数据通信复习提纲.doc

数据通信原理复习资料授课老师：凌建华复习资料说明：1、 复习资料主要讲解数据通信原理第二、三、四章的内容。其它章节的考点，学员可以参照综合练习习题与解答中的习题进行复习，其中打“*”号的作业题为重点。2、 标有 “%”的内容为重点内容3、 在复习资料中，部分知识点与综合练习习题与解答中的习题相对应。请学员们在复习时要注意结合起来。第二章 概论 第二节 数据通信系统的构成一、数据通信系统的概念数据通信系统是通过数据电路将分布在远端的数据终端设备与计算机系统连接起来，实现数据传输、交换、存储和处理的系统。二、数据通信系统的构成 （参见教材P39图2-1）%（要求能画出这个图） 典型的数据通信系统主要由三部分构成： ·数据终端设备 ·数据电路 ·中央计算机系统1、 数据终端设备（DTE）·数据输入、输出设备数据 数据信号·传输控制器主要执行与通信网络之间的通信过程控制（即传输控制），包括差错控制、终端的接续控制、传输顺序控制和切断控制等（完成这些控制要遵照通信协议）。2、数据电路·传输信道为数据通信提供传输通道·数据电路终接设备（DCE）（综合练习习题与解答简答题第2题）是DTE与传输信道之间的接口设备，其主要作用是将来自DTE的数据信号进行变换，使之适合信道传输。 当传输信道为模拟信道时，DCE是调制解调器（MODEM），发送方将DTE送来的数据信号进行调制，将其频带搬移到话音频带上（同时变成模拟信号）再送往信道上传，收端进行相反的变换。当传输信道是数字信道时，DCE是数字接口适配器，其中包含数据服务单元与信道服务单元。前者执行码型和电平转换、定时、信号再生和同步等功能；后者则执行信道均衡、信号整形等功能。3、中央计算机系统主机进行数据处理通信控制器（又称前置处理机）用于管理与数据终端相连接的所有通信线路, 其作用与传输控制器相同。l 数据电路与数据链路的关系数据链路由数据电路及两端的传输控制器组成。l 只有建立了数据链路通信双方才能有效、可靠地进行数据通信。 第三节 传输代码常用的传输代码有：·国际5号码IA5（7单位代码）ASCII码（常在后面加1位奇偶校验码） ·国际电报2号码ITA2（5单位代码） ·EBCDIC码（8单位代码）·信息交换用汉字代码（7单位代码） 第四节 数据通信系统的主要性能指标一、 工作速率衡量数据通信系统通信能力1调制速率（又称符号速率或码元速率）（或） 定义每秒传输信号码元的个数，单位为波特（）。公式： （为符号间隔） 注：数据通信原理中习惯用表示符号间隔；而在数字通信原理中的 则为抽样周期。请不要混淆。2数据传信速率（简称传信率）（或）（综合练习习题与解答计算题第1题）%定义每秒传输的信息量（即比特个数或二进制码元的个数），单位为bits等。l 数据传信速率与调制速率之间的关系为 例：设信号码元时间长度为，当采用4电平传输时，求数据传信速率和调制速率。解：调制速率为 数据传信速率为 3数据传送速率 定义单位时间内在数据传输系统的相应设备之间实际传送的平均数据量，又称有效数据传输速率。单位为比特秒（bits）、字符秒或码组秒。l 实际的有效数据传送速率是小于数据传信速率的。二、有效性指标频带利用率定义系统的传输速率系统的频带宽度（） （2-3） 即 三、 可靠性指标传输的差错率常用的有误码率、误字符率、误码组率等。它们的定义分别为： 误码率接收出现差错的比特数总的发送比特数 （2-1）误字符（码组）率=接收出现差错的字符（码组）数总的发送字符（码组）数 （2-2）例：某数据通信系统调制速率为1200，采用8电平传输，假设100秒误了1个比特，求误码率。设系统的带宽为600Hz,求频带利用率为多少。解：数据传信速率为 误码率接收出现差错的比特数总的发送比特数 第五节 数据传输方式一、 并行传输与串行传输（按代码传输的顺序分）1、并行传输概念并行传输指的是数据以成组的方式，在多条并行信道上同时进行传输。优缺点 优点不需要额外的措施来实现收发双方的字符同步。缺点必须有多条并行信道，成本比较高，不适宜远距离传输。适用场合计算机等设备内部或两个设备之间距离比较近时的外线上采用。2、串行传输概念串行传输指的是组成字符的若干位二进制码排列成数据流以串行的方式在一条信道上传输。优缺点 优点只需要一条传输信道，易于实现。缺点要采取措施实现字符同步。适用场合是目前外线上主要采用的一种传输方式。二、异步传输和同步传输（按同步方式分）（综合练习习题与解答简答题第3题）1、异步传输概念异步传输方式一般以字符为单位传输，每个字符的起始时刻可以是任意的。为了正确地区分一个个字符，不论字符所采用的代码为多少位，在发送每一个字符时，都要在前面加上一个起始位，长度为一个码元长度，极性为“0”，表示一个字符的开始；后面加上一个终止位，长度为1，15或2个码元长度，极性为“1”，表示一个字符的结束。 参见教材P46图2-6（a）以国际5号码为例：1 ××××××× 12 （起始位）（信息码） (终止位）优缺点 优点实现字符同步比较简单，收发双方的时钟信号不需要严格同步。 缺点对每个字符都需加入起始位和终止位，因而信息传输效率低。例：如字符采用国际5号码，终止位为1位，并采用1位奇偶校验位，求传输效率。解：传输效率为7（7111）70。2、同步传输概念同步传输是以固定的时钟节拍来发送数据信号的，因此在一个串行数据流中，各信号码元之间的相对位置是固定的（即同步）。优缺点 优点传输效率较高。 缺点接收方为了从接收到的数据流中正确地区分一个个信号码元，必须建立准确的时钟同步等，实现起来比较复杂。三、单工、半双工和全双工传输（按数据电路的传输能力分）1、 单工传输传输系统的两端数据只能沿单一方向发送和接收。2、 半双工传输系统两端可以在两个方向上进行双向数据传输，但两个方向的传输不能同时进行，当其中一端发送时，另一端只能接收，反之亦然。3、 全双工传输系统两端可以在两个方向上同时进行数据传输，即两端都可以同时发送和接收数据。 参见教材P46图2-7第三章 数据信号传输第一节 数据信号传输的基本概念一、数据信号及特性描述 1、数据序列的电信号表示 参见教材P48 图3-1 （注：图（f）中的差分信号是“1”电平改变，“0”电平不变，其规则也可以相反。）例1：已知二进制数据序列为1010110，以矩形脉冲为例，画出双极性归零信号的波形图（设=T/2）。解： 例2：已知二进制数据序列为1100101，以矩形脉冲为例，画出差分信号的波形图（假设“1”电平改变，“0” 电平不变；初始电平为0）解： 二、传输信道及数据信号的基本传输方法 ·基带传输 ·频带传输（或称调制传输） ·数字数据传输三、信道容量（综合练习习题与解答计算题第2题）%定义指信道在单位时间内所能传送的最大信息量，即指信道的最大传信速率。1、模拟信道的信道容量 模拟信道的信道容量可以根据香农（Shannon）定理来计算。香农定理指出：在信号平均功率受限的加性高斯白噪声信道中，信道的极限信息传输速率即信道容量为 （bit/s） （3-7）式中，为信道带宽，信号功率与噪声功率之比。l 加性高斯白噪声（噪声的相关内容可参见本书第一章）·高斯噪声噪声的任意n维概率密度函数都服从高斯分布（正态分布）·白噪声噪声的功率谱密度在整个频率范围内均为常数。·高斯白噪声当噪声既是高斯噪声，又是白噪声则称为高斯白噪声。·加性噪声可直接叠加（相加）在信号上。l 例1：有一个经调制解调器传输数据信号的电话网信道，该信道带宽为，信道噪声为加性高斯白噪声，其信噪比为，求该信道的信道容量。解： 例2：已知仅存在加性高斯白噪声的信道容量为33.6，其信号噪声功率比为30，求此模拟信道的带宽为多少？解： 2、数字信道的信道容量根据奈奎斯特（Nyquist）准则，带宽为的信道所能传送的信号最高码元速率为2波特。因此，无噪声数字信道容量为 （） （3-8）其中，为进制数。例：假设一个传四进制数据信号的无噪声数字信道，带宽为3000Hz，求其信道容量。解：第二节 数据信号的基带传输基带传输不搬移基带数据信号频谱的传输方式称为基带传输。一、基带传输系统构成模型（能画出下图）波形形成信号从1点到2点的过程叫波形形成。 各部分的作用：发送滤波器限制信号频带并起波形形成作用；信道是信号的传输媒介，可以是各种形式的电缆；接收滤波器用来滤除带外噪声和干扰，并起波形形成作用；均衡器用来均衡信道特性的不理想。网孔均衡用来消除“1”与的误差。 二、理想低通形成网络1、 理想低通形成网络特性 幅度特性，相位特性 （3-10） 0 式中，为截止频率，为固定时延。 图参见教材P54图3-9 （3-11）设，波形如教材P55图3-10所示。理想低通冲激响应的特点是： 零点的位置 波形“尾巴”（即波形的前导和后尾）以的速度衰减。2、无符号间干扰的条件 1（归一化值） （本码判决点） 0 （非本码判决点） 3、奈氏第一准则（综合练习习题与解答简答题第4题）% 奈氏第一准则用文字详细表述是：如系统等效网络具有理想低通特性，且截止频率为时，则该系统中允许的最高码元（符号）速率为2，这时系统输出波形在峰值点上不产生前后符号间干扰。 奈氏第一准则的三个重要参量： 奈氏频带（） （极限） 奈氏速率 奈氏间隔 例1：在比特速率相同下，采用多电平传输的符号速率要_，从而使码元间隔 _，最后导致奈氏带宽_。答： （）下降 增大 下降例2：一个理想基带传输系统，若奈氏带宽不变，采用8电平传输时的传信速率与4电平传输时的传信速率的关系为（ )答： 奈氏带宽不变 符号速率 则不变 所以 l 理想低通形成网络的特点： 满足奈氏第一准则（无符号间干扰）。频带利用率达到的极限。波形“尾巴”衰减较慢 对定时脉冲的精度要求较高。物理上不可实现。三、具有幅度滚降特性的低通形成网络滚降低通1、滚降低通特性滚降低通特性参见教材P56图3-11滚降系数（时是理想低通） 滚降低通形成网络是否满足无符号间干扰的条件？结论：若滚降低通网络的幅度特性以C点（）呈奇对称滚降，则其输出响应波形在取样判决点无符号间干扰（即满足奈氏第一准则）。例1：一滚降低通网络的幅度特性如图所示，试判断此滚降低通网络是否满足无符号间干扰的条件。（综合练习习题与解答简答题第5题） 解：此滚降低通网络不满足无符号间干扰的条件。因为：虽然它的幅度特性呈奇对称滚降，但滚降的对称点不是（），而是（）。 例2：一形成滤波器幅度特性如下图所示。 如果符合奈氏第一准则，其符号速率为多少？为多少？ 采用八电平传输时，传信速率为多少？频带利用率为多少？ 解：如果符合奈氏第一准则，应以C点( ,0.5)呈奇对称滚降，由图示可得： 符号速率 滚降系数 传信速率 频带利用率 例3：按奈氏第一准则设计一个基带传输系统。该系统采用4电平传输，滚降系数，传信速率为。试定性画出系统的传递函数幅度特性，并标出位置。解： 2、升余弦滚降低通表达式参见教材P56（3-18） 升余弦滚降低通特性参见教材P56图3-12 （3-19）波形参见教材P57图3-13l 滚降低通形成网络的特点：·可满足无符号间干扰的条件。·频带利用率不能达到的极限。·波形“尾巴”衰减较快。·物理上可实现。四、部分响应形成系统 概念部分响应形成系统是一种可实现的传输系统，它允许存在一定的、受控的码间干扰，而在接收端可以加以消除，这样的系统既能使频带利用率提高到理论上的最大值，又可近似地物理实现。这类系统称为部分响应形成系统。形成思路如果形成波形是两个（或两个以上）在时间错开的所组成，例如+，这样合成波的表达式在分母通分之后将出现（或等）项，即波动衰减是随着（或等）而增加，从而加快了响应波形的前导和后尾的衰减。1、第一类部分响应形成系统（余弦低通）（1）公式 （3-21） （）（） （2） 参见教材P58图3-15(a)特性参见教材P59图3-16特性参见教材P59图3-17 （余弦低通） （3）分析特性 参见教材P58图3-14设 波形的特点： 零点的位置 波形的“尾巴”以的速度衰减波形是否无码间干扰？ 结论：第一类部分响应形成系统的波形有码间干扰。但若取样判决点选在波峰往前（或往后）T/2处，只有前（或后）一个码元对它有干扰，此干扰是固定的，可以消 除的。但有误码扩散问题。解决的办法是采用有预编码的第一类部分响应系统。（4）有预编码的第一类部分响应系统（余弦低通）（综合练习习题与解答计算题第3题）% 参见教材P58图3-15（b） 预编码 （3-22） 相关编码 （3-23）例： 1 1 0 1 0 1 1 1 0 0 1 00 1 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 1 1 1 0 1 2 1 1 1 0 0 1 2 发端 1 1 0 1 2 1 1 1 0 0 1 2 收端（设无误码，） 1 1 0 1 0 1 1 1 0 0 1 0l 的规律 （是伪三电平）l 第一类部分响应系统的特点： ·有码间干扰，但是固定的，可以消除的。 ·频带利用率能达到的极限。·波形“尾巴”衰减较快。·物理上可实现。2、第四类部分响应形成系统(正弦低通)（1）公式 （3-26） （2） 参见教材P59图3-18 参见教材P60图3-19参见教材P60图3-20 （正弦低通） （3）分析特性波形的特点： 波形的“尾巴”以的速度衰减 第四类部分响应形成系统的波形有码间干扰。但是固定的，可以消除的。也有误码扩散问题，解决的办法是采用有预编码的第四类部分响应系统。（4）有预编码的第四类部分响应系统（正弦低通）% （3-29）（3-30）例： 1 0 1 1 0 1 1 0 1 1 0 00 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 1 1 0-1 1 0-1 1 0-1 1 0 0 发端 1 0-1 1 0-1 1 0-1 1 0 0 收端（设无误码，） 1 0 1 1 0 1 1 0 1 1 0 0l 的规律 （是伪三电平）l 第四类部分响应系统的特点： ·有码间干扰，但是固定的，可以消除的。 ·频带利用率能达到的极限。·波形“尾巴”衰减较快。 ·物理上可实现。五、数据传输系统中的时域均衡1、 时域均衡的作用（综合练习习题与解答简答题第8题）时域均衡的思路是消除接收的时域信号波形的取样点处的码间干扰，并不要求传输波形的所有细节都与奈氏准则所要求的理想波形完全一致。因此可以利用接收波形本身来进行补偿以消除取样点的符号间干扰，提高判决的可靠性。2、时域均衡的基本原理%参见教材P62图3-23l 原理 （3-36）应满足无码间干扰的条件，所以有 的取值范围应为-，但当到一定值时，已经基本接近0，为了与 的取值统一，取-NN。l 时域均衡的均衡目标调整各增益加权系数，使得除以外的值为零，这就消除了符号间干扰。例：一个三抽头的时域均衡器，其输入波形如下图所示，其当2时，0，求当输出波形满足无符号间干扰的条件时，各增益加权系数应为多少？（综合练习习题与解答计算题第4题）% 解： 满足无符号间干扰时，有： 解方程求得： （注：教材中的示例假设只有3个取值，即当1时，0）第三节 数据信号的频带传输频带传输又称调制传输，它是需要对基带数据信号进行调制以实现频带搬移，即将基带 数据信号的频带搬到话音频带上再传输。数字调制的基本方法有三种： ·数字调幅（ASK） ·数字调相（PSK） ·数字调频（FSK） 一、 频带传输系统参见教材P69图3-33各部分的作用：·1点：数据信号为单或双极性不归零码 ·发送低通数据信号经发送低通基本上形成所需要的基带信号（2点的信号叫基带信号；发送低通一般是基带形成滤波器的一部分，2点的功率谱近似为基带形成滤波器的形状） ·调制将基带信号的频带搬到载频（载波频率）附近的上下边带，实现双边带调制。假设基带形成滤波器为第一类部分响应系统，2点的功率谱与调制后的双边功率谱如附图27所示。 （中有直流分量中便有载频分量，直流分量调到处）·发送带通形成信道可传输的信号频谱（取单或双边带等传输）。·接收带通除去信道中的带外噪声。·解调是调制的反过程，解调后的信号中有基带信号和高次产物。·接收低通除去解调中出现的高次产物，并起基带波形形成的作用（接收低通是基带形成滤波器的另一部分）。·取样判决对恢复的基带信号取样判决还原为数据序列。（8点的信号要满足无符号间干扰的条件）l 频带传输系统与基带传输系统的区别在于在发送端增加了调制，在接收端增加了解调，以实现信号的频带搬移，调制和解调合起来称为Modem。l 从信号传输的角度，一个频带传输系统就相当于一个等效的基带传输系统。 l 符号速率二、数字调幅概念以基带数据信号控制一个载波的幅度，称为数字调幅，又称幅移键控，简写为ASK。1、ASK信号及功率谱分析参见教材P70图3-34（1）双边功率谱已调信号为 P70（3-52）根据推导得出结论 P71（3-58）由此式定性地画出 假设无发送低通（2点的功率谱与1点的功率谱相同）： l 调制后实现了双边带调制数据序列是单极性码中有直流分量中有载频分量（2ASK） 数据序列是双极性码中无直流分量中无载频分量（抑制载频的2ASK）l 调制后的带宽（设基带形成滤波器为滚降低通）例1：一个基带信号的功率谱如下图所示，若采用抑制载频的2ASK调制，设载频为，画出调制后的功率谱密度。 解： 例2：一个2ASK（或抑制载频的2ASK）数据传输系统，如果对基带数据信号只作简单的低通处理，其截止频率为，仅通过不归零码功率谱的第一个零点及其以下的功率谱。求该2ASK（或抑制载频的2ASK）信号的带宽、符号速率及频带利用率为多少（）。解：根据已知条件，可知发送低通对数据信号仅做简单的频带限制（有时为分析问题方便，如此假设）。 据题意， 低通的截止频率= 2ASK的带宽为 符号速率 频带利用率 （2）2ASK波形为分析方便，假设无发送低通。基带数据信号直接与载波相乘。例：发送数据序列为100110，分别画出单极性不归零和双单极性不归零调制的2ASK信号波形（设）。解： 2、数字调幅分类 数字调幅可分为四种： ·双边带调制 ·单边带调制 ·残余边带调制 ·正交双边带调制（1）双边带调制 概念利用发送带通取上、下双边带送往信道中传输。 （） （二电平时） 信道带宽 （二电平） 双边带调制的缺点是频带利用率比较低。（2）单边带调制 概念利用发送带通取一个边带（上或下边带）送往信道中传输。 信道带宽 （二电平） 单边带调制的优点频带利用率比较高。 缺点实现起来较麻烦。（3）残余边带调制 概念利用发送带通取一个边带的大部分、另一个边带的小部分送往信道中传输。信道带宽 3、正交幅度调制概念 P72（1）基本原理 正交幅度调制（MQAM）：4QAM、16QAM、64QAM、256QAM 以4QAM为例（A、B两路均为双极性不归零码） 参见教材P72图3-38 P72（3-59）（3-60）（3-61） l 正交双边带调制的功率谱： 参见教材P73图3-39 正交双边带调制的功率谱的特点： ·两个正交的抑制载频的双边带的叠加·MQAM的带宽与A、B每一路的双边带的带宽相同，即 （如果基带形成滤波器采用滚降特性）设 （3-62）基带信号 高次产物 （3-63）基带信号 高次产物 （2）表示方法 矢量法 假设 A、B两路无发送低通 双极性码“1”的幅度A归一化为1；“0”的幅度-A归一化为-1参见教材P74图3-41（a） 星座法参见教材P74图3-41(b)参见教材P74图3-42（3）频带利用率l 几个关系MQAM的符号速率为，A、B每一路的符号速率为总的传信速率为，A、B每一路的传信速率为A、B每一路的电平数为 （为星座图上的点数）l 频带利用率 （3-66）A或B路： （3-67） （如果基带形成滤波器采用滚降特性） （3-69） （3-70）例：一正交调幅系统，采用MQAM，所占频带为6003000，其基带形成滤波器滚降系数为1/3，假设总的数据传信速率为14400，求： 调制速率。 频带利用率。 M及每路电平数。（综合练习习题与解答计算题第5题）%解： 调制速率 每路电平数为注：MQAM的星点数M，则各路电平数为，码元bit数为，频带效率为三、数字调相概念以基带数据信号控制载波的相位，称为数字调相，又称相移键控，简写为PSK。 二相调相 分类 四相调相 多相调相 八相调相 十六相调相 绝对调相参考相位：未调载波 相对调相参考相位：前一符号的已调载波相位1、二相数字调相（综合练习习题与解答画图题第7题）% 二相绝对调相2PSK 二相相对调相2DPSK（1）矢量图（相位变化规则） （2）波形参见教材P75图3-43l 相对调相与绝对调相的关系：的相对调相就是的绝对调相。即相对调相的本质就是相对码变换（）后的数据序列的绝对调相。例1：某基带数据信号如下所示，试画出其2PSK和2DPSK波形（假设数据信号为“1”时载 波相位改变0，数据信号为“0”时，载波相位改变；2DPSK的初始相位为0；设）。 画图方法：%1、信息代码à2PSK波形规律：“异变，同不变”，指：若本码元与前一码元相异，则本码元内2PSK信号的初相位相对于前一码元内2PSK信号的末相变化；否则不变。2、信息代码à2DPSK波形规律：“1变，0不变”，指：信息代码（绝对码）为1时，本码元内2DPSK信号的初相位相对于前一码元内2DPSK信号的末期相变化；否则不变。解： 例2：已知2DPSK的波形如下图所示，设初始相位为0，数据信号为“0”时，载波相位改变0，数据信号为“1”时，载波相位改变。试写出所对应的数据序列（设）。 解：所对应的数据序列为： 0 1 0 0 1 0 （3）二相调相的功率谱密度及频带利用率 二相调相（包括2PSK和2DPSK）的功率谱密度及频带利用率与抑制载频的2ASK的功率谱密度及频带利用率相同。 （4）二相调相信号的产生和解调 2PSK信号的产生和解调参见教材P76图3-44l 2PSK信号的解调存在的问题相位模糊问题，即2分频器电路输出存在相位不定性 （随机地取0或）。当二分频器电路输出的相位为时，收端获得的载波为，相干解调的输出数据信号就会存在“0”或“1”倒相现象。 解决的办法是采用相对调相2DPSK。2DPSK信号的产生和解调l 产生：参见教材P76图3-46 （3-72）l 解调：2DPSK的解调有两种方法 极性比较法 P76图3-48 相位比较法 P77图3-502、四相数字调相 （1）矢量图（相位变化规则） 参见教材P78图3-52 参见教材P78表3-1例1：四相调相的相位变化如附图40所示，假设基带数据信号序列为0111001001，试写出4DPSK已调波对应的相位，并画出其矢量图（假设初始相位为0）。 综合练习习题与解答画图题第8题）%解：解题思路：首先将数据信号序列以二位数字为单位进行分组，然后再求每组数字的相位，如下题：01的相位为（初始相位为0+3/4=3/4），11的相位为（前一相位3/4+/4=），00的相位为（前一相位+5/4=9/4=/4），依此类推。 基带数据信号序列 0 1 1 1 0 0 1 0 0 1 相位(初始相位为0) 3/4 /4 0 3/4 矢量图() 例2：已知4DPSK已调波对应的相位如下表所示（假设初始相位为0，相位变化规则按B方式工作），写出所对应的基带数据信号序列。 相位(初始相位为0) /4 3/4 0 基带数据信号序列 解： 相位(初始相位为0) /4 3/4 0 基带数据信号序列 1 1 0 1 1 0 0 0第四章 差错控制第一节 差错控制的基本概念一、差错分类和错误图样1、差错分类 差错可以分为两类：·随机差错·突发差错三、差错控制方式1、 检错重发或叫自动反馈重发（ARQ）2、 前向纠错（FEC）3、 混合纠错检错（HEC）4、 信息反馈又称回程校验（IRQ）第二节 检错和纠错的基本概念一、差错控制的基本原理l 码的纠检错能力是靠信息的冗余度换取的。 信息码+监督码=码组 + = l 监督码码的纠检错能力 信道的传输效率（编码效率） l 编码效率 （4-6）