互联网技术数据信号的传输

  1.2数据信号的传输

  1.2.1数据传输的方式

  在通信系统中，要把数字数据或模拟数据从一个地方传到另一个地方需借助于一定的物理信号，如电磁波和光，而物理信号可以是连续的模拟信号，也可以是离散的数字信号。

  要传送的数据可通过编码形成两种信号（模拟信号和数字信号）中的一种，从而产生4种数据传输形式，即模拟信号传输模拟信号、模拟信号传输数字信号、数字信号传输模拟信号、数字信号传输数字信号，

  1.基带传输

  由计算机或终端产生的未经调制的数字信号所占用的频率范围叫做基本频带，简称基带。这种数字信号就称基带信号。传送数据时，以原封不动的形式，把基带信号送入传输线路，称为基带传输。

  使用基带传输时，首先要解决信号的编码问题，即如何将数字数据用物理信号（如电信号）的波形来表示，用来表示数字数据的电信号的波形可以有多种形式。数字信号是离散的不连续的电压或电流的脉冲序列，每个脉冲代表一个信号单元，或称为码元。对于二进制的数据信号来说，用两种码元分别表示二进制数字符号“1”和“0”,每个二进制符号与一个码元相对应。表示二进制数字信息的码元的形式不同，便产生出不同的编码方案。下面主要介绍单极性不归零码、双极性不归零码、单极性归零码、双极性归零码、曼彻斯特码和差分曼彻斯特码等。

  （1）单极性不归零码

  图1-5所示为单极性不归零码，在每一码元时间间隔内，有电流发出表示二进制的1,无电流发出则表示二进制的0.每一个码元时间的中心是采样时间，判决门限为半幅度电平，即0.5.若接收信号的值在0.5与1.0之间，就判为1:若在0与0.5之间就判为0.每秒钟发送的二进制码元数称为码速，其单位为波特（Baud）。在二进制情况下，1波特与信息传输速率1bit/s相当，即码元速率等于信息速率。

  （2）双极性不归零码

  图1-6所示为双极性不归零码，在每一码元时间间隔内，发正电流表示二进制的1,发负电流则表示二进制的0.正的幅值和负的幅值相等，所以称为双极性不归零码。这种情况的判决门限定为零电平。接收信号的值如在零电平以上，判为1:如在零电平以下判为0.

  以上两种编码信号是在一个码元全部时间内发出或不发出电流，或在全部码元时间内发出正电流或负电流，属于全宽码，即每一位码占用全部的码元宽度，即不归零。如重复发送“1”,就要连续发送正电流，如重复发送“0”,就要连续不送电流或连续发送负电流。

  （3）单极性归零码

  图1-7所示为单极性归零码，在每一码元时间间隔内，当发“1”时，发出正电流，但是发电流的时间短于一个码元的时间，即发一个窄脉冲；当发“0”时，仍然完全不发送电流。这样发“1”时有一部分时间不发电流，幅度降为零电平，故称为归零码。

  （4）双极性归零码

  图1-8所示为双极性归零码，在每一码元时间间隔内，当发“1”时，发出正的窄脉冲；当发“0”时，发出负的窄脉冲。

  双极性归零码的另一种形式称为交替双极性归零码（AMI）。在发送过程中，发“1”窄脉冲的极性总是交替的，即如果发前一个“1”用正脉冲，则发后一个“1”用负脉冲：而发“0”时不发脉冲。

  （5）曼彻斯特码

  曼彻斯特码（ManchesterCode）是一种双相码。在图1-9中用高电平到低电平的转换边

  表示“0”,而用低电平到髙电平的转换边表示“1”,位中间的电平转换边既表示了数据代码，也作为定时信号使用。曼彻斯特编码用在以太网中。

  （6）差分曼彻斯特码

  差分曼彻斯特编码也是一种双相码，如图1-10所示。和曼彻斯特编码不同的是，这种编码的码元中间的电平转换边只作为定时信号，而不表示数据。数据的表示在于每一位开始处是否有电平转换：有电平转换表示“0”,无电平转换表示“1”,差分曼彻斯特编码用在令牌环网中。

  以上各种编码各有优缺点。第一，脉冲宽度越大。发送信号的能量就越大，这对于提高接收端的信噪比有利。第二，脉冲时间宽度与传输频带宽度成反比关系，归零码的脉冲比全宽码的窄，因此它们在信道上占用的频带就较宽，归零码在频谱中包含了码元的速率，也就是说，发送频谱中包含有码元的定时信息。第三，双极性码与单极性码相比，直流分量和低频分量减少了，如果数据序列中“1”和“0”的位数相等，那么双极性码就没有直流分量，交替双极性码也没有直流分量，这一点对于传输是有利的。第四，曼彻斯特码和差分曼彻斯特码在每一个码元中均有跃变。没有直流分量，利用这些跃变可自动计时，因而便于同步。

  在数据通信中，选择什么样的数据编码要根据传输的速度、信道的带宽、线路的质量以及实现的价格等因素综合考虑。

  2.频带传输

  信号每秒钟变化的次数叫频率，单位为赫兹（Hz）。信号的频率有高有低，从低频到高频的范围叫频带，不同的信号有不同的频带。

  频带传输是指把数字设备上发出的数字信号调制成模拟信号后再发送、传输，到达接收端时再把模拟信号解调成原来的数字信号来进行传输。

  使用模拟信号传输数字数据时，需要借助于调制解调装置，把数字信号（基带脉冲）转换成模拟信号，使其变为适合于电话线路传输的信号。调制就是用基带脉冲对载波信号的某些参量进行控制，使这些参量随基带脉冲变化。经过调制的信号称为已调信号。已调信号通过电话线路传输到接收端，在接收端通过解调恢复为基带脉冲。

  任何载波信号有3个参堪：：振幅（A）、频率（f）和相位（P）。相应地，把数字信号转换成模拟信号就有3种基本技术：振幅调制（ASK）、频率调制（FSK）和相位调制（PSK）。

  （1）振幅调制

  振幅调制又称为振幅键控（ASK），它是用数字基带信号控制正弦载波信号的振幅。当传输的基带信号为“1”时，振幅调制信号的振幅保持某个电平不变，即有载波信号输出：当传输的基带信号为“0”时，振幅调制信号的振幅为零，即没有载波信号输出。振幅调制实际上相当于用一个受数字的基带信号控制的开关来开启和关闭正弦载波信号的输出。

  （2）频率调制

  频率调制又称为频率键控（FSK），它是用数字基带信号控制正弦载波信号的频率f.当传输的基带信号为“1”时，频率调制信号的角频率为2πƒ1;当传输的基带信号为“0”时，频率调制信号的角频率为2πƒ2.

  （3）相位调制

  相位调制又称为相位键控（PSK），它是用数字基带信号控制正弦载波信号的相位。相位调制又可分为绝对相移调制和相对相移调制。

  绝对相移调制是利用正弦载波的不同相位直接表示数字。当传输的基带信号为“1”时，绝对相移调制信号和载波信号的相位差为0:当传输的基带信号为“0”时，绝对相移调制信号和载波信号的相位差为π。

  相对相移调制是利用前后码元信号相位的相对变化来传送数字信息。当传输的基带信号为“1”时，后一个码元信号和前一个码元信号的相位差为当传输的基带信号为“0”时，后一个码元信号和前一个码元信号的相位差为0.

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