数字模拟信号 单双信道传输

一、信号

1．数字信号转模拟信号(调制解调)

2．摸拟信号转数字信号(调制解调)

3．数字信号表示

二、单信道传输

1．串行传输和并行传输

2．同步传输和异步传输

3．基带传输和模拟传输

三、多信道传输

1．多路复用

2．载波（T1和E1）

3．脉冲

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1．1数字数据转模拟信号编码

为了利用廉价的公共电话交换网实现计算机之间的远程通信，必须将发送端的数字信号变换成能够在公共电话网上传输的音频信号，经传输后再在接收端将音频信号逆变换成对应的数字信号。实现数字信号与模拟信号互换的设备称作调制解调器(Modem)。公共电话交换网是一种频带模拟信道，音频信号频带为300Hz～3400Hz，而数字信号频宽为0Hz～几千兆Hz。若不加任何措施利用模拟信道来传输数字信号，必定出现极大的失真和差错。

 

 

模拟信号传输的基础是载波，载波具有三大要素：幅度、频率和相位，数字数据可以针对载波的不同要素或它们的组合进行调制。

数字调制的三种基本形式：移幅键控法ASK、移频键控法FSK、移相键控法PSK。

 

 

⑴  在ASK方式下，用载波的两种不同幅度来表示二进制的两种状态。ASK方式容易受增益变化的影响，是一种低效的调制技术。在电话线路上，通常只能达到1200bps的速率。
⑵  在FSK方式下，用载波频率附近的两种不同频率来表示二进制的两种状态。在电话线路上，使用FSK可以实现全双工操作，通常可达到1200bps的速率。
⑶  在PSK方式下，用载波信号相位移动来表示数据。PSK可以使用二相或多于二相的相移，利用这种技术，可以对传输速率起到加倍的作用。
⑷ 由PSK和ASK结合的相位幅度调制PAM，是解决相移数已达到上限但还要提高传输速率的有效方法。 

1．2模拟信号转数字信号

⑴ 脉码调制PCM。
　　脉码调制是以采样定理为基础，对连续变化的模拟信号进行周期性采样，利用≥有效信号最高频率或其带宽２倍的采样频率，通过低通滤波器从这些采样中重新构造出原始信号。
　　采样定理表达公式:Fs(=1/Ts)≥Fmax 或 Fs≥2Bs
　　式中　Ts为采样周期
　　　　　Fs为采样频率
　　　　　Fmax为原始信号的最高频率
　　　　　Bs(=Fmax-Fmin)为原始信号的带宽

 

 

 

 

 

⑵ 模拟信号数字化的三步骤
　　1)采样，以采样频率Fs把模拟信号的值采出；
　　2)量化，使连续模拟信号变为时间轴上的离散值；
　　3)编码，将离散值变成一定位数的二进制数码。

 

1．3数字信号表示

数字信号可以直接采用基带传输。基带传输就是在线路中直接传送数字信号的电脉冲，它是一种最简单的传输方式，近距离通信的局域网都采用基带传输。

               

a)单极性脉冲                                                                                    b)双极性脉冲

               

    c)单极性归零脉冲                                            d)双极性归零脉冲

                     

                        e)交替双极性归零脉冲                                    f) 曼彻斯特编码与差分曼彻斯特编码

a)单极性不归零码，无电压表示"0"，恒定正电压表示"1"，每个码元时间的中间点是采样时间，判决门限为半幅电平。
　　b)双极性不归零码，"1"码和"0"码都有电流，"1"为正电流，"0"为负电流，正和负的幅度相等，判决门限为零电平。
　　c)单极性归零码，当发"1"码时，发出正电流，但持续时间短于一个码元的时间宽度，即发出一个窄脉冲；当发"0"码时，仍然不发送电流。
　　d)双极性归零码，其中"1"码发正的窄脉冲，"0"码发负的窄脉冲，两个码元的时间间隔可以大于每一个窄脉冲的宽度，取样时间是对准脉冲的中心。

f) 曼彻斯特编码（Manchester Encoding），也叫做相位编码(PE)，是一个同步时钟编码技术，被物理层使用来编码一个同步位流的时钟和数据。曼彻斯特编码，常用于局域网传输。在曼彻斯特编码中，每一位的中间有一跳变，位中间的跳变既作时钟信号，又作数据信号；从低到高跳变表示"0"，从高到低跳变表示"1"。还有一种是差分曼彻斯特编码，每位中间的跳变仅提供时钟定时，而用每位开始时有无跳变表示"0"或"1"，有跳变为"0"，无跳变为"1"。

特点:

不归零码在传输中难以确定一位的结束和另一位的开始，需要用某种方法使发送器和接收器之间进行定时或同步；归零码的脉冲较窄，根据脉冲宽度与传输频带宽度成反比的关系，因而归零码在信道上占用的频带较宽。
　　单极性码会积累直流分量，这样就不能使变压器在数据通信设备和所处环境之间提供良好绝缘的交流耦合，直流分量还会损坏连接点的表面电镀层；双极性码的直流分量大大减少，这对数据传输是很有利的。

http://www.huibo.org.cn/NetworkTheory/22.htm http://baike.baidu.com/view/489804.htm

 

2.1串行传输和并行传输

通俗地讲，并行传输的通路犹如一条多车道的宽阔大道，而串行传输则是仅能允许一辆汽车通过的乡间公路。那么，为何现在的串行传输方式会更胜一筹？

并行数据传输技术向来是提高数据传输率的重要手段，但是，进一步发展却遇到了障碍。首先，由于并行传送方式的前提是用同一时序传播信号，用同一时序接收信号，而过分提升时钟频率将难以让数据传送的时序与时钟合拍，布线长度稍有差异，数据就会以与时钟不同的时序送达另外，提升时钟频率还容易引起信号线间的相互干扰。因此，并行方式难以实现高速化。另外，增加位宽无疑会导致主板和扩充板上的布线数目随之增加，成本随之攀升。

 

2.2同步传输和异步传输

⑴ 所谓异步传输是指字符与字符(一个字符结束到下一个字符开始)之间的时间间隔是可变的，并不需要严格地限制它们的时间关系。异步传输将比特分成小组进行传送，小组可以是8位的1个字符或更长, 每个小组都要附加 1 位起始位和 1 位停止位,以标记一个字符的开始和结束，并以此实现数据传输同步。起始位对应于二进制值 0，以低电平表示，占用 1 位宽度。停止位对应于二进制值 1，以高电平表示，占用 1~2 位宽度。一个字符占用 5~8位，具体取决于数据所采用的字符集。例如，电报码字符为 5 位、ASCII码字符为 7 位、汉字码则为8 位。此外，还要附加 1 位奇偶校验位，可以选择奇校验或偶校验方式对该字符实施简单的差错控制。例如在键盘上数字“1”，按照8比特位的扩展ASCII编码，将发送“00110001”，同时需要在8比特位的前面加一个起始位，后面一个停止位。

异步传输的实现比较容易，但却产生了较多的开销。在上面的例子，每8个比特要多传送两个比特，总的传输负载就增加25%。对于数据传输量很小的低速设备来说问题不大，但对于那些数据传输量很大的高速设备来说，25%的负载增值就相当严重了。因此，异步传输常用于低速设备。

⑵ 所谓同步传输是指数据块与数据块之间的时间间隔是固定的，必须严格地规定它们的时间关系。通常，同步传输是以数据块(帧)为传输单位。每个数据块(帧)的头部和尾部都要附加一个特殊的字符或比特序列，标记一个数据块(帧)的开始和结束，一般还要附加一个校验序列(如16位或32位CRC校验码)，以便对数据块(帧)进行差错控制。同步传输开销小，例如，一个典型的帧可能有500字节（即4000比特）的数据，其中可能只包含100比特的开销。这时，增加的比特位使传输的比特总数增加2.5%，这与异步传输中25 %的增值要小得多。随着数据帧中实际数据比特位的增加，开销比特所占的百分比将相应地减少。另外，帧越大，它占据传输媒体的连续时间也越长。在极端的情况下，这将导致其他用户等得太久。

同步是指：发送方发出数据后，等接收方发回响应以后才发下一个数据包的通讯方式。  
异步是指：发送方发出数据后，不等接收方发回响应，接着发送下个数据包的通讯方式。 

打电话是同步，发消息是异步。

http://blog.csdn.net/liuyuan_jq/archive/2007/10/18/1831202.aspx

 

2.3基带传输和模拟传输

基带传输又叫数字传输，是指把要传输的数据转换为数字信号，使用固定的频率在信道上传输。例如计算机网络中的信号就是基带传输的。 和基带相对的是频带传输，又叫模拟传输，是指信号在电话线等这样的普通线路上，以正弦波形式传播的方式。我们现有的电话、模拟电视信号等，都是属于频带传输

http://baike.baidu.com/view/783.htm

 

3.1多路复用

多路复用技术就是把许多个单个信号在一个信道上同时传输的技术。频分多路复用FDM和时分多路复用TDM是两种最常用的多路复用技术。

频分多路复用 FDM技术原理:

多路原始信号在步分复用前，先要通过频谱搬移技术将各路信号的频谱搬移到物理信道频谱的不同段上，使各信号的带宽不相互重叠，然后用不同的频率调制每一个信号，每个信号要一个样以它的载波频率为中心的一定带宽的通道。为了防止互相干扰，使用保护带来隔离每一个通道。

              

(a)    频分多路复用                                  (b)时分多路复用

 

时分多路复用 TDM技术原理:

若媒体能达到的位传输速率超过传输数据所需的数据传输速率，可采用时分多路复用 TDM技术，即将一条物理信道按时间分成若干个时间片轮流地分配给多个信号使用。每一时间片由复用的一个信号占用，这样，利用每个信号在时间上的交叉，就可以在一条物理信道上传输多个数字信号。

 

3.2载波(T1和E1)

⑴ T1载波是美国、加拿大、日本和新加坡使用的标准载波。

T1载波是专用电话连接、时分多路数字传输设施。T1 线路实际上是由24个单独的通道组成的，每个通道支持 64K 比特/秒的传输速度,其中数据速率为56Kb/s。

【工作原理】：Bell系统的T1载波利用脉码调制PCM和时分TDM技术，使24路采样声音信号复用一个通道。（1）当T1系统用于模拟传输时，多路复用24路话音信道，每条话音信道输出：7bit数据+1bit控制复用（2）当T1系统完全用于数字传输时，仅23条信道用于数据传输，第24条信道用于同步模式。
【帧结构】：24路采样声音信号，每路采样用7位编码，再加上1位控制信号（即每路占用8位），24路后再增加1位帧同步位；因此每一个帧包含 193位，且每一帧用 125us时间传送。则：
（1） T1载波支持的数据传输速率为1.544Mbps （即 193bit/125us=1.544Mbps)
（2）每个通道支持 的数据速率为 56Kb/s ，传输速度为64Kb/s
因为传输速度= 1.544Mbps/24=64Kb/s；而每路的8位中，只要7位是用于用户数据，所以数据速率=7/8*64=56Kb/s
（3）T1载波开销所占比例为13% 。
因为一帧193bit中，168bit（24×7）用于用户数据，25bit（193-168）用于开销。所以开销所占比例=25bit/193bit≈13%
【其他】： T1 载波开发于20世纪60年代，其现在以未屏蔽的双绞线电缆上，以成对的方式执行全双工通讯制。T1是4线电路，两条线用于发送，两条线用于接收。T1线路 上电压为-135V。T1电路可以承载话音或数据。它的使用决定了不同的T1业务、帧格式和线路格式。T1信号由100Ω平衡双绞线传送。

E1(欧洲国家)都采用E1载波作为标准载波

E1载波是一种2.048Mbps速率的PCM载波。所谓的同步时分复用是：每个子通道按照时间片轮流占用带宽，但每个传输时间划分固定大小的周期，即使子通道不使用也不能够给其他子通道使用。
【帧结构】：每一帧开始处有8位作同步用,中间有8位用作信令,在组织30路8位数据,全帧包含256位,且每一帧用 125us时间传送。(一帧32个时隙中，30个用于用户数据，2个用于开销；其中时隙0和时隙15是传输控制信令用，所以一条E1可以传30路话音。这里要注意：在路由器上的E1是不能划分时隙的，只能做2M线使用）。
（1） E1载波支持的数据传输速率为2.048Mbps （即 256bit/125us=2.048Mbps)
（2）每个通道支持 的传输速度（或数据速率）为 64Kb/s
因为每个时隙在E1帧中占8bit，8*8k=64k，即一条E1中含有32个64K，则 2.048Mbps/32=64Kb/s
（3）T1载波开销所占比例为6.25% 。因为一帧32个时隙中，30个用于用户数据，2个用于开销。所以开销所占比例=2/32=6.25%

 

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