Ch2数据通信基础知识

第二章数据通信基础2.1概念和术语2.2数据通信基础理论2.3传输介质2.4编码与调制2.5复用2.6调制解调器2.7物理层接口传输系统输入信息输入数据发送的信号接收的信号输出数据源点终点发送器接收器调制解调器PC机公用电话网调制解调器数字比特流数字比特流模拟信号模拟信号正文正文数据通信系统源系统目的系统传输系统输出信息PC机物理层的基本概念•物理层的主要任务描述为确定与传输媒体的接口的一些特性，即：–机械特性指明接口所用接线器的形状和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等等。–电气特性指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。–功能特性指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义。–规程特性指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。电信领域使用的电磁波的频谱无线电微波红外线可见光紫外线X射线射线双绞线同轴电缆卫星地面微波调幅无线电调频无线电海事无线电光纤电视(Hz)f(Hz)fLFMFHFVHFUHFSHFEHFTHF波段104105106107108109101010111012101310141015101610010210410610810101012101410161018102010221024移动无线电极低频ELF(ExtremelyLowFrequency)3-30Hz超低频SLF(SuperLowFrequency)30-300Hz特低频ULF(UltraLowFrequency)300-3000Hz甚低频VLF(VeryLowFrequency)3-30KHz低频LF(LowFrequency)30-300KHz中频MF(MediumFrequency)300-3MHz高频HF(HighFrequency)3-30MHz甚高频VHF(VeryHighFrequency)30-300MHz特高频UHF(UltraHighFrequency)300-3000MHz超高频SHF(SuperHighFrequency)3-30GHz极高频EHF(ExtremelyHighFrequency)30-300GHz2.1概念和术语2.1.1数据2.1.2信号2.1.3传输2.1.4传输方式2.1.1数据•信息：客观事物属性和相互关系的表征•数据：信息的表现信息是在人们之间传递的知识，数据是信息的具体表现形式，其本身是各种各样的物理符号或它们的组合•模拟数据–音频（例如：无线广播）–视频（例如：电视）•数字数据–计算机存储的文本文件（例如：*.doc）–编解码后的多媒体文件（例如：*.mp3）2.1.2信号•信号–信号是数据的电子或电磁编码，数据必须经过编码转换为电信号后才能在传输介质中传输–模拟信号与数字信号模拟信号和数字信号模拟的和数字的数据、信号模拟数据模拟信号放大器调制器模拟数据数字信号PCM编码器数字数据模拟信号调制器数字数据数字信号数字发送器通信的基本要求•通信的双方完成一次通信需要满足三个基本要求：–一是双方有通信的愿望–二是通信的双方之间有信息传递的信道，也即是说通信要经过传输介质以及有关的传输设备–三是通信双方要遵循通信的规则和约定，即通信双方按照通信协议传输信息，并能理解这些通信协议信道•信道与电路并不等同，信道表示信号的通路，一般是用来表示向某一个方向传输信息的媒体–一条通信电路往往包含一条发送信道和一条接收信道•信道与传输介质也是有区别的–传输介质是指用于连接两个或多个网络节点的物理传输线路•通信信道建立在传输介质之上–包括传输介质和通信设备差错率/误码率由于噪声的影响和信道带宽的限制，信号可能发生失真.差错率/误码率：传输比特总数与其中出错比特数的比值Pe=出错比特数传输/比特总数例：传输10000bit,有2bit出错，Pe＝2/10000差错率越高表示信道的质量越差信道的差错率与信号的传输速率和传输距离成正比数字信号通过实际的信道•失真不严重•失真严重实际的信道（带宽受限、有噪声、干扰和失真）输入信号波形输出信号波形(失真不严重)输入信号波形实际的信道（带宽受限、有噪声、干扰和失真）输出信号波形(失真严重)2.1.3传输•传输是指将信号从发送传到接收端，并且在接收端进行恢复•模拟传输和数字传输•数字传输的优点–数字器件的体积和价格的降低–数据转发器，减少错误累计–多路复用简单、高效–安全和保密–综合性2.1.4传输方式•并行传输和串行传输–串行（serial）通讯，每个字符的二进制位按位排列进行传输，速度慢，但传输距离相对较远，鼠标口和USB口都是串行端口；–并行（parallel）通讯，每个字符的二进制位使用多条数据线同时进行传输，传输速度相对要快些，但传输距离相对不能太远，计算机内部数据传输一般都是采用这种方法，标准打印口是属并行端口•异步方式和同步方式–异步传输以字符为独立的传输单位。–同步传输时，数据块以稳定的比特流的形式传输字符内部的各个比特采用固定的时间模式，每个字符独立传输，字符之间间隔任意，用独特的起始位和终止位来限定每个字符。传输效率较低起终始止位11101010位线路空闲线路空闲起始位一个字符下一字符异步传输举例•单工通信——只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。•半双工通信——通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送(当然也就不能同时接收)。•全双工通信——通信的双方可以同时发送和接收信息。2.2数据通信基础理论•话音信号–话音信号的标准带宽为300Hz～3400Hz•音乐信号（CD音质）–要求的带宽是20Hz~20KHz•电视信号(PAL或NTSC制式)–电视信号的带宽约为4.2MHz•二进制信号(数字信号)–一般说来，任何数字信号都具有无限带宽，但它们不得不被近为有限带宽信号–数字信号的带宽依赖于“0”、“1”序列以及编码方式计算机网络中的速率•计算机网络中信号的速率涉及三种：–传播速率；调制速率；数据传输率•信号的传播速率是常量–传播速率，是一个常量，与光速联系•调制速率也称为码元速率、波形速率或信号速率–指的是每秒种发送信号的数目，单位为波特(baud)•数据传输率为每秒种发送的二进制位数–单位为bps，读作每秒位。•调制速率与数据传输率之间的关系为：C=Blog2N(bps)–其中：C为数据传输率；–B为调制速率；–N为一个信号可能取值的个数•计算机网络的带宽是指网络可通过的最高数据率，即每秒多少比特。•描述带宽也常常把“比特/秒”省略。–例如，带宽是10M，实际上是10Mb/s。–这里的M是106。计算机网络的带宽信道带宽的描述带宽(broadwidth)与信道可以允许通过的信号的最高频率与最低频率有关2.3传输介质2.3.1双绞线2.3.2同轴电缆2.3.3光纤2.3.4无线介质2.3.1双绞线•屏蔽双绞线STP（IBM）•非屏蔽双绞线UTP（EIA/TIA）–1类——用于电话通信，一般不适合传输数据。–2类——可用于传输数据，最大数据率为4Mbps。–3类——用于以太网，最大数据率为10Mbps。–4类——用于令牌环网，最大数据率为16Mbps。–5类——用于快速以太网，最大数据率为100Mbps。–6类——用于吉比特以太网，最大数据率为1Gbps。双绞线图示铜线铜线聚氯乙烯套层聚氯乙烯套层屏蔽层绝缘层绝缘层无屏蔽双绞线UTP屏蔽双绞线STP双绞线图示及UTP-5的线序2.3.2同轴电缆•基带电缆（10Mbps）–粗缆•非中继传输距离500米•需要使用收发器和收发电缆•AUI接口–细缆（便宜的同轴电缆）•非中继传输距离185米•BNC接口•宽带电缆（CATV电缆）–CableModem（宽带接入）同轴电缆图示同轴电缆50同轴电缆75同轴电缆2.3.3光纤•带宽–频率范围：180~370THz–数据率：160*10Gbps=1.6Tbps•原因：光/电、电/光转换的速度跟不上•光电子技术/光子技术•通过光纤中光的波长–0.85μm/1.3μm/1.55μm(250~300THz)光反射原理折射角入射角包层（低折射率的媒体）包层（低折射率的媒体）纤芯（高折射率的媒体）包层纤芯光纤及光缆构成单模光纤和多模光纤•单模光纤（single-modefiber）–使用激光源–内芯直径较小•直径为8～10μm•多模光纤（multi-modefiber）–使用发光二极管–内芯直径稍大（外径为125μm）•直径为62.4μm输入脉冲输出脉冲单模光纤多模光纤与单模光纤输入脉冲输出脉冲多模光纤单模光纤与多模光纤的比较项目单模光纤多模光纤距离长短数据传输率高低光源激光发光二极管信号衰减小大端接较难较易造价高低光纤的特点•优点–高带宽、高数据率–安全、可靠–抗腐蚀–衰减小2.3.4无线介质•无线介质是指信号通过空气传输，信号不被约束在一物理导体内•无线介质实际上就是无线传输系统，主要包括–无线电–微波–红外线和激光–卫星通信•无线介质只能传输模拟信号（高频载波信号）无线电波（1）•无线电通信就是利用地面发射的无线电波通过电离层的反射而到达接收端的一种远距离通信方式。–无线电通信使用的频率一般在3MHz至1GHz。•无线电波的传播特性与频率有关。–在低频上，无线电波能轻易地绕过一般障碍物，但其能量随着传播距离的增大而急剧递减。–在高频上，无线电波趋于直线传播并易受障碍物的阻挡，还会被雨水吸收。无线电波（2）微波•微波通信是利用无线电波在对流层的视距范围内进行信息传输的一种通信方式，它使用的频率范围一般在1GHz至20GHz左右。•由于微波只能沿直线传播，所以微波的发射天线和接收天线必须精确对准，而且每隔一段距离就需要一个中继站。•中继站之间的距离与微波塔的高度成正比例。对于100m高的微波塔，中继站之间的距离可以达到80km。红外线•红外系统采用发光射二极管LED、激光二极管ILD发射的红外线来进行站与站之间的数据交换。•点到点红外系统•广播式红外系统*2.4编码与调制2.4.1数字－数字编码2.4.2模拟－数字编码2.4.3数字－模拟调制2.4.4模拟－模拟调制2.4.1数字—数字编码例如：计算机到打印机曼彻斯特和差分曼彻斯特编码2.4.2模拟—数字编码如何在不损失信号质量的前提下，将信息从无穷多的连续值转换为有限个离散值脉冲幅度调制PAM脉冲振幅调制（PAM,PulseAmplitudeModulation）脉冲编码调制PCM•脉冲编码调制PCM就是将脉冲振幅调制PAM所产生的采样结果变成完全数字化的信号。•三个过程–脉冲幅度调制PAM–量化（A/D转换）–编码（数字—数字编码）模拟数据编码为数字信号•脉冲编码调制PCM（PulseCodeModulation）–是用于模拟数据编码为数字信号的技术•PCM技术的实现有三个步骤：–采样；量化；编码•PCM技术的实现基础是依据采样定理2.4.3数字—模拟调制例如：通过一条电话线，将数字数据从一台计算机传送到另一台计算机。幅移键控ASK频移键控FSK相移键控PSK一个8-QAM信号的时域图2.4.4模拟—模拟调制调频2.5复用2.5.1频分复用2.5.2时分复用*2.5.3码分复用2.5.1频分复用•频分复用FDM(FrequencyDivisionMultiplexing)–主干线路的频带被划分为若干逻辑信道，每个用户独占某些频段；–调频广播以及有线电视。频分复用•频分复用(FDM)是最常用的技术•信道的带宽很宽，信道的可用带宽大于一路信号所需的带宽，把信道划分为多个子信道，每个子信道传输一路信号–在子信道之间要留有隔离频带，对每路信号以不同频率的载波进行调制，使其适应不同子信道频段的要求，传输到目的地后再恢复为原始信号频分复用示例图2.5.2时分复用•时分复用TDM(TimeDivisionMultiplexing）–每个用户轮流瞬间地占有主干线路的整个带宽；–在数字通信系统中，对主干线路的复用只能采用TDM，因为数字信号的频谱有可能占居整个信道带宽。时分复用TDM•时分复用TDM（TimeDivisionMultiplexing）技术的依据是信道的数据传输率大于一路信号传输所需要的数据传输率–可以