第02章-数据通信

电子工业出版社21世纪计算机基础教育系列教材1吴功宜吴英编著第2章数据通信与广域网技术电子工业出版社21世纪计算机基础教育系列教材2吴功宜吴英编著本章学习要求：掌握：数据通信的基本概念了解：传输介质类型及主要特性了解：无线与卫星通信技术的基本概念掌握：数据编码的类型和基本方法了解：基带传输的基本概念掌握：频带传输的基本概念掌握：多路复用的分类与特点掌握：广域网中的数据交换技术类型与工作原理掌握：差错控制方法电子工业出版社21世纪计算机基础教育系列教材3吴功宜吴英编著2.1数据通信的基本概念电子工业出版社21世纪计算机基础教育系列教材4吴功宜吴英编著2.1.1信息、数据与信号通信的目的是交换信息，信息的载体可以是数字、文字、语音、图形或图像，计算机产生的信息是它们的组合；为了传送这些信息，首先要将字母、数字、语音、图形或图像用二进制代码的数据来表示；为了传输二进制代码的数据，必须将它们用模拟或数字信号编码的方式表示；数据通信是指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。电子工业出版社21世纪计算机基础教育系列教材5吴功宜吴英编著信息编码标准ASCII码被国际标准化组织ISO接受，成为国际标准ISO646，又称为国际5号码;它用于计算机内码，也用做数据通信中的编码标准;ASCII码采用7位二进制比特编码，可以表示128个字符;字符分为图形字符与控制字符两类。图形字符包括数字、字母、运算符号、商用符号等。电子工业出版社21世纪计算机基础教育系列教材6吴功宜吴英编著多媒体网络应用随着计算机技术的发展，多媒体技术得到广泛应用；利用数字通信系统来实现多媒体信息的传输是通信技术研究的重要内容之一；与文本、图形信息传输相比较，语音、图像信息传输要求数据通信系统具有高速率与低延时的特性；如果每帧图像由1024×768个点阵组成，图像颜色有256种，每个点阵用1字节二进制数表示，每秒传送30帧图像，则每秒需要传送235,929,601字节；如果传送数字化的语音信号，每秒对语音信号进行22,050次取样，每次取样值用1字节表示，则单声道每秒需要传送22,050字节；双声道立体声每秒需要传送44,100字节；多媒体技术在网络中的应用对数据通信系统提出更高要求。电子工业出版社21世纪计算机基础教育系列教材7吴功宜吴英编著信号的概念信号是数据在传输过程中电信号的表示形式；模拟信号（analogsignal）的信号电平是连续变化的；数字信号（digitalsignal）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表示；按照在传输介质上传输的信号类型，通信系统分为模拟通信系统与数字通信系统两种。电子工业出版社21世纪计算机基础教育系列教材8吴功宜吴英编著模拟信号与数字信号波形(a)模拟信号v(t)v(t)tt(b)数字信号电子工业出版社21世纪计算机基础教育系列教材9吴功宜吴英编著2.1.2数据传输类型与通信方式通信子网资源子网CCPDHACCPBCCPFCCPCCCPECCPAHB电子工业出版社21世纪计算机基础教育系列教材10吴功宜吴英编著数据传输类型模拟通信数字通信数据通信方式串行通信、并行通信单工通信、半双工或全双工通信同步方式同步通信异步通信电子工业出版社21世纪计算机基础教育系列教材11吴功宜吴英编著串行通信与并行通信发送端接收端串行信道(a)串行通信发送端b0b1b2b3b4b5b6b7b7b6b5b4b3b2b1b0接收端b0b1b2b3b4b5b6b7并行信道(b)并行通信电子工业出版社21世纪计算机基础教育系列教材12吴功宜吴英编著发送端接收端(a)单工通信单向信道发送端接收端发送端接收端双向信道(b)半双工通信发送端接收端发送端接收端双向信道(c)全双工通信单工、半双工与全双工通信电子工业出版社21世纪计算机基础教育系列教材13吴功宜吴英编著一个或多个SYN字符控制字符数据字符SYNSYN控制字符t字节5字节4字节3字节2字节1bbbbbbb终止位(逻辑0)起始位(逻辑1)6543210同步通信与异步通信电子工业出版社21世纪计算机基础教育系列教材14吴功宜吴英编著2.2传输介质及主要特性电子工业出版社21世纪计算机基础教育系列教材15吴功宜吴英编著2.2.1传输介质的主要类型双绞线同轴电缆光纤电缆无线与卫星通信信道电子工业出版社21世纪计算机基础教育系列教材16吴功宜吴英编著传输介质的特性物理特性：传输介质物理结构的描述；传输特性：传输介质允许传送数字或模拟信号，以及调制技术、传输容量、传输的频率范围；连通特性：允许点-点或多点连接；地理范围：传输介质最大传输距离；抗干扰性：传输介质防止噪声与电磁干扰对传输数据影响的能力；相对价格：器件、安装与维护费用。电子工业出版社21世纪计算机基础教育系列教材17吴功宜吴英编著2.2.2双绞线的主要特性屏蔽双绞线STP与非屏蔽双绞线UTP铜线绝缘层外屏蔽层外部保护层（a）屏蔽双绞线铜线绝缘层外部保护层（b）非屏蔽双绞线电子工业出版社21世纪计算机基础教育系列教材18吴功宜吴英编著2.2.3同轴电缆的主要特性粗同轴电缆细同轴电缆内导体绝缘层外屏蔽层外部保护层电子工业出版社21世纪计算机基础教育系列教材19吴功宜吴英编著光纤包层外部保护层外部保护层包层光纤包层外部保护层2.2.4光纤的主要特性电子工业出版社21世纪计算机基础教育系列教材20吴功宜吴英编著2.3无线与卫星通信技术电子工业出版社21世纪计算机基础教育系列教材21吴功宜吴英编著2.3.1电磁波谱与移动通信10010210410610810101012101410161018102010221024无线电微波红外紫外线可见光X-射线γ-射线1041051061071081091010101110121013101410151016f(Hz)f(Hz)双绞线同轴电缆无线电(AM)无线电(FM)电视频道卫星通信地面微波通信光纤频段LFMFHFVHFUHFSHFEHFTHF电子工业出版社21世纪计算机基础教育系列教材22吴功宜吴英编著2.3.2无线通信视距传播与电离层反射(a)地波传播(b)天波传播地球表面地球表面电离层电子工业出版社21世纪计算机基础教育系列教材23吴功宜吴英编著2.3.3微波通信微波信号没有绕射功能，两个微波信号只能在可视情况下才能正常接收；大气对微波信号的吸收与散射影响较大。电子工业出版社21世纪计算机基础教育系列教材24吴功宜吴英编著2.3.4蜂窝无线通信频分多址接入（FDMA）时分多址接入（TDMA）码分多址接入（CDMA）电子工业出版社21世纪计算机基础教育系列教材25吴功宜吴英编著人造卫星(a)点-点通信地球表面人造卫星(b)广播通信发送站接收站发送站接收站接收站接收站2.3.5卫星通信电子工业出版社21世纪计算机基础教育系列教材26吴功宜吴英编著2.4数据编码技术电子工业出版社21世纪计算机基础教育系列教材27吴功宜吴英编著2.4.1数据编码类型数据编码方法模拟数据编码数字数据编码振幅键控ASK移频键控FSK移相键控PSK非归零码NRZ曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码电子工业出版社21世纪计算机基础教育系列教材28吴功宜吴英编著010010ωωπ0πππ0+0+π+0+0+0ω2ω1ω2+π数据(a)ASK(b)FSK(c)PSK(绝对)(d)PSK(相对)ω2ω1ω22.4.2模拟数据编码方法电子工业出版社21世纪计算机基础教育系列教材29吴功宜吴英编著2.4.3数字数据编码方法01001011数据(a)非归零码同步时钟(b)曼彻斯特编码(c)差分曼彻斯特编码电子工业出版社21世纪计算机基础教育系列教材30吴功宜吴英编著2.4.4脉冲编码调制方法D8D7D6D5D4D3D2D100.51.01.5At0.27≈0.30.62≈0.61.28≈1.31.52≈1.51.26≈1.30.73≈0.70.41≈0.40.12≈0.1(a)采样过程样本量化级二进制编码编码信号0001010001111101111111010110001136131513741D1D2D3D4D5D6D7D8(b)编码过程电子工业出版社21世纪计算机基础教育系列教材31吴功宜吴英编著PCM用于数字语音系统：声音分为128个量化级；每个量化级采用7位二进制编码表示；采样速率为8000样本/秒；数据传输速率应达到7位×8000/秒=56Kbps；如果每个量化级采用7+1=8位二进制编码表示;数据传输速率应达到8位×8000/秒=64Kbps。电子工业出版社21世纪计算机基础教育系列教材32吴功宜吴英编著基带传输的定义在数据通信中，表示计算机二进制的比特序列的数字数据信号是典型的矩形脉冲信号;矩形脉冲信号的固有频带称做基本频带,简称为基带,矩形脉冲信号就叫做基带信号;在数字通信信道上，直接传送基带信号的方法称为基带传输;发送端将数据经过编码器变换变为基带信号，例如曼彻斯特编码或差分曼彻斯特编码信号;接收端用解码器恢复成与发送端相同的矩形脉冲信号。电子工业出版社21世纪计算机基础教育系列教材33吴功宜吴英编著2.5数据传输的重要概念电子工业出版社21世纪计算机基础教育系列教材34吴功宜吴英编著E(t)E(t)E(t)E(t)E(t)E(t)E(t)E(t)E(t)E(t)000000ttttt1234567891001100010(a)(b)(c)(d)(e)0101201234012345678ttttt2.5.1通信信道带宽对数据传输的影响电子工业出版社21世纪计算机基础教育系列教材35吴功宜吴英编著2.5.2数据传输速率与信道带宽的关系数据传输速率是描述数据传输系统的重要技术指标；数据传输速率在数值上，等于每秒钟传输构成数据代码的二进制比特数，单位为比特/秒，记做bps；常用的数据传输速率单位有：Kbps、Mbps与Gbps1Kbps=1×103bps1Mbps=1×106bps1Gbps=1×109bps电子工业出版社21世纪计算机基础教育系列教材36吴功宜吴英编著信道速率的极限值奈奎斯特准则：二进制数据信号的最大数据传输速率Rmax与通信信道带宽B（B=f，单位Hz）的关系为Rmax=2·f（bps）香农定理：在有随机热噪声的信道上传输数据信号时，数据传输速率Rmax与信道带宽B，信噪比S/N的关系为Rmax=B·log2（1+S/N），其中S/N为信噪比电子工业出版社21世纪计算机基础教育系列教材37吴功宜吴英编著2.6多路复用技术电子工业出版社21世纪计算机基础教育系列教材38吴功宜吴英编著2.6.1多路复用技术的分类频分多路复用FDM波分多路复用WDM时分多路复用TDM电子工业出版社21世纪计算机基础教育系列教材39吴功宜吴英编著2.6.2频分多路复用在一条通信线路设计多路通信信道，每路信道的信号以不同载波频率调制，各个载波频率不重叠13003100信道16064687260646872频率(kHz)频率(kHz)频率(Hz)11信道1信道2信道3信道2信道3电子工业出版社21世纪计算机基础教育系列教材40吴功宜吴英编著2.6.3波分多路复用光纤通道采用波长分隔多路复用方法，简称为波分复用WDM。在一根光纤上复用80路或更多路的光载波信号称为密集波分复用DWDM共享光纤光栅光栅功率波长光纤2的波谱光纤1光纤2光纤3光纤4功率波长光纤1的波谱功率波长光纤4的波谱功率波长光纤3的波谱功率波长共享光纤的波谱电子工业出版社21世纪计算机基础教育系列教材41吴功宜吴英编著2.6.4时分多路复用时分多路复用将信道的传输时间划分为若干时间片，每个用户分得一个时间片，在每个用户占有的时间片内，用户使用信道的全部带宽信道24信道1信道2信道3信道401193比特帧(125微秒)帧开始位7位数据位校验位电子工业出版社21世纪计算机基础教育系列教材42吴功宜吴英编著同步时分多路复用与统计时分多路复用124…n13…n……1234…n时间片1时间片2时间片n(a)同步时分多路复用125…