2.第二章-数据通信技术

第二章数据通信技术本章学习要点：数据通信的基本概念传输介质的主要特性和应用无线与卫星通信技术数据交换技术数据传输技术数据编码技术差错控制技术2.1数据通信的基本概念2.1.1信息、数据与信号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。任何事物的存在，都伴随着相应的信息的存在，信息不仅能反映事物的特征、运动和行为，而且还能够借助媒体（如空气、光波、电磁波等）传播和扩散。信息的载体可以是数值、文字、图形、声音、图像以及动画等。数据是指把事件的某些属性规范化后的表现形式，它能被识别，也可以被描述。数据可分为模拟数据与数字数据两种。信号是数据的具体物理表现，它是信息（数据）的一种电磁编码，具有确定的物理描述，信号中包含了所要传递的信息。例如电压、磁场强度等。信号一般以时间为自变量，以表示信息（数据）的某个参量（振幅、频率或相位）为因变量。2.1.2模拟信号和数字信号模拟信号是指信号的波高和频率（每秒的波数）是连续变化的信号,如图2-1(a)所示，如电视图像信号、语音信号、温度压力传感器的输出信号等。数字信号是指离散的信号,如图2-1(b)所示，如计算机使用的由“0”和“1”组成的信号。数字信号在通信线路上传输时要借助电信号的状态来表示二进制代码的值。因为电信号可呈现两种状态，可以分别表示“0”和“1”。图2-1模拟信号和数字信号波形2.1.3基带信号与宽带信号2.1.4信道、数字信道与模拟信道信道是信号传输的必经之路，包括传输媒体和通信设备。传输媒体可以是有形媒体，如电缆、光纤等，也可以是无形媒体，如传输电磁波的空间。基带信号就是将计算机发送的数字信号“0”或“1”用两种不同的电压表示后，直接送到通信线路上传输的信号。宽带信号是基带信号经过调制后形成的频分复用模拟信号。按传输信号的类型分类，信道可以分为数字信道与模拟信道；数字信道是用来传输离散数字信号的。离散的数字信号在计算机中指由“0”和“1”的二进制代码组成的数字序列，当利用数字信道传输数字信号时不需要进行变换，通常需要进行数字编码。模拟信道是用来传输模拟信号的。模拟信号的电平随时间连续变化，语音信号就是典型的模拟信号。如果利用模拟信道传送数字信号，则必须经过数字与模拟信号之间的变换（A/D变换器）。调制解调器就是完成这种变换的。2.1.5传输速率与带宽传输速率是指通信线路上传输信息的速度,它是描述数据传输系统的重要技术指标之一。传输速率一般有两种表示方法，即信号速率和调制速率。信号速率是指单位时间内所传送的二制位代码的有效位数，以每秒多少比特数计，单位为比特/秒（bit/s），即BPS。数字信号的传输速率通常用“比特”来表示。调制速率是指每秒传送的脉冲数，单位为波特（Baud），是指信号在调制过程中，调制状态每秒钟转换的次数。模拟信号的速率通常用“波特”来表示。注意：“波特”与“比特”的意义是不同的，每一“波特”，即模拟信号的一个状态不仅仅表示一位数据，而是代表了多位数据。2.1.6通信方式1、单工、半双工与全双工通信单工通信是指数据信号仅沿一个方向传输，发送方只能发送不能接收，接收方只能接收而不能发送，任何时候都不能改变信号传送方向。如图2-2所示：发送端接收端数据的单方向性主机显示器图2-2单工通信示意图单工通信半双工通信半双工通信是指信号可以沿两个方向传送，但同一时刻一个信道只允许单方向传送，即两个方向的传输只能交替进行，而不能同时进行。如图2-3所示：发送端/接收端发送端/接收端不同时刻的数据双向传输对讲机对讲机图2-3半双工通信示意图全双工通信全双工通信是指数据可以同时沿相反的两个方向作双向传输，比如，电话通话。全双工通信需要两条信道，一条用来接收信息，一条用来发送信息，因此其通信效率很高。如图2-4所示。发送端接收端任何时刻的数据双向传输电话机电话机图2-4全双工通信示意图2、串行通信和并行通信串行通信串行通信，是将待传送的每个字符的二进制代码按由低到高的顺序，依次发送，如图2-5所示。其优点是：收、发双方只需要一条传输信道，易于实现，成本低；缺点是：速度比较慢。在远程数据通信中，一般都采用串行通信方式。发端8个比特顺次发送0110001001100010收端01100010并/串转换器串/并转换器图2-5串行通信示意图并行通信并行通信，是指数据以成组的方式在多个并行信道上同时进行传输，如图2-6所示。其优点是速度快，但发送与接收端之间有若干条线路，费用高，仅适合于近距离和高速数据通信的环境下使用。发端收端011001018个比特同时发送需要8条线图2-6并行通信示意图3、同步技术同步，就是要求通信的收发双方在时间基准上保持一致，它是数字通信中必须要解决的一个重要问题。在数据通信过程中，常用的同步技术有以下两种。异步通信方式每传送1个字符都要在每个字符码前加1个起始位，以表示字符代码的开始；在字符代码和校验位后面加1或2个停止位，表示字符结束。接收方根据起始位和停止位来判断一个新字符的开始和结束，从而起到通信双方的同步作用。异步通信方式如图2-7所示。计算机计算机101101010100110110010001011101起始位停止位数据位01101100数据传输方向图2-7异步通信方式异步方式的实现比较简单，但每传输一个字符都需要多使用2到3位，所以适合于低速通信。同步通信方式该方式中，传输的信息格式是一组字符或一个二进制位组成的数据块（帧）。对这些数据，不需要附加起始位和停止位，而是在发送一组字符或数据块之前先发送一个同步字符SYN（以01101000表示）或一个同步字节（01111110），用于接收方进行同步检测，从而使收发双方进入同步状态。在同步字符或字节之后，可以连续发送任意多个字符或数据块，发送数据完毕后，再使用同步字符或字节来标识整个发送过程的结束，如图2-8所示。返回本节首页返回本章首页计算机计算机1011010101101100...11110101101101000111111001111110同步字节同步字节数据帧图2-8同步通信方式在同步传送时，由于发送方和接收方将整个字符组作为一个单位传送，且附加位又非常少，从而提高了数据传输的效率。这种方法一般用在高速传输数据的系统中，例如，计算机之间的数据通信。2.2传输介质的主要特性和应用2.2.1传输介质的主要类型常用的网络传输介质可分为两类：一类是有线的，一类是无线的。有线传输介质主要有双绞线（TwistedPair，包括屏蔽双绞线和非屏蔽双绞线）、同轴电缆（CoaxialCable）及光纤（FiberOptics），如图2-9所示；无线传输介质有无线电和微波等。图2-9常用的有线传输介质2.2.2双绞线（Twisted-pair）1、双绞线的物理特性双绞线是由相互绝缘的两根铜线按一定扭距相互绞合在一起的类似于电话线的传输媒体，为了减少信号传输中串扰及电磁干扰（EMI）影响的程度，通常将这些线按一定的密度互相缠绕在一起。每根铜线加绝缘层并有颜色来标记，如图2-10所示：图2-10双绞线结构示意图双绞线的价格在传输媒体中是最便宜的，并且安装简单，所以得到广泛的使用。双绞线是模拟和数字数据通信最普通的传输媒体，它的主要应用范围是电话系统中的模拟话音传输，最适合于较短距离的信息传输，当超过几千米时信号会发生衰减，这时就要使用中继器来放大信号和再生波形。在局域网中一般都采用双绞线作为传输媒体。双绞线可分为非屏蔽双绞线（UTP）和屏蔽双绞线（STP），如图2-11所示。两者的差异在于屏蔽双绞线在双绞线和外皮之间增加了一个铅箔屏蔽层，如图2-11(a)所示，目的是提高双绞线的抗干扰性能。图2-11STP与UTP（a）屏蔽双绞线STP（b）非屏蔽双绞线UTP2．非屏蔽双绞线的类型按照EIA/TIA（电气工业协会/电信工业协会）568A标准，共分为1～6类。1类线可用于电话传输，但不适合数据传输，这一级电缆没有固定的性能要求。2类线可用于电话传输和最高为4Mbit/s的数据传输，包括4对双绞线。3类线可用于最高为10Mbit/s的数据传输，包括4对双绞线，常用于10Base－T以太网的语音和数据传输。4类线可用于16Mbit/s的令牌环网和大型10Base－T以太网，包括4对双绞线。其测试速度可达20Mbit/s。5类线既可用于100Mbit/s的快速以太网连接又支持150Mbit/s的ATM数据传输，包括4对双绞线，是连接桌面设备的首选传输介质。超5类线比5类线具有更小的信号衰减、串扰和时延误差，其主要用途是保证5类线更好的支持1000Base－T千兆位以太网。6类线在外形上和结构上与5类和超5类双绞线都有一定的差别，它比5类和超5类具有传输距离长，传输损耗小，耐磨、抗干扰强等特性，常用在千兆位以太网和万兆位以太网中。注意：计算机网络常用的是3类线（CAT3）、5类线（CAT5）、超5类线（CAT5e）和6类线（CAT6）。5类线和3类线的最主要区别就是一方面大大增加了每单位长度的绞合次数。3类线的绞合长度是7.5～10cm，而5类线的绞合长度是0.6～0.85cm。另一方面，5类线在线对间的绞合度和线对内两根导线的绞合度都经过了精心的设计，并在生产中加以严格的控制，使干扰在一定程度上得以抵消，从而提高了线路的传输质量。6类线增加了绝缘的十字骨架，电缆的直径更粗，将双绞线的四对线分别置于十字骨架的四个凹槽内，保持四对双绞线的相对位置，从而提高了电缆的平衡特性和抗干扰性，而且传输的衰减也更小。3.双绞线组网常用的连接设备图2-12RJ-45水晶头图2-13集线器/交换机2.2.3同轴电缆（Coaxialcable）1．同轴电缆的物理特性同轴电缆是由绕同一轴线的两个导体所组成，即内导体（铜芯导线）和外导体(屏蔽层)，外导体的作用是屏蔽电磁干扰和辐射，两导体之间用绝缘材料隔离，如图2-14所示。同轴电缆具有较高的带宽和极好的抗干扰特性。图2-14同轴电缆结构示意图同轴电缆的规格是指电缆粗细程度的度量，按射频级测量单位（RG）来度量，RG越高，铜芯导线越细，RG越低，铜芯导线越粗。同轴电缆又可分为两类：粗缆和细缆。经常提到的10BASE-2和10Base-5以太网就是分别使用细同轴电缆和粗同轴电缆组网的。用同轴电缆组网，需要在两端连接50Ω的反射电阻，这就是通常所说的终端匹配器。使用同轴电缆同轴电缆组网的其它连接设备，细缆与粗缆的不尽相同，即使名称一样，其规格、大小也是有差别的。2.2.4光缆（FiberOpticalCable）1．光纤的物理特性光纤是一种由石英玻璃纤维或塑料制成的，直径很细，能传导光信号的媒体，如图2-16所示。一根光缆中至少应包括两条独立的导芯，一条发送，另一条接收。2.细缆组网常用的连接设备图2-15细缆常用连接设备图2-16光纤结构示意图一根光缆可以包括二至数百根光纤，并用加强芯和填充物来提高机械强度。光束在玻璃纤维内传输，防磁防电，传输稳定，质量高。因此光纤多适用于高速网络和骨干网。根据使用的光源和传输模式，光纤可分为多模光纤和单模光纤。单模光纤采用注人式激光二极管作为光源，激光的定向性强。单模光纤的芯线直径非常接近光波的波长，当激光束进人玻璃芯中的角度差别很小时，光线则不必经过多次反射式的传播，而是一直向前传播能以单一的模式无反射地沿直线传播，如图2-17所示。玻璃芯的直径大于光波波长玻璃芯的直径接近光波波长图2-17单模光纤传播示意图图2-18多模光纤传播示意图多模光纤采用发光二极管产生可见光作为光源，当光纤芯线的直径比光波波长大很多时，由于光束进入芯线中的角度不同传播路径也不同，这时光束是以多种模式在芯线内不断反射而向前传播，如图2-18所示。2．光纤的特点光纤有较大的带宽，通信容量大。光纤的传输速率高，能超过千兆位/秒。光纤的传输衰减小，连接的范围更广。光纤不受外界电磁波的干扰，因而电磁绝缘性能好，适宜在电气干扰严重的环境中使用。光纤无串音干扰，不易