通信原理基礎(chǔ)

1、,通信原理基礎(chǔ),,,,,2.1 基 本 概 念,2.1.1 信號(hào)與噪聲 1．信號(hào) 通信的目的是傳輸消息，消息一般是用數(shù)據(jù)來表示的，通常要把表示消息的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)樾盘?hào)進(jìn)行傳遞。,,信號(hào)是消息（或數(shù)據(jù)）的一種電磁編碼，信號(hào)中包含了所要傳遞的消息。信號(hào)是信息的載體，通常以某種客觀物理量、客觀現(xiàn)象或語言文字等形式表現(xiàn)出來。信號(hào)必須具有可觀測(cè)性、可變化性和可實(shí)現(xiàn)性。,,古時(shí)的烽火、軍隊(duì)中的沖鋒號(hào)、信號(hào)彈、信號(hào)燈與信號(hào)旗都是

2、反映某種信息的信號(hào)實(shí)例。,,作為信息的載體，信號(hào)首先必須能被人的視覺、聽覺、味覺或觸覺感受到，或被機(jī)器設(shè)備檢測(cè)到，否則就失去了信息傳輸?shù)囊饬x；其次，信號(hào)必須可變，信號(hào)如果不可變，則無法攜帶豐富多彩的信息；最后，信號(hào)必須能夠通過物理方法產(chǎn)生或?qū)崿F(xiàn)。,,比如，打雷和閃電具有信號(hào)的前兩個(gè)性質(zhì)，但它們無法由人控制、產(chǎn)生，所以不能作為通信信號(hào)。,,信號(hào)一般以時(shí)間為自變量，以表示消息（或數(shù)據(jù)）的某個(gè)參量（振幅、頻率或相位）為因變量。信號(hào)按其因變量的

3、取值是否連續(xù)可分為模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)。 A*cos（wt+a）。,,模擬信號(hào)是指信號(hào)的因變量完全隨連續(xù)消息的變化而變化的信號(hào)。模擬信號(hào)的自變量可以是連續(xù)的，也可以是離散的；但其因變量一定是連續(xù)的，如圖2-1（a）所示。電視圖像信號(hào)、語音信號(hào)、溫度壓力傳感器的輸出信號(hào)以及許多遙感遙測(cè)信號(hào)都是模擬信號(hào)。,,數(shù)字信號(hào)是指表示消息的因變量是離散的，自變量時(shí)間的取值也是離散的信號(hào)，如圖2-1（b）所示，通常表示為x(nt)，數(shù)字信號(hào)的因變量的狀態(tài)

4、是有限的。計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)、數(shù)字電話和數(shù)字電視等都是數(shù)字信號(hào)。,,圖2-1 模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào),,雖然模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)有著明顯的差別，但二者之間在一定條件下可以相互轉(zhuǎn)化。模擬信號(hào)可以通過抽樣、編碼等步驟變成數(shù)字信號(hào)，而數(shù)字信號(hào)也可以通過解碼、平滑等步驟恢復(fù)為模擬信號(hào)。,,2．噪聲 噪聲是通信領(lǐng)域中出現(xiàn)頻率很高的一個(gè)詞，但通信領(lǐng)域中所謂的噪聲不同于我們所熟悉的以音響形式反映出來的各種噪聲（如風(fēng)聲、雨聲、人們的吵鬧聲、機(jī)器轟

5、鳴聲等等）。,,噪聲其實(shí)是一種不攜帶有用信息的電信號(hào)，是對(duì)有用信號(hào)以外的一切信號(hào)的統(tǒng)稱。概括地講，不攜帶有用信息的信號(hào)就是噪聲。顯然，噪聲是相對(duì)于有用信號(hào)而言的，一種信號(hào)在某種場(chǎng)合是有用信號(hào)，而在另一種場(chǎng)合就有可能是噪聲。,,2.1.2 信道與傳輸介質(zhì) 傳輸介質(zhì)泛指計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中用于連接各個(gè)計(jì)算機(jī)的物理媒體，特指用來連接各個(gè)通信處理設(shè)備的物理介質(zhì)，包括有線與無線兩大類。信道是傳送信號(hào)的一條通道，其建立在傳輸介質(zhì)之上，但包括了

6、傳輸介質(zhì)和通信設(shè)備。同一傳輸介質(zhì)上可提供多條信道，一條信道允許一路信號(hào)通過。,,1．信道 信道可以分為有線信道與無線信道兩類。有線信道包括明線、雙絞線、同軸電纜、光纜等；無線信道有地波傳播、短波電離層反射、超短波或微波視距中繼、人造衛(wèi)星中繼、各種散射信道等。,,信號(hào)在傳輸過程中除了經(jīng)過傳輸介質(zhì)還必須經(jīng)過很多設(shè)備，如發(fā)送設(shè)備、接收設(shè)備、調(diào)制器、解調(diào)器等。我們稱這種擴(kuò)大范圍的信道為廣義信道，而前者稱為狹義信道。傳輸介質(zhì)即可

7、以理解為狹義信道。通常我們把傳輸模擬信號(hào)的信道稱為模擬信道，把傳輸數(shù)字信號(hào)的信道稱為數(shù)字信道。,,2．傳輸介質(zhì) 傳輸介質(zhì)通常分為有線介質(zhì)和無線介質(zhì)。,,（1）雙絞線（Twisted Pair） 雙絞線是目前使用最廣，價(jià)格相對(duì)便宜的一種傳輸介質(zhì)。它是由兩條相互絕緣的銅導(dǎo)線組成。其中導(dǎo)線的典型直徑為1mm（在0.4mm至1.4mm之間）。這兩條線扭絞在一起，可以減少對(duì)鄰近線對(duì)的電磁干擾。,,為了進(jìn)一步提高雙絞線

8、的抗電磁干擾能力，還可以在雙絞線的外層再加上一個(gè)金屬屏蔽層，根據(jù)雙絞線是否外加屏蔽層，它又可分為屏蔽雙絞線（Shield Twisted Pair，STP）和非屏蔽雙絞線（UnShield Twisted Pair，UTP）兩類，如圖2-2所示。,,,,圖2-2 雙絞線示意圖,,美國電子工業(yè)協(xié)會(huì)的遠(yuǎn)程通信工業(yè)分會(huì)（EIA/TIA）在1995年頒布了新的“商用建筑物電信布線標(biāo)準(zhǔn)EIA/TIA586-A”。,,（2）同軸電纜（Coaxia

9、l Cable） 同軸電纜中的材料是共軸的，如圖2-3所示，故同軸之名由此而來。 廣泛使用的同軸電纜有兩種。一種是阻抗為50?的基帶同軸電纜，另一種是阻抗為75?的寬帶同軸電纜。,,圖2-3 同軸電纜示意圖,,基帶同軸電纜：一條基帶同軸電纜只支持一個(gè)信道，傳輸帶寬為1Mbit/s～20Mbit/s。它能夠以10Mbit/s的速率把基帶數(shù)字信號(hào)傳輸1km～1.2km。,,寬帶同軸電纜：寬帶同軸電纜支持的帶寬為300MH

10、z～450MHz，可用于寬帶數(shù)據(jù)信號(hào)的傳輸，傳輸距離可達(dá)100km。,,（3）光纖（Optical Fiber） 光導(dǎo)纖維簡(jiǎn)稱為光纖，是光纖通信系統(tǒng)的傳輸介質(zhì)。由于可見光的頻率非常高，約為108MHz的量級(jí)，因此，一個(gè)光纖通信系統(tǒng)的傳輸帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他各種傳輸介質(zhì)的帶寬，是最有發(fā)展?jié)摿Φ挠芯€傳輸介質(zhì)。,,光纖呈圓柱形，由纖芯、包層和涂覆層3部分組成。,,根據(jù)光纖傳輸數(shù)據(jù)模式的不同，它可分為多模光纖和單模光纖兩種。多模光纖是指有

11、多條不同入射角度的光在一條光纖中同時(shí)傳播。若光纖的芯徑較小，與光波波長(zhǎng)在同一數(shù)量級(jí)，則光纖如同一個(gè)波導(dǎo)，光在媒體中沒有反射，而沿直線傳播，這樣的光纖稱為單模光纖。,,光纖不易受電磁干擾和噪聲影響，可進(jìn)行遠(yuǎn)距離、高速率的數(shù)據(jù)傳輸，而且具有很好的保密性能。但是，光纖的接續(xù)、分岔比較困難，目前主要用于傳播速率高、抗干擾性好的主干網(wǎng)上。,,（4）無線介質(zhì) 有線傳輸不僅需要鋪設(shè)傳輸線路，而且連接到網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備也不能隨意移動(dòng)。而采用無線傳輸

12、媒體，則不需要鋪設(shè)傳輸線，允許終端設(shè)備在一定范圍內(nèi)移動(dòng)，非常適合邊遠(yuǎn)山區(qū)、湖泊灘涂等難于鋪設(shè)傳輸線的地方，同時(shí)也為大量便攜式終端設(shè)備入網(wǎng)提供了條件。,,微波是指頻率為300MHz～300GHz的電磁波，實(shí)際主要使用2GHz～40GHz的頻率范圍。微波通信是把微波作為載波信號(hào)，用被傳輸?shù)哪M信號(hào)或數(shù)字信號(hào)調(diào)制后進(jìn)行傳輸。由于微波段的頻率很高，其頻段的范圍也很寬，因此微波信道的容量很大，可同時(shí)傳輸大量信息。,,微波能穿透電離層而不反射到地面

13、，因而只能使微波沿地球表面由信源向目的地直線傳播，然而地球表面是曲面，因此微波的傳輸距離一般只有50km左右。解決的辦法是通過中繼站進(jìn)行接力通信，但相鄰站之間必須是可視的，不能有障礙物。,,紅外線、激光屬于光波，前者廣泛用于短距離通信，如電視、錄像機(jī)、空調(diào)器等家用電器使用的遙控裝置；后者可用于建筑物之間的局域網(wǎng)連接，它具有高帶寬和定向性好的優(yōu)勢(shì)。它們都易受天氣、熱氣流或熱幅射等影響，使得工作質(zhì)量存在不穩(wěn)定性，而且傳輸距離有限。,2.2

14、 通信系統(tǒng)的分類及通信方式,2.2.1 通信系統(tǒng)模型 在通信過程中，基本的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，均是把發(fā)送端的消息通過某種信道傳遞到接收端。這種通信系統(tǒng)可由圖2-4所示模型進(jìn)行描述。,,圖中，發(fā)送端信源的作用是把各種待傳遞的消息轉(zhuǎn)換成原始信號(hào)，由發(fā)送設(shè)備對(duì)原始信號(hào)完成某種變換后送入信道；在接收端，接收設(shè)備能從接收信號(hào)中恢復(fù)出相應(yīng)的原始信號(hào)，而信宿是將復(fù)原的原始信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的消息；圖中的噪聲是信道中的噪聲及分散在通信系統(tǒng)其他各處的噪聲的

15、集合。,,,,圖2-4 通信系統(tǒng)簡(jiǎn)化模型,2.2.2 通信系統(tǒng)的分類,1．按信號(hào)特征分類 根據(jù)信道傳輸信號(hào)種類的不同，通信系統(tǒng)可分為3類：模擬通信系統(tǒng)、數(shù)字通信系統(tǒng)和數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)。,,信道中傳輸模擬信號(hào)的系統(tǒng)稱為模擬通信系統(tǒng)；信道中傳輸數(shù)字信號(hào)的系統(tǒng)稱為數(shù)字通信系統(tǒng)；數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)信號(hào)既可以以數(shù)字信號(hào)的形式在數(shù)字信道中傳輸（比如局域網(wǎng)），也可以轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)在模擬信道中傳輸（比如通過調(diào)制解調(diào)器上網(wǎng)）。這里需要明確模擬通

16、信、數(shù)字通信和數(shù)據(jù)通信的概念。,,（1）模擬通信一般指的是信源發(fā)出的、信宿接收的和信道傳輸?shù)亩际悄M信號(hào)的通信過程或方式。因此，模擬通信系統(tǒng)可以說是以模擬信道傳輸模擬信號(hào)的系統(tǒng)。,,（2）數(shù)字通信是指信源發(fā)出和信宿接收的是模擬信號(hào)，而信道傳輸?shù)氖菙?shù)字信號(hào)的通信過程或方式。因此，數(shù)字通信系統(tǒng)可以說是以數(shù)字信號(hào)的形式傳輸模擬信號(hào)的系統(tǒng)。,,（3）數(shù)據(jù)通信是隨著計(jì)算機(jī)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展而出現(xiàn)的一種新的通信方式，它是指信源、信宿處理的都是數(shù)字信

17、號(hào)，而傳輸信道既可以是數(shù)字信道也可以是模擬信道的通信過程或方式。3種通信系統(tǒng)信號(hào)的區(qū)別如圖2-5所示。,,,,圖2-5 3種通信系統(tǒng)示意圖,,數(shù)字通信具有以下突出的特征。第一，抗干擾能力強(qiáng)。第二，數(shù)字信息易于加密，保密性強(qiáng)。第三，數(shù)字通信需要同步。,,數(shù)據(jù)通信是隨著信息處理技術(shù)的進(jìn)步而迅速發(fā)展起來的，是計(jì)算機(jī)技術(shù)與通信技術(shù)緊密結(jié)合的產(chǎn)物。因此，數(shù)據(jù)通信的發(fā)展不能脫離原有的通信網(wǎng)，在一般情況下還需要利用原有的通信設(shè)施作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖侄危?/p>

18、比如公用電話網(wǎng)PSTN。數(shù)據(jù)通信與傳統(tǒng)的話音通信相比，有以下主要特點(diǎn)。,,（1）以計(jì)算機(jī)為中心。通常是人（通過終端設(shè)備）與計(jì)算機(jī)的通信，或計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)的通信。 （2）傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息通常由計(jì)算機(jī)（或數(shù)字終端設(shè)備）產(chǎn)生、加工和處理。,,（3）為了進(jìn)行信息傳遞，要有嚴(yán)格的通信協(xié)議或規(guī)程，對(duì)信息傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和可靠性要求高。 （4）通信速度較高，可以同時(shí)處理大量數(shù)據(jù)。,,（5）數(shù)據(jù)呼叫（一次完整的通信過程）具有突發(fā)性和持續(xù)時(shí)間短的特

19、點(diǎn)。 （6）可采用存儲(chǔ)-轉(zhuǎn)發(fā)方式工作，且一般多采用這種方式。 （7）必須采用差錯(cuò)控制措施。,,數(shù)字通信產(chǎn)生的直接原因是為了提高模擬通信的質(zhì)量，所以，數(shù)字通信可以理解為是模擬通信的升級(jí)。,,2．按調(diào)制方式分類 根據(jù)是否采用調(diào)制，可將通信系統(tǒng)分為基帶傳輸和頻帶傳輸?；鶐鬏斒菍⑽唇?jīng)調(diào)制的信號(hào)直接進(jìn)行傳送，如市話音頻信號(hào)；頻帶傳輸是對(duì)信號(hào)調(diào)制后傳輸?shù)目偡Q。,,3．按傳輸介質(zhì)分類 按傳輸介質(zhì)的不同

20、，通信系統(tǒng)又可分為有線通信系統(tǒng)和無線通信系統(tǒng)。,,2.2.3 通信方式 通信方式是指通信雙方（或多方）之間的工作形式和信號(hào)傳輸方式，它是通信各方在通信實(shí)施之前必須首先確定的問題。通信方式也有多種不同的分類方法。,,（1）任意兩點(diǎn)之間的通信，按照消息傳遞的方向與時(shí)間關(guān)系，通信方式可分為單工通信、半雙工通信、全雙工通信3種。,,單工通信：消息只能單方向傳輸?shù)墓ぷ鞣绞健＠鐝V播電臺(tái)與收音機(jī)、電視臺(tái)與電視機(jī)的通信、遙控等。

21、 半雙工通信：通信雙方都能收發(fā)消息，但不能同時(shí)收發(fā)的工作方式。例如使用同一載頻工作的對(duì)講機(jī)之間的通信。 全雙工通信：通信雙方可同時(shí)收發(fā)消息的工作方式。典型的如計(jì)算機(jī)之間的通信。,,（2）在數(shù)字通信中，按照數(shù)字信號(hào)碼元排列方法的不同，可分為串行傳輸和并行傳輸兩種方式。串行傳輸是將數(shù)字信號(hào)碼元序列按時(shí)間順序一個(gè)接一個(gè)地在信道中傳輸，如果將數(shù)字信號(hào)碼元序列分割成兩路或兩路以上的序列同時(shí)在信道中傳輸，則稱為并行傳輸。,,（3）按同

22、步方式的不同，可分為異步通信和同步通信。,2.3 主要性能指標(biāo),2.3.1 帶寬 1．信號(hào)的帶寬 由于信號(hào)中的大部分能量都集中在一個(gè)相對(duì)較窄的頻帶范圍之內(nèi)，因此我們將信號(hào)大部分能量集中的那段頻帶稱為有效帶寬，簡(jiǎn)稱帶寬，單位為“Hz”。我們可以將其理解為信號(hào)所占據(jù)的頻率范圍。,,聲音信號(hào)的頻譜大致在20Hz～2 000kHz的范圍（低于20Hz的信號(hào)為次聲波，高于2 000kHz的信號(hào)為超聲波），但

23、用一個(gè)窄得多的帶寬就能產(chǎn)生可接受話音的重現(xiàn)，因而話音信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)頻譜為300Hz～3 400Hz，其帶寬為3kHz。電視信號(hào)的頻譜為0～4MHz，因此其帶寬為4MHz。,,2．信道的帶寬 信道因受電器特性的限制，也有通頻帶寬。所謂通頻帶寬是指信道能夠通過的頻率范圍。信道所能傳送的頻率范圍稱為信道的帶寬。,,如果輸入信號(hào)的帶寬小于信道的帶寬，則輸入信號(hào)的全部頻率分量都能通過信道，因而信道輸出端得到的輸出波形將是不

24、失真的。但如果輸入信號(hào)的帶寬大于信道的帶寬，則信號(hào)中某些頻率分量就不能通過信道，這樣輸出得到的信號(hào)將與發(fā)送端發(fā)送的信號(hào)有些不同，即產(chǎn)生了失真。為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性，必須限制信號(hào)的帶寬。,,2.3.2 信道的主要技術(shù)指標(biāo) 1．?dāng)?shù)據(jù)傳輸速率 數(shù)據(jù)傳輸速率指每秒傳輸多少二進(jìn)制代碼位數(shù)，又稱為比特率，單位是比特/秒（bit/s）。數(shù)據(jù)傳輸速率高，則傳輸每一位的時(shí)間短，反之，數(shù)據(jù)傳輸速率低，則每位傳輸時(shí)間長(zhǎng)。,,2．調(diào)制速

25、率 調(diào)制速率是數(shù)字信號(hào)經(jīng)過調(diào)制后的傳輸速率，表示每秒鐘傳輸多少碼元（電信號(hào)單元），其單位為波特（Baud），故也稱為波特率。例如一個(gè)系統(tǒng)1秒鐘傳送了100個(gè)二進(jìn)制碼元，其波特率就是100Baud。,,設(shè)S為數(shù)據(jù)傳輸速率（bit/s），B為碼元傳輸速率（Baud），N為采用信號(hào)的進(jìn)制數(shù)，則我們可以得到波特率、比特率、數(shù)制之間的關(guān)系：(P24) (bit/s) （2-1）,,,3．信道容量

26、 信道容量是信道能夠傳送的最大數(shù)據(jù)傳輸速率，當(dāng)信道上傳送的數(shù)據(jù)速率大于信道上允許的數(shù)據(jù)傳輸速率時(shí)，信道就不能傳輸信號(hào)。,,早在1924年，H. Nyquist（奈奎斯特）就認(rèn)識(shí)到這個(gè)基本限制的存在，并推導(dǎo)出有限帶寬、無噪聲信道（理想信道）的最大數(shù)據(jù)傳輸率的公式為 (bit/s) （2-2）,,,式中，B表示信道帶寬(信道所能傳送的頻率范圍稱為信道的帶寬) ；V為信號(hào)可取的離散值的個(gè)數(shù)

27、。對(duì)于二進(jìn)制數(shù)據(jù)信號(hào)，信號(hào)僅有兩種有效狀態(tài)，分別為“0”和“1”，所以V=2。此時(shí)，無噪聲信道信息最大傳輸速率為2B。,,1948年，C.Shannon（香農(nóng)）進(jìn)一步研究了信道受到隨機(jī)噪聲干擾的情況。前面我們僅僅考慮了無噪聲的理想信道。對(duì)于有噪聲的信道，情況將會(huì)迅速變壞。信道中熱噪聲用信號(hào)功率與噪聲功率之比來度量，信號(hào)功率與噪聲功率的比值稱為信噪比（Signal-to-Noise Ratio）。,,如果我們用S表示信號(hào)功率，用N表示噪聲

28、功率，則信噪比應(yīng)被表示為S/N。但人們通常不使用信噪比的絕對(duì)值，而是使用10lgS/N來表示，單位是分貝（dB）。對(duì)于S/N等于10的信道，則稱其信噪比為10dB；同樣的道理，如果信道的S/N等于100，則稱其信噪比為20dB；以此類推。,,Shannon關(guān)于有噪聲信道最大數(shù)據(jù)傳輸率的結(jié)論是：對(duì)于帶寬為BHz，信噪比為S/N的信道，其最大數(shù)據(jù)傳輸率Smax為(p25),,,4．吞吐量 吞吐量是信道或網(wǎng)絡(luò)性能的一個(gè)參數(shù)，數(shù)值上等

29、于信道在單位時(shí)間內(nèi)成功傳輸?shù)目傂畔⒘?，單位為bit/s。,,5．差錯(cuò)率 差錯(cuò)率是衡量系統(tǒng)正常工作時(shí)，傳輸消息可靠程度的重要性能指標(biāo)。差錯(cuò)率有兩種表述方法：誤碼率及誤信率。,,誤碼率是指錯(cuò)誤接收的碼元數(shù)在傳輸總碼元數(shù)中所占的比例，或者說誤碼率是碼元在傳輸系統(tǒng)中被傳錯(cuò)的概率。 誤信率又稱為誤比特率，是指錯(cuò)誤接收的信息量在傳送信息總量中所占的比例，或者說它是碼元的信息量在傳輸系統(tǒng)中被丟失的概率。,2.4 模

30、擬傳輸與數(shù)字傳輸,2.4.1 調(diào)制與解調(diào) 1．調(diào)制、解調(diào)的概念 通信的目的是為了把信息向遠(yuǎn)處傳遞（傳播），在傳播聲音時(shí)，我們可以用電纜或無線電進(jìn)行傳輸，但會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)問題，一是鋪設(shè)一條電纜只傳一路聲音信號(hào)，傳輸成本之高、線路利用率之低，人們是無法接受的。,,二是利用無線電通信時(shí)，需滿足一個(gè)基本條件，即欲發(fā)射信號(hào)的波長(zhǎng)（兩個(gè)相鄰波峰或波谷之間的距離）必須能與發(fā)射天線的幾何尺寸成一定的比例，該信號(hào)才能通過天線有效地發(fā)

31、射出去（通常認(rèn)為天線尺寸應(yīng)大于波長(zhǎng)的十分之一）。,,而音頻信號(hào)的頻率范圍是20Hz～20kHz，最小的波長(zhǎng)為,,,式中，?為波長(zhǎng)（m）；c為電磁波傳播速度（光速）（m/s）；f為聲音頻率（Hz）?？梢?，要將音頻信號(hào)直接用天線發(fā)射出去，天線幾何尺寸按波長(zhǎng)的十分之一取，則需要1 500米高，這在大多數(shù)情況下是很難實(shí)現(xiàn)的。因此，要想把音頻信號(hào)通過可以接受的天線尺寸發(fā)射出去，就需要想辦法提高欲發(fā)射信號(hào)的頻率。,,第一個(gè)問題的解決方法是

32、在一個(gè)物理信道中對(duì)多路信號(hào)進(jìn)行頻分復(fù)用（Frequency Division Multiplex，F(xiàn)DM）；第二個(gè)問題的解決方法是把欲發(fā)射的低頻信號(hào)“搬移”到高頻載波上去。兩個(gè)方法有一個(gè)共同點(diǎn)就是要對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制處理。,,所謂調(diào)制，就是按調(diào)制信號(hào)（基帶信號(hào)）的變化規(guī)律去改變載波的某些參數(shù)的過程。所謂解調(diào)則是將已調(diào)信號(hào)還原為基帶信號(hào)的反調(diào)制的過程。,,2．調(diào)制方式 根據(jù)調(diào)制參數(shù)的不同，調(diào)制方式可分為幅移鍵控法（Amplitude

33、-Shift Keying，ASK）、頻移鍵控法（Frequency-Shift Keying，F(xiàn)SK）和相移鍵控法（Phase-Shift Keying，PSK）三類，我們經(jīng)常把它們簡(jiǎn)稱為調(diào)幅（AM）、調(diào)頻（FM）和調(diào)相（PM），如圖2-8所示。,,圖2-8 基帶信號(hào)的三種調(diào)制方法,,2.4.2 數(shù)字信號(hào)的編碼 1．曼徹斯特編碼 曼徹斯特編碼（Manchester Encoding）的編碼方法是將每一個(gè)碼元再分

34、成兩個(gè)相等的間隔，碼元0由低電平跳變到高電平，碼元1由高電平跳變到低電平，如圖2-9所示。,,,,圖2-9 基帶數(shù)字信號(hào)的編碼,,2．4B/5B編碼 4B/5B編碼在避免高、低信號(hào)持續(xù)的前提下，解決了曼徹斯特編碼的低效率問題。將每4bit數(shù)據(jù)編碼在一個(gè)5bit的編碼中傳給接收方，因此稱為4B/5B。,,2.4.3 脈沖編碼調(diào)制（PCM） 數(shù)字通信系統(tǒng)中，信源和信宿都是模擬信號(hào)，而信道傳輸?shù)膮s是數(shù)字信號(hào)?？?/p>

35、見在數(shù)字通信系統(tǒng)中的發(fā)送端必須通過“模擬——數(shù)字”轉(zhuǎn)換器（或編碼器）將模擬信號(hào)變成數(shù)字信號(hào)，在接收端用“數(shù)字——模擬”轉(zhuǎn)換器（或解碼器），將所收到的數(shù)字信號(hào)恢復(fù)成模擬信號(hào)。,,模擬信號(hào)數(shù)字化采用脈沖編碼調(diào)制（Pulse Code Modulation，PCM）體制。PCM的概念最早是由法國工程師Alce Reeres于1937年提出來的。,,1．抽樣 抽樣就是對(duì)模擬信號(hào)以固定的時(shí)間間隔定時(shí)取樣。根據(jù)抽樣定理,只要抽樣頻率不低于模

36、擬信號(hào)最高頻率fm的2倍（或抽樣周期T≤1/(2fm)），就可以將抽樣脈沖信號(hào)無失真的恢復(fù)出原來的模擬信號(hào)。標(biāo)準(zhǔn)電話信號(hào)的最高頻率為3.4kHz，為方便起見，抽樣頻率定為8kHz，相當(dāng)于抽樣周期為125μs。如圖2-10（a）所示。,,,,圖2-10 PCM原理示意圖,,2．量化 量化即對(duì)取樣所得到的電平幅值按照一定的分級(jí)標(biāo)度轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的數(shù)值，并取整數(shù)。,,3．編碼 在我國使用的PCM體制中，電話信號(hào)采用8

37、位編碼，即將模擬的電話信號(hào)量化為256個(gè)不同等級(jí)中的一個(gè)。一個(gè)話路的模擬電話信號(hào)，經(jīng)模數(shù)變換后，就變成為每秒8000個(gè)脈沖信號(hào)，每個(gè)脈沖信號(hào)再編碼為8位二進(jìn)制碼元。因此一個(gè)話路的PCM信號(hào)的速率為64kbit/s。,2.5 多 路 復(fù) 用,當(dāng)信道的傳輸能力超過某一信息的需求時(shí)，為了提高信道利用率，往往需要用一條信道傳輸多路信號(hào)。在同一介質(zhì)上，同時(shí)傳輸多個(gè)信號(hào)的方法，稱為多路復(fù)用（Multiplexing）。,,目前主要采用的多路復(fù)用技

38、術(shù)有頻分多路復(fù)用（Frequency Division Multiplexing，F(xiàn)DM）、時(shí)分多路復(fù)用（Time Division Multiplexing，TDM）和波分多路復(fù)用（Wave-length Division Multiplexing，WDM）。,,2.5.1 頻分多路復(fù)用（FDM） 通常情況下，任何信號(hào)只占據(jù)一個(gè)寬度有限的頻率，而信道可以被利用的頻率比一個(gè)信號(hào)的頻率寬得多，因而可以利用頻率分隔的方式

39、來實(shí)現(xiàn)多路復(fù)用。,,頻分多路復(fù)用是利用頻率變換或調(diào)制的方法，將若干路信號(hào)搬移到頻譜的不同位置，相鄰兩路的頻譜之間留有一定的頻率間隔，這樣排列起來的信號(hào)就形成了一個(gè)頻分多路復(fù)用信號(hào)。它將被發(fā)送設(shè)備發(fā)送出去，傳輸?shù)浇邮斩艘院?，利用接收濾波器再把各路信號(hào)區(qū)分開來。,,,,圖2-11 頻分多路復(fù)用,,2.5.2 時(shí)分多路復(fù)用（TDM） 時(shí)分復(fù)用是利用時(shí)間分隔方式來實(shí)現(xiàn)多路復(fù)用的，對(duì)于數(shù)字通信系統(tǒng)主干網(wǎng)的復(fù)用都采用時(shí)分多路復(fù)用技術(shù)。

40、我們知道，對(duì)于一個(gè)帶寬為B的模擬信號(hào)，只需每秒等間隔地傳輸2B個(gè)采樣點(diǎn)，接收方就可以根據(jù)接收到的數(shù)字信號(hào)完全恢復(fù)出原始的模擬信號(hào)。,,當(dāng)傳輸某路模擬信號(hào)的采樣數(shù)據(jù)時(shí)，整個(gè)信道的頻帶都將被該路信號(hào)所占用。如果信道的帶寬很寬，則該信道所能支持的數(shù)據(jù)傳輸率就可以很高。在采樣間隔時(shí)間里，傳輸一個(gè)采樣數(shù)據(jù)的時(shí)間僅占采樣間隔時(shí)間的一部分。則其他時(shí)間可以被用來傳輸其他模擬信號(hào)的采樣數(shù)據(jù)，或傳輸其他低速數(shù)據(jù)。這就是時(shí)分多路復(fù)用的基本原理。,,我們以北美

41、使用的T1標(biāo)準(zhǔn)來說明時(shí)分多路復(fù)用的工作原理，如圖2-12所示。對(duì)于帶寬為4kHz的電話信號(hào)，每秒采樣8000次就可以完全不失真地恢復(fù)出話音信號(hào)。假設(shè)每個(gè)采樣點(diǎn)的值用8位二進(jìn)制數(shù)來表示，則一路電話所需要的數(shù)據(jù)傳輸率為8?8 000=64kbit/s。帶寬：信號(hào)所占據(jù)的頻率范圍（P87）信號(hào)不失真：抽樣頻率不低于模擬信號(hào)最高頻率fm的2倍（或抽樣周期T≤1/（2fm））,,如果有24路電話，即在每個(gè)采樣周期（125?s）中要傳

42、輸24個(gè)采樣值。首先是第1路電話的8位采樣值，然后是第2路電話的8位采樣值，直至第24路電話的8位采樣值，最后加上1位用于區(qū)分或同步每一次的采樣間隔，這樣在一個(gè)采樣周期中主干線路要傳輸193位二進(jìn)制數(shù)據(jù)，即要求主干線路的數(shù)據(jù)傳輸率達(dá)到193bit/125µs=1.544Mbit/s。,,因此我們可以利用一條數(shù)據(jù)傳輸率為1.544Mbit/s的信道同時(shí)傳輸24路電話。,,,,圖2-12 時(shí)分多路復(fù)用,,我國使用的是E1標(biāo)準(zhǔn)，在

43、E1標(biāo)準(zhǔn)中，一個(gè)時(shí)分復(fù)用幀分為32個(gè)相等的時(shí)隙（其中第1個(gè)和第17個(gè)用來傳送信令），每個(gè)時(shí)隙傳送8位，每秒傳送8 000個(gè)幀。因此，PCM一次群E1的數(shù)據(jù)傳輸率為2.048Mbit/s（32*8*8000=2048000bit/s=2.048Mbit/s）,,2.5.3 波分多路復(fù)用(WDM) 對(duì)于光纖信道，不同的信源使用不同波長(zhǎng)的光波來傳輸數(shù)據(jù)，各路光波通過棱柱或衍射光柵合成為一個(gè)光束，在光纖干道上傳輸，在接收

44、端利用相同的設(shè)備將各路光波分開。波分多路復(fù)用技術(shù)同頻分復(fù)用非常類似。,2.6 數(shù)據(jù)交換技術(shù),2.6.1 電路交換 電路交換是一種面向連接的技術(shù)，它包括連接建立、通信、釋放連接3個(gè)過程，如圖2-13所示。在電路交換網(wǎng)中，一旦一次通話建立，在兩部電話之間就有一條物理通路存在，直到這次通話結(jié)束，然后釋放物理鏈路。,,圖2-13 電路交換,,電路交換技術(shù)最大的優(yōu)點(diǎn)是傳輸延遲小，唯一的延遲是物理信號(hào)的傳播延遲，因?yàn)橐坏┙⑽锢磉B接，

45、便獨(dú)享物理線路不再需要交換開銷，也不會(huì)發(fā)生沖突。電路交換的缺點(diǎn)首先是建立物理線路所需的時(shí)間比較長(zhǎng)。,,對(duì)于實(shí)時(shí)性要求高的場(chǎng)合不太適應(yīng)；線路帶寬也不能為其他用戶所使用，從而造成帶寬的浪費(fèi)。,2.6.2 報(bào)文交換 報(bào)文交換（Message Switching）又稱為包交換。報(bào)文交換不事先建立物理電路，當(dāng)發(fā)送方有數(shù)據(jù)要發(fā)送時(shí)，它將把要發(fā)送的數(shù)據(jù)當(dāng)做一個(gè)整體交給中間交換設(shè)備，中間交換設(shè)備通常先將報(bào)文存儲(chǔ)起來，然后選擇一條合適的空閑輸