第2章教案

第2章数据通信基本技术本章主要内容•数据通信原理•通信编码技术•数据传输方式•多路复用技术2.1 数据通信原理•数据通信是指在两点或多点之间通过通信系统以某种数据形式进行信息交换的过程，它可以把信息从某一处安全可靠地传送到另一处。2.1.1通信系统模型•通信系统由信源、发信终端、传输媒介、收信终端和信宿组成。

•信源提供的语音、数据、图像等待传递信息由发信终端设备变换成适合于在传输媒介上传送的通信信号发送到传输媒介上传输，当该信号经传输媒介进行传输时，被叠加上了各种噪声干扰，收信终端将收到的信号经解调等逆变换，恢复成信宿适用的信息形式，这一过程就是对通信系统工作原理的简单描述。

通信系统模型组成框图通信系统分为模拟通信和数字通信。模拟通信：以模拟信号来传送信息的通信方式。

数字通信：以数字信号传送信息的通信方式。1. 模拟通信系统•模拟通信中，信源输出的模拟信号经调制器进行频谱搬移，使其适合传输媒体的特性，再送入传输信道传输。在接收端，解调器对收到的信号进行解调，使其恢复成调制前的信号形式，传送给信宿。

₪优点：传输信号的频带占用比较窄，信道的利用率较高。

₪缺点：抗干扰能力差、保密性差、设备不易大规模集成，不适应

计算机通信的需要。2. 数字通信系统•信源编码器–作用1：–将信源发出的模拟信号变换为数字信号，称为模/数(A/D)转换，经过A/D转换后的数字信号称为信源码。–作用2：–实现压缩编码，使信源码占用的信道带宽尽量小。信源码不适于在信道中直接传输，因此要经过信道编码器进行码型变换，形成信道码，以提高传输的有效性及可靠性。2. 数字通信系统•信道译码器：对收到的信号进行纠错，消除信道编码器插入的多余码元，信源译码器把得到的数字信号还原为原始的模拟信号称为数/模(D/A)转换，提供给信宿使用。

•当然数字信号也可采取频带传输方式，这时需用调制器和解调器对数字信号进行调制，将其频带搬移到光波或微波频段上，利用光纤、微波、卫星等信道进行传输。2.1.2数据通信系统•数据通信是指依据通信协议，利用数据传输技术(模拟传输或数字传输)在两个功能单元之间传递信息。数据通信离不开计算机技术，从某种意义上说，数据通信可以看成是数字通信的特例。

•两方面内容：–信道的组成、连接、控制及其使用；–信号如何在信道上传输和控制。2.1.2数据通信系统•数据通信系统都是由数据终端子系统、数据传输子系统和数据处理子系统三部分组成的。2.2通信编码技术•数据编码技术：–一个模拟物理量（如电流、电压、温度、长度等等）及文字、图像、图形、声音等都有自己的表示方式。而各种信号在计算机中存储和传输都必须转换为二进制数据。确切地讲是模拟数据数字信号编码技术。

•数字编码技术：–二进制数据在线路中传输时，必须使得接收方能够辨别出发送方所传来的数据，这就要求收发双方依据一定的方式将数据表示成某种编码。

•数字数据的数字信号编码：–利用数字信号传递数字数据。•数字数据的调制编码：–利用模拟信号传递数字数据叫做2.2.1模拟数据数字信号编码技术•模拟数据数字信号编码技术的典型方法是脉冲编码调制方法（PCM，Pulse Code Modulation）。一个模拟数据要通过这种方法变成数字数据要经过三个步骤：采样、量化和编码。

1. 采样–一个模拟信号在时间上是连续的，而数字信号要求在时间上是离散的。这就要求系统每经过一个固定的时间间隔（采样周期）对模拟信号进行测量。这种测量就叫做采样。这个时间间隔就叫做采样周期。采样周期的长度可以依据采样定理来确定。

2. 量化–模拟信号不仅在时间上是连续的，而且在幅度上也是连续的。而数字信号要求有离散的数值。这就需要对与采样得到的测量值进行数字化转换，也就是量化。测量值不一定正好等于其中的某一个数值，而是要根据测量值的大小选择一个近似的量化数值（取整），这种不能使量化数据准确表达测量值的情况叫做在量化过程中加入了“量化噪声”。

–量化过程通常使用一种叫做A/D转换器（模拟数字转换器）的器件来完成。3. 编码取得量化数值以后，要把它们转换成为二进制数据，这个过程叫做编码。4. 采样定理

在把一个模拟信号通过“采样”变成在时间上“离散”的信号以后，能不能保留原有信号的特征，或者说能不能由它来恢复出原有信号就非常重要了。

采样定理指出，对于一个模拟信号，如果能够满足采样频率大于或等于模拟信号中最高频率分量的两倍，那么依据采样后得到的离散序列（系列离散数值）就能够没有失真地恢复出原来的模拟信号。在这些成分中，最高频率分量是采样定理所关注的。2.2.2数字数据的数字信号编码使用数字信号来表示数字数据就是把二进制数字用两个电平来表示。两个电平所构成的波形是矩形脉冲电信号。根据不同的表示方法，有如下几种编码方案。

1. 不归零码（1）全宽单极码–全宽单极码以高电平（或者有电流）表示数据“1”，以低电平（或者没有电流）表示数据“0”。因为这种方法不使用负电平，所以称为单极码，又因为无论是“0”或者是“1”，信号波形都是在一个码元的全部时间内发出，所以称为“全宽”。

（2）全宽双极码–全宽双极码以正电平（或者正向电流）表示数据“1”，以负电平（或者反向电流）表示数据“0”。双极码的优点是有正负信号可以相互抵消其直流成分。在线路中，尤其是在长距离线路中，是不希望有直流成分存在的。•这两种编码方式都是在一个码元的全部时间内发出信号电平。如果两个码元数据相同（例如都是1），则电平保持不变。而这种情况下要求区分每个码元的电平就必须对每个码元的占用时间做精确确定，换句话说，不容易区分码元之间的界限。2. 归零码–归零码避免了不归零码的缺陷。在这种编码方式中，信号电平在一个码元之内都要恢复到零，所以称为归零码。也正因为如此，可以很方便地确定每个码元的界限和信号电平。

–单极归零码和双极归零码的含义和上面相似。3. 曼彻斯特编码–曼彻斯特编码在一个码元之内既有高电平，也有低电平，在一个码元的中间位置发生跳变。可以制定一项标准，确定是以码元的前半部分为信号的值还是以码元的后半部分为信号的值。例如图2.7中是以后半部分为准。

4. 差分曼彻斯特编码–差分曼彻斯特编码和曼彻斯特编码相似，只不过是以一个码元开始时是否发生相对于前一个码元的跳变来确定数据的值。图2-7中是以没有发生跳变为“1”，发生跳变为“0”。数字数据信号波形2.2.3数字数据的调制编码调制:改变模拟信号的若干参数来代表二进制数据的方法

解调:从模拟信号中把二进制数据提取出来的过程。

在线路中传输的的模拟数据都是经过调制的正弦波。

u(t)为正弦波的瞬时值，即对应于任一确定时刻的正弦波的幅度值；

Um是正弦波的最大幅度值；ω是正弦波的频率值，单位是弧度/秒，亦称为角频率；

t为时间，单位是秒；Ф0是当t=0时正弦波所处的相位，叫做起始相位角，也叫做初相位角，单位也是弧度。正弦波的三个参量1. 振幅键控方式–在振幅键控方式（ASK，Amplitude Shift Keying）中，根据信号的不同，调节正弦波的幅度。由于只有两种幅度，好像是由开关控制一样，所以称为“键控”。利用控制振幅来表示信号的控制方式用得极其广泛，例如日常的中短波广播、电视的图像信号传播。只不过信号不只是0和1 ，而是连续信号（模拟信号）或是多级信号（如16级或更多，用于数字信号）。2. 移频键控方式–移频键控方式（FSK，Frequency Shift Keying）的信号频率在信源端受调制信号的调制发生移动（即为移频），产生不同频率的正弦波信号。调制后的某种频率的正弦波形一旦由信源端发出以后，在传输过程中尽管信号幅度会因各种原因发生变化，但是信号频率不会发生变化，只要信宿端能够正确辨别信号的频率，就能得到正确的数据。所以所传输的数据不容易发生差错，也就是移频键控方式的优点在于信号的抗干扰能力强。移频方式因为具有这种优点，也用于可以保证音质的调频广播，同样，这时的信号不只是数字0和1，而是连续信号或多级数字信号。移频键控方式的实现比振幅键控方式在技术上要复杂得多。3. 移相键控方式–相移频键控方式相比，移相键控方式（PSK，Phase Shift Keying）具有更多的优点。其中最主要的是正弦波的相位变化在一个波形周期中就可以测量出来，而移频键控方式则要求的周期数多一些。再有，使用移相键控方式传输数据时，只需要一种频率，所占用的带宽小，外界干扰对于调相的影响也最小。因而在通信中这种方式得到了广泛的应用。然而这种方法在技术实现上更为复杂，目前也仅用于通信领域。在实际应用中，经常把调频和调相方式结合起来使用，以取得更高的调制效果。