$2.2.1數(shù)字數(shù)據(jù)的模擬信號編碼
為了利用廉價的公共電話交換網(wǎng)實現(xiàn)計算機之間的遠程通信,必須首先將發(fā)送端的數(shù)字信號變換成能夠在公共電話網(wǎng)上傳輸?shù)囊纛l信號,經(jīng)傳輸后,再在接收端將音頻信號逆變換成對應(yīng)的數(shù)字信號。數(shù)字信號變換成音頻信號的過程稱調(diào)制(Modulate),音頻信號逆變換成對應(yīng)數(shù)字信號的過程稱解調(diào)(Demod1date)。一般,每個工作站既要發(fā)送數(shù)據(jù)又要接收數(shù)據(jù),所以總把調(diào)制和解調(diào)功能合做成一個設(shè)備,稱作調(diào)制解調(diào)器(MODulater DEModulater,簡稱Modem)。
為什么在公共交換電話網(wǎng)中傳輸數(shù)字信號必須使用調(diào)制解調(diào)器呢?因為電話公共交換網(wǎng)是一種頻帶模擬信道,它的頻帶范圍僅為300Hz~3400Hz,而數(shù)字信號由于所含的極其豐富的高次諧波成份使得頻寬范圍可從OEfz一直延伸達幾千兆Efz,如不加任何措施利用模擬信道來傳輸數(shù)字信號,必定出現(xiàn)極大的失真和差錯。所以,要在公共電話網(wǎng)上傳輸數(shù)據(jù),必須將數(shù)字信號變換成電話網(wǎng)所允許的音頻頻帶范圍,即300Hz~3400Hz。可以這么說,在最終實現(xiàn)稱作綜合業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)網(wǎng)(ISDN)的數(shù)字通信系統(tǒng)之前,很大一部分遠程數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)仍需要用調(diào)制解調(diào)器.
圖2.6給出了使用調(diào)制解調(diào)器進行遠程通信的系統(tǒng)示意圖。這里,與調(diào)制解調(diào)器相連的工作站可以是計算機、遠程終端、外部設(shè)備甚至局域網(wǎng)。從圖中可看出調(diào)制解調(diào)器將數(shù)字信號調(diào)制成模擬信號,傳輸?shù)綄Ψ胶笥謱⒛M信號解調(diào)成數(shù)字信號的過程。
模擬信號傳輸?shù)幕A(chǔ)是載波,載波具有三大要素,即幅度、頻率和相位,數(shù)字數(shù)據(jù)可以針對載波的不同要素或它們的組合進行調(diào)制。圖2.7給出了數(shù)字調(diào)制的三種基本形式,即移幅鍵控法ASK (Amplitude -Shift keying)、移頻鍵控法FSK(Frequency一Shift keying)
在移幅鍵控法ASK方式下,用載波的兩種不同幅度來表示二進制值的兩種狀態(tài)。例如,用幅度恒定的載波的存在表示"1",而用載波不存在來表示"0"。ASK方式容易受增益變化的影響,是一種效率相當?shù)偷恼{(diào)制技術(shù)。在電話線路上,通常只能達到1200bps的速率。
在移頻鍵控法FSK方式下,用載波頻率附近的兩種不同頻率表示二進制的"0"和"1"。在電話線路上使用FSK可以實現(xiàn)全雙工操作,全雙工指的是可以同時在兩個方向傳輸數(shù)據(jù)。為了達到這個目的,可以將電話頻帶分為300~1700Hz和1700~3000HZ兩個子頻帶,其中一個用于發(fā)送,另一個用于接收。在一個方向上,調(diào)制解調(diào)器可以用1070Hz和1270Hz兩種頻率表示"0"和"1";對于另一個方向,則可以用2025Hz和2225Hz兩種頻率表示"0"和"1"。由于兩套頻率相互之間不存在重疊,因此幾乎沒有什么干擾。在電話線路上,FSK通常也可達1200bps速率。
在移相鍵控法PSK方式下,利用載波信號相位移動來表示數(shù)據(jù)。圖2.7中是一個二相系統(tǒng)的例子,在這個系統(tǒng)中,用相移為曠的頻率表示"0",用相移為180。(即反相)的頻率表示"1"。實際應(yīng)用中,PSK也可以使用多于二相的相移,例如四相、八相,甚至更多相。這樣,便可使一個碼元取4種、8種或更多種離散狀態(tài),由此使數(shù)據(jù)傳輸速率增加到原來的2倍、3倍或更多。將信號頻率分別移相四種不同角度的移相鍵控法稱為2DPSK,利用這種技術(shù),可以對傳輸速率起到加倍的作用,例如信號速率為600波特的調(diào)制解調(diào)器,則2DPSK的有效數(shù)據(jù)速率可為1200bps;將一個信號分別移相8種不同角度的移相鍵控法稱為3DPSK,這種技術(shù)若使用在1600波特的調(diào)制解調(diào)器上,便可以獲得4800bps的數(shù)據(jù)傳輸率。
采用多相PSK可以有效地提高數(shù)據(jù)傳輸速率,但受實際電話傳輸網(wǎng)的限制,相移數(shù)已達到上限,再要提高數(shù)據(jù)傳輸速率,只能另尋它法。PSK和ASK技術(shù)的結(jié)合可以解決這個問題,這種方式稱相位幅度調(diào)制PAM (Pulse Amplitude Modulation)。例如采用12種相位,其中的4種相位每個信號取2種幅度,這樣就得到16種不同的相位幅度離散狀態(tài),可使一個碼元表示4位二進制數(shù)據(jù),從而大大提高了數(shù)據(jù)傳輸速率。這種類型的調(diào)制解調(diào)器有效數(shù)據(jù)傳輸率可達9600bps。另外還有一種正交幅度調(diào)制QAM (Quadrature Amplitude Modula-tbn),它是一種改進了的PAM技術(shù)。
調(diào)制解調(diào)器之間通過公用電話網(wǎng)相連接時所采用的傳輸方式有全雙工、半雙工之分,而連線方式有二線制、四線制之分。采用的連接線可以是專用線路,也可以是公共電話交換網(wǎng)。全雙工可以是二線制全雙工,也可以是四線制全雙工,半雙工只有二線制半雙工。由于全雙工能在同一時刻進行雙向的信號傳輸,不像半雙工需要進行收、發(fā)切換,所以同一速率的調(diào)制解調(diào)器,全雙工通信的效率要優(yōu)于半雙工的。對于二線制全雙工,因為收與發(fā)合在一個回路里傳輸,所以要用適當?shù)募夹g(shù)來分割信道。
為了利用廉價的公共電話交換網(wǎng)實現(xiàn)計算機之間的遠程通信,必須首先將發(fā)送端的數(shù)字信號變換成能夠在公共電話網(wǎng)上傳輸?shù)囊纛l信號,經(jīng)傳輸后,再在接收端將音頻信號逆變換成對應(yīng)的數(shù)字信號。數(shù)字信號變換成音頻信號的過程稱調(diào)制(Modulate),音頻信號逆變換成對應(yīng)數(shù)字信號的過程稱解調(diào)(Demod1date)。一般,每個工作站既要發(fā)送數(shù)據(jù)又要接收數(shù)據(jù),所以總把調(diào)制和解調(diào)功能合做成一個設(shè)備,稱作調(diào)制解調(diào)器(MODulater DEModulater,簡稱Modem)。
為什么在公共交換電話網(wǎng)中傳輸數(shù)字信號必須使用調(diào)制解調(diào)器呢?因為電話公共交換網(wǎng)是一種頻帶模擬信道,它的頻帶范圍僅為300Hz~3400Hz,而數(shù)字信號由于所含的極其豐富的高次諧波成份使得頻寬范圍可從OEfz一直延伸達幾千兆Efz,如不加任何措施利用模擬信道來傳輸數(shù)字信號,必定出現(xiàn)極大的失真和差錯。所以,要在公共電話網(wǎng)上傳輸數(shù)據(jù),必須將數(shù)字信號變換成電話網(wǎng)所允許的音頻頻帶范圍,即300Hz~3400Hz。可以這么說,在最終實現(xiàn)稱作綜合業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)網(wǎng)(ISDN)的數(shù)字通信系統(tǒng)之前,很大一部分遠程數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)仍需要用調(diào)制解調(diào)器.
圖2.6給出了使用調(diào)制解調(diào)器進行遠程通信的系統(tǒng)示意圖。這里,與調(diào)制解調(diào)器相連的工作站可以是計算機、遠程終端、外部設(shè)備甚至局域網(wǎng)。從圖中可看出調(diào)制解調(diào)器將數(shù)字信號調(diào)制成模擬信號,傳輸?shù)綄Ψ胶笥謱⒛M信號解調(diào)成數(shù)字信號的過程。
模擬信號傳輸?shù)幕A(chǔ)是載波,載波具有三大要素,即幅度、頻率和相位,數(shù)字數(shù)據(jù)可以針對載波的不同要素或它們的組合進行調(diào)制。圖2.7給出了數(shù)字調(diào)制的三種基本形式,即移幅鍵控法ASK (Amplitude -Shift keying)、移頻鍵控法FSK(Frequency一Shift keying)
在移幅鍵控法ASK方式下,用載波的兩種不同幅度來表示二進制值的兩種狀態(tài)。例如,用幅度恒定的載波的存在表示"1",而用載波不存在來表示"0"。ASK方式容易受增益變化的影響,是一種效率相當?shù)偷恼{(diào)制技術(shù)。在電話線路上,通常只能達到1200bps的速率。
在移頻鍵控法FSK方式下,用載波頻率附近的兩種不同頻率表示二進制的"0"和"1"。在電話線路上使用FSK可以實現(xiàn)全雙工操作,全雙工指的是可以同時在兩個方向傳輸數(shù)據(jù)。為了達到這個目的,可以將電話頻帶分為300~1700Hz和1700~3000HZ兩個子頻帶,其中一個用于發(fā)送,另一個用于接收。在一個方向上,調(diào)制解調(diào)器可以用1070Hz和1270Hz兩種頻率表示"0"和"1";對于另一個方向,則可以用2025Hz和2225Hz兩種頻率表示"0"和"1"。由于兩套頻率相互之間不存在重疊,因此幾乎沒有什么干擾。在電話線路上,FSK通常也可達1200bps速率。
在移相鍵控法PSK方式下,利用載波信號相位移動來表示數(shù)據(jù)。圖2.7中是一個二相系統(tǒng)的例子,在這個系統(tǒng)中,用相移為曠的頻率表示"0",用相移為180。(即反相)的頻率表示"1"。實際應(yīng)用中,PSK也可以使用多于二相的相移,例如四相、八相,甚至更多相。這樣,便可使一個碼元取4種、8種或更多種離散狀態(tài),由此使數(shù)據(jù)傳輸速率增加到原來的2倍、3倍或更多。將信號頻率分別移相四種不同角度的移相鍵控法稱為2DPSK,利用這種技術(shù),可以對傳輸速率起到加倍的作用,例如信號速率為600波特的調(diào)制解調(diào)器,則2DPSK的有效數(shù)據(jù)速率可為1200bps;將一個信號分別移相8種不同角度的移相鍵控法稱為3DPSK,這種技術(shù)若使用在1600波特的調(diào)制解調(diào)器上,便可以獲得4800bps的數(shù)據(jù)傳輸率。
采用多相PSK可以有效地提高數(shù)據(jù)傳輸速率,但受實際電話傳輸網(wǎng)的限制,相移數(shù)已達到上限,再要提高數(shù)據(jù)傳輸速率,只能另尋它法。PSK和ASK技術(shù)的結(jié)合可以解決這個問題,這種方式稱相位幅度調(diào)制PAM (Pulse Amplitude Modulation)。例如采用12種相位,其中的4種相位每個信號取2種幅度,這樣就得到16種不同的相位幅度離散狀態(tài),可使一個碼元表示4位二進制數(shù)據(jù),從而大大提高了數(shù)據(jù)傳輸速率。這種類型的調(diào)制解調(diào)器有效數(shù)據(jù)傳輸率可達9600bps。另外還有一種正交幅度調(diào)制QAM (Quadrature Amplitude Modula-tbn),它是一種改進了的PAM技術(shù)。
調(diào)制解調(diào)器之間通過公用電話網(wǎng)相連接時所采用的傳輸方式有全雙工、半雙工之分,而連線方式有二線制、四線制之分。采用的連接線可以是專用線路,也可以是公共電話交換網(wǎng)。全雙工可以是二線制全雙工,也可以是四線制全雙工,半雙工只有二線制半雙工。由于全雙工能在同一時刻進行雙向的信號傳輸,不像半雙工需要進行收、發(fā)切換,所以同一速率的調(diào)制解調(diào)器,全雙工通信的效率要優(yōu)于半雙工的。對于二線制全雙工,因為收與發(fā)合在一個回路里傳輸,所以要用適當?shù)募夹g(shù)來分割信道。