第2章 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)

第2章數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)數(shù)據(jù)通信的基本概念2.1數(shù)據(jù)編碼與調(diào)制技術(shù)2.2數(shù)據(jù)傳輸2.3數(shù)據(jù)交換技術(shù)2.42.1數(shù)據(jù)通信的基本概念2.1.1信息、數(shù)據(jù)、信號與信道

數(shù)據(jù)通信是指通過通信系統(tǒng)將數(shù)據(jù)以某種信號的方式從一處安全、可靠地傳輸?shù)搅硪惶?，包括?shù)據(jù)的傳輸及傳輸前后的處理。1．信息

信息（Information）是對客觀事物特征和運動狀態(tài)的描述，其形式可以有數(shù)字、文字、聲音、圖形、圖像等。2．數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)（Data）是傳遞信息的實體。3．信號

信號（Signal）是數(shù)據(jù)在傳輸過程中的電磁波表示形式。

信號可以分為模擬信號和數(shù)字信號兩種。圖2-1模擬信號和數(shù)字信號4．信道

信道是傳輸信號的通道，由傳輸介質(zhì)及相應(yīng)的附屬信號設(shè)備組成。

信道可分為邏輯信道和物理信道。5．帶寬

數(shù)據(jù)信號傳送時信號的能量或功率的主要部分集中的頻率范圍稱為信號帶寬。2.1.2數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

通信的目的是傳送信息。1．模擬通信系統(tǒng)

傳統(tǒng)的電話、廣播、電視等系統(tǒng)都屬于模擬通信系統(tǒng)，模擬通信系統(tǒng)的模型如圖2-2所示。圖2-2模擬通信系統(tǒng)的模型

模擬通信系統(tǒng)通常由信源、調(diào)制器、信道、解調(diào)器、信宿以及噪聲源組成。2．數(shù)字通信系統(tǒng)

計算機通信、數(shù)字電話以及數(shù)字電視系統(tǒng)都屬于數(shù)字通信系統(tǒng)。圖2-3數(shù)字通信系統(tǒng)的模型

數(shù)字通信系統(tǒng)通常由信源、編碼器、信道、解碼器、信宿以及噪聲源組成，發(fā)送端和接收端之間還有時鐘同步系統(tǒng)。2.1.3數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的性能指標

通信的任務(wù)是快速、準確地傳遞信息。

因此，從研究信息傳輸?shù)慕嵌葋碚f，有效性和可靠性是評價數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)優(yōu)劣的主要性能指標。

通信系統(tǒng)的有效性和可靠性，是一對矛盾。1．有效性指標的具體表述（1）數(shù)據(jù)傳輸速率

數(shù)字通信系統(tǒng)的有效性可用數(shù)據(jù)傳輸速率來衡量，數(shù)據(jù)傳輸速率越高，系統(tǒng)的有效性越好。

①碼元速率。

碼元速率又稱波特率或調(diào)制速率，是每秒傳送的碼元數(shù)，單位為波特（Bd），常用符號B來表示。B

=

1/T(Bd)圖2-4碼元示意圖

②信息速率。

信息速率又稱為比特率，它反映出一個數(shù)字通信系統(tǒng)每秒實際傳送的信息量，單位為位/秒（bit/s）。

其定義為S

=

1/T

×

log2M(bit/s)或S

=

B

×

log2M(bit/s)圖2-5二級電平（二進制信號）與四級電平（四進制信號）

一個數(shù)字通信系統(tǒng)最大的信息速率稱為信道容量，即單位時間可能傳送的最大比特數(shù)，它代表一個信道傳輸數(shù)字信號的能力，單位為bit/s。（2）信道帶寬

信道帶寬是指信道中傳輸?shù)男盘栐诓皇д娴那闆r下所占用的頻率范圍，單位用赫茲（Hz）表示。

通常，帶寬越大，信道容量越大，數(shù)據(jù)傳輸速率越高。2．可靠性指標的具體表述

衡量數(shù)字通信系統(tǒng)可靠性的指標，可用信號在傳輸過程中出錯的概率來表述，即用差錯率來衡量：差錯率越高，表明系統(tǒng)可靠性越差。

差錯率通常有如下兩種表示方法：（1）誤碼率

誤碼率Pe=（2）誤比特率

誤比特率Pb=2.2數(shù)據(jù)編碼與調(diào)制技術(shù)2.2.1數(shù)據(jù)的編碼類型

模擬數(shù)據(jù)和數(shù)字數(shù)據(jù)都可以用模擬信號或數(shù)字信號來表示和傳輸。圖2-6數(shù)據(jù)編碼類型2.2.2數(shù)據(jù)的調(diào)制技術(shù)

若模擬數(shù)據(jù)或數(shù)字數(shù)據(jù)采用模擬信號傳輸，須采用調(diào)制解調(diào)技術(shù)。1．模擬數(shù)據(jù)的調(diào)制2．數(shù)字數(shù)據(jù)的調(diào)制圖2-7數(shù)字信號通過模擬通信系統(tǒng)的傳輸情況2.2.3數(shù)據(jù)的編碼技術(shù)

若模擬數(shù)據(jù)或數(shù)字數(shù)據(jù)采用數(shù)字信號傳輸，須采用編碼技術(shù)。1．模擬數(shù)據(jù)的編碼

在數(shù)字化的電話交換和傳輸系統(tǒng)中，通常

需要將模擬話音數(shù)據(jù)編碼成數(shù)字信號后再進行

傳輸。

常用的一種方法稱為脈沖編碼調(diào)制（PulseCodeModulation，PCM）技術(shù)。

采樣：以采樣頻率把模擬信號的值采出，如圖2-8所示。

量化：使連續(xù)模擬信號變?yōu)闀r間軸上的離散值。圖2-8采樣圖2-9量化

編碼：將離散值變成一定位數(shù)的二進制碼，如圖2-10所示。圖2-10編碼2．數(shù)字數(shù)據(jù)的編碼

數(shù)字信號可以直接采用基帶傳輸。

基帶傳輸就是在線路中直接傳送數(shù)字信號的電脈沖，是一種最簡單的傳輸方式，近距離通信的局域網(wǎng)都采用基帶傳輸。

數(shù)字數(shù)據(jù)的編碼方式主要有3種：不歸零碼、曼徹斯特編碼和差分曼特斯特編碼。圖2-11數(shù)字信號的編碼2.3數(shù)據(jù)傳輸2.3.1信道通信的工作方式

按照信號的傳送方向與時間的關(guān)系，信道的通信方式可以分為3種：單工、半

雙工和全雙工。1．單工通信2．半雙工通信3．全雙工通信圖2-12單工通信圖2-13半雙工通信圖2-14全雙工通信

2.3.2數(shù)據(jù)的傳輸方式

在數(shù)字通信中，按每次傳送的數(shù)據(jù)位數(shù)，傳輸方式可分為：串行通信和并行通信兩種。1．串行通信2．并行通信圖2-15串行通信圖2-16并行通信2.3.3同步技術(shù)1．異步方式2．同步方式2.3.4通信網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的連接方式1．點到點的連接2．點到多點連接（1）分支式（2）集線式圖2-17點到點的線路連接圖2-18分支式多點連接圖2-19集線式多點連接2.3.5數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕拘问?．基帶傳輸

基帶（BaseBand）是原始信號所占用的基本頻帶。2．頻帶傳輸

頻帶傳輸就是先將基帶信號變換（調(diào)制）成便于在模擬信道中傳輸?shù)?、具有較高頻率范圍的模擬信號（稱為頻帶信號），再將這種頻帶信號在模擬信道中傳輸。3．寬帶傳輸

所謂寬帶，就是指比音頻帶寬還要寬的頻帶，簡單地說就是包括了大部分電磁波頻譜的頻帶。圖2-20寬帶線路和窄帶線路的比較圖2-21寬帶線路與并行傳輸2.4數(shù)據(jù)交換技術(shù)圖2-22交換網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)2.4.1電路交換

電路交換（CircuitSwitching）也叫線路交換，是數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域最早使用的交換方式。1．電路交換通信的3個階段（1）建立電路（2）數(shù)據(jù)傳輸（3）電路拆除2．電路交換技術(shù)的特點圖2-23通信雙方物理信道的建立2.4.2報文交換1．報文交換原理

報文交換方式的數(shù)據(jù)傳輸單位是報文，報文就是站點一次性要發(fā)送的數(shù)據(jù)塊，其長度不限且可變。2．報文交換的特點2.4.3分組交換

分組交換（PacketSwitching）又稱包交換。

為了更好地利用信道容量，降低節(jié)點中數(shù)據(jù)量的突發(fā)性，應(yīng)將報文交換改進為分組交換。1．分組交換的特點2．兩種分組交換方式（1）數(shù)據(jù)報（2）虛電路3．虛電路的特點4．3種交換方式比較圖2-24數(shù)據(jù)報圖2-25虛電路圖2-263種交換的事件順序2.4.4高速交換技術(shù)1．ATM技術(shù) ATM（AsynchronousTransferMode）技術(shù)，即異步傳輸模式。2．光交換

光交換技術(shù)也是一種光纖通信技術(shù)，它是指不經(jīng)過任何光/電轉(zhuǎn)換，直接將輸入的光信號交換到不同的輸出端。圖2-27ATM信元格式2.5信道復(fù)用技術(shù)

多路復(fù)用技術(shù)就是發(fā)送端將多路信號進行組合，然后在一條專用的物理信道上實現(xiàn)同時傳輸，接收端再將復(fù)合信號分離出來，這樣極大地提高了通信線路的利用率。2.5.1頻分多路復(fù)用圖2-28頻分多路復(fù)用2.5.2時分多路復(fù)用1．同步時分復(fù)用2．異步時分復(fù)用圖2-29同步時分復(fù)用的原理圖2-30異步時分復(fù)用的原理2.5.3波分多路復(fù)用圖2-31波分多路復(fù)用2.5.4碼分多路復(fù)用

碼分多路復(fù)用（CodeDivisionMultiplexing，CDM），常用的名稱是碼分多址（CodeDivisionMultipleAccess，CDMA）。2.6傳輸介質(zhì)圖2-32常用的傳輸介質(zhì)2.6.1有線傳輸介質(zhì)

有線傳輸介質(zhì)是指在兩個通信設(shè)備之間實現(xiàn)的物理連接部分，它能將信號從一方傳輸?shù)搅硪环?，有線傳輸介質(zhì)主要有同軸電纜、雙絞線和光纖等。1．同軸電纜圖2-33同軸電纜圖2-33同軸電纜2．雙絞線（1）雙絞線概述（2）雙絞線的相關(guān)特性（3）雙絞線相關(guān)術(shù)語（4）雙絞線制作標準（5）網(wǎng)線的連接（6）網(wǎng)線制作的常用工具圖2-34雙絞線示意圖圖2-35RJ-45水晶頭圖2-36做好的網(wǎng)線的一端12345678EIA/TIA568B橙白橙綠白藍藍白綠棕白棕EIA/TIA綠白綠橙白藍藍白橙棕白棕表2-1 EIA/TIA568標準線序圖2-37直通電纜示意圖圖2-38交叉電纜示意圖網(wǎng)線類別連接對象平行線計算機與集線器計算機與交換機集線器的普通口與集線器的級聯(lián)口集線器的級聯(lián)口與交換機的普通口交換機與路由器交叉線計算機與計算機集線器和交換機交換機與交換機路由器與路由器集線器的普通口與集線器的普通口表2-2 平行線與交叉線的連接對象圖2-39電纜測線儀3．光纖圖2-40光纖的結(jié)構(gòu)圖2-41光纖傳送電信號的過程規(guī)

格纖芯直徑（μm）涂覆層直徑（μm）說

明8.3/1258.3125單模光纖50/12550125多模光纖62.5/12562.5125多模光纖（市場主流產(chǎn)品）85/12585125多模光纖100/140100140多模光纖表2-3 光纖規(guī)格表圖2-42光線在光纖中的折射圖2-43光纖的工作原理圖2-44多模光纖圖2-45單模光纖2.6.2無線傳輸介質(zhì)

無線傳輸介質(zhì)是指在兩個通信設(shè)備之間不使用任何物理連接，而是通過空間傳輸信號的一種技術(shù)。1．無線電波2．微波

（1）地面微波接力通信（2）衛(wèi)星通信3．紅外線和激光圖2-46地面微波接力系統(tǒng)2.7差錯控制技術(shù)2.7.1差錯的產(chǎn)生

所謂差錯就是在數(shù)據(jù)通