数据通信－第三讲

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,数据通信,1,第三讲频带数据传输,1,概述,2.,数字调制,2.1 2ASK,2.2 2FSK,2.3 2PSK,2.4,几种二进制数字调制性能比较,3.,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),4.,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,2,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,频带传输系统中的调制技术，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。,4,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,数字,/,数字,模拟,/,数字,数字,/,模拟,模拟,/,模拟,5,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,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。,正弦波是模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,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。,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,频率是指单位时间内周期的数量，单位为赫兹（,Hz,）。,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,计量表示,频率单位,计量表示,Seconds (s),1 s,hertz (Hz),1 Hz,Milliseconds (ms),10,3,s,kilohertz (KHz),10,3,Hz,Microseconds (ms),10,6,s,megahertz (MHz),10,6,Hz,Nanoseconds (ns),10,9,s,gigahertz (GHz),10,9,Hz,Picoseconds (ps),10,12,s,terahertz (THz),10,12,Hz,13,相位,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,16,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：,幅移键控（,ASK,）,频移键控（,FSK,）,相移键控（,PSK,）,正交调幅（,QAM,）,数字,-,模拟调制方式,数字,-,模拟变换方式,17,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。,波特数而不是比特数确定所要求的带宽。,比特率和波特率,18,数字调制技术的演变可以概括如下。,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,）。,基于,2FSK,向多进制方向发展，产生了,MFSK,。,19,基于,2PSK,向多进制方向发展，产生了,QPSK,，,OQPSK,，,MPSK,以及,DPSK,和,DQPSK,等。,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,1,概述,2.,数字调制,2.1 2ASK,2.2 2FSK,2.3 2PSK,2.4,几种二进制数字调制性能比较,3.,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),4.,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,21,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。,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,22,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,ASK,23, ASK,信号的产生,ASK,信号的解调,ASK,信号的功率谱密度,24,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。,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,ASK,25,第三讲频带数据传输,1,概述,2.,数字调制,2.1 2ASK,2.2 2FSK,2.3 2PSK,2.4,几种二进制数字调制性能比较,3.,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),4.,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,26,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,FSK,27, FSK,信号的产生,FSK,信号的解调,FSK,信号的解调方法很多，可以分为线性鉴频法和分离滤波法两大类。,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”,。,28,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,3-27 FSK,信号的解调及波形,30,第三讲频带数据传输,1,概述,2.,数字调制,2.1 2ASK,2.2 2FSK,2.3,2PSK,2.4,几种二进制数字调制性能比较,3.,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),4.,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,31,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,PSK,32,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。,33, PSK,和,DPSK,信号的产生,PSK,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。,PSK,和,DPSK,信号的解调,PSK,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。,34,BPSK,信号波形,35,BPSK,信号功率谱,36, PSK,信号的功率谱,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。,37,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。,38,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。把它们结合起来将允许定义,8,种不同的信号。,正交调幅,QAM,39,第二讲频带数据传输,1,概述,2.,数字调制,2.1 2ASK2.2 2ASK,的解调,2.2 2FSK,2.3 2PSK,2.4,几种二进制数字调制性能比较,3.,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),4.,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,40,1.,抗高斯噪声能力,2.,信号带宽,3.,相干解调,VS.,非相干解调,41,第二讲频带数据传输,1,概述,2.,数字调制,2.1 2ASK,2.2 2FSK,2.3 2PSK,2.4,几种二进制数字调制性能比较,3.,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),4.,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,42,3.,多进制数字调制系统,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”,。,43,4PSK,和,4DPSK,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。,4PSK,与,4DPSK,信号的波形,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。,44, 4PSK,信号的产生与解调,4PSK,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。,45,4PSK,信号的产生,46,QPSK,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,50, 4DPSK,信号的产生与解调,为了产生,4DPSK,信号，可在,4PSK,信号的基础上加上一码变换器来实现。,51,M-QAM,数字调制系统,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。,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。,52, QAM,信号的产生,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。,MQAM,信号的解调,MQAM,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。,53,MQAM,信号的星座图,54,MQAM,信号的解调原理图,55, MQAM,的星座图和系统性能,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。,56,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。,波特数而不是比特数确定所要求的带宽。,比特率和波特率,57,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）,增加星座点数，错误率增加,58,第二讲频带数据传输,1,概述,2.,数字调制,2.1 2ASK,2.2 2FSK,2.3 2PSK,2.4,几种二进制数字调制性能比较,3.,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),4.,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,两端的计算机是,DTE,设备，调制解调器是,DCE,设备。,DTE,设备产生数据并通过接口发送到调制解调器，调制解调器负责数字和模拟转换，以便利用电话线传输。,60,调制解调器,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。,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,）,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,）。,4.1 Modem,的分类,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,。,62,（,1,）按功能分类的,Modem,就功能而言，调制解调器分为通用,Modem,及具有传真功能的,Modem,。,（,2,）按外形分类的,Modem,就外形而言，,Modem,可分为外置式和内置式。,63,（,3,）按传输速率分类的,Modem,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。,（,4,）按操作状态分类的,Modem,调制解调器的操作有同步和异步两种模式。,64,65,（,5,）按数据压缩及检测错误方法分类的,Modem,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,。,（,6,）按传输介质分类的,Modem,按传输介质分类，,Modem,可以分为有线,Modem,和无线,Modem,。,66,数据传输系统的时钟同步,1,同步的概念,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。,2,位同步,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。,67,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。,（,1,）专门设立位定时传输信道,这种方法在短距离传输以及利用,PCM,数字信道传输数据时较适用。,（,2,）由数据电路设备（,DCE,）形成位定时,前面介绍过的,Modem,中，当采用同步,Modem,时，通常由,Modem,形成位定时。,68,（,3,）由数据终端设备（,DTE,）形成位定时,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。,69,3,帧同步,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。,（,1,）利用规定的字符建立帧同步,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形式。,70,（,2,）利用规定的比特组合建立帧同步,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,71,第二讲频带数据传输,1,概述,2.,数字调制,2.1 2ASK,2.2 2FSK,2.3 2PSK,2.4,几种二进制数字调制性能比较,3.,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),4.,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,72,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。,目前高速,Modem,的标准协议如下。,（,1,）三种调制协议,V.32,协议是,9600bit/s,高速,Modem,的标准调制协议。,73,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,。,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,。,74,（,2,）差错控制协议,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,。,（,3,）数据压缩协议,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,。,（,4,）通信软件,对于智能型,Modem,能提供很多高级功能，但要靠通信软件完成。,75,Bell,调制解调器标准,1,76,Bell,调制解调器标准,2,77,调制解调器,Bell/ITU-T,标准比较,ITU-T,Bell,波特率,比特率,调制技术,V.21,103,300,300,FSK,V.22,212,600,1200,4-PSK,V.23,202,1200,1200,FSK,V.26,201,1200,2400,4-PSK,V.27,208,1600,4800,8-PSK,V.29,209,2400,9600,16-QAM,78,第二讲频带数据传输,1,概述,2.,数字调制,2.1 2ASK,2.2 2FSK,2.3 2PSK,2.4,几种二进制数字调制性能比较,3.,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),4.,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,79,4.3.1 Modem,电路的基本结构,下图给出了同步,Modem,的调制,-,解调过程。,80,Modem,的基本工作原理,81,4.3.2 Modem,的工作过程,Modem,通常有三种工作方式：挂机方式、通话方式和联机方式。,4.3.3 Modem,的功能,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。,82,建立连接,建立,Modem,之间的连接，可以通过人工拨号或自动呼叫装置来启动，在接收端同样由人工完成，也可用自动应答选择装置完成。, 同步与异步方式工作,Modem,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。,83,AT,命令,AT,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。, 均衡,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。,84,4.3.4,宽带调制解调器简介,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,（,Cable Modem,）和,ADSL Modem,。,85,（,1,）,56K,高速,Modem,56kbit/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。,86,（,2,）电缆调制解调器,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。,（,3,）,ADSL Modem,ADSL,（非对称数字用户环路）是指现有的电话线上加装,ADSL 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,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。,对于调制解调器来说，限制传输速率的因素包括：,带宽；,数据编码方式：,ASK,、,FSK,、,PSK,或,QAM,；,信号传输模式。,88,带宽,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。,每条线路都有可以接受的最高频率和最低频率，这个限制范围称为带宽。,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,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,。,90,ASK,幅移键控传输速率,ASK,调制传输所需带宽等于信号的波特率。,在单工或半双工模式中，最大比特率等于最大波特率为,2400Hz.,在全双工模式中每一方向只有整个带宽的一半，最大比特率,1200,91,FSK,幅移键控传输速率,FSK,调制传输所需带宽等于信号的波特率加上频偏。,在单工或半双工模式中，最大比特率等于最大波特率为,2400-(f,c1,-f,c0,),。,在全双工模式中每一方向只有整个带宽的一半，最大比特率,2400-(f,c1,-f,c0,)/2,92,PSK,和,QAM,幅移键控传输速率,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。,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,半双工,全双工,ASK,2400,1200,FSK,2400,1200,2-PSK,2400,1200,4-PSK,4-QAM,4800,2400,8-PSK,8-QAM,7200,3600,16-QAM,9600,4800,93,