《精编》数据编码技术与数据通信方式

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1、第2章数据通信基础 本章学习目标2 1数据通信的基本概念2 2数据编码技术2 3多路复用技术2 4数据通信方式 2 5数据传输介质2 6差错控制与校验2 7信息交换技术2 8思考题 本章学习目标 本章主要介绍了数据通信的基本原理 通过本章的学习 读者应能够 l了解模拟传输与数字传输的基本原理l熟悉异步与同步通信的接口标准l掌握常用数据编码及多路复用技术掌握信息交换技术 2 1数据通信的基本概念 2 1 1数据通信的基本概念2 1 2数据通信系统的主要质量指标 2 1 1数据通信的基本概念 1 信息 数据和信号2 数据通信系统的模型 1 信息 数据和信号 信息是客观事物属性和相互联系特性的表征

2、它反映了客观事物的存在形式和运动状态 事物的运动状态 结构 温度 颜色等都是信息的不同表现形式 而人造通信系统中传送的文字 话音 图像 符号 数据等也是一些包含一定信息内容的不同信息形式 由于信息形式与信息内容的对立统一 有时也直接把它们看成为一些不同的信息类型 简称文字信息 话音信息 图像信息和数据信息等 1 信息 数据和信号 数据一般可以理解为 信息的数字化形式 或 数字化的信息形式 狭义的 数据 通常是指具有一定数字特性的信息 如统计数据 气象数据 测量数据及计算机中区别于程序的计算数据等 但在计算机网络系统中 数据通常被广义地理解为在网络中存储 处理和传输的二进制数字编码 话音信息 图

3、像信息 文字信息以及从自然界直接采集的各种自然属性信息均可转换为二进制数字编码在计算机网络系统中存储 处理和传输 1 信息 数据和信号 信号 简单地讲就是携带信息的传输介质 在通信系统中我们常常使用的电信号 电磁信号 光信号 载波信号 脉冲信号 调制信号等术语就是指携带某种信息的具有不同形式或特性的传输介质 CCITT在有关Signal的定义中也明确指出 信号是以其某种特性参数的变化来代表信息的 信号的频谱宽度就称为该信号的带宽 2 数据通信系统的模型 2 数据通信系统的模型 图2 1中 信源是信息的发出者 它把各种可能的信息转换成原始信号 为了使其能适合在信道上传输 就要通过某种变换器将原始

4、信号转换成需要的信号 例如 利用模拟传输系统传输数字数据就需要调制解调器这样的一种变换器 调制器的主要作用是一个波形转换器 它将基带数字信号的波形变换成适合于模拟信号输出的波形 而解调器的作用就是一个波形识别器 它将经过调制器变换过的模拟信号恢复成原来的数字信号 常用的信源有电话机话筒 摄像机 传真机 计算机等 2 数据通信系统的模型 2 数据通信系统的模型 图2 2是通信系统的一个实例 工作站通过公共电话网PSTN与一个服务器进行通信 数据通信系统要完成的一系列关键任务为 1 接口规范 2 同步 3 传输系统利用率 4 差错检测和校验 5 灾难恢复 6 寻址和路由 7 网络安全 8 网络管理

5、 2 1 2数据通信系统的主要质量指标 从研究信息的传输来说 通信的有效性和可靠性是最重要的指标 有效性指的是传输一定的信息量所消耗的信道资源 带宽或时间 而可靠性指的是接收信息的准确程度 这两项指标体现了对通信系统最基本的要求 模拟通信和数据通信对这两个指标要求的具体内容有较大差异 1 模拟通信系统的质量指标2 数字通信系统的质量指标 1 模拟通信系统的质量指标 1 有效性 模拟通信系统的有效性是用有效传输带宽来度量 同样的信息采用不同的调制方式 则需要不同的频带宽度 频带宽度越窄 有效性越好 2 可靠性 模拟通信系统的可靠性是用接收端最终的输出信噪比来度量 信噪比越大 通信质量越高 不同调

6、制方式在同样信道条件下所得到的输出信噪比是不同的 2 数字通信系统的质量指标 数字通信系统的有效性用传输速率来衡量 可靠性用差错率来衡量 1 传输速率 数据传输速率指的是单位时间内传送的信息量 它有多种表示方法 波特和比特是两个不同的概念 一般在二元制调相方式中 Rs和Rb相等 但在多元调相的情况下就不一定了 2 差错率 差错率即误码率 是衡量数据通信系统在正常工作情况下传输可靠性的指标 它的定义是 二进制码元被传输出错的概率 差错率越小 通信的可靠性越高 2 2数据编码技术 2 2 1数字数据的数字信号编码2 2 2数字数据的模拟信号编码2 2 3模拟数据的数字信号编码2 2 4模拟数据的模

7、拟信号调制 2 2 1数字数据的数字信号编码 2 2 1数字数据的数字信号编码 不归零制 即用两个电平来表示两个二进制数字 用高电平 正电压 表示1 用低电平 负电压 表示0 如图2 3 a 所示 不归零制有很多缺点 它难以判断一位的结束和另一位的开始 需要用某种方法来使发送器和接收器进行定时或同步 如果传输中都是 1 或 0 的话 那么在单位时间内将产生累积的直流分量 它能使设备连接点产生电腐蚀或其他损坏 2 2 1数字数据的数字信号编码 曼彻斯特编码 如图2 3 b 所示 它是一种自同步编码方式 包括数据信息和时钟信息 它的编码方法是将每一个码元再分成两个相等的间隔 码元 是前一个间隔为高

8、电平而后一个间隔为低电平 码元 则正好相反 从低电平变到高电平 这种编码的优点是可以保证在每一个码元的正中间出现一次电平的转换 对接收端提取位同步信号非常有利 而且当码元中间无跳变时 就形成违例码 这种违例的情况可形成帧标志 但是从曼彻斯特编码的波形图不难看出其缺点 这就是它所占的频带宽度比原始的基带信号增加了一倍 2 2 1数字数据的数字信号编码 差分曼彻斯特编码 如图2 3 c 所示 它的编码规则是 若码元为1 则其前半个码元的电平与上一个码元的后半个码元的电平一样 但若码元为0 则其前半个码元的电平与上一个码元的后半个码元的电平相反 不论码元是 或 在每个码元的正中间时刻 一定要有一次电

9、平的转换 差分曼彻斯特编码需要较复杂的技术 但可以获得较好的抗干扰性能 2 2 2数字数据的模拟信号编码 数字设备 如计算机或终端 通过调制解调器接入电话网络进行通信是利用模拟信号传输数字数据的典型情况 模拟信号发送的基础就是一种称之为载波信号的连续的频率恒定的信号 通过调制振幅 频率和相位等载波特性或者这些特性的某种组合 来对数字数据进行编码 最基本的数字数据 模拟信号调制方式有以下三种 如图2 4所示 2 2 2数字数据的模拟信号编码 2 2 2数字数据的模拟信号编码 1 幅移键控方式 ASK 载波的振幅随基带数字信号而变化 例如 0 对应于无载波输出 而 1 对应于有载波输出 2 频移键

10、控方式 FSK 载波的频率随基带数字信号而变化 例如 0 对应于频率f 而 1 对应于频率f2 3 相移键控方式 PSK 载波的初始相位随基带数字信号而变化 例如 0 对应于相位0 而 1 对应于180 2 2 2数字数据的模拟信号编码 解调 即从模拟信号恢复出数字数据 的原理简述如下 对于ASK信号 可以用整流再滤波的方法检测出原始信号 对于FSK信号可以通过检查零交叉点的方法恢复出数据 对于一般PSK信号 例如相位不变代表0 相位移相180 代表1 可以把信号放大整形 延时一个信号单元时间 然后反相 再和原信号相异或 即可恢复出原始数据 2 2 3模拟数据的数字信号编码 脉冲编码调制 PC

11、M 的过程主要由采样 量化与编码三个步骤组成 采样是把时间上连续的模拟信号转换成时间上离散的采样信号 量化是把幅度上连接的模拟信号转换成幅度上离散的量化信号 编码是把时间离散且幅度离散的量化信号用一个二进制码组表示 2 2 4模拟数据的模拟信号调制 在电话机和本地局交换机之间所传输的信号就是采用这种编码方式 模拟的声音数据是加载到模拟的载波信号中传输的 无线语音广播是模拟信号传输模拟数据的另一个例子 有效的传输需要比较高的频率 对于无线传播 传送基带信号几乎是不可能的 因为那将需要直径为好几公里长的天线 另外 调制有助于频分复用 2 3多路复用技术 2 3 1频分多路复用2 3 2时分多路复用

12、2 3 3波分多路复用2 3 4码分多路复用 2 3 1频分多路复用 2 3 1频分多路复用 多个信号调制在不同的载波频率上 从而在同一介质上实现同时传送多路信号 即将信道的可用频带 带宽 按频率分割多路信号的方法划分为若干互不交叠的频段 每路信号占据其中一个频段 从而形成许多个子信道 如图2 5所示 在接收端用适当的滤波器将多路信号分开 分别进行解调和终端处理 这种技术称为频分多路复用 FDM FrequencyDivisionMultiplexing 2 3 1频分多路复用 2 3 1频分多路复用 FDM系统的原理示意图如图2 6所示 它假设有6个输入源 分别输入6路信号到频分多路器FDM

13、 MUX 多路器将每路信号调制在不同的载波频率上 例如f1 f2 f6 每路信号以其载波频率为中心 占用一定的带宽 此带宽范围称做一个通道 各通道之间通常用保护频带隔离 以保证各路信号的频带间不发生重叠 输入信号可以是模拟的 也可以是数字的 2 3 1频分多路复用 频分多路复用的优点是信道的利用率高 允许复用的路数多 分路也很方便 并且频带宽度越大 则在此频带宽度内所容纳的用户数就越多 缺点是设备复杂 不仅需要大量的调制器 解调器和带通滤波器 而且还要求接收端提供相干载波 此外 由于在传输过程中的非线性失真及频分复用信号抗干扰性能较差 不可避免地会产生路际串音干扰 为了减少载频的数量和所需设备

14、部件的类型 一般都采用多级调制的方法 2 3 2时分多路复用 时分多路复用 TDM TimeDivisionMultiplexing 是将多路信号按一定的时间间隔相间传送以在一条传输线上实现 同时 传送多路信号 基本的TDM是同步时分多路复用技术 如果采用较复杂的措施以改善同步时分复用的性能 就成为统计时分多路复用 STDM StatisticalTimeDivisionMultiplexing 或异步时分多路复用 ATDM AsynchronousTDM 2 3 2时分多路复用 2 3 2时分多路复用 TDM是将传输时间划分为许多个短的互不重叠的时隙 而将若干个时隙组成时分复用帧 用每个时分

15、复用帧中某一固定序号的时隙组成一个子信道 每个子信道所占用的带宽相同 每个时分复用帧所占的时间也是相同的 如图2 7所示 即在同步TDM中 各路时隙的分配是预先确定的时间且各信号源的传输定时是同步的 2 3 2时分多路复用 2 3 2时分多路复用 对于TDM 时隙长度越短 则每个时分复用帧中所包含的时隙数就越多 所容纳的用户数也就越多 其原理如图2 8所示 每一个通道在时间上按照预先确定的时间错开一位 一个字节或一块数据的时间 以此来共享传输信道 2 3 3波分多路复用 2 3 3波分多路复用 在光纤信道上使用的频分多路复用的一个变种就是波分多路复用 WDM Wave lengthDivisi

16、onMultiplexing 如图2 9所示即是一种在光纤上获得WDM的简单方法 在这种方法中 两根光纤连到一个棱柱或衍射光栅 每根光纤里的光波处于不同的波段上 这样两束光通过棱柱或衍射光栅合到一根共享的光纤上 到达目的地后 再将两束光分解开来 2 3 4码分多路复用 码分多路复用 CDMA CodingDivisionMultiplexingAccess 技术则是一种用于移动通信系统的新技术 笔记本电脑或个人数字助理 PDA PersonalDataAssistant 以及手提电脑 HPC HandedPersonalComputer 等移动计算机的连网通信将会大量用到码分复用技术 2 3 4码分多路复用 2 3 4码分多路复用 CDMA的复用原理是基于码型分割信道的 每个用户分配有一个地址码 而这些码型互不重叠 其特点是频率和时间资源均为共享 因此 在频率和时间资源紧缺的环境下 CDMA将独具魅力 这也是CDMA受到人们普遍关注的缘故 图2 10显示了CDMA的信道连接方式 在该图中 前向 反向信道是采用频率划分的方式 即移动站对基站方向的载波频率为f 基站对移动站方向的载波频率为