【正文】 數(shù)字信號編碼采樣定理：如果模擬信號的最高頻率為F，若以2F的采樣頻率對其采樣，則采樣得到的離散信號序列就能完整地恢復(fù)出原始信號。要轉(zhuǎn)換的模擬數(shù)據(jù)主要是電話語音信號，語音信號要在數(shù)字線路上傳輸，必須將語音信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。這需要經(jīng)過三個步驟： △采樣：按一定間隔對語音信號進行采樣 △量化：對每個樣本舍入到量化級別上 △編碼：對每個舍入后的樣本進行編碼編碼后的信號稱為PCM信號　　多路復(fù)用技術(shù)復(fù)用：多個信息源共享一個公共信道。為何要復(fù)用?——提高線路利用率。適用場合：當(dāng)信道的傳輸能力大于每個信源的平均傳輸需求時。復(fù)用類型 △頻分復(fù)用FDM (Frequency Division Multiplexing) △波分復(fù)用WDM (Wave Division Multiplexing) △時分復(fù)用TDM (Time Division Multiplexing)　　頻分復(fù)用原理：整個傳輸頻帶被劃分為若干個頻率通道，每路信號占用一個頻率通道進行傳輸。頻率通道之間留有防護頻帶以防相互干擾。　　波分復(fù)用——光的頻分復(fù)用。原理：整個波長頻帶被劃分為若干個波長范圍，每路信號占用一個波長范圍來進行傳輸?！　r分復(fù)用原理：把時間分割成小的時間片，每個時間片分為若干個時隙，每路數(shù)據(jù)占用一個時隙進行傳輸。由于每路數(shù)據(jù)總是使用每個時間片的固定時隙，所以這種時分復(fù)用也稱為同步時分復(fù)用。時分復(fù)用的典型例子：PCM信號的傳輸，把多個話路的PCM話音數(shù)據(jù)用TDM的方法裝成幀(幀中還包括了幀同步信息和信令信息)，每幀在一個時間片內(nèi)發(fā)送，每個時隙承載一路PCM信號?！　〗y(tǒng)計(異步)TDM——STDM TDM的缺點：某用戶無數(shù)據(jù)發(fā)送，其他用戶也不能占用該時隙，將會造成帶寬浪費。改進：用戶不固定占用某個時隙，有空時隙就將數(shù)據(jù)放入。　　差錯控制與語音、圖像傳輸不同，計算機通信要求極低的差錯率。產(chǎn)生差錯的原因： △信號衰減和熱噪聲 △信道的電氣特性引起信號幅度、頻率、相位的畸變。 △信號反射，串?dāng)_。 △沖擊噪聲，閃電、大功率電機的啟停等。差錯控制的基本方法是：接收方進行差錯檢測，并向發(fā)送方應(yīng)答，告知是否正確接收。　　差錯檢測主要有兩種方法：　　奇偶校驗(Parity Checking)在原始數(shù)據(jù)字節(jié)的最高位增加一個奇偶校驗位，使結(jié)果中1的個數(shù)為奇數(shù)(奇校驗)或偶數(shù)(偶校驗)。例如1100010增加偶校驗位后為11100010，若接收方收到的字節(jié)奇偶校驗結(jié)果不正確，就可以知道傳輸中發(fā)生了錯誤。此方法只能用于面向字符的通信協(xié)議中，只能檢測出奇數(shù)個比特位錯?！　⊙h(huán)冗余校驗 (CRC, Cyclic Redundancy Check) 差錯檢測原理：將傳輸?shù)奈淮闯上禂?shù)為0或1的多項式。收發(fā)雙方約定一個生成多項式G(x)，發(fā)送方在幀的末尾加上校驗和，使帶校驗和的幀的多項式能被G(x)整除。接收方收到后，用G(x)除多項式，若有余數(shù)，則傳輸有錯。校驗和是16位或32位的位串，CRC校驗的關(guān)鍵是如何計算校驗和?！　〔铄e控制技術(shù) △自動請求重傳Automatic Repeat Request (ARQ) △停等 ARQ △GobackN ARQ △選擇重傳 ARQ附:　　　　數(shù)據(jù)通信的任務(wù)是傳輸數(shù)據(jù)信息,希望達(dá)到傳輸速度快、出錯率低、信息量大、可靠性高,并且既經(jīng)濟又便于使用維護。這些要求可以用下列技術(shù)指標(biāo)加以描述?！　?所謂數(shù)據(jù)傳輸速率,是指每秒能傳輸?shù)亩M制信息位數(shù),單位為位/秒(bits per second),記作bps或b/s,它可由下式確定: s=1/T?log2N (bps) 式中T為一個數(shù)字脈沖信號的寬度(全寬碼情況)或重復(fù)周期(歸零碼情況),單位為秒。一個數(shù)字脈沖也稱為一個碼元,N為一個碼元所取的有效離散值個數(shù),也稱調(diào)制電平數(shù),N一般取2的整數(shù)次方值。若一個碼元僅可取0和1兩種離散值,則該碼元只能攜帶一位(bit)二進制信息。若一個碼元可取00、010和11四種離散值,則該碼元就能攜帶兩位二進制信息。以此類推,若一個碼元可取N種離散值,則該碼元便能攜帶log2N位二進制信息。 當(dāng)一個碼元僅取兩種離散值時,S =(1/T),表示數(shù)據(jù)傳輸速率等于碼元脈沖的重復(fù)頻率。由此,可以引出另一個技術(shù)指標(biāo)一一39。信號傳輸速率,也稱碼元速率、調(diào)制速率或波特率,單位為波特(Baud)。信號傳輸速率表示單位時間內(nèi)通過信道傳輸?shù)拇a元個數(shù),也就是信號經(jīng)調(diào)制后的傳輸速率。若信號碼元的寬度為T秒,則碼元速率定義為: B=1/T (Baud) 在有些調(diào)幅和調(diào)頻方式的調(diào)制解調(diào)器中,一個碼元對應(yīng)于一位二進制信息,即一個碼元。,有兩種有效離散值,此時調(diào)制速率和數(shù)據(jù)傳輸速率相等。但在調(diào)相的四相信號方式中,一個碼元對應(yīng)于兩位二進制信息,即一個碼元有四種有效離散值,此時調(diào)制速率只是數(shù)據(jù)傳輸速率的一半。由以上兩式合并可得到調(diào)制速率和數(shù)據(jù)傳輸速率的對應(yīng)關(guān)系式: S =B ?log2N (bps) 或B =S/log2N(Baud) 一般在二元調(diào)制方式中,S和B都取同一值,習(xí)慣上二者是通用的。但在多元調(diào)制的情況下,必須將它們區(qū)別開來。例如采用四相調(diào)制方式,即N=4,且T=833106秒,則可求出數(shù)據(jù)傳輸速率為: S=1/T?log2N=1/(833106)?log24=2400 (bps) 而調(diào)制速率為： B=1/T=1/(833106)=1200 (Baud) 通過上例可見,雖然數(shù)據(jù)傳輸速率和調(diào)制速率都是描述通信速度的指標(biāo),但它們是完全不同的兩個概念。打個比喻來說,假如調(diào)制速率是公路上單位時間經(jīng)過的卡車數(shù),那么數(shù)據(jù)傳輸速率便是單位時間里經(jīng)過的卡車所裝運的貨物箱數(shù)。如果一車裝一箱貨物,則單位時間經(jīng)過的卡車數(shù)與單位時間里卡車所裝運的貨物箱數(shù)相等,如果→車裝多箱貨物,則單位時間經(jīng)過的卡車數(shù)便小于單位時間里卡車所裝運的貨物箱數(shù)?！　?信道容量表征一個信道傳輸數(shù)據(jù)的能力,單位也用位/秒(bps)。信道容量與數(shù)據(jù)傳輸速率的區(qū)別在于,前者表示信道的最大數(shù)據(jù)傳輸速率,是信道傳輸數(shù)據(jù)能力的極限,而后者則表示實際的數(shù)據(jù)傳輸速率。這就像公路上的最大限速值與汽車實際速度之間的關(guān)系一樣,它們雖然采用相同的單位。但表征的是不同的含義。奈奎斯特(Nyquist)首先給出了無噪聲情況下碼元速率的極限值與信道帶寬的關(guān)系: B =2?H (Baud) 其中,H是信道的帶寬,也稱頻率范圍,即信道能傳輸?shù)纳稀⑾孪揞l率的差值,單位為HZ。由此可推出表征信道數(shù)據(jù)傳輸能力的奈奎斯特公式: C =2?H?log2N (bpe) 此處,N仍然表示攜帶數(shù)據(jù)的碼元可能取的離散值的個數(shù),C即是該信道最大的數(shù)據(jù)傳輸速率。 由以上兩式可見,對于特定的信道,其碼元速率不可能超過信道帶寬的兩倍,但若能提高每個碼元可能取的離散值的個數(shù),則數(shù)據(jù)傳輸速率便可成倍提高。例如,普通電話線路的帶寬約為3KHz,則其碼元速率的極限值為6kBaud。若每個碼元可能取的離散值的個數(shù)為16(即N=16),則最大數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)C=23klog216=24k bps。 實際的信道總要受到各種噪聲的干擾,香農(nóng)(Shannon)則進一步研究了受隨機噪聲干擾的信道的情況,給出了計算信道容量的香農(nóng)舍式: C =H?log2(1+S/N) (bps) 其中,S表示信號功率,N為噪聲功率,S/N則為信噪比。由于實際使用的信道的信噪比都要足夠大,故常表示成10log10(S/N),以分貝(dB)為單位來計量,在使用時要特別注意。例如,信噪比為30dB,帶寬為3kHZ的信道的最大數(shù)據(jù)傳輸速率為: C=3klog2(1+1030/10)=3klog2(1+1001)=30kbps. 由此可見,只要提高信道的信噪比,便可提高信道的最大數(shù)據(jù)傳輸速率。 需要強調(diào)的是,上述兩個公式計算得到的只是信道數(shù)據(jù)傳輸速率的極限值,實際使用時必須留有充足的余地?！　?誤碼率是衡量數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)在正常工作情況下的傳輸可靠性的指標(biāo),它定義為二進制數(shù)據(jù)位傳輸時出錯的概率。設(shè)傳輸?shù)亩M制數(shù)據(jù)總數(shù)為N位,其中出錯的位數(shù)為風(fēng),則誤碼率表示為: Pe =Ne/N 計算機網(wǎng)絡(luò)中,一般要求誤碼率低于106,即平均每傳輸106位數(shù)據(jù)僅允許錯一位?？扇粽`碼率達(dá)不到這個指標(biāo),可以通過差錯控制方法進行檢錯和糾錯?！　　　∧M信號：是指模擬數(shù)據(jù)在某個區(qū)間產(chǎn)生連續(xù)的值。例如，聲音和視頻就是強度 連續(xù)變化的信號。大多數(shù)用傳感器收集的數(shù)據(jù)，例如溫度和壓力都是連續(xù)值。　　數(shù)字信號：是指數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)產(chǎn)生離散的值。例如，文本信息和整數(shù)?！　≌{(diào)制解調(diào)：當(dāng)需要在只能傳輸模擬信號的線路上傳輸數(shù)據(jù)信號時(例如，通過一 條公用電話線將數(shù)據(jù)從一臺計算機傳輸?shù)搅硪慌_計算機)，在發(fā)送方，數(shù)據(jù)開始是數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，但是由于電話線只能傳輸模擬信號，所以數(shù)據(jù)必須進行數(shù)字到模擬的轉(zhuǎn)換。這個轉(zhuǎn)換過程就叫作調(diào)制。在接收方需要進行模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換，使它還原為原來的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)這個過程叫作解調(diào)。整個從數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)到模擬信號再到數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的過程稱作調(diào)制解調(diào)?！　≌{(diào)制解調(diào)有三種基本形式：幅移鍵控法(AmplitudeShift Keying，ASK)、頻移鍵控法(Frequency Shift Keying，F(xiàn)SK)和相移鍵控法(PhaseShift Keying，PSK)?！　〔粴w零(NonReturn to Zero，NRZ)編碼：在用數(shù)字信號傳輸數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)時，信號的電平是根據(jù)它所代表的二進制數(shù)值決定的。一個正電壓值代表1，而一個負(fù)電壓值代表0，因而信號的電平依賴于它所代表的數(shù)值?！　÷鼜厮固鼐幋a：在曼徹斯特編碼中，每個比特中間引入跳變來同時代表不同數(shù)值 和同步信息。一個負(fù)電平到正電平的跳變代表0，而一個正電平到負(fù)電平的跳變則代表1。通過這種跳變使曼徹斯特編碼獲得了同步信息和數(shù)字編碼?！　〔顒勇鼜厮固鼐幋a：在差動曼徹斯特編碼中，用兩個比特之間的跳變來代表不同 的數(shù)值，在間隙中有跳變的代表0，沒有跳變的代表1。比特中間的跳變只用來表示同步信息，不同的數(shù)值通過在比特間隙是否跳變來表示。　　　　多路復(fù)用：在計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，當(dāng)傳輸介質(zhì)的能力超過傳輸單一信號的情況時， 為了有效地利用傳輸系統(tǒng)，希望一個信道能夠同時傳輸多路信號。多路復(fù)用，就是把許多信號在單一的傳輸線路上進行傳輸。一般普遍使用三種多路復(fù)用技術(shù)，即頻分多路復(fù)用(FDM)、時分多路復(fù)用(TDM)和統(tǒng)計時分多路復(fù)用(STDM)?！　⊥絺鬏敚菏鞘菇邮斩私邮盏拿恳晃粩?shù)據(jù)信息都要和發(fā)送端準(zhǔn)確地保持同步，中間沒有間斷，實現(xiàn)這種同步方法又有自同步法和外同步法。　　異步傳輸：是基于字節(jié)的，每字節(jié)作為一個單位通過鏈路傳輸，因為沒有同步脈 沖，接收方不可能通過計時方式來預(yù)測下一個字節(jié)何時到達(dá)，因而在每個字節(jié)的開頭都要附加一個0，通常稱為起始位，在每個字節(jié)尾部還加上一個或多個1，被稱為停止位。 單工通信：是指在通信鏈路上的兩個站點，只能一個發(fā)送信息，另一個接收?！　“腚p工通信：在通信鏈路上的兩個站點都可以發(fā)送和接收信息，但是不能同時發(fā) 送和接收，當(dāng)其中一個站點在發(fā)送信息時，另一個站點只能接收，反之亦然。　　全雙工通信：在通信鏈路上的兩個站點可以同時發(fā)送和接收信息，即一個站點發(fā) 送信息的同時也能接收信息?！　　　〔铄e的產(chǎn)生原因及其控制差錯控制是指在數(shù)據(jù)通信過程中能發(fā)現(xiàn)或糾正差錯,把差錯限制在盡可能小的允許范圍內(nèi)的技術(shù)和方法。 信號在物理信道中傳輸時線路時，線路本身電氣特性造成的隨即噪聲、信號幅度的衰減、頻和相位的畸變、電氣信號在線路上產(chǎn)生反射造成的回音效應(yīng)、相鄰線路間的串?dāng)_以及各種外界因素(如大氣中的閃電、開關(guān)的跳火、外界強電流磁場的變化、電源的波動等)都會造成信號的失真。在數(shù)據(jù)通信中,將會使接收端收到的二進制數(shù)位和發(fā)送端實際發(fā)送的二進制數(shù)位不一致,從而造成由0變成1或由1變成0的差錯?！　∫话銇碚f,傳輸中的差錯都是由噪聲引起的。噪聲有兩大類,一類是信道固有的、持續(xù)存在的隨機熱噪聲。另一類是由外界特定的短暫原因所造成的沖擊噪聲。 熱噪聲引起的差錯稱為隨機錯,所引起的某位碼元的差錯是孤立的,與前后碼元沒有關(guān)系。由于物理信道在設(shè)計時,總要保證達(dá)到相當(dāng)大的信噪比,以盡可能減少熱噪聲的影響,因而由它導(dǎo)致的隨機錯通常較少。 沖擊噪聲呈突發(fā)狀,由其引起的差錯稱為突發(fā)錯。沖擊噪聲幅度可能相當(dāng)大,無法靠提高信號幅度來避免沖擊噪聲造成的差錯,它是傳輸中產(chǎn)生差錯的主要原因。沖擊噪聲雖然持續(xù)時間很短,但在一定的數(shù)據(jù)速率條件下,仍然會影響到一串碼元。例如,一個沖擊噪聲(如一次電火花)持續(xù)時間為10ms,但對于4800bps的數(shù)據(jù)速率來說,就可能對連續(xù)48位數(shù)據(jù)造成影響,使它們發(fā)生差錯。從突發(fā)錯誤發(fā)生的第一個碼元到有錯的最后一個碼元間所有碼元的個數(shù),稱為該突發(fā)錯的突發(fā)長度?！　?shù)據(jù)通信中不加任何差錯控制措施,直接用信道來傳輸數(shù)據(jù)是不可靠的。最常用的差錯控制方法是差錯控制編碼。數(shù)據(jù)信息位在向信道發(fā)送之前,先按照某種關(guān)系附加上一定的冗余位,構(gòu)成一個碼字后再發(fā)送,這個過程稱為差錯控制編碼過程。接收端收到該碼字后,檢查信息位和附加的冗余位之間的關(guān)系,以檢查傳輸過程中是否有差錯發(fā)生,這個過程稱為校驗過程?！　±貌铄e控制編碼來進行差錯控制的方法基本上有兩類,一類是自動請求重發(fā)ARQ(Automatic Repeat reQuest),另一類是前向糾錯FEC(FOIW盯d Eπor Correction)。在ARQ方式中,接收端檢測出有差錯時,就設(shè)法通知發(fā)送端重發(fā),直到正確的碼字收到為止。在FEC方式中,接收端不但能發(fā)現(xiàn)差錯,而且能確定二進制碼元發(fā)生錯誤的位置,從而加以糾正。因此,差錯控制編碼又可分為檢錯碼和糾錯碼。檢錯碼是指能自動發(fā)現(xiàn)差錯的編碼,糾錯碼是指不僅能發(fā)現(xiàn)差錯而且能自動糾正差錯的編碼。 ARQ方式只使用檢錯碼,但必須有雙向信道才可能將差錯信息反饋至發(fā)送端。同時,發(fā)送方要設(shè)置數(shù)據(jù)緩沖區(qū),用以存放已發(fā)出去的數(shù)據(jù),以便知道出差錯后可以調(diào)出數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的內(nèi)容重新發(fā)送。FEC方式必須用糾錯碼,但它可以不需要反向信道來傳遞請求重發(fā)的信息,發(fā)送端也不需要存放以備重發(fā)的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。雖然FEC有上述優(yōu)點,但由于糾錯碼一般說來要比檢錯碼使用更多的冗余位,也就是說編碼效率低,而且糾錯設(shè)備也比檢錯設(shè)備復(fù)雜得多,因而除非在單向傳輸或?qū)崟r要求特別高(FEe由于不需要重發(fā),實時性較好)等場合外,數(shù)據(jù)通信中使用更多的還是ARQ差錯控制方