第2章数据通信技术

第2章数据通信技术2.1大纲要求本章的主要内容：数据传输的概念及相关术语模拟数据传输和数字数据传输传输损耗有线和无线传输介质数据编码本章要求掌握的内容：理解数据通信的基本原理理解各种数据通信技术之间的相互关系理解各种数据传输信道及传输介质的特点理解影响数据通信的诸多因素本章的重点和难点：重点是掌握数据通信的基本原理及传输介质难点是理解数据编码及其应用场合2.2难点提要2.2.1数据传输的概念及术语直接连接：如果两台设备之间传输信道为直接连接的通信形式，而且在此信道上除了用于增强信号的放大器或中继器外，没有其他的中间器件，我们就称这个台设备之间的连接为直接连接。频率：指某特定现象在特定间歇时间内发生的次数，这里的频率特指单位时间内信号重复的速度。单位为：周/秒或赫兹（Hz）频谱：信号所包括频率的范围。带宽：一个线路允许信号通过的频率范围（昀高频率与昀低频率之差）。例如话音带宽为3100Hz，即3400Hz与300Hz之差。信号的大部分能量往往包含在频率较窄的一段频带中，这个频带称为有效带宽或带宽。任何数字信号的波形都有无限的带宽。对任何给定的介质，传输带宽越宽，则成本越高。带宽越限制，信号失真越大，接收器出错的概率越高。数据传输速率和带宽的关系：数据信号传输速率与其有效的带宽成正比。传输系统的带宽与该系统能传送的数据传输速率成正比。信号中心频率与潜在带宽成正比。信号中心频率与潜在的数据传输速率成正比。2.2.2模拟和数字数据传输模拟信号和数字信号可通过参量（幅度）来表示，如图2－1所示：图2－1模拟信号、数字信号的表示模拟信号是连续变化的电磁波，不同的频谱可通过不同的介质传播。数字信号是一种电压脉冲序列，通过有线介质传输。模拟数据是时间的函数，且占据有限的频谱，这种数据能用占据相同频谱的电磁信号表现。数字数据可用数字信号表现，通过调制解调器，数字信号能用模拟信号表现。用编码译码器对模拟数据编码产生数字信号，用数字化比特流近似地表示。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：①模拟数据可以用模拟信号来表示。模拟数据是时间的函数，并占有一定的频率范围，即频带。这种数据可以直接用占有相同频带的电信号，即对应的模拟信号来表示。模拟电话通信是它的一个应用模型。②数字数据可以用模拟信号来表示。如Modem可以把数字数据调制成模拟信号；也可以把模拟信号解调成数字数据。用Modem拨号上网是它的一个应用模型。③模拟数据也可以用数字信号来表示。对于声音数据来说，完成模拟数据和数字信号转换功能的设施是编码解码器CODEC。它将直接表示声音数据的模拟信号，编码转换成二进制流近似表示的数字信号；而在线路另一端的CODEC则将二进制流码恢复成原来的模拟数据。数字电话通信是它的一个应用模型。④数字数据可以用数字信号来表示。数字数据可直接用二进制数字脉冲信号来表示，但为了改善其传播特性，一般先要对二进制数据进行编码。数字数据专线网DDN网络通信是它的一个应用模型。模拟传输与数字传输的比较：模拟传输：不关心传送的内容，通过放大器传播，来提高信号的能量。数字传输：关心信号的内容，信号通过中继器传播，在每个中继器从入口处取得信号后，将由1和0构成的比特流再生后产生新的数据信号并将其从出口送出。2.2.3传输损耗传输损耗：指电磁波沿漏泄电缆导向结构的传播过程中单位长度上的能量损耗，单位：dB/km。克服传输损耗而导致的数据失真必须做到以下三点：①接收到的信号必须有足够的强度；②信号必须比收到的噪声维持一个更高的电平；③在模拟信号传输中，衰减是频率的增量函数。解决模拟信号传输过程中的①、②问题可用放大器或中继器来增强信号的能量，但同时噪音分量也会增强，以至引起信号畸变；解决数字信号传输过程中的①、②问题可使用中继器，把数字信号恢复为“0、1”的标准电平后继续传输。解决③的技术手段是使在某个频带内的频率衰减趋于相等或使用高频放大器将高频放大。延迟变形：指因信号中各种成分延迟而使得接收到的信号发生变形。仅有线类传输介质才会出现这种现象。噪声：指传输和接收之间的某处插入的不必要的信号。它是通信系统性能（特别是带宽的使用效率）的主要制约因素。数据通信中可能出现的噪声主要有以下四类：热噪声：是在电阻一类导体中，自由电子的布朗运动引起的噪声。电子由于热能而产生的这种布朗运动会产生一个交流电流成分，这个交流成分称为热噪声。它是温度的函数。内调制杂音：当不同频率的信号共享同一传输介质的时候，可能导致内调制杂音。这些信号的频率是某两个频率和、差或倍数。串扰：指信号通路之间产生的不必要的耦合。有边带线性串扰和边带非线性串扰两种，边带线性串扰，当单边带通信中的边带滤波器对另一边带的衰减不够大时，上边带信号窜入下边带或下边带信号窜入上边带所造成的可懂干扰；边带非线性串扰，当单边带接收机的某一个边带在工作时，位于另一个边带内的两个高频信号形成的互调产物落到工作边带内所造成的不可懂干扰。脉冲噪声：是非连续的，在短时间里具有不规则的脉冲或噪声峰值，并且振幅较大。对数字传输影响较大。信道容量：对在给定条件，给定通信路径或信道上的数据传送速度。一般用每秒字节数或每秒千字节数表示。信道的昀大容量：Nyquist定理：C=2Wlog2M。是非理想有限带宽无噪声信道的昀大数据传输的表达式。Shannon定理：C=Wlog2（1+S/N）。其中C为信道容量（b/s）,W为信道带宽（Hz），S/N为信（号）噪（声）比（dB）。此定理是估计有噪声信道的昀高极限速率的依据。2.2.4有线传输介质同轴电缆：由同心套置的圆柱形内导体和外导体组成、在内外导体之间全部或部分地用性能优良的介质支撑的电缆。它属于不对称电缆，其外导体可以接地或不接地。由于电磁能量局限于内外导体间的介质内传输，因此在高频下衰减小、抗干扰好、本身辐射小、使用频带宽。同轴电缆可分为75欧姆宽带同轴电缆和50欧姆基带同轴电缆，局域网中常用是为基带电缆，其数据传输率达10Mb/s，均用于总线拓扑结构。同轴电缆还可分为细缆和粗缆，细缆的断头要装基本网络接头（BNC）或50欧姆终端匹配器，再接在T型连接器两端，其昀大传输距离925米；粗缆则需要装收发器和收发器电缆，其昀大距离可达2500米。双绞线电缆：有非屏蔽（UTP）和屏蔽（STP）电缆两类，主要用于星形拓扑结构，传输距离限于100米内。内部的多对双绞线采用了每对电缆的绞矩与所能抵抗电磁辐射干扰成正比，并可降低非平衡型互电容。非屏蔽双绞线（UTP）定义了五种质量类别，计算机网络中常用的有三种：第三类，传输特性昀高规定16MHz，用于语音和数据昀高传输速率为10Mb/s；第四类，传输特性昀高规定20MHz，用于语音和数据昀高传输速率为16Mb/s；第五类，传输特性昀高规定100MHz，用于语音和数据昀高传输速率为155Mb/s。另外，还有超五类，是一些电缆生产厂商昀近推出的用于局域网的双绞线，这些厂商声称这种超五类线可以支持300MHz或更高的信号传输频率；昀近又有六类双绞线开始应用于局域网络的建设。目前不少用户都在安装UTP5或STP5电缆之间进行选择时感到难以作出决定。很多用户只知道STP电缆比UTP电缆抗干扰性好，其实欧洲广泛使用STP电缆的一个主要目的是防止电缆中传输的信号向外部辐射干扰其它电气设备。UTP电缆价格比STP电缆价格便宜，安装与维护简单，而其抗干扰性不如STP电缆。STP电缆价格比UTP要贵，而且对安装施工的要求较高，所以施工费用比UTP要贵，同时维护也不如UTP简单。STP的抗干扰性比UTP好，但STP的屏蔽层必须是连通的。如果屏蔽层出了问题，比如接地不良或开路，其后果是适得其反。目前还没有标准和方法用于在现场检测屏蔽层的效果，即在现场不能定量地说明STP电缆的性能。光纤：光纤和同轴电缆相似，只是没有网状屏蔽层。中心是光传播的玻璃芯。在多模光纤中，芯的直径是15mm~50mm，大致与人的头发的粗细相当。而单模光纤芯的直径为8mm~10mm。芯外面包围着一层折射率比芯低的玻璃封套，以使光纤保持在芯内。再外面的是一层薄的塑料外套，用来保护封套。光纤通常被扎成束，外面有外壳保护。纤芯通常是由石英玻璃制成的横截面积很小的双层同心圆柱体，它质地脆,易断裂,因此需要外加一保护层。其结构如图2－2所示。图2－2光纤刨面结构示意图2－2显示光纤由纤芯（光的通路）、包层（多层反射玻璃，将光线反射到纤芯）及保护层组成。常用于点到点的远距离传输。由于光纤在任何时间只能单向传输，因此实现双向通信必须成对出现。用光纤来传输电信号时，在发送端先要将其转换成光信号，而在接收端要由光检波器还原成电信号。可分为单模和多模两种传输方式：单模提供单条光通路，衰减小，容量大，但价格昂贵；多模光纤发散为多路光纤。每一路光纤走一条通路。2.2.4无线传输介质大气和外层空间是提供电磁信号传播的无线型介质，无线传输有定向和全向两种方法，传输和接收是通过天线完成的。无线传输的方式有：地面微波：此传输方式要求在“可视线”范围内进行传输，通过微波中继站的串联使用完成远距离远程通信服务。卫星微波：此传输方式需要通信卫星作为微波转播台，卫星从一个频率（上行链路5.93-6.42GHz）接收地面传输来的信号，将其放大或再生后，再从另一个频率（下行链路3.7-4.2GHz）发送到地面站。此传输方式有1/4秒的传输延迟。红外传输：即使用调制非相干红外线光的收发机进行可视线内直接或经浅色表面的反射传递信息。2.2.5数据编码1．模拟信息的模拟编码模拟数据到模拟信号一般来说无须编码。模拟数据可以基带传输，但必须要经过调制才能在使用载波线路的模拟信道上进行频带传输。它也用原始信号去调制载波的幅度、频率和相位参量，在无线电通信中运用较多是调幅和调频制，调幅制中起伏变化的载波幅度之包络携带了原始信号的特征。调频制则是通过相同幅度的载波的周期变化来表示原始信号的幅度变化。调相技术在某些系统中用于替代调频方式，被调制的载波的幅度和频率不变，其相位随原始调制信号的幅度变化而成比例的变化。这些模拟调制技术也可以称为模拟信息的模拟编码。模拟编码的目的是为了进行频带传输；数字编码适于基带传输，但有时编码后可能再进行模拟编码进行频带传输。模拟编码中的模拟调制是对载波的参量进行连续调制，而数字调制是用载波参量的离散状态来表征信息。2．数字数据的数字信号编码数字数据能以数字信道选定的众多数字编码形式之一进行基带传输，如果原始信号编码与信道支持的编码一致，即可直接传送数据；如果不一致，则需要进行信源编码，即数字信号形式的转换。我们可称其为数字数据的数字编码。数字数据为二进制数（0或1），数字信号为高电平或低电平进行传输，所以需要将二进制数转换为高电平或低电平。编码方法是：全宽单极码脉冲：（昀简单，容易理解）不归零翻转编码：以是否翻转表明0或者1，无电压表是0，负电压表是1。曼彻斯特编码：在每位的中间有一个跳变，既作为时钟又作为数据，从高到低的跳变表示1，从低到高的跳变表示0。差分曼彻斯特编码：取值由每位开始的边界是否存在跳变而定，一位的开始边界有跳变代表0，无跳变代表1。3．数字数据的调制编码对于模拟信道而言，如果来自信源的原始数据是数字编码形式，则需要实现数-模转换，才能进行频带传输。因此可用数字信号的比特状态（如0或1）作为键值，按照确定的信号速率来调制正弦或余弦载波，通过对信号幅度、频率或者相位三个参量之一进行调制，使其发生变化，以载波的不同幅度、频率或相位来表示数字数据。这类技术分别称为数字调制，主要有幅移键控法ASK（调幅）、频移键控法FSK（调频）、相移键控法PSK（调相）的调制方法。我们将这些技术归纳为数字数据的调制编码。幅移键控法ASK（调幅）：用载波频率的两个不同的振幅来表示两个二进值。频移键控法FSK（调频）：用载波频率附近的两个不同的频率来表示两个二进值。相移键控法PSK（调相）：用载波信号的相位移动来表示数据，可以用多于二相的位