第3讲数据通信

计算机网络（3）———数据通信西安电子科技大学刘怀亮提纲一、基本概念、相关术语二、信号表示三、数据表示四、数据通信方式五、传输介质一、基本概念与相关术语数据通信技术是网络技术发展的基础，而通信的目的是交换信息，信息的载体可以是数字、文字、语音、图形、图像等，而我们用计算机表示的信息如SINA的某网页它所传达的信息一般是字母、数字、图形等的组合，为了传送这些信息，首先要将这些字母、数字、图形用二进制代码来进行表示，数据通信就是指在不同计算机之间传送这些表示字母、数字、图形的二进制代码0、1比特序列的过程。数据（Data）信号（Signal）信息－（information）信源－(source)信宿－(destination)信道－（channel）介质—（medium）几个术语的解释数据（Data）数据（Data）－数据可分为模拟数据和数字数据。模拟数据是在某区间内连续变化的值；数字数据是离散的值。狭义的“数据”通常是指具有一定数字特性的信息，如统计数据、气象数据、测量数据及计算机中区别于程序的计算数据等。但在计算机网络系统中，数据通常被广义地理解为在网络中存储、处理和传输的二进制数字编码。信号（Signal）信号－是数据的电子或电磁编码。信号可分为模拟信号和数字信号。模拟信号是随时间连续变化的电流、电压或电磁波；数字信号则是一系列离散的电脉冲。信号（Signal）简单地讲就是携带信息的传输介质。在通信系统中我们常常使用的电信号、电磁信号、光信号、载波信号、脉冲信号、调制信号等术语就是指携带某种信息的具有不同形式或特性的传输介质。信息是人对现实世界事物存在方式或运动状态的某种认识;数据是把事件的某些属性规范化后的表现形式;信号是数据的具体的物理表现。信息－（information）是数据的内容和解释。信源－(source)通信过程中产生和发送信息的设备或计算机。信宿－(destination)通信过程中接收和处理信息的设备或计算机。信道－（channel）信源和信宿之间的通信线路。介质—（medium）物理介质，信号的实际载体。二、信号表示模拟信号和数字信号可通过参量(幅度)来表示：如电话线上传输的是按照声音的强弱幅度连续变化的电信号称为模拟信号（analogysignal）而计算机中是用两种不同的电平去表示0、1比特序列的电压脉冲信号称为数据信号（digital）模拟：波动性；持续变化；反映事物的本质；在电信业已经被广泛使用超过100年；数字：离散性；跃变性；设备性能先进，较为便宜；模拟与数字的特点：三.数据的表示模拟数据和数字数据都可以用模拟信号或数字信号来表示因而无论信源产生的是模拟数据还是数字数据，在传输过程中都可以用适合于信道传输的某种信号形式来传输数据通信的长距离传输及信号衰减的克服1)模拟信号和数字信号都可以在合适的传输媒体上进行传输2)模拟信号无论表示模拟数据还是数字数据,在传输一定距离后都会衰减。克服的办法是用放大器来增强信号的能量，但噪音分量也会增强，以至引起信号畸变。3)数字信号长距离传输也会衰减，克服的办法是使用中继器，把数字信号恢复为0、1的标准电平后继续传输。1.并行通信方式并行通信传输中有多个数据位，同时在两个设备之间传输。发送设备将这些数据位通过对应的数据线传送给接收设备，还可附加一位数据校验位。接收设备可同时接收到这些数据，不需要做任何变换就可直接使用。并行方式主要用于近距离通信。计算机内的总线结构就是并行通信的例子。这种方法的优点是传输速度快，处理简单。四、数据通信方式2.串行通信方式串行数据传输时，数据是一位一位地在通信线上传输的，先由具有几位总线的计算机内的发送设备，将几位并行数据经并--串转换硬件转换成串行方式，再逐位经传输线到达接收站的设备中，并在接收端将数据从串行方式重新转换成并行方式，以供接收方使用。串行数据传输的速度要比并行传输慢得多，但对于覆盖面极其广阔的公用电话系统来说具有更大的现实意义。3.串行通信的方向性串行数据通信的方向性结构有三种，即单工、半双工和全双工。五、传输介质传输介质是网络中连接收发双方的物理通道，也是通信中实际传送信息的载体，常用的传输介质有：双绞线、同轴电缆、光纤、无线电短波通信、地面微波接力通信、红外线和激光、卫星通信、VSAT卫星通信1、双绞线双绞线可分为非屏蔽双绞线(UTP)和屏蔽双绞线(STP)两大类：STP外面由一层金属材料包裹，以减小辐射，防止信息被窃听，同时具有较高的数据传输速率，但价格较高，安装也比较复杂;UTP无金属屏蔽材料，只有一层绝缘胶皮包裹，价格相对便宜，组网灵活。除某些特殊场合(如受电磁辐射严重、对传输质量要求较高等)在布线中使用STP外，一般情况下我们都采用UTP。UTP非屏蔽双绞线结构：4对线８根铜芯：橙白．橙．绿白．蓝．蓝白．绿．棕白．棕分类：按照传输速度分：*3类线带宽16Mbps*4类线带宽20Mbps*5类线带宽100Mbps*超5类线带宽100Mbps*6类线带宽250Mbps*7类线带宽600Mbps特点：*最长传输距离100M*一箱双绞线为305M双绞线有两种接法：EIA/TIA568B标准和EIA/TIA568A标准。具体接法如下：T568A线序12345678绿白绿橙白蓝蓝白橙棕白棕T568B线序12345678橙白橙绿白蓝蓝白绿棕白棕直通线：两头都按T568B线序标准连接。交叉线：一头按T568A线序连接，一头按T568B线序连接。2同轴电缆典型的同轴电缆（CoaxialCable）由一根内导体铜质芯线外加绝缘层、密集网状编织导电金属屏蔽层以及外包装保护塑橡材料组成，其结构如图所示。同轴电缆分类①粗缆：造价高,不用②细缆:造价低,少用特点①使用ＢＮＣ头做线②使用Ｔ型头连接总线③连接终端电阻50Ω④用于总线型拓扑光导纤维通过内部的全反射来传输一束经过编码的光信号，光波通过光纤内部全反射进行光传输的过程如图所示。3光纤实际上，只要射到光纤表面的光线的入射角大于某一临界角度，就可以产生全反射，并且可以存在许多条不同角度入射的光线在一条光纤中传输，这种光纤就称为多模光纤（MultimodeFiber），如图所示。优点光纤：单模与多模光纤光源：发光二极管LED与ILD注入激光二极管传输速率高连通性好传输距离长抗干扰性强相对价格低4、无线通信电磁波的三个参数：波长,频率f,光速C=3xxf=C电磁波传播方式有二种：一是无线传输，一是有线传输，如光纤不同频率的电磁波可以分为：无线电、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线、射线用于通信的有：无线电、微波、红外线、可见光。ITU根据不同频率将不同波段进行了划分与命名：低频、中频、高频、甚高频、特高频、超高频、极高频sm/108不同传输介质可以传输不同频率的信号，如：上图所示……双绞线、同轴、光缆……它们一般用于固定物体间通信而移动物体与移动物体、移动与固定物体间的通信，都属于移动通信，移动通信只能靠无线通信手段，主要有以下几种无线通信手段：无线通信、微波通信、蜂窝移动通信、卫星通信系统、vsat低轨道卫星系统无线电通信在一些电缆光纤难于通过或施工困难的场合，例如，高山、湖泊或岛屿等，即使在城市中挖开马路敷设电缆有时也很不划算，特别是通信距离很远，对通信安全性要求不高，敷设电缆或光纤既昂贵又费时，若利用无线电波等无线传输介质在自由空间传播，就会有较大的机动灵活性，可以轻松实现多种通信，抗自然灾害能力和可靠性也较高。长波、中波、短波、超短波、微波………………无线电波通过多种传输方式从发射天线到接收天线。主要有自由空间波5，对流层反射波4，电离层波2和地波1。无线电波的传播特性表面波传播，就是电波沿着地球表面到达接收点的传播方式，如下图中1所示。电波在地球表面上传播，以绕射方式可以到达视线范围以外。地面对表面波有吸收作用，吸收的强弱与带电波的频率，地面的性质等因素有关。天波传播，就是自发射天线发出的电磁波，在高空被电离层反射回来到达接收点的传播方式。如下图中2所示。电离层对电磁波除了具有反射作用以外，还有吸收能量与引起信号畸变等作用。其作用强弱与电磁波的频率和电离层的变化有关。散射传播，就是利用大气层对流层和电离层的不均匀性来散射电波，使电波到达视线以外的地方。如下图中4所示。对流层在地球上方约10英里处，是异类介质，反射指数随着高度的增加而减小。外层空间传播，就是无线电在对流层，电离层以外的外层空间中的传播方式。如下图中的5所示。这种传播方式主要用于卫星或以星际为对象的通信中，以及用于空间飞行器的搜索，定位，更踪等。自由空间波又称为直达波，沿直线传播，用于卫星和外部空间的通信，以及陆地上的视距传播。视线距离通常为50km左右。地面微波接力通信无线电数字微波通信系统在长途大容量的数据通信中占有及其重要的地位，其频率范围为300MHz～300GHz。微波通信主要有两种方式：地面微波接力通信和卫星通信。微波在空间主要是直线传播，并且能穿透电离层进入宇宙空间，它不像短波那样经电离层反射传播到地面上其他很远的地方，由于地球表面是个曲面，因此其传播距离受到限制且与天线的高度有关，一般只有50km左右，长途通信时必须建立多个中继站，中继站把前一站发来的信号经过放大后再发往下一站，类似于“接力”，如果中继站采用100m高的天线塔，则接力距离可增大到100km。微波信号传输的特点是：（1）只能进行视距传播因为微波信号没有绕射功能，所以两个微波天线只能在可视，即中间无物体遮挡的情况下，才能正常接受。（2）大气对微波信号的吸收与散射影响较大由于微波信号波长较短，因此利用机械尺寸相对较小的抛物面天线，就可以将微波信号能量集中在一个很小的波束内发送出去。这样就可以用很小的发射功率来进行远距离通信。同时，由于微波天线的高度方向性，因此在地面一般采用点—点通信方式，微波频率很高，故可以获得较大的通信带宽。特别是适用于卫星通信与城市建筑物之间的通信。蜂窝无线通信美国贝尔试验室早期在1946年就提出了蜂窝无线通信（CellularRadioMobileCommunication）的概念。1958年向FCC（美国联邦通信委员会）提出了建议。1977年完成了可行性技术论证。1978年完成了芝加哥先进移动电话系统AMPS(AdvancedMobilePhoneSystem)。1983年正式投入运营。早期的移动通信系统采用大区制的强覆盖区，即建立一个无线电台基站，架设很好的天线塔（一般高于30米，发射功率为50w～200w）,覆盖范围可达30km～50km。大区的优点：结构简单，不需要交换，但频道数量较少，覆盖范围有限。为了提高覆盖区域的系统容量与允分利用频率资源，人们提出了小区制概念。如果将一个大区域化分为多个小区，每个小区（Cell）中建立一个基站BS，通过基站在用户的移动台（MS）之间建立通信。小区覆盖半径小，一般为1-20公里。因此，可以用较小的功率实现双向通信。如果每个基站提供1-几个频道，可容纳的移动用户数就可以有几十到几百个。这样，有多个小区构成的通信系统的总容量将大大提高。由若干个小区构成的覆盖区叫做群区。由于群区的结构酷似蜂窝，故人们将小区制移动通信系统叫做蜂窝移动通信系统GSM第一代蜂窝移动通信是模拟方式，第二代蜂窝移动通信式数字式。人们目前正在研究与开发第三代移动通信产品。3G在无线通信网中，任一用户发送的信号均能被其它用户接受，所以网中用户如何能从接受的信号中识别出本地用户地址，就是多址接入问题。解决多址接入的方法称为多址接入技术。在蜂窝移动通信系统中，多址接入方法有3种：频分多址接入FDMA、时分多址接入TDMA、码分多址接入CDMA。红外线和激光红外线通信和激光通信就是把要传输的信号分别转换成红外光信号和激光信号直接在自由空间沿直线进行传播，它比微波通信具有更强的方向性，难以窃听、插入数据和进行干扰，但红外线和激光对雨雾等环境干扰特别敏感。