第二章-数据通信基础知识--数据通信原理课件

第二章 数据通信基础知识结束放映学习目录学习要求内容简介主讲教师：刘兴顺内容简介 数据可靠传输将涉及很多内容和具体技术，本章将介绍信号带宽的概念、调制解调的基本概念、传输信道的性质、信道复用技术、数据编码标准、语言编码及IP电话原理，数据压缩编码以及数据通信系统的同步技术等内容。返回结束学习要求1.了解信号分类方式，掌握信号频谱与带宽的概念。2.了解调制解调的基本原理3.了解信道噪声的种类及特点，掌握信道容量公式。4.了解各种信道的特点。5.了解话音信道传输数据信号的基本要求。6.掌握频分复用、时分复用技术的基本原理。7.掌握语音压缩比编码和数据压缩编码的基础知识。8.掌握数据通信系统同步类型及其实现方式 返回结束学习目录返回2.1 信号与调制解调2.2 传输信道2.3 多路复用2.4 数据编码2.5 数据通信的同步结束2.1 信号与调制解调本节内容提要：信号分类：模拟信号与数字信号 基带信号与频带信号 周期信号与非周期信号 确知信号与随机信号 能量信号与功率信号信号x(t)的能量E焦耳(J)信号x(t)平均功率S瓦特(W)本节将介绍信号的频谱、带宽以及调制解调的基本概念。2.1.1 信号的频谱 确值信号的频谱为其傅氏变换：或 随机信号的频谱常用其功率普密度表示：功率普密度与信号平均功率的关系：2.1.2 信号的带宽 信号的绝对带宽(B)通常是指信号频谱正频域非零部分对应的频率范围，如下图所示：基带数据信号的一般都具有无穷大的绝对带宽，如下图所示：2.1.2 信号的带宽 实际应用中依据信号功率谱定义了以下几种等效带宽。(1)零点带宽 数据信号频谱主要能量是集中在第一个零点之内的，当其旁瓣不足以引起信号失真时，定义 fb 为信号的零点带宽。2.1.2 信号的带宽 (2)百分比带宽 百分比带宽由下式来定义：其中 fr 称为百分比带宽，可以取96%、98%、99%等值，其含义是，在该带宽范围内信号的功率占总功率 2.1.2 信号的带宽 (3)矩形等效带宽 对于具有在零点或中心频率处取最大值频谱结构的信号，如下图所示，可以定义矩形等效带宽BC。其含义为：2.1.2 信号的带宽(4)3dB带宽 3dB带宽又称半功率带宽，如下图所示：信号频谱在 f0 处取最大值，且2.1.3 调制解调的基本概念1.调制解调定义 时域定义：调制就是用基带信号去控制载波信号的某个或几个参量的变化，将信息荷载在其上形成已调信号传输，而解调是调制的反过程，通过具体的方法从已调信号的参量变化中将恢复原始的基带信号。频域定义：调制就是将基带信号的频谱搬移到信道通带中或者其中的某个频段上的过程，而解调是将信道中来的频带信号恢复为基带信号的反过程。调制解调器(Modem)就是调制和解调的统称 2.1.3 调制解调的基本概念 x(t)调制信号，即数据终端产生的基带信号 C(t)是载波，AC是载波幅度，fC是载波频率简称载频,0是载波的初始相位。s(t)是已调信号，即调制后的频带信号，其中包含了x(t)的全部信息，信道中 传输的就是该信号。2.调制器模型2.1.3 调制解调的基本概念 按照调制信号x(t)的类型 按照载波类型3.调制分类 按照调制器功能 模拟调制：x(t)是模拟基带信号，例如AM、FM等 数字调制：x(t)是数字基带信号，例如FSK、PSK等 连续载波调制：载波是连续波形信号，例如正弦高频信号 脉冲载波调制：载波是脉冲序列，常用的是矩形脉冲序列 幅度调制：调制信号控制载波幅度变化，例如AM、ASK等 频率调制：调制信号控制载波瞬时频率变化，例如FM、FSK等 相位调制：调制信号控制载波瞬时相位变化，例如PM、PSK等。2.1.3 调制解调的基本概念 相干解调：通过本地相干载波进行相干运算，从已调信号的相位变化中恢复原始信号的方法。其模型如下图所示：4.解调分类假设初始相位是0，则：所以经理向低通滤波器LPF之后，输出信号为：2.1.3 调制解调的基本概念 非相干解调：其原理是从已调信号的幅度变化中提取调制信号，因为其不需要同步载波，所以又称之为非同步解调。和相干解调相比，非相干解调设备更简单，实现更容易，例如常用的包络检波器，非相干解调器通常存在门限效应，故小信噪比输入时并不适用。所谓门限效应是指当解调器输入信噪比下降到一定程度时，输出信 噪比急剧恶化的现象。输出信噪比是输出信号与输出噪声平均功率之比，是衡量通信可靠 性的一个指标，与误码率有直接关系。2.1.3 调制解调的基本概念 实现无线发射 实现频分复用5.调制解调的功能 选择合适的调制解调方式可以提高传输的有效性 选择合适的调制解调方式可以提高传输的可靠性2.2 传输信道本节内容提要：传输信道是任何通信系统中必不可少的组成部分，信道的传输 性如何将直接影响系统的信能。本节将介绍通信信道的基本概念、各种传输介质的特性、信道噪 声、信道容量以及话音信道传输数据信号时的要求与性能等内容。2.2.1 传输信道分类 2.2.2 传输介质 2.2.3 信道噪声 2.2.4 信道容量 2.2.5 话音信道传输数据信号2.2.1 传输信道分类广义信道狭义信道信道调制信道编码信道有线信道无线信道恒参信道变参信道无记忆编码信道有记忆编码信道双绞线同轴电缆光纤长波信道短波信道微波信道1.狭义信道和广义信道 狭义信道即传输媒介 广义信道由传输媒介和部分收发端的通信设备组成2.2.1 传输信道分类2.调制信道和编码信道 调制信道：从调制器出发到解调器为至的所有通信设备和传输媒介 编码信道：从编码器出发到译码器为至的所有通信设备和传输媒介2.2.1 传输信道分类3.恒参信道和变参信道 恒参信道是指在信号传输过程中，信道传输特性对信号的影响是确 定的或者是变化极其缓慢的，可将其视为一个非时变的线性网络。变参信道：其传输特性随时间变化而变化，一般将其等效成时变线 性网络或者时变非线性网络来分析。典型的恒参信道如如双绞线、同轴电缆、光纤等有线信道以及微波 信道、卫星信道等。典型的变参信道如电离层反射信道、对流层散射信道以及移动通信 信道等。2.2.1 传输信道分类4.无记忆编码信道和有记忆编码信道 无记忆信道是指传输过程中错误码元相互统计独立的信道 有记忆信道是指错误码元之间具有某种统计相关性的信道 实例分析：二进制无记忆信道模型如下图所示 其对应的误码率公式为:2.2.2 传输介质1.双绞线 双绞线由两根相互绝缘的铜线以均匀的扭矩对称扭绞在一起形成。绞合的目的:(1)减少线对之间的相互干扰，(2)同时还增强了机械和电气稳定性 分类2.2.2 传输介质2.同轴电缆 同轴电缆由内导体，绝缘层外导体和塑料保护外套组成，如下图示：分类 内外导体组成一组线对，外导体同时起到屏蔽外界电磁干扰的作用 基带同轴电缆：阻抗为50欧姆，用于局域网数据传输10Base-2等 宽带同轴电缆：阻抗为75欧姆，CATV网以及PSTN局间传输2.2.2 传输介质3.光纤 光纤可以由超纯硅、合成玻璃甚至塑料制造，其结构如下图示：光纤有单模光纤和多模光纤两类，前者具有较宽的频带，传输损耗 小，后者频带较窄、传输衰减也比较大。光传输系统 2.2.2 传输介质4.无线信道 长波信道：30Hz300KHz，用带宽小，天线尺寸大，常用于电报、电话、水下通信、海上导航等领域 中波信道：0.33MHz，用于广播，业余无线电以及海上无线电通信 等领域，其中5001500KHz是标准民用调幅广播 短波信道：330MHz，信道干扰大，但其投资少，建设快，常用于 军用通信和国际定点通信等 微波信道：3300GHz，天线方向性通信容量大，可用于微波、卫星 通信，射电天文，科学研究等 超短波信道：30MHz3GHz，天线尺寸小，可用于移动通信，雷达，航天航空，卫星通信等2.2.3 信道噪声1.起伏噪声 起伏噪声是以热噪声、散弹噪声和宇宙噪声为代表的噪声。起伏噪声的特点是时域和频域表现平稳，在所有通信系统中普遍存 在且不可避免。起伏噪声对数据通信的影响是产生随机错误，随机错误表现为错误 码元随机出现，彼此无相关性。起伏噪声是无记忆信道中噪声的主要表现形式。2.2.3 信道噪声2.脉冲噪声 脉冲噪声在时域表现为无规则突发的短促噪声，从频域来看，脉冲 噪声通常有较宽的频带，但频率越高，频谱强度越小。脉冲噪声特点在于突发性、幅度大、持续时间短，且相邻脉冲之间有 较长的寂静区，脉冲噪声是记忆信道中噪声的主要表现形式。脉冲噪声对数据通信的影响是产生的突发错误，错误码元比较集中，且相互之间具有某种相关性 2.2.3 信道噪声3.高斯白噪声 可以从以下两方面对高斯白噪声下定义：其任意维概率密度函数都服从高斯分布(即正态分布)高斯噪声 在整个频域具有均匀分布的功率谱密度白噪声2.2.4 信道容量1.奈奎斯特信道容量公式 奈奎斯特研究了理想信道(无噪声、无码间干扰)时带宽与速率的关系，并得到以下结论：其中 B为带宽单位是Hz，M为传输时数据信号的取值状态，即采用M进制传输 2.香农信道容量公式 香农研究了用模拟信道传输数字信号时的信道容量问题，并得出了著名的香农公式：其中B为带宽，单位是Hz，S/N为信噪功率比。2.2.5 话音信道传输数据信号1.线性系统分析 时域分析（卷积）频域分析（乘积）Y(f)=X(f)H(f)2.2.5 话音信道传输数据信号2.信号无失真传输 信号无失真传输的定义 信号无失真传输是指信号经过线性系统后只有幅度的衰减或放大，以及时延，而无波形失真。对应的频域信号为：对应的时域信号为：2.2.5 话音信道传输数据信号即系统的幅频特性和相频特性满足下式，就可以实现信号无失真传输 信号无失真传输的条件定义群时延特性为所以信号无失真传输时，群时延特性需满足 2.2.5 话音信道传输数据信号由以上分析可知若要实现信号无失真传输，系统特性必须如下图所示 无失真传输特性 幅频特性 相频特性 群时延特性2.2.5 话音信道传输数据信号3.话音信道传输数据信号的要求 衰减与电平 信号在传输过程中由于传输媒介的阻抗特性会出现衰减，同时 又可以在一些设备中得到放大 对于数据传输 CCITT H.12建议规定信号的最大净损耗不得超过28dB CCITT H.51规定了在模拟话音信道上传输数据信号的功率 一般情况下功率最大值为-13dBm0，即在零测试电平点测得的数据信号的平均功率不应超过-13dBm。信号的传输衰减通常使用绝对电平来表示，其常用单位是dBm dBm0表示零测试电平点，当使用测试单音进行线路调整时，那里的功率是0dBm，即1mW2.2.5 话音信道传输数据信号 幅频失真 若幅频特性不理想，信号经过信道传输后各个频率分量获得的增益不相同，此时对应的时域信号波形就会出现波形畸变。原始波形基波：二次谐波=2：1失真波形基波：二次谐波=1：1 波形失真示意图2.2.5 话音信道传输数据信号 CCITT M.1020建议对幅频特性的要求如下图所示：2.2.5 话音信道传输数据信号 群时延失真 群时延特性的失真反映了相位频率特性的失真程度，它将对信号的各个频率分量产生不同的时延量，从而引起时域信号波形失真。CCITT M.1020建议对群时延特性的要求如下图所示2.2.5 话音信道传输数据信号 噪声影响 话音信道对噪声的要求已达到数据通信的要求 话音通信中，要求系统的输出信噪比至少应大于26dB，数据通信中一般要求输出信噪比在25dB左右 话音通信中部没有特别关注脉冲噪声的影响，但脉冲噪声对数据 通信的影响很大，甚至会导致通信失败。例如用 56Kbit/s的V.90Modem传输数据，若有一个强度较大的脉 冲噪声，持续时间为1ms，则其将影响到56个比特的判决结果。CCITT建议对不同的传输速率有不同的规定，一般规定，在限定 的时间内，超过门限电平的脉冲数目不能超过某个阈值。2.2.5 话音信道传输数据信号3.数字话音信道传输数据 数字话音信道是指PCM(脉冲编码调制)电话信道，每条信道的速率 都是64Kbit/s。PCM通信基本原理是:在发送端将用户话音信号经过A/D转换后在 信道中传输，接收端再经过D/A转换后恢复发端话音信号 PCM30/32每帧有32条时分复用信道，所以总速率为：3264Kbit/s=2048Kbit/s（2Mbit/s），称其为基群速率或E-1信道 PCM24是由24条时分复用信道组成，另外每帧加1bit的同步信息，所以总速率为8000(248+1)=1544Kbit/s，称其为T-1信道。使用数字话音信道传输数据信号时首先经过数据业务单元进行电平 转换，一条数字电话信道可以传输一路数据信号，也可以传输多路 低中速数据信号，视速率而定。2.3 多路复用本节内容提要：多路复用是提高系统传输有效性的一项有效措施。多路路复用指多路信号共享同一条信道的资源(频率、占用时间等)传输信号，多路信号在某一个参量加以区别，以便接收，本节将介绍频分复用、时分复用、波分复用等常用复用方式，以及 复用器的基本概念 2.3.1 频分复用（FDM）2.3.2 时分复用（TDM）2.3.3 码分复用（WDM）2.3.4 多路复用器与集中器2.3.1 频分复用（FDM）所谓频分复用是指将传输信道在频率域分割成若干个字信道，每条 字信道传输一路信号的复用方式，如下图所示：频分复用的关键是通过调制将各路信号的频谱搬移到信道的不同的 子信道上，位置由副载波频率决定，接收端再经过解调将其恢复，为减小信号频谱搬移过程中对信号的损伤，一般采用线性调制技术2.3.1 频分复用（FDM）实例分析 若假设信道带宽是B，n路信号带宽分别为fi，保护间隔为Bg，则有：2.3.2 时分复用（TDM）时分复用原理是将信道占用时间分成若干个小的时间片，称之为时 隙，每个时隙就是一条时分复用信道，可以传输一个用户的信号。时分复用的理论基础是奈奎斯特抽样定理；奈奎斯特抽样定理：对于带限低通信号，若以大于其最高频率2倍的 速率对其抽样，就可以通过低通滤波器从样值信号(PAM信号)中恢 复出原始信号。2.3.2 时分复用（TDM）基于PAM的TDM 2.3.2 时分复用（TDM）基于PCM的TDM 以上两种TDM方式都是同步时分复用，而数据通信的一个重要特点是数据的突发性，若采用同步TDM会有下述情况出现，某个数据终端无数据发送，但其占用的时隙其它终端却无法使用，同时其它终端可能有大量数据需要发送却只能使用自己的一个时隙，从而造成信道利用率低，通信的有效性下降。2.3.2 时分复用（TDM）统计是分复用 统计是分多路复用又称为异步时分复用，其基本原理是复用器具有一定容量的缓存，数据终端的数据首先进入缓存，复用器再根据先进先出的原则和优先级高低，动态地给各终端分配时隙，如下图所示：2.3.3 波分复用（WDM）波分复用是指在一根光纤上，同时传送多个波长不同的光载波，其基本原理与频分复用相同，区别仅在于FDM使用的是电载波，而 WDM使用的是光载波。利用波分复用技术可以在不增建光缆线路或不改建原有光缆的基础 上，使光缆传输容量扩大几倍甚至几十倍、上百倍。WDM能够复用的光波数目与相邻两波长之间的间隔有关，间隔越 小，复用的波长个数就越多。相邻两峰值波长的间隔为50100nm 时，称为WDM系统。而当相邻两峰值波长间隔为110nm时称之为 密集的波分复用(DWDM)系统。DWDM是目前市场最热的产品之一，40波长的DWDM已经进入商 用。随着“IP over WDM”、“IP over DWDM”技术的产生，WDM与 DWDM更加备受瞩目。WDM及DWDM在建设中的全光网上必然占 据重要的地位。2.3.4 多路复用器与集中器1.多路复用器 根据多路复用原理，复用器有频分复用器、时分复用器等。前者 主要用于多路载波通信，这里将主要介绍时分复用器 R.101和R.111用于复用电报和非同步数据信号，前者最终的复用信 号速率为2400bit/s，后者的复用速率有2.4Kbit/s、4.8Kbit/s、9.6Kbit/s 和64Kbit/s四种。X.50和X.51用于将同步数据信号复用成64Kbit/s，两者区别在于采用 的数据封装格式不同，前者采用(6+2)比特格式，后者采用(8+2)比特 格式，通常将按照此格式封装的比特组称为包封，如下图所示：其中 F比特用来实现同步，S比特为状态指示比特。2.3.4 多路复用器与集中器2.集中器 复用系统举例 集中器可以进一步改善线路利用率，只有当终端有信息要发送且已 提出请求时，才把传输线分配给它，一旦把传输线分配给某终端 后，便让它传输较长的时间。前端处理机负责完成通信功能，使主机能够集中资源进行数据处理。2.4 数据编码本节内容提要：各种国际编码标准，NO.5、NO.2、EBCDIC等。波形编码、参量编码和混合编码三种语音编码(A/D转换)原理、国 际标准以及IP电话的基本原理。哈夫曼编码、LZW编码以及 游程编码的数据压缩编码原理。2.4.1 数据编码标准 2.4.2 语音编码与IP电话 2.4.3 数据压缩编码2.4.1 数据编码标准1.国际5号码 国际5号码在由美国标准化协会于1963年提出的ASCII码，被国际标准化组织ISO和原国际电报电话咨询委员会CCITT采纳后发展而来的，现已成为国际通用的信息交换标准代码。国际5号码是7单位码，能够表示128个字符，其编码表见课本表2-3。2.国际2号码 国际2号码是5单位码，是由博多发明的，所以又称为博多码。5单位码能表示32个字符，但是在博多码中定义了一个转义字符“数字/字母”，该字符功能类似于计算机键盘上的“Shift”键，使得每个编码可以表示两种字符，这样5单位码就能最多表示64个字符，国际2号码使用了其中的58个，其编码表见课本表2-5。2.4.1 数据编码标准3.EBCDIC码 EBCDIC码是由IBM公司开发的一种数据编码方案，全称叫做扩展二十进制交换码，该编码方案主要用于IBM大型机及其外围设备中。EBCDIC码是8单位码，所以最多可以表示256个字符，但实际中只定义了143种，剩余113个可以自主定义，其编码表见课本表2-6。4.信息交换用汉字编码 汉字转换成二进制编码需要分两步实现，首先把汉字转换成字符编码，称为汉字“外码”，然后再将外码转换成二进制代码，称其为汉字“内码”。汉字外码用于数据终端与人之间的交互，而内码是最终进入机器内部用来存储、处理的二进制代码。2.4.2 语音编码与IP电话1.数字电话通信一般模型 IP电话，利用Internet资源提供实时的语音传输服务，与传统的电话 通信相比，虽然通话质量稍有降低，但其具有资费更低廉、和数据 业务的兼容性更强等优点，所以近年来得到了广泛应用 语音编码就是指模拟话音信号模数转换过程，其主要有波形编码、参量编码和混合编码三种方式，并且通常把速率小于64Kbit/s的编码 方式成为语音压缩编码。2.4.2 语音编码与IP电话2.波形编码 波形编码的理论基础是奈奎斯特低通信号抽样定理，对于带限低通 信号使用2倍于信号最高频率的频率抽样，则可以由样值信号通过低 通滤波器重建原始信号，话音信号常用8000Hz的抽样频率。波形编码的基本原理是将话音信号经抽样、量化、编码后传输，接 收端将接收到的信号译码后经低通滤波器即可恢复原始话音信号，因为这种方式是以重建信号波形为目的，故称之为波形编码。波形编码通常的编码技术有脉冲编码调制(PCM),增量调制(M),差 分脉冲编码调制(DPCM)和自适应差分脉冲编码调制(ADPCM)等。2.4.2 语音编码与IP电话 PCM原理2.4.2 语音编码与IP电话 PCM每条话路的速率为64Kbit/s，可以保证良好的通信质量，但却占 用了过多的传输带宽，因此人们又找到其它的低速率波形编码方式,ADPCM是其中一种。ADPCM本质是消除样值之间的相关性来压缩编码速率，其基本思 想是对相邻样值的差值进行量化编码，这样接收端在前一信号的基 础上就可恢复后一样值，而其中的自适应体现在自适应预测和量化 间隔的自适应调节两方面。ADPCM速率可以降到32Kbit/s，并且具有与64Kbit/s的PCM系统相当 的质量，也可以降到16Kbit/s，但此时通信质量较差 2.4.2 语音编码与IP电话 参量编码技术是以语音信号产生的数学模型为基础，从输入语音信 号分析出模型参数（主要是指表征声门振动的激励参数和表征声道 特性的声道参数），然后在解码端根据这些模型参数来恢复语音。声码器模型3.参量编码 2.4.2 语音编码与IP电话 混合编码是在保留参数模型技术精华的基础上，应用波形编码准则 优化激励信号在4.89.6Knit/s的数码率上获得较高质量的合成语音。4.混合编码 5.MOS分与语音质量的关系2.4.2 语音编码与IP电话6.语音编码标准 2.4.2 语音编码与IP电话 IP电话是在互联网上提供电话服务，其原理是把语音、压缩编码、打包分组、分配路由、存储交换、解包解压等各种交换处理，在数 据通信网或互联网上实现语音通信，其系统结构如下图所示：7.IP电话原理 从技术的角度看IP电话中语音处理主要需要解决以下两个问题：在保证话音质量的前提下尽可能降低语音编码速率 在数据通信的网络环境下保证通话质量 2.4.3 数据压缩编码 Huffman编码基本思想是：出现概率大的字符编长度较短的码，反 之出现概率小的字符对应的编码长度较大。其编码冗余最小，理论 上能够达到8：1的压缩比。1.哈夫曼编码 其编码过程实际上是在依概率从树叶到树根构造二叉树，具体如下：为每个字符指定1个只包含1个节点二叉树，把字符出现的概率作 为对应树的权值；寻找权值最小的两棵树(若多于两棵则随机选取)，将其作为子树，合并成一棵带有新的根节点树，新树的权值为前两者之和；重复上述两步直至只剩一棵树。2.4.3 数据压缩编码 举例分析 2.4.3 数据压缩编码2.LZW编码：基于码本的数据压缩编码方式 (1)在滑动窗口中找出未编码的数据的最长匹配字符串,如果找到,则进 行步骤(2),否则进行步骤(3)；(2)输出三元符号组（off,len,C）,调解窗口长度,继续步骤(1),(3)输出三元符号组（0,0,C）,调解窗口长度,继续步骤(1)LZ算法的滑动窗口编码模型 2.4.3 数据压缩编码 实例分析：假设窗口的大小为10个字符,已经编码过的10个字符是：abcdbbccaa，即将编码的字符为：abaeaaabaee，其编码过程如下示：2.4.3 数据压缩编码 LZW算法是通过对LZ算法修正得到的，二者的区别在于LZW中的 字符串字典的大小是在不断增大的，我们把这个字典称为串表或编 码转换表。放入串表中的每一个字符串是串表的一个表项，且都有一个数字代 码指明其位置，最初将整个字符集作为串表的256个单独的表项，每 个表项有8比特编码指明其位置。编码过程中串表是不断增大的，随着表项的增多，编码位数也要相 应地增大，当表项超过4096条时，就放弃这个串表，重新初始化串 表，并在这个新的串表上继续编码。串表没有必要保存并发送给接收端，因为解码时接收端可以再生这 个串表。2.4.3 数据压缩编码 LZW算法可以按照以下两个步骤进行：(1)如果输入字符在串表中，则取下一个字符 (2)如果输入字符不在串表中，则输出最后一个已知的字符串(对应的 表项)的代码，并将新字符串加入串表中 若把前一次读入的字符串称为前缀，则上述算法中的新字符串为 新字符串=前缀+当前输入 实例分析：假设输入字符串为ababc，在LZW算法中总假定第一个字符的前缀 为空字符串，用“NULL”表示，其编码过程如下图所示：2.4.3 数据压缩编码2.4.3 数据压缩编码 游程：数据流流中连续出现同一字符的字符串；游程编码：针对游程长度进行压缩编码的方法。游程编码就是把每个游程用一个符号再加上游程长度来取代，其实现很容易，而且对于具有长重复值的串的压缩编码很有效。例如对于图像信号，很多位图文件格式都用行程长度编码，如TIFF，PCX等。2.游程编码 2.5 同步本节内容提要：所谓同步，就是指收发双方在时间上步调一致。按照同步的功能可以分为：载波同步、位同步、群同步和网同步。按照获取同步信息的不同可以分为：外同步和自同步。2.5.1 概述 2.5.2 载波同步 2.5.3 位同步 2.5.4 群同步 2.5.5 网同步2.5.1 概述1.载波同步 在接收端采用相干解调时，收端需要提供一个与接收信号的调制载波同步的本地参考载波，该载波的获取称之为载波提取或载波同步。2.位同步 在数据通信中任何消息都是通过一串码元序列传输的，所以接收时需要知道每个码元的起止时刻，这就要求接收端必须提供一个位定时脉冲序列，要求该序列的重复频率与码元速率相同，相位与最佳取样判决时刻一致，将提取这种定时脉冲序列的过程称为位同步。3.群同步 在数据通信中，所传输的数据信息按照字符或一定的数据格式(帧)传输，接收端必须正确地区分出字符与帧，即群同步，包括字同步、句同步、帧同步等2.5.1 概述4.网同步 在数字通信网或数据通信网中，多个用户之间进行数据传输与交换时，为保证网内各用户之间可靠地通信和数据交换，全网必须有一个统一的式中标准，即网同步问题。5.外同步 由发送端发送专门的同步信息（常称为导频），接收端将导频信号提取出来作为同步信号的方法。6.内同步 发送端不专门发送同步信息，接收端设法从收到的信号中直接提取同步信息的方法。2.5.2 载波同步1.自同步法 适用于PSK等抑制载波调制的通信系统，虽然已调信号本身不含载波 分量，但经过某种非线性变换后将具有载波的谐波成分。常用的方法有平方变换法、平方环法、科斯塔斯环法等。平方变换法 原理框图如下所示2.5.2 载波同步2.外同步法 频域插入导频法 导频应该与载频有关或者就是在波频率，通常是在已调信号频谱的零 点处插入导频，且要求载频附近信号分量尽量小。对于数字调制信号载频处信号频谱成分可能较大，此时必须先对基带 信号进行相关编码，使基带信号的频谱结构发生变化，以保证调制后 载频处信号频谱份量很小或者是零。一般的导频信号为“正交载波”，如下图所示：基带信号频谱变换调制并插入导频2.5.2 载波同步“正交载波”形式的插入导频信号系统模型如下图所示：发送端接收端2.5.2 载波同步 时域插入导频法 时域插入导频法常用在时分多址或通信系统中，其原理是在特定的时 间片上传送导频信号，如下图所示:时域插入导频 原理示意图：收端锁相环接收模型 2.5.3 位同步1.外同步法 外同步法与载波同步的插入导频法类似，也是在基带信号频谱的零点 处插入所需的位定时导频信号。位同步导频信号在时间轴上的零点要恰好与数据信号的抽样时刻重 合，以避免对数据的传输产生影响，如下图所示：2.5.3 位同步 虽然导频经过严格的设计，但如果信道特性不理想，波形出现失真，导频还是会干扰数据的判决，因此实际应用中在接收端需要经过反相 法消除，其原理如下图所示：发送端接收端2.5.3 位同步2.自同步法 波形变换滤波法 数字锁相环法2.5.4 群同步 群同步根据数据的传输方式与数据封装格式 不同有，字同步、句同 步、帧同步等。帧同步是数据链路层的主要功能之一，常用的实现方式有以下三种：字符填充：使用特定的字符定界一帧的开始与结束如面向字符的同 步于规程中每一帧用DLE STX开始，用DLE ETX结束。比特填充：用一组特定的比特模式来标志帧的开始与结束，例如面 向比特的高级链路控制规程(HDLC)，以01111110最为帧标识符。违例编码：当物理层采用特定的编码方法时，可利用其编码冗余起 到帧定界，例如局域网IEEE802标准中物理层编码采用曼彻斯特编 码，“”用高低电平对表示，“”用低高电平对表示。而高高电平 和低低电平对是违例编码，可用其来定界帧的始末。2.5.5 网同步 全网同步系统：网内各站点的时钟频率和相位相同，即网内各站点的 时钟彼此同步，实现方式：1.全网同步系统 准同步系统：各站点采用相互独立的时钟，只要网内各路信号速率 偏差在允许的范围内变化，就可以通过交换设备的调整进行同步传 输，实现方式有：2.准同步同步 主从同步法 分布式同步法 码速调整法 水库法返回结束