第一章通信基础

第一章通信基础1.1信号、数据、信息信息、数据和信号(1)信息信息是人脑对客观物质的反映，既可以是对物质的形态、大小、结构、性能等特性的描述，也可以是物质与外部的联系。(2)数据数据是指描述物体的数字、字母或符号，有模拟数据和数字数据之分。模拟数据是指在某个区间内连续变化的值。例如，声音和视频是幅度连续变化的波形，温度和压力（传感器收集的数据）也是连续变化的值。数字数据在某个区间内是离散的值。例如，文本信息和整数等。(3)信号信号是数据在传输过程中的表示形式，是用于传输的电子、光或电磁编码，有模拟信号和数字信号之分。(4)信息、数据和信号三者之间的联系从上面的表述中可以得出如下结论：数据是信息的载体，信息是数据的内容和解释，而信号是数据的编码。2.信道和带宽信道是传输信号的通路，一条传输线路上可以存在多个信道。信号带宽指信号的频率范围，而信道带宽是信道上能够传输信号的最大频率范围。注意，信号带宽不能大于信道带宽，否则信号在信道上无法实现通信。1.1.1模拟信号模拟信号（也称为连续信号）是随时间连续变化的电流、电压或电磁波。用模拟信号表示要传输的数据，是指利用其某个参量（如幅度、频率或相位等）的变化来表示数据。1.1.2数字信号数字信号（也称为离散信号）是一系列离散的电脉冲。用数字信号表示要传输的数据，是指利用其某一瞬间的状态来表示数据。如下图所示。图模拟信号图数字信号1.2数据编码方式1.2.1模拟信号编码为了利用廉价的公共电话交换网实现计算机之间的远程通信,必须首先将发送端的数字信号变换成能够在公共电话网上传输的音频信号,经传输后,再在接收端将音频信号逆变换成对应的数字信号。数字信号变换成音频信号的过程称调制(Modulate),音频信号逆变换成对应数字信号的过程称解调(Demod1date)。一般,每个工作站既要发送数据又要接收数据,所以总把调制和解调功能合做成一个设备,称作调制解调器(MODulaterDEModulater,简称Modem)。为什么在公共交换电话网中传输数字信号必须使用调制解调器呢?因为电话公共交换网是一种频带模拟信道,它的频带范围仅为300Hz~3400Hz,而数字信号由于所含的极其丰富的高次谐波成份使得频宽范围可从OEfz一直延伸达几千兆Efz,如不加任何措施利用模拟信道来传输数字信号,必定出现极大的失真和差错。所以,要在公共电话网上传输数据,必须将数字信号变换成电话网所允许的音频频带范围,即300Hz~3400Hz。可以这么说,在最终实现称作综合业务数据网(ISDN)的数字通信系统之前,很大一部分远程数据通信系统仍需要用调制解调器.这里,与调制解调器相连的工作站可以是计算机、远程终端、外部设备甚至局域网。调制解调器将数字信号调制成模拟信号,传输到对方后又将模拟信号解调成数字信号的过程。模拟信号传输的基础是载波,载波具有三大要素,即幅度、频率和相位,数字数据可以针对载波的不同要素或它们的组合进行调制。数字调制三种基本形式：移幅键控法ASK移频键控法FSK移相键控法PSK在移幅键控法ASK方式下,用载波的两种不同幅度来表示二进制值的两种状态。例如,用幅度恒定的载波的存在表示1,而用载波不存在来表示0。ASK方式容易受增益变化的影响,是一种效率相当低的调制技术。在电话线路上,通常只能达到1200bps的速率。在移频键控法FSK方式下,用载波频率附近的两种不同频率表示二进制的0和1。在电话线路上使用FSK可以实现全双工操作,全双工指的是可以同时在两个方向传输数据。为了达到这个目的,可以将电话频带分为300~1700Hz和1700~3000HZ两个子频带,其中一个用于发送,另一个用于接收。在一个方向上,调制解调器可以用1070Hz和1270Hz两种频率表示0和1;对于另一个方向,则可以用2025Hz和2225Hz两种频率表示0和1。由于两套频率相互之间不存在重叠,因此几乎没有什么干扰。在电话线路上,FSK通常也可达1200bps速率。在移相键控法PSK方式下,利用载波信号相位移动来表示数据。图2.7中是一个二相系统的例子,在这个系统中,用相移为旷的频率表示0,用相移为180。(即反相)的频率表示1。实际应用中,PSK也可以使用多于二相的相移,例如四相、八相,甚至更多相。这样,便可使一个码元取4种、8种或更多种离散状态,由此使数据传输速率增加到原来的2倍、3倍或更多。将信号频率分别移相四种不同角度的移相键控法称为2DPSK,利用这种技术,可以对传输速率起到加倍的作用,例如信号速率为600波特的调制解调器,则2DPSK的有效数据速率可为1200bps;将一个信号分别移相8种不同角度的移相键控法称为3DPSK,这种技术若使用在1600波特的调制解调器上,便可以获得4800bps的数据传输率。采用多相PSK可以有效地提高数据传输速率,但受实际电话传输网的限制,相移数已达到上限,再要提高数据传输速率,只能另寻它法。PSK和ASK技术的结合可以解决这个问题,这种方式称相位幅度调制PAM(PulseAmplitudeModulation)。例如采用12种相位,其中的4种相位每个信号取2种幅度,这样就得到16种不同的相位幅度离散状态,可使一个码元表示4位二进制数据,从而大大提高了数据传输速率。这种类型的调制解调器有效数据传输率可达9600bps。另外还有一种正交幅度调制QAM(QuadratureAmplitudeModula-tbn),它是一种改进了的PAM技术。调制解调器之间通过公用电话网相连接时所采用的传输方式有全双工、半双工之分,而连线方式有二线制、四线制之分。采用的连接线可以是专用线路,也可以是公共电话交换网。全双工可以是二线制全双工,也可以是四线制全双工,半双工只有二线制半双工。由于全双工能在同一时刻进行双向的信号传输,不像半双工需要进行收、发切换,所以同一速率的调制解调器,全双工通信的效率要优于半双工的。对于二线制全双工,因为收与发合在一个回路里传输,所以要用适当的技术来分割信道。1.2.2数字信号编码不归零NRZ(NonReturntoZero)码差分不归零DNRZ码曼彻斯特(Manchester)码差分曼彻斯特(DifferentialManchester)码(1)NRZ码NRZ码是用信号的幅度来表示二进制数据的，通常用正电压表示数据“1”，用负电压表示数据“0”，并且在表示一个码元时，电压均无需回到零，故称不归零码。NRZ码的特点是一种全宽码，即一位码元占一个单位脉冲的宽度。全宽码的优点：一是每个脉冲宽度越大，发送信号的能量就越大这对于提高接收端的信噪比有利；二是脉冲时间宽度与传输带宽成反比关系，即全宽码在信道上占用较窄的频带，并且在频谱中包含了码位的速度。NRZ码的主要缺点是：当数据流中连续出现0或1时，接收端很难以分辨1个信号位的开始或结束，必须采用某种方法在发送端和接收端之间提供必要的信号定时同步。同时，这种编码还会产生直流分量的积累问题，这将导致信号的失真与畸变，使传输的可靠性降低，并且由于直流分量的存在，使得无法使用一些交流耦合的线路和设备。因此，一般的数据传输系统都不采用这种编码方式。(2)DNRZ码DNRZ码是一种NRZ码的改进形式，它是用信号的相位变化来表示二进制数据的，一个信号位的起始处有跳变表示数据“1”，而无跳变表示数据“0”。DNRZ码不仅保持了全宽码的优点，同时提高了信号的抗干扰性和易同步性。近年来，越来越多的高速网络系统采用了DNRZ码，成为主流的信号编码技术，在FDDI、100BASE-T及100VG-AnyLAN等高速网络中都采用了DNRZ编码。其原因是在高速网络中要求尽量降低信号的传输带宽，以利于提高传输的可靠性和降低对传输介质带宽的要求。而DNRZ编码中的码元速率与编码时钟速率相一致，具有很高的编码效率，符合高速网络对信号编码的要求。同时，为了解决数据流中连续出现0或1时所带来的信号编码问题，通常采用两级编码方案，第一级是预编码器，对数据流进行预编码，使编码后的数据流不会出现连续0或连续1，常用的预编码方法有4B5B、5B6B等；第二级是DNRZ编码，实现物理信号的传输。这种两级编码方案的编码效率可达到80%以上。例如，在4B5B编码中，每4位数据用5位编码来表示，即4位数据就会增加1位的编码开销，编码效率仍为80%。(3)曼彻斯特码在曼彻斯特码中，用一个信号码元中间电压跳变的相位不同来区分数据“1”和“0”，它用正的电压跳变表示“0”；用负的电压跳变表示“1”。因此，这种编码也是一种相位码。由于电压跳变都发生在每一个码元的中间，接收端可以方便地利用它作为位同步时钟，因此这种编码也称为自同步码。10Mb/s以太网(Ethernet)采用这种曼彻斯特码。(4)差分曼彻斯特码差分曼彻斯特码是一种曼彻斯特码的改进形式，其差别在于：每个码元的中间跳变只作为同步时钟信号；而数据“0”和“1”的取值是用信号位的起始处有无跳变来表示，若有跳变则为“0”；若无跳变则为“1”。这种编码的特点是每一位均用不同电平的两个半位来表示，因而始终能保持直流的平衡。这种编码也是一种自同步编码。令牌环(Token-Ring)网采用这种差分曼彻斯特编码。这两种曼彻斯特编码主要用于中速网络(Ethernet为10Mb/s；Token-Ring最高为16Mb/s)中，而高速网络并不采用曼彻斯特编码技术。其原因是它的信号速率为数据速率的两倍，即对于10Mb/s的数据速率，则编码后的信号速率为20Mb/s，编码的有效率为50%。对于100Mb/s的高速网络来说，200Mb/s的信号速率无论对传输介质的带宽的要求，还是对传输可靠性的控制都未免太高了，将会增加信号传输技术的复杂性和实现成本，难以推广应用。因此，高速网络主要采用两级的DNRZ编码方案，而中速网络采用曼彻斯特编码方案，尽管它增加了传输所需的带宽，但在实现起来简单易行。1.2.3采样、量化、编码采样是指用每隔一定时间的信号样值序列来代替原来在时间上连续的信号,也就是在时间上将模拟信号离散化.量化是用有限个幅度值近似原来连续变化的幅度值,把模拟信号的连续幅度变为有限数量的有一定间隔的离散值.编码则是按照一定的规律,把量化后的值用二进制数字表示.把模拟信号转换成数字信号的过程称为模/数转换，它主要包括：采样：在时间轴上对信号数字化；量化：在幅度轴上对信号数字化；编码：按一定格式记录采样和量化后的数字数据。采样频率采样频率是指一秒钟内采样的次数。奈奎斯特（HarryNyquist）采样理论：如果对某一模拟信号进行采样，则采样后可还原的最高信号频率只有采样频率的一半，或者说只要采样频率高于输入信号最高频率的两倍，就能从采样信号系列重构原始信号。根据该采样理论，CD激光唱盘采样频率为44KHz，可记录的最高音频为22KHz，这样的音质与原始声音相差无几，也就是我们常说的超级高保真音质（SuperHighFidelity-HiFi）。采样的三个标准频率分别为：44.1KHz，22.05KHz和11.025KHz。量化位数量化位是对模拟音频信号的幅度轴进行数字化，它决定了模拟信号数字化以后的动态范围。由于计算机按字节运算，一般的量化位数为8位和16位。量化位越高，信号的动态范围越大，数字化后的音频信号就越可能接近原始信号，但所需要的存贮空间也越大。量化位等份动态范围（dB）应用825648-50数字电话166553696-100CD-DA声道数有单声道和双声道之分。双声道又称为立体声，在硬件中要占两条线路，音质、音色好，但立体声数字化后所占空间比单声道多一倍。编码算法编码的作用一是采用一定的格式来记录数字数据，二是采用一定的算法来压缩数字数据。压缩编码的基本指标之一就是压缩比：压缩比通常小于1。压缩算法包括有损压缩和无损压缩；有损压缩指解压后数据不能完全复原，要丢失一部分信息。压缩比越小，丢掉的信息越多、信号还原后失真越大。根据不同的应用，可以选用不同的压缩编码算法，如PCM，ADPC，MP3，RA等等。数据率=采样频率（Hz）×量化位数（bit）