第二章 数据通信基础
2.1 数据通信的基础理论
2.2 物理传输媒体
2.3 传输技术
2.4 物理层接口标准举例通信系统模型（ 1）
一个简单的通信系统模型信源 T r a n s m i t t er R ec ei v er
信道 信宿噪声源
I n f o r m a ti o n
m
d a ta
g ( t )
s i g n a l
s ( t )
s i g n a l
r ( t )
d a ta
g ( t ) `
I n f o r m a ti o n
m
通信系统模型（ 2）
模拟和数字：连续变化或者离散变化
数据：
模拟数据：声音、视频
数字数据：文本
信号：
模拟信号：传输模拟信号的信道称为模拟信道
数字信号：传输数字信号的信道称为数字信道
数据如何在信道上传输？
数字数据在模拟信道上传输（数字调制）
数字数据在数字信道上传输（数字编码）
模拟数据在数字信道上传输（脉码调制）
通信系统模型（ 3）
点到点和多点配置：
T r a n s m it ter /
R e c e iv e r 信道
···
2,多点配置放大器或转发器信道
T r a n s m it ter /
R e c e iv e r
0 或多个
1,点到点
T r a n s m it ter /
R e c e iv e r
信道放大器或转发器
0 或多个
T r a n s m it ter /
R e c e iv e r
信道
···
T r a n s m it ter /
R e c e iv e r
T r a n s m it ter /
R e c e iv e r
带宽与傅里叶分析（ 1）
数字数据（信号）直接在模拟信道上传输将失真：
模拟信道有一定的带宽：能传输的信号频率范围
带宽由传输媒体和有关的附加设备与电路的频率特性综合决定
低通信道的带宽 fc：从 0到某个截止频率 fc的信号通过时振幅不会衰减或者衰减很小，而超过 fc的信号会大大衰减
电话音频线路的带宽为 4kHz
带宽与傅里叶分析（ 2）
频率（ Frequency）
傅里叶分析
具有有限持续时间 T的数字信号可以看作以 T
为周期的函数 g(t)，它由（无限个）正弦和余弦的多次谐波组成：
φ)π ft(As ( t)
φeg e n e r a l
ttsTts
2s in
1 /Tf p h a s e,A m p l it id e:A,w a v es in
)()(
带宽与傅里叶分析（ 3）
傅里叶级数的正弦余弦表示：
基准频率,f
直流分量 (C):频率为 0
N次谐波的周期为 nf，振幅为 an或者 bn
11
00
)2c o s ()2s in (
2
)2c o s ()2s in ()(
n
n
n
n
n
n
n
n
n ftbn fta
c
n ftbn ftatg
T
T
n
T
n
dttg
T
c
dtn fttg
T
b
dtn fttg
T
a
0
0
0
)(
2
)2c o s ()(
2
)2s in ()(
2
带宽与傅里叶分析（ 4）
傅里叶级数的振幅 -相位表示：
带宽：模拟信道允许通过的频率的范围
所有数字信号的带宽是无限的
模拟信道的带宽限制了通过的谐波的次数
带宽越低，通过谐波次数越少，信号越容易失真
1
)2c o s (2)(
n
nn n ftc
ctg
)(t a n 1
22
n
n
n
nnn
b
a
bac
信道的最大数据速率（ 1）
考虑 8比特编码的数字信号波形,
数据速率为 c bps，发送 8比特的时间为 8/c秒，基准频率为 c/8 Hz
信道带宽为 H，则在信道上允许通过的最高谐波次数为
示例：带宽 H=3k Hz
C=9.6kbps时，最多通过 2次谐波
C=2.4kbps时，可以通过 10次谐波
19.2k 通过 1次谐波
38400时通过谐波的次数为 0
C
H＝
基波信道 8
频率带宽信道的最大数据速率（ 2）
Nyquist定理：
给出了有限带宽无噪声信道的最大数据速率公式
信号通过带宽为 H的低通滤波器，每秒 2H次采样能够完整重现该被滤波的信号
信道带宽为 4kHz，信号有 4种取值，则最大数据速率
l o g2 2 LHC?
个数为信号可取的离散值的为信道的带宽为最大数据速率其中：
L
H
C
kb p sC 164l o g42 2
信道的最大数据速率（ 3）
Shannon定理：
给出受噪声干扰的信道中数据速率的公式
S表示信号功率,N表示噪声功率，信噪比,S/N
信噪比常常用分贝 dB为单位来表示：
比如信道带宽为 4kHz，信噪比为 30dB，最大数据速率为：
)/1(l o g 2 NSHC
为信道的信噪比为信道的带宽为最大数据速率其中：
NS
H
/
C
kb p sC 40)101(l o g4 10/302
)/(lo g10 10 NS
波特率和数据速率的关系
波特率 B：每秒信号状态变化的次数
数据速率 C：每秒传输的比特数
两者之间的关系：
假设 L为信号可取的离散值的个数
当 L=2时,C=B
LBC 2l o g?
物理传输媒体
常用的传输媒体
有线（ Guided）
双绞线
同轴电缆
光纤
无线（ Unguided）
地面微波
卫星
广播无线电
红外
激光双绞线（ Twisted Pair）
双绞线减少相互间的干扰
电缆常常包括多对双绞线
双绞线分为两类：
屏蔽双绞线 STP（ Shielded Twisted Pair）
非屏蔽双绞线 UTP（ Unshielded Twisted Pair）
3类 UTP：常用来传输话音
5类 UTP：可以 100Mbps传输数据
超 5类 UTP：支持的数据速率更高同轴电缆（ coaxial cable）
速度更高，距离更远
从里到外依次为铜芯、绝缘材料、网状导体、塑料外皮，
基带同轴电缆：用于传输数字信号
粗缆
细缆
宽带同轴电缆
传输模拟信号，在 CATV中使用。
被分为多个信道，可以传输电视、数据。
光纤（ Optical Fiber）
光纤传送电信号的过程
单模光纤：直线，距离更长，数据速率更高
多模光纤：折射电信号 驱动器 光检测器光源光信号电信号光电二极管发光二极管激光发射二极管放大器无线传输媒体
ITU-R划分的无线电波段
30-300k Hz 低频 LF
300-3000k Hz 中频 MF AM radio
FM radio
3-30M Hz 高频 HF Shortwave
30-300M Hz 甚高频 VHF VHF TV
300－ 3000MHz 超高频 UHF UHF TV
3-30GHz 特高频 SHF
30-300GHz 极高频 EHF
无线电
低频、中频波段可通过障碍物，沿地表传播，
距离有限
高频和甚高频可通过电离层反射，可达到更远的距离
无线电话网：频率重用
地理范围分成若干单元，每个单元进一步分为小单元。每个小单元采用不同的频率。
蜂窝状的结构保证两个相邻的小单元不会使用同一个频率微波（ microwave）
微波使用的波段为 2G-40G Hz
通过抛物状的天线把能量集中一束，沿直线传播
微波中继站：扩展传输距离红外通信（ Infrared）
短距离的利用红外线的通信
要求方向性
无需天线
不能穿过建筑物
不需要申请频率分配激光通信（ laser）
利用光波通信
定向特性
无需申请频率
不能穿过障碍物，受天气（雨雾）影响卫星通信
利用地球同步卫星为中继转发微波信号
上行信道、下行信道
无距离限制，但传播延时较长,270ms
微波的传播延迟 3?s/km
同轴电缆或光纤的传播延迟为 53?s/km
VSAT：地面站昂贵
VSAT终端利用小天线通过中心站转接
两个 VSAT终端间通过一个中心站 Hub通信，传播延时为 540ms
频率、波长、带宽
波长（ wavelength）为一个周期内信号传输的距离：光速为 c
频谱（ spectrum）：频率范围，按波长划分被称为波段
带宽：
高频段可获得较大的带宽
fccT
smc /103 8
2
2
c
f
c
d
df
c
f
求导有：对模拟和数字传输
模拟传输：
模拟信号传输的方式，不关心信号的内容（模拟数据或者数字数据）
信号的畸变和衰减：放大器
数字传输：广泛用于长距离通信中
关心信号的内容：
模拟信号：代表数字数据
数字信号：一系列的 0和 1：可能是模拟或数字数据
转发器：恢复为数字数据，然后重新生成相应的信号传递数字调制技术
数字调制技术：数字数据?模拟信号
调制解调器 MODEM
载波信号（连续的固定频率的信号）
调制过程就是根据基带信号调制载波的过程
一个正弦振荡的载波：
三种基本调制方法：幅度、频率、相位
φ)π f t(As ( t )
φ
2s i n
f r e n q u e n c y:f p h a s e,A m p l i t i d e:A
调幅、调频、调相（ 1）
调幅 AM（ ASK）：用两个不同信号的幅度表示或者用载波的有无来表示：
调频 FM（ FSK）：用两个不同的靠近载波的频率表示：
0b i n a r y 0
1b i n a r y )2s i n ()( ftAts?
0b in a r y )2s in (
1b in a r y )2s in ()(
2
1
tfA
tfAts
调幅、调频、调相（ 2）
调相 PM（ PSK）：用载波的相位变化来表示：
以上三种调制方式可以组合使用，达到更高的数据速率
0b i n a r y )2s i n (
1b i n a r y )2s i n ()(
ftA
ftAts
模拟信号的脉码调制（ 1）
模拟数据?数字信号：编码解码器 CODEC
脉码调制原理：
采样,Nyquist定理,2H的采样频率
量化：模拟信号分为若干等级，四舍五入
量化误差：假设分为 16级，量化误差为 1/32
编码：量化值用二进制表示。
基本 PCM：幅度等分量化。
4kHz的音频信号，采样采用 4比特编码，量化等级为 16级，数据速率,=2Hlog2V=2*4*4=32kbps
每个样本绝对误差是相同的，而与信号幅值无关。可采用一种非线性的编码技术来优化 PCM，即量化电平是不等分的以减少信号的失真模拟信号的脉码调制（ 2）
差分 DPCM：
量化的幅度之间的间隔
基于模拟信号的幅度不可能大幅度的跳变
增量（ delta）调制：样本值相差 1。
预测编码：预测样本值，对实际采样值和预测之间的幅度差进行量化。
多路复用（ 1）
多路复用：
把许多信号在单一的传输线路上用单一的传输设备来进行传输
常用的多路复用技术
频分多路复用 FDM
时分多路复用 TDM
波分多路复用 WDM
多路复用（ 2）
频分多路复用 FDM：例子：无线电广播
物理信道分割成多个子信道
信号通过采用不同的载波来进行调制在其中某一条子信道传输
时分多路复用 TDM
物理信道按时间分成多个时间片
信号轮流使用某个时间片多路复用（ 3）
T1信道,用于传输 24路话音，即 24个子信道
模拟音频信道的带宽为 4KHz：人耳听到的音频范围为
300Hz~3300Hz,再加上两边各预留的 500Hz频带
根据 Nyquist定理，每 125 μ s采样一次，每个样本 7比特
子信道有 8比特，其中一个比特用于传输控制信号
每帧还有一个比特用于帧的边界，每 125微妙传输 193比特
4条 T1信道复用成 T2信道,6条 T2信道复用成 T3(45Mbps)
信道
Mb p ss b it 544.1125 )18*24( M b p ssb it 0 4 8.21 2 5 )8*32(
E1信道：传输 30路话音，每个样本 8比特
–总共 32个子信道,2个子信道传输控制信号、同步波分多路复用 WDM
频分多路复用的一种变种，用于光信道
光波位于统一电磁频谱的高频段，支持高带宽
多个光波信号通过无源的衍射光栅复用一根光纤
支持光交换，将一根光纤上输入的光信号向多条光纤转发数字编码（数字数据?数字信号）
NRZ(Non-Return-Zero）编码
一种信号状态代表 1，另一种信号状态代表 0
Clock recovery：根据跳变来恢复时钟，可能长时间无跳变，
从而接收和发送端之间很难进行比特同步
Baseline wander：接收者一般怎么确定信号是高电平还是低电平呢？记录收到的信号的平均值，然后与这个平均值进行比较。连续的 1或者 0就会改变这个平均值。
NRZI(NRZ Inverted)编码：差分编码
什么是差分编码？比较相邻的信号单元而不是仅仅根据目前的信号
用信号的跳变来表示 1，无跳变表示 0
解决了连续 1的问题，但是对于连续 0的问题无能为力
NR Z
NR Z I
C lo c k
M a n c h e s ter
差分 M a n c h e s ter
对比特流 1 0 1 1 0 0 0 1 进行编码的波形图
1 1 1 1 0 0 0 0
数字编码（ 2）
曼彻斯特编码
可以看作时钟和 NRZ编码异或而成
每个比特的传输都有电平的跳变
一个比特时间 T分为两半：高电平?低电平为 1，低电平?高电平为 0
差分曼彻斯特编码
比特时间的开始处的跳变来表示：没有跳变表示 1，
有跳变表示 0
每个比特时间仍然有一个跳变，用来同步
需要更复杂的设备，更好的抗干扰性
曼彻斯特编码的波特率和比特率的关系？
效率只有 50%!!
数字编码（ 3）
4B5B编码
4比特的数据用 5比特的码组来编码
编码保证码组前部没有多于 1个,0”，尾部没有多于 2个,0”：也就是说采用 4B5B编码的码组流不会出现超过连续 3个,0”
5比特的码组再用 NRZI编码
每个 5比特的码组至少有 2个,1”，也就是有
2次跳变
4B5B的效率是多少？
效率为 80%!!
数据 4比特输入 5比特的码组
0 0000 11110
1 0001 01001
2 0010 10100
3 0011 10101
4 0100 01010
5 0101 01011
6 0110 01110
7 0111 01111
8 1000 10010
9 1001 10011
A 1010 10110
B 1011 10111
C 1100 11010
D 1101 11011
E 1110 11100
F 1111 11101
物理层接口标准,RS232（ 1）
RS232：美国电子工业协会 EIA的串行物理接口标准,4种特性
机械（ ISO2110）,25针接口，尺寸、针的位置
电气（ V.28）：低于 -3v表示 1，高于 +3v表示 0，最长 30米，通信速度 20kbps。
功能（ V.24）,20条电路的意义
地：保护地、信号地（提供公共的参考电平）
数据：发送、接收 /主信道、辅信道
用于半双工方式时辅信道传输流量控制或者停止消息
定时,3针，同步，信号单元的中部时进行跳变而设置
DTE发送时,DTE或者 DCE提供定时信号
DCE发送时,DCE提供定时信号物理层接口标准 RS232（ 2）
功能：
控制（ 16）：
异步,6根线路，主要的信号线。
同步,110置 ON表示收到的信号比较差，用于 Modem的速率自动选择,111/112选择信号速率。
辅助信道：
回环测试：本地测试和远地测试
过程特性在 V.24中定义物理层接口标准 RS232（ 3）
6条主要电路的含义：
TxD(103),DTE通过其发送数据给 DCE
RxD(104),DTE从其接收 DCE发送的数据
RTS(105)：请求发送,DTE要发送，通知 DCE
CTS(106)：清除待发送,DCE通知 DTE已准备好接收
DSR(107)：数据设备准备好，表示 DCE已经和通信媒体连接成功，可以提供服务
DTR(108.2)：数据终端准备好，表示 DTE已准备好
RS-449
RS-449是接口标准，有两种电气标准,RS-
422/RS-423
37针连接器
平衡方式 RS422：
两条线路传送 1个信号，比较两条线路的电平来传输 1或 0
10米距离的速率 10Mbps,1km的速率可达 100kbps
非平衡方式 RS423：
一条线路传送 1个信号，但是采用差动接收
比 RS232更远距离和更高速率
CCITT X.21（ 1）
给出了 DTE如何与数字 DCE交换信号的数字接口标准
有两种物理接口，首先是 15针接口，比如用于
X.25,ISDN则采用 8针接口
常用的 8针：
发送 T、接收 R：传输数据
控制 C、指示 I：传输控制信息
比特定时信号 S,DCE提供
字节定时选择,DCE?DTE
DTE公用回线、地线
X.21中信号为 1表示断开,0表示接通
CCITT X.21 （ 2）
利用 X.21进行通信的过程
建立连接
通话
释放连接习题
2.4
2.7
2.10
2.13
2.17
2.1 数据通信的基础理论
2.2 物理传输媒体
2.3 传输技术
2.4 物理层接口标准举例通信系统模型（ 1）
一个简单的通信系统模型信源 T r a n s m i t t er R ec ei v er
信道 信宿噪声源
I n f o r m a ti o n
m
d a ta
g ( t )
s i g n a l
s ( t )
s i g n a l
r ( t )
d a ta
g ( t ) `
I n f o r m a ti o n
m
通信系统模型（ 2）
模拟和数字：连续变化或者离散变化
数据：
模拟数据：声音、视频
数字数据：文本
信号：
模拟信号：传输模拟信号的信道称为模拟信道
数字信号：传输数字信号的信道称为数字信道
数据如何在信道上传输？
数字数据在模拟信道上传输（数字调制）
数字数据在数字信道上传输（数字编码）
模拟数据在数字信道上传输（脉码调制）
通信系统模型（ 3）
点到点和多点配置：
T r a n s m it ter /
R e c e iv e r 信道
···
2,多点配置放大器或转发器信道
T r a n s m it ter /
R e c e iv e r
0 或多个
1,点到点
T r a n s m it ter /
R e c e iv e r
信道放大器或转发器
0 或多个
T r a n s m it ter /
R e c e iv e r
信道
···
T r a n s m it ter /
R e c e iv e r
T r a n s m it ter /
R e c e iv e r
带宽与傅里叶分析（ 1）
数字数据（信号）直接在模拟信道上传输将失真：
模拟信道有一定的带宽：能传输的信号频率范围
带宽由传输媒体和有关的附加设备与电路的频率特性综合决定
低通信道的带宽 fc：从 0到某个截止频率 fc的信号通过时振幅不会衰减或者衰减很小，而超过 fc的信号会大大衰减
电话音频线路的带宽为 4kHz
带宽与傅里叶分析（ 2）
频率（ Frequency）
傅里叶分析
具有有限持续时间 T的数字信号可以看作以 T
为周期的函数 g(t)，它由（无限个）正弦和余弦的多次谐波组成：
φ)π ft(As ( t)
φeg e n e r a l
ttsTts
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1 /Tf p h a s e,A m p l it id e:A,w a v es in
)()(
带宽与傅里叶分析（ 3）
傅里叶级数的正弦余弦表示：
基准频率,f
直流分量 (C):频率为 0
N次谐波的周期为 nf，振幅为 an或者 bn
11
00
)2c o s ()2s in (
2
)2c o s ()2s in ()(
n
n
n
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)(
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)2c o s ()(
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)2s in ()(
2
带宽与傅里叶分析（ 4）
傅里叶级数的振幅 -相位表示：
带宽：模拟信道允许通过的频率的范围
所有数字信号的带宽是无限的
模拟信道的带宽限制了通过的谐波的次数
带宽越低，通过谐波次数越少，信号越容易失真
1
)2c o s (2)(
n
nn n ftc
ctg
)(t a n 1
22
n
n
n
nnn
b
a
bac
信道的最大数据速率（ 1）
考虑 8比特编码的数字信号波形,
数据速率为 c bps，发送 8比特的时间为 8/c秒，基准频率为 c/8 Hz
信道带宽为 H，则在信道上允许通过的最高谐波次数为
示例：带宽 H=3k Hz
C=9.6kbps时，最多通过 2次谐波
C=2.4kbps时，可以通过 10次谐波
19.2k 通过 1次谐波
38400时通过谐波的次数为 0
C
H＝
基波信道 8
频率带宽信道的最大数据速率（ 2）
Nyquist定理：
给出了有限带宽无噪声信道的最大数据速率公式
信号通过带宽为 H的低通滤波器，每秒 2H次采样能够完整重现该被滤波的信号
信道带宽为 4kHz，信号有 4种取值，则最大数据速率
l o g2 2 LHC?
个数为信号可取的离散值的为信道的带宽为最大数据速率其中：
L
H
C
kb p sC 164l o g42 2
信道的最大数据速率（ 3）
Shannon定理：
给出受噪声干扰的信道中数据速率的公式
S表示信号功率,N表示噪声功率，信噪比,S/N
信噪比常常用分贝 dB为单位来表示：
比如信道带宽为 4kHz，信噪比为 30dB，最大数据速率为：
)/1(l o g 2 NSHC
为信道的信噪比为信道的带宽为最大数据速率其中：
NS
H
/
C
kb p sC 40)101(l o g4 10/302
)/(lo g10 10 NS
波特率和数据速率的关系
波特率 B：每秒信号状态变化的次数
数据速率 C：每秒传输的比特数
两者之间的关系：
假设 L为信号可取的离散值的个数
当 L=2时,C=B
LBC 2l o g?
物理传输媒体
常用的传输媒体
有线（ Guided）
双绞线
同轴电缆
光纤
无线（ Unguided）
地面微波
卫星
广播无线电
红外
激光双绞线（ Twisted Pair）
双绞线减少相互间的干扰
电缆常常包括多对双绞线
双绞线分为两类：
屏蔽双绞线 STP（ Shielded Twisted Pair）
非屏蔽双绞线 UTP（ Unshielded Twisted Pair）
3类 UTP：常用来传输话音
5类 UTP：可以 100Mbps传输数据
超 5类 UTP：支持的数据速率更高同轴电缆（ coaxial cable）
速度更高，距离更远
从里到外依次为铜芯、绝缘材料、网状导体、塑料外皮，
基带同轴电缆：用于传输数字信号
粗缆
细缆
宽带同轴电缆
传输模拟信号，在 CATV中使用。
被分为多个信道，可以传输电视、数据。
光纤（ Optical Fiber）
光纤传送电信号的过程
单模光纤：直线，距离更长，数据速率更高
多模光纤：折射电信号 驱动器 光检测器光源光信号电信号光电二极管发光二极管激光发射二极管放大器无线传输媒体
ITU-R划分的无线电波段
30-300k Hz 低频 LF
300-3000k Hz 中频 MF AM radio
FM radio
3-30M Hz 高频 HF Shortwave
30-300M Hz 甚高频 VHF VHF TV
300－ 3000MHz 超高频 UHF UHF TV
3-30GHz 特高频 SHF
30-300GHz 极高频 EHF
无线电
低频、中频波段可通过障碍物，沿地表传播，
距离有限
高频和甚高频可通过电离层反射，可达到更远的距离
无线电话网：频率重用
地理范围分成若干单元，每个单元进一步分为小单元。每个小单元采用不同的频率。
蜂窝状的结构保证两个相邻的小单元不会使用同一个频率微波（ microwave）
微波使用的波段为 2G-40G Hz
通过抛物状的天线把能量集中一束，沿直线传播
微波中继站：扩展传输距离红外通信（ Infrared）
短距离的利用红外线的通信
要求方向性
无需天线
不能穿过建筑物
不需要申请频率分配激光通信（ laser）
利用光波通信
定向特性
无需申请频率
不能穿过障碍物，受天气（雨雾）影响卫星通信
利用地球同步卫星为中继转发微波信号
上行信道、下行信道
无距离限制，但传播延时较长,270ms
微波的传播延迟 3?s/km
同轴电缆或光纤的传播延迟为 53?s/km
VSAT：地面站昂贵
VSAT终端利用小天线通过中心站转接
两个 VSAT终端间通过一个中心站 Hub通信，传播延时为 540ms
频率、波长、带宽
波长（ wavelength）为一个周期内信号传输的距离：光速为 c
频谱（ spectrum）：频率范围，按波长划分被称为波段
带宽：
高频段可获得较大的带宽
fccT
smc /103 8
2
2
c
f
c
d
df
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求导有：对模拟和数字传输
模拟传输：
模拟信号传输的方式，不关心信号的内容（模拟数据或者数字数据）
信号的畸变和衰减：放大器
数字传输：广泛用于长距离通信中
关心信号的内容：
模拟信号：代表数字数据
数字信号：一系列的 0和 1：可能是模拟或数字数据
转发器：恢复为数字数据，然后重新生成相应的信号传递数字调制技术
数字调制技术：数字数据?模拟信号
调制解调器 MODEM
载波信号（连续的固定频率的信号）
调制过程就是根据基带信号调制载波的过程
一个正弦振荡的载波：
三种基本调制方法：幅度、频率、相位
φ)π f t(As ( t )
φ
2s i n
f r e n q u e n c y:f p h a s e,A m p l i t i d e:A
调幅、调频、调相（ 1）
调幅 AM（ ASK）：用两个不同信号的幅度表示或者用载波的有无来表示：
调频 FM（ FSK）：用两个不同的靠近载波的频率表示：
0b i n a r y 0
1b i n a r y )2s i n ()( ftAts?
0b in a r y )2s in (
1b in a r y )2s in ()(
2
1
tfA
tfAts
调幅、调频、调相（ 2）
调相 PM（ PSK）：用载波的相位变化来表示：
以上三种调制方式可以组合使用，达到更高的数据速率
0b i n a r y )2s i n (
1b i n a r y )2s i n ()(
ftA
ftAts
模拟信号的脉码调制（ 1）
模拟数据?数字信号：编码解码器 CODEC
脉码调制原理：
采样,Nyquist定理,2H的采样频率
量化：模拟信号分为若干等级，四舍五入
量化误差：假设分为 16级，量化误差为 1/32
编码：量化值用二进制表示。
基本 PCM：幅度等分量化。
4kHz的音频信号，采样采用 4比特编码，量化等级为 16级，数据速率,=2Hlog2V=2*4*4=32kbps
每个样本绝对误差是相同的，而与信号幅值无关。可采用一种非线性的编码技术来优化 PCM，即量化电平是不等分的以减少信号的失真模拟信号的脉码调制（ 2）
差分 DPCM：
量化的幅度之间的间隔
基于模拟信号的幅度不可能大幅度的跳变
增量（ delta）调制：样本值相差 1。
预测编码：预测样本值，对实际采样值和预测之间的幅度差进行量化。
多路复用（ 1）
多路复用：
把许多信号在单一的传输线路上用单一的传输设备来进行传输
常用的多路复用技术
频分多路复用 FDM
时分多路复用 TDM
波分多路复用 WDM
多路复用（ 2）
频分多路复用 FDM：例子：无线电广播
物理信道分割成多个子信道
信号通过采用不同的载波来进行调制在其中某一条子信道传输
时分多路复用 TDM
物理信道按时间分成多个时间片
信号轮流使用某个时间片多路复用（ 3）
T1信道,用于传输 24路话音，即 24个子信道
模拟音频信道的带宽为 4KHz：人耳听到的音频范围为
300Hz~3300Hz,再加上两边各预留的 500Hz频带
根据 Nyquist定理，每 125 μ s采样一次，每个样本 7比特
子信道有 8比特，其中一个比特用于传输控制信号
每帧还有一个比特用于帧的边界，每 125微妙传输 193比特
4条 T1信道复用成 T2信道,6条 T2信道复用成 T3(45Mbps)
信道
Mb p ss b it 544.1125 )18*24( M b p ssb it 0 4 8.21 2 5 )8*32(
E1信道：传输 30路话音，每个样本 8比特
–总共 32个子信道,2个子信道传输控制信号、同步波分多路复用 WDM
频分多路复用的一种变种，用于光信道
光波位于统一电磁频谱的高频段，支持高带宽
多个光波信号通过无源的衍射光栅复用一根光纤
支持光交换，将一根光纤上输入的光信号向多条光纤转发数字编码（数字数据?数字信号）
NRZ(Non-Return-Zero）编码
一种信号状态代表 1，另一种信号状态代表 0
Clock recovery：根据跳变来恢复时钟，可能长时间无跳变，
从而接收和发送端之间很难进行比特同步
Baseline wander：接收者一般怎么确定信号是高电平还是低电平呢？记录收到的信号的平均值，然后与这个平均值进行比较。连续的 1或者 0就会改变这个平均值。
NRZI(NRZ Inverted)编码：差分编码
什么是差分编码？比较相邻的信号单元而不是仅仅根据目前的信号
用信号的跳变来表示 1，无跳变表示 0
解决了连续 1的问题，但是对于连续 0的问题无能为力
NR Z
NR Z I
C lo c k
M a n c h e s ter
差分 M a n c h e s ter
对比特流 1 0 1 1 0 0 0 1 进行编码的波形图
1 1 1 1 0 0 0 0
数字编码（ 2）
曼彻斯特编码
可以看作时钟和 NRZ编码异或而成
每个比特的传输都有电平的跳变
一个比特时间 T分为两半：高电平?低电平为 1，低电平?高电平为 0
差分曼彻斯特编码
比特时间的开始处的跳变来表示：没有跳变表示 1，
有跳变表示 0
每个比特时间仍然有一个跳变，用来同步
需要更复杂的设备，更好的抗干扰性
曼彻斯特编码的波特率和比特率的关系？
效率只有 50%!!
数字编码（ 3）
4B5B编码
4比特的数据用 5比特的码组来编码
编码保证码组前部没有多于 1个,0”，尾部没有多于 2个,0”：也就是说采用 4B5B编码的码组流不会出现超过连续 3个,0”
5比特的码组再用 NRZI编码
每个 5比特的码组至少有 2个,1”，也就是有
2次跳变
4B5B的效率是多少？
效率为 80%!!
数据 4比特输入 5比特的码组
0 0000 11110
1 0001 01001
2 0010 10100
3 0011 10101
4 0100 01010
5 0101 01011
6 0110 01110
7 0111 01111
8 1000 10010
9 1001 10011
A 1010 10110
B 1011 10111
C 1100 11010
D 1101 11011
E 1110 11100
F 1111 11101
物理层接口标准,RS232（ 1）
RS232：美国电子工业协会 EIA的串行物理接口标准,4种特性
机械（ ISO2110）,25针接口，尺寸、针的位置
电气（ V.28）：低于 -3v表示 1，高于 +3v表示 0，最长 30米，通信速度 20kbps。
功能（ V.24）,20条电路的意义
地：保护地、信号地（提供公共的参考电平）
数据：发送、接收 /主信道、辅信道
用于半双工方式时辅信道传输流量控制或者停止消息
定时,3针，同步，信号单元的中部时进行跳变而设置
DTE发送时,DTE或者 DCE提供定时信号
DCE发送时,DCE提供定时信号物理层接口标准 RS232（ 2）
功能：
控制（ 16）：
异步,6根线路，主要的信号线。
同步,110置 ON表示收到的信号比较差，用于 Modem的速率自动选择,111/112选择信号速率。
辅助信道：
回环测试：本地测试和远地测试
过程特性在 V.24中定义物理层接口标准 RS232（ 3）
6条主要电路的含义：
TxD(103),DTE通过其发送数据给 DCE
RxD(104),DTE从其接收 DCE发送的数据
RTS(105)：请求发送,DTE要发送，通知 DCE
CTS(106)：清除待发送,DCE通知 DTE已准备好接收
DSR(107)：数据设备准备好，表示 DCE已经和通信媒体连接成功，可以提供服务
DTR(108.2)：数据终端准备好，表示 DTE已准备好
RS-449
RS-449是接口标准，有两种电气标准,RS-
422/RS-423
37针连接器
平衡方式 RS422：
两条线路传送 1个信号，比较两条线路的电平来传输 1或 0
10米距离的速率 10Mbps,1km的速率可达 100kbps
非平衡方式 RS423：
一条线路传送 1个信号，但是采用差动接收
比 RS232更远距离和更高速率
CCITT X.21（ 1）
给出了 DTE如何与数字 DCE交换信号的数字接口标准
有两种物理接口，首先是 15针接口，比如用于
X.25,ISDN则采用 8针接口
常用的 8针：
发送 T、接收 R：传输数据
控制 C、指示 I：传输控制信息
比特定时信号 S,DCE提供
字节定时选择,DCE?DTE
DTE公用回线、地线
X.21中信号为 1表示断开,0表示接通
CCITT X.21 （ 2）
利用 X.21进行通信的过程
建立连接
通话
释放连接习题
2.4
2.7
2.10
2.13
2.17
