第二章数据通信基础

第二章数据通信基础§2-1数据通信的基本概念•信息：是对事物运动状态和特征的描述•数据：是信息的表示形式。•信号：是在特定通信方式中数据的具体表现。•数据通信：在不同计算机之间传送表示字母、数字、符号的二进制代码（0，1）比特序列的模拟或数字信号的过程。信息、数据和信号三者是紧密相关的。在计算机中，信息是用数据表示的并转换成信号进行传送。模拟信号和数字信号•模拟信号：是一个连续变化的物理量，即在时间特性上幅度（信号强度）的取值是连续的，一般用连续变化的电压表示。•数字信号：是指信号在时间特性上幅度的取值是有限的离散值，一般用脉冲序列表示。信道•信道是传输信号的通道。•信号带宽：是信号中包含的频率范围。•信道带宽是信道上允许传输电磁波的有效频率范围，即该频带范围的最高值减最低值，简称为带宽。•狭义信道的带宽由传输介质的物理特性决定；而广义信道的带宽还要受信号转换设备的限制。•信道容量是衡量一个信道传输数字信号的重要参数。信道容量是指单位时间内信道上所能传输的最大比特数，用每秒比特数（bps）表示。当传输的信号速率超过信道的最大信号速率时，就会产生失真。数据通信模型•信息是人类所创造的各种声、像、图、文形式的知识。数据是信息在计算机中的表现形式。数据传输过程是将信息从源站传到目标站。首先需要将信息用二进制代码来表示，其次还要将二进制代码以一定的信号方式（如电压、电流、脉冲等）来表示。然后将信号由信道进行传输。到达接受方后，再根据这些信号恢复为数据代码，从而使目标站得到源站发送端的信息。§2-2传输介质•要在网络站点之间传输比特，就必须先找到一个在站点之间传送信号的方法，也就是说必需建立有效的物理连接。传输介质提供了这种最基本的连接。•计算机网络中采用的传输介质有有线和无线两大类。•双绞线、同轴电缆和光纤是常见的三种有线传输介质。双绞线•双绞线是由螺旋状缠绕在一起的成对绝缘导线组成的。每对导线按照一定密度相互对绞，一根导线在传输信号时的电磁辐射会被另一根导线上的电磁辐射抵消，从而减少相互间的电磁干扰。•由于双绞线的价格便宜，并且安装、维护方便，所以无论对于模拟信号还是数字信号，也无论对于广域网还是局域网，双绞线都是常用的一种网络传输介质。绝缘层金属导线(a)双绞线(b)非屏蔽双绞线UTP(c)屏蔽双绞线STP绞合技术•双绞线是由粗约1mm的相互绝缘的一对铜导线绞合组成的，对称均匀的绞扭可以减少线对之间的电磁干扰。•绝缘材料使两根线中的金属导体不会因为互碰而导致电路短路。•双绞线可以用每单位长度导线上螺旋的数目来作为这种电缆的一个衡量标准。螺旋的数目越多，就越有助于降低电容和减少串扰。•串扰指相邻导线对之间的相互电磁干扰。双绞线的分类•双绞线通常被捆扎起来，并裹上保护层。按照保护层的区别，双绞线分为屏蔽双绞线和非屏蔽双绞线：非屏蔽双绞线UTP•非屏蔽双绞线（UnshieldedTwistedPair，UTP）•通常由不同颜色的（橙／绿／蓝／棕）4对双绞线组成，使用RJ-45连接器。屏蔽双绞线STP•屏蔽双绞线（ShieldedTwistedPair，STP）•电缆外层由铝箔包裹，价格相对较高，并且需要支持屏蔽功能的特殊连接器和适当的安装技术，但是性能要高于相应的非屏蔽双绞线UTP。内导体芯线绝缘层箔屏蔽铜屏蔽外套综合布线使用的双绞线双绞线种类类型带宽／Mb/s屏蔽双绞线STP3类165类100非屏蔽双绞线UTP3类164类205类100超5类1556类250•由于双绞线价格便宜，安装容易，适用于结构化综合布线，所以得到了广泛的使用。•电子工业协会EIA定义了双绞线电缆各种不同的型号同轴电缆•同轴电缆是另一种常用的金属导体传输介质。•同轴电缆的结构由四个部分组成：BNC连接器光缆和光纤•光缆是由能传送光波的超细光导纤维制成的。•光纤通常由非常透明的石英玻璃拉成细丝，由纤芯和包层构成双层同心圆柱体。光纤信道•光纤信道中的光源可以是发光二极管LED（LightEmittingDiode）或注入式激光二极管ILD（InjectionLaserDiode）。这两种器件都可以在有电流通过时发出光脉冲；•光脉冲通过光导纤维传播到达接受端；•接受端有一个光检测器——光电二极管，它遇光时产生电信号，这样就形成了一个单向的光传输系统；•如果我们采用适当的方法，如使用一对光纤或建立环型结构，就可以达到信息点相互通信的目的。多模光纤和单模光纤•在光纤中，只要射到光纤表面的光线的入射角大于某一个临界角度，就可以产生全反射。因此，许多条不同角度入射的光线可以在一条光纤中传输，不同的传播模式有不同的电磁场分布和不同的传播路径，这样的光纤被称为多模光纤。•如果核心层芯线的直径小到光波波长大小，则光纤就成为波导，光在其中无反射地沿着芯线传播，这种光纤被称为单模光纤。多模光纤和单模光纤多模光纤和单模光纤多模光纤单模光纤A、低速、短矩离传输B、成本低C、宽线芯、低效、耗散大D、2kmA、高速、长距离传输B、成本高C、窄线芯、高效、耗散小D、60km（需要激光）光纤的结构•如图所示，光纤由纤芯、包层、一次涂敷层和套层组成光纤的使用•光纤的单向性•要进行双向通信需要用双股光纤•光纤的连接•熔接•不能拉得过紧，也不能形成直角光纤通信的优点•首先光纤可提供更高的带宽，多模光纤的带宽可达7GHz，单模光纤的带宽可达200GHz，一对单模光纤在理论上可以提供几亿路电话的容量，远远高于铜质线缆。光纤具有很高的数据传输速率、极宽的频带、低误码率和低延迟。•其次，光传输不受电磁干扰，光纤埋在铁路路基上，甚至与高压线同杆并行架设也不会受到干扰；光传输不可能被偷听，因此它的安全性和保密性好。•最后，光纤重量轻、体积小、耐腐蚀、铺设容易，埋入地下或海底可以长时间不被腐蚀。常见光纤接头FC－PC型光尾纤接头外形图SC－PC型光尾纤接头外形图ST-PC型光尾纤接头外形图FC/PC－SC/PC型光尾纤外形图网络连接介质同轴电缆同轴电缆由中心的一根导线和包围在某外边的圆筒状导体组成粗缆AUI（10Mbps、500m)细缆BNC（10Mbps、185m）非屏蔽双绞线UTP4对标准铜缆构成的网络介质：选用RJ45连接器CATEGORY310MbpsCATEGORY5100Mbps屏蔽双绞线STP屏蔽双绞线是屏蔽技术和绞线技术的结合体，具有很强的抗电磁干扰，抗无线电干扰的能力。光缆采用光信号不受电磁干扰，传输距离长无线信道•无线传输介质一般不是人为架设的介质，而是自然界所存在的介质，这种介质就是广义的无线介质。在这些无线介质中完成通信称为无线通信。•常见的无线介质：无线电波、红外线信号以及微波等。•在使用电缆非常困难或者说根本不可能时，无线通信可以出色地代替电缆。•使用无线通信时有一个非常重要的限制：同一介质的其他信号、太阳黑子的运动、电离层变化和其他大气干扰都会对通信信号形成干扰，从而会产生许多问题。微波技术•微波通信系统可分为地面微波中继系统和卫星微波系统，两者之间的功能相似，但通信能力有很大区别。•微波信号是直线传输的。•使用卫星作为微波中继可以扩大通信距离，但有时间延迟。地面微波中继•为实现远距离通信，必须在一条无线通信信道的两个终端之间建立若干个中继站。中继站把前一站送来的信号经过放大后再传送到下一站，这种传递不断持续下去就可以实现视线被地表切断的两个站点间的传输地球地面站之间的直视线路微波传送塔卫星通信•卫星通信是利用卫星上的微波天线接收地面发送站发送的信号，经过放大后再转发给地面接收站，通信卫星可看作是悬在太空中的微波中继站。地球地面站地面站红外线技术和激光技术•红外线传输•用于短距离通信，如电视、录象机等的遥控•也可用于无线LAN•缺点：不能穿透固体•激光传输•应用：在屋顶用激光连接两个建筑物的LAN•缺点：不能穿透雨和浓雾，易受天气影响§2-3数据编码•在数据通信中，数据要使用二进制编码表示。•二进制编码数据需要使用信号表示，用两个电平值（0，1）表示是一种最简单的数据编码方法。基带传输和频带传输•基带：数字脉冲信号所固有的频带称为基本频带，简称基带。•基带传输(Baseband)：人们将数据信道直接传输数字信号的传输方式叫做基带传输。•基带传输在基本不改变数字数据信号波形的情况下直接传输数字信号，具有速率高和误码率低等优点，适合于短距离传输，如局域网。•频带传输(Broadband)：利用模拟信道传输信号的传输方式叫做频带传输或宽带传输。•频带传输的优点是可以利于现有的大量模拟信道(如模拟电话交换网)通信。价格便宜，容易实现。家庭用户拨号上网就属于这一类通信。它的缺点是速率低，误码率高。并行传输与串行传输•并行传输（parallel）与串行传输（serial）b7b6b5b4b3b2b1b0b7b6b5b4b3b2b1b0b7b6b5b4b3b2b1b0b7b6b5b4b3b2b1b0b0b1b2b3b4b5b6b7串行信道并行信道(a)并行数据传输(b)串行数据传输同步传输和异步传输•数据通信中，通信双方在收发数据序列时必须在时间上取得一致，才能保证接受的数据与发送的数据一致，这就是通信的同步。•并行传输由于距离较短，仅用于通信设备和计算机设备内部，由增加控制线通过控制信号来实现通信同步。•串行通信是目前最经济的长距离传输方式。现在有两种不同的方式来解决串行通信中的同步问题：同步传输与异步传输。同步传输•同步传输以固定的时钟节拍来发送数据信号，使接受端接受的每一位数据都要和发送端保持同步，中间没有间断时间。因此在一个串行的数据流当中，各信号码元的相对位置都是固定的，接受方为了从受到的数据流中正确的区分出一个个信号码元，首先必须建立正确的时钟信号。•在近距离传输中可以增加时钟信号线，远距离时则必须在发送的数据流当中附加同步时钟信号，由接受方提取来完成位同步。异步传输•异步传输一般以字符（或等长的信元）为单位。以面向字符发送为例，在发送每一个字符代码时，前面均加一个“起”信号，后面加一个“止”信号，一般起始位为0，结束位为1。一个个字符可以连续发送也可以独立发送，即中间可以有间隔时间。但在一个字符时间内，收发双方各数据位必须同步，起-止信号实际上起同步作用，以便能区分串行传输的字符。•如下图所示，这种方式又称为起-止式同步方式。由此可见，在串行通信中的异步传输是相对的。§2-5数据通信方式•信道结构在数据通信中，信道有三种结构单工通信信道半双工通信信道全双工通信信道传输方式•单工通信：通信线路上的数据始终按照一个固定的方向传送。•半双工通信：数据信息可沿信道的两个方向传送，但同一时刻只能沿一个方向传送。•全双工通信：数据信息能同时沿相反两个方向传送。设计一个数据通信系统，必须先决定数据信息是沿一个方向传输，还是来回双向传输。要是来回双向传输，还要决定发送/接受设备是否同时进行发送和接受，即是否双向同时传输。§2-6多路复用技术•利用一个信道同时传输多个信号，称为信道多路复用。•多路复用包括信号复合、传输及分离三个过程，如下图所示。目前多路复用技术主要有两种形式：频分多路复用（FDM）和时分多路复用（TDM）。频分复用•这是频率域上的正交分割。•信号集采用在频谱上互不重叠载频，算符集采用不同载频的带通滤波器。频率时间频率1频率2频率3频率4频率5时分复用•这是时间域上的正交分割。•信号集按不同的时隙进行分割，并让各个地址的信号在时间上互不重叠。算符集采用相应时隙的选择开关。频率时间BCDBCDBCDBCDAAAA在TDM帧中的位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧…TDM帧统计时分复用STDM用户ABCDabcdttttt3个STDM帧#1④③②①acbabbcacd#2#3统计时分复用波分复用：FDM的变形1550nm01551nm11552nm21553nm31554nm41555nm51556nm61557nm701550nm11551nm21552nm31553nm41554nm51555nm61556nm71557nm82.5Gb/s1310nm20Gb/s复用