【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 信號(hào)的頻譜大致在 20 Hz～ 20 kHz的范圍 (低于 20 Hz的信號(hào)為次聲波 ， 高于 20 kHz的信號(hào)為超聲波 )， 但在實(shí)際應(yīng)用中 ， 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 300～ 3400?Hz， 其帶寬為 3 kHz；電視信號(hào)的頻譜為 0～ 4 MHz， 其帶寬為 4 MHz。 第 2章 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ) 信道的截止頻率與帶寬 在實(shí)際的數(shù)據(jù)通信中，沒(méi)有任何信道能毫無(wú)損耗地通過(guò)信號(hào)的所有頻率分量。這是因?yàn)橹С中诺赖奈锢韺?shí)體 —— 傳輸介質(zhì)都存在固有的傳輸特性，即對(duì)信號(hào)的不同頻率分量存在著不同程度的衰減。這就是說(shuō)，信道也具有一定的振幅頻率特性，因而導(dǎo)致傳輸信號(hào)發(fā)生畸變。 第 2章 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ) 我們把信號(hào)在信道傳輸過(guò)程中某個(gè)分量的振幅衰減到原來(lái)的 (即輸出信號(hào)的功率降低了一半 )時(shí)所對(duì)應(yīng)的那個(gè)頻率稱為信道的截止頻率 (如圖 27(a)所示 )。通常情況是頻率為 0～范圍內(nèi)的諧波在信道傳輸過(guò)程中不發(fā)生衰減 ， 而在之上的所有諧波在傳輸過(guò)程中衰減都很大 。 第 2章 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ) A0 . 7 0 70 fcfAf0 f1f20 . 7 0 7( a ) 截止頻率 ( b ) 帶寬圖 27 信道截止頻率與帶寬 第 2章 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ) 截止頻率反映了信道固有的物理特性 。 但是 ， 在數(shù)據(jù)傳輸中 ， 人們還經(jīng)常提到信道的帶寬 。 所謂 “ 信道帶寬 ” ， 是指信道中能夠傳送信號(hào)的最大頻率范圍 (如圖 27(b)所示 )。 如果信號(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(guò)信道 ， 由此得到的輸出信號(hào)將不會(huì)失真 。 如果信號(hào)的帶寬大于信道的帶寬 ， 則輸入信號(hào)的部分頻率分量將不能通過(guò)信道 ， 從而造成輸出的信號(hào)發(fā)生畸變或失真 。 為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性 ， 在確定的信道帶寬下 ， 必須限制信號(hào)的帶寬 。 由此可見 ，信道的帶寬不僅影響著信號(hào)傳輸?shù)馁|(zhì)量 ， 而且也限定了信號(hào)的傳輸速率 。 換句話說(shuō) ， 即使對(duì)于理想信道 ， 有限的帶寬也限制了數(shù)據(jù)的傳輸速率 。 第 2章 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ) 信道最大數(shù)據(jù)傳輸率 早在 1924年，奈奎斯特 (HNyquist)就認(rèn)識(shí)到了這些限制的存在，并推導(dǎo)出無(wú)噪聲有限帶寬信道的最大數(shù)據(jù)傳輸速率公式，即 Nyquist定理：對(duì)于無(wú)噪聲的理想信道，任意連續(xù)信號(hào) 通過(guò)一個(gè)帶寬為的信道后，其輸出信號(hào)為一個(gè)帶寬為的時(shí)間連續(xù)信號(hào)。如果要輸出數(shù)字信號(hào)，還必須以一定的速率對(duì)進(jìn)行等間隔的抽樣。若抽樣速率高于每秒次時(shí)，則無(wú)意義。 f(t)第 2章 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ) 因?yàn)楦哂谛诺缼捯酝獾母哳l分量信號(hào)已被信道衰減掉 。 如果由個(gè)離散化的電平組成 ， 即每次抽樣的可能結(jié)果為個(gè)離散化電平之一 ， 則該信道的最大的數(shù)據(jù)傳輸率 為 (215) maxR( b / s )l b V 2BR m a x ?第 2章 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ) 例如 ， 一個(gè)無(wú)噪聲帶寬為 2022 Hz的信道不能傳送速率超過(guò) 4000 b/s的二進(jìn)制數(shù)字信號(hào) 。 1948年 ， 香農(nóng) (CShannon)把奈奎斯特的定理進(jìn)一步擴(kuò)展到了信道受到隨機(jī)噪聲干擾的情況 ， 即香農(nóng)定理：對(duì)于有噪聲 、 帶寬為的信道 ， 若信噪比為 ， 則最大數(shù)據(jù)傳輸率 為 maxR( b / s )S / N )l b ( 1 2BR m a x ?? (216) 其中， ?S表示信號(hào)功率， N表示噪聲功率。 ?信噪比 通常使用來(lái) 表示，單位是分貝 (dB)。 10lg(S/N )第 2章 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ) 例如，對(duì)于一個(gè)帶寬為 6 kHz，信噪比為 35 dB的信道。根據(jù)香農(nóng)定理，無(wú)論其使用多少個(gè)量化電平，也不管抽樣速率多快，其數(shù)據(jù)傳輸率不可能大于7 104?b/s，計(jì)算過(guò)程如下： 因?yàn)? lg ( S /N) 1035 ?316210S / N ??b / s )(7 8 0 691 1 . 6 36 0 0 03 1 6 2 )B l b ( 16 0 0 0R m a x ?????? 香農(nóng)的結(jié)論是根據(jù)信息論推導(dǎo)出來(lái)的，適用范圍非 常廣。但是，它僅僅給出了一個(gè)理論極限。在實(shí)際應(yīng)用 中，要接近這個(gè)極限是相當(dāng)困難的。 第 2章 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ) 數(shù)據(jù)編碼技術(shù) 數(shù)據(jù)編碼是將數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)換成適合在信道上傳輸?shù)男盘?hào)形式，以便于數(shù)據(jù)的傳輸和處理。在數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中，主要采用如下三種數(shù)據(jù)編碼技術(shù)：數(shù)字信號(hào)模擬化編碼 (又稱數(shù)據(jù)調(diào)制 /解調(diào)技術(shù) )；數(shù)字信號(hào)數(shù)字化編碼 (又稱同步技術(shù) )；模擬信號(hào)數(shù)字化編碼 (又稱信源編碼 /譯碼技術(shù) )。 第 2章 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ) 數(shù)字信號(hào)模擬化編碼 調(diào)制與解調(diào)是數(shù)字通信系統(tǒng)的核心 。 這種編碼技術(shù)是將數(shù)字信號(hào)調(diào)制成適合信道傳輸?shù)哪M信號(hào) 。 它的基本思想是用數(shù)字信號(hào)來(lái)調(diào)制具有一定頻率或振幅或相位的載波 ， 使已調(diào)信號(hào)能通過(guò)有限帶寬的信道傳輸 。常見的基本數(shù)字調(diào)制方式有幅移鍵控 (ASK)、 頻移鍵控(FSK)、 相移鍵控 (PSK)等三種 (如圖 28所示 )。 第 2章 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ) ( a )( b )( c )0 1 1 0 1 0 0 1 1 00 1 1 0 1 0 0 1 1 0( a ) A S K調(diào)制 。 ( b ) F S K調(diào)制 。 ( c ) P S K調(diào)制 圖 28 基本調(diào)制方式 第 2章 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ) 其中， ASK(Amplitude Shift Keying)是用載波頻率的兩個(gè)不同振幅來(lái)表示兩個(gè)二進(jìn)制值。在有些情況下，用振幅恒定載波的存在與否來(lái)表示 0和 1兩個(gè)二進(jìn)制值；FSK(Frequency Shift Keying)是用載波頻率附近的兩個(gè)不同頻率來(lái)表示 0和 1兩個(gè)二進(jìn)制值； PSK(Phase Shift Keying)是用載波信號(hào)的相位移動(dòng)來(lái)表示二進(jìn)制數(shù)據(jù)，如令代表 0；代表 1。在這三種基本調(diào)制技術(shù)中， ASK方式易受增益變化的影響，是一種效率較低的調(diào)制技術(shù)。在音頻電話線路上，通常只能達(dá)到 1200 b/s的傳輸速率； 第 2章 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ) FSK方式不易受干擾的影響 ， 比 ASK方式的編碼效率高 。在音頻電話線路上 ， 其傳輸速率為 1200?b/s或更高；PSK方式具有較強(qiáng)的抗干擾能力 ， 而且比 FSK方式編碼效率更高 。 在音頻線路上 ， 傳輸速率可達(dá) 9600?b/s。 另外 ， PSK方式也可以用于多相的調(diào)制 ， 如在四相調(diào)制中可把每個(gè)信號(hào)串編碼為兩位 。 這些基本調(diào)制技術(shù)也可以組合起來(lái)使用 。 常見的組合是 PSK和 FSK方式的組合及 PSK和 ASK方式的組合 。 第 2章 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ) 在數(shù)據(jù)通信中，根據(jù)不同的目的，編碼可分為信源編碼和信道編碼。信源編碼是為了提高數(shù)字信號(hào)的有效性以及為了使模擬信號(hào)數(shù)字化而采取的編碼。信道編碼是為了降低誤碼率，提高數(shù)字通信的可靠性而采取的編碼。 第 2章 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ) 數(shù)字信號(hào)數(shù)字化編碼 對(duì)于傳輸數(shù)字信號(hào)來(lái)說(shuō) ， 最普通且最容易的方法是用兩個(gè)不同的電壓值來(lái)表示兩個(gè)二進(jìn)制值 。 例如 ， 用無(wú)電壓來(lái)表示 0， 用恒定的正電壓表示 1；也有用正電壓表示 1， 而用負(fù)電壓表示 0。 常用的數(shù)字化編碼有不歸零 NRZ(NonReturn to Zero) 編碼 、 曼徹斯特(Manchester) 編碼 、 差分曼徹斯特 (Differential Manchester)編碼 (如圖 29所示 )。 這種編碼技術(shù)的主要目的是實(shí)現(xiàn)通信雙方數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐?。 第 2章 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ) 1 1 1 1 0 1 1 1 0 1 1 0 1 0 0經(jīng)差分編碼后的光信號(hào)位邊界1 1 1 1 0 1 1 1 0 1 1 0 1 0 05 b i t碼5 b i t碼的波形( N R Z方式)0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 00 15 216 進(jìn)制字符4 b i t碼＋－( a ) 4 B / 5 B編碼后的 N R Z編碼信號(hào)波形0 0 1 1 0 1( b ) 曼徹斯特編碼信號(hào)波形。 ( c ) 差分曼徹斯特編碼信號(hào)波形位值( b )( c )圖 29 基本數(shù)字信號(hào)編碼技術(shù) 第 2章 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ) 1. ?NRZ編碼 在 NRZ編碼中 ， 用正電壓表示 1， 用負(fù)電壓表示 0，并且在表示一個(gè)碼元時(shí) ， 電壓均無(wú)需回到零 ， 故稱不歸零碼 。 NRZ編碼的特點(diǎn)是一種全寬碼 ， 即一位碼元占一個(gè)單位脈沖的寬度 。 全寬碼的優(yōu)點(diǎn)是：每個(gè)脈沖寬度越大 ， 發(fā)送信號(hào)的能量就越大 ， 這對(duì)于提高接收端的信噪比有利；其次 ， 脈沖時(shí)間寬度與傳輸帶寬成反比關(guān)系 ， 即全寬碼在信道上占用較窄的頻帶 ， 并且在頻譜中包含了碼位的速度 。 第 2章 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ) NRZ編碼的主要缺點(diǎn)是：當(dāng)出現(xiàn)連續(xù) 0或連續(xù) 1時(shí)，首先是難以分辨一位的結(jié)束和另一位的開始，這需要通過(guò)另外的途徑在發(fā)送端和接收端提供同步或定時(shí)；其次是會(huì)產(chǎn)生直流分量的積累問(wèn)題，這將導(dǎo)致信號(hào)的失真與畸變，使傳輸?shù)目煽啃越档?，并且由于直流分量的存在，使得無(wú)法使用一些交流耦合的線路和設(shè)備。因此，過(guò)去大多數(shù)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)都不采用這種編碼方式。 第 2章 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ) 近年來(lái)，隨著高速網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展， NRZ編碼受到人們的關(guān)注，并成為主流編碼技術(shù)，在 FDDI、100BASET及 100VGAnyLAN等高速網(wǎng)絡(luò)中都采用了NRZ編碼，其原因是在高速網(wǎng)絡(luò)中要盡量降低信號(hào)的傳輸帶寬，以利于提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，降低?duì)傳輸介質(zhì)帶寬的要求。而 NRZ編碼中的碼元速率與編碼速率始終相一致，具有很高的編碼效率，符合高速網(wǎng)絡(luò)對(duì)信號(hào)編碼的要求。 第 2章 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ) 至于出現(xiàn)連續(xù) 0或 1時(shí)所產(chǎn)生的直流分量積累問(wèn)題 ， 是通過(guò)加一級(jí)預(yù)編碼器來(lái)解決的 。 換句話說(shuō) ， NRZ并非單獨(dú)應(yīng)用 ， 而是采用兩級(jí)編碼方案 。 第 1級(jí)采用 4B/5B或5B/6B等預(yù)編碼器對(duì)數(shù)據(jù)流進(jìn)行編碼 ， 編碼后的數(shù)據(jù)流不會(huì)出現(xiàn)連續(xù) 0或 1；然后再進(jìn)行第二級(jí)的 NRZ編碼 ，實(shí)現(xiàn)物理信號(hào)的傳輸 。 這種兩級(jí)編碼方案 ， 可使編碼效率達(dá)到 80％ 以上 。 第 2章 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ) 圖 29(a)給出了數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)經(jīng) 4B/5B編碼后的 NRZ編碼信號(hào)輸出波形 。 所謂 4B/5B編碼是將欲發(fā)送的數(shù)據(jù)流每 4?b作為一組，按照 4B/5B編碼規(guī)則，轉(zhuǎn)換成相對(duì)應(yīng)的 5比特碼。該編碼是用于內(nèi)同步的編碼。為了保證接收端能提取同步時(shí)鐘，編碼規(guī)則能保證傳輸?shù)碾娦盘?hào) (或光信號(hào) )碼至少有兩次跳變，即無(wú)論 4比特的數(shù)據(jù)碼為何種組合 (包括全部為 0或全 1)，所轉(zhuǎn)換成的 5比特碼中，至少有 2個(gè)“ 1”或 2個(gè)“ 0”。 第 2章 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ) 5比特編碼共有 25=32種組合 ， 但只采用其中的 24種 ， 其中 ，16種對(duì)應(yīng) 4比特碼的 16種 (24=16)組合 ， 8種用作控制碼 ，以表示幀的開始和結(jié)束 、 傳輸 (如光纖 )線路的狀態(tài) (靜止 、 空閑 、 暫停 )等 。 各種 4比特碼與 5比特碼的對(duì)照表如表 21所示 。 第 2章 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ) 表 21 4比特碼與 5比特碼的對(duì)照表 字 符 4比特碼 5比特碼 0 0000 11110 1 0001 01001 2 0010 10100 3 0011 10101 4 0100 01010 5 0101 01011 6 0110 01110 7 0111 01111 第 2章 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ) 8 1000 10010 9 1001