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1、数据通信的基本原理,主要内容,数据通信的基本概念与理论基础数据传输技术通信交换方式传输介质及主要特性差错控制技术,数据通信的基本概念与理论基础,主要内容信号在通信信道上传输时的数学表示及其所受到的限制。 信息、数据与信号，数据通信傅立叶分析有限带宽信号信道的最大数据传输速率（信道容量）,信息、数据与信号，数据通信,交换信息是通信的目的。信息的载体是数据，数据的形式可以是数字，文字，语音，图形或图象。计算机产生的信息一般是字母、数字、符号以及多媒体信息的组合，为传送这些信息，首先要将这些信息用二进制代码表示。如应用最广泛的是ASCII码。数据通信就是指在不同计算机之间传送这些二进制代码0、1比特
2、序列的过程。多媒体信息在数据通信系统中的传输，是通信系统研究的重要内容之一。其特点是：要求数据通信系统具有高速率、低延时的特性。,信息、数据与信号，数据通信,以图象信息传输为例，每帧图象由1024*768个点阵，图象颜色有256种，每个点阵用1byte二进制数表示，每秒种传送30帧图象，则每秒种需要传送23，592，960byte。以数字化语音信号为例，每秒种对语音信号进行22050次取样，每次取样值用1 byte二进制数表示，则单声道需要22050byte/s，双声道需要44100byte/s。信号是数据在传输过程中的电信号的表示形式。分为模拟的和数字的。,Back,傅立叶分析,任何一个周期
3、为T的有理周期性函数 g(t) 可分解为若干项（可能无限多项）正弦和余弦函数之和：f = 1/T基本频率 nf n次谐波频率an, bn n次谐波项的正弦和余弦振幅值,傅立叶分析,已知 g(t)，求c, an, bn结果如下：(推导过程从略),Back,有限带宽信号 (Bandwidth Limited Signals),对于二进制编码，其输出电压波形为,有限带宽信号 (Bandwidth Limited Signals),其傅立叶分析的系数为：Figure,有限带宽信号 (Bandwidth Limited Signals),信号在信道上传输时的特性：信道有截止频率fc，信号在其上传输时，0
4、 fc的振幅不衰减， fc以上的振幅衰减厉害，这主要由信道的物理特性决定， 0 fc称为信道的有效带宽；信道对不同傅立叶分量信号的衰减不同，因此引起输出失真；实际使用时，可以接入滤波器，限制用户的带宽；通过信道的谐波次数越多，信号越逼真。,波特率（baud）和比特率（bit）,波特率（baud）和比特率（bit）的关系：波特率：信号每秒钟变化的次数，也称调制速率、码元速率。比特率：每秒钟传送的二进制位数。波特率与比特率的关系取决于信号值与比特位的关系。例：每个信号值可表示位，则比特率是波特率的倍； 每个信号值可表示位，则比特率和波特率相同。,波特率（baud）和比特率（bit）,若传送信号的比
5、特率为bps，发送位所需的时间为 8/B秒，若位为一个周期（ 8/B秒），则1次谐波的频率： f1 = B/8 Hz n次谐波的频率： fn = nf1 Hz 能通过信道的最高次谐波数目为： N = fc / f1例：音频线路的截止频率为3000Hz N = fc / f1 = 3000/(B/8) = 24000/B Figure,波特率（baud）和比特率（bit）,结论：即使对于完善的信道，有限的带宽限制了数据的传输速率。,Back,信道的最大数据传输速率（理想信道）,（1）奈奎斯特采样定理当采样频率达到或大于信号中最高频率的2倍时，则采样之后的数字信号完整地保留了原始信号中的信息；采样
6、定理是信息量化的基础，是将连续的模拟量表示成离散的二进制比特的理论依据。（2）奈氏准则1924年，奈魁斯特（H. Nyquist）推导出无噪声有限带宽信道的最大码元传输速率公式： 最大码元传输速率2W Baud 其中W是无噪声有限带宽信道的带宽，单位为赫兹；Baud是波特，即码元传输速率的单位。 最大比特数据传输率 = 2W log2V (bps) 是信号电平级数。,信道的最大数据传输速率（有噪声信道）,1948年，香农（C. Shannon）把奈魁斯特的工作扩大到信道受到随机（热）噪声干扰的情况。热噪声出现的大小用信噪比S/N （信号功率与噪声功率之比）来衡量。一般给出 10 lg S/N
7、（ db ）香农的主要结论是： 带宽为 W 赫兹，信噪比为S/N的任意信道的最大数据传输率为 最大数据传输率 = W log2(1 + S/N) (bps)电话系统的典型信噪比为30db;此式是利用信息论得出的，具有普遍意义；与信号电平级数、采样速度无关；此式是理论极限，难以达到。,香农公式表明,信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高。 只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定可以找到某种办法来实现无差错的传输。 若信道带宽 W 或信噪比 S/N 没有上限（当然实际信道不可能是这样的），则信道的极限信息传输速率 C 也就没有上限。对于频带宽度已确定的信道，如果信噪
8、比不能再提高了，并且码元传输速率也达到了上限值，那么还有办法提高信息的传输速率。这就是用编码的方法让每一个码元携带更多比特的信息量。,Back,数据传输技术,主要内容数据在通信信道上的各种传输方式及其所采用的技术。 数据通信系统的基本结构数据编码技术多路复用技术通信线路的通信方式数据同步方式,课件制作人：谢希仁,数据通信系统的基本结构,调制解调器,PC 机,公用电话网,调制解调器,数字比特流,数字比特流,模拟信号,模拟信号,输入汉字,显示汉字,PC 机,数据传输方式,模拟信号发送（模拟信道） 模拟数据（声音） 模拟信号 数字数据（二进制脉冲）模拟信号数字信号发送（数字信道） 模拟数据 数字信号
9、 数字数据（二进制脉冲）数字信号,电话系统,调制解调器MODEM,编码解码器CODEC,数字编码解码器,数字信号发送的特点,数字信号发送的优点抗干扰能力强可实现高质量的远距离通信能适应各种通信业务高保密通信通信设备的集成化和微型化（比之模拟传输设备便宜）数字信号发送的缺点占用的频带宽,Back,数据编码技术,研究数据在信号传输过程中如何进行编码（变换）,数据编码技术（基带传输）,数字数据的数字传输（基带传输）基带：基本频带，指传输变换前所占用的频带，是原始信号所固有的频带。基带传输：在传输时直接使用基带信号。基带传输是一种最简单最基本的传输方式，一般用低电平表示“0”，高电平表示“1”。适用范
10、围：低速和高速的各种情况。限制：因基带信号所占的频率成分很宽，所以对传输线路有一定的要求。,基带传输常用的几种编码方式,不归零制码（NRZ：Non-Return to Zero）原理：用两种不同的电平分别表示二进制信息“0”和“1”，低电平表示“0”，高电平表示“1”。缺点难以分辨一位的结束和另一位的开始；发送方和接收方必须有时钟同步；若信号中“0”或“1”连续出现，信号直流分量将累加。结论：容易产生传播错误。曼彻斯特码（Manchester），也称相位编码原理：每一位中间都有一个跳变，从低跳到高表示“0”，从高跳到低表示“1”。优点：克服了NRZ码的不足。每位中间的跳变即可作为数据，又可作为
11、时钟，能够自同步。,基带传输常用的几种编码方式,差分曼彻斯特码（Differential Manchester）原理：每一位中间都有一个跳变，每位开始时有跳变表示“0”，无跳变表示“1”。位中间跳变表示时钟，位前跳变表示数据。优点：时钟、数据分离，便于提取。逢“1”变化的NRZ码原理：在每位开始时，逢“1”电平跳变，逢“0”电平不跳变。逢“0”变化的NRZ码原理：在每位开始时，逢“0”电平跳变，逢“1”电平不跳变。,NRZ,曼彻斯特,差分曼彻斯特,逢“1”变化NRZ,逢“0”变化NRZ,数据编码技术（频带传输）,数字数据的模拟传输（频带传输）频带传输：指在一定频率范围内的线路上，进行载波传输，
12、称为频带传输。用基带信号对载波进行调制，使其变为适合于线路传送的信号。调制（Modulation）：用基带脉冲对载波信号的某些参量进行控制，使这些参量随基带脉冲变化。解调（Demodulation）：调制的反变换。调制解调器MODEM（modulation-demodulation),数据编码技术（频带传输）,数字数据的模拟传输（频带传输）根据载波 Asin(t + )的三个特性：幅度、频率、相位，产生常用的三种调制技术幅移键控法 Amplitude-shift keying (ASK)频移键控法 Frequency-shift keying (FSK)相移键控法 Phase-shift ke
13、ying (PSK),数据编码技术（频带传输）,幅移键控法（调幅）幅移就是把频率、相位作为常量，而把振幅作为变量，即：A(t) 取不同的值表示不同的信息码。例如：A(t) 取A1，A2，A1表示“0”，A2表示“1”。Figure,数据编码技术（频带传输）,频移键控法（调频）频移就是把振幅、相位作为常量，而把频率作为变量，即：(t) 取不同的值表示不同的信息码。例如： (t) 取 1， 2， 1表示“0”， 2表示“1”。Figure,数据编码技术（频带传输）,相移键控法（调相）相移就是把振幅、频率作为常量，而把相位作为变量，即：(t) 取不同的值表示不同的信息码。例如： (t) 取 1， 2
14、， 1表示“0”， 2表示“1”。Figure多相调制、混合调制 Figure,0,1,0,0,1,1,1,0,0,调幅,调频,调相,数据编码技术（频带传输）,课件制作人：谢希仁,正交振幅调制 QAM,可供选择的相位有 12 种，而对于每一种相位有 1 或2 种振幅可供选择。由于4 bit 编码共有16 种不同的组合，因此这 16 个点中的每个点可对应于一种 4 bit 的编码。,若每一个码元可表示的比特数越多，则在接收端进行解调时要正确识别每一种状态就越困难。,举例,数据编码技术（脉冲代码调制）,模拟数据数字传输解决模拟信号数字化问题，也称为脉冲代码调制PCM（Pulse Code Modu
15、lation）。具体过程分为采样、量化、编码。根据Nyquist原理进行采样：如果在规则的时间间隔内，以高于两倍最高有效信号频率的速率对信号f(t)进行采样的话，那么，这些采样值就包含了原始信号的全部信息。这一过程称为采样。例如，语音信号频率限于4000Hz以下，则每秒钟采样8000次就可以得到完整的语音信号特征。采样后，需用二进制代码序列来表示模拟采样值，该数字化过程称为量化。量化可分为2n个等级，每个采样值近似地用n位二进制数来表示，这一过程称为编码。,数据编码技术（脉冲代码调制）,常用的PCM技术将模拟信号振幅分成多级（2n），每一级用 n 位表示。例如：贝尔系统的 T1 载波将模拟信号分成128级，每次采样用7位二进制数表示。 Figure差分脉冲代码调制原理：不是将振幅值数字化，而是根据前后两个采样值的差进行编码，输出二进制数字。 可以压缩或减少信道需要传输的比特数。 （增量）调制原理：根据每个采样值与前一个值之间差“+1”或“-1”来决定输出二进制“1”或“0”。缺点：编码速度跟不上变化太快的信号。 Figure,
