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1、1,数据通信与计算机网络 （第 4 版） 杨心强 陈国友编著 电子工业出版社 2012 年 5 月,2,课件制作人声明,本课件是数据通信与计算机网络(第4版)的教辅材料，共12个 Powerpoint 文件(每章一个)。任课教师可根据教学的实际需要，自行修改或增删其内容，但不能自行出版销售。 对于课件中存在的缺点和错误，欢迎读者提出宝贵意见，以便及时修订。 课件制作人 杨心强 2012年5月,3,数据通信与计算机网络 第 3 章 数据传输技术,4,第 3 章 数据传输技术,教学目的 掌握实现数据传输的各种基本技术，包括数字基带传输技术、数字频带传输技术、脉冲编码调制技术、信道访问技术、信道复用
2、技术、扩频技术、同步控制技术、数据交换技术和差错控制技术。,学习内容 数字基带传输技术 数字频带传输技术 脉冲编码调制技术 信道访问技术 信道复用技术 扩频技术 同步控制技术 数据交换技术 差错控制技术,5,第3章：内容提纲,3.1 数字基带传输技术 3.2 数字频带传输技术 3.3 脉冲编码调制技术 3.4 信道访问技术 3.5 信道复用技术 3.6 扩频技术 3.7 同步控制技术 3.8 数据交换技术 3.9 差错控制技术,6,3.1 数字基带传输技术,基带信号(简称基带)是指原始的数据信号。基带信号中含有直流、低频率和其他频率成分的谐波分量。 直接利用基带信号的传输方式，称为基带传输。以
3、基带传输方式实现的传输系统，称为基带传输系统。 为什么要研究基带传输呢？主要理由是：近距离传输常采用基带传输，颇有实用价值；多数传输系统对传输信号都有一个处理基带波形的过程；理论上可证明，任何一个带通传输系统总可以由一个基带传输系统来替代。可见，基带传输是研究频带传输的基础，具有一定的意义。,7,3.1.1 基带传输对信号的要求(续1),由于实际的传输信道存在各种缺陷(频率特性不理想和噪声的影响) ，因此需要对原始数据信号进行码型变换和波形处理，使之适合于在相应系统中传输的信号。 基带传输是不搬移频谱的直接传输。通常经过波形变换后，仍含有直流成分，所以基带传输有两种方式：直流传送和交流传送。其
4、中，以交流传送方式为优。,8,3.1.1 基带传输对信号的要求(续2),基带传输对传输信号的要求 应有利于提高系统的频带利用率。 应含有少量的直流、甚低频及高频分量。 应含有可供提取定时信号的信号分量。 其码型不应受信源统计特性的影响。 其频谱能量要集中，所占带宽要窄。 码型应具有较强的抵抗力和自检能力。 变换电路应简单，成本低，性能好，易调整。,9,3.1.2 基带信号的波形及其传输码型,1、基带信号的波形 基带信号的波形有多种，因矩形易于形成和变换，故最为常用。 常用的基带信号波形： 单极性不归零脉冲(图3-2a) 单极性归零脉冲(图3-2b) 双极性不归零脉冲(图3-2c) 双极性归零脉
5、冲(图3-2d) 差分波形(图3-2e) 多电平脉冲(图3-2f),10,3.1.2 基带信号的波形及其传输码型(续1),11,3.1.2 基带信号的波形及其传输码型(续2),按照上述基带信号波形的特征，可归纳为三种基本分类： 按照信号的极性不同，分为单极性和双极性信号。 按照每位信号的单一极性电位是否占满整个码元时间，分为归零信号与不归零信号。 按照信号幅度的取值不同，分为二电平信号和多电平信号。 由于单极性信号含有较大的直流分量，且判决可靠性较差，所以使用双极性信号较为普遍。 每个多电平信号所含的信息量是二电平信号的 n 倍，因此在相同信号速率的情况下，多电平信号的速率仅为二电平信号的1/
6、n。,12,3.1.2 基带信号的波形及其传输码型(续3),2、常用的基带传输码型 ITU-T建议使用的基带传输码型有20余种。常用的有： 双相码(图3-3a) 。又称分相码、裂相码或曼彻斯特(Manchester)码。它用一个周期的方波表示“1”，而用它的反相波形表示“0”。 差分双相码(图3-3b)。利用“差分”的概念，将双相码中用绝对电平表示的波形改为用电平的相对变化的波形。 传号交替反转码(图3-3c)。记作AMI码。其编码规则是：信息“0”变换为基带信号幅度取值为零，而“1”则交替地变换取值为+E和-E的归零码。 三阶高密度双极性码HDB3 (图3-3d)。,13,3.1.2 基带信
7、号的波形及其传输码型(续4),14,3.1.2 基带信号的波形及其传输码型(续5),3、基带传输码型的分析 各种码型的功率谱曲线,3.1.2 基带信号的波形及其传输码型(续6),由各种码型的功率谱曲线，可得如下结论： 在直流传送方式中，双极性不归零码的大部分能量集中在零频率点附近，直流和低频能量很大。所占带宽为0f0。仅适用于近距离传输。 在交流传送方式中， 这种码型都不含直流成分，可作为线路传输码型。 所占带宽，以二阶双极性码最窄，为0 f0 /2。双相码和差分双相码最宽，为02 f0。,15,16,3.1.2 基带信号的波形及其传输码型(续7), 在交流传送方式中(续) 提取定时信号，当出
8、现连“0”码时，将使提取定时信号变得困难。 传输过程中如将两根传输线对调接线位置，双相码解码后易发生极性错误，其他则不会。 AMI码和HDBn码邻近线对的干扰小。 抗干扰性能以二电平码为最好。 AMI码、HDB3码均有较好的检测错误的能力。,17,第3章：内容提纲,3.1 基带传输技术 3.2 频带传输与调制技术 3.3 脉冲编码调制技术 3.4 信道访问技术 3.5 信道复用技术 3.6 扩频技术 3.7 同步控制技术 3.8 数据交换技术 3.9 差错控制技术,18,3.2 数字频带传输技术,基带传输在数据传输中并非占据主导地位。其原因是多数信道(尤其是无线电信道)并不能进行直接传输，必须
9、用基带信号对载波波形的某些参量进行控制，使这些参量随基带信号的变化而变化，成为以载波频率为中心的带通信号，这就是“调制”的概念。 “调制”是实现频谱搬移，将数字基带信号变换成适合于信道传输的频带信号。用载波调制进行传输的方式称为频带传输。 调制分为线性调制和非线性调制两种。线性调制的频谱产生平移，而非线性调制的已调信号的频谱中会出现新的频率分量。,19,3.2 频带传输与调制技术(续1),在数据通信系统中，一般选用形式简单、便于生成和接收的正弦信号作为载波。 数据通信一般采用数字调制，它是用载波信号参量的离散状态来表征所传输的数据信息，在解调时只需对载波信号的受调参量进行检测和判决。 数字调制
10、就是利用数字信号键控载波的幅度、频率和相位，实现振幅键控(ASK) 、频移键控(FSK) 和相移键控(PSK) 。 数字调制形式的选择往往是频带利用率、差错率、信噪比和设备实现复杂性等因素综合考虑的结果。,3.2 频带传输与调制技术(续2),二进制正弦载波的基本键控波形,20,21,3.2.1 基本数字调制技术,1、数字幅度调制 二进制幅度键控(2ASK) 基本思想：利用数字基带信号键控载波幅度的变化，即传送“1”信号输出正弦载波信号 ，传送“0”信号无载波输出。,22,3.2.1 基本数字调制技术(续1),2ASK信号的调制,23,3.2.1 基本数字调制技术(续2),2ASK信号的解调 主
11、要有包络检波法和相干解调法。 相干调解法的基本原理：将输入已调信号S(t)与相干载波信号C(t)在相乘器相乘后，再由低通滤波器过滤，即得所需的基带信号(图3-7)。 实现相干解调的关键：有一个与ASK信号的载波保持同相同频的的相干载波，否则会产生波形失真。,24,3.2.1 基本数字调制技术(续3), 多进制幅度键控(MASK) 基本思想：利用多电平的矩形基带脉冲去控制正弦载波信号幅度。,25,3.2.1 基本数字调制技术(续4),多电平信号所包含的信息量是二电平信号的lb M倍(M为电平数)，所以多电平调制的频带利用率(指单位频带内的信息传输速率)比二电平调制高。 MASK信号的解调方法与2
12、ASK相同，也有包络检波法和相干解调法。,26,3.2.1 基本数字调制技术(续7),2、数字频率调制 基本思想：利用数字基带信号控制载波频率的变化来传输数字信息“1”和“0”。 FSK的抗噪声、抗衰落优于ASK，设备不复杂、实现较容易，所以一直被广泛应用在中、低速数据通信系统中。但是，由于在功率和频率利用率方面，传统的2FSK不及PSK，在DPSK取得成功后，被逐渐取而代之。近年来，FSK有着很大进步，在卫星、无线电通信中得到应用。,27,3.2.1 基本数字调制技术(续8), 二进制频移键控(2FSK) 2FSK信号一般用频率选择法和载波调频法。频率选择法产生相位不连续的2FSK信号。载波
13、调频法产生相位连续的2FSK信号。,28,3.2.1 基本数字调制技术(续9),2FSK信号的调制 利用频率选择法生成2FSK信号,29,3.2.1 基本数字调制技术(续10),2FSK信号的解调 有相干解调法和非相干解调法。 目前常用非相干解调法(图3-10)，虽然它的抗干扰性能不及相干解调法优越，但解调时无需从FSK信号中提取相干载波，因而实现起来比较简单。 实现非相干解调的关键是匹配滤波器。,30,3.2.1 基本数字调制技术(续11), 多进制频移键控(MFSK) 基本思想：利用M个不同频率的信号波形(如正弦波)来代表M进制的M个码元符号。 MFSK信号的调制 MFSK信号的生成常采用
14、频率选择法(图3-11)。,31,3.2.1 基本数字调制技术(续12),MFSK信号的解调 有相干解调法和非相干解调法(图3-12) 。,32,3.2.1 基本数字调制技术(续13),3、数字相位调制 基本思想：利用基带数字信号控制载波相位的变化来传输数字信息“1”和“0”。,33,3.2.1 基本数字调制技术(续14),载波相位变化有“绝对移相”和“相对移相”两种。“绝对移相”是利用载波的不同相位直接去表示数字信息，而“相对移相”则利用载波的相对相位，即前后码元载波相位的相对变化来表示数字信息的。由于表征信息的载波相位只取有限个离散值，故又称相移键控(PSK)。 由于实际系统中接收端提供的
15、相干载波往往存在“相位模糊”现象。因此，“绝对移相”虽提出很早，但实用的却是“相对移相” (DPSK)。 相移键控不仅在恒参信道上具有较优的抗噪声性能和频带利用率，而且在有衰落和多径现象的信道上也有较好的接收结果。与幅度键控、频移键控相比，是一种比较优越的调制形式。,34,3.2.1 基本数字调制技术(续15), 二进制相对相移键控(2DPSK) 由于相对移相是利用前后码元之间载波相位的相对变化来传送数字信息的，当保持前后码元载波相位差不变，解调后恢复的数字信息就不会出现极性相位，因此相对移相能够克服相位模糊现象。 2DPSK信号的典型波形如图3-13所示。每个码元中载波相位的变化是以前一码元
16、载波相位作为参考的。若假定当传送的数字信号为“1”时，码元中载波的相位相对于前一码元的载波相位差为；当传送的数字信号为“0”时，码元中载波的相位相对于前一码元的载波相位不变。,35,3.2.1 基本数字调制技术(续16),从分析数字信息与码元信号载波相位的关系可知：把数字信息码先变换成相对码，再用它去进行绝对移相，与将它直接进行相对移相的结果是一样的。这说明相对移相是变换成相对码后的数字信号序列的绝对移相。在用相对码表示传送信息之后，2DPSK信号的时域表达式和功率谱密度与2PSK信号是相同的。,36,3.2.1 基本数字调制技术(续17),2DPSK信号的调制 2DPSK信号的调制有调相法和相位选择法。但都需要进行预处理，即先把输入的基带信号编码转换成相对码，再进行绝对移相(见图3-14)。,37,3.2.1 基本数字调制技术(续18),2DPSK信号的解调 2DPSK信号的解调有两种方法：极性比较法和相位比较法。 用极性比较法解调2DPSK信号的原理框图及各点波形
