数据通信原理数据通信原理方莉北京邮电大学信通院Tel：13501330293，Email：mrs.fangligmail.com课程简介课程简介第一章第一章 概述概述第二章第二章 数据信号传输数据信号传输第三章第三章 差错控制差错控制第四章第四章 数据交换数据交换第五章第五章 通信协议通信协议第六章第六章 数据通信网数据通信网 目录目录2 第二章第二章 数据信号传输数据信号传输u数据信号的传输是数据通信的基础。数据信号的传输是数据通信的基础。u数据信号的传输有三种方式：数据信号的传输有三种方式：基带传输基带传输频带传输频带传输数字传输数字传输3 第二章第二章 数据信号传输数据信号传输第一节第一节 数据信号及特性描述数据信号及特性描述第二节第二节 数据信号的基带传输数据信号的基带传输第三节第三节 数据信号的频带传输数据信号的频带传输第四节第四节 数据信号的数字传输数据信号的数字传输4 第一节第一节 数据信号及特性描述数据信号及特性描述u基带传输中设计或选择信号码型时要求基带传输中设计或选择信号码型时要求不含直流分量，且高频分量和低频分量要少不含直流分量，且高频分量和低频分量要少便于定时与同步信息地提取便于定时与同步信息地提取编码方案对信源透明编码方案对信源透明码型具有一定抗噪声性能码型具有一定抗噪声性能码型具有较高的编码码型具有较高的编码码型没有或者只有很小的误码增值码型没有或者只有很小的误码增值码型变换设备要简单可靠码型变换设备要简单可靠 5 第一节第一节 数据信号及特性描述数据信号及特性描述u数据终端产生的数据信息是以数据终端产生的数据信息是以 “0” “0”、“1”“1”组成的随机序列，组成的随机序列，它用它用不同形式的电信号不同形式的电信号表示，从而构成不同形式的表示，从而构成不同形式的数据信号数据信号；u本节将介绍本节将介绍NRZNRZ码、码、 RZ RZ码、双极性码、双极性归零码、差分码码、双极性码、双极性归零码、差分码等编码规则、频谱组成、特点及应用等。等编码规则、频谱组成、特点及应用等。u主要内容主要内容1.1 1.1 基带信号基带信号1.2 1.2 数据序列功率谱特性数据序列功率谱特性6 1.1 1.1 基带信号基带信号u数据序列的电信号表示数据序列的电信号表示图图3-13-1（a,b,c,da,b,c,d） 常用数据序列形式常用数据序列形式 7 1.1 1.1 基带信号基带信号u数据序列的电信号表示数据序列的电信号表示差分信号：利用相对于前一个码元电平是否改变来表示差分信号：利用相对于前一个码元电平是否改变来表示“1”“1”或或“0”“0”。图图3-1(f) 3-1(f) 常用数据序列形式常用数据序列形式 8 1.1 1.1 基带信号基带信号u单极性不归零单极性不归零(NRZ)(NRZ)码码 编码规则：高电平表示编码规则：高电平表示1 1码，零电平表示码，零电平表示0 0码；波形如下：码；波形如下：特点及应用：特点及应用：发送能量大有利于提高收端信噪比发送能量大有利于提高收端信噪比 带宽窄但直流和低频成分大；带宽窄但直流和低频成分大； 不能提取同步信号不能提取同步信号 判决电平不易稳定判决电平不易稳定 一般用于一般用于设备内部和短距离通信设备内部和短距离通信中。中。9 1.1 1.1 基带信号基带信号u单极性归零单极性归零(RZ)(RZ)码码编码规则：编码规则：高电平表示高电平表示1 1码，零电平表示码，零电平表示0 0码码； 电平的持续时间电平的持续时间比码比码元周期元周期Tb小，其波形如下小，其波形如下占空比：占空比：/Tb ，典型的取值是，典型的取值是/Tb =50%=50%特点及应用：特点及应用：具有单极性码的大多特点但带宽增大，具有单极性码的大多特点但带宽增大， 可以直接提取同步信息；可以直接提取同步信息； 一般用于设备内部和短距离通信中。一般用于设备内部和短距离通信中。10 1.1 1.1 基带信号基带信号u双极性不归零码双极性不归零码 编码规则：用正电平表示编码规则：用正电平表示“1”“1”，负电平表示，负电平表示“0”“0”，特点及应用：特点及应用：发送能量大有利于提高收端信噪比发送能量大有利于提高收端信噪比 无直流但低频成份大无直流但低频成份大 不能提取同步信号不能提取同步信号 判决电平容易稳定，无需线路接地判决电平容易稳定，无需线路接地11 1.1 1.1 基带信号基带信号u双极性归零码双极性归零码 编码规则：用正电平表示编码规则：用正电平表示“1”“1”，负电平表示，负电平表示“0”“0”，电平的持续时间，电平的持续时间比码元周期比码元周期Tb小，其波形如下：小，其波形如下：占空比：占空比：/ / Tb ，典型的取值是，典型的取值是/ / Tb =50% =50% 特点及应用：特点及应用：具有双极性码的优点具有双极性码的优点比较容易提取同步信息；比较容易提取同步信息；12 1.1 1.1 基带信号基带信号u差分码差分码 编码规则：差分码是用相邻两个电平变化与否表示编码规则：差分码是用相邻两个电平变化与否表示“1”“1”和和“0” “0” ：特点及应用：特点及应用：即使传输过程中所有电平都发生了反转，接收端仍能正确判决；即使传输过程中所有电平都发生了反转，接收端仍能正确判决； 是数据传输系统中的一种常用码型；是数据传输系统中的一种常用码型；13 1.1 1.1 基带信号基带信号u例例1 1：已知二进制数据序列为：已知二进制数据序列为10101101010110，以矩形脉冲为例，画出，以矩形脉冲为例，画出双极性归零信号的波形图（设双极性归零信号的波形图（设=T/2=T/2）。）。 1 0 1 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 0 14 1.1 1.1 基带信号基带信号u例例2 2：已知二进制数据序列为：已知二进制数据序列为11001011100101，以矩形脉冲为，以矩形脉冲为例，例， 画出画出差分信号差分信号的波形图（的波形图（假设假设“1”“1”电平改变，电平改变，“0”“0”电平不变；初始电平为电平不变；初始电平为0 0）。）。1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 0 1 0 1 15 1.2 1.2 数据序列功率谱特性数据序列功率谱特性u频谱是描述信号的频域特性。频谱是描述信号的频域特性。u研究基带信号的频谱结构是十分必要的；研究基带信号的频谱结构是十分必要的；通过谱分析，可以了解信号需要占据的通过谱分析，可以了解信号需要占据的频带宽度频带宽度，所包含，所包含的的频谱分量频谱分量，有无直流分量，有无定时分量等；，有无直流分量，有无定时分量等；针对信号的谱特点来选择相针对信号的谱特点来选择相匹配的信道匹配的信道，以及确定是否可，以及确定是否可以从信号中以从信号中提取定时信号提取定时信号。16 1.2 1.2 数据序列功率谱特性数据序列功率谱特性u基带信号的频谱特性基带信号的频谱特性确知信号确知信号傅氏变换傅氏变换频谱频谱数字基带信号是随机的脉冲序列，没有确定的频谱函数，数字基带信号是随机的脉冲序列，没有确定的频谱函数，所以只能用所以只能用功率谱功率谱来描述它的频谱特性。用来描述它的频谱特性。用随机过程的理随机过程的理论论来分析。来分析。随机信号随机信号复杂变换复杂变换功率谱功率谱17 1.2 1.2 数据序列功率谱特性数据序列功率谱特性u数字基带信号的一般表达式数字基带信号的一般表达式假设假设“1”用用g1(t)表示，表示， “0”用用g2(t)表示，数字信号的波形如表示，数字信号的波形如下图所示：下图所示：18 1.2 1.2 数据序列功率谱特性数据序列功率谱特性假设在一个码元周期假设在一个码元周期Tb内内“1”出现的概率为出现的概率为P，“0”出现的概率出现的概率为为1-P，其中：，其中：uan是第是第n个脉冲的相对幅度，其取值与所用码型有关，个脉冲的相对幅度，其取值与所用码型有关，u对于单极性信号有：对于单极性信号有：u对于双极性信号：对于双极性信号：19 1.2 1.2 数据序列功率谱特性数据序列功率谱特性u随机数据序列信号的功率谱密度表达式随机数据序列信号的功率谱密度表达式：fs=1/Ts，符号速率，符号速率；G1(f)和和G2(f)分别为分别为g1(t)和和g2(t)的傅氏变换，频谱；的傅氏变换，频谱；式中的第一项表示式中的第一项表示连续谱连续谱，由其可以确定，由其可以确定信号的带宽信号的带宽；第二项是第二项是离散谱离散谱，由其可以判断信号，由其可以判断信号有无直流分量有无直流分量以及是以及是否包含否包含同步信息同步信息。20 1.2 1.2 数据序列功率谱特性数据序列功率谱特性u连续谱连续谱：由于：由于g1(t)和和g2(t)不可能完全相同，所以其对应的频谱不可能完全相同，所以其对应的频谱G1(f)G2(f)，故，故连续谱部分总是存在的连续谱部分总是存在的。 u离散谱离散谱:与信号码元出现与信号码元出现“1”，“0”的概率和信号脉冲形状有关，的概率和信号脉冲形状有关，在某些情况下在某些情况下可能没有离散谱分量可能没有离散谱分量。21 1.2 1.2 数据序列功率谱特性数据序列功率谱特性u数据序列功率谱特性结论：数据序列功率谱特性结论：随机数字基带信号的功率谱通常包括随机数字基带信号的功率谱通常包括离散谱和连续谱离散谱和连续谱两部两部分；分；不论是不论是连续谱还是离散谱连续谱还是离散谱都与基本脉冲都与基本脉冲g(t)的频谱的频谱P(f)、及、及基带信号的形式、统计特性有关；基带信号的形式、统计特性有关；22 1.2 1.2 数据序列功率谱特性数据序列功率谱特性u例：设例：设g1(t)为幅度为幅度A、宽度为、宽度为T的的矩形脉冲矩形脉冲，g2(t)则为幅度则为幅度-A、宽度为、宽度为T的的矩形脉冲矩形脉冲。 则有则有G1(f)=-G2(f)=G(f),当当P1/2时的功率谱密度为：时的功率谱密度为：此时只有连续谱。此时只有连续谱。23 几种典型随机数据信号序列的功率谱密几种典型随机数据信号序列的功率谱密度度u1) 双极性归零序列双极性归零序列设出现设出现“1”，“0”的概率都是的概率都是 1/2，脉冲宽度为，脉冲宽度为，幅度为，幅度为A。考虑考虑g1(t)=-g2(t)，=T/2，其，其功率谱密度功率谱密度为：为：24 几种典型随机数据信号序列的功率谱密几种典型随机数据信号序列的功率谱密度度u1) 双极性归零序列双极性归零序列f4/T4/T2/T2/T0 0 0 0-2/T-2/T-4/T-4/TP P(f)25 几种典型随机数据信号序列的功率谱密几种典型随机数据信号序列的功率谱密度度u2) 双极性不归零序列双极性不归零序列设出现设出现“1”，“0”的概率都是的概率都是 1/2，脉冲宽度，脉冲宽度T，幅度为，幅度为A。考虑考虑g1(t)=-g2(t)，其功率谱密度为其功率谱密度为：f2/T2/T1/T1/T0 0-1/T-1/T-2/T-2/TP P(f)26 几种典型随机数据信号序列的功率谱密几种典型随机数据信号序列的功率谱密度度u3) 单极性归零序列单极性归零序列设出现设出现“1”“1”，“0”“0”的概率都是的概率都是1/21/2，“1”“1”码发码发g g2 2(t)(t)信信号波形，脉冲宽度为号波形，脉冲宽度为=0.5T=0.5T，“0”“0”码发码发0 0。其功率谱密度为：其功率谱密度为：27 几种典型随机数据信号序列的功率谱密几种典型随机数据信号序列的功率谱密度度u3)单极性归零序列单极性归零序列f4fs4fs2fs2fs0 0-2fs-2fs-4fs-4fsP(f)单极性归零码单极性归零码=T/2=T/228 几种典型随机数据信号序列的功率谱密几种典型随机数据信号序列的功率谱密度度u4)单极性不归零序列单极性不归零序列f2fs2fsfs fs0 0-fs-fs-2fs-2fsP(f)单极性不归零码功率谱密度单极性不归零码功率谱密度29 部分码型的功率谱结构如下图所示部分码型的功率谱结构如下图所示 ： 1.2 1.2 数据序列功率谱特性数据序列功率谱特性30u数据序列功率谱特性总结：数据序列功率谱特性总结：1）单极性码既有连续谱，也有离散谱；）单极性码既有连续谱，也有离散谱； 双极性码只有连续谱，没有离散谱。双极性码只有连续谱，没有离散谱。2）不归零码连续谱第一个零点为）不归零码连续谱第一个零点为1/T=fs； 归零码连续谱第一个零点为归零码连续谱第一个零点为2/T=2fs ；3）=T/2时，连续谱第一个零点为时，连续谱第一个零点为1/。 1.2 1.2 数据序列功率谱特性数据序列功率谱特性31u功率谱分析的意义：功率谱分析的意义：根据功率谱，可知道信号功率主要集中在哪个频率范围内，根据功率谱，可知道信号功率主要集中在哪个频率范围内，这样就可以考虑系统应有的这样就可以考虑系统应有的带宽带宽；单极性信号的功率谱含有单极性信号的功率谱含有离散谱离散谱，因此接收端如设法将这，因此接收端如设法将这一部分提取出来，就可得到所需的一部分提取出来，就可得到所需的码元同步信息码元同步信息； 1.2 1.2 数据序列功率谱特性数据序列功率谱特性32 小结小结u一、数据序列一、数据序列电信号表示电信号表示功率谱基本公式功率谱基本公式几种数据序列功率谱的特点几种数据序列功率谱的特点u二、数据信号传输的基本方法二、数据信号传输的基本方法基带传输、频带传输、数字数据传输基带传输、频带传输、数字数据传输33个人观点供参考，欢迎讨论