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1、第二章 数据通信基础知识,结束放映,学习目录,学习要求,内容简介,作者：蒋占军,内容简介,数据可靠传输将涉及很多内容和具体技术，本章将介绍信号带宽的概念、调制解调的基本概念、传输信道的性质、信道复用技术、数据编码标准、语言编码及IP电话原理，数据压缩编码以及数据通信系统的同步技术等内容 。,返回,结束,学习要求,1. 了解信号分类方式，掌握信号频谱与带宽的概念。 2. 了解调制解调的基本原理 3. 了解信道噪声的种类及特点，掌握信道容量公式。 4. 了解各种信道的特点。 5. 了解话音信道传输数据信号的基本要求。 6. 掌握频分复用、时分复用技术的基本原理。 7. 掌握语音压缩比编码和数据压缩
2、编码的基础知识。 8. 掌握数据通信系统同步类型及其实现方式,返回,结束,学习目录,返回,2.1 信号与调制解调 2.2 传输信道 2.3 多路复用 2.4 数据编码 2.5 数据通信的同步,结束,2.1 信号与调制解调,本节内容提要：,信号分类：模拟信号与数字信号基带信号与频带信号周期信号与非周期信号确知信号与随机信号能量信号与功率信号,本节将介绍信号的频谱、带宽以及调制解调的基本概念。,2.1.1 信号的频谱,随机信号的频谱常用其功率普密度表示：,功率普密度与信号平均功率的关系：,2.1.2 信号的带宽,信号的绝对带宽(B)通常是指信号频谱正频域非零部分对应的频率范围，如下图所示：,基带数
3、据信号的一般都具有无穷大的绝对带宽，如下图所示：,2.1.2 信号的带宽,实际应用中依据信号功率谱定义了以下几种等效带宽。,(1) 零点带宽 数据信号频谱主要能量是集中在第一个零点之内的，当其旁瓣不足以引起信号失真时，定义 fb 为信号的零点带宽。,2.1.2 信号的带宽,(2) 百分比带宽 百分比带宽由下式来定义：,其中 fr 称为百分比带宽， 可以取96%、98%、99%等值，其含义是，在该带宽范围内信号的功率占总功率,2.1.2 信号的带宽,(3) 矩形等效带宽 对于具有在零点或中心频率处取最大值频谱结构的信号，如下图所示，可以定义矩形等效带宽BC 。,其含义为：,2.1.2 信号的带宽
4、,(4) 3dB带宽 3dB带宽又称半功率带宽，如下图所示：,2.1.3 调制解调的基本概念,1. 调制解调定义,时域定义：调制就是用基带信号去控制载波信号的某个或几个参量的变化，将信息荷载在其上形成已调信号传输，而解调是调制的反过程，通过具体的方法从已调信号的参量变化中将恢复原始的基带信号。,频域定义：调制就是将基带信号的频谱搬移到信道通带中或者其中的某个频段上的过程，而解调是将信道中来的频带信号恢复为基带信号的反过程。,调制解调器(Modem)就是调制和解调的统称,2.1.3 调制解调的基本概念,x(t) 调制信号，即数据终端产生的基带信号C(t)是载波，AC是载波幅度，fC是载波频率简称
5、载频,0是载波的初始相位。,s(t)是已调信号，即调制后的频带信号，其中包含了x(t)的全部信息，信道中传输的就是该信号。,2. 调制器模型,2.1.3 调制解调的基本概念,按照调制信号x(t)的类型,按照载波类型,3. 调制分类,按照调制器功能,模拟调制：x(t)是模拟基带信号，例如AM、FM等 数字调制：x(t)是数字基带信号，例如FSK、PSK等,连续载波调制：载波是连续波形信号，例如正弦高频信号 脉冲载波调制：载波是脉冲序列，常用的是矩形脉冲序列,幅度调制：调制信号控制载波幅度变化，例如AM、ASK等 频率调制：调制信号控制载波瞬时频率变化，例如FM、FSK等 相位调制：调制信号控制载
6、波瞬时相位变化，例如PM、PSK等。,2.1.3 调制解调的基本概念,相干解调：通过本地相干载波进行相干运算，从已调信号的相位变化中恢复原始信号的方法。其模型如下图所示：,4. 解调分类,假设初始相位是0，则：,所以经理向低通滤波器LPF之后，输出信号为：,2.1.3 调制解调的基本概念,非相干解调：其原理是从已调信号的幅度变化中提取调制信号，因为其不需要同步载波，所以又称之为非同步解调。,和相干解调相比，非相干解调设备更简单，实现更容易，例如常用的包络检波器，,非相干解调器通常存在门限效应，故小信噪比输入时并不适用。,所谓门限效应是指当解调器输入信噪比下降到一定程度时，输出信噪比急剧恶化的现
7、象。,输出信噪比是输出信号与输出噪声平均功率之比，是衡量通信可靠性的一个指标，与误码率有直接关系。,2.1.3 调制解调的基本概念,实现无线发射,实现频分复用,5. 调制解调的功能,选择合适的调制解调方式可以提高传输的有效性,选择合适的调制解调方式可以提高传输的可靠性,2.2 传输信道,本节内容提要：,传输信道是任何通信系统中必不可少的组成部分，信道的传输性如何将直接影响系统的信能。本节将介绍通信信道的基本概念、各种传输介质的特性、信道噪声、信道容量以及话音信道传输数据信号时的要求与性能等内容。,2.2.1 传输信道分类2.2.2 传输介质2.2.3 信道噪声2.2.4 信道容量2.2.5 话
8、音信道传输数据信号,2.2.1 传输信道分类,1. 狭义信道和广义信道,狭义信道即传输媒介广义信道由传输媒介和部分收发端的通信设备组成,2.2.1 传输信道分类,2. 调制信道和编码信道,调制信道：从调制器出发到解调器为至的所有通信设备和传输媒介,编码信道：从编码器出发到译码器为至的所有通信设备和传输媒介,2.2.1 传输信道分类,3. 恒参信道和变参信道,恒参信道是指在信号传输过程中，信道传输特性对信号的影响是确定的或者是变化极其缓慢的，可将其视为一个非时变的线性网络。,变参信道：其传输特性随时间变化而变化，一般将其等效成时变线性网络或者时变非线性网络来分析。,典型的恒参信道如如双绞线、同轴
9、电缆、光纤等有线信道以及微波信道、卫星信道等。,典型的变参信道如电离层反射信道、对流层散射信道以及移动通信信道等。,2.2.1 传输信道分类,4. 无记忆编码信道和有记忆编码信道,无记忆信道是指传输过程中错误码元相互统计独立的信道有记忆信道是指错误码元之间具有某种统计相关性的信道,实例分析：二进制无记忆信道模型如下图所示,其对应的误码率公式为:,2.2.2 传输介质,1. 双绞线,双绞线由两根相互绝缘的铜线以均匀的扭矩对称扭绞在一起形成。,绞合的目的: (1) 减少线对之间的相互干扰，(2) 同时还增强了机械和电气稳定性,分类,2.2.2 传输介质,2. 同轴电缆,同轴电缆由内导体，绝缘层外导
10、体和塑料保护外套组成，如下图示：,分类,内外导体组成一组线对，外导体同时起到屏蔽外界电磁干扰的作用,基带同轴电缆：阻抗为50欧姆，用于局域网数据传输10Base-2等宽带同轴电缆：阻抗为75欧姆，CATV网以及PSTN局间传输,2.2.2 传输介质,3.光纤,光纤可以由超纯硅、合成玻璃甚至塑料制造，其结构如下图示：,光纤有单模光纤和多模光纤两类，前者具有较宽的频带，传输损耗小，后者频带较窄、传输衰减也比较大。,光传输系统,2.2.2 传输介质,4. 无线信道,长波信道：30Hz300KHz，用带宽小，天线尺寸大，常用于电报、电话、水下通信、海上导航等领域,中波信道：0.33MHz，用于广播，业
11、余无线电以及海上无线电通信等领域，其中5001500KHz是标准民用调幅广播,短波信道：330MHz，信道干扰大，但其投资少，建设快，常用于军用通信和国际定点通信等,微波信道：3300GHz，天线方向性通信容量大，可用于微波、卫星通信，射电天文，科学研究等,超短波信道：30MHz3GHz，天线尺寸小，可用于移动通信，雷达，航天航空，卫星通信等,2.2.3 信道噪声,1. 起伏噪声,起伏噪声是以热噪声、散弹噪声和宇宙噪声为代表的噪声。,起伏噪声的特点是时域和频域表现平稳，在所有通信系统中普遍存在且不可避免。,起伏噪声对数据通信的影响是产生随机错误，随机错误表现为错误码元随机出现，彼此无相关性。,
12、起伏噪声是无记忆信道中噪声的主要表现形式。,2.2.3 信道噪声,2. 脉冲噪声,脉冲噪声在时域表现为无规则突发的短促噪声，从频域来看，脉冲噪声通常有较宽的频带，但频率越高，频谱强度越小。,脉冲噪声特点在于突发性、幅度大、持续时间短，且相邻脉冲之间有较长的寂静区，脉冲噪声是记忆信道中噪声的主要表现形式。,脉冲噪声对数据通信的影响是产生的突发错误，错误码元比较集中，且相互之间具有某种相关性,2.2.3 信道噪声,3. 高斯白噪声,可以从以下两方面对高斯白噪声下定义 ：,其任意维概率密度函数都服从高斯分布(即正态分布)高斯噪声,在整个频域具有均匀分布的功率谱密度白噪声,2.2.4 信道容量,1.奈
13、奎斯特信道容量公式,奈奎斯特研究了理想信道(无噪声、无码间干扰)时带宽与速率的关系，并得到以下结论：,其中 B为带宽单位是Hz，M为传输时数据信号的取值状态，即采用M进制传输,2. 香农信道容量公式,香农研究了用模拟信道传输数字信号时的信道容量问题，并得出了著名的香农公式：,其中B为带宽，单位是Hz，S/N为信噪功率比 。,2.2.5 话音信道传输数据信号,1. 线性系统分析,时域分析（卷积）,2.2.5 话音信道传输数据信号,2. 信号无失真传输,信号无失真传输的定义,信号无失真传输是指信号经过线性系统后只有幅度的衰减或放大，以及时延，而无波形失真。,对应的频域信号为：,对应的时域信号为：,
14、2.2.5 话音信道传输数据信号,即系统的幅频特性和相频特性满足下式，就可以实现信号无失真传输,信号无失真传输的条件,定义群时延特性为,所以信号无失真传输时，群时延特性需满足,2.2.5 话音信道传输数据信号,由以上分析可知若要实现信号无失真传输，系统特性必须如下图所示,无失真传输特性,幅频特性,相频特性,群时延特性,2.2.5 话音信道传输数据信号,3. 话音信道传输数据信号的要求,衰减与电平,信号在传输过程中由于传输媒介的阻抗特性会出现衰减，同时又可以在一些设备中得到放大,对于数据传输CCITT H.12建议规定信号的最大净损耗不得超过28dB,CCITT H.51规定了在模拟话音信道上传
15、输数据信号的功率一般情况下功率最大值为-13dBm0，即在零测试电平点测得的数据信号的平均功率不应超过-13dBm。,信号的传输衰减通常使用绝对电平来表示，其常用单位是dBmdBm0表示零测试电平点，当使用测试单音进行线路调整时，那里的功率是0dBm，即1mW,2.2.5 话音信道传输数据信号,幅频失真,若幅频特性不理想，信号经过信道传输后各个频率分量获得的增益不相同，此时对应的时域信号波形就会出现波形畸变。,原始波形 基波：二次谐波=2：1,失真波形 基波：二次谐波=1：1,波形失真示意图,2.2.5 话音信道传输数据信号,CCITT M.1020建议对幅频特性的要求如下图所示 ：,2.2.
16、5 话音信道传输数据信号,群时延失真,群时延特性的失真反映了相位频率特性的失真程度，它将对信号的各个频率分量产生不同的时延量，从而引起时域信号波形失真。,CCITT M.1020建议对群时延特性的要求如下图所示,2.2.5 话音信道传输数据信号,噪声影响,话音信道对噪声的要求已达到数据通信的要求话音通信中，要求系统的输出信噪比至少应大于26dB，数据通信中一般要求输出信噪比在25dB左右,话音通信中部没有特别关注脉冲噪声的影响，但脉冲噪声对数据通信的影响很大，甚至会导致通信失败 。,例如用 56Kbit/s的V.90Modem传输数据，若有一个强度较大的脉冲噪声，持续时间为1ms，则其将影响到56个比特的判决结果。,CCITT建议对不同的传输速率有不同的规定，一般规定，在限定的时间内，超过门限电平的脉冲数目不能超过某个阈值 。,2.2.5 话音信道传输数据信号,3. 数字话音信道传输数据,数字话音信道是指PCM (脉冲编码调制)电话信道，每条信道的速率都是64Kbit/s。,
