1、 第二章第二章 数据传输原理数据传输原理 2.0 2.0 问题的提出问题的提出 2.1 2.1 信号传输方式信号传输方式 2.22.2 通道最大传输速率通道最大传输速率信道容量信道容量 2.3 2.3 多路复用多路复用 2.4 2.4 光纤通信光纤通信 2.5 2.5 数据通信方式数据通信方式 2.6 2.6 差错控制和抗干扰编码技术差错控制和抗干扰编码技术2.0 2.0 问题的提出问题的提出 信号从源机出发，经源机端口(Port)进入信道，再经目的机端口进入目的机。理想信道无损耗、无干扰，接收信号的幅度和波形与发送信号完全一样。实际的信道都有延迟、耗损和干扰，会使传送的信号衰减、变形，致使接
2、收信号与发送信号不一致，甚至使目的机不能正确识别信号所携带的信息。本章内容是采用各种信号传输技术和抗干扰编码技术，以保证数据在物理层上无差错地传送，数据通信以信号传输为基础。最简单的理想的信号传输如图2-1所示。图2-1 信号传输示意图2.1 2.1 信号传输方式信号传输方式 2.1.1 2.1.1 基带传输基带传输 2.1.2 2.1.2 宽带传输宽带传输 2.1.3 2.1.3 物理层的四个重要特性物理层的四个重要特性 2.1.12.1.1基带传输基带传输 计算机的信息是以二进制形式表示的。所谓基带传输就是指二进制信息借助电(矩形)脉冲表示形式(载体)直接送入信道的传输方式。基本传输信号随
3、时间变化的函数为 其中：n为第n个脉冲的幅值，n的取值由2L决定；L是一个由物理状态(信号)表示的二进制的位数，L表示几元调制；(t)为所有脉冲的共同波形函数；T为脉冲发生的时间间隔。一元调制(L=1)：一个物理状态(信号Signal)携带了1位二进制数。二元调制(L=2)：一个信号携带了2位二进制数。.J元调制(L=j)：一个信号携带了j位二进制数。设(t)为矩形脉冲函数，则 L=1为二级矩形。n可有两个取值：n=1表示“0”,n=+1表示“1”。L=2为四级矩形。n可有四个取值：n=-1表示00,n=-0.5表示01,n=+0.5表示10,n=+1表示11。(t)波形如图22所示。在局域网
4、中基带调制通常采用曼彻斯特(Manchester)编码。Manchester编码的规则是：信号的前半周期为低电平，后半周期为高电平表示数字“0”;信号前半周期为高电平，后半周期为低电平表示数字“1”。Manchester编码示例如图23所示。图2-2 基带信号 图23 Manchester编码示例 2.1.2 2.1.2 宽带传输宽带传输 1常用的调制方式 2调制解调器(MODEM)1常用的调制方式 二进制信息“1”和“0”在基带传输中一般以矩形脉冲表示。矩形脉冲含有较大的低频和高频分量，普通通信电缆传输特性较差，其通频带约为303400Hz。因此，远距离传输时就需将矩形脉冲信号加以变换，调制
5、成两种不同的正弦波，分别代表数字“0”和“1”。正弦电压可用下式表示：(t)Um sin(t+)正弦函数的3个可变参数为振幅Um、角频率及相位，对应有“键控调幅”、“键控调频”和“键控调相”3种类型的调制方式，如图24所示。图2-4 3种类型的调制方式 ASKASKASAAASKASKFSKPSK 1)键控调幅(ASK)2)键控调频(FSK)3)键控调相(PSK)1)键控调幅(ASK)频率、相位不变，而振幅随信号而变化。u(t)0,代表数字“0”u(t)Umsint，代表数字“1”图2-4 3种类型的调制方式 2)键控调频(FSK)振幅、相位不变，而频率随信号而变化。u(t)Umsin2t，代
6、表数字“0”u(t)Umsin1t，代表数字“1”图2-4 3种类型的调制方式 3)键控调相(PSK)相位随信号变化，其余两个参数不变。U(t)Umsin(t+)，代表数字“0”U(t)Umsin(t+0)，代表数字“1”图2-4 3种类型的调制方式 衡量调制方式的优劣大体上可从3个角度去考虑：第一是数字波形的差异性；第二是波形的频谱；第三是技术实现的难易程度。一般希望，代表“0”、“1”两种状态的数字波形之间的差异要尽量大些，另外，数字波形与干扰波形的差异也要尽量大。描述两个波形之间差异程度的定量参数叫“波形相关”系数，根据计算，“键控调相”波形差异最大，具有较高的抗干扰能力，是一种较好的调
7、制方式。2调制解调器(MODEM)当进行远距离数据通信时，需要采用调制与解调技术，调制解调器(MODEM)便是完成这一功能的设备，它是调制器(Modulator)和解调器(Demodulator)复合体的总称。为了能利用电话线传送数字信号，通常需要把数字信号先转换(调制)为某种形式的模拟信号，发至电话线上；当信号到达另一端时再还原(解调)为数字信号，供终端设备或计算机使用。下面简单介绍MODEM的结构原理。(1)调制器(Modulator)(2)解调器(Demodulator)(1)调制器(Modulator)调频式调制器的原理如图25所示。图2-5 键控调频调制器原理图(2)解调器(Demo
8、dulator)如图2-6所示：图2-6 键控调频解调器原理2.1.32.1.3物理层的四个重要特性物理层的四个重要特性 世界上有许多制定标准的组织，如ISO、ITUT(CCITT)、EIA(美国电子工业协会)等。计算机、打印机等可视为DTE(数据终端设备)设备；MODEM可视为DCE(数据线路端接设备)设备。从四个方面定义DTE与DCE，以及它们之间的接口。这四个方面是机械的(Mechanical)、电气的(Electrical)、功能的(Functional)和过程(Procedural)的特性。下面以计算机与MODEM为例说明EIA RS232C四方面特性。物理层中定义了两种设备：数据终
9、端设备DTE(Data Terminal Equipment)和数据线路端接设备DCE(Data Circuit-terminating Equipment),有的书上将D C E 解 释 为 数 据 通 信 设 备(D a t a Communication Equipment)。1.机械的 2.功能的 3.电气的 4.过程的 5.零调制解调器方式 1.机械的 RS232C定义了25针(Pin)ISO 2110 机械结构，如图2-7所示。图2-7 RS232-C引线(DB-25)的分配 2.功能的 RS232C定义了25针中每一针的功能，详见图27。图2-7 RS232-C引线(DB-25)
10、的分配3.电气的 电气特性可帮助读者了解，采用哪一种规范所能达到的最大传输速率和最远传输距离。为此，下面列出了RS-232-C(CCITT V.28)，RS-423-A(V.10/X.26)以及RS-422-A(V.11/X.27)供读者参考，如图28所示。图28 电气接口图4.过程的 RS-232-定义了计算机（DTE）和MODEM(DCE)之间的信息交换过程，如图29所示。RS-232-C是美国电子工业协会EIA(Electronic Industries Association)于1969年发布的标准。该标准是定义数据终端设备DTE和数据电路端接设备DCE之间接口的电气特性。连接器是用D
11、B25，以+8V代表“0”(空号Space)，-8V代表“1”(传号Mark)。现以发送数据为例,说明V.24RS 232-C的接口工作过程，如图29所示。图2-9 V.24/RS 232-C接口连接图 5零调制解调器方式 V24RS-232-C作为标准通信接口广泛应用于终端和计算机通信中，在通信距离较近时，它们中间可以不经过Modem而直接连接，这种方式称为零调制解调方式。这时，要求电缆长度不得超过45m(约50码)，但实际最大长度可达90m(约100码)。距离太远则不可靠，这时可改用RS-422、RS-423接口。图210示出了两种连接方式，还可能有多种连接方式，读者使用时应注意。图2-1
12、0 零调制解调器方式示意图 2.2 2.2 通道最大传输速率通道最大传输速率信道容量信道容量 2.2.1 2.2.1 频谱分析频谱分析 2.2.2 2.2.2 波特率和比特率波特率和比特率 2.2.3 2.2.3 信道容量信道容量 2.2.1 2.2.1 频谱分析频谱分析 若给定信号为S(t)，则其频谱函数为|G(|表示信号S(t)的能量按频率的分布，由傅立叶变换可知：1.矩形脉冲的频谱 2.信道对输出的影响 1.矩形脉冲的频谱 单个矩形脉冲可用如下函数描述：其中，为脉冲宽度，A为脉冲幅值。它的频谱密度为：当0时，G()A，令G(0)A。因为sink0，k土l，2，故2k/是G()的零点。矩形
13、脉冲信号和频谱密度函数曲线如图211所示。02，是G()的第一个零点，宽度为的矩形脉冲信号的能量主要集中在02的角频范围内。Ho21/称为矩形脉冲的频带宽度，它与脉冲宽度成反比。当信道的频带宽度不小于时，才能传输宽度不小于的脉冲，可见脉冲越窄，要求信道的频带宽就越宽。图2-11 矩形脉冲及其频谱密度函数曲线 2.信道对输出的影响 当信号(t)通过频率特性为H()的信道时，输出信号的频谱函数等于输入信号的频谱函数G()与信道频谱函数H()的乘积，如图212所示。设信道为一理想的低通滤波器，其频带宽为H，输出延迟为0，传递函数为:设输入脉冲函数为(t)(t0时，（t）0；t0时，(t)；x4x31
14、。1多项式运算 2用多项式码作为检验码 3.多项式码检错能力分析及生成多项式c(x)的选择原则 4CRC校验硬件的实现1多项式运算 多项式运算是对应位以2为模进行的运算。加、减法等同于“异或”运算。长除法与二进制除法基本相同，但采用不借位的模2减法。例例 (x6x5x3)(x3x1)的除法 直接相除：用多项式的系数相除：2用多项式码作为检验码 用多项式码作为检验码时，发送器和接收器必须具有相同的生成多项式(Generator Polynomial)G(x)，其最高、最低项系数必须为1。CRC编码过程是将要发送的二进制序列看作是多项式的系数，加上监督位之后，除以生成多项式，然后把余数挂在原多项式
15、之后。CRC译码过程是接收方用同一生成多项式除接收到的CRC编码，若余数为零，则传输无错。编码译码方法：令r为生成多项式G(x)的阶，将r个“0”附加在信息(数据)元的低端，使其长度变为k+r位，对应于多项式xrM(x)；xrM(x)G(x)mod 2,得余数；xrM(x)与余数对应位异或，得编码信息T(x)。例：数据信息 1101011011 M(x)生成式 10011 G(x),r=4 加4个”0”后 11010110110000 xrM(x)xrM(x)G(x)得余数 1110 余数 待发送的编码 11010110111110 T(x)接收器收到发来的编码信息后，用同一个生成多项式G(x
16、)除编码信息，若余数为零，则表示接收到正确的编码信息，否则有错。把收到的正确编码信息T(x)去掉尾部r位，即得数据信息M(x)。3.多项式码检错能力分析及生成多项式c(x)的选择原则 生成多项式G(x)的国际标准:CRC12 G(x)x12+x11+x3+x2+x+1 CRC16 G(x)x16+x15+x2+1 CRC-CCITT G(x)x16+x12+x5+1 CRC16和CRCCCITT两种生成多项式产生的CRC码都可以捕捉一位错、二位错、具有奇数个错的全部错误，可以捕捉突发错长度小于16的全部错误、长度为l7的突发错的99998、长度为18以上的突发错的99.997。4CRC校验硬件
17、的实现 CRC16和CRCCCITT可以用硬件实现，如Z80SIO就具有这个功能，也可用软件实现。设：数据1010 多项式M(x)=x3+x 生成多项式系数1011 多项式G(x)=x3+x+1,r=3 xrM(x)系数1010000 多项式xrM(x)=x6+x4 余式系数011 多项式k(x)=x+1 CRC编码 1010 011 信息 监督 信息组从高位端输入的CRC编码电路，如图220所示。有关工作过程见表22。信息组从高位端输入的CRC编码电路的普遍格式如图221所示。图中开关Si接通时为1(即gi1),断开时为0(即gi0),门1和门2的工作情况与图220中的相似。CRC译码电路,G(x)xx1的检错译码电路如图222所示。设发送的码字也为1010011,如收到的码字也为1010011,则最后Z2 Z 1Z0的状态为“000”,即余式为“0”,表示接收正确。有关工作过程见表23。第三章 图2-20 数据从高位端输入的编码电路 表2-2 图2-20所示电路的工作过程 图2-21 信息组从高位端输入的编码电路的普遍格式 图2-22 G(x)=X3+X+1的检错译码电路 表2-3 图2-22所示电路的工作过程
