教學對象教學時間年月日

第2章數據通信

教學內容

2.1數據通信的基本概念

通過本節內容的學習，能夠正確理解數據通信的相關概念，掌握通信系統

教學目的

模型，深刻把握數字化是信息社會發展的必然趨勢的原因.

教學重點數據、信息、信號的定義；通信模型；模擬傳輸與數字傳輸的區別。

教學難點理解模擬傳輸與數字傳輸的過程、優缺點和二者的區別。

建議學時1學時教學教具多媒體教學系統

教學方法講授(PPT)

2.1.1數據、信息和信號

2.1.2通信系統模型

演示設計2.1.3數據傳輸方式

2.1.4物理信道的連接方式

板書設計2.1.5串行通信與并行通信

2.1.6數據通信方式

2.1.7數字化是信息社會發展的必然趨勢

教學過程

介紹本章在整個課程中的基礎地位：

計算機網絡是計算機技術與通信技術結合的產物；

本章介紹了數據通信的基本概念、基本原理和實用技術，是后面章節

的理論基礎；

數據通信技術在迅速發展。

提出學習要求：

(1)牢固掌握數據通信的基本概念；

(2)理解數據通信的基本原理；

(3)掌握數據通信的實用技術；

課程導入(4)了解通信技術最新發展動向，培養快速跟蹤網絡技術發展的知

識基礎與能力。

提問：數據與信息有什么關系？

2.1數據通信的基本概念

2.1.1數據、信息和信號

通信是為了交換信息(Information)。信息的載體可以是數字、文字、語音、圖形和圖

像，我們常稱它們為數據(Data)。數據是對客觀事實進行描述與記載的物理符號。信息是

數據的集合、含義與解釋。如對一個企業當前生產各類經營指標的分析，可以得出企業生產

經營狀況的若干信息。顯然，數據和信息的概念是相對的，甚至有時將兩者等同起來，此處

不多論述。

數據可分為模擬數據和數字數據。模擬數據取連續值，數字數據取離散值。在數據被傳

送之前，要變成適合于傳輸的電磁信號：或是模擬信號，或是數字信號。所以，信號(Signal)

是數據的電磁波表示形式。模擬數據和數字數據都可用這兩種信號來及示。模擬信號是隨時

間連續變化的信號，這種信號的某種參量，如幅度、頻率或相位等可以表示要傳送的信息。

傳統的電話機送話器輸出的語音信號，電視攝像機產生的圖像信號以及廣播電視信號等都是

模擬信號。數字信號是離散信號，如計算機通信所用的二進制代碼“0”和“1”組成的信號。

模擬信號和數字信號的波形圖如圖2.1所示。

▲幅度

1.0,1.0

圖2.1模擬信號與數字信號

(a)模擬信號(b)數字信號

和信號的這種分類相似，信道也可以分成傳送模擬信號的模擬信道和傳送數字信號的

數字信道兩大類。但是應注意，數字信號在經過數模變換后就可以在模擬信道上傳送，而

模擬信號在經過模數轉換后也可以在數字信道上傳送。

2.1.2通信系統模型

通信系統的模型如圖2.2所示，一般點到點的通信系統均可用此圖表示。圖中,信源是

產生和發送信息的一端，信宿是接受信息的一端。變換器和反變換器均是進行信號變換的設

備，在實際的通信系統中有各種具體的設備名稱。如信源發出的是數字信號，當要采用模擬

信號傳輸時，則要將數字信號變成模擬信號，則用所謂的調制器來實現，而接收端要將模擬

信號反變換為數字信號，則用解調器來實現。在通信中常要進行兩個方向的通信，故將調制

器與解調器做成一個設備，稱為調制解調器，具有將數字信號變換為模擬信號以及將模擬信

號恢復為數字信號的兩種功能。當信源發出的為模擬信號，而要以數字信號的形式傳輸時，

則要將模擬信號變換為數字信號，通常是通過所謂的編碼器來實現，到達接收端后再經過解

碼器將數字信號恢復為原來的模擬信號。實際上，也是考慮到?般為雙向通信，故將編碼器

與解碼器做成一個設備，稱為編碼解碼器。信道?般用來表示向某??個方向傳送信息的媒

體。因此，一條通信線路往往包含一條發送信道和一條接受信道。一個信道可以看成是?條

線路。止匕外，信息在信道中傳輸時，可能會受到外界的干擾，我們稱之為噪聲。如信號在無

屏蔽雙絞線中傳輸會受到電磁場的干擾。

恰.“卜"?變換器,n侑道-n反交換器.卜留信宿一

(二)~~：)

Y16sligy

發送肉味聲源?I接收梅

圖2.2通信系統的模型

由上可見，無論信源產生的是模擬數據還是數字數據，在傳輸過程中都要變成適合信道

傳輸的信號形式。在模擬信道中傳輸的是模擬信號，在數字信道中傳輸的是數字信號。

2.1.3數據傳輸方式

1.模擬傳輸

模擬傳輸指信道中傳輸的為模擬信號。當傳輸的是模擬信號時，可以直接進行傳輸。當

傳輸的是數字信號時，進入信道前要經過調制解調器調制，變換為模擬信號。如圖2.3所示,

（a）為當信源為模擬數據時的模擬傳輸，（b）為當信源為數字數據時的模擬傳輸。其主要

優點在于信道的利用率較高，但是其在傳輸過程中信號會衰減，會受到噪聲干擾，且信號放

大時噪聲也會放大。

圖2.3模擬傳輸

（a）信源為模擬數據（b）信源為數字數據

2.數字傳輸

數字傳輸指信道中傳輸的為數字信號。當傳輸的信號是數字信號時,可以直接進行傳輸。

當傳輸的是模擬信號時，進入信道前要經過編碼解碼器編碼，變換為數字信號。如圖2.4所

示，（a）為當信源為數字數據時的數字傳輸，（b）為當信源為模擬數據時的數字傳輸。其主

要優點在于數字信號只取有離散值，在傳輸過程中即使受到噪聲的干擾，只要沒有畸變到不

可辨識的程度，均可用信號再生的方法進行恢復，也即信號傳輸不失真，誤碼率低，能被復

用和有效地利用設備，但是傳輸數字信號比傳輸模擬信號所要求的頻帶要寬的多，因此數字

傳輸的信道利用率較低。

信?

2.1.4物理信道的連接方式

1.點到點連接方式

終端（或計算機）與計算機之間可以直接地或者通過調制解調器，用線路（撥號線路或

專用線路）進行連接。當兩者之間的通信量較大時，可采用這種點到點的連接方式。

2.多點連接方式

為了提高物理信號的利用率，當終端（或計算機）與計算機之間的通信量不大時，可選

用多點方式。即多個終端（或計算機）通過條公用總線直接或通過調制解調器與計算機相

連，如圖2.5（a）所示。在該方式中，圖中左側的計算機作為主站，其他各終端（或計算機）

均為從站，由主站統一控制公用總線的使用，各終端（或計算機）信息的收和發，都是在總

站的控制下進行的，終端（或計算機）不能任意發送信息，否則將在公用總線上發生信號沖

突。

3.集中式連接

當有多個相距不遠的終端（或計算機）都要求與遠程計算機通信時，為了節省傳輸信道,

可先將多個相距不遠的終端連接到多路復用器或集線器上，再用一條傳輸線路將復用器或集

線器與計算機相連，如圖2.5（b）所示。圖中M代表調制解調器，T代表終端。如果計算

機到集線器或終端到集線器均采用雙絞線連接，并且小于100米時，則可直接相連，而不要

加調制解調器。

圖2.5物理信道的連接方式

（a）多點連接（b）集中式連接

2.1.5串行通信與并行通信

串行通信指數據流一位一位地傳送，從發送端到接收端只要一根傳輸線即可，易于實

現。并行通信是一次同時傳送一個字節（字符），即8個碼元。并行傳送傳輸速率高，但傳

輸設備要增加7倍，一般用于近距離范圍要求快速傳送的地方.如計算機與輸出設備打印機

的通信一般是采用并行傳送。串行傳送雖然速率低，但節省設備，是目前主要采用的?種傳

輸方式，特別是在遠程通信中一般采用串行通信方式。

在串行通信中，收、發雙方存在著如何保持比特與字符同步的問題，而在并行傳輸中，

一次傳送一個字符，因此收、發雙方不存在字符同步問題。串行通信的發送端要將計算機中

的字符進行并/串變換，在接收端再通過串/并變換，還原成計算機的字符結構。

2.1.6數據通信方式

[.單工、半雙工與全雙工通信

（1）單〉通信方式。在單工信道上信息只能在一個方向傳送。發送方不能接收，接受

方不能發送。信道的全部帶寬都用于由發送方到接收方的數據傳送。無線電廣播和電視廣播

都是單工傳送的例子。

（2）半雙工通信方式。在半雙工信道上，通信雙方可以交替發送和接收信息，但不能

同時發送和接收。在一段時間內，信道的全部帶寬用于一個方向上的信息傳遞。航空和航海

無線電臺以及對講機等都是這種方式通信的。這種方式要求通信雙方都有發送和接收能力，

又有雙向傳送信息的能力，因而比單工通信設備昂貴，但比全雙工便宜。在要求不很高的場

合，多采用這種通信方式。

（3）全雙工通信方式。這是一?種可同時進行信息的傳遞的通信方式。現代的電話通信

都是采用這種方式。其要求通信雙方都有發送和接收設備，而且要求信道能提供雙向傳輸的

雙倍帶寬，所以全雙工通信設備較昂貴。

2.異步傳輸和同步傳輸

在通信過程中，發送方和接收方必須在時間上保持步調一致，亦即同步，才能準確的傳

送信息。解決的方法時，要求接收端根據發送數據的起止時間和時鐘頻率，來校正自己的時

間基準與時鐘頻率。這個過程叫位同步或內無同步。在傳送由多個碼元組成的字符以及由許

多字符組成的數據塊時,通信雙方也要就信息的起止時間取得一致，這種同步作用有兩種不

同的方式，因而也就對應了兩種不同的傳輸方式。

（1）異步傳輸

異步傳輸即把各個字符分開傳輸，字符與字符之間插入同步信息。這種方式也叫起止式,

即在組成一個字符的所有位前后分別插入起止位，如圖2.6所示。起始位（0）對接收方的

時鐘起置位作用。接收方時鐘置位后只要在8?11位的傳送時間內準確，就能正確的接收該

字符。最后的終止位告訴接收者該字符傳送結束，然后接收方就能識別后續字符的起始位。

當沒有字符傳送時，連續傳送終止位（1）。加入校驗位的目的是檢查傳輸中的錯誤，一般使

用奇偶校驗。

］偵.7位.］住?I彼?

起始位，字符??校驗一終止位.

圖2.6異步傳輸

（2）同步傳輸

異步傳輸不適合于傳送大的數據塊，例如磁盤文件。同步傳輸在傳送連續的數據塊時比

異步傳輸更有效。按這種方式，發送方在發送數據之前先發送一串同步字符SYN（編碼為

0010110）,接收方只要檢測到兩個以上SYN字符確認已進入同步狀態，準備接收數據，隨

后雙方以同一頻率工作（數字數據信號編碼的定時作用也表現在這里），直到傳送完指示數

據結束的控制字符，如圖2.7所示。這種方式僅在數據塊前加入控制字符SYN,所以效率更

高，但實現起來較復雜。在短距離高速數據傳輸中，多采用同步傳輸方式。

第一數鋸塊第二數據塊

圖2.7同步傳輸*

2.1.7數字化是信息社會發展的必然趨勢

數字化是信息社會發展的大趨勢，主要原因如下。

1數字通信比模擬通信更具優勢

模擬通信藕在傳輸贏的信號過程中，噪聲將疊加在有用的模擬信號上，接收端很難

將信號和噪聲分開，因而模擬通信系統的抗干擾能力比較差。相反，數字通信系統傳輸的是

二進制信號，數據是介于數字脈沖波形的兩種狀態之中。在數字通信的接收端對每一個接收

信號進行采樣并與某個門檻電平進行比較，只要采樣時刻的信號電平不超過門檻電平，接收

端就不會形成錯判，可以正確接收數據，而不受噪聲的影響。因此，數字通信系統比模擬通

信系統的抗干擾能力更強。

同樣，模擬通信時，噪聲是疊加在有用的模擬信號上，而通信系統中的模擬放大器無法

將有用的信號與噪聲分開，因此只好將有用信號和噪聲同時放大。隨著傳輸距離的增加以及

模擬放大器的增多，噪聲也會越來越大。因此模擬通信系統中噪聲的積累，對遠距離通信的

質量造成很大的影響。而數字通信系統則是采用再生中繼器的方法，在傳輸過程中信號所受

到的噪聲干擾經過中繼器時就已經被消除，然后再生器恢復出與原始信號相同的數字信號，

因而克服了模擬通信系統噪聲疊加的問題。因此數字通信系統比模擬通信系統可以更好地實

現高質量的遠距離通信，這也即數字電視比模擬電視的圖像、聲音更清晰的原因。

同時由于數字通信系統中傳輸的是數字信號，因而在傳輸過程中，可以對信號進行各種

數字處理：如存儲、轉發、復制、壓縮、計算、加密、檢錯、糾錯等。但這些處理在模擬通

信系統中是很難實現的。正因為在數字通信系統中可以對信號進行各種處理，因而也就可以

在數字通信系統中采用復雜的、非線性的長周期的密碼序列對數字信號進行加密，從而使數

字通信具有高度的保密性。而且通過對數字信號使用合適的壓縮算法，使其在傳輸過程中獲

得更高的傳輸效率，在接收端再使用相應的解壓縮算法，以恢復到壓縮前同樣的形式，這對

解決網絡通信中的擁塞控制也大有幫助。

2.數字機比模擬機使用更廣泛

電子計算機從原理上可分為模擬電子計算機和數字電子計算機。模擬電子計算機問世較

早，內部所使用的是模擬信號，處理問題的精度差，所有的處理過程均需模擬電路來實現，

電路結構復雜，抗外界干擾能力差，因此實際使用已越來越少。數字電子計算機是當今世界

電子計算機行業中的主流，其內部處理的是數字信號，它的主要特點是“離散”，在相鄰的兩

個符號之間不可能有第三種符號存在。由于這種處理信號的差異，使得它的組成結構和性能

大大優于模擬式電子計算機。

目前的計算機絕大部分都是數字機，而數字機只能對數字數據進行存儲和處理，因此，

文字、聲音、視頻、圖像等數據，必須變換為數字數據后才能存入計算機，才能進行計算處

理，而且數字傳輸的質量遠高于模擬傳輸，可見數字化是信息社會發展的必然趨勢。

3.數字設備越來越便宜

計算機等數字設備的主要器件是集成電路(芯片)，它的集成度大約每18個月翻一番。

這就是在計算機領域人所共知的“摩爾定律”，它是英特爾公司創始人之一戈登?摩爾(Gordon

Moore)于1965年在總結存儲器芯片的增長規律時發現的。伴隨著集成電路集成度越來越

高，其造價也越來越低，集成電路在我們生活中到處可見，人們已越來越多的使用數字設備,

如數字手機、數字照相機、數字彩電、數字攝像機等等，幾乎所有的設備都在數字化。

當然，數字通信也有缺點，最大的缺點就是占用的頻帶寬，可以說數字通信的許多優點

是以犧牲信道帶寬為代價的。以電話為例，一路模擬電話占用4kHz信道帶寬，而一路數字

電話所需的帶寬是64kbps,所占用的帶寬遠遠大于模擬傳輸。數字通信的這一缺點限制了

它在某些信道帶寬不夠大的場合下使用。但隨著微波、衛星、光纜等高寬帶信道的廣泛使用，

帶寬的問題就不突出了。

教學小結

本節是全章的基礎，學生在學習過程中要正確的理解數據通信的基本概念，

學習指導

對數據通信的基本模型要全面掌握，最后對數據通信的方式要認真理解。

參閱教材教材第2章第1節

運用/http:〃/http:〃/

網絡資源

等搜索引擎，以數據、信息、通信模型、數字化等為關鍵字進行搜索。

作業習題2.1、2.2、2.3,2.4、2.5、2.6題

教學后記

教學對象教學時間年月日

第2章數據通信

教學內容

2.2數字信號的頻譜與數字信道的特性

通過本節內容的學習，能夠理解數字信號的相關概念，掌握數字信道的相

教學目的

關概念和重要特性。

信道、信號的帶寬；數字信道的特性和原理；基帶傳輸、頻帶傳輸、寬帶

教學重點

傳輸。

教學難點理解信號帶寬和信道帶寬的區別；掌握數字信道的特性概念和相關原理。

建議學時1學時教學教具多媒體教學系統

教學方法講授(PPT)

2.2.1傅立葉分析

演示設計

2.2.2周期矩形脈沖信號的頻譜

2.2.3數字信道的特性

板書設計

2.2.4基帶傳輸、頻帶傳輸和寬帶傳輸

教學過程

提問：數字信道和模擬信道是兩種不同的信道，各有什么特點？

隨著寬帶網絡的普及，學生對其都有初步的感受。通過提問，促使學

生思考，引導其正確認識數字信道和模擬信道的概念，并引出本節要講授

的內容。

課程導入

2.2數字信號的頻譜與數字信道的特性

2.2.1傅立葉分析

任何周期信號都是由一個基波信號和各種高次諧波信號合成的。根據傅立葉分析法，可

以把一個周期為T的復雜函數g⑺表示為無限個正弦和余弦函數之和：

,力?力

gQ)=，+Z。”sin(2^H/r)+bncos(2^z?/r)

n=ln=\

2(,._1

其中。。是常數，代表直流分量，且"°=〒k")"，/=不為基頻，兒分別是"次

諧波振幅的正弦和余弦分量：

an=yjsin(2型辿

bn=yjcos(2型)力

2.2.2周期矩形脈沖信號的頻譜

頻譜指組成周期信號各次諧波的振幅按頻率的分布圖。這種頻譜圖以/為橫坐標，相

應的各種諧波分量的振幅為縱坐標，如圖2.8所示?圖中，諧波的最高頻率亦與最低頻率力

之差(力一力)叫信號的頻帶寬度，簡稱帶寬，它表示實際信道所能傳輸信號的頻率范圍。信

道帶寬山傳輸媒體和有關附加設備以及電路的頻率特性綜合決定。

周期性矩形脈沖如圖2.9(a)所示，其幅值為A,脈沖寬度為7,周期為T,對稱于縱

軸。這是?種最簡單的周期函數，實際數據傳輸中的脈沖信號要復雜的多，但對這種簡單周

期函數的分析，可以得出信道帶寬的一個重要結論。

圖2.9周期性脈沖及其頻譜

(a)周期性脈沖(b)周期性脈沖的頻譜

上.述周期矩形脈沖的傅立葉級數中只含有直流和余弦項，令。=2萬/丁，我們有

8csin(---)

,、AxT2A4T2/、

s(t)=——+)-------------cosW/)

TJTnrco

2

v—_n_r_co

令2,則上式可寫成

AT2ATsin(x)

^(0=—+2^----------cos(")

“=i'

由上式可得周期矩形脈沖的頻譜如圖2.9(b)所示。圖中橫軸用無表示，縱軸用歸?化

2Ar2ATsinxsinx

(2()=-----d=------------------

幅度。,,/口>表示(T,nTT),譜線的包絡為x,當xf8時，其值趨于

0。由圖可知，諧波分量的頻率越高，其幅值越小。可以認為信號的絕大部分能量集中在第

一個零點的左側，由于第一個零點處于x=萬，因而有〃3/2="，亦即"r=r。若取"=1,

則有r=T。我們定義周期性矩形脈沖信號的帶寬為

可見信號的帶寬與脈沖的寬度成反比，與之相關的結論是傳送的脈沖的頻率越高(即脈

沖越窄)，要求信道的帶寬也越大。信道的帶寬指信道頻率響應曲線上幅度取其頻帶中心處

值的1/收倍的兩個頻率之間的區間寬度，如圖2.10所示。為了使信號在傳輸中的失真小些,

則信道要有足夠的帶寬。

圖2.10信道帶寬

2.2.3數字信道的特性

一個數字脈沖稱為一個碼元。如字母A的ASCII碼是1000001,可用7個脈沖來表示,

亦可認為由7個碼元組成。碼元攜帶的信息量由碼元取的離散值個數決定。若碼元取。和1

兩個離散值，則一個碼元攜帶1比特(bit)的信息。若碼元可取4個離散值，則一個碼元

攜帶2比特信息。一般的，一個碼元攜帶的信息量n(比特)與碼元取的離散值個數N具有

如下關系：

n=log,N

下面用碼元和信息量的概念說明數字信道的基本情況。

1.波特率、數據速率和信道容量

碼元速率表示單位時間內信號波形的變換次數，即通過信道傳輸的碼元個數。若信號碼

元寬度為T秒，則碼元速率B=l/T,單位叫波特，這是為了紀念電報碼的發明者法國人波特

(Baudot),故碼元速率也叫波特率，或稱作調制速率、波形速率、符號速率。1924年奈奎

斯特推導出有限帶寬無噪聲信道的極限波特率，稱為奈氏定理。若信道帶寬為W,則奈氏

定理的最大碼元速率為：

B=2W(Baud)

奈氏定理指定的信道容量也叫奈氏極限，它由信道的物理特性決定。超過奈氏極限傳送

脈沖信號是不可能的。因此要進一步提高波特率，就必須改善信道的帶寬。

數據速率指單位時間內信道上傳送的信息量(比特數)。數字信道的通頻帶(即帶寬)

決定了信道中能不失真的傳輸脈沖序列的最高速率，即信道容量。在一定波特率下提高數據

速率的途徑是用個碼元表示更多的比特數。若把兩比特編碼為一碼元，則數據速率可成倍

提高，我們有公式：

R=Blog2N=2W\og2N(b/s)

式中R表示數據速率，B、N、W的含義如上所述，單位為每秒比特(bitspersecond),

記為bps或b/s,>

數據速率“比特/秒”與碼元的傳輸速率“波特”是兩個不同的概念。兩者在數量上有

上述公式所描述的關系。若1個碼元只攜帶Ibit的信息量，則兩者在數值上是相等的。即

R=B。但若使1個碼元攜帶〃bit的信息量，則MBaud的碼元傳輸速率為朋〃bps。例如,

有一個帶寬為3kHz的理想低通信道，其碼元傳輸速率為6000baud?而最高數據速率可隨編

碼方式的不同而有不同的取值。若1個碼元能攜帶2bit的信息量，則最高的數據速率為

12000bpso這些都是不考慮噪聲的理想情況下的極限值。至于有噪聲影響的實際信道，則遠

遠達不到這個極限值。

2.誤碼率

香農（shannon）提出有噪聲信道的極限數據速率用下述公式計算

C=Wlog2（l+S/N）

式中，卬為信道帶寬，$為信號的平均功率，N為噪聲平均功率，S/N叫信噪比。實

際使用中，S與N的比值太大，故常取分貝數。例如當S/N=1000時，信噪比為30dB（分

貝）。這個公式與信號取的離散值個數無關，也即無論用什么方式調制，只要給定了信號和

噪聲的平均功率，則單位時間內最大的信息傳輸量就確定了。例如，信道帶寬為3000Hz,

信噪比為30dB,則最大數據速率C=300010§2（1+100。）=3000X9.97弋30000bps。這是極限值，

只有理論上的意義。實際上在3000Hz帶寬的電話線上，數據速率能達到9600bps就很不錯

了。

在有噪聲的信道中，數據速率的增加意味著傳輸中出錯的概率增加，可用誤碼率來表示

傳輸二進制時出現差錯的概率：

Pe=Ne/N

式中Pe表示誤碼率，Ne表示出錯位數，N為傳送的總位數。計算機通信網絡中，要

求誤碼率低于10",即平均傳送一百萬位才允許錯1位。當誤碼率高于一定數值時，可用差

錯控制進行檢查和糾正。

3.信道延遲

信號在信道中從源端到達宿端需要的時間即為信道延遲，它與信道的長度及信號傳播速

度有關。電信號一般已接近光速的速度（300m/ns）傳播，但隨介質的不同而略有差別。例

如，電纜中的傳播速度一般為光速的77%,即200m/ps左右。一般來說，考慮信號從源端

到達宿端的時間是沒有意義的，但對于?種具體的網絡，我們經常對該網絡中相距最遠的兩

個站之間的傳播時延感興趣。這時要考慮信號傳播速度即網絡通信線路的最大長度。如500m

銅軸電纜的時延大約是2.52，遠離地面3.6萬公里的衛星，上行和下行的時延均約270ms。

2.2.4基帶傳輸、頻帶傳輸和寬帶傳輸

1.基帶傳輸

所謂基帶指的是基本頻帶，也就是數據編碼電信號所固有的頻帶，這種信號可稱為基帶

信號。所謂基帶傳輸就是對基帶信號不加調制而直接在線路匕進行傳輸，它將占用線路的全

部帶寬，也可稱為數字基帶傳輸。后面將介紹數據可編碼成數字信號進行傳輸的各種編碼，

就是基帶信號的各種編碼。但是不能認為數字信號只能進行基帶傳輸，為了充分利用線路帶

寬，可對數字信號進行調制后再進行傳輸，即頻帶傳輸。

2.頻帶傳輸

進行遠距離數據傳輸時，一般要借用已有的通信網（如電話網），而數據的原始形式是

數字信號（基帶信號），它無法在帶寬較窄的通信網中傳輸，需要將帶寬很寬的數字信號（基

帶信號）變換為帶寬符合通信網要求的模擬信號，而這種模擬信號通常由某一頻率或某幾個

頻率組成，它占用了一個固有頻帶，所以稱為頻帶傳輸。

3.寬帶傳輸

寬帶的概念來源于電話業，指的是比4KHz更寬的頻帶。寬帶傳輸系統使用標準的有線

電視技術，可使用的頻帶高達300MHz（常常到450MHz）。由于使用模擬信號，可以傳輸近

100km,對信號的要求也沒有像數字系統那樣高。為了在模擬網上傳輸數字信號，需要在接

口處安放一個電子設備，用以把進入網絡的比特流轉換為模擬信號，并把網絡輸出的信號再

轉換成比特流。根據使用的電子設備類型,lb/s可能占用1Hz帶寬。在更高的頻率上，可以

使用先進的調制技術達到多bit/HZ?

寬帶系統可分為多個信道，每個信道可用于模擬電視、CD質量聲音（1.4Mb/s）或3Mb/s

的數字比特流。通常電視廣播只需要6MHz的信道，電視信號和數據可在一條電纜上混合傳

輸。然而在計算機網絡中，“寬帶系統”常指任何使用模擬信號進行傳輸的系統。

教學小結

本節和上節是數據通信的基本概念比較密集的區域，學生在學習過程中，

學習指導

要注意對基本概念的正確把握，對概念進行對比，強化理解。

參閱教材教材第2章第2節

運用http:〃/http:〃/http:〃/

網絡資源

等搜索引擎，以時域分析、頻域分析、帶寬、信道等為關鍵字進行搜索。

作業習題2.7、2.8、2.9、2.10題

教學后記

教學對象教學時間年月日

第2章數據通信

教學內容

2.3模擬傳輸

通過本節內容的學習，掌握模擬傳輸的原理，理解調制解調器的三種工作

教學目的

原理，熟悉調制解調器常用分類。

教學重點模擬傳輸；調制解調器工作原理。

教學難點調制解調器工作原理

建議學時1學時教學教具多媒體教學系統

教學方法講授（PPT）

演示設計

2.3.1模擬傳輸系統

2.3.2調制解調器

板書設計

教學過程

模擬信號和數據信號在通過某一介質時，往往要進行調制和編碼，以提高

信號的傳輸性能。

提問：模擬傳輸在我們生活中有哪些應用？

通過提問，促使學生思考，引導其充分認識理解模擬傳輸的概念。

課程導入

2.3模擬傳輸

2.3.1模擬傳輸系統

電話通信系統是典型的模擬傳輸系統。目前全世界的電話機早-以上十億部。如此多的電

話要互連成網，唯一可行的辦法就是分級交換。我國的電話網絡現分5級，上面4級是長途

電話網，最低一級是市話網。4級長途交換中心從上到下分別是：①一級中心，又稱大區中

心或省間中心。②二級中心，又稱省中心。③三級中心，又稱地區中心或縣間中心。④四級

中心，又稱縣中心。每一個上級交換局均按輻射狀與若干個下級交換局連成星形網。在這以

下就是市話交換局，又稱為端局，直接與其管轄范圍內的各電話用戶相連。因此，一般屬于

同一個市話局內的兩個電話的通信只需通過市話局的交換。但在復雜的情況下，兩個電話用

戶之間可能需要經過多個不同級別的交換局的多次轉接。

2.3.2調制解調器

1.調制方式

進行調制時，常把正弦信號作為基準信號或載波信號。調制即利用載波信號的?個或幾

個參數的變化來表示數字信號(調制信號)的過程。基于載波信號的三個主要參數，可把調

制方式分為三種：振幅調制、頻率調制、相位調制，可分別簡稱為調幅、調頻、調相，如圖

2.11所示。

-nArxhnnnnnJ

圖2.11三種模擬調制方式

(1)調幅(AM,AmplitudeModulation)

調幅即指載波的振幅隨計算機送出的基帶數字信號變化而變化。例如數字信號0對應與

無載波輸出，1對應與有載波輸出。調幅也可以表述為用兩個不同的載波信號的幅值分別代

表二進制數字0和1。

(2)調頻(FM,FrequencyModulation)

調頻即指載波的頻率隨計算機送出的基帶數字信號變化而變化。例如數字信號0對應于

頻率八，1對應于頻率72。同樣，調頻也可表述為用兩個不同的載波信號的頻率分別代表

二進制數字0和1。

(3)調相(PM,PhaseModulation)

調相指載波的初始相位隨計算機送出的基帶數字信號變化而變化。例如數字信號0對應

于0°,1對應用180。。調相也可以表述為兩個不同的載波信號的初相位來代表二進制數字0

和1。這種只有兩種相位(如0。或180。)的調制方式稱為兩相調制。為了提高信息的傳輸速

率，還經常采用四相調制和八相調制方式，這兩種調制方式的數字信息的相位分配情況如圖

2.12所示。

數字信息00011011

相位0°（或45°）90°（或135°）180°（或225°）270°（或315°）

(a)四相調制方式的相位分配

數字信息000001010011100101110111

相位0°45°90°135°180°225°270°315°

(b)八相調制方式的相位分配

圖2.12四相位、八相位調制方式的相位分配

由上圖可以看出，在四相調制方式中，用四個不同的相位分別代表00,01,10,11或

者說每一次調制可以傳送2個比特的信息；在八相調制方式中，則每一次調制可傳送3個比

特的信息，顯然兩者都提高了信息的傳輸速率。為了達到更高的信息傳輸速率，必須采用技

術上更為復雜的多元制的振幅相位混合調制方法。

2.調制解調器的分類

調制解調器可以根據應用環境、傳輸速率、功能先進性和調制方式等進行分類。

(1)按應用環境分類

①音頻Modem。它將數字信號調制成頻率為0.3?3.4KHz的音頻模擬信號。當這種模

擬信號經過電話系統傳到對方后，再由解調器將它還原為數字信號。因此，用電話信道傳輸

數字信號時應采用音頻調制解調器。

②基帶Modem。一般音頻調制解調器，功能較齊全，故價格較貴，多在進行遠距離傳

輸時使用。當距離較近，比如只需使用市話線傳輸數據，則此時可使用基帶調制解調器，傳

輸速率較高，可達到64Kbps?2Mbps,主要用于網絡用戶接入高速線路中。

③無線Modem。在短波及衛星通信中，都應使用與信道特點相適應的調制解調器。這

類調制解調器對差錯的檢測和糾錯能力較強，以克服無線信道差錯率較高這一缺點。

(2)按傳輸速率分類

①低速Modem。傳輸速率在600bps以下。

②中速Modem。傳輸速率在1200?9600bpds。

③高速Modem?速率在9600bps以上。

(3)按功能先進性分類

按其功能先進性可分為三類：

①人工撥號Modem,進行數據通信前，先要通過人工撥號呼叫對方。待電話局的交換

機接通對方并經雙方確認后，便轉向利用Modem進行通信。

②自動撥號/自由應答式Modem。用戶可通過個人計算機鍵盤撥打電話號碼或通過相應

軟件取出存放在某磁盤文件中的電話號碼，由Modern按指定順序在指定時間自動撥號，建立

與對方的連接。

③智能Modem,在Modem中配置CPU來提高Modem的性能和增加新功能，如對Modem

的參數進行自動設置，對傳輸的數據進行數據壓縮。在高檔次的Modem中還引入了網絡管理

功能。

(4)按調制方式分類

按調制方式可分為頻移鍵控Modem、相移鍵控Modem和相位幅度調制Modem。后者是為

了盡量提高傳輸速率又不提高調制速率，于是采用相位調制與幅度調制相結合的方法，使一

次調制能產生更多不同的相位和幅度，從而提高傳輸速率。這種Modem價格較貴。

教學小結

本節是本章的一個難點，學生在學習過程中要注意對原理的正確理解，在

學習指導

理解原理的基礎上掌握調制解調器的常見分類。

參閱教材教材第2章第3節

運用/http:〃/http:〃/

網絡資源

等搜索引擎，以調制、解調、模擬數據等為關鍵字進行搜索.

作業習題2.11,2.12題

教學后記

教學對象教學時間年月日

第2章數據通信

教學內容

2.4數字傳輸

教學目的通過本節內容的學習，掌握數字傳輸原理。

教學重點脈碼調制過程；常用的數字信號編碼。

教學難點脈碼調制的基本原理。

建議學時1學時教學教具多媒體教學系統

教學方法講授（PPT）

演示設計2.4.1脈碼調制

2.4.2數字數據信號編碼

板書設計2.4.3字符編碼

教學過程

提問：數字化為什么是信息社會發展的大趨勢？

數字化是信息社會發展的大趨勢，現在人們已越來越多使用各種數字

通信設備，如數字手機、數字照相機、數字彩電、數字攝像機等等，但是

模擬信號又怎么變成適合數字信道的信號呢？學生對脈碼調制這個專業用

詞缺乏感性認識。可以通過提問，促使學生思考，幫助他們理解。

課程導入

2.4數字傳輸

2.4.1脈碼調制

將模擬信號變換為數字信號的常用方法是脈碼調制PCM(PulseCodeModulation)o

PCM最初并不是為傳送計算機數據用的，而是為了解決電話局之間中繼線不夠用的問題，希

望使用一條中繼線不是只傳送一路而是可以傳送幾十路的電話。由于歷史上的原因，PCM有

兩個互不兼容的國際標準，即北美的24路PCM(簡稱為T1)和歐洲的30路PCM(簡稱為El)?

我國采用的是E1標準。T1的速率是1.544Mbps,El的速率是2.048Mbps。下面結合PCM的取

樣、量化和編碼三個步驟，說明這些速率是如何得出的。

為了將模擬電話信號轉變為數字信號，必須對電話信號進行取樣。即每隔一定的時間間

隔，取模擬信號的當前值作為樣本。該樣本代表了模擬信號在某?時刻的瞬時值。?系列連

續的樣本可用來代表模擬信號在某一區間隨時間變化的值。取樣的頻率可根據奈氏取樣定理

確定。奈氏取樣定理表述為，只要取樣頻率大于模擬信號最高頻率的2倍，則可以用得到的

樣本空間恢復原來的模擬信號。即

力=32/2max

其中f1為取樣頻率,T,為取樣周期，即兩次取樣之間的間隔,Rmax為信號的最高頻率。

標準電話信號的最高頻率為3.4KHz,為方便起見，取樣頻率就定為8KHz,相當于取樣周期為

125Hs(l/8000s)?圖2.13表示了上述概念。

圖2.13PCM的基本原理

(a)模擬電話信號(b)取樣后的脈沖信號(c)編碼后的數字信號

(d)解碼后的脈沖信號(e)恢復后的模擬電話信號

這樣，一個話路的模擬電話信號，經模數變換后，就變成每秒8000個脈沖信號，每個

脈沖信號再編為8位二進制碼元。因此?個話路的PCM信號速率為64Kbps。

為有效利用傳輸線路，通常總是將多個話路的PCM信號用時分多路復用(見下一節)

的方法裝成幀(即時分復用幀)，然后再往線路上一幀接一幀地傳輸。圖2.14說明了E1的

時分復用幀的構成。

CHOCHO

El的一個時分復用幀(其長度T=125RS)共分為32個相等的時間間隙(簡稱時隙)，

時隙的編號為CHO?CH31。時隙CH0用作幀同步，時隙CH16用來傳送信令(如用戶的撥

號信令)。可供用戶使用的話路是時隙CH1-CH15和CH17-CH31,共30個時隙用作30

個話路。每個時隙傳送8bits。因此，整個32個時隙共傳送256bits,即一個幀的信息量。每

秒傳送8000個幀，故PCM一次群E1的數據率即為2.048Mbps,圖2.14中，在2.048Mbps

傳輸線路兩端的同步旋轉開關，表示32個時隙中比特的發送和接收必須和時隙的編號相對

應，不能弄亂。

北美使用的T1系統共24個話路。每個話路的取樣脈沖用7bits編碼，然后再加上1位

信令碼元，因此一個話路也是占用8bits。幀同步是在24路的編碼之后加上Ibits,這樣每幀

共193bito因此T1一次群的數據率為1.544Mbps。

當需要有更高的數據率時，可以采用復用的方法。例如，4個一次群就可以構成一個二

次群。當然，一個二次群的數據率要比4個一次群的數據率總和還要多一些，因為復用后還

需要一些同步的碼元。表2-1所示給出了歐洲和北美系統的高次群的話路數和數據率。日本

的一次群用T1,但自己另有一套高次群的標準。

表2-1數字傳輸系統高次群的話路數和數據率

系統類型一次群二次群三次群四次群五次群

符號E1E2E3E4E5

歐洲體制話路數3012048019207680

數據率速(Mbps)2.0488.48833368139.264565.148

符號T1T2T3T4

北美體制話路數24966724032

數據率速(Mbps)1.5446.31243.736273.176

2.4.2數字數據信號編碼

1.不歸零編碼

不歸零編碼(NRZ,Non-ReturntoZero)如圖2.15(a)所示。NRZ碼規定用負電平表

示“0”,用正電平表示“1”，亦可有其他表示方法。如果接收端無法確定每個比特從什么時候

開始，什么時候結束，則還是不能從高低電平的矩形波中讀出正確的比特串。

2.曼氏編碼

曼氏編碼(Manchester)自帶同步信號，如圖2.15(b)所示。在曼氏編碼中每個比特

持續時間分為兩半。在發送比特"0”時，前一半時間為高電平，后一半時間為低電平；在發

送比特“1”時則相反。或者也可在發送比特0時，前一半時間電平為低，后一半時間電平為

高；在發送比特1時則相反。

3.差分曼氏編碼

差分曼氏編碼(DifferenceManchester)是對曼氏編碼的改進。它與曼氏編碼的不同之

處主要是：每比特的中間跳變僅做同步用；每比特的值根據其開始邊界是否發生跳變決定，

每比特開始除出現電平跳變表示二進制“0”，不發生跳變表示二進制T”，如圖2.15(c)所

2.4.3字符編碼

數字傳輸時，在信道上傳送的數據都是以二進制位的形式出現的，如何組合“0”與“1”

這兩種碼元，使之代表不同的字符或信息(數據信息和控制信息)，叫做字符編碼。國際標

準化組織1967年推薦了一個7單位編碼(每個字符由七位二進制碼元組成，另外附加一位

奇偶校驗位)，即國際標準IS0646,為世界各國廣泛采用。我國1981年由國家標準總局公布

了信息處理交換用7單位編碼，與IS0646的7單位編碼一致，國標代號GB1988-80,其字符

集標準見表2-2,該字符集與美國ASCII字符集基本一致。

表2-2部頒7位編碼字符集標準

b700001111

b600110011

b501010101

b4b3b2bl行列01234567

00000NUL空白DLE數據鏈轉義間隔0@P、P

00011SOH標題開始DC1設備控制111AQaq

00102STX正文開始DC2設備控制22BRbr

00113ETX正文結束DC3設備控制33CScs

01004EOT傳輸結束DC4設備控制4$4DTdt

01015ENQ詢問NAK否認%5EUeu

-

01106ACK承認SYN同步6FVfV

01117BEL告警ETB組傳輸結束7GWgw

10008BS退格CAN作廢(8HXhX

10019I1T橫向制表EM媒體結束)9IYiy

101010LF換行SUB取代*JZjz

101111VT縱向制表ESC轉義+：K[k一

110012FF換頁FS文卷分隔?<LV11

110113CR回車GS群分隔-=M]m—

111014SO移出RS記錄分隔*>Ntn-

mi15SI移入US單元分隔/?0-0抹掉

教學小結

本節理論性較強，學生在學習過程中，首先要注意思路的正確把握，對為

學習指導什么要進行模擬信號向數字信號的轉換要有正確的認識。其次，對脈碼調

制的原理要正確的理解。

參閱教材教材第2章第4節

運用http:〃/http:〃/http:〃/

網絡資源

等搜索引擎，以脈碼調制、數字信號、字符編碼等為關鍵字進行搜索。

作業習題2.13,2.14,2.15,2.16題

教學后記

教學對象教學時間年月日

第2章數據通信

教學內容