(网络工程师培训)主题04：通信基础(2006-03-30)

主题四国家信息化工程师认证考试管理中心通信基础2.1主要知识点1.基础概念2.数据通讯理论基础3.传输介质和通信电缆4.编码和传输5.传输技术6.传输控制7.交换技术8.公用网络和租用网络9.网络通信设备10.网络连接设备11.典型试题分析2.2基础概念单工、半双工、全双工模拟和数字周期信号简单信号和复合信号振幅、周期和相位数字信号分解介质带宽和有效带宽信道容量串行与并行一对一通信与一对多通信资源子网和通信子网资源子网:实现资源共享功能的设备及其软件的集合通信子网:实现网络通信功能的设备及其软件的集合模拟与数字模拟信号：随时间变化而平稳变化的连续波形式。数字信号：从一个值到另一个值的转换是瞬间发生的。数字信号模拟信号模拟：意味着连续的量。数字：意味着离散的量。周期信号如果一个信号能在一个可测量的时间内，完成一种称作周期的模式，并且在随后的同样长短的周期内不断重复这种模式，这个信号就是周期性的。简单信号和复合信号模拟信号可以被分为简单信号或者复合信号。简单信号是不能被分解为更简单的模拟信号。复合信号可以被分解为多个简单信号。a)简单信号b)复合信号模拟信号三要素振幅：在波上任一点信号的值。它等于波形上给定点到水平轴的垂直距离。周期：完成一个波形循环所要经历的时间（频率＝1/周期）相位：描述了波形相对与时间轴零点的位置。最大值Ｔ最小值波特率和比特率波特率:每秒信号变换（振幅/相位/频率）的次数。波特率的单位是b/s。比特率:每秒传输的比特（数字信号0和1）数量。比特率的单位是bps。数字信号分解一个数字信号可以被分解成无穷多个被称为谐波的简单正弦波，每个谐波都有不同的振幅、频率和相位。当我们在传输媒体上发送数字信号时，其实在发送无穷多的简单信号。介质带宽和有效带宽介质带宽：传输介质有一个有限的带宽，它只能传输某些频率范围内的信号。有效带宽：数字信号的频谱包括不同振幅的无数个频率，而我们只传输那些具有重要振幅的分量，我们可以已合理的精度在接收端复制出数字信号，其带宽称为有效带宽。信道容量一种传输介质可以传输的最大比特率称为介质的信道容量。信道容量大小依赖于编码技术种类和系统信噪比。基带传输在信道中传输的原始数字电信号所固有的频带，称为基本频带，简称基带。在信道中直接传送基带信号时，称为基带传输。如从计算机到监视器、打印机等外设的信号就是基带传输的。大多数的局域网使用基带传输，如以太网和令牌环网。宽带传输通过借助频带传输，宽带传输可以将链路容量分解成两个或更多的信道，每个信道可以携带不同的信号。宽带传输中的所有信道都可以同时发送信号。如CATV、ISDN等。当采用模拟信号传输数据时，往往只占用有限的频带，对应基带传输将其称之为频带传输串行与并行并行传输：两个短距离的设备之间的传输，如打印缆。串行传输：远距离的设备之间的传输，便宜、可靠、速度慢。问题：如何在串行传输时，使接收设备知道何时开始传输？设备1设备201101100设备1设备20110110001101100发送01101100从右到左a)并行传输b)串行传输异步与同步异步传输：每个被传送的字符前有起始位，后有停止位。速率慢，开销大，适用于低速设备。同步传输：字符组合成数据帧成组发送数据帧包含一组同步字符使收发双方进入同步。传输速度快，开销少。单工/半双工/全双工单工：信号只能在一个方向上传输半双工：通信可以在两个方向上传输，但不同时全双工：通信可在双方向同时进行设备１设备１设备１设备１设备１设备１一对一通信与一对多通信2.3数据通信理论基础11)2cos()2sin(21)(nnnnnftnftctgba傅立叶分析:任何正常的周期为T的函数g(t)，都可以由（无限个）正弦和余弦函数合成。尼奎斯特证明:如果一个任意信号通过带宽为H的低通滤波器，那么每秒采样的2H就能完整地重现通过这个被滤波的信号。尼奎斯特定理：VHsb2log2)/(最大数据传输速率例如:一个无噪声的3KHz信道不能以高于6000b/s的速率传输二进制（二电平）信号。数据通信理论基础香农公式:任何带宽为HHz，信噪比为S/N的信道，其最大数据传输速率为：)/1(log)/(2NSHsb最大数据传输速率例如:一条带宽为3000Hz，信噪比为30db的信道，不管使用多少信号级电平，也不管采用多大的采样频率，都不能以大于30000b/s的速率传输数据。注：30db表示S/N=103=1000。2.4传输介质和通信电缆2.4.1双绞线概述2.4.2制作和测试UTP(实验)2.4.3同轴电缆2.4.4光纤2.4.5无线传输2.4.1双绞线概述双绞线的两种类型双绞线的结构双绞线的颜色双绞线的接头(RJ45)双绞线的线材等级双绞线的两种类型非屏蔽双绞线(UnshieldedTwisted-Pair,UTP)屏蔽双绞线(ShieldedTwisted-Pair,STP)比UTP多一层屏蔽层双绞线的结构(1)双绞线的结构(2)双绞线的颜色序号12345678颜色橙白橙绿白蓝蓝白绿棕白棕双绞线的接头(RJ45)正面侧面双绞线的线材等级类别最大传输速度应用1类2Mbit/s模拟和数字语音(电话)通信以及低速的数据传输。2类4Mbit/s语音、ISDN和不超过的4Mbit/s的局域网数据传输。3类16Mbit/s不超过16Mbit/s的局域网数据传输。4类20Mbit/s不超过20Mbit/s的局域网数据传输。5类100Mbit/s100Mbit/s距离100米的局域网数据传输。E5类1000Mbit/s1000Mbit/s的局域网数据传输6类2.4Gbit/s1000Mbit/s以上的的局域网数据传输。2.4.2制作和测试双绞线(UTP)准备工具和材料连接UTP和RJ45接头准备工具和材料UTP压线钳RJ45接头护套简易测线仪连接UTP和RJ45接头(1)连接UTP和RJ45接头(2)连接UTP和RJ45接头(3)2.4.3同轴电缆同轴电缆的结构同轴电缆的分类和技术标准同轴电缆的结构同轴电缆的类型和技术标准类型技术标准细缆粗缆直径0.25英寸0.5英寸传输距离185m500m接头螺旋形BNC头(端接)T形头(分接)AUI阻抗50Ω50Ω应用的局域网类型10Base2(细缆以太网)10Base5(粗缆以太网)2.4.4光纤光纤的结构光纤的尺寸光纤的类型光纤通信系统光纤的结构光纤的尺寸描述光纤尺寸的参数有两个：内芯直径和反射层直径，其度量单位都为微米(μm,1μm=1×10-6m)。最细的光纤其内芯直径通常只有5~10μm，粗一些的光纤其内芯直径为50~100μm。局域网中最常用的光纤是62.5μm/125μm的光纤，其中62.5μm是内芯直径，而125μm是反射层的直径。光纤的类型多模光纤(MultimodeFiber,MMF)光信号不止一种波长，常用多模光纤中主要有Ala类50/125μm和Alb类62.5/125μm两种类型。单模光纤(SinglemodeFiber,SMF)光信息只有一种波长，典型的单模光纤尺寸为8μm/125μm光纤的类型光纤通信系统2.4.5无线传输介质红外线无线电波红外线红外线红外线(Infrared,IR)技术广泛的应用在电视机和立体声系统的遥控器中，也可以做为网络通信的介质。它通过使用位于红外频率波谱中的锥形或者线型光束来传输数据信号。红外网络需要通信的双方设备都拥有一个收发器，最好还有同步软件。传输速度4Mbit/s~16Mbit/s。红外线是一种视线技术，不能通过不透明的物理(如墙壁)，并且易受外界光线干扰。无线电波窄带无线电波发射器与接收器使用相同的频率传输信号，如广播收音机。容易被非法听众截获信号。扩频无线电波(1)跳频扩频(Frequencyhoppingspreadspectrum,FHSS)(2)直序扩频(Directsequencespreadspectrum,DSSS)2.5编码和传输编码类型：数字-数字数字-模拟模拟-数字模拟-模拟模数转换模拟信号脉冲幅度调制信号111110101100011010001000111110101100011010001000数字化编码为：001-010-101-110-111-110-101-011-010-010-011-100模拟信号数模转换数字化的好处1.数字传输的出错率低2.能更有效的利用线路3.价格便宜4.维护方便数字化传输需要考虑的问题直流分量：当传输信号的平均振幅不是零时，这将产生直流分量（频率为0的分量）。当信号含有直流分量，它不能由没有处理直流分量的媒体传输，例如微波或变压器。同步：当一个信号不发生改变时，接受端无法知晓每比特的开始和结束。如果传输延时或噪声使信号发生扭曲，将导致接收方无法正确接收数据。数字-数字编码单极性编码极化编码※非归零编码（非归零电平编码、非归零反相编码）※归零编码※双相位编码（曼彻斯特编码、差分曼彻斯特编码）双极性编码※信号交替反转码※双极性8零替换编码※高密度双极性3零编码非归零编码-NRZ归零编码正电压=1负电压=0直流分量基本抵消Manchester码与差分Manchester码011010011上：Manchester码下：差分Manchester码信号交替反转码AMI模拟-数字编码脉冲振幅调制PAM：通过接收模拟信号，对它进行采样，然后根据采样结果产生一系列脉冲。（采样指每隔相等的时间间隔就测量一次信号振幅。）脉冲编码调制PCM：将脉冲振幅调制PAM所产生的采样结果进行处理，将其完全数字化。为实现这一目的，要首先对PAM的脉冲进行量化。（量化是一种对采样结果赋予一个特定范围内的整数值的方法。）PCM技术实际上由四个独立过程组成：脉冲振幅调制PAM、量化、二进制编码、数字-数字编码。数字-模拟编码幅移键控ASK：通过改变信号的强度来表达二进制0、1，而振幅改变的同时频率和相位则保持不变。缺点是受噪声的影响很大。频移键控FSK：通过改变信号的频率来表达二进制0、1，而频率改变的同时振幅和相位则保持不变。FSK技术的限制因素是载波的物理容量。相移键控PSK：通过改变信号的相位来表达二进制0、1，而相位改变的同时频率和振幅则保持不变。PSK技术受到设备检测相位变化能力的限制。正交调幅QAM：将ASK和PSK以某种方式结合起来，采用正交编组的方式提高抗干扰能力，使得传输率比单采用ASK或PSK为高。模拟数据编码101010101ASK移辐键控法，有载波为1，无载波为0模拟数据编码201010101FSK移频键控法，高频为1，低频为0模拟数据编码301010101PSK移相键控法，正相为1，反相为0模拟转数字A/D采样、量化、编码采样定理：采样频率大于等于有效信号最高频率2倍（带宽），采样值能包含原始信号的全部信息。量化：将连续模拟信号化分成时间轴上的离散值。4舍5入取整数。编码：将离散值按位数排成2进制数码。A/D7654321123456789001010011100010010010010010模拟-模拟编码调幅调频调相2.6传输技术2.6.1多路复用2.6.2差错控制2.6.3同步控制2.6.4压缩和解压缩方法2.6.1多路复用时分复用TDM频分复用FDM波分复用WDM时分复用TDM信号在交替的时隙中传输适用于数字信号S1S2S3S4Bt4t3t2t1t4t3t2t1S1S2S3S4At4t3t2t1频分复用FDM每条信道被分配给不同的频率适用于模拟信号TelephoneTelephoneTelephoneTelephone108KhzChannelBankModulatorLineSignal104Khz100Khz64Khz波分复用WDM不同的信号被携载在不同的光的波长上用于光缆传输的网络无论通信系统如何可靠，通信过程中都会出现差错，其差错大致可发为两类：一类是由热噪声引起的随机错误；另一类是由冲击噪声引起的突发错误。如何发现和纠正信号的差错，主要方式有以下三种：检错码海明码循环冗余校验码CRC2.6.2差错控制奇偶校验是最常用的检错方法，其原理是在7