【正文】 數(shù)字信號(hào)編碼采樣定理：如果模擬信號(hào)的最高頻率為F，若以2F的采樣頻率對(duì)其采樣，則采樣得到的離散信號(hào)序列就能完整地恢復(fù)出原始信號(hào)。要轉(zhuǎn)換的模擬數(shù)據(jù)主要是電話(huà)語(yǔ)音信號(hào)，語(yǔ)音信號(hào)要在數(shù)字線(xiàn)路上傳輸，必須將語(yǔ)音信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。這需要經(jīng)過(guò)三個(gè)步驟： △采樣：按一定間隔對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行采樣 △量化：對(duì)每個(gè)樣本舍入到量化級(jí)別上 △編碼：對(duì)每個(gè)舍入后的樣本進(jìn)行編碼編碼后的信號(hào)稱(chēng)為PCM信號(hào)　　多路復(fù)用技術(shù)復(fù)用：多個(gè)信息源共享一個(gè)公共信道。為何要復(fù)用?——提高線(xiàn)路利用率。適用場(chǎng)合：當(dāng)信道的傳輸能力大于每個(gè)信源的平均傳輸需求時(shí)。復(fù)用類(lèi)型 △頻分復(fù)用FDM (Frequency Division Multiplexing) △波分復(fù)用WDM (Wave Division Multiplexing) △時(shí)分復(fù)用TDM (Time Division Multiplexing)　　頻分復(fù)用原理：整個(gè)傳輸頻帶被劃分為若干個(gè)頻率通道，每路信號(hào)占用一個(gè)頻率通道進(jìn)行傳輸。頻率通道之間留有防護(hù)頻帶以防相互干擾?！　〔ǚ謴?fù)用——光的頻分復(fù)用。原理：整個(gè)波長(zhǎng)頻帶被劃分為若干個(gè)波長(zhǎng)范圍，每路信號(hào)占用一個(gè)波長(zhǎng)范圍來(lái)進(jìn)行傳輸。　　時(shí)分復(fù)用原理：把時(shí)間分割成小的時(shí)間片，每個(gè)時(shí)間片分為若干個(gè)時(shí)隙，每路數(shù)據(jù)占用一個(gè)時(shí)隙進(jìn)行傳輸。由于每路數(shù)據(jù)總是使用每個(gè)時(shí)間片的固定時(shí)隙，所以這種時(shí)分復(fù)用也稱(chēng)為同步時(shí)分復(fù)用。時(shí)分復(fù)用的典型例子：PCM信號(hào)的傳輸，把多個(gè)話(huà)路的PCM話(huà)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(gè)時(shí)間片內(nèi)發(fā)送，每個(gè)時(shí)隙承載一路PCM信號(hào)?！　〗y(tǒng)計(jì)(異步)TDM——STDM TDM的缺點(diǎn)：某用戶(hù)無(wú)數(shù)據(jù)發(fā)送，其他用戶(hù)也不能占用該時(shí)隙，將會(huì)造成帶寬浪費(fèi)。改進(jìn)：用戶(hù)不固定占用某個(gè)時(shí)隙，有空時(shí)隙就將數(shù)據(jù)放入?！　〔铄e(cuò)控制與語(yǔ)音、圖像傳輸不同，計(jì)算機(jī)通信要求極低的差錯(cuò)率。產(chǎn)生差錯(cuò)的原因： △信號(hào)衰減和熱噪聲 △信道的電氣特性引起信號(hào)幅度、頻率、相位的畸變。 △信號(hào)反射，串?dāng)_。 △沖擊噪聲，閃電、大功率電機(jī)的啟停等。差錯(cuò)控制的基本方法是：接收方進(jìn)行差錯(cuò)檢測(cè)，并向發(fā)送方應(yīng)答，告知是否正確接收?！　〔铄e(cuò)檢測(cè)主要有兩種方法：　　奇偶校驗(yàn)(Parity Checking)在原始數(shù)據(jù)字節(jié)的最高位增加一個(gè)奇偶校驗(yàn)位，使結(jié)果中1的個(gè)數(shù)為奇數(shù)(奇校驗(yàn))或偶數(shù)(偶校驗(yàn))。例如1100010增加偶校驗(yàn)位后為11100010，若接收方收到的字節(jié)奇偶校驗(yàn)結(jié)果不正確，就可以知道傳輸中發(fā)生了錯(cuò)誤。此方法只能用于面向字符的通信協(xié)議中，只能檢測(cè)出奇數(shù)個(gè)比特位錯(cuò)?！　⊙h(huán)冗余校驗(yàn) (CRC, Cyclic Redundancy Check) 差錯(cuò)檢測(cè)原理：將傳輸?shù)奈淮闯上禂?shù)為0或1的多項(xiàng)式。收發(fā)雙方約定一個(gè)生成多項(xiàng)式G(x)，發(fā)送方在幀的末尾加上校驗(yàn)和，使帶校驗(yàn)和的幀的多項(xiàng)式能被G(x)整除。接收方收到后，用G(x)除多項(xiàng)式，若有余數(shù)，則傳輸有錯(cuò)。校驗(yàn)和是16位或32位的位串，CRC校驗(yàn)的關(guān)鍵是如何計(jì)算校驗(yàn)和?！　〔铄e(cuò)控制技術(shù) △自動(dòng)請(qǐng)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(cuò)率低、信息量大、可靠性高,并且既經(jīng)濟(jì)又便于使用維護(hù)。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(jìn)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(gè)數(shù)字脈沖信號(hào)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(gè)數(shù)字脈沖也稱(chēng)為一個(gè)碼元,N為一個(gè)碼元所取的有效離散值個(gè)數(shù),也稱(chēng)調(diào)制電平數(shù),N一般取2的整數(shù)次方值。若一個(gè)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(jìn)制信息。若一個(gè)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(jìn)制信息。以此類(lèi)推,若一個(gè)碼元可取N種離散值,則該碼元便能攜帶log2N位二進(jìn)制信息。 當(dāng)一個(gè)碼元僅取兩種離散值時(shí),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(gè)技術(shù)指標(biāo)一一39。信號(hào)傳輸速率,也稱(chēng)碼元速率、調(diào)制速率或波特率,單位為波特(Baud)。信號(hào)傳輸速率表示單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)信道傳輸?shù)拇a元個(gè)數(shù),也就是信號(hào)經(jīng)調(diào)制后的傳輸速率。若信號(hào)碼元的寬度為T(mén)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(gè)碼元對(duì)應(yīng)于一位二進(jìn)制信息,即一個(gè)碼元。,有兩種有效離散值,此時(shí)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(hào)方式中,一個(gè)碼元對(duì)應(yīng)于兩位二進(jìn)制信息,即一個(gè)碼元有四種有效離散值,此時(shí)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(duì)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(kāi)來(lái)。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(guò)上例可見(jiàn),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(gè)概念。打個(gè)比喻來(lái)說(shuō),假如調(diào)制速率是公路上單位時(shí)間經(jīng)過(guò)的卡車(chē)數(shù),那么數(shù)據(jù)傳輸速率便是單位時(shí)間里經(jīng)過(guò)的卡車(chē)所裝運(yùn)的貨物箱數(shù)。如果一車(chē)裝一箱貨物,則單位時(shí)間經(jīng)過(guò)的卡車(chē)數(shù)與單位時(shí)間里卡車(chē)所裝運(yùn)的貨物箱數(shù)相等,如果→車(chē)裝多箱貨物,則單位時(shí)間經(jīng)過(guò)的卡車(chē)數(shù)便小于單位時(shí)間里卡車(chē)所裝運(yùn)的貨物箱數(shù)?！　?信道容量表征一個(gè)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(shí)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(chē)實(shí)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(wú)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(chēng)頻率范圍,即信道能傳輸?shù)纳?、下限頻率的差值,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(gè)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(jiàn),對(duì)于特定的信道,其碼元速率不可能超過(guò)信道帶寬的兩倍,但若能提高每個(gè)碼元可能取的離散值的個(gè)數(shù),則數(shù)據(jù)傳輸速率便可成倍提高。例如,普通電話(huà)線(xiàn)路的帶寬約為3KHz,則其碼元速率的極限值為6kBaud。若每個(gè)碼元可能取的離散值的個(gè)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(shí)際的信道總要受到各種噪聲的干擾,香農(nóng)(Shannon)則進(jìn)一步研究了受隨機(jī)噪聲干擾的信道的情況,給出了計(jì)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(hào)功率,N為噪聲功率,S/N則為信噪比。由于實(shí)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(lái)計(jì)量,在使用時(shí)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(jiàn),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(qiáng)調(diào)的是,上述兩個(gè)公式計(jì)算得到的只是信道數(shù)據(jù)傳輸速率的極限值,實(shí)際使用時(shí)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(jìn)制數(shù)據(jù)位傳輸時(shí)出錯(cuò)的概率。設(shè)傳輸?shù)亩M(jìn)制數(shù)據(jù)總數(shù)為N位,其中出錯(cuò)的位數(shù)為風(fēng),則誤碼率表示為: Pe =Ne/N 計(jì)算機(jī)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(cuò)一位?？扇粽`碼率達(dá)不到這個(gè)指標(biāo),可以通過(guò)差錯(cuò)控制方法進(jìn)行檢錯(cuò)和糾錯(cuò)?！　　　∧M信號(hào)：是指模擬數(shù)據(jù)在某個(gè)區(qū)間產(chǎn)生連續(xù)的值。例如，聲音和視頻就是強(qiáng)度 連續(xù)變化的信號(hào)。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(hào)：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)。　　調(diào)制解調(diào)：當(dāng)需要在只能傳輸模擬信號(hào)的線(xiàn)路上傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)時(shí)(例如，通過(guò)一 條公用電話(huà)線(xiàn)將數(shù)據(jù)從一臺(tái)計(jì)算機(jī)傳輸?shù)搅硪慌_(tái)計(jì)算機(jī))，在發(fā)送方，數(shù)據(jù)開(kāi)始是數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，但是由于電話(huà)線(xiàn)只能傳輸模擬信號(hào)，所以數(shù)據(jù)必須進(jìn)行數(shù)字到模擬的轉(zhuǎn)換。這個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程就叫作調(diào)制。在接收方需要進(jìn)行模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換，使它還原為原來(lái)的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)這個(gè)過(guò)程叫作解調(diào)。整個(gè)從數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)到模擬信號(hào)再到數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的過(guò)程稱(chēng)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)。　　不歸零(NonReturn to Zero，NRZ)編碼：在用數(shù)字信號(hào)傳輸數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)時(shí)，信號(hào)的電平是根據(jù)它所代表的二進(jìn)制數(shù)值決定的。一個(gè)正電壓值代表1，而一個(gè)負(fù)電壓值代表0，因而信號(hào)的電平依賴(lài)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(gè)比特中間引入跳變來(lái)同時(shí)代表不同數(shù)值 和同步信息。一個(gè)負(fù)電平到正電平的跳變代表0，而一個(gè)正電平到負(fù)電平的跳變則代表1。通過(guò)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?dòng)曼徹斯特編碼：在差動(dòng)曼徹斯特編碼中，用兩個(gè)比特之間的跳變來(lái)代表不同 的數(shù)值，在間隙中有跳變的代表0，沒(méi)有跳變的代表1。比特中間的跳變只用來(lái)表示同步信息，不同的數(shù)值通過(guò)在比特間隙是否跳變來(lái)表示?！　　　《嗦窂?fù)用：在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，當(dāng)傳輸介質(zhì)的能力超過(guò)傳輸單一信號(hào)的情況時(shí)， 為了有效地利用傳輸系統(tǒng)，希望一個(gè)信道能夠同時(shí)傳輸多路信號(hào)。多路復(fù)用，就是把許多信號(hào)在單一的傳輸線(xiàn)路上進(jìn)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(shí)分多路復(fù)用(TDM)和統(tǒng)計(jì)時(shí)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(méi)有間斷，實(shí)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(gè)單位通過(guò)鏈路傳輸，因?yàn)闆](méi)有同步脈 沖，接收方不可能通過(guò)計(jì)時(shí)方式來(lái)預(yù)測(cè)下一個(gè)字節(jié)何時(shí)到達(dá)，因而在每個(gè)字節(jié)的開(kāi)頭都要附加一個(gè)0，通常稱(chēng)為起始位，在每個(gè)字節(jié)尾部還加上一個(gè)或多個(gè)1，被稱(chēng)為停止位。 單工通信：是指在通信鏈路上的兩個(gè)站點(diǎn)，只能一個(gè)發(fā)送信息，另一個(gè)接收?！　“腚p工通信：在通信鏈路上的兩個(gè)站點(diǎn)都可以發(fā)送和接收信息，但是不能同時(shí)發(fā) 送和接收，當(dāng)其中一個(gè)站點(diǎn)在發(fā)送信息時(shí)，另一個(gè)站點(diǎn)只能接收，反之亦然?！　∪p工通信：在通信鏈路上的兩個(gè)站點(diǎn)可以同時(shí)發(fā)送和接收信息，即一個(gè)站點(diǎn)發(fā) 送信息的同時(shí)也能接收信息?！　　　〔铄e(cuò)的產(chǎn)生原因及其控制差錯(cuò)控制是指在數(shù)據(jù)通信過(guò)程中能發(fā)現(xiàn)或糾正差錯(cuò),把差錯(cuò)限制在盡可能小的允許范圍內(nèi)的技術(shù)和方法。 信號(hào)在物理信道中傳輸時(shí)線(xiàn)路時(shí)，線(xiàn)路本身電氣特性造成的隨即噪聲、信號(hào)幅度的衰減、頻和相位的畸變、電氣信號(hào)在線(xiàn)路上產(chǎn)生反射造成的回音效應(yīng)、相鄰線(xiàn)路間的串?dāng)_以及各種外界因素(如大氣中的閃電、開(kāi)關(guān)的跳火、外界強(qiáng)電流磁場(chǎng)的變化、電源的波動(dòng)等)都會(huì)造成信號(hào)的失真。在數(shù)據(jù)通信中,將會(huì)使接收端收到的二進(jìn)制數(shù)位和發(fā)送端實(shí)際發(fā)送的二進(jìn)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(cuò)?！　∫话銇?lái)說(shuō),傳輸中的差錯(cuò)都是由噪聲引起的。噪聲有兩大類(lèi),一類(lèi)是信道固有的、持續(xù)存在的隨機(jī)熱噪聲。另一類(lèi)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(cuò)稱(chēng)為隨機(jī)錯(cuò),所引起的某位碼元的差錯(cuò)是孤立的,與前后碼元沒(méi)有關(guān)系。由于物理信道在設(shè)計(jì)時(shí),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(jī)錯(cuò)通常較少。 沖擊噪聲呈突發(fā)狀,由其引起的差錯(cuò)稱(chēng)為突發(fā)錯(cuò)。沖擊噪聲幅度可能相當(dāng)大,無(wú)法靠提高信號(hào)幅度來(lái)避免沖擊噪聲造成的差錯(cuò),它是傳輸中產(chǎn)生差錯(cuò)的主要原因。沖擊噪聲雖然持續(xù)時(shí)間很短,但在一定的數(shù)據(jù)速率條件下,仍然會(huì)影響到一串碼元。例如,一個(gè)沖擊噪聲(如一次電火花)持續(xù)時(shí)間為10ms,但對(duì)于4800bps的數(shù)據(jù)速率來(lái)說(shuō),就可能對(duì)連續(xù)48位數(shù)據(jù)造成影響,使它們發(fā)生差錯(cuò)。從突發(fā)錯(cuò)誤發(fā)生的第一個(gè)碼元到有錯(cuò)的最后一個(gè)碼元間所有碼元的個(gè)數(shù),稱(chēng)為該突發(fā)錯(cuò)的突發(fā)長(zhǎng)度?！　?shù)據(jù)通信中不加任何差錯(cuò)控制措施,直接用信道來(lái)傳輸數(shù)據(jù)是不可靠的。最常用的差錯(cuò)控制方法是差錯(cuò)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(gè)碼字后再發(fā)送,這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為差錯(cuò)控制編碼過(guò)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(guò)程中是否有差錯(cuò)發(fā)生,這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為校驗(yàn)過(guò)程?！　±貌铄e(cuò)控制編碼來(lái)進(jìn)行差錯(cuò)控制的方法基本上有兩類(lèi),一類(lèi)是自動(dòng)請(qǐng)求重發(fā)ARQ(Automatic Repeat reQuest),另一類(lèi)是前向糾錯(cuò)FEC(FOIW盯d Eπor Correction)。在A(yíng)RQ方式中,接收端檢測(cè)出有差錯(cuò)時(shí),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(cuò),而且能確定二進(jìn)制碼元發(fā)生錯(cuò)誤的位置,從而加以糾正。因此,差錯(cuò)控制編碼又可分為檢錯(cuò)碼和糾錯(cuò)碼。檢錯(cuò)碼是指能自動(dòng)發(fā)現(xiàn)差錯(cuò)的編碼,糾錯(cuò)碼是指不僅能發(fā)現(xiàn)差錯(cuò)而且能自動(dòng)糾正差錯(cuò)的編碼。 ARQ方式只使用檢錯(cuò)碼,但必須有雙向信道才可能將差錯(cuò)信息反饋至發(fā)送端。同時(shí),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(cuò)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(cuò)碼,但它可以不需要反向信道來(lái)傳遞請(qǐng)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(diǎn),但由于糾錯(cuò)碼一般說(shuō)來(lái)要比檢錯(cuò)碼使用更多的冗余位,也就是說(shuō)編碼效率低,而且糾錯(cuò)設(shè)備也比檢錯(cuò)設(shè)備復(fù)雜得多,因而除非在單向傳輸或?qū)崟r(shí)要求特別高(FEe由于不需要重發(fā),實(shí)時(shí)性較好)等場(chǎng)合外,數(shù)據(jù)通信中使用更多的還是ARQ差錯(cuò)控制方