计算机网络课件：2.3 数据编码技术

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1、数字数据数字数据模拟信号模拟信号数字数据数字数据模拟信号模拟信号SR模拟传输信道模拟传输信道调制器调制器解调器解调器调制调制解调解调U(t)=Um sin(t+t+0 0)Um:Um:振幅振幅 :频率频率 :相位相位 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0由载波的两个不同的振幅分别代表二进制的由载波的两个不同的振幅分别代表二进制的0或或1 容易实现，但易受干扰容易实现，但易受干扰 10 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0载波的不同频率分别代表二进制数的载波的不同频率分别代表二进制数的0或或1，如高频代表，如高频代表1，低，低频代表频代表0容易实现，但抗干扰能力强于容易实现，但抗干扰能力

2、强于ASK载波的不同相位变化分别代表不同的二进制数值载波的不同相位变化分别代表不同的二进制数值090 1.5 绝对调相：绝对调相：利用载波的绝对相位值分别代表利用载波的绝对相位值分别代表0 0或或1 1 0 00 0，1 10 0，0 00相对调相：用相位的相对偏移值表示相对调相：用相位的相对偏移值表示1 1或或0 0，或者，或者说用载波在两位数字信号的交接处产生的相位偏移来说用载波在两位数字信号的交接处产生的相位偏移来表示不同的数字信号。表示不同的数字信号。0 0，相位不偏移相位不偏移 1,1,相位偏移相位偏移 多相调制多相调制码元码元00011011相位偏移相位偏移090 180 270

3、四相调制的相位偏移值：四相调制的相位偏移值：八相调制的相位偏移值：八相调制的相位偏移值：码元码元000001010011100101110111相位相位偏移偏移0 45 90 135 180 225 270 315 ASKFSKPSK编码机制编码机制Um=1,binary 1 Um=0,binary 0 1,binary 1,binary 1 2,1 2,binary 0binary 00 0=0,=0,binary 1 binary 1 0 0=,=,binary 0binary 0技术技术容易容易容易容易困难困难抗干扰抗干扰弱弱强强强强速率速率 低低低低高高11001011NAZNAZI曼

4、切斯特曼切斯特差分曼差分曼切斯特切斯特高电平高电平:1低电平低电平0起始处有跳变起始处有跳变:1起始处无跳变起始处无跳变:0每一位时中间有跳变每一位时中间有跳变高变低高变低:1,低变高低变高:0每一位时中间有跳变每一位时中间有跳变起始处有跳变起始处有跳变:0起始处无跳变起始处无跳变:1?采样定律：如果对信号以固定的时间间隔进采样定律：如果对信号以固定的时间间隔进行采样，当采样频率大于等于两倍的最大有效信行采样，当采样频率大于等于两倍的最大有效信号频率，所采样本就包含了原始信息的所有信息。号频率，所采样本就包含了原始信息的所有信息。PCM采样：采样：隔一定的时间间隔，将模拟信号的电平隔一定的时间

5、间隔，将模拟信号的电平幅度值取出来做为样本，采样频率为幅度值取出来做为样本，采样频率为2B量化：量化：将采样样本幅度值按量化级决定取值的过将采样样本幅度值按量化级决定取值的过程。（程。（1）量化级（）量化级（2）量化级幅值（）量化级幅值（3）量化）量化编码：编码：用相应位数的二进制代码表示量化后的用相应位数的二进制代码表示量化后的采样样本的量化级值。如果用二进制数进行编采样样本的量化级值。如果用二进制数进行编码，则编码位数码，则编码位数log2K,其中其中K为量化级数。为量化级数。量化级量化级量化幅值量化幅值样本值样本值量化级量化级（样本）（样本）二进制二进制编码编码10-11.2201021

6、.1-22.3301132.1-34.5510143.1-41.7201054.1-52.8301165.1-63.4410076.1-76.7711187.1-85.36110 PCM应用：声音信号，应用：声音信号，128量化级，量化级，7位编码位编码SR声音声音信号信号数字数字声音声音信号信号信道信道数字数字声音声音信号信号l声音声音信号信号PCM编编码器码器PCM译码器译码器采样率采样率:8000/S:8000/S；速率速率:7:78000/S=56Kbps8000/S=56Kbps；或或:8:88000/S=64Kbps8000/S=64Kbps。示波器示波器傅立叶分析傅立叶分析:任何

7、正常的周期为任何正常的周期为T的函数的函数g(t)，都可以由无限个正弦和，都可以由无限个正弦和余弦函数组成。余弦函数组成。g(t)=1/2c+ansin(2 nft)+bncos(2 nft)n=1n=1频谱仪频谱仪直流分量直流分量基波分量基波分量二次谐波二次谐波三次谐波三次谐波四次谐波四次谐波.高次谐波高次谐波g(t)=1/2c+a1sin(2 ft)+a2sin(4nft)+a3sin(6 ft)+ansin(2 nft)E(t)E(t)E(t)E(t)E(t)E(t)E(t)E(t)E(t)E(t)000000ttttt1 2 3 4 5 6 7 8 9 1001100010(a)(b)

8、(c)(d)(e)0 10 1 20 1 2 3 40 1 2 3 4 5 6 7 8ttttt 信道带宽对数据信号传输失真的影响很大，信道信道带宽对数据信号传输失真的影响很大，信道带宽越宽，信号传输的失真越小带宽越宽，信号传输的失真越小1 1、单位时间内传输二进制码元的数量，单位为比特单位时间内传输二进制码元的数量，单位为比特/秒，秒，记做记做bpsbps=1/T(bps)常用单位：常用单位：Kbps、Mbps、Gbps 与与 Tbps，1Kbps =1103 bps 1Mbps=1106 bps 1Gbps =1109 bps 1Tbps =11012 bpsT：传输：传输1 位所需的时间

9、位所需的时间奈奎斯特准则奈奎斯特准则：Rmax=2B（bps）最大数据传输速率最大数据传输速率 通信信道带宽通信信道带宽香农定理香农定理：Rmax=Blog2（1+S/N）最大数据传输速率最大数据传输速率 信道带宽信道带宽 信噪比信噪比S/N有限带宽有限带宽,无噪声信道无噪声信道有限带宽有限带宽,有噪声信道有噪声信道S/N（db)=10.log(S/N)S/N=10,S/N（db)=10 S/N=100,S/N（db)=20 S/N=1000,S/N（db)=30例例:一条带宽、噪声一定的信道，无论其采用多少一条带宽、噪声一定的信道，无论其采用多少级信号电平及多大的采样频率，其最大数据传输频级

10、信号电平及多大的采样频率，其最大数据传输频率是固定的率是固定的多路复用：多路复用：在一条物理线路上同时传输多路信息在一条物理线路上同时传输多路信息用户用户1用户用户3用户用户2高速传输信道高速传输信道多路复用器多路复用器用户用户4多路复用器多路复用器用户用户6用户用户5工作原理示意图工作原理示意图频分多路复用：频分多路复用：Frequency-Division Multiplexing，FDM时分多路复用：时分多路复用：Time-Division Multiplexing，TDM 波分多路复用：波分多路复用：Wavelength Division Multiplexing，WDM无线电无线电

11、微波微波 红外线红外线X X 射线射线 射线射线 10010210410610810101012101410161018102010221024可见光可见光 紫外线紫外线网络通讯网络通讯信号信号 1信号信号 2信号信号3 60 64 68 72 频率（频率（kHz）300 3400 频率（频率（Hz）信号信号 1信号信号 2信号信号 3频率频率时间时间F 1F 2F 3F 4F 5用户同时使用不同的频谱用户同时使用不同的频谱l每路信号占用载波的不同频率每路信号占用载波的不同频率l一个载波可同时传输多路信号一个载波可同时传输多路信号l使用使用警戒带宽以警戒带宽以避免信号间相互干扰避免信号间相互干

12、扰lB=Bm+Bg B:信号实际占用的信道带宽信号实际占用的信道带宽 Bm:信号需要的带宽信号需要的带宽 Bg:警戒带宽警戒带宽 一个标准的语音多路复用是在一个标准的语音多路复用是在60kHz108kHz范围传送范围传送12条条4kHz语音信道语音信道课件制作人：谢希仁频率频率时间时间B C DB C DB C DB C DAAAAA 在在TDM帧中的位置是固定的帧中的位置是固定的TDM FTDM FTDM F TDM F TDM F课件制作人：谢希仁频率频率y时间时间B C DB C DB C DB C DAAAAB在在TDM帧中的位置是固定的帧中的位置是固定的TDM FTDM FTDM F

13、 TDM F TDM F课件制作人：谢希仁频率频率时间时间B C DB C DB C DB C DAAAAC在在TDM帧中的位置是固定的帧中的位置是固定的TDM FTDM FTDM F TDM F TDM F课件制作人：谢希仁频率频率时间时间B C DB C DB C DB C DAAAAD在在TDM帧中的位置是固定的帧中的位置是固定的TDM FTDM FTDM F TDM F TDM F时间被划分为小的时隙时间被划分为小的时隙每路信号占用给定的时隙每路信号占用给定的时隙在给定的时隙内，每路信号占用信道的所有带宽在给定的时隙内，每路信号占用信道的所有带宽声音声音1V2V3.V24PCM编码器编

14、码器多路复用器多路复用器声音声音 1V2V3.V24PCM 译码器译码器多路复用器多路复用器Voice 1V2V3.V24TDM Frame193位帧（位帧（125s）信号信号1信号信号3信号信号2信号信号24起始位起始位7数据数据校验位校验位TS1TS2TS3TS24TDM数据帧的结构数据帧的结构当传输信号时当传输信号时,轮流从每路信号中轮流从每路信号中提取一个字节，并进行提取一个字节，并进行封装封装来自来自24路信号的路信号的24字节组成字节组成1 个个TDM数据帧数据帧每个字节为每个字节为8位，其中位，其中7位为数据，位为数据，1位作为检验位用于通位作为检验位用于通信控制信控制每个帧的起

15、始处加一位用作起始标志每个帧的起始处加一位用作起始标志每一帧为每一帧为193 位位(2481193)。传输一帧需要传输一帧需要125微秒，微秒，T1载波的速率载波的速率1.544MbpsTDM同步时分多路复用同步时分多路复用 事先将时隙分配给相应的信号，时隙编号和事先将时隙分配给相应的信号，时隙编号和信号编号间的对应关系固定不变信号编号间的对应关系固定不变124n13n.1234n周期周期1周期周期2周期周期m课件制作人：谢希仁频率频率时间时间B C DB C DB C DB C DAAAAABCD 在在TDM数据帧中的位置固定不变数据帧中的位置固定不变TDM FTDM FTDM F TDM

16、F TDM F周期周期1周期周期2周期周期m1245n1257n.1234n在一个周期中，当某路信号没有数据要发送时，不分配时隙在一个周期中，当某路信号没有数据要发送时，不分配时隙 动态分配时隙，动态分配时隙，时隙时隙编号和信号编号间编号和信号编号间的对应的对应关系不是固定不变的关系不是固定不变的 FDMTDM多路信号同时使用多路信号同时使用一条物理信道一条物理信道多路信号轮流使用多路信号轮流使用一条物理信道一条物理信道每路信号使用每路信号使用载波的不同频率载波的不同频率每路信号使用每路信号使用载波的不同时隙载波的不同时隙模拟传输模拟传输数字传输数字传输 工作原理基本类似于工作原理基本类似于F

17、DM 使用衍射光栅来实现多路不同频率光波信使用衍射光栅来实现多路不同频率光波信号的合成与分解，从而实现多路复用号的合成与分解，从而实现多路复用 高速光网络高速光网络共享光纤共享光纤光栅光栅光栅光栅功功率率波长波长共享光纤共享光纤的波谱的波谱功功率率波长波长光纤光纤1 1的波谱的波谱功功率率波长波长光纤光纤2 2的波谱的波谱光纤光纤1 1光纤光纤2 2光纤光纤3 3光纤光纤4 4功功率率波长波长光纤光纤3 3的波谱的波谱功功率率波长波长光纤光纤4 4的波谱的波谱课件制作人：谢希仁课件制作人：谢希仁 1550 nm 0 1551 nm 1 1552 nm 2 1553 nm 3 1554 nm 4 1555 nm 5 1556 nm 6 1557 nm 70 1550 nm 1 1551 nm 2 1552 nm 3 1553 nm 4 1554 nm 5 1555 nm 6 1556 nm 7 1557 nm 20 Gb/sMMEDFA120 km光调制器光调制器光解调器光解调器掺饵光纤放大器掺饵光纤放大器密集波分复用：密集波分复用：在一条光纤上传输在一条光纤上传输8080路或更多的路或更多的光信号光信号