2 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)知識(shí)

第一部分?jǐn)?shù)據(jù)通信信號(hào)與通信模擬通信與數(shù)字通信數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)理論傳輸介質(zhì)多路復(fù)用技術(shù)數(shù)據(jù)交換技術(shù)調(diào)制解調(diào)技術(shù)物理層接口第二章數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)知識(shí)2.1基本概念2.2數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)理論2.3傳輸介質(zhì)2.4多路復(fù)用2.5數(shù)據(jù)交換技術(shù)2.6調(diào)制解調(diào)器2.1基本概念信號(hào)是數(shù)據(jù)（或信息）的電磁編碼。信號(hào)的數(shù)學(xué)描述一般是以時(shí)間t為自變量，以某種物理量（如電壓）為因變量（信號(hào)的時(shí)域特性）模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)通信（傳輸）通信的任務(wù)是將信號(hào)從一方傳到另一方模擬通信與數(shù)字通信模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)2.1.2模擬通信模擬通信系統(tǒng)的組成調(diào)制器如果信源產(chǎn)生的是數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，調(diào)制器的功能是將調(diào)制為模擬信號(hào)（如撥號(hào)Modem）如果信源產(chǎn)生的是模擬數(shù)據(jù)，調(diào)制器的功能是將其調(diào)制到某個(gè)頻段以便進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸或多路復(fù)用解調(diào)器是實(shí)現(xiàn)上述過(guò)程逆變換的設(shè)備信道包括傳輸介質(zhì)和介質(zhì)兩端的傳輸設(shè)備2.1.3數(shù)字通信數(shù)字通信系統(tǒng)的組成（1）信源編碼器當(dāng)信源產(chǎn)生的是模擬數(shù)據(jù)（或信號(hào)）時(shí)，信源編碼器的主要工作是對(duì)模擬數(shù)據(jù)（或信號(hào)）進(jìn)行采樣、量化并編碼成二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)當(dāng)信源產(chǎn)生的是數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)（或信號(hào)）時(shí)，信源編碼器的主要工作是對(duì)原始的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)（或信號(hào)）進(jìn)行碼制變換，使其適合于傳輸或通信（如在數(shù)據(jù)信號(hào)中插入時(shí)鐘信號(hào)）信道編碼器是對(duì)傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào)進(jìn)行檢錯(cuò)或糾錯(cuò)編碼，以便接收方能進(jìn)行差錯(cuò)檢測(cè)和糾正數(shù)字通信系統(tǒng)的組成（2）調(diào)制器其功能是將基帶(數(shù)字)信號(hào)變換成頻帶(模擬)信號(hào)以通過(guò)模擬傳輸介質(zhì)進(jìn)行頻帶傳輸。（有些傳輸介質(zhì)只能傳輸模擬信號(hào)，如無(wú)線介質(zhì)）時(shí)鐘數(shù)字信號(hào)的發(fā)送和接收靠時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)一般情況下，發(fā)送端和接收端使用各自的時(shí)鐘源，但接收時(shí)鐘與發(fā)送時(shí)鐘必須保持同步外同步內(nèi)同步數(shù)字通信的主要特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)抗干擾能力強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的遠(yuǎn)距離傳輸；適應(yīng)各種傳輸業(yè)務(wù)；方便實(shí)現(xiàn)高保密傳輸；傳輸設(shè)備的集成化和微型化；缺點(diǎn)占用信道的帶寬大例子：一路模擬電話占用4KHz信道帶寬，而一路數(shù)字電話所需要的數(shù)據(jù)傳輸率是64Kbps，所需占用的信道帶寬要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于4KHz。2.2數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)理論2.2.1信號(hào)的頻譜和帶寬2.2.2信道的截止頻率與帶寬2.2.3信道的最大數(shù)據(jù)傳輸率2.2.1信號(hào)的頻譜和帶寬 傅立葉已經(jīng)證明：任何一個(gè)周期為T的函數(shù)f(t)都是由無(wú)窮多個(gè)正弦和余弦函數(shù)合成，即：f(t)=其中： n=arctg(-bn/an) 此處f=1/T是基頻，an和bn是n次正弦諧波和余弦諧波的振幅。基本概念頻域圖（頻率-最大振幅圖）把f(t)各次諧波的振幅An按照頻率高低依次排列起來(lái)所形成譜狀圖形稱為信號(hào)f(t)的頻譜圖。信號(hào)帶寬信號(hào)頻域圖所覆蓋的頻率范圍稱為信號(hào)的絕對(duì)帶寬；我們將信號(hào)大部分能量集中的那段頻帶稱為信號(hào)的有效帶寬，簡(jiǎn)稱為帶寬(bandwidth)；任何信號(hào)都有一定的帶寬。常見信號(hào)的帶寬話音信號(hào)話音信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)帶寬為300Hz～3400Hz音樂(lè)信號(hào)（CD音質(zhì)）要求的帶寬是20Hz~20KHz電視信號(hào)(PAL或NTSC制式)電視信號(hào)的帶寬約為4.2MHz單穩(wěn)脈沖信號(hào)其帶寬為無(wú)窮大二進(jìn)制信號(hào)(數(shù)字信號(hào))一般說(shuō)來(lái)，任何數(shù)字信號(hào)都具有無(wú)限帶寬，但它們不得不被近為有限帶寬信號(hào)數(shù)字信號(hào)的帶寬依賴于“0”、“1”序列以及數(shù)字編碼方式2.2.2信道的截止頻率與帶寬任何信號(hào)通過(guò)信道時(shí)都會(huì)發(fā)生衰減，從而引起信號(hào)失真。信道對(duì)不同頻率的信號(hào)其衰減幅度是不相同的；一般來(lái)說(shuō)，頻率越高的信號(hào)，其衰減幅度越大。我們把信號(hào)在經(jīng)過(guò)信道時(shí)其中某個(gè)頻率分量的振幅衰減到原來(lái)的0.707(即信號(hào)的能量衰減到原來(lái)的一半)時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率稱為信道的截止頻率fc(cut-offfrequency)，即信道的帶寬。任何信道都有fc，信道的截止頻率或帶寬是由其固有的物理特性決定的。信道截止頻率數(shù)據(jù)傳輸率與帶寬信道的帶寬決定對(duì)其通過(guò)信號(hào)的帶寬，因而對(duì)于有限帶寬信道必須限制信號(hào)的帶寬(有限帶寬信號(hào))；而帶寬越受限制，失真越嚴(yán)重，接收器產(chǎn)生差錯(cuò)的概率越大；信號(hào)的數(shù)據(jù)傳輸率越高，其有效帶寬就越大；要求傳輸系統(tǒng)的帶寬越大，費(fèi)用就越高；為了保證數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性，在信道帶寬一定(鑒于經(jīng)濟(jì)上和實(shí)現(xiàn)上的原因)的情況下，必須限制信號(hào)的帶寬，即限制數(shù)據(jù)傳輸率；知道信道帶寬并不能完全說(shuō)明其所能支持的數(shù)據(jù)傳輸率到底有多大？但就一般而言，信道的所能支持的數(shù)據(jù)傳輸率與其帶寬成正比。2.2.3

信道的最大數(shù)據(jù)傳輸率任何實(shí)際應(yīng)用的傳輸信道都是有限帶寬信道。信道帶寬的限制是由傳輸介質(zhì)(信道)的物理特性決定的；或者可能是發(fā)送器故意限制了帶寬，以防止干擾或?yàn)榱硕嗦窂?fù)用。數(shù)字傳輸?shù)哪繕?biāo)就是盡可能有效利用給定帶寬(有效性)，這意味著我們希望在給定帶寬條件下盡可能提高數(shù)據(jù)傳輸率，同時(shí)又將誤碼率限制在某個(gè)范圍內(nèi)(可靠性)。限制我們達(dá)到上述目標(biāo)的主要不利因素是噪聲(熱噪聲、交調(diào)噪聲、串?dāng)_和脈沖噪聲)?；靖拍顜?bandwidth)噪聲(noise)誤碼率(errorrate)調(diào)制速率或信號(hào)速率(signalrate)數(shù)據(jù)傳輸率(datarate)波特率與比特率基本概念調(diào)制速率（單位：baud）碼元速率，信號(hào)單元速率，波特率數(shù)字信號(hào)電平改變的速率，取決于數(shù)字編碼的特性。數(shù)據(jù)傳輸率（單位：bps）信息速率，比特率信號(hào)每秒鐘傳輸?shù)亩M(jìn)制位數(shù)。兩者的關(guān)系Nyquist定理Nyquist推導(dǎo)出帶寬為H的理想(無(wú)噪聲)信道的最大數(shù)據(jù)傳輸率為（帶寬為H的理想信道，其可承受的最大碼元速率是2*H）Rmax=2H*log2V(bps) 其中V為離散信號(hào)的個(gè)數(shù)或電壓值的個(gè)數(shù)例子一個(gè)帶寬為3000Hz的無(wú)噪聲話音信道在傳輸二進(jìn)制信號(hào)時(shí)其最大數(shù)據(jù)傳輸率不超過(guò)6000bps方法：提高信號(hào)編碼能力，增大V的數(shù)值Shannon定理Shannon推導(dǎo)出對(duì)于帶寬為H，信噪比為S/N的有噪聲信道，其最大數(shù)據(jù)傳輸率Rmax為 Rmax=H*log2(1+S/N)(bps)其中信號(hào)功率與噪聲功率的比值稱為信噪比(Signal-to-NoiseRatio)；我們一般使用10log10S/N分貝(dB)來(lái)表示信噪比例子一個(gè)帶寬為3000Hz，信噪比為35dB(S/N為3165)的話音信道其最大數(shù)據(jù)傳輸率不超過(guò)34.86Kbps方法：增加線路帶寬或改進(jìn)信噪比2.3傳輸介質(zhì)有線介質(zhì)雙絞線同軸電纜光纖無(wú)線介質(zhì)無(wú)線電微波（大地微波、衛(wèi)星微波）紅外線（毫米波）2.3.1雙絞線屏蔽雙絞線STP（IBM）Type1或Type2非屏蔽雙絞線UTP（EIA/TIA）Cat1 電話線；Cat2 ISDN或T1/E1線路；Cat310Mbps或100Mbps以太網(wǎng)電纜；Cat5 100Mbps以太網(wǎng)電纜；特點(diǎn)距離100米使用RJ-45接頭2.3.2同軸電纜基帶電纜和寬帶電纜基帶電纜（10Mbps）粗纜非中繼傳輸距離500米需要使用收發(fā)器和收發(fā)電纜AUI接口細(xì)纜（便宜的同軸電纜）非中繼傳輸距離185米BNC接口寬帶電纜（CATV電纜）CableModem（寬帶接入）2.3.3光纖傳輸與計(jì)算的比較Compution：每10年增長(zhǎng)1個(gè)數(shù)量級(jí)Communication：每10年增長(zhǎng)2個(gè)數(shù)量級(jí)帶寬頻率范圍：180~370THz數(shù)據(jù)傳輸率：100*10Gbps=1Tbps原因：光/電、電/光轉(zhuǎn)換的速度跟不上光電子技術(shù)/光子技術(shù)通過(guò)光纖中光的波長(zhǎng)0.85μm/1.3μm/1.55μm(250~300THz)光反射原理光纖及光纜構(gòu)成單模光纖和多模光纖單模光纖（single-modefiber）使用激光源中繼距離100公里內(nèi)芯直徑較小直徑為8～10μm/125μm多模光纖（multi-modefiber）使用普通發(fā)光二極管作為光源中繼距離2公里內(nèi)芯直徑稍大直徑為62.5μm/125μm單模光纖與多模光纖的比較光纖的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)高帶寬、高數(shù)據(jù)傳輸率對(duì)EMI、竊聽不敏感（安全、可靠）抗腐蝕衰減小缺點(diǎn)單向傳輸光纖接口價(jià)格昂貴工藝復(fù)雜、安裝技術(shù)復(fù)雜2.3.4無(wú)線介質(zhì)無(wú)線介質(zhì)是指信號(hào)通過(guò)空氣傳輸，信號(hào)不被約束在一物理導(dǎo)體內(nèi)無(wú)線介質(zhì)實(shí)際上就是無(wú)線傳輸系統(tǒng)，主要包括無(wú)線電微波（地面微波、衛(wèi)星微波）紅外線無(wú)線介質(zhì)只能傳輸模擬信號(hào)無(wú)線電波（1）無(wú)線電通信就是利用地面發(fā)射的無(wú)線電波通過(guò)電離層的反射而到達(dá)接收端的一種遠(yuǎn)距離通信方式。無(wú)線電通信使用的頻率一般在3MHz至1GHz。無(wú)線電波的傳播特性與頻率有關(guān)。在低頻上，無(wú)線電波能輕易地繞過(guò)一般障礙物，但其能量隨著傳播距離的增大而急劇遞減。在高頻上，無(wú)線電波趨于直線傳播并易受障礙物的阻擋，還會(huì)被雨水吸收。無(wú)線電波（2）微波對(duì)于頻率在100MHz以上的無(wú)線電波，其能量將集中于一點(diǎn)并沿直線傳播，這就是微波。微波通信是利用無(wú)線電波在對(duì)流層的視距范圍內(nèi)進(jìn)行信息傳輸?shù)囊环N通信方式，它使用的頻率范圍一般在1GHz至20GHz左右。由于微波只能沿直線傳播，所以微波的發(fā)射天線和接收天線必須精確對(duì)準(zhǔn)，而且每隔一段距離就需要一個(gè)中繼站。中繼站之間的距離與微波塔的高度成正比例。對(duì)于100m高的微波塔，中繼站之間的距離可以達(dá)到80km。2.4多路復(fù)用頻分多路復(fù)用FDM(FrequencyDivisionMultiplexing)主干線路的頻帶被劃分為若干邏輯信道，每個(gè)用戶獨(dú)占某些頻段；調(diào)頻廣播以及有線電視。波分多路復(fù)用WDM(WaveDivisionMultiplexing)FDM在光纖介質(zhì)中的應(yīng)用；光纖系統(tǒng)使用的衍射光柵可以是無(wú)源的。時(shí)分多路復(fù)用TDM(TimeDivisionMultiplexing）每個(gè)用戶輪流瞬間地占有主干線路的整個(gè)帶寬；在數(shù)字通信系統(tǒng)中，對(duì)主干線路的多路復(fù)用只能采用TDM，因?yàn)閿?shù)字信號(hào)的頻譜有可能占居整個(gè)信道帶寬。FDM（1）FDM（2）WDM脈碼調(diào)制PCM數(shù)字編碼TDM（1）TDM（2）同步TDM同步TDM和統(tǒng)計(jì)TDMCCITT標(biāo)準(zhǔn)（T1系列）PDH數(shù)字傳輸系統(tǒng)2.5數(shù)據(jù)交換技術(shù)電路交換(CircuitSwitching)傳統(tǒng)電話網(wǎng)報(bào)文交換(MessageSwitching)電報(bào)系統(tǒng)分組交換(PacketSwitching)X.25網(wǎng)電路交換原理在采用電路交換技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)中，傳輸雙方在數(shù)據(jù)傳輸之前要建立一條物理電路，該物理電路一直保持到雙方通話結(jié)束后才釋放。特點(diǎn)電路交換技術(shù)有兩大優(yōu)點(diǎn)，第一是傳輸延遲小，唯一的延遲是物理信號(hào)的傳播延遲；第二是一旦電路建立，便不會(huì)發(fā)生數(shù)據(jù)傳輸沖突。電路交換的缺點(diǎn)首先是建立物理電路所需的時(shí)間比較長(zhǎng)；其次是在電路交換系統(tǒng)中，電路的帶寬是預(yù)先分配的。報(bào)文交換原理報(bào)文交換不事先建立電路，當(dāng)發(fā)送方有數(shù)據(jù)要發(fā)送時(shí)，它把要發(fā)送的數(shù)據(jù)當(dāng)作一個(gè)整體交給中間交換設(shè)備，中間交換設(shè)備先將報(bào)文存儲(chǔ)起來(lái)，然后選擇一條合適的輸出線將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給下一個(gè)中間交換設(shè)備，直到將數(shù)據(jù)發(fā)送到目的結(jié)點(diǎn)。特點(diǎn)不限制報(bào)文的大小，這就有可能要求各個(gè)中間結(jié)點(diǎn)必須使用磁盤等外設(shè)來(lái)緩存較大的數(shù)據(jù)塊。報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)可能會(huì)長(zhǎng)時(shí)間占用線路，導(dǎo)致報(bào)文在中間結(jié)點(diǎn)的延遲非常大，這使得報(bào)文交換技術(shù)不適合交互式通信。分組交換原理是報(bào)文交換技術(shù)的改進(jìn)在分組交換網(wǎng)中，將用戶的數(shù)據(jù)劃分成一個(gè)個(gè)分組(packet)，而且分組的大小有嚴(yán)格的上限，這樣使得分組可以被緩存在交換設(shè)備的內(nèi)存而不是磁盤中。特點(diǎn)吞吐率較高，非常適合于交互式通信。實(shí)現(xiàn)方式數(shù)據(jù)報(bào)(Datagram)每個(gè)Packet單獨(dú)尋址，IP數(shù)據(jù)報(bào)虛電路(VirtualCircuit)在傳輸雙方先建立一條虛電路，所有Packet沿著同一條虛電路到達(dá)目的地：X.25/FR/ATM三者的比較電路交換和分組交換的比較帶寬分配電路交換技術(shù)靜態(tài)預(yù)留線路帶寬（物理電路）；而分組交換技術(shù)動(dòng)態(tài)申請(qǐng)和釋放線路、帶寬（虛電路）。透明性電路交換是完全透明的。發(fā)送方和接收方可以使用任何速率(當(dāng)然是在物理線路支持的范圍內(nèi))、幀格式來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。而在分組交換中，發(fā)送方和接收方按一定的數(shù)據(jù)速率和幀格式進(jìn)行通信。計(jì)費(fèi)方式在電路交換中，通信費(fèi)用取決于通話時(shí)間和距離，而與通話量無(wú)關(guān)；而在分組交換中，通信費(fèi)用主要按通信流量(如字節(jié)數(shù))來(lái)計(jì)算，適當(dāng)考慮通話時(shí)間和距離。2.6調(diào)制解調(diào)器2.6.1調(diào)制方式正交幅度調(diào)制2.6.2Modem標(biāo)準(zhǔn)傳輸速率(9600bps,14.4kbps,33.6kbps,56kbps)調(diào)制方式(調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相、正交幅度調(diào)制)數(shù)據(jù)壓縮CCITT規(guī)范：CCITTV.42bis規(guī)范，使用Huffman編碼技術(shù)MNP(MicrocomNetworkingProtocol)規(guī)范：MNP5可以實(shí)現(xiàn)2：1的壓縮比，MNP7的壓縮比可以達(dá)到3：1。差錯(cuò)控制CCITT規(guī)范：CCITTV.42規(guī)范MNP規(guī)范：MNP10級(jí)是功能非常齊全的差錯(cuò)控制協(xié)議，用于向蜂窩電話這樣的噪聲環(huán)境。物理接口(RS-232-C，RS-449，V.35)ITU有關(guān)Modem的標(biāo)準(zhǔn)ITUV.22bis 2400bpsITUV.27 4800bps ITUV.32 9600bps 32-QAM(4+1)ITUV.32bis 14.4kbps QAM(64points)ITUV.3314.4Kbps128-QAM(6+1)ITUV.34 28.8kbps 12bits/SampleITUV.34bis 33.6kbps 14bits/SampleITUV.42bis CompressITUV.90 56kbps V.32Figure6-28V.33Figure6-292.6.3Modem的分類按調(diào)制信號(hào)電話撥號(hào)Modem（人工呼叫/應(yīng)答、自動(dòng)呼叫/應(yīng)答）專線Modem（2線、4線）射頻Modem（CableModem）OpticalModem（光調(diào)制解調(diào)器）按調(diào)制方式調(diào)幅/調(diào)頻/調(diào)相/正交幅度調(diào)制按數(shù)據(jù)傳輸方式同步Modem/異步Modem按傳輸方式單工/半雙工/全雙工2.6.4工作模式命令模式(commandmode)，也稱本地模式(localmode)或終端模式(terminalmode)。運(yùn)行在此模式中的Modem，對(duì)用戶送到Modem上的任何信息都作為命令來(lái)解釋。