第3章-物理层与数据通信基础(071008)

1第三章物理层与数据通信基础3.1数据通信的基础知识3.1.0基础知识基本术语如果信息的自然状态是模拟的，如语音、图像等，经数字化处理后，用数字信号的形式进行传送就成为数字通信。如果信息的自然状态是数字的（离散的），如计算机数据，那么不管采用那种形式的信号进行传送，都叫数据通信。信道是一个逻辑的概念，可表示为向某一方向传输信息的通道。通过采用多路复用技术，一条2线制的物理信道可以同时传输多路信息。因此，可以广义的理解为一条物理信道可以包含多条逻辑信道。从通信过程中发送端所产生的信号形式来看，信号可分为模拟信号（连续变化的，如正弦波或余弦波形式）和数字信号（离散的、脉冲信号形式）两类。与此相应的，信道可以分为传送模拟信号的模拟信道和传送数字信号的数字信道。当然，数字信号经过调制后，可以改变成模拟信号在模拟信道传输，模拟信号经过模数变换后，也可以转换成数字信号在数字信道上传输。数据传输方式数据通信的基本方式有两种，一种是并行通信，一种是串行通信。并行通信通常用于计算机系统内部及与外设之间大量频繁的数据传输。在这种方式中，每个数据编码的各个比特都是同时发送的，因此，数据传输率高。但在远距离通信时，由于这种通信需要的线路太多，因而通信成本太高，另外，并行线路间电平的相互干扰也会影响传输质量。因此，一般不采用并行通信。串行通信就是比特（bit）的逐位传送，对于要进行远距离传输的每个数据编码的各个比特来说，一般按照从低位到高位的顺序依次进行传送。由于这种方式节省线路成本，因此它是远距离数据通信较好的选择。通信制式通信制式（Communicationmode）主要是指有关信息传输方向的定义。1）单工通信。凡是利用一条物理信道（2线制）只能进行单向信息传输的通信，称之为单工通信。单工通信多用于早期简单的或测试控制环境下的数据通信，现在已很少采用。2）半双工通信。半双工通信是指可以进行双向传输，但由于只有一条物理信道（2线制），因此，同一时刻只限于一个方向传输，这种制式方泛应用于交互式会话通信情况下。3）全双工通信。全双工通信是指通信双方在任何时刻，均可进行双向通信，无任何限制，这种制式往往用于实时数据交换，它需要具有两条以上的物理信道（3线制或4线制）。为了提高传输速度，现在越来越多的高速数据通信系统或计算机网络系统开始采用全双工通信制式。3.1.1通信系统模型点到点数据通信系统的一般结构形式如书图3-1所示。解释说明：略通过模拟信道进行数据通信的结构形式如图3-1所示2更一般的结构形式为跨越网络的通信。其中，数据终端设备DTE(DataTerminalEquipment)是对属于用户所有的连网设备和工作站的通称。它们是数据的产生源和接收源，一般具有根据协议控制通信的功能。典型的数据终端设备有：计算机、输入/输出设备和各种形式的数据终端（如POS机等）。调制解调器用于实现信号的变换，可以将由计算机输出的抗干扰能力较差的数字数据转换成抗干扰能力较强的模拟数据，从而实现远距离的传输。同时还可以进行相反方向的转换，将接收到的模拟数据转换成数字数据送给计算机系统进行存储或处理。3.1.2带宽与傅立叶分析任何实际的模拟信道所能传输的信号的频率都有一定的范围。这个范围就称之为该信道通频带的宽度或称为带宽（Bandwidth）。信道的带宽是由传输媒体和有关的附加设备与电路的频率特性综合决定的。对一个低通信道来说，若从0到某个截止频率fc的信号通过时，振幅不会衰减或衰减很小，而超过此截止频率fc的信号通过时就会大大衰减，则此信道的带宽为fc（Hz）。因此，信道的带宽越宽，则它传输数字信号时失真越小。反之，若信道的带宽是固定的，则它用来直接传输数字信号的数据传输速率越高，则失真越大。3.1.3数据通信的技术指标1.数据传输速率数据传输速率有两种度量单位，即波特率和比特率。波特率波特率又称波形速率，即指数据通信系统中线路上每秒传送的波形个数，其单位为波特。设一个波形的持续周期为T，则波特率B=1/T（波特）比特率比特率又称为信息速率，它反映一个数据通信系统每秒所传输的2进制数据位数，单位是：比特/秒（bits/s）或bps。信息速率直接与波形速率和一个波形所携带的信息量有关，因此，比特率S可按下式公式计算：S=Blog2N(bps)，其中N为一个周期内电脉冲信号所有可能的有效状态，log2N则表示每个周期的电脉冲信号所能表示的二进制数据位数。误码率误码率是衡量通信系统线路质量的一个重要参数，它的定义为，二进制符号在传输系统中被传错的概率。近似的等于被传错的二进制符号数与所传二进制符号总数的比值，即：误码率Pe=接收的错误比特数/传输的总比特数在计算机网络通讯中误码率要求低于10-9。信道容量信道容量是衡量系统有效性的指标，它和系统的通信效率和可靠性都有直接的关系。实际上，衡量系统可靠性指标的误码率和衡量通信效率的传输速率两者之间是相互制约的。即DTEDTEModemModem通信线路或网络图2—1数据通信系统基本构成噪声源3在一定条件下，提高通信效率会使可靠性降低，提高可靠性就会使通信效率降低。但是衡量可靠性的误码率指标受通信设备，传输线路和传输环境等影响不可能大幅度提高，那么能否在误码率一定的条件下，无限制地或者尽可能的提高传输速率呢？实际上这是不可能的。对特定的数据通信系统来讲，传输速率是有极限的。对于无热噪声的理想信道来说，这个极限值可以用奈奎斯特（Nyquist）公式给出：信道容量C=2Flog2L。其中，F为信道带宽（Hz），S为单位周期内数字信号的状态数。对于有热噪声的信道来说，这个极限值可以用香农（Shannon）公式计算出来：信道容量C=Flog2(1+S/N)。其中，S为接收端信号平均功率（W），N为信道内噪声平均功率（W），一般的数据通信系统都必须保证信噪比S/N的比值。信道容量就是指信道所能达到的最大传输功率能力。当信道的实际信息传输速率低于信道容量C时，就可以实现有效的信息传输；而当实际信息传输速率超过信道容量时，传输质量就不能保证。注意：分贝值的计算为10log10X，例如信噪比为30分贝，那么S/N=1030/10。可见，信道最大传输速率与信道带宽之间存在着直接的关系。*3.1.4数据的同步方式数据在传输线路上以串行方式进行传输时，为了保证发送端发送的信号能够被接收端正确无误的接收，接收端必须与发送端同步。也就是说，接收端不但要知道一组二进制位的开始与结束，还需要知道每位的持续时间，这样才能做到用合适的采样频率适时采样所接收到的数据。通常接收器在每位的中心进行采样。如果发送端和接收端的时钟不同步，即使只有极小的误差，随着时间的增加，误差逐渐积累，终究会造成收发之间的失步。由于发送端和接收端的时钟信号不可能绝对一致，因此必须采取一定的同步手段。实际上，同步技术直接影响着通信的质量，质量不好的同步将会使通信系统不能正常工作。常用的同步方式有两种：异步传输和同步传输1.异步传输控制异步传输控制是以一个字符的编码作为数据传输的基本单位，因此也叫字符同步方式，其具体的做法是，在每个传输字符编码的首末分别增加1位起始位和1位/（1.5位）/2位停止位。分别表示字符编码的开始和结束。起始位是“0”，结束位是“1”（字符编码连校验位是8位）。现以传输“10110010”为例，说明数据传输形式：10110010起始位结束位图3—1异步传输控制下的数据传输形式平时不传输字符时，传输线一直处于停止的状态，即高电平。当某台设备要向另外一台设备发送数据时，首先置位传输线，发送一个低电平信号代表起始位，然后按编码规则，发送数据，数据发送完成，发出一至二个高电平状态的结束位，并将传输线状态复位，保持高电平状态，直至发送下一个数据。接收端一旦检测到传输线上有“1”—“0”的跳变，即说明传输线上有数据到达，接收端立即应用这个电平的变化启动定时机构，按顺序接收数据，当检测到结束位后，说明本次数据传输结束，停止接收数据，直至检测到新的信号跳变。这种方式接收时钟仍应与发送时钟同步。但由于每次只接收一个字符，因而对接收时钟的精度要求可以放宽，一般的时钟偏差都不会引起采样出错。异步传输控制方式实现简单，但传输的效率较低。因为每个字符都要附加起始位和结束4位，辅助开销比例很大，因此一般用于低速线路中，像计算机与终端，计算机与调制解调器与多路复用器等通信设备的连接。2.同步传输控制同步传输控制是以“数据块”或“位块”为单位进行传输，一个数据块一般有几千个数据位。为了防止发送端和接收端的失步，发送时钟和接收时钟必须高度同步。目前一般采用自同步法，即从所接收的数据中提取时钟的特征。如后面所要讲的双相码就具有同步能力，因为其发送数据中包含着发送时钟信号。接收端从接收数据中提取与发送时钟一致的时钟信号作为接收时钟信号，这样接收和发送时钟就自动同步了。为使接收端和发送端同步，除使双方时钟同步外，还必须使接收端能准确判断出数据的开始与结束。一般的做法是在数据块前面加一个确定长度的位模式，一般称为前同步信号（前文），数据结束后也加上后同步信号（后文）。前文、后文加上所传输的数据信息就构成一个完整的同步传输方式下的数据单位，称为帧。帧是常用的数据传输单位。简单说来，帧的接收过程是这样的，接收端检测到前文后，即说明有数据到达，接收端利用从数据中提取的时钟信号作为接收时钟，按顺序接收前文后的数据信息，直至接收到后文为止。同步传送因为以“数据块”为单位（几千比特），因而额外开销小，传输效率高，在数据通信中涉及到了广泛的应用。但是这种方式的缺点是发送端和接收端的控制复杂，且对线路要求也较高。3.2物理传输媒体（介质）3.2.1双绞线双绞线通常是由4对（橙、橙白、绿、绿白、蓝、蓝白）按螺旋结构排列的导线所构成的双绞线电缆。把各个线对扭在一块儿可使导线之间的电磁干扰最小，这样可减少串扰及信号放射影响的程度，每根导线在导电传输中放出的电波会被另一根线上发出的电波所抵消。双绞线的传输距离一般不超过100m，典型的数据传输速率为10Mbps、100Mbps、150Mbps，采用特殊技术甚至可达1000Ｍbps。双绞线一般用于点到点的连接。在低频传输时，双绞线的抗干扰性相当于或高于同轴电缆。但是超过10～100KHz时，同轴电缆就比双绞线明显优越。双绞线（TP）一般分为非屏蔽双绞线（UTP）和屏蔽双绞线（STP）两种。1、非屏蔽双绞线电缆非屏蔽双绞线电缆是由多对双绞线和一个塑料外皮构成，如图3-3所示。根据电子工业协会EIA和通信工业协会（TIA）所设计的规格，双绞线有以下几类：第1类：早期用于音频传输，一般作为电话线使用，不同于传输数据。第2类：用于传输数据，作为令牌传输协议网络的传输介质，支持4Mbps。图2-3非屏蔽双绞线电缆的结构形式图2-4屏蔽双绞线电缆的结构形式5第3类：用于以太10Base-T局域网，支持10Mbps。第4类：用于基于令牌或10base-T/100Base-T网络，支持16mbps或10mbps。第5类：用于100Base-T(和10base-T)网络，支持100mbps。超5类：用于100base-T网络，支持100mbps。第6类：适用于1000base-T网络，支持1000mbps。实际上，国际电气工业协会（EIA）是为双绞线电缆定义了几种不同的质量级别。由于第五类双绞线通过增加缠绕密度、高质量绝封缘材料，极大地改善了传输介质的性质，所以可用于高速网络。计算机网络中最常使用的是第三类和第五类非屏蔽双绞线电缆，第五类双绞线适用于目前大部分计算机网络。2、屏蔽双绞线电缆屏蔽双绞线电缆的内部与非屏蔽双绞线电缆的内部一样是双绞铜线，外层由铝箔包着，如图3-4所示。屏蔽双绞线相对来讲要贵一些，但它仍然比同轴粗缆和光缆要便宜些。它的安装要比非屏蔽双绞线电缆难一些，类似于同轴电缆。它必须配有支持屏蔽功能的特殊连接器和相应的安装技术。它具有较高的传输速率，100ｍ内可达500Mbps，但是通常使用的传输率都不超过500Mbps。当今使用最普遍的速率是500Mbps。