第二章 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)

1、第二章第二章數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)2-1 數(shù)據(jù)通信的基本概念數(shù)據(jù)通信的基本概念 信息：是對事物運動狀態(tài)和特征的描述 數(shù)據(jù)：是信息的表示形式。 信號：是在特定通信方式中數(shù)據(jù)的具體表現(xiàn)。 數(shù)據(jù)通信：在不同計算機之間傳送表示字母、數(shù)字、符號的二進制代碼（0，1）比特序列的模擬或數(shù)字信號的過程。信息、數(shù)據(jù)和信號三者是緊密相關(guān)的。在計算機中，信息是用數(shù)據(jù)表示的并轉(zhuǎn)換成信號進行傳送。模擬信號和數(shù)字信號模擬信號和數(shù)字信號 模擬信號：是一個連續(xù)變化的物理量，即在時間特性上幅度（信號強度）的取值是連續(xù)的，一般用連續(xù)變化的電壓表示。 數(shù)字信號：是指信號在時間特性上幅度的取值是有限的離散值，一般用脈沖序列表示。

2、信道信道 信道是傳輸信號的通道。 信號帶寬：是信號中包含的頻率范圍。 信道帶寬是信道上允許傳輸電磁波的有效頻率范圍，即該頻帶范圍的最高值減最低值，簡稱為帶寬。 狹義信道的帶寬由傳輸介質(zhì)的物理特性決定；而廣義信道的帶寬還要受信號轉(zhuǎn)換設(shè)備的限制。 信道容量是衡量一個信道傳輸數(shù)字信號的重要參數(shù)。信道容量是指單位時間內(nèi)信道上所能傳輸?shù)淖畲蟊忍財?shù)，用每秒比特數(shù)（bps）表示。當(dāng)傳輸?shù)男盘査俾食^信道的最大信號速率時，就會產(chǎn)生失真。數(shù)據(jù)通信模型數(shù)據(jù)通信模型 信息是人類所創(chuàng)造的各種聲、像、圖、文形式的知識。數(shù)據(jù)是信息在計算機中的表現(xiàn)形式。數(shù)據(jù)傳輸過程是將信息從源站傳到目標(biāo)站。首先需要將信息用二進制代碼來表示

3、，其次還要將二進制代碼以一定的信號方式（如電壓、電流、脈沖等）來表示。然后將信號由信道進行傳輸。到達接受方后，再根據(jù)這些信號恢復(fù)為數(shù)據(jù)代碼，從而使目標(biāo)站得到源站發(fā)送端的信息。 2-2 傳輸介質(zhì)傳輸介質(zhì) 要在網(wǎng)絡(luò)站點之間傳輸比特，就必須先找到一個在站點之間傳送信號的方法，也就是說必需建立有效的物理連接。傳輸介質(zhì)提供了這種最基本的連接。 計算機網(wǎng)絡(luò)中采用的傳輸介質(zhì)有有線和無線兩大類。 雙絞線、同軸電纜和光纖是常見的三種有線傳輸介質(zhì)。雙絞線雙絞線 雙絞線是由螺旋狀纏繞在一起的成對絕緣導(dǎo)線組成的。每對導(dǎo)線按照一定密度相互對絞，一根導(dǎo)線在傳輸信號時的電磁輻射會被另一根導(dǎo)線上的電磁輻射抵消，從而減少相互間

4、的電磁干擾。 由于雙絞線的價格便宜，并且安裝、維護方便，所以無論對于模擬信號還是數(shù)字信號，也無論對于廣域網(wǎng)還是局域網(wǎng)，雙絞線都是常用的一種網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)。絞合技術(shù)絞合技術(shù) 雙絞線是由粗約1mm的相互絕緣的一對銅導(dǎo)線絞合組成的，對稱均勻的絞扭可以減少線對之間的電磁干擾。 絕緣材料使兩根線中的金屬導(dǎo)體不會因為互碰而導(dǎo)致電路短路。 雙絞線可以用每單位長度導(dǎo)線上螺旋的數(shù)目來作為這種電纜的一個衡量標(biāo)準(zhǔn)。螺旋的數(shù)目越多，就越有助于降低電容和減少串?dāng)_。 串?dāng)_指相鄰導(dǎo)線對之間的相互電磁干擾。雙絞線的分類雙絞線的分類 雙絞線通常被捆扎起來，并裹上保護層。按照保護層的區(qū)別，雙絞線分為屏蔽雙絞線和非屏蔽雙絞線：非屏蔽

5、雙絞線非屏蔽雙絞線UTP 非屏蔽雙絞線（Unshielded Twisted Pair，UTP） 通常由不同顏色的（橙綠藍棕）4對雙絞線組成，使用RJ-45連接器。 屏蔽雙絞線屏蔽雙絞線STP 屏蔽雙絞線（Shielded Twisted Pair，STP） 電纜外層由鋁箔包裹，價格相對較高，并且需要支持屏蔽功能的特殊連接器和適當(dāng)?shù)陌惭b技術(shù)，但是性能要高于相應(yīng)的非屏蔽雙絞線UTP。 內(nèi)導(dǎo)體芯線絕緣層箔屏蔽銅屏蔽外套綜合布線使用的雙絞線綜合布線使用的雙絞線雙絞線種類雙絞線種類類型類型帶寬帶寬Mb/s屏蔽雙絞線STP3類165類100非屏蔽雙絞線UTP3類164類205類100超5類1556類25

6、0 由于雙絞線價格便宜，安裝容易，適用于結(jié)構(gòu)化綜合布線，所以得到了廣泛的使用。 電子工業(yè)協(xié)會 EIA定義了雙絞線電纜各種不同的型號 同軸電纜同軸電纜 同軸電纜是另一種常用的金屬導(dǎo)體傳輸介質(zhì)。 同軸電纜的結(jié)構(gòu)由四個部分組成：BNC連接器連接器光纜和光纖光纜和光纖 光纜是由能傳送光波的超細(xì)光導(dǎo)纖維制成的。 光纖通常由非常透明的石英玻璃拉成細(xì)絲，由纖芯和包層構(gòu)成雙層同心圓柱體。光纖信道光纖信道 光纖信道中的光源可以是發(fā)光二極管LED（Light Emitting Diode）或注入式激光二極管ILD（Injection Laser Diode）。這兩種器件都可以在有電流通過時發(fā)出光脈沖； 光脈沖通過

7、光導(dǎo)纖維傳播到達接受端； 接受端有一個光檢測器光電二極管，它遇光時產(chǎn)生電信號，這樣就形成了一個單向的光傳輸系統(tǒng)； 如果我們采用適當(dāng)?shù)姆椒?，如使用一對光纖或建立環(huán)型結(jié)構(gòu)，就可以達到信息點相互通信的目的。多模光纖和單模光纖多模光纖和單模光纖 在光纖中，只要射到光纖表面的光線的入射角大于某一個臨界角度，就可以產(chǎn)生全反射。因此，許多條不同角度入射的光線可以在一條光纖中傳輸，不同的傳播模式有不同的電磁場分布和不同的傳播路徑，這樣的光纖被稱為多模光纖。 如果核心層芯線的直徑小到光波波長大小，則光纖就成為波導(dǎo)，光在其中無反射地沿著芯線傳播，這種光纖被稱為單模光纖。多模光纖和單模光纖多模光纖和單模光纖多模光纖

8、和單模光纖多模光纖和單模光纖多模光纖 單模光纖 A、低速、短矩離傳輸 B、成本低 C、寬線芯、低效、耗散大 D、2km A、高速、長距離傳輸 B、成本高C、窄線芯、高效、耗散小D、60km（需要激光）光纖的結(jié)構(gòu)光纖的結(jié)構(gòu) 如圖所示，光纖由纖芯、包層、一次涂敷層和套層組成 光纖的使用光纖的使用 光纖的單向性 要進行雙向通信需要用雙股光纖 光纖的連接 熔接 不能拉得過緊，也不能形成直角光纖通信的優(yōu)點光纖通信的優(yōu)點 首先光纖可提供更高的帶寬，多模光纖的帶寬可達7GHz，單模光纖的帶寬可達200GHz，一對單模光纖在理論上可以提供幾億路電話的容量，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于銅質(zhì)線纜。光纖具有很高的數(shù)據(jù)傳輸速率、極寬的頻

9、帶、低誤碼率和低延遲。 其次，光傳輸不受電磁干擾，光纖埋在鐵路路基上，甚至與高壓線同桿并行架設(shè)也不會受到干擾；光傳輸不可能被偷聽，因此它的安全性和保密性好。 最后，光纖重量輕、體積小、耐腐蝕、鋪設(shè)容易，埋入地下或海底可以長時間不被腐蝕。 常見光纖接頭常見光纖接頭FCFCPCPC型光尾纖接頭外形圖型光尾纖接頭外形圖SCSCPCPC型光尾纖接頭外形圖型光尾纖接頭外形圖ST-PCST-PC型光尾纖接頭外形圖型光尾纖接頭外形圖FC/PCFC/PCSC/PCSC/PC型光尾纖外形圖型光尾纖外形圖網(wǎng)絡(luò)連接介質(zhì)網(wǎng)絡(luò)連接介質(zhì)同軸電纜同軸電纜 同軸電纜由中心的一根導(dǎo)線和包圍在某外邊的圓筒同軸電纜由中心的一根導(dǎo)線

10、和包圍在某外邊的圓筒狀導(dǎo)體組成狀導(dǎo)體組成 粗纜粗纜 AUI AUI （10Mbps、500m)細(xì)纜細(xì)纜 BNC BNC （10Mbps、185m） 非屏蔽雙絞線非屏蔽雙絞線 UTP 4對標(biāo)準(zhǔn)銅纜構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)：對標(biāo)準(zhǔn)銅纜構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)：選用選用RJ45連接器連接器 CATEGORY 3 10MbpsCATEGORY 5 100Mbps 屏蔽雙絞線屏蔽雙絞線 STP 屏蔽雙絞線是屏蔽技術(shù)和絞線技術(shù)的結(jié)合體，具有屏蔽雙絞線是屏蔽技術(shù)和絞線技術(shù)的結(jié)合體，具有很強的抗電磁干擾，抗無線電干擾的能力。很強的抗電磁干擾，抗無線電干擾的能力。 光纜光纜 采用光信號不受電磁干擾，傳輸距離長采用光信號不受電磁干擾

11、，傳輸距離長 無線信道無線信道 無線傳輸介質(zhì)一般不是人為架設(shè)的介質(zhì)，而是自然界所存在的介質(zhì)，這種介質(zhì)就是廣義的無線介質(zhì)。在這些無線介質(zhì)中完成通信稱為無線通信。 常見的無線介質(zhì)：無線電波、紅外線信號以及微波等。 在使用電纜非常困難或者說根本不可能時，無線通信可以出色地代替電纜。 使用無線通信時有一個非常重要的限制：同一介質(zhì)的其他信號、太陽黑子的運動、電離層變化和其他大氣干擾都會對通信信號形成干擾，從而會產(chǎn)生許多問題。 微波技術(shù)微波技術(shù) 微波通信系統(tǒng)可分為地面微波中繼系統(tǒng)和衛(wèi)星微波系統(tǒng)，兩者之間的功能相似，但通信能力有很大區(qū)別。 微波信號是直線傳輸?shù)摹?使用衛(wèi)星作為微波中繼可以擴大通信距離，但有時

12、間延遲。地面微波中繼地面微波中繼 為實現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信，必須在一條無線通信信道的兩個終端之間建立若干個中繼站。中繼站把前一站送來的信號經(jīng)過放大后再傳送到下一站，這種傳遞不斷持續(xù)下去就可以實現(xiàn)視線被地表切斷的兩個站點間的傳輸 衛(wèi)星通信衛(wèi)星通信 衛(wèi)星通信是利用衛(wèi)星上的微波天線接收地面發(fā)送站發(fā)送的信號，經(jīng)過放大后再轉(zhuǎn)發(fā)給地面接收站，通信衛(wèi)星可看作是懸在太空中的微波中繼站。紅外線技術(shù)和激光技術(shù)紅外線技術(shù)和激光技術(shù) 紅外線傳輸 用于短距離通信，如電視、錄象機等的遙控 也可用于無線LAN 缺點：不能穿透固體 激光傳輸 應(yīng)用：在屋頂用激光連接兩個建筑物的LAN 缺點：不能穿透雨和濃霧，易受天氣影響2-3 數(shù)據(jù)編

13、碼 在數(shù)據(jù)通信中，數(shù)據(jù)要使用二進制編碼表示。 二進制編碼數(shù)據(jù)需要使用信號表示，用兩個電平值 （0，1）表示是一種最簡單的數(shù)據(jù)編碼方法?；鶐鬏敽皖l帶傳輸基帶傳輸和頻帶傳輸 基帶：數(shù)字脈沖信號所固有的頻帶稱為基本頻帶，簡稱基帶。 基帶傳輸(Baseband)：人們將數(shù)據(jù)信道直接傳輸數(shù)字信號的傳輸方式叫做基帶傳輸。 基帶傳輸在基本不改變數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)信號波形的情況下直接傳輸數(shù)字信號，具有速率高和誤碼率低等優(yōu)點，適合于短距離傳輸，如局域網(wǎng)。 頻帶傳輸(Broadband)：利用模擬信道傳輸信號的傳輸方式叫做頻帶傳輸或?qū)拵鬏敗?頻帶傳輸?shù)膬?yōu)點是可以利于現(xiàn)有的大量模擬信道(如模擬電話交換網(wǎng))通信。價格便宜，

14、容易實現(xiàn)。家庭用戶撥號上網(wǎng)就屬于這一類通信。它的缺點是速率低，誤碼率高。并行傳輸與串行傳輸并行傳輸與串行傳輸 并行傳輸（parallel）與串行傳輸（serial）b7b6b5b4b3b2b1b0b7b6b5b4b3b2b1b0b7b6b5b4b3b2b1b0b7b6b5b4b3b2b1b0b0b1b2b3b4b5b6b7串行信道并行信道(a)并行數(shù)據(jù)傳輸(b)串行數(shù)據(jù)傳輸同步傳輸和異步傳輸同步傳輸和異步傳輸 數(shù)據(jù)通信中，通信雙方在收發(fā)數(shù)據(jù)序列時必須在時間上取得一致，才能保證接受的數(shù)據(jù)與發(fā)送的數(shù)據(jù)一致，這就是通信的同步。 并行傳輸由于距離較短，僅用于通信設(shè)備和計算機設(shè)備內(nèi)部，由增加控制線通過控

15、制信號來實現(xiàn)通信同步。 串行通信是目前最經(jīng)濟的長距離傳輸方式?，F(xiàn)在有兩種不同的方式來解決串行通信中的同步問題：同步傳輸與異步傳輸。同步傳輸同步傳輸 同步傳輸以固定的時鐘節(jié)拍來發(fā)送數(shù)據(jù)信號，使接受端接受的每一位數(shù)據(jù)都要和發(fā)送端保持同步，中間沒有間斷時間。因此在一個串行的數(shù)據(jù)流當(dāng)中，各信號碼元的相對位置都是固定的，接受方為了從受到的數(shù)據(jù)流中正確的區(qū)分出一個個信號碼元，首先必須建立正確的時鐘信號。 在近距離傳輸中可以增加時鐘信號線，遠(yuǎn)距離時則必須在發(fā)送的數(shù)據(jù)流當(dāng)中附加同步時鐘信號，由接受方提取來完成位同步。異步傳輸異步傳輸 異步傳輸一般以字符（或等長的信元）為單位。以面向字符發(fā)送為例，在發(fā)送每一個字

16、符代碼時，前面均加一個“起”信號，后面加一個“止”信號，一般起始位為0，結(jié)束位為1。一個個字符可以連續(xù)發(fā)送也可以獨立發(fā)送，即中間可以有間隔時間。但在一個字符時間內(nèi)，收發(fā)雙方各數(shù)據(jù)位必須同步，起-止信號實際上起同步作用，以便能區(qū)分串行傳輸?shù)淖址?如下圖所示，這種方式又稱為起-止式同步方式。由此可見，在串行通信中的異步傳輸是相對的。 2-5數(shù)據(jù)通信方式 信道結(jié)構(gòu) 在數(shù)據(jù)通信中，信道有三種結(jié)構(gòu) 單工通信信道 半雙工通信信道 全雙工通信信道傳輸方式傳輸方式 單工通信：通信線路上的數(shù)據(jù)始終按照一個固定的方向傳送。 半雙工通信：數(shù)據(jù)信息可沿信道的兩個方向傳送，但同一時刻只能沿一個方向傳送。 全雙工通信：

17、數(shù)據(jù)信息能同時沿相反兩個方向傳送。 設(shè)計一個數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，必須先決定數(shù)據(jù)信息是沿一個方向傳輸，還是來回雙向傳輸。要是來回雙向傳輸，還要決定發(fā)送/接受設(shè)備是否同時進行發(fā)送和接受，即是否雙向同時傳輸。2-6 多路復(fù)用技術(shù)多路復(fù)用技術(shù) 利用一個信道同時傳輸多個信號，稱為信道多路復(fù)用。 多路復(fù)用包括信號復(fù)合、傳輸及分離三個過程，如下圖所示。目前多路復(fù)用技術(shù)主要有兩種形式：頻分多路復(fù)用（FDM）和時分多路復(fù)用（TDM）。頻分復(fù)用頻分復(fù)用 這是頻率域上的正交分割。 信號集采用在頻譜上互不重疊載頻，算符集采用不同載頻的帶通濾波器。頻率頻率時間時間頻率頻率 1 1頻率頻率 2 2頻率頻率 3 3頻率頻率 4

18、4頻率頻率 5 5時分復(fù)用時分復(fù)用 這是時間域上的正交分割。 信號集按不同的時隙進行分割，并讓各個地址的信號在時間上互不重疊。算符集采用相應(yīng)時隙的選擇開關(guān)。頻率時間B C DB C DB C DB C DAAAA在 TDM 幀中的位置不變TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀統(tǒng)計時分復(fù)用統(tǒng)計時分復(fù)用 STDM 用戶ABCDabcdttttt3 個 STDM 幀#1acbab bcacd#2#3統(tǒng)計時分復(fù)用波分復(fù)用：波分復(fù)用：FDM的變形的變形 1550 nm 0 1551 nm 1 1552 nm 2 1553 nm 3 1554 nm 4 1555 nm 5 1556 nm 6 1557 nm 70 1550 nm 1 1551 nm 2 1552 nm 3 1553 nm 4 15