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1、第2章 数字与数据通信概论,本章学习的目标： 1了解通信系统的组成 2掌握数字通信系统的特性 3了解信息及其度量、香农公式 4掌握数字通信系统的性能指标 5掌握通信的方式 本章的重点： 1数字通信系统构成及特点 2通信方式 3数字通信的主要性能指标 本章的难点： 1信息及其度量 2数字通信的主要性能指标 课前预习相关的内容： 预习电路基础中的正弦信号、传输函数及数学中的对数运算。,通信跟随人类诞生就出现，在人类的社会生活和各种社会生产中都离不开通信。古代的人们通过驿站、飞鸽传书、烽火报警、击鼓等方式进行信息传递。而今，随着科学技术水平的飞速发展，相继出现了无线电，固定电话，手机，互联网、可视电
2、话等各种通信方式来传递信息。 “通信”是在相距的两点或多点之间进行信息的传递和交换。在自然科学中所涉及的“通信”这一术语是指电通信（光通信也属于此类）。电通信是利用“电”来传递信息的通信方式。通过电通信几乎能使信息在任意的通信距离上实现传递快速、准确、可靠和安全。,2.1通信的基本概念,2.1.1 通信的定义,2.1.2 通信分类,2.按传输媒质分类 按消息由一地向另一地传递时传输媒质的不同，通信可分为：有线通信和无线通信。 何谓有线通信，是指传输媒质为架空明线、电缆、光缆、波导等传输媒质的通信，其特点是媒质能看得见，摸得着。有线通信可进一步再分类，如明线通信、电缆通信、光缆通信等。 何谓无线
3、通信，是指传输消息的媒质为看不见、摸不着的媒质（如电磁波）的一种通信形式。无线通信常见的形式有微波通信、短波通信、移动通信、卫星通信、散射通信和激光通信等，其形式较多。,1.按通信的业务分类 根据通信的业务的不同可分为：语音通信和非语音通信两大类。电话业务在电信领域一直占有主导地位。非语音业务包括电报通信、数据通信、图像通信等，比如短信、数据库检索、电子邮件、传真存储转发、可视图文及电视会议等。,3. 按信道中所传信号的特征分类 按照信道中传输的是模拟信号还是数字信号，可以相应地把通信系统分为模拟通信系统与数字通信系统。 4. 按工作频段分类 按通信设备的工作频率不同，通信系统可分为长波通信、
4、中波通信、短波通信、微波通信等。,通信中工作频率和工作波长可互换，公式为,其中：为波长，f 为信号频率，c为光速c=3108 m/s,（2.1）,表2.1 通信频段与常用传输媒质,5.按调制方式分类 根据是否采用调制，可将通信系统分为基带传输和频带（调制）传输。表2.2列出一些常见调制方式及其主要用途。,6.按复用方式分类 在同一信道上传递多路信号时采用复用技术。常用的复用方式有时分复用(TDM)、频分复用(FDM)、码分复用(CDM)、空分复用(SDM)等。,表2.2 常见的调制方式,2.2.1 通信系统的模型,2.2通信系统与通信方式,通信的目的将信息从一地传递到另外一地，因此，将用于完成
5、通信这一过程的全部设备和传输介质称为通信系统。 实现通信的方法很多，具体的通信系统种类比较多，虽然不同的通信系统有不同的用途和具体的电路结构，但都有相同的基本结构。图2.1（a）为有线长途电话系统示意图，图2.1(b)为广播通信系统示意图。,从图2.1的示意图可知通信系统一般模型图2.2，由信源、发送设备、信道和噪声、接收设备、信宿四大部分组成。,信源的作用是产生（形成）消息，并完成非电信号转换为电信号。信源可能是人也可能是机器，信源输出的是待传输的信号，它可以是模拟信号也可以是数字信号。例如电话的送话器产生的语音信号、电视摄像机的图像信号、各种传感器的检测信号等输出的是模拟信号。计算机数据输
6、出的信号为数字信号。,1.信源,发送设备的作用是使传输的信号与信道相匹配，因此它将基带信号转换为适合信道传输的电信号或光信号。如编码器、调制器、复用器等。,2发送设备,信道是信号传递所通过的通道即传输媒质，有无线信道和有线信道。不同的信道其传输特性不同。,3.信道和噪声,噪声是信号在传输过程中不可避免混入的各种干扰信号，它散布在整个通信系统各点，为分析方便折合到信道并集中表示，如热噪声、脉冲干扰等,信宿是接收信号的人或机器，它的作用是将基带信号恢复为原始信号。如听筒、屏幕等。,4.接收设备,接收设备的作用将接收到的带有干扰的信号进行处理以恢复出基带信号。如译码器、解调器等。,5.信宿,2.2.
7、2 模拟通信系统,模拟通信系统是利用模拟信号传递信息的通信系统，图2.3为模拟通信系统的模型。信号在模拟通信系统中传递时噪声是叠加在信号上，并随传输距离的增加而噪声增加，接收端很难将噪声从信号中分离。因此，模拟通信系统抗干扰能力较差而且不适合长距离传输，不易保密、也不便于与计算机连接。,2.2.3 数字通信系统,信道中传输数字信号的通信系统称为数字通信系统，如图2.4为频带传输的数字通信系统模型。在数字通信系统中信源发出和信宿接收的是模拟信号，而信道传输的是数字信号，因此，可以说数字通信系统是以数字信号的形式传输模拟信号的通信系统。,（1）抗干扰能力强，无噪声积累。,数字通信与模拟通信比较数字
8、通信具有以下优点：,在模拟通信，中继器将有干扰信号放大后送往下一级，下一级接着放大再往下送，这样一级一级下去，噪声被不断地放大，形成噪声积累直到通信终端,如图2.5(a)。 而在数字通信中，数字信号的取值个数有限的离散值(大多数情况只有0和1两个值)，在传输过程中噪声的干扰也是叠加在传输信号上，数字信号与信号的绝对值关系不大，只要注意相对值即可。所以通过取样判决、再生，只要再生后产生的码元组合不变，就可恢复原来的数字信号，如图2.5(b)。噪声就被中继器“隔离”，从而消除了噪声积累，因此，在传输中即使中继站再多，仍能具有良好的通信质量，从而实现远距离的高质量通信。,（2）差错可控。 在数字通信
9、系统中，采用检纠错技术对传输中出现的差错(误码)可以设法控制，提高了传输质量。 （3）数字信息易于加密且保密性强。 通过各种复杂的加密算法对数字信号加密，而只需简单的逻辑电路能实现加密和解密，从而极大的提高通信系统保密性。 （4）能够适应各种通信业务。 随着计算机技术、交换技术、数字处理技术的发展，许多设备和终端接口都能适用于数字信号传输，如电报、话音、图像、数据等多种信息能够传输。在技术允许的范围内还可以对数字信号进行加工、处理、储存，增加了通信系统的灵活性和通用性。 此外，数字通信系统还有智能化、设备易于集成化、微型化等。,总之，数字通信的优点很多，但事物总是一分为二的。数字通信也有其缺点
10、： (1) 占用频带宽。 一路模拟电话信号的带宽为4kHz，而一路数字电话信号（PCM终端机）要占64kHz的带宽。也就是一路PCM信号占用了几个模拟电话信号，如果系统传输带宽一定，模拟电话的频带利用率要高出数字电话的515倍。在系统频带紧张的场合，数字信号占用较宽的带宽的缺点十分突出，但数字通信的许多长处是以增加信号带宽为代价的。 (2) 需要严格的同步系统。 数字通信中，要准确地恢复信号，正确把每一个码元区分，必须要求收端和发端保持严格同步。 虽然数字通信系统有缺点，但随着频带压缩技术和集成技术的迅速发展，其缺点已经不太重要了。,1.数据 随着社会的进步，传统电话、电报通信方式已不能满足人
11、们的需要，以数据为信息载体的通信手段已成为人们通信的另外重要组成部分。用数据表示的内容十分广泛，如电子邮件、电子表格、各种文本文件、数据库、图形和二进制可执行程序等，目前对“数据”没有严格的定义，一般这样认为：数据是预先约定的具有某种含义的数字、字母或符合的组合。,2.2.4 数据通信系统,2.数据通信 数据通信是依照一定的协议，利用数据传输技术在两个终端之间传递数据信息的一种通信方式和通信业务。它可实现计算机和计算机、计算机和终端以及终端与终端之间的数据信息传递。它是继电报、电话业务之后的第三种最大的通信业务。,数据通信的特点： （1）实现计算机之间或计算机与人之间的通信，需定义严格的通信协
12、议或标准。 （2）数据传输的准确性和可靠性高(误码率要求小于10-8)。 （3）通信速度很快，可以传输和处理大量的数据。 （4）通信持续时间差异大。 （5）具有灵活的接口功能，能满足不同的计算机和终端的相互通信。,数据通信系统是通过数据电路将分布在远端的数据终端设备与计算机系统连接起来，实现数据传输、交换、存储和处理的系统。典型的数据通信系统结构如图1.6所示。数据通信系统是通信系统中一个重要的组成部分，它是计算机技术中经常用到的一种通信系统。,3.数据通信系统,（1）数据终端设备（DTE）由数据输入设备、数据输出设备和通信传输控制器组成。 数据输入/输出设备是操作人员与终端之间的界面，它把人
13、可以识别的数据变换成计算机可以处理的信息或者相反的过程。常见的输入设备有键盘、鼠标、扫描仪等，输出设备有显示器、打印机、绘图仪等。 通信传输控制部分主要执行与通信网络之间的通信过程控制，包括差错控制和通信协议实现等。,（2）数据电路 数据电路由传输信道及两端的数据电路终端设备组成。位于数据终端设备（DTE）与中央计算机之间，为数据通信提供传输信道。 数据电路终接设备（DCE）的主要作用是信号变换。如果信道是数字信道，DCE实际是数字接口适配器，可以实现码型和电平变换、定时、信号再生、信道均衡等功能。如果是模拟信道DCE是调制解调器（MODEM）。,图2.7为数据通信系统的示意图，通过电话通信线
14、来传输数据信号，在发送端通过调制解调器将数据信号转换为模拟信号，而在接收端调制解调器将模拟信号转换为数据信号。,由计算机或数据终端设备发出的数据信息一般是字母、数字或符号的组合，为了传输这些字母、数字或符合用二进制“0”和“1”组成的代码表示。常用的传输代码有ASCII码、国际电报2号码、EBCDIC码和信息交换用汉字代码。,4.传输代码,（1）ASCII码 ASCII码是美国标准信息交换码。它是一种7单位代码，以7位二进制码来表示一个字母、数字或符号，是数据通信中使用最普遍的一种代码。,（2）国际电报2号码 国际电报2号码是一种5位代码，广泛应用于电报通信中。是电传电报中的标准用码，低速数据
15、传输系统中常使用这种码。5位码加上转移控制码(“数字/字母”可改变代码意义)，共有64种表示，实际中应用了58个。国际电报2号码编码。 （3）EBCDIC码 扩展的二-十进制交换码EBCDIC，它是IBM公司开发的8比特代码，可以表示256个不同字符。主要用于IBM大型机和外围设备。EBCDIC码目前只定义了143种，剩余113个，这对需要自定义的字符非常有利。EBCDIC编码表。 （4）信息交换用汉字代码 汉字代码是汉字信息交换用的标准代码，适用于一般的汉字处理、汉字通信等系统之间的信息交换。,通信方式指通信双方或各方之间的工作形式和信号传输方式。根据不同角度考虑，通信方式有多种分类方法。
16、1.按通信终端的数量分类可分为点到点传输、点到多点传输和多点到多点传输。如图2.8所示。 （1）点到点传输指两个终端之间的传输，如图2.8(a)。比如遥控玩具、航模等。 （2）点到多点传输指一个终端与多个终端之间的传输方式，如图2.8(b)所示。如广播电台与收音机、电视台与电视机的通信等。 （3）多点到多点传输指多个终端与多个终端之间的传输，如图2.8(c)所示。如视频会议等。,2.2.5 通信方式,2.按信号传送的方向与时间关系可分为单工传输、半双工传输和全双工传输。 （1）单工传输 单工传输指信息只能一个方向传递的工作方式，如图2.9（a）所示。如广播、遥控、遥测、计算机到显示器、键盘到计算机等。 （2）半双工传输 半双工传输指通信双方都能收发信息，但不能同时进行收发的工作方式，如图2.9（b）所示。如对讲机、收发报机、检索、询问等。 （3）全双工传输 全双工传输指通信双方能同时进行收发信息的通信方式，如图2.9（c）所示。如电话等。,（1）串行传输 串行传输指数字信号码元序列排成一行，按时间顺序一个接一个的在一条
