數(shù)字通信基礎(chǔ)

通信技術(shù)基礎(chǔ)陳紅2014年03月二、數(shù)字通信基礎(chǔ)返回1、數(shù)字通信技術(shù)2、通信系統(tǒng)的性能指標本節(jié)內(nèi)容與要求返回通信技術(shù)基礎(chǔ)——主要介紹數(shù)據(jù)通信的概念、調(diào)制解調(diào)技術(shù)、傳輸編碼、傳輸方式、差錯控制、傳輸控制協(xié)議、多路復(fù)用、數(shù)據(jù)交換、虛電路概念等。要求——本節(jié)內(nèi)容是計算機網(wǎng)絡(luò)通信的基礎(chǔ)，能夠理解網(wǎng)絡(luò)通訊的基本原理。1、數(shù)字通信技術(shù)數(shù)字通信——在數(shù)字信道上實現(xiàn)模擬信息或數(shù)字信息的傳輸模擬通信——在模擬信道上實現(xiàn)模擬信息或數(shù)字信息的傳輸返回數(shù)字通信系統(tǒng)信源編碼調(diào)制器信道解調(diào)器信道解碼噪聲源信源收信者信道編碼信源解碼差錯控制數(shù)字通信的優(yōu)點返回抗噪聲（干擾）能力強可以控制差錯，提高了傳輸質(zhì)量便于用計算機進行處理易于加密、保密性強可以傳輸語音、數(shù)據(jù)、影像，通用、靈活計算機通信僅在不得已的情況下，才會采用模擬通信，如通過電話線撥號上網(wǎng)。（1）信源編碼信源編碼——將信息或信號接一定的規(guī)則進行數(shù)字化 的過程。對于本身具有離散的特點的信息，如文字、符號等可以用一組一定長度的二進制代碼來表示，稱其為信息碼。對于連續(xù)信號如話音、圖像等，其數(shù)字編碼與解碼過程，實際上就是模數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D）和數(shù)模轉(zhuǎn)換（D/A）返回(a)ASCII碼—文字、符號數(shù)字化A1000001Q1010001g1100111w1110111“0100010B1000010R1010010h1101000x1111000#0100011C1000011S1010011i1101001y1111001$0100100D1000100T1010100j1101010z1111010%0100101E1000101U1010101k110101100110000&0100110F1000110V1010110l110110010110001‘0100111G1000111W1010111m110110120110010(0101000H1001000X1011000n110111030110011)0101001I1001001Y1011001o110111140110100*0101010J1001010Z1011010p111000050110101+0101011K1001011a1100001q111000160110110,0101100L1001100b1100010r111001070110111.0101101M1001101c1100011s111001180111000-0101110N1001110d1100100t111010090111001/0101111O1001111e1100101u1110101sp0100000

P1010000f1100110v1110110!0100001

返回(b)PCM—話音信號數(shù)字化

語音信號011100011011001100

PCM輸出343314011100011011001100

PCM脈沖（有量化誤差）3.23.92.83.41.24.2

PAM脈沖返回模擬話音f<4kHz采樣時鐘PCM信號采樣電路量化和編碼數(shù)字化聲音fs=8kHz話音信道帶寬<4kHz(防混疊低通濾波器限帶)采樣時鐘頻率f：8kHz(>2倍話音最大頻率)

（此時采樣周期T=1/f=1/8000=125x10-6s=125us）量化級數(shù)：256級(每個抽樣值用8位二進制碼表示)數(shù)據(jù)率：（8x103次/s）*8bit=64x103bit/s每路PCM信號的速率=64kbit/sPCM信號速率64kbit/s返回*采樣定理語音信號要在數(shù)字線路上傳輸，必須將語音信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。這需要經(jīng)過三個步驟：采樣：按一定間隔對語音信號進行采樣量化：對每個樣本舍入到量化級別上編碼：對每個舍入后的樣本進行編碼編碼后的信號稱為PCM信號(脈沖編碼調(diào)制,PulseCodedModulation)如果模擬信號的最高頻率為f，若以2f的采樣頻率對其采樣，則采樣得到的離散信號序列就能完整地恢復(fù)出原始信號。返回E1-幀格式（PCM信號的傳輸）0121631時間片125ms=32時隙=2.048Mbps幀同步信令30路話音數(shù)據(jù)(PCM數(shù)據(jù))+2路控制用戶話路用戶話路E1——線路也可以用于計算機通信每125us為一個時間片，每時間片分為32個通道。（此時采樣周期T=1/f=1/8000=125x10-6s=125us）通道0用于同步，通道16用于信令，其他30個通道用于傳輸30個PCM話音數(shù)據(jù)。E1速率=(32x8bit)/125us=2.048Mb/s返回復(fù)用后的數(shù)據(jù)流時隙號1231D3D2D1時間片12時間片2D1時隙D2A2A1A3原始信號D2D1D3數(shù)字化信號MUX復(fù)用器同步時分復(fù)用-TDM原理——把時間分割成小的時間片（幀），每個時間片分為若干個時隙，每路數(shù)據(jù)占用一個時隙進行傳輸。由于每路數(shù)據(jù)總是使用每個時間片的固定時隙，所以這種時分復(fù)用也稱為同步時分復(fù)用（Synchronous—TDM)

返回PCM信號的幀傳輸幀(Frame)——數(shù)據(jù)鏈路中的傳輸單位，包含數(shù)據(jù)和控制信 息的數(shù)據(jù)塊。返回*PCM信號傳輸—E1/T1制式T1-標準(北美、日本)——24時隙的幀結(jié)構(gòu)E1-標準(歐洲、中國、南美)——30／32時隙的幀結(jié)構(gòu)E1(一次群)標準對E1進一步復(fù)用，還可構(gòu)成E2、E3、E4和E5。E5可承載7680個話路，數(shù)據(jù)率約為565Mbit/s返回*E1/T1制式主要技術(shù)參數(shù)G.711建議對PCM基群規(guī)定的主要技術(shù)參數(shù)如下表參數(shù)30/32路制式-E124路制式-T1話音頻率（kHz）300～3400300～3400抽樣率（kHz）88編碼位數(shù)88量化層次256256壓縮律A律（A=87.6）μ律（μ=255）單路編碼率（kbit/s）6464幀長（μs）125125時隙（幀）3224話路（幀）3024復(fù)用碼流速（kbit/s）20481544返回ABCD待發(fā)數(shù)據(jù)t1t2t3A1B1C1D1C2D2A2B2時間片1時間片2同步TDM帶寬浪費A1B1B2時間片1時間片2統(tǒng)計TDM可用帶寬C2*異步(Asynchronous)—TDM返回TDM的缺點：某用戶無數(shù)據(jù)發(fā)送，其他用戶也不能占用該時隙，將會造成帶寬浪費。改進：用戶不固定占用某個時隙，有空時隙就將數(shù)據(jù)放入。*異步傳輸模式ATM簡介信元頭部有效載荷5Byte

48Byte信元返回ATM是一種高速分組交換技術(shù)，采用了以信元(Cell)為單位的存儲轉(zhuǎn)發(fā)方式，故又稱為信元交換。信元由5字節(jié)的信元頭部和48字節(jié)的有效載荷構(gòu)成ATM將話音、數(shù)據(jù)和圖像等數(shù)據(jù)分解成長度固定的數(shù)據(jù)塊，并在各數(shù)據(jù)塊前加上地址、優(yōu)先級等控制信息構(gòu)成信元。信元流123456數(shù)據(jù)塊在ATM網(wǎng)絡(luò)中，空信元以一定的速率出現(xiàn)，發(fā)送站只要獲得空信元即可把信息插入到信元中發(fā)送。因信息插入位置無周期性，故稱這種傳送方式為異步傳輸模式。實際上就是統(tǒng)計時分復(fù)用。ATM特點：面向連接(虛連接)，按序遞交；固定大小的信元，便于高速處理(可用硬件實現(xiàn))，傳輸速率155-622Mbps；可以實時地傳送語音和活動圖像。*ATM特點返回*SONET同步光網(wǎng)絡(luò)和SDH同步數(shù)字系列SONET同步光網(wǎng)絡(luò)和SDH同步數(shù)字系列(ITU-T標準)。常用的線路速率近似為155Mbit/s，622Mbit/s，2.5Gbit/s和10Gbit/s。返回SONETSDH制式（電）制式（光）速率（Mbit/s）制式速率（Mbit/s）STS-1OC-151.84STM-1155.52STS-3OC-3155.52STS-9OC-9466.56STM-4622.08STS-12OC-12622.08STS-18OC-18933.12STS-24OC-241244.16STS-36OC-361866.24STM-162488.32STS-48OC-482488.32STS-96OC-964976.64STM-649953.28STS-192OC-1929953.28F2F1F3光譜F1F2F3共享光纖的光譜光纖2光纖3光纖1共享光纖棱柱/衍射光柵波分復(fù)責用原理：整降個波長頻軟帶被劃分頓為若干個增波長范圍侍，每路信脈號占用一記個波長范圍來紡進行傳遮輸。返回（c）圖像與籌視頻信號輸數(shù)字化圖像或視液頻信號的垂頻帶較寬掩、數(shù)據(jù)量系較大（如一幅核分辨率為誼10241024跳的真彩色倦圖像，其謝數(shù)據(jù)量約傲為25Mbi連t），經(jīng)數(shù)遞字化后的散速率很高矛，通常超袋過100Mbit過/s，其中HDTV高達7臣46Mbi鞏t／s，不壓雨縮傳送做占用的向信道容遺量相當寒大，必矮須采用扣高效的球壓縮編墾碼技術(shù)顆才能解筐決數(shù)字把圖像和巡壽視頻信澡號的有疫效傳輸握問題鋤。目前用于閣圖像壓縮株的方法主避要有：無損編鵲碼和有錘損編碼。無損編碼利用信號綿的統(tǒng)計特賊性進行共數(shù)據(jù)壓陶縮，所以又同稱為熵編坑碼。有損編右碼利用人勻的視覺特性絞進行數(shù)據(jù)省壓縮，可使得皺解壓縮后幣的圖像看顛起來逼近井于原圖像旁信號，但鄉(xiāng)豐無法完全紡無失真地籠恢復(fù)它。常用國莊際標準親：JBI吃G標準供、JPE全G標準、H.2夸61建議羞、MPE銷G標準返回圖像壓犁縮JBI萍G-別JPE多GJBIG（Joi浪nt積Bi腰Lev檔el陽Ima制ge隊Gro蕉up）聯(lián)合二值圖隙像專家組擬勻定，無損壓縮標準（適用于派黑白圖耍像）。JPEG（Join冬tPh南otog欄raph側(cè)icE京xper宴tsG罵roup）聯(lián)合倘圖像專掉家小組裳擬定，針對相片仁圖像而廣泛蜂使用的跌一種有損壓柳縮標準方貝法。靜搏止圖像換壓縮標緊準（JPE茄G/J和PEG糕20簡00)適用于黑白及畏彩色照弊片、傳定真和印榴刷圖片。JPE險G本身只有毅描述如何瓜將一個圖像轉(zhuǎn)換僚為字節(jié)的數(shù)據(jù)流給（str硬eam益ing），但哀并沒有販說明這潔些字節(jié)刑如何在貌任何特衰定的存救儲媒體唱上被封蹤蝶存起來貿(mào)。視頻壓縮H.2培61H.26哀1又稱為P*64，其中P為64k似b/s的取值范爪圍，是1到30的可變參清數(shù)，它最初是優(yōu)針對在ISD歸N上實現(xiàn)電健信會議應(yīng)幻玉用，特別臺是面對面的可視電話和視頻會議而設(shè)計邪的視頻壓貞縮MPEG巡壽-1/2MPE候G（Movi厭ngP首ictu擾reE旱xper擋tsG拖roup）運動傘圖像專秀家組。MPE艱G-1用于傳輸1.5M慎bps數(shù)據(jù)傳僻輸率的數(shù)字存妙儲媒體化運動圖戴像及其斧伴音的由編碼，經(jīng)過MPEG討-1標準壓縮介后：視頻數(shù)敏據(jù)壓縮雁率為1/10虎0-1／200，音頻壓縮摧率為1／6.5燒,提供每秒30幀352捏*24獎0分辨率再的圖像。MPE萍G-2主要針靠對高清晰度典電視（HDTV）的需要望，傳輸速農(nóng)率為10M青bps，與MPE蓬G-1兼容，適用兼于1.5-杰60Mb食ps甚至更高哲的編碼范歪圍。MPE雅G-2有每秒30幀704*添480的分辨濁率。(2)信道編采碼信道編禍碼——為了讓數(shù)茫字基帶信鑄號能夠適謎應(yīng)傳輸信種道的特性所進行的碼型轉(zhuǎn)長換(電量規(guī)定三）。適合復(fù)信道傳滅輸特性房誠的碼鍛型種類冒很多，慚常用的位碼型除脫二電平旁歸零（RZ）碼、非歸零（NRZ）碼外，還有暢：差分碼滑（相對應(yīng)碼）、Manc隸hest困er碼（雙相碼杏）、差分曼無徹斯特汽碼、彼傳注號交替博反轉(zhuǎn)（AMI）碼、搞傳圖號反轉(zhuǎn)（CMI）碼、鉛三階暴高密度爹雙極性律（HDB繪3）碼、舊4B5B碼、5B6B碼、2B1Q碼、N連零取閑代雙極原性（BNZ結(jié)S）碼及4B3T碼、MMS述43碼、3B2T（SU32）碼等連。返回*常用數(shù)字計信號傳輸紙速率與碼啊型應(yīng)用系統(tǒng)典型速率采用碼型PCM基群T11.544Mbit/sAMIE12.048Mbit/sHDB3PCM二次基群T26.312Mbit/sB6ZS/AMIE28.448Mbit/sHDB3PCM三次基群T3(日)32.064Mbit/sAMIT3(美)44.736Mbit/sB3ZSE334.368Mbit/sHDB3PCM四次群E4139.264Mbit/sCMI同步數(shù)字系列（SDH）STM-1155.520Mbit/sCMI局域網(wǎng)（LAN）以太網(wǎng)10Mbit/sManchester令牌環(huán)網(wǎng)4.16Mbit/s差分Manchester光纖分布式數(shù)據(jù)接口FDDI100Mbit/s4B5BISDN基本速率接口（BRI）S接口192Mbit/sAMIU接口160Mbit/s2B1Q數(shù)字數(shù)據(jù)網(wǎng)G.7032.048Mbit/sHDB3V.3564kbit/sN(2B1Q)返回非歸零繭碼(NRZ)不歸零碼(NRZ，Non-塞Retu肢rnt適oZe躺ro)二進制猛數(shù)字0、1分別用流兩種電頃平來表懼示。常常用－5V表示1，＋5V表示0（與常識廁高電平1，低0相反）。缺點：趨存在直乞流分量勇，傳輸啦中不能彩使用變梁壓器；不具備尿自同步頸機制，損傳輸時仍必須使圣用外同濟步。時鐘01001100011NRZ返回01001100011時鐘差分碼差分碼返回差分碼中眨利用電平抄跳變或不招跳變來分但別表示數(shù)店字1或0：編碼波熱形相對吃于前一違碼電平?jīng)r產(chǎn)生跳怠變，表患示1；波形不產(chǎn)娃生跳變與閘前一碼相兆同，表示0。用電壓的揉變化表示0和1,規(guī)定在每個碼元生的中間發(fā)生跳瞞變：高→低(10耀)的跳變代卷表0，低→高(01)的跳變匠代表1曼徹斯特也編碼(Manc紫hest紡erC杜ode)返回01001100011

時鐘Manchester差分Manchester差分曼徹撐斯特編碼(Dif執(zhí)fere豈ntia數(shù)l)返回差分曼徹色斯特編碼(Di怎ffe徐ren花tia盞lManc監(jiān)hest婦er)每個曼徹斯特墻編碼元的中間仍要發(fā)生括跳變用碼元開始魚處有跳變代營表1，無跳變田代表0曼徹斯特綿編碼(Man傻che中ste幸rC糕ode品)缺點：需余要雙倍的傳蝕輸帶寬（即信號速聰率是數(shù)據(jù)速率的2倍）。每個碼元紅中間都要謊發(fā)生跳變過，接收端斗可將此變賀化提取出辣來作為同雅步信號。需這種編碼也稱許為自同步輩碼(Sel腎f-Sy姨nchr社oniz核ing在Code鄉(xiāng)豐)。(3)差錯控制差錯產(chǎn)晴生的原稍因——噪聲。線路本身廟的電氣特趙性產(chǎn)生的溜信號幅度稅、頻率、評相位的變瘡化和衰減信號在身線路上賭反射產(chǎn)遞生的干培擾相鄰線路諷間的干擾電磁干辱擾等外跟界因素數(shù)字編峽碼有三童種類型觸：信源編碼擾、信道編型碼和差錯偏控制編碼差錯控制率編碼——是為了存讓誤碼槽所產(chǎn)生剩的影響裝降至最梳低所進字行的碼袍型變換笨。對數(shù)助字信號宜的加密蹤蝶與解密傾，技術(shù)久上與差捏錯控制灑編碼有恢很大的疼相似之斥處。返回奇偶校細驗垂直奇柜偶校驗——以字符為單位附拍加校驗位的檢驗施方法水平奇偶語校驗——以字符塊為單位繁附加校驗字符的檢驗斜方法垂直水平博奇偶校驗——例：H——010蟻0菜10泄0薦0（ASC鵝II碼）A——010暈0厚00田0暫1P——010削10疾00拍0P——楊010昏10踩00店0I——藝110對0禁10借0猴1E——110盾0鬼01橡0席1S——010基10毒01頌101導01音01拼10水平（適偶）校掀驗返回循環(huán)冗余趣校驗（CRC）CRC（cycl益icr隔edun痛danc咐yco弱de)原理：例：1100藥11可用p(x)災(zāi)=x5+x4+x1+1表示差錯控制——在數(shù)據(jù)老碼上加級冗余碼。分糾董錯碼和檢驗碼收發(fā)雙方暖約定一個生成多頑項式G(x從)將要發(fā)伍送的二教進制數(shù)彩當作多舟項式p(x清)=anxn+an-1xn-1+…+a2x2+a1x1+a0的系數(shù)。發(fā)送方在確幀的末尾貢加上校驗和，使帶校無驗和的幀曲的多項式初能被G(x)整除。校驗和是16位或32位的位經(jīng)串。接收方瀉收到后適，用G(x)除多項式掀，若有余科數(shù)，則傳晚輸有錯。返回(4)數(shù)字信牧號的載喇波調(diào)制拾編碼基本原乘理：用數(shù)字汽信號對藍載波的蔽不同參椒量進行屯調(diào)制。載波：S(t私)=Acos(t+)S(t埋)的參量遞包括：幅度A、頻率、初相位數(shù)字數(shù)坐據(jù)調(diào)制就是要推使載波的A、荷或隨床數(shù)字基突帶信號柱的變化耍而變化返回00110100010ASKFSKPSK數(shù)字信號怎載波調(diào)制幅移鍵控ASK蠅(A男mpl細itu趟de袖Shi喇ft嚴Key殖ing乖)：用載亮波的兩收個不同戀振幅表結(jié)示0和1頻移鍵控FSK邁(Fre漫quen腸cyS崗hift庫Key吊ing)：用載波慕的兩個不緞同頻率表曉示0和1相移鍵窗控PSK羨(P雹has隸eS報hif籃tK求eyi盈ng)：用載波宗的起始相拌位的變化脾表示0和1返回*數(shù)字琴信號載瓦波調(diào)制—頻率鍵昆控（FSK)FSK方式——主要用饞于低速佳（≤1跟200bit/脆s）Mode架m數(shù)字信號講載波調(diào)制蝦方式很多失，常用的擦有三類：頻率鍵鴉控（FSK亡)、差分蛋相位鍵知控（DPSK）和幅度秘相位聯(lián)輪合鍵控（APSK）。返回*頻率調(diào)跪制—差分相床位鍵控切（DPS蹦K）多用4躍相和8樹相DPSK（記作4DPSK，8DP稠SK），其相妥對相位變緒化規(guī)則分植別如圖2-壘34a和圖2-3們4b所示。旅主要應(yīng)用贏于中速（12尊00～壇480僑0bit/煎s）的Mode錯m。（a）4DPSK（b）8DPSK圖2-344DPSK與8DPSK載波相移矢量圖調(diào)制波猶形表示舟式為其：fi(t)壟=Acos(ω0t+i)i=1，2，…，N返回*頻率信調(diào)制——幅度相陷位聯(lián)合騾鍵控（APS庸K）主要包括掠正交調(diào)幅做（QAM）和網(wǎng)隨格編碼片調(diào)制（TCM，tre械lli唇sc貨odi雅ng那mod夠ula譽tio疑n），其信燒號空間矢瓶量如圖2-津35和圖2-3踢6所示。圖2-3516QAM的信號空間圖調(diào)制波形胸表示式為析：fi(t)桂=Aicos(ω0t+i)=aicosω0t+bisinω0t，I=1，2，…，N返回*頻率甘調(diào)制—網(wǎng)格編褲碼調(diào)制免（TCM）圖2-36V.32TCM的信號空間圖調(diào)制波與形表示療式為驅(qū)：fi(t)=曉Aicos(ω0t+i)=aicosω0t+bisinω0t，I=1，2，…，N返回（5）數(shù)字反信號傳纏輸方式數(shù)字基灣帶信號——對原始信賣號只進行碼閥型變換，而未經(jīng)調(diào)電制的數(shù)字歌信號。菊因此占起據(jù)的頻經(jīng)帶大致命與原數(shù)票字脈沖桌的相同衡，一般紀從直流淹或低頻便開始到缸能量集括中的一腰段頻率培范圍。返回寬帶傳吐輸——數(shù)字信粥號需調(diào)凍制成頻葡帶模擬膠信號后富再傳送（進行頻譜問搬移，使所尼占頻率范圍與電話蔽信道的域頻帶相肆匹配），接收使方需要解杰調(diào)例如：通妨過電話模均擬信道傳軍輸通過閉路零電視的信危號傳輸基帶傳毒輸——在線路尺上直接據(jù)傳輸數(shù)養(yǎng)字基帶渴信號。例如：訴以太網(wǎng)鬼局域網(wǎng)數(shù)字通饅信系統(tǒng)信源編碼調(diào)制器信道解調(diào)器信道解碼噪聲源信源收信者信道編碼信源解碼數(shù)字通信綿系統(tǒng)模型返回差錯控制2、通信宗系統(tǒng)的性初能指標衡量通曲信系統(tǒng)滴性能優(yōu)漲劣的基鋒本指標拐有兩個嘉：系統(tǒng)翁的有效性旦和可靠魂性。有效性——傳輸一定誕的信息量泡所消耗的腎信道資涉源數(shù)（帶寬統(tǒng)或時間摟）；可靠性——接收信息的準確程甜度。有效性和構(gòu)可靠性這兩個指標云通常是矛躲盾的。返回數(shù)字通信愿系統(tǒng)的有訴效性數(shù)字通信多系統(tǒng)的有效性用速率來召衡量，速率越畝高，有效稻性越好便。數(shù)據(jù)傳輸鼠速率—簡稱數(shù)病據(jù)率，披指單位存時間內(nèi)進傳送二蔬進制數(shù)燦據(jù)位數(shù)Rb，單位bps吧(位/秒)，稱比特率（Bit等Ra悟te）。碼元速率(信息速率醒）Rs---單位時間糟傳輸?shù)拇a汪元數(shù)為碼尾元速率Rs，又稱波裕特率（Baud危Rat享e-簡記Bd)。返回波特率（Bau獵d)—碼元碼元-閣--信萄息傳送的基本單蒸位。每個碼說元可攜帶1位或多乞位2進制信息屢。例：二進制講數(shù)：占斜用1位（1bit)四進制數(shù)持：占用2位(log24=2bit羨)八進制數(shù)路：占用3位(log28=3bit顛)M進制數(shù)簽：占用log2M位ASII碼：占用7位一元碼二元碼三元碼七元碼占用不同的Bit數(shù)返回波特率(Ba銳ud)—比特率(bit嗚/s)碼元速率Rs與數(shù)據(jù)迅率Rb之間的癢關(guān)系為峽：Rb=Rslog2M耐Rs=Rb/log2M例：每秒鐘燦傳送24政00個碼例元，則碼俯元速率為童2400Bau史d；當傳輸晨的是二進決制的信息收時，數(shù)據(jù)率為240慢0bit/鋪s；若傳輸?shù)倪M制的到信息時，數(shù)據(jù)率為480掀0bit/消s。返回數(shù)字通桌信系統(tǒng)語的可靠酒性