数据通信第三讲

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1、数据通信1第三讲 频带数据传输 l1概述l2.数字调制 2.1 2ASK2.2 2FSK2.3 2PSK 2.4 几种二进制数字调制性能比较l3.多进制数字调制 3.1 多进制幅移键控(MASK)3.2 多进制频移键控(MFSK)3.3 多进制相移键控(MPSK)3.4 幅相键控(APK)l4.MODEM 4.1 Modem的分类 4.2有关Modem的标准 4.2Modem的硬件总体结构及功能 2l模拟数据和数字数据都可以用模拟信号和数字信号来表示，在传输介质上进行传输时，采用不同的信道（数字信道和模拟信道）和信号变换技术，以取得较好的传输质量。信号转换3数据信号的频带传输l频带传输系统中的

2、调制技术，它可以分成两种类型：一是利用模拟方法去实现数字调制；一是利用数字信号的离散值键控载波，从而实现调制。后一种技术又称为键控法，例如对载波的振幅、相位和频率进行键控，可以获得振幅键控、频移键控和相移键控制调制方式。4l当我们将数据由一地传送到另一地时，必须将其转换为信号，主要包括以下转换方法：信号转换类型信号转换方法信号转换方法数字数字/数字数字模拟模拟/数字数字数字数字/模拟模拟模拟模拟/模拟模拟5l数字模拟调制是基于以数字信号（0或1）表示的信息来改变模拟信号特征的过程。数字-模拟调制数字-模拟调制6正弦波l模拟信号是连续变化的电磁波，它可以按照不同频率在各种介质上传输。l正弦波是模

3、拟信号的最基本形式，可以用振幅、频率和相位三个特性来描述。7振幅l信号的振幅是指在正弦波上的任意一点到水平轴的垂直距离，正弦波的最大值等于波形在垂直轴达到的最大值。l振幅的计量单位根据信号类型而不同。8不同振幅的正弦波9频率l频率是指单位时间内周期的数量，单位为赫兹（Hz）。l频率与周期是彼此互为倒数的关系（f=1/T）10不同频率的正弦波11例1：一个正弦波的频率为8KHz，求它的周期。解：设T为周期，f为频率，则 T=1/f=1/8000=0.000125s=12510-6s =125s正弦波的频率和周期12频率和周期的常用单位周期单位周期单位计量表示计量表示频率单位频率单位计量表示计量表

4、示Seconds(s)1 shertz(Hz)1 HzMilliseconds(ms)103 skilohertz(KHz)103 HzMicroseconds(ms)106 smegahertz(MHz)106 HzNanoseconds(ns)109 sgigahertz(GHz)109 HzPicoseconds(ps)1012 sterahertz(THz)1012 Hz13相位l相位用来描述波形相对于时间零点的位置，相位用度或者弧度做计量单位。14不同相位的正弦波15正弦波例子16l波的三个特性中的任意一个可以用这种方式改变，从而包括：l幅移键控（ASK）l频移键控（FSK）l相移键

5、控（PSK）l正交调幅（QAM）数字-模拟调制方式数字-模拟变换方式17l波特率表示每秒发送的信号单元数，其中信号单元由一些比特组成；而比特数是每秒发送的比特数。l波特数而不是比特数确定所要求的带宽。比特率和波特率18l数字调制技术的演变可以概括如下。l 基于2ASK由二进制向多进制方向发展，产生了正交幅度调制（QAM）和星座调制（MQAM）。l 基于2FSK向多进制方向发展，产生了MFSK。19l 基于2PSK向多进制方向发展，产生了QPSK，OQPSK，MPSK以及DPSK和DQPSK等。l 为了进一步改善移相中相位跃变带来的频谱扩展与幅度上的变化，又引入了相位连续调制（CPM），其中，最

6、为典型的有：最小频移键控（MSK）、高斯型最小频移键控（GMSK），以及性能更为优良的平滑调频（TFM）等。20第二讲 频带数据传输 l1概述l2.数字调制 2.1 2ASK2.2 2FSK2.3 2PSK 2.4 几种二进制数字调制性能比较l3.多进制数字调制 3.1 多进制幅移键控(MASK)3.2 多进制频移键控(MFSK)3.3 多进制相移键控(MPSK)3.4 幅相键控(APK)l4.MODEM 4.1 Modem的分类 4.2有关Modem的标准 4.2Modem的硬件总体结构及功能 21l在模拟信号传输中，发送设备产生一个高频信号作为基波来承载信息信号，这个基波就称为载波信号。接

7、受设备则将自己的收听频率调整到于所期望的发送方的载波信号频率相同。l数字信息通过改变载波信号的一个或者多个特性（振幅、频率和相位）被调制到载波信号上，这种形式的改变称为调制（或者移动键控）。载波信号22l在振幅改变的同时，频率和相位保持不变，通过改变载波信号的强度来表示二进制0或1。幅移键控ASK23l ASK信号的产生l ASK信号的解调l ASK信号的功率谱密度24l那个振幅代表0以及那个振幅代表1由设计者决定。比特持续时间是表示一个比特所需的时间，在这段时间内信号的振幅是一个常数。采用ASK技术的传输速度收传输介质的物理特性所限。l在传输过程中会引起电压值的不期望改变，从而引入噪声，通常

8、只影响信号振幅，因此ASK是受噪声影响最大的调制技术。幅移键控ASK25第三讲 频带数据传输 l1概述l2.数字调制 2.1 2ASK2.2 2FSK2.3 2PSK 2.4 几种二进制数字调制性能比较l3.多进制数字调制 3.1 多进制幅移键控(MASK)3.2 多进制频移键控(MFSK)3.3 多进制相移键控(MPSK)3.4 幅相键控(APK)l4.MODEM 4.1 Modem的分类 4.2有关Modem的标准 4.2Modem的硬件总体结构及功能 26l在频移键控中，用不同的载波频率（相同的幅度）来表示两个二进制值。频移键控FSK27l FSK信号的产生l FSK信号的解调lFSK信

9、号的解调方法很多，可以分为线性鉴频法和分离滤波法两大类。l相干解调 FSK信号的相干解调原理如图3-26所示。假设频率 代表“1”，频率 代表“0”。28l非相干解调 FSK信号的相干解调原理及产生的信号波形如图所示。29图图3-27 FSK信信号号的的解解调调及及波波形形30第三讲 频带数据传输 l1概述l2.数字调制 2.1 2ASK2.2 2FSK2.3 2PSK 2.4 几种二进制数字调制性能比较l3.多进制数字调制 3.1 多进制幅移键控(MASK)3.2 多进制频移键控(MFSK)3.3 多进制相移键控(MPSK)3.4 幅相键控(APK)l4.MODEM 4.1 Modem的分类

10、 4.2有关Modem的标准 4.2Modem的硬件总体结构及功能 31l相位调制用载波频率（相同的幅度）的不同相位来表示两个二进制值。相移键控PSK32l数字相移键控是利用载波的相位变化来传送数字信息的调制方式。相移键控可分为绝对相移键（PSK）和相对相移键控（DPSK）。所谓绝对相移键控是指利用载波的不同相位直接表示数据信息；而相对相移键控是利用前后码元载波相位的相对变化表示信息。33l PSK和DPSK信号的产生lPSK就是用载波的0相位表示“1”，用载波的相位表示“0”。DPSK是利用相邻码元的载波相位的相对变化传送数字信息，即本码元载波初相与前一码元载波终相的相位差。l PSK和DP

11、SK信号的解调lPSK信号具有恒定的包络，因而不能用包络解调法解调，应采用相干解调器解调。34BPSK信号波形35BPSK信号功率谱36l PSK信号的功率谱l当调制信号为双极性NRZ数字序列时，PSK信号实际上是一种双边带调幅信号，所以与ASK信号的带宽相同。37l数字相移键控是利用载波的相位变化来传送数字信息的调制方式。相移键控可分为绝对相移键（PSK）和相对相移键控（DPSK）。所谓绝对相移键控是指利用载波的不同相位直接表示数据信息；而相对相移键控是利用前后码元载波相位的相对变化表示信息。38l正交调幅是为每个比特组合分配一个给定振幅和相移的信号。即假设使用2种不同的振幅和4种不同的相移

12、。把它们结合起来将允许定义8种不同的信号。正交调幅QAM39第二讲 频带数据传输 l1概述l2.数字调制 2.1 2ASK2.2 2ASK的解调2.2 2FSK2.3 2PSK 2.4 几种二进制数字调制性能比较l3.多进制数字调制 3.1 多进制幅移键控(MASK)3.2 多进制频移键控(MFSK)3.3 多进制相移键控(MPSK)3.4 幅相键控(APK)l4.MODEM 4.1 Modem的分类 4.2有关Modem的标准 4.2Modem的硬件总体结构及功能 40l1.抗高斯噪声能力l2.信号带宽l3.相干解调VS.非相干解调41第二讲 频带数据传输 l1概述l2.数字调制 2.1 2

13、ASK2.2 2FSK2.3 2PSK 2.4 几种二进制数字调制性能比较l3.多进制数字调制 3.1 多进制幅移键控(MASK)3.2 多进制频移键控(MFSK)3.3 多进制相移键控(MPSK)3.4 幅相键控(APK)l4.MODEM 4.1 Modem的分类 4.2有关Modem的标准 4.2Modem的硬件总体结构及功能 42l3.多进制数字调制系统l二进制数字调制的基带数字信号只有两个状态即“1”，“0”或“+1”，“1”。434PSK和4DPSKl在数据通信中，为了提高信息传输速率，可以用载波的一种相位代表一组二进制信号码元，也就是多进制码元。l 4PSK与4DPSK信号的波形l

14、对二进制数字序列每两位数字编为一组，每一载波相位代表两个比特信息，每个码元称为双比特码元。44l 4PSK信号的产生与解调l4PSK信号的产生如图所示，串行输入的二进制码，每两位分成一组，若前一位用A表示，后一位用B表示，经串/并变换后变成宽度加倍的并行码；再分别进行极性变换，把单极性码变为双极性码；然后与载波相乘，形成正交的双边带信号，经加法器输出形成4PSK信号。454PSK信号的产生信号的产生46QPSK信号波形（方波基带信号）信号波形（方波基带信号）47升余弦脉冲的时域波形48脉冲成形的QPSK信号功率谱49脉冲成形的QPSK信号功率谱50l 4DPSK信号的产生与解调l为了产生4DP

15、SK信号，可在4PSK信号的基础上加上一码变换器来实现。51M-QAM数字调制系统l前面主要讨论的是三种最基本的数字调制方式。在现代通信中，需要解决的实际问题很多，仅仅采用这三种基本的数字调制方式是远远不够的。l恒包络调制技术是指已调波的包络保持恒定，已调波经过发送带限后，当通过非线性部件时，只产生很小的频谱扩展。52l QAM信号的产生l在前面已经介绍，QAM是用两路独立的基带信号对两个互相正交的同频载波进行抑制载波的双边带调制。l MQAM信号的解调lMQAM信号采取正交相干解调的方法解调，其原理图如图所示。解调器首先对接收到的MQAM信号进行正交相干解调。53MQAM信信号号的的星星座座

16、图图54MQAM信号的解调原理图信号的解调原理图55l MQAM的星座图和系统性能l目前，正交幅度调制正得到广泛的应用。它的星座图常为矩形或十字形，如图所示。其中M=4，16，64，256时星座图为矩形，而M=32，128时则为十字形。前者M为2的偶次方，即每个符号携带偶数个比特信息；后者为2的奇次方，每个符号携带奇数个比特信息。56l波特率表示每秒发送的信号单元数，其中信号单元由一些比特组成；而比特数是每秒发送的比特数。l波特数而不是比特数确定所要求的带宽。比特率和波特率57l增加星座点数，可以提高比特速率（在相同的波特率也即带宽下）l增加星座点数，错误率增加58第二讲 频带数据传输 l1概

17、述l2.数字调制 2.1 2ASK2.2 2FSK2.3 2PSK 2.4 几种二进制数字调制性能比较l3.多进制数字调制 3.1 多进制幅移键控(MASK)3.2 多进制频移键控(MFSK)3.3 多进制相移键控(MPSK)3.4 幅相键控(APK)l4.MODEM 4.1 Modem的分类 4.2有关Modem的标准 4.2Modem的硬件总体结构及功能 59调制解调器和通信链路l l两端的计算机是两端的计算机是DTEDTE设备，调制设备，调制解调器是解调器是DCEDCE设备。设备。DTEDTE设备设备产生数据并通过产生数据并通过接口发送到调制接口发送到调制解调器，调制解解调器，调制解调器

18、负责数字和调器负责数字和模拟转换，以便模拟转换，以便利用电话线传输。利用电话线传输。60调制解调器l l最常见的DCE设备是调制解调器，它将计算机产生的数字信号转换为可以通过电话线传输的模拟信号，也把从电话线上接收的模拟信号转换成计算机可以使用的数字信号。l l调制解调器是指调制/解调，调制器将数字信号用ASK、FSK、PSK或QAM转变为模拟信号，而解调器将模拟信号还原为数字信号。61调制解调器（Modem）l调制解调器的英文“Modem”来自于调制器（Modulator）和解调器（Demodulator）的缩写，世界上有些地方又称它为数传机（Data Set）。l4.1 Modem的分类l

19、为了适应各种不同信道、不同速率的要求，有许多种不同类型的Modem。62l（1）按功能分类的Modeml就功能而言，调制解调器分为通用Modem及具有传真功能的Modem。l（2）按外形分类的Modeml就外形而言，Modem可分为外置式和内置式。63l（3）按传输速率分类的Modeml调制解调器的传输速率是以bit/s（bps）为计算单位的，标准的传输速率为1200bit/s，2400bit/s，9600bit/s，14400bit/s，33600bit/s和56000bit/s等。l（4）按操作状态分类的Modeml调制解调器的操作有同步和异步两种模式。6465l（5）按数据压缩及检测错误

20、方法分类的Modeml调制解调器可以以数据纠错的方法保证收到的数据正确无误，同时通过对数据进行压缩提高有效传输速率，其中最常用的是MNP5和V.42bis。l（6）按传输介质分类的Modeml按传输介质分类，Modem可以分为有线Modem和无线Modem。66l数据传输系统的时钟同步l1同步的概念l同步是通信系统中一个重要的问题，它是进行信息传输的前提。l2位同步l位同步，又称为比特同步（或码元定时），它是数据通信中最基本也是最重要的一种同步。67l通常，收发之间的位同步是通过双方的位定时取得的。位定时的提供形式有三种方法。l（1）专门设立位定时传输信道l这种方法在短距离传输以及利用PCM数

21、字信道传输数据时较适用。l（2）由数据电路设备（DCE）形成位定时l前面介绍过的Modem中，当采用同步Modem时，通常由Modem形成位定时。68l（3）由数据终端设备（DTE）形成位定时l这种方法是利用起止位形成位定时或利用锁相环法形成位定时两种方法。前一种方法就是在前面介绍过的异步传输方式。这种方法简单，一般用于低速的数据通信中。69l3帧同步l位同步的实质是对接收信号码元脉冲的达到时刻进行估计的问题，而帧同步的任务是对接收的数据比特序列进行正确的分组，它一般通过传输数据格式的特殊设计来完成的。l（1）利用规定的字符建立帧同步l这种方式将帧中的数据块当作字符序列，所有的控制信息也取字符

22、形式。70l（2）利用规定的比特组合建立帧同步l将帧中的数据块当作是比特序列，这时帧的结构如图所示。一个特殊的比特组合（如下）标志着一个帧的开始，同样的标志还可以用作帧的结束标志。规定比特组合建立帧同步的方法规定比特组合建立帧同步的方法71第二讲 频带数据传输 l1概述l2.数字调制 2.1 2ASK2.2 2FSK2.3 2PSK 2.4 几种二进制数字调制性能比较l3.多进制数字调制 3.1 多进制幅移键控(MASK)3.2 多进制频移键控(MFSK)3.3 多进制相移键控(MPSK)3.4 幅相键控(APK)l4.MODEM 4.1 Modem的分类 4.2有关Modem的标准 4.2M

23、odem的硬件总体结构及功能 72l调制解调器的标准有两个：贝尔调制解调器和ITU-T调制解调器。l目前高速Modem的标准协议如下。l（1）三种调制协议l V.32协议是9600bit/s高速Modem的标准调制协议。73l V.32bis协议是14400bit/sModem的标准调制协议，是V.32的增强版本，采用TCM调制方式使传输速率达到14400bit/s，与V.32兼容，线路差时降到12000bit/s，9600bit/s，7200bit/s和4800bit/s。l V.34协议采用四维TCM编码调制方式等和V8协商握手等先进技术，使其传输速率达到28.8kbit/s。74l（2）

24、差错控制协议l差错控制协议是为了保证传输正确而提供的协议，主要有两个工业标准MNP和V.42。l（3）数据压缩协议l数据压缩是高速Modem的关键技术，数据压缩有两个工业标准：V.42bis和MNP5。l（4）通信软件l对于智能型Modem能提供很多高级功能，但要靠通信软件完成。75Bell调制解调器标准176Bell调制解调器标准277调制解调器Bell/ITU-T标准比较ITU-TITU-TBellBell波特率波特率比特率比特率调制技调制技术术V.21V.21103103300300300300FSKFSKV.22V.22212212600600120012004-PSK4-PSKV.2

25、3V.232022021200120012001200FSKFSKV.26V.2620120112001200240024004-PSK4-PSKV.27V.2720820816001600480048008-PSK8-PSKV.29V.29209209240024009600960016-QAM16-QAM78第二讲 频带数据传输 l1概述l2.数字调制 2.1 2ASK2.2 2FSK2.3 2PSK 2.4 几种二进制数字调制性能比较l3.多进制数字调制 3.1 多进制幅移键控(MASK)3.2 多进制频移键控(MFSK)3.3 多进制相移键控(MPSK)3.4 幅相键控(APK)l4.

26、MODEM 4.1 Modem的分类 4.2有关Modem的标准 4.3 Modem的硬件总体结构及功能 794.3.1 Modem电路的基本结构l下图给出了同步Modem的调制-解调过程。80Modem的基本工作原理的基本工作原理81l4.3.2 Modem的工作过程lModem通常有三种工作方式：挂机方式、通话方式和联机方式。l4.3.3 Modem的功能l调制和解调只是Modem中的基本功能，它的主要功能还包括建立连接的能力，在发送设备、接收设备和终端设备之间建立同步交换和控制，改变音频信道的能力，以及维修测试等功能。82l 建立连接l建立Modem之间的连接，可以通过人工拨号或自动呼叫

27、装置来启动，在接收端同样由人工完成，也可用自动应答选择装置完成。l 同步与异步方式工作lModem的工作方式必须和与它相连的终端设备的工作方式相一致，这是一条基本准则。83l AT命令lAT命令是Hayes标准AT命令的简称。这种命令集将现有的通信标准翻译成一种命令控制的格式。l 均衡l在传输线路上，存在着许多种对数据传输有不利影响的特性，这些影响都使线路质量下降。84l4.3.4 宽带调制解调器简介l目前Modem若以带宽区分，则可以细分为窄带Modem和宽带Modem。窄带Modem指的是带宽在56kbit/s以下的Modem，也就是传统的Modem。宽带Modem则是指电缆线Modem（

28、Cable Modem）和ADSL Modem。85l（1）56K高速Modeml56kbit/s高速Modem是1997年才开始上市的拨号高速调制解调器，它的传输速率之所以能有高于传统电话线路上33.6kbit/s的极限速率，是因为它采用了完全不同于33.6kbit/s的调制解调技术，其工件原理和使用要求与33.6kbit/s高速Modem相比也有一定的区别。86l（2）电缆调制解调器l前面介绍的Modem主要是在电话线路上使用的，而电缆调制解调器（Cable Modem）主要在有线电视线路上使用的。l（3）ADSL ModemlADSL（非对称数字用户环路）是指现有的电话线上加装ADSL

29、Modem（又称为ATU-R），利用ADSL技术（详细内容见第10章），用户可以在使用电话时，同时以高于一般Modem的速率接入Internet或进行数据的传输，而且上网和打电话两不误。87传输速率l l按照一个具体设备每秒能够传输的比特数来将调制解调器分为高速和低速。l l对于调制解调器来说，限制传输速率的因素包括：l l带宽；l l数据编码方式：ASK、FSK、PSK或QAM；l l信号传输模式。88带宽l l介质带宽受介质固有的物理特性的限制，每一条线都有它能够通过的频率范围。信号频率太慢不能通过线路的电容，太快则受电感阻碍。l l每条线路都有可以接受的最高频率和最低频率，这个限制范围称

30、为带宽。l l每条线路对于可以承载的信号的频率都有一个上限和一个下限，这个限定范围就叫带宽。89电话线的带宽l l传统电话线可以承载300-3300Hz范围的频率，也就是给出了3000Hz的带宽，在这个范围内传输语音在存在干扰和扭曲时不失清晰度。为安全起见传输数据时不利用带宽的边缘部分，带宽为2400Hz。90ASK幅移键控传输速率l lASKASK调制传输所调制传输所需带宽等于信号需带宽等于信号的波特率。的波特率。l l在单工或半双工在单工或半双工模式中，最大比模式中，最大比特率等于最大波特率等于最大波特率为特率为2400Hz.2400Hz.l l在全双工模式中在全双工模式中每一方向只有整每

31、一方向只有整个带宽的一半，个带宽的一半，最大比特率最大比特率1200120091FSK幅移键控传输速率l lFSKFSK调制传输所需带调制传输所需带宽等于信号的波特率宽等于信号的波特率加上频偏。加上频偏。l l在单工或半双工模式在单工或半双工模式中，最大比特率等于中，最大比特率等于最大波特率为最大波特率为2400-2400-(f(fc1c1-f-fc0c0)。l l在全双工模式中每一在全双工模式中每一方向只有整个带宽的方向只有整个带宽的一半，最大比特率一半，最大比特率2400-(f2400-(fc1c1-f-fc0c0)/2)/292PSK和QAM幅移键控传输速率l l对于PSK和QAM幅移键控传输来说，要求的最小带宽和ASK传输一样。l l由于传输的每一信号单元可以表示的比特数不同，比特率却可能很高。调制模式调制模式半双工半双工全双工全双工ASKASK2400240012001200FSKFSK24002400120012002-PSK2-PSK24002400120012004-PSK4-PSK4-QAM4-QAM48004800240024008-PSK8-PSK8-QAM8-QAM720072003600360016-QAM16-QAM960096004800480093