第2章数据通信的基础知识2

1、2022-3-171 有线有线- 金属导体：双绞线、金属导体：双绞线、 同轴电缆同轴电缆(粗、细粗、细)- 光纤光纤 无线无线- 无线电波（短波）、地面微波、卫星微波、红外线无线电波（短波）、地面微波、卫星微波、红外线2022-3-172 同轴电缆是由绕同一轴线的同轴电缆是由绕同一轴线的两个导体两个导体所所组成，即内导体（铜芯导线）和外导体组成，即内导体（铜芯导线）和外导体( (屏蔽层屏蔽层) )，外导体的作用是屏蔽电磁干，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。扰和辐射，两导体之间用绝缘材料隔离。同轴电缆具有较高的带宽和极好的抗干同轴电缆具有较高的带宽和极好的抗干扰特性。

2、扰特性。 同轴电缆的规格是指电缆粗细程度的度同轴电缆的规格是指电缆粗细程度的度量（直径量（直径: :1.022.54cm），按射频级测量），按射频级测量单位单位(RG)来度量，铜芯导线越细，来度量，铜芯导线越细，RG越越高，铜芯导线越高，铜芯导线越粗粗，RG越低越低2022-3-173 同轴电缆分类同轴电缆分类1. 基带同轴电缆基带同轴电缆一条电缆只用于一个信道，网状铜线屏蔽，特征阻抗为一条电缆只用于一个信道，网状铜线屏蔽，特征阻抗为50 ，用，用于数字传输，如于数字传输，如RG-8（粗缆以太网）粗缆以太网），RG-58（细缆以太网细缆以太网）。）。局域网：局域网：50 基带同轴电缆，数据传输

3、率基带同轴电缆，数据传输率10Mbps2. 宽带同轴电缆宽带同轴电缆一条电缆同时传输不同频率的多路模拟信号，铝箔缠绕屏蔽，特一条电缆同时传输不同频率的多路模拟信号，铝箔缠绕屏蔽，特征阻抗为征阻抗为75 ，用于模拟传输，用于模拟传输，300450MHz，100km，需要放，需要放大器，如大器，如RG-59（有线电视有线电视CATV ）2022-3-174细同轴细同轴- 50 ，D=1.02cm ，10Mbps - 185m、4中继、中继、5段（段（925m）- 优缺点：优缺点：价格低价格低安装方便（安装方便（T型连接器、型连接器、BNC接头、终端匹配器）接头、终端匹配器）抗干扰能力强抗干扰能力强

4、距离短距离短可靠性差可靠性差粗粗同轴同轴- 50 ，D=2.54cm ，10Mbps - 500m、4中继、中继、5段（段（2500m）- 优缺点：优缺点：价格稍高价格稍高 安装稍难（收发器、收发器电缆、安装稍难（收发器、收发器电缆、终端匹配器）终端匹配器）抗干扰能力强抗干扰能力强距离中等距离中等可靠性好可靠性好细同轴电缆和细同轴电缆和粗粗同轴电缆都只能用于总线拓扑结构同轴电缆都只能用于总线拓扑结构2022-3-175 双绞线是由两根绞合的绝缘铜线外部包裹屏蔽层和橡胶外皮双绞线是由两根绞合的绝缘铜线外部包裹屏蔽层和橡胶外皮而构成。而构成。 一根电缆中通常包含多对双绞线，线对数量视用途在一根电缆

5、中通常包含多对双绞线，线对数量视用途在2对到对到1800对之间，连接计算机终端的双绞线电缆通常包含对之间，连接计算机终端的双绞线电缆通常包含2对或对或4对双绞线。对双绞线。 在局域网中一般也采用双绞线作为传输媒体。主要用于星形在局域网中一般也采用双绞线作为传输媒体。主要用于星形网络拓扑，即以集线器或网络交换机为中心、各网络工作站网络拓扑，即以集线器或网络交换机为中心、各网络工作站用一根双绞线与之相连。用一根双绞线与之相连。 双绞线电缆可分为非屏蔽双绞线双绞线电缆可分为非屏蔽双绞线UTP（Unshielded Twisted Pair）和屏蔽双绞线）和屏蔽双绞线STP（Shielded Twis

6、ted Pair） 。2022-3-1761. 非屏蔽双绞线非屏蔽双绞线 （UTP）：双绞线外没有任何附加屏蔽）：双绞线外没有任何附加屏蔽质量类别（等级）质量类别（等级）3类（类（20MHz/ 10Mbps/令牌环网、令牌环网、10Base-T、100Base-T4）5类（类（100MHz/ 155Mbps /100BASE-T）6类（类（250MHz/1200Mbps/ 100BASE-T、1000BASE-T）2022-3-1772. 屏蔽双绞线屏蔽双绞线 （STP）：）：以铝箔屏蔽以减少干扰和串扰以铝箔屏蔽以减少干扰和串扰u 安装比安装比UTP困难，必须配有支持困难，必须配有支持屏蔽功能

7、的特殊连接器和相应的屏蔽功能的特殊连接器和相应的安装技术安装技术u 价格比价格比UTP高，但低于同轴电缆高，但低于同轴电缆u 传输速率高，传输速率高，100m内可达到内可达到155Mbps，常见速率为常见速率为16Mbps和和100Mbpsu 最大使用距离限制在几百米之内最大使用距离限制在几百米之内18双绞线双绞线RJ45接法规则：接法规则： 1（白绿）数据发送（白绿）数据发送 +2（绿）（绿） 数据发送数据发送 3（白橙）数据接受（白橙）数据接受 +6（橙）数据接受（橙）数据接受 4（兰）电源预留（兰）电源预留+5（白兰）（白兰） 电源预留电源预留7（白棕）音频预留（白棕）音频预留8（棕）音

8、频预留（棕）音频预留只适应于（只适应于（ 10base-T/ 100base-TX ）绞线通讯技术）绞线通讯技术对于对于1000base-TX绞线通讯技术接法另行规定。绞线通讯技术接法另行规定。（TIA/EIA 568A标准：线序） TIA:电信工业联合会；EIA:电子工业联合会双绞线双绞线RJ45接法规则：接法规则： 1 （白橙）数据发送（白橙）数据发送 +2 （橙）数据发送（橙）数据发送 3 （白绿）数据接受（白绿）数据接受 +6 （绿）数据接受（绿）数据接受 4（兰）电源预留（兰）电源预留+5（白兰）（白兰） 电源预留电源预留7（白棕）音频预留（白棕）音频预留8（棕）音频预留（棕）音频预

9、留只适应于（只适应于（ 10base-T/ 100base-TX ）绞线通讯技术）绞线通讯技术对于对于1000base-TX绞线通讯技术接法另行规定。绞线通讯技术接法另行规定。（TIA/EIA 568B标准：线序）双绞线直通双绞线直通直线：用于不同设备之间互连（交换机直线：用于不同设备之间互连（交换机-PC） 568A-568A双绞线交叉双绞线交叉反线：用于同种设备之间互连（反线：用于同种设备之间互连（PC-PC，交换机，交换机-交换机）交换机）568A-568B 光纤传输原理光纤传输原理利用了光的反射利用了光的反射 光纤电缆：纤芯光纤电缆：纤芯- -折射率高；玻璃包层折射率高；玻璃包层- -

10、折射率低折射率低导光纤维是一种由石英玻璃纤维或塑料制成的，直径很细，能传导光纤维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。导光信号的媒体。玻璃包层又称为覆层，是折射率较低的反光材料。玻璃包层又称为覆层，是折射率较低的反光材料。由于覆层的作用，在纤芯中传输的光信号几乎不会从覆层中折射由于覆层的作用，在纤芯中传输的光信号几乎不会从覆层中折射出去。这样当光束进入光纤中的纤芯后，可以减少光通过光缆时出去。这样当光束进入光纤中的纤芯后，可以减少光通过光缆时的损耗，并且在纤芯边缘产生全反射，使光束曲折前进。的损耗，并且在纤芯边缘产生全反射，使光束曲折前进。玻璃封套玻璃封套塑料外套塑料

11、外套玻璃内芯玻璃内芯玻璃内芯玻璃内芯塑料外套塑料外套玻璃封套玻璃封套外壳外壳2022-3-1715 光纤分类：光纤分类：根据使用的光源和传输模式，光纤可分为多模光纤根据使用的光源和传输模式，光纤可分为多模光纤MMF和单和单模光纤模光纤SMF- 多模光纤采用发光二极管产生可见光作为光源，定向性较差。多模光纤采用发光二极管产生可见光作为光源，定向性较差。当光纤纤芯的直径比光波波长大很多时，由于光束进入纤芯中当光纤纤芯的直径比光波波长大很多时，由于光束进入纤芯中的角度不同传播路径也不同，这时光束是以多种模式在纤芯内的角度不同传播路径也不同，这时光束是以多种模式在纤芯内不断反射而向前传播。不断反射而向

12、前传播。多模光纤的传输距离一般多模光纤的传输距离一般在在2km以内。以内。- 纤芯纤芯/覆层的直径为覆层的直径为62.5/125微米。微米。2022-3-1716- 单模光纤采用注入式激光二极管单模光纤采用注入式激光二极管作为光源，激光的定向性强。作为光源，激光的定向性强。- 单模光纤的纤芯直径一般为几个单模光纤的纤芯直径一般为几个光波的波长，当激光束进人玻璃光波的波长，当激光束进人玻璃芯中的角度差别很小时，能以单芯中的角度差别很小时，能以单一的模式无反射地沿轴向传播。一的模式无反射地沿轴向传播。单模光纤的传输距离可以达到几单模光纤的传输距离可以达到几十甚至上百公里。十甚至上百公里。- 纤芯纤

13、芯/覆层的直径为覆层的直径为8/125微米。微米。2022-3-1717 传输过程：传输过程：光电转换LED发送端输入光电转换PIN接收端输出光纤光信号发送端：将电信号转换成光信号发送端：将电信号转换成光信号 光源光源 发光二极管发光二极管LED 多模光纤多模光纤 激光二极管激光二极管LD 单模光纤单模光纤接收端：将光信号转换成电信号接收端：将光信号转换成电信号 检测器检测器 光电二极管光电二极管 PIN APD光载波调制：幅移键控法光载波调制：幅移键控法ASK （亮度调制），有光（亮度调制），有光-1，无光，无光-02022-3-1718 光纤的传输特性：光纤的传输特性：- 依靠光波承载信息

14、依靠光波承载信息- 速率高，通信容量大（仅受光电转换器件的限制），数据传速率高，通信容量大（仅受光电转换器件的限制），数据传输速率已达输速率已达2.4Gbps- 传输损耗小，衰减率极低，无中继传输距离可达传输损耗小，衰减率极低，无中继传输距离可达50km以上，以上，主要用于长距离的数据传输和网络的主干线主要用于长距离的数据传输和网络的主干线- 采用光谱技术，不易受外界的信号干扰，抗干扰性能极好；采用光谱技术，不易受外界的信号干扰，抗干扰性能极好；- 本身没有电磁辐射，所以它传输的信号不易被窃听，保密性本身没有电磁辐射，所以它传输的信号不易被窃听，保密性能好能好- 不易分支，普遍用于点到点的链路

15、不易分支，普遍用于点到点的链路2022-3-1719 使用电磁波或光波携带信息使用电磁波或光波携带信息 发送天线所产生的信号带宽比介质的特性更为重要发送天线所产生的信号带宽比介质的特性更为重要 基本方法：定向和全向基本方法：定向和全向 定向：信号频率越高越容易聚焦成定向的电磁波；传送和接定向：信号频率越高越容易聚焦成定向的电磁波；传送和接收天线必须仔细对齐收天线必须仔细对齐 全向：较低频率传输的信号是全向性的，很多天线都能收到全向：较低频率传输的信号是全向性的，很多天线都能收到 无需物理连接无需物理连接 适用于长距离或不便布线的场合适用于长距离或不便布线的场合 易受干扰、易被侦听易受干扰、易被

16、侦听2022-3-1720u 在有线线路昂贵或地理条件不允许的情况下适用；在有线线路昂贵或地理条件不允许的情况下适用；u 频率范围频率范围2GHz 40GHz2022-3-1721u 当中间不存在障碍物时，天线之间的最大距离依从公式当中间不存在障碍物时，天线之间的最大距离依从公式7.14dKh2022-3-1722地面微波的应用地面微波的应用完成远距离远程通信服务（作用类似于同完成远距离远程通信服务（作用类似于同轴电缆和光纤电缆）：轴电缆和光纤电缆）：远程通信远程通信电视传输电视传输楼宇间建立短距离的点到点通信楼宇间建立短距离的点到点通信闭路电视或无线局域网闭路电视或无线局域网旁路使用旁路使用

17、绕过地方电话局直接连接长途电信系统绕过地方电话局直接连接长途电信系统常用频带：常用频带：电信系统电信系统 4 GHz 6 GHz有线电视系统有线电视系统 12 GHz短距离短距离的点到点通信的点到点通信 22 GHz2022-3-1723地面微波的优点：地面微波的优点：微波波段频率很高，其频段范围也很宽微波波段频率很高，其频段范围也很宽(2GHz 40GHz)，因因此其通信信道的容量很大。此其通信信道的容量很大。与相同容量和长度的电缆载波通信比较，地面微波通信建设与相同容量和长度的电缆载波通信比较，地面微波通信建设投资少，见效快。投资少，见效快。2022-3-1724地面微波的缺点：地面微波的

18、缺点：相邻站之间必须直视，不能有障碍物（相邻站之间必须直视，不能有障碍物（”视距通信视距通信”）。）。有时一个天线发射出的信号也会分成几条略有差别的路径到有时一个天线发射出的信号也会分成几条略有差别的路径到达接收天线，容易造成信号失真。达接收天线，容易造成信号失真。通过地球表面的大气传播，易受到建筑物或天气的影响。通过地球表面的大气传播，易受到建筑物或天气的影响。与电缆通信系统比较，微波通信的隐蔽性和保密性较差。与电缆通信系统比较，微波通信的隐蔽性和保密性较差。两个地面站之间传送，距离为两个地面站之间传送，距离为10 -100 km，对大量中继站的，对大量中继站的使用和维护要耗费一定的人力和物

19、力。使用和维护要耗费一定的人力和物力。2022-3-1725卫星地球表面卫星发送多点接收多点接收经卫星微波的点到点链路经卫星微波的点到点链路经卫星微波的广播通信链路经卫星微波的广播通信链路2022-3-1726w 从技术角度上讲，只要在地球赤从技术角度上讲，只要在地球赤道上空的同步轨道上，等距离地道上空的同步轨道上，等距离地放置三颗相隔放置三颗相隔120度的卫星，就度的卫星，就能基本上实现全球的通信。能基本上实现全球的通信。 w 为了避免产生干扰，卫星之间的为了避免产生干扰，卫星之间的相隔不能小于相隔不能小于2度（地面上测得度（地面上测得的角位移），因此，整个赤的角位移），因此，整个赤道上道上

20、 空只能放置空只能放置180个同步卫星。个同步卫星。u 一个典型的卫星通常拥有一个典型的卫星通常拥有1220个转发器。每个转发器的频带个转发器。每个转发器的频带宽度为宽度为36MHz或或72MHz。2022-3-1727 重要应用：重要应用：电视传播、长途电话传输、专用商电视传播、长途电话传输、专用商业网络业网络 优点：优点：通信距离远，在电波覆盖范围内，通信距离远，在电波覆盖范围内，任何一处都可以通信，且通信费用任何一处都可以通信，且通信费用与通信距离无关；与通信距离无关；受陆地灾害影响小受陆地灾害影响小,可靠性高；可靠性高；易于实现广播通信和多址通信易于实现广播通信和多址通信 缺点：缺点：

21、通信费用高；通信费用高；延时较大；延时较大；10GHz以上衰减较大；以上衰减较大；易受太阳噪声的干扰。易受太阳噪声的干扰。wC波段波段 4/6 GHz下行下行3.74.2 GHz上行上行5.9256.425 GHzu KU波段波段 11/14 GHz下行下行11.712.2 GHz上行上行1414.5 GHz 2022-3-1728 光波传输光波传输 在短距离内连接两个通信设备；在短距离内连接两个通信设备； 收发机置于可视线内并对准；收发机置于可视线内并对准； 可直接传递或通过浅色表面反射传递信息。可直接传递或通过浅色表面反射传递信息。 特点：特点： 用于短距离通信，如电视、录象机等的遥控；用

22、于短距离通信，如电视、录象机等的遥控； 抗干扰能力强，安全保密性好；抗干扰能力强，安全保密性好； 无频率分配问题；无频率分配问题； 缺点：缺点：不能穿透固体，不能穿透雨和浓雾，易受天气影响；不能穿透固体，不能穿透雨和浓雾，易受天气影响；2022-3-1730信源产生的数据分为模拟数据与数字数据；信源产生的数据分为模拟数据与数字数据；通信信道分为模拟信道和数字信道。通信信道分为模拟信道和数字信道。调制编码2022-3-1731 利用数字通信信道直接传输数字数据信号的方法称作数字利用数字通信信道直接传输数字数据信号的方法称作数字信号的基带传输；数字数据在传输之前，需要进行数字编信号的基带传输；数字

23、数据在传输之前，需要进行数字编码。码。 数字数据的编码方式有三种：数字数据的编码方式有三种： 不归零码不归零码 曼彻斯特编码曼彻斯特编码 差分曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码2022-3-1732 二进制数字二进制数字0、1分别用两种电平（常用分别用两种电平（常用5V表示表示1，5V表示表示0）来表示。）来表示。 缺点：缺点： 存在直流分量，传输中不能使用变压器；存在直流分量，传输中不能使用变压器； 不具备自同步机制，无法判别信号的开始和结束，必不具备自同步机制，无法判别信号的开始和结束，必须使用外同步。须使用外同步。2022-3-1733 用电压的变化表示用电压的变化表示0和和1。 规定在每个位

24、的中间发生跳变：规定在每个位的中间发生跳变：高高 低的跳变低的跳变1，低，低高的跳变高的跳变0每个位中间都要发生跳变，接收端可将此变化提取出来作为每个位中间都要发生跳变，接收端可将此变化提取出来作为同步信号，使接收端的时钟与发送设备的时钟保持一致。同步信号，使接收端的时钟与发送设备的时钟保持一致。曼彻斯特编码也称为自同步码（曼彻斯特编码也称为自同步码（Self-Synchronizing Code）。）。它具有自同步机制，无需外同步信号。它具有自同步机制，无需外同步信号。 特点：特点： 不含直流分量；不含直流分量； 需要双倍的传输带宽。需要双倍的传输带宽。2022-3-1734 与与曼彻斯特编

25、码相同，曼彻斯特编码相同，在每个位的中间，信号都会发在每个位的中间，信号都会发生跳变；生跳变； 与与曼彻斯特编码曼彻斯特编码不同之处在于：不同之处在于： 位中间处跳变仅用作同步信号；位中间处跳变仅用作同步信号； 利用在位开始的边界处有无跳变来表示利用在位开始的边界处有无跳变来表示0和和1 ：位开始处有跳变位开始处有跳变0位开始处无跳变位开始处无跳变12022-3-1735 传统的电话通信信道是为传输语音信号设计的，用于传输传统的电话通信信道是为传输语音信号设计的，用于传输音频音频300Hz300Hz3400Hz3400Hz的模拟信号，不能直接传输数字数据。的模拟信号，不能直接传输数字数据。 为

26、了利用模拟语音通信的电话交换网实现计算机的数字数为了利用模拟语音通信的电话交换网实现计算机的数字数据的传输，必须首先将数字信号转换成模拟信号，也就是据的传输，必须首先将数字信号转换成模拟信号，也就是要对数字数据进行调制。要对数字数据进行调制。2022-3-1736 发送端将数字数据信号变换成模拟数据信号的过程称为调制发送端将数字数据信号变换成模拟数据信号的过程称为调制 Modulation，调制设备就称为调制器，调制设备就称为调制器 Modulator； 接收端将模拟数据信号还原成数字数据信号的过程称为解调接收端将模拟数据信号还原成数字数据信号的过程称为解调Demodulation，解调设备就

27、称为解调器，解调设备就称为解调器 Demodulator。 若进行数据通信的发送端和接收端以全双工或半双工的方式若进行数据通信的发送端和接收端以全双工或半双工的方式进行通信时，就需要同时具备调制和解调功能的设备，称为进行通信时，就需要同时具备调制和解调功能的设备，称为调制解调器调制解调器Modem。2022-3-1737 基本原理：用数字数据信号对基本原理：用数字数据信号对载波的不同参量进行调制。载波的不同参量进行调制。1）载波：连续的、频率恒定的信）载波：连续的、频率恒定的信号，表示为号，表示为2）S(t)的参量：的参量： 幅度幅度A 频率频率w w 相位相位 3）调制就是要使这三个参量随数

28、）调制就是要使这三个参量随数字基带信号的变化而变化字基带信号的变化而变化对数字数据调制的对数字数据调制的基本方法有三种：基本方法有三种： 幅移键控幅移键控ASK 频移键控频移键控FSK 相移键控相移键控PSK1. 幅移键控幅移键控ASK（Amplitude Shift Keying）ASK是通过改变载波信号的幅度值是通过改变载波信号的幅度值A表示数字数据信号表示数字数据信号1，0，以载波幅度以载波幅度 1表示数字数据信号的表示数字数据信号的“1”，用载波幅度，用载波幅度 2 表示数表示数字数据信号的字数据信号的“0”（通常（通常 1 取取1， 2取取0），而载波信号的参数），而载波信号的参数

29、和和 恒定。恒定。特点：特点：信号实现容易，技术简单；信号实现容易，技术简单；易受增益变化影响，效率低。易受增益变化影响，效率低。2022-3-17392. 2. 频移键控频移键控FSK（Frequency Shift Keying）FSK是用载波频率是用载波频率 附近的两个不同频率来表示数字数据信附近的两个不同频率来表示数字数据信号号 11和和00：用：用 1 1表示数字数据信号表示数字数据信号11， 用用 2 2表示数字数据信号表示数字数据信号00，而载波信号的，而载波信号的 和和 不变。不变。特点：特点：信号实现容易，技术简单；信号实现容易，技术简单；抗干扰能力强，最常用的调制技术之一。

30、抗干扰能力强，最常用的调制技术之一。2022-3-17403. 相移键控相移键控PSK（Phase Shift Keying）PSK是通过改变载波信号的相位值是通过改变载波信号的相位值 表示数字信号表示数字信号1,1,0，而，而载波信号的载波信号的 和和 不变。不变。PSK包括两种类型：包括两种类型：绝对调相绝对调相绝对调相使用相位的绝对值，绝对调相使用相位的绝对值， 为为0表示数字信号表示数字信号11， 为为表示数字信号表示数字信号00。相对调相相对调相相对调相使用相位的相对偏移值，当数字数据为相对调相使用相位的相对偏移值，当数字数据为0时，相位时，相位不变化，而数字数据为不变化，而数字数据为1时，相位要偏移时，相位要偏移。特点：抗干扰能力强，但实现技术复杂。特点：抗干扰能力强，但实现技术复杂。2022-3-1741 在网络中除计算机直接产生的数字信号外，语音、图像等模在网络中除计算机直接产生的数字信号外，语音、图像等模拟信息必须数字化以后才能经计算机处理并传送。拟信息必须数字化以后才能经计算机处理并传送。 脉冲编码调制脉冲编码调制是模拟数据数是模拟数据数字化的主要方法：将模拟信号转换成二进制序列字化的主要方法：将模拟信号转换成二进制序列 PCM技术的典型应用是语音数字化。在发送端通过技术的典型应用是语音数字化。在发送端通过PCM编编码器将语音数据变换为