上，信号频谱未发生变化；

4、 频带/宽带传输：把数字信号调制到另一高频信号上，进行传输，在接收端，还要把数字信号解调出来，被传输的信号频谱发生了变化,2. 模拟传输系统和数字传输系统,单工 单方向通信，一端只能发送数据，另一端只能接收数据。 无线广播，传统的有线电视 半双工 可以实现分时的双向通信，通信的两端设备既可以发送数据，也可以接收数据，但不能同时进行双向数据传输，在任意一个时刻，信道上只有一个方向流动的数据。 步话机 全双工 双向通信。任意时刻，信道上可以有向两个方向传输的数据流。 电话系统，计算机通信系统,3. 数据通信模式,并行通信 传送效率高，一次传送多个比特数据，但要用多根数据线并行连接，用在要求高数据传

5、输速率，且两个设备相距不远的场合。 串行通信 数据只在一根数据线上传输，节省传输线，传输效率低，用在远距离传输的场合。为了提高数据传输速率，可选用高带宽的信道。 根据同步方式分为：异步通信和同步通信,4. 数据传输方式,数据传输率 比特率 波特率 无噪信道最大传输速率 数据传输质量 频带利用率 差错率 ,5. 通信系统主要性能指标,6. 比特率和波特率,二电平信号,四电平信号,同样的波特率下，二电平信号和多电平信号的比特速率不同。,傅氏变换，傅氏级数,7. 频谱分析,8. 脉冲信号波形及所包含的频率分量,9. 单个矩形脉冲的频谱,10. 周期型矩形脉冲的频谱,噪声 加性噪声：外部叠加干扰信号

6、乘性噪声：主要指不理想的信道特性,11. 噪声和信号,加性噪声对信号的影响,12. 信道特性,无失真传输特性,数字数据编码信号的两电平表示,数字数据编码归零码和不归零码,数字数据编码曼彻斯特码和差分码,数字数据编码多电平信号编码,8B6T,MLT-3,100Mb/s以太网的编码原则： 1）如果下一比特是0，电位保持不变； 2）如果下一比特是1并且当前电位非0，下一电平为0； 3）如果下一比特是1并且当前电位是0，下一电位是最后一个非零电平的相反值。,数字数据编码块编码,模拟信号编码脉冲编码调制,其中 , fs : 采样频率,如果一个信号，所包含的最高频率为fMAX，当以 fS =2 fMAX

7、的频率对信号进行采样，则该信号完全可以通过采样点的数据表示。,定理,采样值的频谱: 对v(t) 进行采样，得到 Vk 的频谱为,(a)带宽有限信号包含的频率分量: -B, B (fMAX = B).,(a),如果想将语音信号（4000Hz）数字化，则采样频率至少为8000Hz. 如果想获得电压信号中的 13th 谐波, 则所需的采样频率至少为 13*50*2=1300Hz,Delta编码,将编码器产生的阶梯波与输入的模拟信号的差值进行编码，当输入的模拟信号大于阶梯波信号时，输出比特值1，当小于阶梯波信号时输出比特值0。,数字数据的调制ASK波形及频谱,2FSK信号波形及频谱,2PSK信号波形及

8、DPSK信号波形,复用的概念,复用与分用,语音信号的复用,波分复用光纤的衰减特性,时分复用,数据采集及监视系统,调度 工作站,帧：,模拟信号 采样量化编码 二进制信号,通过PCM系统对一个模拟信号进行采集，量化，编码和传送，传送采用2进制信号，信道带宽为100kHz。假设量化采用32级量化电平。 理想情况下无噪声传输的信道容量是多少？ 该模拟信号所包含的最高频率分量是多少Hz？,例题:,200k bit/s,100k Hz,无噪声信道传输容量,每个采样值量化成5个二进制码元,采样频率40kHz-每秒获得并发送40k个采样值,最高频率分量 20kHz.-信号带宽 为 20kHz,采样定理,电话系

9、统的TDM,T线标准和E线标准,PCM 30/32时分多路,同步TDM和统计TDM,BCC的计算（偶校验） BCC C B A 传送方向,差错控制技术,4. 差错示例,将所有16比特数据段相加得到校验和； 将所有进位重新添加到校验和中； 对该校验和按位取反。,校验和,4. 常用CRC校验码的生成多项式,4. 海明码的编码和译码,设，表示两个站的码，表示每个码的第k个分量，则码的正交性用数学表示为向量的内积 为简化分析，设m为8，若有A、B、C、D4个站，它们的码片序列分别为 A：0 0 0 1 1 0 1 1 B：0 0 1 0 1 1 1 0 C：0 1 0 1 1 1 0 0 D：0 1

10、0 0 0 0 1 0 可看出码片序列,CA,CB,CC和CD是正交的。,4. 码的正交性,每个站发送数据的编码规则是： 发送数据比特值为1编码为l； 发送数据比特值为0编码为-1； 发送数据比特值为1编码为l 不发送数据编码为0,每个站将它的比特数据乘以它的码片序列发送到信道； 各个站的信号在空间线性叠加，形成复合信号； 接收站将复合信号乘以某个站的码片序列，就得到那个站发来的数据。,4. CDMA的工作过程,【例】如果4个站发送的6比特数据和编码的数据分别为 A：(，1，1，1，1) (0，0，1，1，1，1) B：(，1，0，0，1，1) (0，l，-1，-1，1，1) C：(1，l，1，1，0) (1，1，0，1，1，-1) D：(，1，1) (0，0，0，0，1，1) 符号“”代表不发数据。,4. 例题,非屏蔽双绞线的类别,信道双绞线,同轴电缆的类别,有线电视网：从小区到用户住宅一段 采用同轴电缆传输。以太网中，同轴 电缆已被双绞线和光纤代替。,同轴电缆,光纤,单模光纤,多模光纤,直径50-100微米,可传