1、聊城大学环境与规划学院聊城大学环境与规划学院2007年年1月月第四讲第四讲1.3 传输技术传输技术1.3.3 数据信号与信道的匹配数据信号与信道的匹配1.数字信道和模拟信道u数字信道：以数字脉冲形式（离散信号）数字信道：以数字脉冲形式（离散信号）传输数据的信道。传输数据的信道。u模拟信道：以连续模拟信号形式传输数据模拟信道：以连续模拟信号形式传输数据的信道。的信道。1.3 1.3 传输技术传输技术1.3.3 数据信号与信道的匹配数据信号与信道的匹配2.数据信号的表示(1)时域表示法：就是把信号的幅值表示成时间函数。时域表示法：就是把信号的幅值表示成时间函数。tta)模拟信号模拟信号b)数字信号
2、数字信号uu 模拟信号：时间上连续，包含无穷多个值模拟信号：时间上连续，包含无穷多个值uu 数字信号：时间上离散，仅包含有限数目的预定值数字信号：时间上离散，仅包含有限数目的预定值1.3 1.3 传输技术传输技术1.3.3 数据信号与信道的匹配数据信号与信道的匹配 典型的模拟信号典型的模拟信号是如（是如（a）图所示的）图所示的正弦波正弦波信号。信号。（b）图为）图为二进制二进制数字数字信号，二者皆为信号，二者皆为周期信号周期信号。1.3 1.3 传输技术传输技术1.3.3 数据信号与信道的匹配数据信号与信道的匹配(2)频谱表示法：频谱表示法：就是把信号的幅值表示成频率的函数。就是把信号的幅值表
3、示成频率的函数。这是基于傅里叶分析的一种方法。傅里叶分这是基于傅里叶分析的一种方法。傅里叶分析表明，基频为析表明，基频为f f的任意周期函数的任意周期函数g(t)g(t)都可以由都可以由（无限个）正弦函数和余弦函数合成，即（无限个）正弦函数和余弦函数合成，即 g(t)=1/2C+ansin(2nft)+bncos(2nft)式中，式中，f称为基频，称为基频，C是常数，是常数，an、bn是第是第n次次谐波的幅值，谐波的幅值，n=1的分量波成为基波。的分量波成为基波。1.3 1.3 传输技术传输技术1.3.3 数据信号与信道的匹配数据信号与信道的匹配1.3 1.3 传输技术传输技术1.3.3 数据
4、信号与信道的匹配数据信号与信道的匹配(2)频谱表示法频谱表示法-1.3 1.3 传输技术传输技术0tgt(t)(a)1t/2t/20w2 p/t2 p/t(b)F(w)g(t)=4/sint+1/3(sin3t)+1/5(sin5t)+1.3.3 数据信号与信道的匹配数据信号与信道的匹配1.3 1.3 传输技术传输技术 T2t-02tT2T1tf(t)0Fnt2t4t4-t2-w1.3.3 数据信号与信道的匹配数据信号与信道的匹配3.数据信号分析 对一个持续时间有限的数据信号进行傅里对一个持续时间有限的数据信号进行傅里叶分析，分析出它的谐波组成。这里带宽的概叶分析，分析出它的谐波组成。这里带宽
5、的概念不是指念不是指绝对带宽绝对带宽（一个信号的频率范围），（一个信号的频率范围），而是指信号大部分能量都集中在某一段频带之而是指信号大部分能量都集中在某一段频带之中，称为信号的中，称为信号的有效带宽有效带宽，简称，简称带宽带宽。用这种方法，可以看出一种信号的频率范用这种方法，可以看出一种信号的频率范围围带宽以及每一个频率分量（谐波）的信带宽以及每一个频率分量（谐波）的信号能量的大小。号能量的大小。1.3 1.3 传输技术传输技术1.3.3 数据信号与信道的匹配1.3.3 数据信号与信道的匹配数据信号与信道的匹配3.数据信号分析u基带信号基带信号l广义层次概念广义层次概念l中等层次概念中等层次
6、概念l狭义层次概念狭义层次概念u频带信号频带信号u宽带信号宽带信号1.3 1.3 传输技术传输技术1.3.3 数据信号与信道的匹配数据信号与信道的匹配4.信道的主要性能参数 实际的信道上存在三类损耗：衰减、延迟、噪声。实际的信道上存在三类损耗：衰减、延迟、噪声。a a）衰减）衰减 b b）延迟）延迟 c c）噪声）噪声 1.3 1.3 传输技术传输技术1.3.3 数据信号与信道的匹配数据信号与信道的匹配（1 1）传输速率）传输速率：它是衡量数据通信系统传输能力：它是衡量数据通信系统传输能力的重要指标，有两种表示方法。的重要指标，有两种表示方法。v 波特率波特率 B=1/T(Baud)B=1/T
7、(Baud)式中式中TT信号码元的宽度，单位为信号码元的宽度，单位为s s。波特率，也称波特率，也称信号传输速率信号传输速率、码元速率码元速率、调制速率调制速率、或或传码率传码率。1.3 1.3 传输技术传输技术1.3.3 数据信号与信道的匹配数据信号与信道的匹配v 比特率比特率 R=(1/T)log2M (b/s)式中式中:T一个数字脉冲信号的宽度一个数字脉冲信号的宽度(全宽码全宽码)或或重复周期重复周期(归零码归零码)，单位为秒，单位为秒(s)；M一个码元所取的离散值个数。一个码元所取的离散值个数。通常通常M=2K，K为二进制信息的位数，为二进制信息的位数，K=log2M。M=4时，时，R
8、=2/T，表示数据传输速率等于码元脉，表示数据传输速率等于码元脉冲的重复频率。冲的重复频率。比特率也称为比特率也称为数据传输速率数据传输速率或或传信率传信率。1.3 1.3 传输技术传输技术1.3.3 数据信号与信道的匹配数据信号与信道的匹配 比特率比特率R与波特率与波特率B有如下关系：有如下关系：R=Blog2M (b/s)或或 B=R/log2M(Baud)调制方式、波特率、比特率的关系表调制方式、波特率、比特率的关系表波特率波特率(Baud)(Baud)1200 1200 1600 24001200 1200 1600 2400调制方式调制方式 调频调频 四相调制四相调制 八相调制八相调
9、制 十六相调制十六相调制 (M=2)(M=4)(M=8)(M=16)比特率比特率(b/s)(b/s)1200 2400 4800 96001200 2400 4800 9600l比特率与波特率的关系比特率与波特率的关系1.3 1.3 传输技术传输技术1.3.3 数据信号与信道的匹配数据信号与信道的匹配（2 2）信道带宽）信道带宽 信道信道允许通过的信号频率范围，即可传送的信号允许通过的信号频率范围，即可传送的信号最高频率与最低频率之差，被称为最高频率与最低频率之差，被称为信道的通频带宽信道的通频带宽，亦即亦即信道带宽信道带宽，单位为，单位为HzHz。信道对信号的限制会导致失真，限制信号的传输信
10、道对信号的限制会导致失真，限制信号的传输速率，增加信号识别难度。速率，增加信号识别难度。1.3 1.3 传输技术传输技术1.3.3 数据信号与信道的匹配数据信号与信道的匹配（2 2）信道带宽）信道带宽-宽带宽带 1.3 1.3 传输技术传输技术 宽带宽带是指比音频带宽更宽的频带（速度是指比音频带宽更宽的频带（速度在在1.54Mb/s1.54Mb/s），它包括大部分电磁波频谱。），它包括大部分电磁波频谱。利用宽带进行的传输称为利用宽带进行的传输称为宽带传输宽带传输。宽带传输系统宽带传输系统可以是模拟或数字传输系可以是模拟或数字传输系统，它能够在同一信道上进行数字信息和模统，它能够在同一信道上进行
11、数字信息和模拟信息传输。宽带传输系统可容纳全部广播拟信息传输。宽带传输系统可容纳全部广播信号，并可进行高速数据传输。信号，并可进行高速数据传输。1.3.3 数据信号与信道的匹配数据信号与信道的匹配l宽带网的优点：v 传输速率高。传输速率高。v 相对费用低。相对费用低。v 高速连接使得视频点播，远程教育，网高速连接使得视频点播，远程教育，网上娱乐等深层次应用称为可能，极大地丰上娱乐等深层次应用称为可能，极大地丰富了互联网的应用。富了互联网的应用。1.3 1.3 传输技术传输技术1.3.3 数据信号与信道的匹配数据信号与信道的匹配 M 最大数据率最大数据率(C)2 6k bps 4 12k bps
12、 8 18kbps 16 24k bps Smax=2W log2 MSmax:传输率，传输率，b/s或或bpsW:带宽，带宽，Hz；2W:采样频率采样频率M:信号电平级数信号电平级数例如：例如：话音级线路话音级线路(3k Hz)的信道容量计算，如的信道容量计算，如右图所示。右图所示。（3）信道容量1.3 1.3 传输技术传输技术1.3.3 数据信号与信道的匹配数据信号与信道的匹配C=W log2(1+S/N)式中，式中，C=传输率，单位传输率，单位b/s，W=有限带宽无噪有限带宽无噪声信道的带宽，单位声信道的带宽，单位Hz，S为信道上数据信号的平均功为信道上数据信号的平均功率，率，N为信道内
13、部的噪声功率，为信道内部的噪声功率，S/N为信噪比。为信噪比。1.3 1.3 传输技术传输技术1.3.3 数据信号与信道的匹配数据信号与信道的匹配l例：信道带宽例：信道带宽W=3KHz，S/N=2000，则，则l C=3000*log2(1+2000)30Kb/sl 即该信道上的最大数据传输率不会大于即该信道上的最大数据传输率不会大于30Kb/sS/NdB 信噪比（信噪比（dB分贝）的定义分贝）的定义S/NdB=10 log10 S/N1.3 1.3 传输技术传输技术1.3.3 数据信号与信道的匹配数据信号与信道的匹配 Smax=2W log2M 数据传输率数据传输率Smax随随信号编码级数增
14、加而增加。信号编码级数增加而增加。C=W log2(1+S/N)无论采样频率多高，信号编码分多少级，此公无论采样频率多高，信号编码分多少级，此公式给出了信道能达到的最高传输速率。式给出了信道能达到的最高传输速率。噪声的存在将使编码级数不可能无限增加。噪声的存在将使编码级数不可能无限增加。1.3 1.3 传输技术传输技术1.3.3 数据信号与信道的匹配数据信号与信道的匹配（4）信道的误码率 误码率是指信道传输信号的出错率，是衡误码率是指信道传输信号的出错率，是衡量数据通信系统在正常工作情况下的传输可靠量数据通信系统在正常工作情况下的传输可靠性的指标。误码率公式为：性的指标。误码率公式为：P=Ne
15、/N 式中式中 Ne其中出错的位数；其中出错的位数；N传输的数据总数。传输的数据总数。误码率误码率=收信误码数收信误码数/传输的全部码元数传输的全部码元数1.3 1.3 传输技术传输技术1.3.3 数据信号与信道的匹配数据信号与信道的匹配5.5.数字信号的模拟调制数字信号的模拟调制 调制调制：就是利用基带信号对模拟载波信号的某些参量进行：就是利用基带信号对模拟载波信号的某些参量进行控制，使这些参量随基带信号的变化而变化的过程。控制，使这些参量随基带信号的变化而变化的过程。解调解调：调制的逆过程：调制的逆过程(把从信道上接受到的模拟信号变换为把从信道上接受到的模拟信号变换为数字数据数字数据)。调
16、制后的信号叫已调信号，它包含了调制信号的所有信息。调制后的信号叫已调信号，它包含了调制信号的所有信息。1.3 1.3 传输技术传输技术1.3.3 数据信号与信道的匹配数据信号与信道的匹配5.5.数字信号的模拟调制数字信号的模拟调制 设载波信号为正弦交流信号设载波信号为正弦交流信号u(t)umsin(w wt+)。此处。此处A是幅是幅度，度，w w是角频率，是角频率，是相位。是相位。ASK（幅移键控）（幅移键控）：用幅值的正弦载波信号来分别表示数：用幅值的正弦载波信号来分别表示数字字“1”和和“0”。例如，用正弦表示。例如，用正弦表示1，零幅值表示，零幅值表示0。就是利用基带脉冲信号对模拟载波信
17、号的幅度进行控制，就是利用基带脉冲信号对模拟载波信号的幅度进行控制，使其随基带脉冲的变化而变化，频率和相位均不变。使其随基带脉冲的变化而变化，频率和相位均不变。其实现方法有：乘法器和键控开关。其实现方法有：乘法器和键控开关。ASK技术简单，实现容易，但抗干扰能力较差。技术简单，实现容易，但抗干扰能力较差。1.3 1.3 传输技术传输技术1.3.3 数据信号与信道的匹配数据信号与信道的匹配5.5.数字信号的模拟调制数字信号的模拟调制 FSK(频移键控频移键控)：利用基带脉冲信号对模拟载波信号的频率利用基带脉冲信号对模拟载波信号的频率进行控制，使其随基带脉冲的变化而变化进行控制，使其随基带脉冲的变
18、化而变化(通过改变载波信通过改变载波信号的角频率来表示数字信号中的号的角频率来表示数字信号中的“1”和和“0”)，幅度和相位，幅度和相位均不变。均不变。FSK由键控方法实现，利用数字信号控制开关对两个不同由键控方法实现，利用数字信号控制开关对两个不同的独立载波频率源进行选通。的独立载波频率源进行选通。FSK技术较简单，实现较容易，抗干扰能力较强。是目前技术较简单，实现较容易，抗干扰能力较强。是目前较常用的调制方法。较常用的调制方法。1.3 1.3 传输技术传输技术1.3.3 数据信号与信道的匹配数据信号与信道的匹配5.5.数字信号的模拟调制数字信号的模拟调制 PSK(相移键控相移键控)：利用基带脉冲信号对模拟载波信号的相位利用基带脉冲信号对模拟载波信号的相位进行控制，使其随基带脉冲的变化而变化进行控制，使其随基带脉冲的变化而变化(通过改变载波信通过改变载波信号的相位值来表示数字信号中的号的相位值来表示数字信号中的“1”和和“0”)，幅度和频率，幅度和频率均不变。相移键控又有绝对相移键控和相对相移键控，在均不变。相移键控又有绝对相移键控和相对相移键控，在模拟通信中，为了提高数据传输速率，常采用多相调制方模拟通信中，为了提高数据传输速率，常采用多相调制方法。法。1.3 1.3 传输技术传输技术THANK YOU VERY MUCH！
