第二章 数据通信的基础知识

1第2章数据通信的基础知识本章内容•数据通信系统•基本概念•传输介质•数据编码•多路复用技术•数据交换技术•差错控制•数据通信性能指标22.1数据通信系统源系统•源点：源点设备产生通信网络要传输的数据。•发送器：通常源点生成的数据要通过发送器编码后才能够在传输系统中进行传输。目的系统•接收器：接收传输系统传送过来的信号，并将其转换为能够被目的设备处理的信息。•终点：终点设备从接收器获取传送来的信息。传输系统•可以是简单的物理通信线路•也可以是连接源系统和目的系统之间的复杂网络设备噪声信源发送器信道接收器信宿源系统目的系统3数据通信的基本过程5个阶段包含两项内容：数据传输和通信控制过程与打电话比较•建立物理连接拨号，拨通对方•建立逻辑连接互相确认身份•数据传输互相通话•断开逻辑连接互相确认要结束通话•断开物理连接双方挂机*注意，并不是所有的数据通信都需要全部5个阶段。42.2基本概念数据与信号信道通信方式传输方式同步方式52.2.1数据与信号数据（Data）传递（携带）信息的实体。信息（Information）数据的内容或解释。信号（Signal）数据的物理量编码（通常为电编码），数据以信号的形式在介质中传播6模拟信号•时间上连续，包含无穷多个信号值数字信号•时间上离散，仅包含有限数目的信号值。最常见的是二值信号ta）模拟信号tb）数字信号7周期信号信号由不断重复的固定模式组成（如正弦波）非周期信号信号没有固定的模式和波形循环（如语音的音波信号）。tTTTtTTT周期信号非周期信号tt8信息编码：将信息用二进制数表示的方法•例如：ASCII编码、BCD编码等数据编码：将数据用物理量表示的方法•例如：字符“A”的ASCII编码为01000001，其数据编码可能为01000001t9信息通过数据通信系统进行传输的过程•把携带信息的数据用物理信号形式通过信道传送到目的地信息和数据（二进制位）不能直接在信道上传输•编码：数据→适合传输的数字信号——便于同步、识别、纠错•调制：数字信号→适合传输的形式——按频率、幅度、相位•解调：接收波形→数字信号•解码：数字信号→原始数据信息→数据→信号→在信道上传输→信号→数据→信息数据编码调制解调数据解码01000001“A”01000001“A”信道信息编码信息解码10不同类型的信号在不同类型的信道上传输有4种情况：数据：模拟数据数字数据信号：模拟信号数字信号信道：模拟信道数字信道11模拟传输和数字传输所使用的技术语音移频,调制模拟数字模拟模拟PCM编码数字数字数字编码数字模拟数据，模拟信号数字数据，模拟信号数字数据，数字信号模拟数据，数字信号10101010调制12编码与调制的区别•编码：用数字信号承载数字或模拟数据•调制：用模拟信号承载数字或模拟数据EncoderDecoder数字或模拟数据数字信号x(t)g(t)数字或模拟数据编码与解码数字信道发送方接收方g(t)编码解码13调制与解调数字或模拟数据ModulatorDemodulator数字或模拟数据模拟信号g(t)s(t)g(t)载波模拟信道发送方接收方调制解调制142.2.2信道信道（Channel）：传送信息的线路（或通路）数字信道：以数字脉冲形式（离散信号）传输数据的信道•计算机网络中主要采用数字信道进行数据传输•ADSL、ISDN、DDN、ATM、局域网模拟信道：以连续模拟信号形式传输数据的信道•CATV、无线电广播、电话拨号线路15数字通信与模拟通信•数字通信在数字信道上实现模拟信息或数字信息的传输•模拟通信在模拟信道上实现模拟信息或数字信息的传输数字通信的优点•抗噪声（干扰）能力强•可以控制差错，提高了传输质量•便于用计算机进行处理•易于加密、保密性强•可以传输语音、数据、影像，通用、灵活计算机通信仅在不得已的情况下，才会采用模拟通信，如通过电话线拨号上网。162.2.3通信方式单工数据单向传输（例：无线电广播）半双工数据可以双向交替传输，但不能在同一时刻双向传输（例：对讲机）全双工数据可以双向同时传输（例：电话）•需要具有两条物理上独立的传输线路；•或者需要具有一条物理线路上的两个信道，分别用于不同方向的信号传输。17发送器接收器发送器/接收器发送器/接收器发送器/接收器发送器/接收器单工方式：半双工方式：全双工方式：A站B站可同时不可同时18基带传输：不需调制，编码后的数字脉冲信号直接在信道上传送。•例如：以太网（局域网）频带传输：数字信号调制成音频模拟信号后再传送，接收方需要解调。•例如：通过电话网络传输数据宽带传输：把信号调制成频带为几十MHZ到几百MHZ的模拟信号后再传送，接收方需要解调。•例如：闭路电视的信号传输2.2.4传输方式19同步的因素：•同步脉冲频率•数据从什么时候开始，什么时候结束•位边界•数据块边界数据通信中需要在三个层次上实现同步：•位——位同步•字符——字符同步•帧(Frame)——帧同步2.2.5同步方式20同步脉冲：用于码元的同步定时，识别码元从何时开始●同步脉冲也可位于码元的中部●一个码元也可有多个同步脉冲相对应t码元1码元2码元3码元4码元5信号同步脉冲t21目的：使接收端与发送端在时间基准上一致•外同步——发送端发送数据之前发送同步脉冲信号，接收方用接收到的同步信号来锁定自己的时钟脉冲频率。•自同步——通过特殊编码（如曼彻斯特编码），使数据编码信号中包含同步信号，接收方从数据编码信号提取同步信号来锁定自己的时钟脉冲频率。发送站同步信号数据接收的同步信号锁定后的同步信号接收站接收站收到的数据数据位同步22目的：找到正确的字符边界常用的为起止式（异步式）。在这种方式中，每个字符的传输需要：•1个起始位、5～8个数据位、1、1.5或2个停止位采用这种同步方式的通信也称“异步通信”起止式的优缺点：•频率的漂移不会积累，每个字符开始时都会重新获得同步•每两个字符之间的间隔时间不固定•增加了辅助位，所以传输效率低例如，采用1个起始位、8个数据位、2个停止位时，其传输效率为8/11≈73％起始位数据位停止位字符间隔不固定1个字符时间逻辑“0”逻辑“1”字符同步23目的：识别一个帧的起始和结束帧（Frame）：数据链路中的传输单位——包含数据和控制信息的数据块•面向字符的——以同步字符（SYN，16H）来标识一个帧的开始，适用于数据为字符类型的帧•面向比特的——以特殊位序列（7EH，即01111110）来标识一个帧的开始，适用于任意数据类型的帧帧起始控制信息数据帧结束校验和0~nbit8bit8bit8~32m7EH7EH帧同步242.3传输介质磁介质高带宽、低费用、高延时（小时）——在通信中很少使用例：7GB/8mm磁带，1000盘/50×50×50cm3，24h可送到任何地方。总容量=7×1000×8Gb，总时间=24×60×60s=86400s传送速率=56000Gb/86400s=648Mb/s若让刘翔来传送1盘10GB的磁带，在110m（12.91s）内其传输速率是多少？金属导体双绞线、同轴电缆(粗、细)光纤无线介质无线电、微波、卫星、红外线25同轴电缆（CoaxialCable，CC）•计算机网络中使用基带同轴电缆阻抗50，有粗同轴和细同轴两种•应用：总线局域网（以太网）•性能：10Mb/s，500m/185m铜芯绝缘层外导体屏蔽层保护套26双绞线（TwistPair，TP）•螺旋绞合的双导线•每根4对、25对、1800对•典型连接距离100m（LAN）•RJ45插座、插头•优缺点：成本低组装密度高、节省空间安装容易（综合布线系统）平衡传输（高速率）抗干扰性一般连接距离短应用领域：电话网络、计算机局域网内导体芯线绝缘内屏蔽外屏蔽外套27屏蔽双绞线(STP)非屏蔽双绞线(UTP)以铝箔屏蔽以减少干扰和串音，应用较少双绞线外无任何屏蔽层，应用广泛常用的双绞线：3类（16Mb/s）和5类（155Mb/s）两种28双绞线的连接标准•色彩标记和连接方法：•交叉线：交换机—交换机、PC-PC、HUB-HUB(标准端口)•直连线：PC/路由器—交换机/HUB、HUB-HUB(级连端口)线对色彩码1白蓝，蓝2白橙，橙3白绿，绿4白棕，棕12345678123456781234567812345678交叉线EIA-568B直连线EIA-568A29光纤（OpticalFiber，OF）•依靠光波承载数据，光脉冲在玻璃纤维中传播•优缺点：传输带宽高：仅受光电转换器件的限制（＞100Gb/s）传输损耗小，适合长距离传输抗干扰性能极好、误码率低、保密性好轻便价格较高需要光电转换•纤芯材料：塑料二氧化硅（高纯玻璃）30光纤传输原理——光的反射•光从折射率高的介质入射到折射率低的介质时会产生折射。折射量取决于两种介质的折射率。当入射角≥临界值时产生全反射，不会泄漏。纤芯——折射率高，玻璃包层——折射率低•亮度调制：有光脉冲-1，无光脉冲-0•光传输系统：光源、介质、光检测光源：850nm/1300nm/1500nm，发光二极管/激光二极管光检测器：光电二极管PIN/雪崩二极管APD•单向传输，双向需两根光纤•应用领域：局域网主干、电信网络、服务器连接31多模光纤(MMF)单模光纤(SMF)：光纤的直径接近一个光波波长多束光线以不同的反射角传播激光器包层，折射率低纤芯，折射率高亮度调制光检波器激光器光检波器单束光线沿直线传播32典型的光缆单芯光缆多芯光缆玻璃封套塑料外套玻璃内芯玻璃内芯塑料外套玻璃封套外壳常见规格：纤芯——50um缓变型-MMF62.5um缓变型/增强型-MMF8.3um突变型-SMF包层——125um33高密度多芯光缆剖面结构芯封套外套加强芯光纤外鞘加强芯光纤束34无线介质（信号在大气或外层空间自由传播）•使用电磁波或光波携带信息•优缺点：无需物理连接适用于长距离或不便布线的场合易受干扰反射，为障碍物所阻隔•主要类型：无线电、地面微波通信卫星红外线35微波通信•通过地面站之间接力传送•接力站之间距离：50～100km•速率：每信道45Mb/s地球地面站之间的直视线路微波传送塔36地球同步卫星•与地面站相对固定位置•使用三颗卫星即可覆盖全球•传输延迟时间长（≈270ms）•广播式传输•应用领域：电视传输长途电话专用网络广域网35,784km地球37激光传输•将激光束调制成光脉冲传输数据•特点：激光的频率更高，可获得更高的带宽激光束的方向性好，不受电磁干扰的影响，不怕偷听受天气影响只能在短距离通信中使用38红无线通信红外传输系统利用墙壁或屋顶反射红外线从而形成整个房间内的广播通信系统特点：•红外通信的设备相对便宜，可获得较高的带宽•传输距离有限，而且易受室内空气状态（例如有烟雾等）的影响39短波通信•基站与终端之间通信采用无线链路•应用领域：移动通信、无线局域网（WLAN）BS基站覆盖的无线电区域BS基站用户计算机和终端40常用传输介质的比较传输介质传输方式速率/工作频带传输距离性能价格应用双绞线宽带基带≤1Gb/s模拟:10km数字:500m较好低模拟/数字信号传输50Ω同轴电缆基带10Mb/s3km较好较低基带数字信号75Ω同轴电缆宽带≤450MHz100km较好较低模拟电视、数据及音频光纤基带40Gb/s20km以上很好较高远距离高速数据传输微波宽带4～6GHz几百km好中等远程通信卫星宽带1～10GHz18000km很好高远程通信412.4数据编码数字数据的数字信号编码使数字数据能在数字信道上传输数字数据的调制编码使数字数据能在模拟信道上传输模拟信号的数字编码使模拟数据能在数字信道上传输421.数字数据的数字信号编码不归零码（Non-ReturntoZero，NRZ）•二进制数字0、1分别用两种电平来表示；常用－5V表示1，＋5V表示0；•缺点：存在直流分量，传输中不能有变压器