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1第2章数据通信基础2第2章数据通信基础第2章知识点结构数据通信的基础知识信道的多路复用技术数据传输与信号调制技术物理层设备传输介质的主要类型物理层概述计算机网络的“物理层”位于各计算机网络体系结构的最底层,负责在物理传输介质之上为“数据链路层”提供一个原始比特流（也就是数据是以一个个0或1的二进制代码）的物理连接。但要特别注意的是，“物理层”并不是特指某种传输介质，而是指通过传输介质，以及相关的通信协议、标准建立起来的物理线路。物理层的主要作用物理层的主要作用如下：♣构建数据通路♣透明传输:物理层具有屏蔽不同传输介质类型和通信协议功能，让进行网络通信的各方只看到有“路”可行。♣传输数据♣数据编码：确保数据比特流能在对应的“信道”中正常通过。♣数据传输管理：基于比特流的流量控制、差错控制、物理线路的链接和释放等。物理层所定义的特性物理层的主要任务是定义与传输介质、连接器及其接口相关的机械特性、电气特性、功能特性和规程特性这四个方面。P111.机械特性机械特性定义了传输介质接线器、物理接口的形状和尺寸、引线数目和排列顺序，以及连接器与接口之间的固定和锁定装置。2．电气特性“电气特性”规定了在物理连接上传输二进制比特流时线路上信号电压的高低、阻抗匹配情况，以及传输速率和传输距离限制等参数属性。主要分为三类：非平衡型，差分接收器的非平衡型和平衡型。3．功能特性物理层的“功能特性”是指明传输介质中各条线上所出现的某一电平的含义，以及物理接口各条信号线的用途，包括：接口信号线的功能规定，接口信号线的功能分类。4．规程特性物理层的“规程特性”指明利用接口传输比特流的全过程及各项用于传输的事件发生的合法顺序，包括事件的执行顺序和数据传输方式，即在物理连接建立、维持和交换信息时，DTE／DCE双方在各自电路上的动作序列。什么是通信(communication)？♣广而言之，通信就是信息的(远距离)传递与交换。♣现代通信——使用电波或光波传递信息的技术，也称为电信（telecommunication），如电报、电话、传真、电子邮件、QQ等，电视也可看作是一对多的单向通信。♣通信的发展历史：了解一下1836年，英国建成第一条电报线路(Morse电报)1876年，美国人A.G.Bell研制成可供实用的电话20世纪初，马可尼实现了跨越大西洋的无线电报通信1918年，出现收音机和无线电广播1938年，第一个电视台开始播出1940’s出现彩色电视1960’s出现计算机网络2.1数据通信的基础理论2.1数据通信的基础理论2.1.1数据通信系统模型信道信源(宿)信宿(源)信号信号信道的任务是迅速、可靠而准确地将信号从信源传输到信宿被传输的信息都必须以某种电(或光)信号的形式才能进行传输发送信息的设备接收信息的设备♣通信的三要素2.1数据通信的基础理论举例:有线电话移动电话计算机通信信源/信宿电话座机手机计算机信号形式话音经电话机转换成为变化的电流信号话音经电话机转换成为压缩编码后的数字信号编码并打包后的数字信号信道构成电话线和中继器等传输设备无线电波、基站等双绞线、集线器、路由器、光纤等11常用几个术语P20♣信息--是计算机网络中进行交换的一切原始内容统称，可以是一串串的数字，也可以是各种文字，还可以是多媒体的图形、图像和语音。♣数据(data)—是“信息”的具体表示形式，是许多信息通过某种方式组成的集合体。“数据”有“模拟数据”和“数字数据”之分。“模拟数据”是通过连续取值得到的数据，“数字数据”是通过把模拟数据以二进制方式离散取值得到的数据。12常用几个术语P20♣信号(signal)—数据的电磁波表示形式，有电信号和光信号。有“模拟信号”和“数字信号”两种。♣“模拟信号”是“模拟数据”的电平信号表示形式，例如人们打电话或者播音员播音时声音经话筒(麦克风)转换得到的电信号；♣“数字信号”是“数字数据”的信号电平表示形式。例如电报机、传真机和计算机发出的信号都是数字信号。13信息、数据和信号雪六角形凉白色信息数据信号14♣信道(channel)--就是通信双方物理链路上通过物理层协议建立起来的数据传输通道。默认情况下，一条传输介质就一条信道，但也可以划分多条信道，并且还可实现多信道复用。♣信道分为模拟信道和数字信道。15♣调制—将发送端的数字信号转换成模拟信号的过程；进行波形变换。♣解调—将接收端的模拟信号还原成数字信号的过程。数字调制数字解调编码器解码器电磁波电视信号发射器电视信号接收器载波载波电视图像及其伴音电视机人造卫星数字通信技术模拟信号模拟信号数字通信技术应用举例（1）卫星电视和数字有线电视：用数字通信技术传输模拟音视频信号数字信号经调制和复用后由天线发送至卫星，再由卫星进行转发，被卫星地面接收站所接收；或者经过光纤和同轴电缆进行传输电视台的节目在传输之前，先要把图像和伴音信号进行数字化，还要进行数据压缩地面站对接收到的信号进行解调、解码后（或同轴电缆送来的数字信号经机顶盒处理后）恢复为模拟信号，再送到用户电视机上播放数字通信技术应用举例（2）♣长途电话系统的中继通信PCM编码器PCM解码器PCM编码器PCM解码器多路复用器分路器光纤传输线路(中继线和长途线)（本地电话局）（本地电话局）（用户线）（用户线）数字通信技术模拟传输技术模拟传输技术模拟声音信号在需要进行远距离传输之前，先使用PCM编码器变换为数字信号形式（此过程称为“数字化”）接收方所在地区的交换局使用解码器把数字信号还原成模拟声音信号后，由用户线传输至接听方的电话机数字信号经调制和复用后，通过光纤传输到接收方所在地区的交换局，再经解调和分路处理，恢复为数字信号2.1.2数据传输类型两种最基本的数字信号的传输类型——“基带传输”和“频带传输”。1.基带与频带“基带”是指信源发出的，没有经过调制的原始电信号所固有的频带（频率带宽），也称为“基本频带”；而“频带”是指对基带信号调制后所占用的频率带宽。2.基带信号和频带信号信源发出的没有经过调制的原始电信号就称之“基带信号”;经过调制后的基带信号称之为“频带信号”。3.基带传输和频带传输在信道中直接传输这种不经过调制的基带信号的方式称为“基带传输”，而在信道中传输经过调制后的频带信号的方式称之为“频带传输”。在基带传输中，由于不调制，所以整个信道只传输一种信号，通信信道利用率低。频带传输中往往需要同时发送多种信号（如有数据信号、路由信号，以及各种网络控制信号），这时就可以利用高频率的信号来调制低频率信号，以实现同步传输，提高了信道利用率。4.宽带传输和宽带传输系统所谓“宽带”（Broadband）就是采用比音频（4KHz）更宽的频带，包括了大部分电磁波频谱，可以说是相对前面所说的“频带”来说的，因为“频带”只是具有有限的频率宽度。使用这种宽频带进行的数据传输就称之为“宽带传输”。“宽带传输”与“频带传输”具有相同的特点，它也是需要对信源发出的原始信号进行调制，但它将一个信道分成多个子信道，分别传送音频、视频和数字信号，而且宽带传输中的所有子信道都可以同时发送信号。宽带传输一定是采用频带传输技术的，但频带传输不一定就是宽带传输。补充：数据传输方式了解计算机网络数据通信的数据传输方式可分“串行传输”和“并行传输”两种。“串行传输”指的是数据流以串行方式一位位地在一条信道上传输；“并行传输”指的是数据以一组或者整个字符的方式在多条并行信道上同时传输。补充：数据传输模式了解根据实现字符同步的模式不同，有“同步传输”和“异步传输”两种模式。“同步传输”是一种以数据块为传输单位（通常是以“帧”为单位的），以相同的时钟参考所进行的数据传输模式，因此又称为“区块传输”。在同步传输中的数据块的开始和结尾部分都一个用于数据帧同步的特殊字符、特定的字节或特定的帧。同步传输的主要优点就是传输效率高，但实现较复杂。主要有SDH、STM和HDLC等。“异步传输”是以字符为单位进行数据传输的。在发送每一字符代码的前面均加上一个“起始位”信号，以标记一个字符的开始；在一个字符代码的最后也加上一个“停止位”信号，以标记一个字符的结束。异步传输的优点是字符同步实现简单，不需要严格同步，但对每一字符都需加入“起、止”码元，使传输效率降低。主要有ATM技术。2.1.3数据通信方式重点掌握按照通信双方的通信方式来分可以分为以下三种：单工通信、半双工通信、全双工通信。1.单工通信在单工通信中，信号只能向一个方向传输而没有反方向的交互，任何时候都不能改变信号的传送方向。“单工”是永远只能往一个方向传输数据。数据发送方和接收方都是固定的。相当于单向车道。例如：广播、电视节目、寻呼系统、发报机、键盘。2.半双工通信通信的双方都可以收发信息，在同一时刻只能进行单向数据传输，在不同时刻可以进行另一个方向的数据传输。这就相当于双向单车道。例如：对讲机3.全双工通信“全双工”在任何时刻可以进行两个方向的数据传输，而且互不影响。这就相当于我们现实生活在中的“双向双车道”。可提高了数据传输速率，最高可以达到带宽的两倍。例如：手机、网络♣数据传输速率：指单位时间内传输的二进制代码的有效位（bit）数，又称为“比特率”。单位是b/s（bps），或kb/s,Mb/s,Gb/s等。♣传输带宽“带宽”是指信道中每秒钟传输的最大信息量，也就是一个信道的最大数据传输速率，表示网络的通信线路所能传送数据的能力，是一种理想状态（不受任何干扰，没有任何衰减）下的信道传输速率，单位也是“位/秒”（b/s或bps）。2.1.4数据传输速率与信道带宽♣通信系统中传输信息的信道具有一定的频率范围（即频带宽度），称为信道带宽W，单位赫兹--Hz。♣波特率指一个数字信号在被调制后，数字信号对载波的调制速率，也即单位时间内载波参数（如频率、相位等）变化的次数，单位为Baud（波特）,用RB表示。♣“比特率”与“波特率”的关系:b=RB×𝐥𝐨𝐠𝟐𝑴(b/s)其中M为符号的进制数，如二进制、八进制…此时M代表的是调制的相位数。两相、四相…2.1.4数据传输速率与信道带宽1、信道容量：是指信道能够传送的最大数据率，它与采用的传输介质、信号的调制解调方法、交换器的性能等密切相关。---即信道的极限容量传输速率受限的原因是任何实际的信道都不是理想的，在传输信号时会产生各种失真以及带来多种干扰。码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远，在信道的输出端的波形的失真就越严重。2.1.5信道容量影响数据速率的因素？有限带宽、信号电平数、通道的质量（噪声、干扰）31♣1924年，奈奎斯特(Nyquist)就推导出了著名的奈氏准则。他给出了在假定的理想条件（无噪声）下，为了避免码间串扰（即码元之间的相互干扰），码元的传输速率的上限值。♣在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，否则就会出现码间串扰的问题，使得接收端对码元的判断（即识别）成为不可能。2、奈氏准侧–理想低通信道数字信号不失真传输的最大传输速率限制32♣码元(code)——在使用时间域（或简称为时域）的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形。♣在使用二进制编码时，只有两种不同的码元，一种代表0状态而另一种代表1状态，但1码元不一定对应于1比特。什么是码元？33在无噪声的理想低通信道（基带传输中的信道）中，为了确保数字信号的不失真传输，根据奈奎斯特准则来计算理论上的最大数据传输速率，它描述了信道带宽W和最大码元传输速率之间的关系。最高码元传输速率C=2WP22其中W是理想低通信道的带宽，单位为赫兹（Hz），C为最高码元传输速率，单位为Baud（波特），波特指每秒传多少个码元。如果使用bps做为单位，则最大数据传输速率=2W×log2L（单位：bps）L：表示码元所取的离散值，即数据的信号电平数量公式：C=2W*log2L（bps）举例：P42-432、奈氏准侧–理想低通信道34香农(Shannon)用信息论的理论1948年推导出了在带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道上传输数据信号时的最大数据传输速率。即香农公式，它指出了最大数据传输速率C与信道带宽