數據通信基礎v2.0網絡傳輸介質

數據通信基礎國網技術學院自動化運維專業(yè)知識類系列課程本章重點討論數據通信系統(tǒng)和常用通信信道類型、數據調制與編碼技術、數據傳輸技術、多路復用技術、數據交換技術和差錯控制等技術。學習重點能力要求了解：數據通信的基本概念,數據傳輸與編碼技術.熟悉：數據傳輸技術的發(fā)展趨勢、數據通信系統(tǒng)和

常用通信信道類型。掌握：多路復用技術、數據交換技術、差錯控制技術等。教學目的§1數據通信的基本概念§4網絡多路復用§3網絡數據傳輸§2數據調制與編碼數據通信基礎§5網絡數據交換課程內容§1數據通信的基本概念在數據通信技術中，信息、數據、信號是十分重要的概念。數據通信的目的就是要交換信息，信息的載體可以是數字、文字、語音、圖形和圖像等。為了傳送這些信息，首先要將數字、文字、語音等信息用二進制代碼的數據（數字數據）來表示，然后用信號進行傳輸，數據是通過信號傳輸的。1.1信息、數據與信號1、信息

信息泛指那些通過各種方式傳播的、可被感受的聲音、文字、圖像、符號等所表征的某一特定事物的消息、情報或知識。

2、數據

數據是對客觀事物的符號表示，在計算機科學中是指所有輸入到計算機中并被計算機程序處理的符號的總稱。數據分為模擬數據和數字數據兩種。模擬數據數字數據數據1.1信息、數據與信號

3、信號信號是數據的具體物理表現形式，它具有確定的物理描述,如電信號、光信號或磁場強度等。信號分為數字信號和模擬信號兩種。ty（a）連續(xù)的模擬信號ty（b）離散的數字信號圖1模擬信號與數字信號波形1.2

數據通信系統(tǒng)

1、數據通信系統(tǒng)的基本結構

通信系統(tǒng)是由發(fā)送設備、傳輸信道和接收設備三大部分組成。數據通信系統(tǒng)的基本結構如圖所示。圖2通信系統(tǒng)的基本結構數據+噪音噪音源信源信道信宿1.2

數據通信系統(tǒng)

2、數據通信類型

在數據通信系統(tǒng)中，將傳輸模擬信號的系統(tǒng)稱為模擬通信系統(tǒng)，將傳輸數字信號的系統(tǒng)稱為數字通信系統(tǒng)。

①模擬通信系統(tǒng)：圖3模擬通信系統(tǒng)結構信源調制器解調器信宿信道噪音源1.2

數據通信系統(tǒng)

②數字通信系統(tǒng)：圖4數字通信系統(tǒng)結構信源編碼器解碼器信宿信道噪音源信宿噪音源信道編碼器信源譯碼器信源編碼器信源解調器調制器信道信道譯碼器圖5調制解調器的功能作用1.2

數據通信系統(tǒng)電話線電話交換網計算機Modem電話機Modem電話機計算機電話線抗干擾能力強便于加密便于存儲、處理便于和計算機連接數字通信系統(tǒng)中的設備便于集成化和微型化圖6調制解調器的功能作用§2數據調制與編碼

數據是描述事物的符號，通過解釋數據而獲得信息。由于在線路上傳輸的數據有模擬數據和數字數據，因而數據傳輸的通信信道有模擬信道與數字信道之分。為了便于不同數據在不同的信道中傳輸（適應不同的傳輸特性),在數據送入信道之前必須對其進行調制和編碼。2.1信道的分類每個輸出符號只取決于當前輸入符號，而和其他輸入符號無關2.2數據調制與編碼

在計算機中的數據是用二進制0、1比特序列表示的，在物理上是用低電平和高電平來呈現的。在通信系統(tǒng)中,數據的調制和編碼可分為4種基本形式：數字數據的模擬調制模擬數據的模擬調制數字數據的數字編碼模擬數據的數字編碼2.2.1數字數據的模擬調制

數字數據的調制基于調幅、調頻、調相3種調制技術，分別稱為振幅鍵控、移頻鍵控和移相鍵控。圖7顯示了對數字數據“010010”進行不同調制方法的波形。圖7數字數據的調制原理示意圖2.2.1數字數據的模擬調制

1、振幅鍵控（Amplitude-ShiftKeying，ASK）

振幅鍵控是通過改變載波信號振幅來表示數字信號1、0。ASK信號波形如圖7（a）所示。

2、移頻鍵控（Frequency-ShiftKeying，FSK）

移頻鍵控方法是通過改變載波信號角頻率來表示數字信號1、0。FSK信號波形如圖7（b）所示。

3、移相鍵控（Phase-ShiftKeying，PSK）

移相鍵控方法是通過改變載波信號的相位值來表示數字信號1、0。2.2.2模擬數據的模擬調制

對模擬數據進行模擬調制的目的：其一是將低頻信號搬遷到較高的頻帶進行傳輸；其二是將模擬信號放大；其三是通過調制可以使用頻分多路復用技術。模擬數據調制可通過調幅、調頻和調相3種方法來實現，如圖8所示?；鶐鬏斝盘柛哳l載波信號(a)振幅調制(b)頻率調制(c)相位調制圖8模擬信號的模擬凋制2.2.3數字數據的數字編碼

數字數據的數字編碼就是如何把數字數據用物理信號的波形表示，是用高低電平的不同組合來表示二進制的方法。常用的編碼方式主要有3種：不歸零編碼、曼徹斯特編碼和差分曼徹斯特編碼。

數字數據的數字編碼不歸零編碼單極性不歸零碼雙極性不歸零碼曼徹斯特編碼差分曼徹斯特編碼2.2.4模擬數據的數字編碼

模擬數據的數字編碼是把模擬數據轉換為數字信號的編碼方法。由于數字信號傳輸失真小、誤碼率低、傳輸速率高、便于計算機存儲，所以將模擬數據數字化已成為必然趨勢。

采樣速率8000t/s指定數值給對應的PAM信號將量化值進行編碼模擬信號PAM信號PAM信號數字信號圖9PCM脈沖編碼調制過程示意圖§3網絡數據傳輸

數據傳輸是網絡通信的物質基礎。數據傳輸技術涉及的內容很多，包括數據傳輸媒介、數據傳輸帶寬、數據傳輸方式和數據傳輸質量參數等。傳輸媒介傳輸帶寬傳輸方式數據傳輸質量參數數據傳輸涉及的主要內容3.1數據傳輸介質

數據傳輸介質是網絡中連接收發(fā)雙方的物理通路，是數據通信中實際傳送信息的載體。同軸電纜雙絞線光纖無線與衛(wèi)星紅外線網絡中常用的傳輸介質：3.1數據傳輸介質

1、同軸電纜（CoaxialCable）

同軸電纜由內導體、絕緣層、屏蔽層及外部保護層組成。保護層、屏蔽層、絕緣層、導體圖10同軸電纜結構示意圖優(yōu)點抗干擾性強支持多點連接缺點物理可靠性不好3.1數據傳輸介質

2、雙絞線（TwistedPair）

雙絞線的物理結構是由按規(guī)則螺旋結構排列的2根、4根或8根絕緣導線組成。一對線可以作為一條通信線路，各個線對螺旋排列的目的是為了使各線對之間的電磁干擾最小。雙絞線可分為非屏蔽雙絞線UTP和屏蔽雙絞線STP。

屏蔽雙絞線非屏蔽雙絞線單模光纖多模光纖

3、光纖（Fiber）

光纖是光導纖維（FiberOptics）的簡稱，采用光導纖維作為傳輸介質，主要由石英、多組分玻璃纖維、塑料等制作而成。光纖分為單模（8.3/125um）和多模（50/125um，62.5/125um）兩種。3.1數據傳輸介質3.1數據傳輸介質

4、微波通信（MicrowaveCommunication）

地球視線傳輸視線傳輸微波中繼站圖11地面微波接力通信

5、衛(wèi)星通信（SatelliteCommunication）

衛(wèi)星衛(wèi)星地球站衛(wèi)星地球站3.6χ104km地球圖12衛(wèi)星通信3.1數據傳輸介質傳輸介質帶寬速率/工作頻帶性能傳輸距離價格應用雙絞線寬帶基帶≤1Gb/s較好模擬：10km數字：500m低模擬/數字信號傳輸50Ω同軸電纜75Ω同軸電纜基帶10Mb/s較好＜3km低基帶數字信號寬帶≤450MHz較好100km中模擬、數據、音頻光纖寬帶49Gb/s很好2km以上高高微波寬帶4～6GHz好幾百km中等中等衛(wèi)星寬帶1～10GHz很好18000km高高

以上介紹了雙絞線、同軸電纜、光纖、微波、衛(wèi)星通信5種介質，其區(qū)別如下：3.2數據傳輸帶寬

在計算機網絡中，根據傳輸介質的信道帶寬可分為基帶、頻帶和寬帶。局域網中主要采用基帶和頻帶傳輸,有線電視和無線局域網中主要采用寬帶傳輸?；鶐鬏旑l帶傳輸寬帶傳輸基帶傳輸是指數字脈沖信號在傳輸介質上保持數據波形按原樣進行傳輸。頻帶傳輸指把數字信號調制成模擬信號后再發(fā)送和傳輸，到達接收端再把音頻信號解調成原來的數字信號。寬帶傳輸指比音頻更寬的頻帶，若是采用75Ω的CATV同軸電纜或光纖作傳輸介質，帶寬為300MHz。3.3數據傳輸的質量參數

數據傳輸的質量參數是衡量數據傳輸的有效性和可靠性的參數。有效性主要由數據傳輸速率、調制速率、信道帶寬、通信容量、誤碼率、傳輸延遲等來衡量；可靠性一般用數據傳輸的誤碼率指標來衡量；比特率和波特率是用來描述系統(tǒng)傳輸率的參量。1、數據傳輸單位：通常可用比特、碼元、碼字來表示。2、數據傳輸速率：指每秒能傳輸的二進制信息位數，又稱為比特率，用bps標記，表示每秒傳輸的二進制位數，單位用比特/每秒表示。3.3數據傳輸的質量參數3、調制速率：也稱為波形速率或碼元速率，它是數字信號經過調制后的傳輸速率，表示數據傳輸過程中線路上每秒鐘傳送的波形個數。4、信道帶寬：指信道中傳輸的信號在不失真的情況下所占用的頻率范圍，通常稱為信道的通頻帶，單位用赫茲（調制速率）表示。5、信道容量：指信道能傳輸信息的最大能力，一般用時間內最大可傳送的字節(jié)數來表示。信道容量由信道帶寬F、可使用的時間T以及信道質量決定。3.3數據傳輸的質量參數6、誤碼率：誤碼率也稱為出錯率，是指數據通信系統(tǒng)在正常工作情況下信息傳輸的錯誤率。7、時延：時延是指一個報文或分組從一條鏈路的一端傳送到另一端所需的時間，它包括3部分：時延＝發(fā)送時延＋傳播時延＋處理時延3.4串行傳輸與并行傳輸

1、串行傳輸（SerialTransmission）

串行傳輸是指數據以串行方式，在一條信道上傳輸。在計算機中，通常是用8位的二進制代碼來表示一個字符。在數據通信中，串行傳輸方式如圖2-23所示。接收設備發(fā)送設備1234567812387645并行到串行的轉換串行到并行的轉換圖13串行傳輸示意圖3.4串行傳輸與并行傳輸接收設備發(fā)送設備12345678校驗數據位1數據線

2、并行傳輸（ParallelTransmission）

并行傳輸是指數據以成組的方式在多個并行信道上傳輸。將表示一個字符的8位二進制代碼同時通過8條并行的通信信道發(fā)送出去，這種工作方式稱為并行通信，如圖圖14所示。圖14并行傳輸示意圖3.5同步傳輸與異步傳輸

1、同步傳輸

是指接收端按照發(fā)送端所發(fā)送數據的速率及起止時間來接受數據，使得收發(fā)雙方在時間基準上保持一致，從而保證接受的數據與發(fā)送的數據一致。如圖所示。

⑴位同步

⑵字符同步（3）幀同步圖15同步傳輸方式示意圖1011010101101100...11110101101101000111111001111110同步字節(jié)數據幀同步字節(jié)3.5同步傳輸與異步傳輸2.異步傳輸（asynchronous）

異步傳輸一次只傳輸一個字符,每個字符用一位起始位引導、一位停止位結束。起始位為“0”,占一位;停止位為“1”,占1-2位。在沒有數據發(fā)送時發(fā)送方可發(fā)送連續(xù)的停止位，接收方根據“1”至“0”的跳變來判別一個新字符的開始,然后接收字符中的所有位。異步傳輸方式如圖16所示。11011010101001101100100010110101101100數據傳輸方向停止位數據位起始位圖16異步傳輸方式示意圖3.6單向傳輸與雙向傳輸指傳送的信息始終是一個方向傳送,沒反方向的交互。其信道一般是二線制，一根用于傳輸數據,另一根用于監(jiān)測信號。允許數據在兩個方向上傳輸,但在某一時刻，只允許數據在一個方向上傳輸,它實際上是一種切換方向的單工通信。允許數據同時在兩個方向上傳輸,它是兩個單工通信方式的結合,它要求發(fā)送設備和接收設備都有獨立的接收和發(fā)送能力。單工數據傳輸半雙工數據傳輸全雙工數據傳輸數據在通信線路上傳輸是有方向的，根據信號傳送的方向與時間關系，數據通信可分為三種基本工作方式：單工通信、半雙工通信與全雙工通信。多路復用器多路復用器一條傳輸線路傳輸多路信號計算機計算機

在遠距離通信時，傳輸信號要求的帶寬與傳輸介質允許通過的帶寬是不一樣的，為了節(jié)省開銷，應當充分利用傳輸介質的帶寬。在一條介質上同時傳送多于一路以上信號的傳輸方式，叫做該介質的多路復用。多路復用傳輸技術的基本原理如圖17所示。圖17多路復用基本原理示意圖§4網絡多路復用傳輸

頻分多路復用（FDM)：在物理信道的可用帶寬超過單個原始信號所需帶寬情況下，可將該物理信道的總帶寬分割成若干個與傳輸單個信號帶寬相同的子信道，每個子信道傳輸一路信號，這就是頻分多路復用。圖18頻分多路復用原理示意圖信道（1）f1信道（2）f2信道（3）f3信道（4）f4信道（5）f5信道（6）f6多路復用器多路復用器源1源2源3源4源5源6目標1目標2目標3目標4目標5目標6信道帶寬Bm警戒頻帶Bg4.1頻分多路復用時分多路復用（TDM）：是將一條物理信道的傳輸時間劃分為若干個時間片，每個用戶分得一個時間片，在其占有的時間片內用戶使用通信信道的全部帶寬。在技術實現上，可分為同步時分多路復用和異步時分多路復用兩種方式。

要接收的數據AAAABBCDDDBCDABDADAAAAAABBCDDD復用器解復器要發(fā)送的數據時隙浪費,信道資源利用率底一個周期的數據塊(幀)在不同時刻，開關切換到不同的輸入設備圖19時分多路復用原理示意圖4.2時分多路復用4.3波分多路復用密集波分多路復用(WDM)：波分多路復用其實就是頻分多路復用用于光纖信道。它是指在一根光纖上能同時傳送多個波長不同的光載波的復用技術。圖20密集波分多路復用原理示意圖120km20GbpsEDFA01234567復用器1550nm1551mn1552nm1553nm1554nm1555nm1556nm1557nm1550nm1551mn1552nm1553nm1554nm1555nm1556nm1557nm01234567分用器圖21直接擴頻CDM的衛(wèi)星通信系統(tǒng)接收端基礎調制多路調制…信碼輸出載波產生器偽碼產生器∑信源上變頻本地碼產生器下變頻帶通積分判決同步/載波IBDDBKJHGFEAC其它地址信號多路解調基礎解調發(fā)送端衛(wèi)星轉發(fā)器碼分多路復用（CDM）：是一種用于移動通信系統(tǒng)的新技術,筆記本電腦和掌上電腦等移動性計算機的連網通信將會大量使用碼分多路復用技術。

4.4碼分多路復用數據通信最簡單的方式是利用傳輸介質將兩個端點直接相連，但每個通信系統(tǒng)都采用把收發(fā)兩端直接相連的形式是不可能的，通常通過一個由多個結點組成的中間網絡，把數據從源結點轉發(fā)到目的結點，實現相互通信。因此，數據交換是研究如何通過中間網絡實現聯(lián)網計算機之間的數據交換問題。目前，常用的網絡數據交換方式可歸結為以下4種:

★電路交換★報文交換★分組交換★幀中繼交換§5網絡數據交換(1)電路建立(2)數據傳輸(3)電路拆除

1、電路交換

是根據電話交換原理發(fā)展起來的一種直接交換方式。在數字通信中，電路交換傳輸主要是應用同步傳輸模式來實現的。電路交換的過程分為3個步驟：5.1電路交換源節(jié)點A交換節(jié)點1交換節(jié)點6呼叫請求呼叫應答數據數據釋放請求釋放應答目的節(jié)點B電路建立數據傳輸電路拆除源節(jié)點A目的節(jié)點B公用電話交換網123456圖22電路交換原理圖5.1電路交換電路交換的優(yōu)點：連接建立后,數據以固定的傳輸率傳輸,傳輸延遲小；由于物理線路被單獨占用,故不可能發(fā)生沖突;適用于實時大批量連續(xù)的數據傳輸。電路交換的缺點：建立連接將跨多個設備或線纜，則會需要花費很長的時間；連接建立后，由于線路是專用的，即使空閑，也不能被其它設備使用造成一定的浪費；

對通信雙方而言，必須做到雙方的收發(fā)速度、編碼方法、信息格式和傳輸控制等一致才能完成通信。報文交換的工作原理是不需要在兩端之間建立一條專用通道，當一個站要發(fā)送報文時，它將一個目的地址附加到報文上發(fā)送出去，每個中間節(jié)點先接收整個報文，檢查無誤后暫存這個報文（存儲），然后根據報文的目的地址，利用路由信息找出下一個結點地址，再將整個報文傳送下一個相鄰結點，一直逐個結點地轉發(fā)到目的結點。主機A主機BCCCDCGCA通信子網CFCBCE圖23報文交換過程5.2報文交換報文交換的優(yōu)點：電路利用率高在報文交換網絡上,通信量大時可以接收報文可以把一個報文發(fā)送到多個目的地可以進行速度和代碼的轉換報文交換的缺點：數據的傳輸延遲比較長，且延遲時間長短不一，因此不適用于實時或交互式的通信系統(tǒng)。當報文傳輸錯誤時，必須重傳整個報文

分組交換是報文交換的改進，因而又稱為報文分組交換。它將報文分成若干個分組,每個分組的長度有一個上限,有限長度的分組使得每個節(jié)點所需的存儲能力降低了，以提高交換速度。分組交換適用于交互式通信，如終端與主機通信。報文分組的結構如圖24所示。1010010101…首部數據首部數據首部數據報文報文圖24

報文分組的組成5.3分組交換對比的內容虛電路數據報連接的建立必須有不要目的站地址僅在連接建立階段使用，每個分組使用短的虛電路信號每個分組都有目的站的全地址路由選擇在虛電路建立時進行，所有分組均按同一路由每個分組都有獨立選擇的路由路由器出現故障所有通過出故障的路由器的虛電路均不能工作出故障的路由器可能對丟失分組，一些路由會發(fā)生變化分組的順序總是按發(fā)送順序到達目的站到達目的站時可能不按發(fā)送順序端到端的差錯控制由通信子網負責由主機負責端到端的流量控制由通信子網負責由主機負責虛電路服務與數據報服務的主要區(qū)別如下表：5.3分組交換幀中繼交換：幀中繼是以分組交換技術為基礎，利用數字系統(tǒng)低誤碼率的特點和虛電路交換的優(yōu)點，簡化了可靠性傳輸和差錯控制機制，從而獲得良好性能的革新技術。作為DTE的交換機DTE作為DTE的路由器FRADFRSFRSFRSFRSDCEDCEDCEDCE圖25幀中繼交換結構圖5.4高速交換——幀中繼

異步傳輸模式（ATM

是異步