第2章数据通信技术

中国经济出版社高等院校工科规划教材计算机网络技术与应用2第2章数据通信技术《计算机网络技术与应用》3本章内容数据通信基本知识传输介质数据的编码和调制技术多路复用技术差错控制技术典型物理层标准应用案例——基于MODEM的电力网远程监控系统第2章数据通信技术42.1数据通信基本知识通信的基本概念通信系统的模型与分类数据通信主要技术指标数据通信的方式第2章数据通信技术52.1.1通信的基本概念通信技术的发展历史信息、数据和信号第2章数据通信技术61.通信技术的发展历史1838年莫尔斯发明有线电报。1864年麦克斯韦提出电磁辐射方程。1876年贝尔发明电话。1896年马可尼发明无线电报。1906年真空管被发明。1918年调幅无线电广播问世。1936年调频无线电广播问世。1938年电视广播开始。第2章数据通信技术71.通信技术的发展历史1948年晶体管被发明；香农发表信息论。1950年时分多路复用技术被用于电话系统。1956年越洋通信电缆被铺设。1958年第一颗通信卫星被发射。1961年集成电路被发明。20世纪60年代，数字传输的理论及技术得到飞速发展；高速电子计算机出现。20世纪70年代，大规模集成电路、数字程控交换机、光纤通信等技术得到迅速发展。20世纪80年代中期开始，Internet得到迅速发展。第2章数据通信技术82.信息、数据和信号通信双方进行通信的目的是进行信息的交换。信息的载体可以是字符、语音、音乐、图形、图像、视频等多种形式。为了利用计算机处理信息，需要将信息用二进制位的形式表示，这种二进制比特码被称为数据。可以采用多种编码形式表示字符、数字和符号，如国标5号码（IA5）、扩充的二、十进制交换码（EBCDIC）和ASCII等。第2章数据通信技术92.信息、数据和信号ASCII即美国信息交换标准代码（AmericanStandardCodeforInformationInterchange，ASCII）是一种用于表示字母、数字或符号的二进制编码。它使用7个比特表示128个字符。其中，33个是控制字符，95个是可显示字符。第2章数据通信技术102.信息、数据和信号信号是数据在传输过程中的表现形式，通常指的是电信号。信号可分成两种类型：模拟信号和数字信号。第2章数据通信技术模拟信号数字信号112.1.2通信系统的模型与分类通信系统的模型通信系统的分类第2章数据通信技术121.通信系统的模型第2章数据通信技术132.通信系统的分类按传送信号的特征分类按照通信使用的传输介质分类按照调制方式分类第2章数据通信技术14按照所传送信号的特征，可将通信系统分为模拟通信系统和数字通信系统。模拟通信系统和数字通信系统第2章数据通信技术模拟通信系统数字通信系统15有线通信系统和无线通信系统按照所使用传输介质的类型，可将通信系统分为有线通信系统和无线通信系统。有线通信是指利用双绞线、同轴电缆、光纤等介质进行通信。无线通信则包括长波、中波、短波、微波、卫星、红外线等通信方式。第2章数据通信技术16基带传输系统和频带传输系统按照传输时是否对信号进行调制，可将通信系统分为基带传输系统和频带传输系统。基带传输是指对数字信号不进行调制，直接传输，如计算机局域网中就采用了这种技术。频带传输是指首先对数字基带信号进行频域变换，即将其频谱变换到适合信道进行传输的频带上，然后再进行传输。调制解调器就是典型的频带传输设备。第2章数据通信技术172.1.3数据通信主要技术指标数据传输速率误码率与误信率第2章数据通信技术181.数据传输速率码元速率信息速率第2章数据通信技术19(1)码元速率在数字通信系统中，数字信号是用离散值表示的，每个离散值代表一个码元。码元与比特是两个不同的概念：如果码元采用0/1两元制（如2级电平）表示，则1个码元可携带1个比特的信息；如果码元采用16元制（如16级电平）表示，则1个码元可携带4个比特的信息。码元速率是指每秒传送多少个码元。码元速率也称为调制速率、波形速率或符号速率。码元速率的单位是波特（Baud），1波特为每秒传送1个码元。第2章数据通信技术20(1)码元速率1924年，奈奎斯特（Nyquist）推导出了具有理想低通矩形特性的信道的最高码元传输速率：理想低通信道的最高码元速率＝2WBaud其中，W是理想低通信道的带宽，单位是Hz。对于具有理想带通矩形特性的信道（带宽为W），奈奎斯特准则变为：理想带通信道的最高码元速率＝WBaud即每赫兹带宽的理想带通信道的最高码元速率为每秒1个码元。第2章数据通信技术21(2)信息速率信息速率是指每秒钟所传送的信息量，单位是比特/秒（bit/s，bps）。码元速率与信息速率的概念是不同的。对于二元制表示的信号（如2级电平），每个码元含1个比特的信息，这时码元速率与信息速率相同。对于四元制表示的信号（如4级电平），每个码元含2个比特的信息，这时信息速率是码元速率的2倍。第2章数据通信技术22(2)信息速率对于采用M进制表示的信号，其信息速率与码元速率的关系是：Rb=RBlog2M1948年，香农（Shannon）利用信息论的理论推导出了具有高斯白噪声干扰的带宽受限信道的极限信息传输速率。当使用低于或等于该速率的比特率进行传输时，传输过程不会出现差错。极限信息传输速率C可表示为C=Wlog2(1+S/N)bit/s其中：W为信道的带宽（单位是Hz）；S为信道内所传送信号的平均功率；N为信道内部高斯噪声的平均功率。上式即为著名的香农公式。香农公式表明：信道带宽越大或信道内的信噪比越高，则极限信息传输速率就越高。第2章数据通信技术232.误码率与误信率误码率是指码元在传输过程中，出现差错的码元占总传输码元数的比率。误码率Pe=错误接收的码元数/传输的总码元数误信率（也称误比特率）是指传输中出现差错的比特数占传输总比特数的比率。如果每个码元仅包含1个比特的信息，此时误码率等于误信率。误信率Pb=错误接收的比特数/传输的总比特数第2章数据通信技术242.1.4数据通信的方式并行通信和串行通信单工、半双工和全双工通信数据通信的同步方式第2章数据通信技术251.并行通信和串行通信第2章数据通信技术并行通信与串行通信的例子262.单工、半双工和全双工通信第2章数据通信技术单工通信半双工通信双工通信273.数据通信的同步方式异步方式同步方式第2章数据通信技术28(1)异步方式在异步传输方式中，在每个传送的字符码（7或8位）前面，都要加上一个字符起始位，用以表示字符码的开始。在字符码或字符校验码之后加上1个、1.5个或2个终止位，用以表示该字符的结束。接收方根据起始位和终止位判断每个字符的开始和结束，从而保证通信双方的同步。第2章数据通信技术29(1)异步方式第2章数据通信技术异步传输方式示意图30(2)同步方式同步传输方式是一次传输若干个字符码或若干个二进制位组成的数据块。在这组数据发送之前，先发送一个同步字符SYN（01101000）或一个同步字节（01111110），用于接收方进行同步检测，做好接收数据的准备。在同步字符或同步字节之后，可以连续发送任意长的字符或数据块，在数据发送完后，再利用同步字符或同步字节通知接收方整个发送过程结束。第2章数据通信技术31(2)同步方式第2章数据通信技术同步传输方式示意图32(2)同步方式为了保证收发双方的严格同步，需要进一步采取位同步的方式。位同步的目的是使发送方所发送数据中相邻位的时间间隔能够被接收方所知悉，从而保证接收方数据采样时刻的准确性。这就需要接收方能够获得发送方的时钟信号。位同步有两种实现方式。第一种方式是采用一个额外的信道传送发送方的同步时钟，接收方根据该路同步时钟信号进行数据接收，从而保证数据接收的同步性。第二种方式是采用某种编码技术将时钟信号编码到所发送的数据中，通过接收方的解码处理，得到同步时钟信号。第2章数据通信技术332.2传输介质双绞线同轴电缆光纤第2章数据通信技术342.2.1双绞线双绞线一般是由多对两两扭合在一起的带有绝缘层的铜线组成，被封装在一个绝缘套管中。每根铜导线的绝缘层上通常涂有不同的颜色，以示区分。通常，双绞线扭合的越密，其抗干扰能力就越强，传输性能也就越高。第2章数据通信技术352.2.1双绞线按性能分类：双绞线按照性能不同可分为1类线、2类线、3类线、4类线、5类线、超5类线和6类线。类别越高，传输性能越好，价格也越贵。目前在计算机网络布线中使用最多的是5类线、超5类线和6类线。按结构分类：双绞线按照是否带有屏蔽层，可分为非屏蔽双绞线（UnshieldedTwistedPair，UTP）和屏蔽双绞线（ShieldedTwistedPair，STP）两类。UTP由于不带屏蔽层，容易受到来自外部环境或邻近双绞线的电磁干扰。但它安装和使用方便，且成本低，因此被广泛地用于网络布线。STP抗干扰能力强，但成本较高，而且安装相对要复杂一些。第2章数据通信技术36双绞线的制作第2章数据通信技术RG-45连接器插头37双绞线的制作EIA/TIA568A双绞线制作标准EIA/TIA568B双绞线制作标准线颜色绿白绿橙白蓝蓝白橙棕白棕线序号12345678第2章数据通信技术线颜色橙白橙绿白蓝蓝白绿棕白棕线序号12345678382.2.2同轴电缆同轴电缆用于传递电信号的一对导体是按照一层圆筒式的外导体套在内导体（铜芯）外面，两个导体之间使用绝缘材料进行隔离而设计的。其外层导体和内层导体在同一个轴心上，所以称为同轴电缆。第2章数据通信技术392.2.2同轴电缆按直径大小分类。按照直径大小划分，同轴电缆可分为粗缆和细缆。粗缆适用于较大型的局部网络，它的传输距离长，可靠性高。其最大传输距离可以达到500m。细缆的传输距离短，缆线总长不能超过185m，否则信号会被严重衰减。细缆在安装过程中通常使用T型连接器进行连接，这种连接方式容易产生故障。在计算机网络布线领域，粗缆和细缆已基本上被双绞线和光缆所取代。按电气特性和传输信号类型分类。特性阻抗为50欧姆为基带同轴电缆(传输数字信号)，如局域网中使用的粗缆和细缆。特性阻抗为75欧姆的宽带同轴电缆(传输模拟信号)。宽带同轴电缆常用于传送有线电视信号。第2章数据通信技术402.2.3光纤光纤是光导纤维（FiberOptics）的简称。它是一种利用光的全反射原理在玻璃或塑料制成的非常细的纤维中传输光信号的传输介质。光纤由纤芯和包层构成，包层包在纤芯的外面，是一层具有较低折射率的物质，由于包层的作用，光信号在包层表面形成全反射，只能在纤芯中进行传播，不会通过包层折射出去。第2章数据通信技术41光信号的发送和接收在光纤的一端使用发光二极管（LightEmittingDiode，LED）或注入式激光二极管（InjectionLaserDiode，ILD）将光脉冲传送至光纤。在光纤的另一端采用光敏元件进行接收，完成从光信号到电信号的转换。第2章数据通信技术42四芯光缆的剖面示意图第2章数据通信技术43光纤的分类按光的传输模式分类多模光纤（MultiModeFiber）：多模光纤允许多个光束在同一条纤芯上传输，其纤芯直径范围从50μm到几百μm不等。对于100Mbps的传输速率，多模光纤的传输距离可达2km；对于1Gbps的传输速率，其传输距离可达500~600m；对于10Gbps的传输速率，其传输距离可达300m。单模光纤(SingleModeFiber)：典型单模光纤的纤芯直径为8~10μm，包层外直径为125μm。在单模光纤中，光束能够以单一的模式无反射地沿纤芯轴心方向传播。单模光纤的模式色散很小，能够把光以很高的频率传输很长距离。单模光纤能够以10Gbps的速率将数据传送超过60km的距离，甚至更远。第2章数据通信技术44光纤的分类按制造材料分类：按照制造材料划分，光纤可分为无机光导纤维和高分子光导纤维。