数据通信 基础知识
首先让我们先来看一个利用 电话系统 来通信的模型：
问题：一个 n比特的信号是被同时传输出去，还是一个比特
一个比特传输的呢？一条线路上可以同时传输几路信号呢？
从信源到信宿既有模拟通信又有数字通信，信号有时如何转
换的呢？等等。一个电话通信系统集成了很多的 通信技术,
我们分以下一步一步阐述
本节讨论 4个问题
1、通信的方式；
2、多路复用技术；
3、数据的分类；
4、数据的编码；
数据通信是两个实体之间数据的传输和交换 。
数据传输是传播处理信号的过程，将原站的数据
编码成信号，沿传播介质传播至目的站。
数据通信模型
这个模型中关键的部分：
源, 产生要发送的数据的设备；
发送器, 对信号进行转换或编码以产生能在特定的传输
系统中传输的电磁信号
传输系统,连接源和目的地的传输线或复杂的网络；
接收器, 从传输系统接收信号并转换成目的站设备能处
理的信号；
目的站 ； 从接收器输入数据的设备
通信系统模型：
数据通信的基本概念：
数据
信号：分连续信号与离散信号；随机信号与确定信号
信息
噪声
信源
信道：如电话线, 光纤等
信号带宽
信道带宽
信息源 传输介质 接收器 受信者
噪声源
信息源 发送器 传输介质 受信者
噪声源
术语的解释
1)数据－有意义的实体。数据可分为模拟数据和数
字数据。模拟数据是在某区间内连续变化的值；数字数
据是离散的值。
2)信号－是数据的电子或电磁编码。信号可分为模
拟信号和数字信号。模拟信号是随时间连续变化的电流、
电压或电磁波；数字信号则是一系列离散的电脉冲。可
选择适当的参量来表示要传输的数据。
3)信息－是数据的内容和解释。
4)信源－通信过程中产生和发送信息的设备或计算
机。
5)信宿－通信过程中接收和处理信息的设备或计算
机。
6)信道－信源和信宿之间的通信线路。
7,信道带宽,信道上传输的是电磁波信号, 某个信道能
够传送电磁波的有效频率范围就是该信道的带宽 。 数据
通信系统的信道传输的是电磁波 (包括无线电, 微波, 光
波等 ),带宽就是它所能传输电磁波的最大有效频率与最
小有效频率之差 。
8,信道容量,信道的传输能力是有一定限制的, 某个
信道传输数据的速率有一个上限, 叫作信道的最大传输速
率, 即信道容量 。 信道的最大传输速率是与信道带宽有
直接联系的 。
9,奈奎斯特定理,1924年, 奈奎斯特 (Nyquist)就发现
了信道传输速率有上限, 并且给出了有限带宽, 无噪声信
道的最大传输速率公式：
无噪声信道最大传输速率 =2Blog2V(bps)
B代表信道的带宽 。 V是信号有效状态的数量 。
bps=bit/second
对于二进制的数据信号，信号仅有两种有效状态，分别代表
,0” 和, 1”,所以 V=2,此时，无噪声信道的最大传输速率
=2B (bps)。 如果我们使用模拟电话系统传输二进制信号，
即使用话音级信道，带宽 3000Hz,那么最大传输速率为
6000bps。 现在大多数电话拨号上网用户采用的就是模拟电话
系统，即利用 3000Hz的话音级信道，来传输计算机信息，实际
上现在一般拨号上网的速率都在 14000bps以上，这又是怎么回
事呢？这是因为采用了特殊的编码方法，将 V的值增大，自然
就提高了数据传输速率。那么，是不是可以无限增大 V的值，
从而提高数据传输速率呢？当然不是，下面介绍的香农定理将
会回答这个问题。
10,信道容量定理（香农（ Shannon） 定理）
香农在二十世纪四十年代初奠定了通信的数字理论基础。他的
,信道容量定理, 指出,可以找到这样一种技术，当数据传输速率
小于或等于某个最大传输速率（信道容量）时，通过它可以以任意
小的错误概率传送信息。相反，如果大于这个上限，则不论采用什
么编码技术，错误概率都将无法忍受。
香农给出了有噪声信道的最大传输速率与带宽的关系，因为实
际信道不可能没有噪声，所以香农定理比奈奎斯特定理更进了一步。
C=Blog2(1+S/N) （ B/s）
C表示信道容量 (最大传输速率）,B代表信道的带宽。
S是信号能量,N是噪声能量
S/N是信噪比，用来描述信道的质量，噪声小的系统信噪比大，反之则小。
（ 1） 信道传输速率 R≦C, 一定存在一种编码，使信息源能以任意小的差错率通过信道
进行传输；反之是不可能的；
数据通信系统的质量标准
? 传输速率
单位时间内传送的信息单元的数量。 bit/s，
baud/s； 二者不同，但可互相转换
? 误码率
误码率 =接收出现差错的比特数 /传输全部的比特数
? 可靠性
（正常工作时间 /总工作时间） *100%，或
平均无故障时间
? 适应性
对外界环境变化的适应能力
? 可维护性
维护方便程度
? 标准化程度
衡量设计水准，共享，开放
? 经济性
性能价格比
通信的分类
有线通信和无线通信
(按信道是否有形 )
单工通信和双工通信
(按通信的方式 )
模拟通信和数字通信
(按所用的传输技术 )
V 0 1 0 1 0 1 1 0
并
行
串行
通信方式
一 ） 串行传输与并行传输
串行传输,数据在一个信道上一位一位依次传输 。 数据线数
目与与传输数据无关
特点：
1,通信线路 数小, 线路
利用率高适合于 远距
离传输 。
2,单信号, 几乎没有信
号间电磁干扰
3,在发送端和接收端需
要并 /串转换和串 /并
转换 。
4,需要实施同步措施,
以确保不产生错字 。
通信方式（ 2）
串行传输与并行传输
并 行传输,数据在 多 个信道上 同时 传输 。 数据线数目与与传
输数据相同并可能多一校验线
特点：
1,不需要对传输代码进
行时序转换
2,需要数据线数目多 。
3,传输速率高 。
4,高速率下信号间串扰
问题突出
通信方式（ 3）
通信操作方式
根据信号传输方向与时间的关系, 可以分为：
方式 单工方式 半双工方式 全双工方式
描述 只支持数据的单向流动 。
支持数据双向分
时流动, 线路只
有一条, 两个方
向须分时使用信
道 。
支持数据双向同
时流动, 线路有
两条或四条 。
?示意图
单工、半双工和全双工
发方
A方
收方
A方 B方
B方
模拟数据通信与数字数据通信
在传输介质上传输的信号有两种形式：模拟信号与
数字信号
信息源数据也有两种形式：模拟数据与数字数据
传输形式有四种：
模拟数据到模拟信号；
模拟数据到数字信号；
数字数据到模拟信号；
数字数据到数字信号；
模拟信号是随时间连续变化的电流、电压或电
磁波；
数字信号则是一系列离散的电脉冲。可选择适
当的参量来表示要传输的数据。
数据：模拟数据、数字数据
信号：模拟信号、数字信号
信道：模拟信道、数字信道
不同类型的信号在不同类型的信道上传输有 4种组合，
每一种相应地需要进行不同的编码处理。
话音
模拟传输
模拟
数字 模拟
模拟
CODEC
数字
数字 数字编码 数字
模拟数据, 模拟信号
数字数据，模拟信号 数字数据，数字信号
模拟数据，数字信号
1010Modem
Coder Decoder
Modulator Demodulator
数字或
模拟
数字或
模拟
数字信号
模拟信号
g(t)
m(t)
p
x(t)
s(t)
g(t)
m(t)
数字或
模拟
数字或
模拟
P—调制参数
编码
调制
?编码和调制 用数字信号承载数字或模拟数据 —— 编码
用模拟信号承载数字或模拟数据 —— 调制
模拟数据到模拟信号无须编码，其他几种形式编码技术 ;
模拟数据 ?模拟信号
模拟数据 ?数字信号
奈奎斯特定理（采样定理）,
如果连续变化的模拟信号最高频率为 F,若以 2F的
采样频率对其采样，则采样得到的离散信号序列就能
完整地恢复出原始信号。
语音信号要在数字线路上传输，必须将语音信号转换
成数字信号。这需要经过三个步骤：
1）采样 —— 按一定间隔对语音信号进行采样
2）量化 —— 对每个样本舍入到量化级别上
3）编码 —— 对每个舍入后的样本进行编码
模拟话音
采样时钟 PAM 信号 PCM 信号
采样电路 量化和编码 数字化声音
--话音信道带宽 <4KHz
--采样时钟频率,8KHz (> 2倍话音最大频率 )
--量化级数,256级 (8位二进制码表示 )
--数据率,8000次 /s*8bit = 64Kb/s
∴ 每路 PCM信号的速率 = 64000bps
编码后的信号称为 PCM（ Pulse Coded Modulation） 信号
（脉冲编码调制信号）
PCM 转换波形图
B
A
C
D
A
B
C
D
模拟话音
采样时钟
PAM 信号 PCM 信号
采样电路 量化和编码
数字数据 ?数字信号
为什么要编码？数字数据为二进制数 (0或 1)，数字信号为高电
平或低电平进行传输，所以需要将二进制数转换为高电平或低
电平。
?不归零制 (NRZ,Non-Return to Zero)
二进制数字 0,1分别用两种电平来表示。
常用－ 5V表示 1，＋ 5V表示 0。
缺点：存在直流分量，传输中不能使用变压器；
不具备自同步机制，必须使用外同步。
?曼彻斯特编码 (Manchester code)
用 电压的变化表示 0和 1。
规定 在每个码元的 中间发生跳变：
高 → 低的跳变 —— 0，低 → 高的跳变 —— 1
∵ 每个码元中间都要发生跳变，接收端可将此
变化提取出来作为同步信号，使接收端的时钟与
发送设备的时钟保持一致。
∴ 曼彻斯特编码也称为 自同步码（ Self-
Synchronizing Code） 。 它具有自同步机制，无
需外同步信号。
缺点：需要双倍的传输带宽（即信号速率是数
据速率的 2倍）。
?差分曼彻斯特编码 (Differential Manchester
code)
与 曼彻斯特编码相同,在每个码元的中间，信
号都会发生跳变；不同之处在于：
用在码元开始处有无跳变来表示 0和 1,
码元开始处有跳变 —— 0
码元开始处无跳变 —— 1
三种数字编码的波形图
0 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1
NRZ
Manchester
差分Manchester
数字数据 ?模拟信号
三种常用的调制技术：
1） 幅移键控 ASK(Amplitude Shift Keying),调幅
2） 频移键控 FSK(Frequency Shift Keying),调频
3） 相移键控 PSK(Phase Shift Keying), 调相
基本原理：用数字信号对载波的不同参量进行调制。
基本原理：用数字信号对载波的不同参量进行调制 。
载波 S(t) = A cos (?t+?)
S(t)的参量包括,幅度 A,频率 ?、相位 ?
调制就是要使这三个参量随数字基带信号的变化而变化
0 0 1 1 0 1 00 0 1 0
ASK,用载波的两个不同振幅表示 0(0v)和 1(+5v)
FSK,用载波的两个不同频率表示 0(1.2KHz)和 1(2.4KHz)
PSK,用载波的起始相位的变化表示 0 (同相 )和 1(反相 )
ASK调幅
FSK调频
PSK调相
多路复用技术
? 复用 —— 多个信息源共享一个公
共信道
为何要复用？线路成本
DEMUX
复用器 解复用器
共享信道
MUX
复用类型
? FDM (频分复用 )
? WDM (波分复用 )
? TDM (时分复用 )
1.频分复用
Frequency Division Multiplexing
原理：整个传输频带被划分为若干个频率通道, 每个用
户占用一个频率通道 。 频率通道之间留有防护频带 。
CH2
CH1
CH3
原带宽
CH1
CH2
CH3
移频后带宽
MUX
CH1 CH2 CH3
带宽复用
f
2.波分复用
Wave Division Multiplexing
原理：整个波长频带被划分为若干个波长范围, 每个用
户占用一个波长范围来进行传输 （ 其实是 FDM的一种 ）
F2
F1
F3
F1 F2 F3
共享光纤的光谱
?
光纤 2
光纤 3
光纤 1
共享光纤
?
?
?
采用无源设备，更可靠
棱柱 /衍射光栅
3.时分复用
Time Division Multiplexing
原理：把时间分割成小的时间片，每个时间片分为若干个
通道（时隙）,每个用户占用一个通道传输数据。
A2
A1
A3
原始信号
D2
D1
D3
数字化信号
MUX
复用后数据
时隙1 2 3 4
D3D2D1
适用于数字信号传输
时间片
统计 (异步 )TDM——STDM
TDM的缺点：某用户无数据发送, 其他用户也不能占用该通道, 将会
造成带宽浪费 。
改进：统计时分多路复用 （ STDM）, 用户不固定占用某个通道, 有空
槽就将数据放入 。
A
B
C
D
待发数据
t1 t2 t3
A1 B1 C1 D1 C2 D2A2 B2
周期 1 周期 2
同步 TDM
带宽浪费
A1 B1 C2B2
周期 1 周期 2
统计 TDM
可用带宽
分
类 电路交换 报文交换 分组交换
原
理
当你或你的计算
机发出一个电话
呼叫时，电话系
统中的交换设备
在你的电话与接
收者的电话之间
找出一条实际的
,铜线, （包括
光纤和无线）通
路。这种技术叫
做电路交换。电
话交换分电路建
立、通话、拆除
电路这样几个过
程。
信息以报文为单
位，在交换装置
控制下先存入缓
冲存储器中并进
行一些必要的处
理，当指定的输
出线空闲时，再
将数据转发出去。
分组交换与报文交
换类似，并不在发
送方和接收方之间
提前建立实际的铜
线连接，而是采用
存储转发的方式。
只是这里交换的单
位为报文分组，即
是将长的报文分成
若干个报文组。报
文分组要进行编号，
但并不一定按顺序
抵达。
交换
? 电路交换
– 交换设备在通信双方找出一条实际的物理线路
的过程。
– 特点：数据传输前需要建立一条端到端的通
路。 —— 称为, 面向连接的,
– 过程：建立连接 → 通信 → 释放连接
– 优缺点：
? 建立连接的时间长；
? 一旦建立连接就独占线路，线路利用率低；
? 无纠错机制；
? 建立连接后，传输延迟小。
? 不适用于计算机通信，因为计算机数据具有突发性
的特点，真正传输数据的时间不到 10%。
2
1
4
3
5
6
7 F
A
B
C
D
E
=通信网络结点
=网络站
电路交换
? 报文交换
– 报文 (Message)就是站点一次性要发送的数据块，其长
度不限且可变 。
– 整个报文作为一个整体一起发送。
– 在交换过程中，交换设备将接收到的报文先存储，待
信道空闲时再转发出去，一级一级中转，直到目的地。
这种数据传输技术称为 存储 -转发 。
– 传输之前不需要建立端到端的连接，仅在相邻结点传
输报文时建立结点间的连接。 —— 称为, 无连接的,
– 缺点：
? 报文大小不一，造成存储管理复杂。
? 大报文造成存储转发的延时过长；
? 出错后整个报文全部重发。
? 分组交换（包交换）
– 将报文划分为若干个大小相等的分组 (Packet)
进行存储转发。
– 数据传输前不需要建立一条端到端的通路 ——
也是, 无连接的,
– 有强大的纠错机制、流量控制和路由选择功能。
– 优点：
? 对转发结点的存储要求较低，可以用内存来缓冲分
组 —— 速度快；
? 转发延时小 —— 适用于交互式通信；
? 某个分组出错可以仅重发出错的分组 —— 效率高；
? 各分组可通过不同路径传输，容错性好。
2
1
4
3
5
6
7 F
A
B
C
D
E
=通信网络结点
=网络站
分组交换
? 三种交换方式的事件顺序
呼
叫
请
求
呼
叫
应
答数
据
A B C D
寻路延迟
线路交换
报文
A B C D
排队延迟
报文交换
分组 1
分组 2
分组 3
A B C D
分组交换
分组 4
t
分
类 电路交换 报文交换 分组交换
优
缺
点
优点,信息延
时短，并且固
定不变；适用
于连续、大批
量的数据传输。
缺点,有呼损；不同速率和
不同电码之间
的用户不能进
行交换；效率
低。
优点,信道可以
进行复用且需要
时才分配信道，
效率高；不同速
率和电码之间可
以联接；无呼损。
缺点,延时长；
对中继结点存储
容量要求较高
优点,转发延时短；
数据传输灵活（每
个分组可按不同路
径不同顺序到达）；
转发差错少；
缺点,在目的结点
要对分组进行重组
，增加了复杂性。
实
例 电话系统 电报 因特网
蜂窝无线通信
按钮启动通话系统 (push-to-talk-system)
? 1946年。圣 ·路易斯（ St.Louis） 设立了第一个用于
汽车电话的系统。
? 巨大的发射装置；利用单信道进行发送和接收。
? 出租车、警车常常使用
改进型移动电话系统 IMTS(improved mobile
telephone system)
? 60年代开始安装 。
? 使用大功率发射装置 (200W)； 有两个频率，一个用
来发送，一个用来接收；支持 150MHz~450MHz的 23
个信道，信道数量少。
先进移动电话系统 AMPS(advanced mobile
phone system)
? 1982年在美国首次安装
? 在地理上把区域分成单元 (cell),一般为
10~20km,每个单元使用一套频率
? 频率可以在不相邻的单元里重用
? 小的单元意味着仅需要小的功率，减小了设备
的体积及成本
频率重用
(a) 在相邻的单元不会重用相同的频率
(b) 为了增加更多的用户，会使用更小的单元
首先让我们先来看一个利用 电话系统 来通信的模型：
问题：一个 n比特的信号是被同时传输出去，还是一个比特
一个比特传输的呢？一条线路上可以同时传输几路信号呢？
从信源到信宿既有模拟通信又有数字通信，信号有时如何转
换的呢？等等。一个电话通信系统集成了很多的 通信技术,
我们分以下一步一步阐述
本节讨论 4个问题
1、通信的方式；
2、多路复用技术；
3、数据的分类；
4、数据的编码；
数据通信是两个实体之间数据的传输和交换 。
数据传输是传播处理信号的过程，将原站的数据
编码成信号，沿传播介质传播至目的站。
数据通信模型
这个模型中关键的部分：
源, 产生要发送的数据的设备；
发送器, 对信号进行转换或编码以产生能在特定的传输
系统中传输的电磁信号
传输系统,连接源和目的地的传输线或复杂的网络；
接收器, 从传输系统接收信号并转换成目的站设备能处
理的信号；
目的站 ； 从接收器输入数据的设备
通信系统模型：
数据通信的基本概念：
数据
信号：分连续信号与离散信号；随机信号与确定信号
信息
噪声
信源
信道：如电话线, 光纤等
信号带宽
信道带宽
信息源 传输介质 接收器 受信者
噪声源
信息源 发送器 传输介质 受信者
噪声源
术语的解释
1)数据－有意义的实体。数据可分为模拟数据和数
字数据。模拟数据是在某区间内连续变化的值；数字数
据是离散的值。
2)信号－是数据的电子或电磁编码。信号可分为模
拟信号和数字信号。模拟信号是随时间连续变化的电流、
电压或电磁波；数字信号则是一系列离散的电脉冲。可
选择适当的参量来表示要传输的数据。
3)信息－是数据的内容和解释。
4)信源－通信过程中产生和发送信息的设备或计算
机。
5)信宿－通信过程中接收和处理信息的设备或计算
机。
6)信道－信源和信宿之间的通信线路。
7,信道带宽,信道上传输的是电磁波信号, 某个信道能
够传送电磁波的有效频率范围就是该信道的带宽 。 数据
通信系统的信道传输的是电磁波 (包括无线电, 微波, 光
波等 ),带宽就是它所能传输电磁波的最大有效频率与最
小有效频率之差 。
8,信道容量,信道的传输能力是有一定限制的, 某个
信道传输数据的速率有一个上限, 叫作信道的最大传输速
率, 即信道容量 。 信道的最大传输速率是与信道带宽有
直接联系的 。
9,奈奎斯特定理,1924年, 奈奎斯特 (Nyquist)就发现
了信道传输速率有上限, 并且给出了有限带宽, 无噪声信
道的最大传输速率公式：
无噪声信道最大传输速率 =2Blog2V(bps)
B代表信道的带宽 。 V是信号有效状态的数量 。
bps=bit/second
对于二进制的数据信号，信号仅有两种有效状态，分别代表
,0” 和, 1”,所以 V=2,此时，无噪声信道的最大传输速率
=2B (bps)。 如果我们使用模拟电话系统传输二进制信号，
即使用话音级信道，带宽 3000Hz,那么最大传输速率为
6000bps。 现在大多数电话拨号上网用户采用的就是模拟电话
系统，即利用 3000Hz的话音级信道，来传输计算机信息，实际
上现在一般拨号上网的速率都在 14000bps以上，这又是怎么回
事呢？这是因为采用了特殊的编码方法，将 V的值增大，自然
就提高了数据传输速率。那么，是不是可以无限增大 V的值，
从而提高数据传输速率呢？当然不是，下面介绍的香农定理将
会回答这个问题。
10,信道容量定理（香农（ Shannon） 定理）
香农在二十世纪四十年代初奠定了通信的数字理论基础。他的
,信道容量定理, 指出,可以找到这样一种技术，当数据传输速率
小于或等于某个最大传输速率（信道容量）时，通过它可以以任意
小的错误概率传送信息。相反，如果大于这个上限，则不论采用什
么编码技术，错误概率都将无法忍受。
香农给出了有噪声信道的最大传输速率与带宽的关系，因为实
际信道不可能没有噪声，所以香农定理比奈奎斯特定理更进了一步。
C=Blog2(1+S/N) （ B/s）
C表示信道容量 (最大传输速率）,B代表信道的带宽。
S是信号能量,N是噪声能量
S/N是信噪比，用来描述信道的质量，噪声小的系统信噪比大，反之则小。
（ 1） 信道传输速率 R≦C, 一定存在一种编码，使信息源能以任意小的差错率通过信道
进行传输；反之是不可能的；
数据通信系统的质量标准
? 传输速率
单位时间内传送的信息单元的数量。 bit/s，
baud/s； 二者不同，但可互相转换
? 误码率
误码率 =接收出现差错的比特数 /传输全部的比特数
? 可靠性
（正常工作时间 /总工作时间） *100%，或
平均无故障时间
? 适应性
对外界环境变化的适应能力
? 可维护性
维护方便程度
? 标准化程度
衡量设计水准，共享，开放
? 经济性
性能价格比
通信的分类
有线通信和无线通信
(按信道是否有形 )
单工通信和双工通信
(按通信的方式 )
模拟通信和数字通信
(按所用的传输技术 )
V 0 1 0 1 0 1 1 0
并
行
串行
通信方式
一 ） 串行传输与并行传输
串行传输,数据在一个信道上一位一位依次传输 。 数据线数
目与与传输数据无关
特点：
1,通信线路 数小, 线路
利用率高适合于 远距
离传输 。
2,单信号, 几乎没有信
号间电磁干扰
3,在发送端和接收端需
要并 /串转换和串 /并
转换 。
4,需要实施同步措施,
以确保不产生错字 。
通信方式（ 2）
串行传输与并行传输
并 行传输,数据在 多 个信道上 同时 传输 。 数据线数目与与传
输数据相同并可能多一校验线
特点：
1,不需要对传输代码进
行时序转换
2,需要数据线数目多 。
3,传输速率高 。
4,高速率下信号间串扰
问题突出
通信方式（ 3）
通信操作方式
根据信号传输方向与时间的关系, 可以分为：
方式 单工方式 半双工方式 全双工方式
描述 只支持数据的单向流动 。
支持数据双向分
时流动, 线路只
有一条, 两个方
向须分时使用信
道 。
支持数据双向同
时流动, 线路有
两条或四条 。
?示意图
单工、半双工和全双工
发方
A方
收方
A方 B方
B方
模拟数据通信与数字数据通信
在传输介质上传输的信号有两种形式：模拟信号与
数字信号
信息源数据也有两种形式：模拟数据与数字数据
传输形式有四种：
模拟数据到模拟信号；
模拟数据到数字信号；
数字数据到模拟信号；
数字数据到数字信号；
模拟信号是随时间连续变化的电流、电压或电
磁波；
数字信号则是一系列离散的电脉冲。可选择适
当的参量来表示要传输的数据。
数据：模拟数据、数字数据
信号：模拟信号、数字信号
信道：模拟信道、数字信道
不同类型的信号在不同类型的信道上传输有 4种组合，
每一种相应地需要进行不同的编码处理。
话音
模拟传输
模拟
数字 模拟
模拟
CODEC
数字
数字 数字编码 数字
模拟数据, 模拟信号
数字数据，模拟信号 数字数据，数字信号
模拟数据，数字信号
1010Modem
Coder Decoder
Modulator Demodulator
数字或
模拟
数字或
模拟
数字信号
模拟信号
g(t)
m(t)
p
x(t)
s(t)
g(t)
m(t)
数字或
模拟
数字或
模拟
P—调制参数
编码
调制
?编码和调制 用数字信号承载数字或模拟数据 —— 编码
用模拟信号承载数字或模拟数据 —— 调制
模拟数据到模拟信号无须编码，其他几种形式编码技术 ;
模拟数据 ?模拟信号
模拟数据 ?数字信号
奈奎斯特定理（采样定理）,
如果连续变化的模拟信号最高频率为 F,若以 2F的
采样频率对其采样，则采样得到的离散信号序列就能
完整地恢复出原始信号。
语音信号要在数字线路上传输，必须将语音信号转换
成数字信号。这需要经过三个步骤：
1）采样 —— 按一定间隔对语音信号进行采样
2）量化 —— 对每个样本舍入到量化级别上
3）编码 —— 对每个舍入后的样本进行编码
模拟话音
采样时钟 PAM 信号 PCM 信号
采样电路 量化和编码 数字化声音
--话音信道带宽 <4KHz
--采样时钟频率,8KHz (> 2倍话音最大频率 )
--量化级数,256级 (8位二进制码表示 )
--数据率,8000次 /s*8bit = 64Kb/s
∴ 每路 PCM信号的速率 = 64000bps
编码后的信号称为 PCM（ Pulse Coded Modulation） 信号
（脉冲编码调制信号）
PCM 转换波形图
B
A
C
D
A
B
C
D
模拟话音
采样时钟
PAM 信号 PCM 信号
采样电路 量化和编码
数字数据 ?数字信号
为什么要编码？数字数据为二进制数 (0或 1)，数字信号为高电
平或低电平进行传输，所以需要将二进制数转换为高电平或低
电平。
?不归零制 (NRZ,Non-Return to Zero)
二进制数字 0,1分别用两种电平来表示。
常用－ 5V表示 1，＋ 5V表示 0。
缺点：存在直流分量，传输中不能使用变压器；
不具备自同步机制，必须使用外同步。
?曼彻斯特编码 (Manchester code)
用 电压的变化表示 0和 1。
规定 在每个码元的 中间发生跳变：
高 → 低的跳变 —— 0，低 → 高的跳变 —— 1
∵ 每个码元中间都要发生跳变，接收端可将此
变化提取出来作为同步信号，使接收端的时钟与
发送设备的时钟保持一致。
∴ 曼彻斯特编码也称为 自同步码（ Self-
Synchronizing Code） 。 它具有自同步机制，无
需外同步信号。
缺点：需要双倍的传输带宽（即信号速率是数
据速率的 2倍）。
?差分曼彻斯特编码 (Differential Manchester
code)
与 曼彻斯特编码相同,在每个码元的中间，信
号都会发生跳变；不同之处在于：
用在码元开始处有无跳变来表示 0和 1,
码元开始处有跳变 —— 0
码元开始处无跳变 —— 1
三种数字编码的波形图
0 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1
NRZ
Manchester
差分Manchester
数字数据 ?模拟信号
三种常用的调制技术：
1） 幅移键控 ASK(Amplitude Shift Keying),调幅
2） 频移键控 FSK(Frequency Shift Keying),调频
3） 相移键控 PSK(Phase Shift Keying), 调相
基本原理：用数字信号对载波的不同参量进行调制。
基本原理：用数字信号对载波的不同参量进行调制 。
载波 S(t) = A cos (?t+?)
S(t)的参量包括,幅度 A,频率 ?、相位 ?
调制就是要使这三个参量随数字基带信号的变化而变化
0 0 1 1 0 1 00 0 1 0
ASK,用载波的两个不同振幅表示 0(0v)和 1(+5v)
FSK,用载波的两个不同频率表示 0(1.2KHz)和 1(2.4KHz)
PSK,用载波的起始相位的变化表示 0 (同相 )和 1(反相 )
ASK调幅
FSK调频
PSK调相
多路复用技术
? 复用 —— 多个信息源共享一个公
共信道
为何要复用？线路成本
DEMUX
复用器 解复用器
共享信道
MUX
复用类型
? FDM (频分复用 )
? WDM (波分复用 )
? TDM (时分复用 )
1.频分复用
Frequency Division Multiplexing
原理：整个传输频带被划分为若干个频率通道, 每个用
户占用一个频率通道 。 频率通道之间留有防护频带 。
CH2
CH1
CH3
原带宽
CH1
CH2
CH3
移频后带宽
MUX
CH1 CH2 CH3
带宽复用
f
2.波分复用
Wave Division Multiplexing
原理：整个波长频带被划分为若干个波长范围, 每个用
户占用一个波长范围来进行传输 （ 其实是 FDM的一种 ）
F2
F1
F3
F1 F2 F3
共享光纤的光谱
?
光纤 2
光纤 3
光纤 1
共享光纤
?
?
?
采用无源设备，更可靠
棱柱 /衍射光栅
3.时分复用
Time Division Multiplexing
原理：把时间分割成小的时间片，每个时间片分为若干个
通道（时隙）,每个用户占用一个通道传输数据。
A2
A1
A3
原始信号
D2
D1
D3
数字化信号
MUX
复用后数据
时隙1 2 3 4
D3D2D1
适用于数字信号传输
时间片
统计 (异步 )TDM——STDM
TDM的缺点：某用户无数据发送, 其他用户也不能占用该通道, 将会
造成带宽浪费 。
改进：统计时分多路复用 （ STDM）, 用户不固定占用某个通道, 有空
槽就将数据放入 。
A
B
C
D
待发数据
t1 t2 t3
A1 B1 C1 D1 C2 D2A2 B2
周期 1 周期 2
同步 TDM
带宽浪费
A1 B1 C2B2
周期 1 周期 2
统计 TDM
可用带宽
分
类 电路交换 报文交换 分组交换
原
理
当你或你的计算
机发出一个电话
呼叫时，电话系
统中的交换设备
在你的电话与接
收者的电话之间
找出一条实际的
,铜线, （包括
光纤和无线）通
路。这种技术叫
做电路交换。电
话交换分电路建
立、通话、拆除
电路这样几个过
程。
信息以报文为单
位，在交换装置
控制下先存入缓
冲存储器中并进
行一些必要的处
理，当指定的输
出线空闲时，再
将数据转发出去。
分组交换与报文交
换类似，并不在发
送方和接收方之间
提前建立实际的铜
线连接，而是采用
存储转发的方式。
只是这里交换的单
位为报文分组，即
是将长的报文分成
若干个报文组。报
文分组要进行编号，
但并不一定按顺序
抵达。
交换
? 电路交换
– 交换设备在通信双方找出一条实际的物理线路
的过程。
– 特点：数据传输前需要建立一条端到端的通
路。 —— 称为, 面向连接的,
– 过程：建立连接 → 通信 → 释放连接
– 优缺点：
? 建立连接的时间长；
? 一旦建立连接就独占线路，线路利用率低；
? 无纠错机制；
? 建立连接后，传输延迟小。
? 不适用于计算机通信，因为计算机数据具有突发性
的特点，真正传输数据的时间不到 10%。
2
1
4
3
5
6
7 F
A
B
C
D
E
=通信网络结点
=网络站
电路交换
? 报文交换
– 报文 (Message)就是站点一次性要发送的数据块，其长
度不限且可变 。
– 整个报文作为一个整体一起发送。
– 在交换过程中，交换设备将接收到的报文先存储，待
信道空闲时再转发出去，一级一级中转，直到目的地。
这种数据传输技术称为 存储 -转发 。
– 传输之前不需要建立端到端的连接，仅在相邻结点传
输报文时建立结点间的连接。 —— 称为, 无连接的,
– 缺点：
? 报文大小不一，造成存储管理复杂。
? 大报文造成存储转发的延时过长；
? 出错后整个报文全部重发。
? 分组交换（包交换）
– 将报文划分为若干个大小相等的分组 (Packet)
进行存储转发。
– 数据传输前不需要建立一条端到端的通路 ——
也是, 无连接的,
– 有强大的纠错机制、流量控制和路由选择功能。
– 优点：
? 对转发结点的存储要求较低，可以用内存来缓冲分
组 —— 速度快；
? 转发延时小 —— 适用于交互式通信；
? 某个分组出错可以仅重发出错的分组 —— 效率高；
? 各分组可通过不同路径传输，容错性好。
2
1
4
3
5
6
7 F
A
B
C
D
E
=通信网络结点
=网络站
分组交换
? 三种交换方式的事件顺序
呼
叫
请
求
呼
叫
应
答数
据
A B C D
寻路延迟
线路交换
报文
A B C D
排队延迟
报文交换
分组 1
分组 2
分组 3
A B C D
分组交换
分组 4
t
分
类 电路交换 报文交换 分组交换
优
缺
点
优点,信息延
时短，并且固
定不变；适用
于连续、大批
量的数据传输。
缺点,有呼损；不同速率和
不同电码之间
的用户不能进
行交换；效率
低。
优点,信道可以
进行复用且需要
时才分配信道，
效率高；不同速
率和电码之间可
以联接；无呼损。
缺点,延时长；
对中继结点存储
容量要求较高
优点,转发延时短；
数据传输灵活（每
个分组可按不同路
径不同顺序到达）；
转发差错少；
缺点,在目的结点
要对分组进行重组
，增加了复杂性。
实
例 电话系统 电报 因特网
蜂窝无线通信
按钮启动通话系统 (push-to-talk-system)
? 1946年。圣 ·路易斯（ St.Louis） 设立了第一个用于
汽车电话的系统。
? 巨大的发射装置；利用单信道进行发送和接收。
? 出租车、警车常常使用
改进型移动电话系统 IMTS(improved mobile
telephone system)
? 60年代开始安装 。
? 使用大功率发射装置 (200W)； 有两个频率，一个用
来发送，一个用来接收；支持 150MHz~450MHz的 23
个信道，信道数量少。
先进移动电话系统 AMPS(advanced mobile
phone system)
? 1982年在美国首次安装
? 在地理上把区域分成单元 (cell),一般为
10~20km,每个单元使用一套频率
? 频率可以在不相邻的单元里重用
? 小的单元意味着仅需要小的功率，减小了设备
的体积及成本
频率重用
(a) 在相邻的单元不会重用相同的频率
(b) 为了增加更多的用户，会使用更小的单元
