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第2章数据通信 2 1 1基本概念 信号与通信信号 以时间为自变量 以表示消息 或数据 的某个参量 振幅 频率或相位 为因变量 信号按其因变量的取值是否连续可分为模拟信号和数字信号模拟信号 信号的因变量完全随连续消息的变化而变化的信号 模拟信号的自变量可以是连续的 也可以是离散的 但其因变量一定是连续的数字信号 表示消息的因变量是离散的 自变量时间的取值也是离散的信号通信 将表示消息的信号从发送方 信源 传递到接收方 信宿 既然信号可分为模拟信号和数字信号 与之相对应的 通信也可分为模拟通信和数字通信 t t nT x nT 10011011 a 模拟信号b 数字信号 数据通信系统模型 数据通信系统由信源 信宿和信道三部分组成 信号转换器 通信信道 发送信号 接收信号 信道带宽系统噪声 信源 信号转换器 信宿 信源 信宿和信道 信源与信宿 通常将数据的发送方称为信源 而将数据的接收方称为信宿 信源和信宿一般是计算机或其它一些数据终端设备 信道 在信源和信宿之间所建立的用于传送信号的物理通道 被称为物理信道 简称信道 按传输介质的类型来划分 信道被分为有线信道和无线信道 按信道中所传输的信号类型来划分 信道可被分为模拟信道和数字信道 数字通信系统和模拟通信系统 在数字通信系统中 信号转换器的主要功能是分别在发送端和接收端完成数字数据的编码和解码 在模拟通信系统中 信号转换器的主要功能是分别在发送端和接收端完成数 模 D A 和模 数 A D 转换功能 2 1 2数据通信基础理论 信号的频谱与带宽信号具有时域和频域两种最基本的表现形式和特性时域特性反映信号随时间变化的情况 信号的时域特性表示出信号随时间变化的情况 如正弦信号就可以表示为 f t ASin 2 ft 其中 A 振幅f 频率 初始相位幅度 频率以及相位是周期信号f t 的3个重要特性 信号的频谱与带宽傅立叶变换 任何一个周期为T的函数f t 都是由无穷多个正弦函数和余弦函数合成 其中 矩形脉冲信号的傅里叶分析 图示 数据通信基础理论 信号的频谱与带宽频谱 f t 各次谐波的振幅An按照频率高低依次排列起来所形成的谱状图形绝对带宽 信号频谱所覆盖的频率范围有效带宽 简称带宽 信号的大部分能量都集中在一个较小的范围之内 这段频带称为带宽信号的带宽越大 利用这种信号传送数据的速率就越高 要求传输介质的带宽也越大常见信号的频谱和带宽 声音信号的频谱大致在20Hz 20kHz的范围 低于20Hz的信号为次声波 高于20KHz的信号为超声波 但用一个窄得多的带宽就能产生可接受话音的重现 因而话音信号的标准频谱为300Hz 3400Hz 其带宽为3kHz 电视信号的频谱为0 4MHz 因此其带宽为4MHz 2 1 3数据编码技术 不同类型的信号在不同类型的信道上传输有4种情况 模拟传输和数字传输所使用的技术 三种基本调制方法 根据调制过程中所采用的载波的特性不同 分为三种基本调制方法 y Asin t 幅移键控 ASK Amplitude ShiftKeying 频移键控 FSK Frequency ShiftKeying 相移键控 PSK Phase ShiftKeying 三种基本调制方法 续 幅移键控ASK 通过载波信号的振幅变化来表示二进制 0 与 1 又称调幅 amplitudemodulation 幅移键控FSK改变载波信号的频率来表示二进制 0 与 1 又称调频 frequencymodulation 相移键控PSK通过改变载波信号的相位值表示二进制 0 和 1 又称调相 phasemodulation 按照使用相位的绝对值或相位的相对偏移两大表示分为绝对调相和相对调相 三种调制方式的比较 幅移键控 技术简单 抗干扰能力差频移键控 技术简单 抗干扰能力强相移键控 技术较复杂 抗干扰能力强 编码效率高目前在网络中广为使用的调制方式是上述三种基本方式的变种 基带传输 基带 基本频带 调制前信号所占有的频带 基带传输 在通信电缆上原封不动的传输由通信终端设备产生的0和1数字脉冲信号基带传输被广泛应用于局域网信号的传输 以太网就是采用基带信号的 基带传输 特点 抗噪声能力强 成本低 传输速率高信号衰减严重 只能利用有线介质近距离传输基带信号频带宽 传输时要占用整个传输介质的带宽 数字数据编码 采用基带信号进行传输适用的是数字通信系统的模型 该系统要解决的关键问题是数字数据的编码和解码问题 在发送端 要解决如何将二进制数据序列通过某种编码 encoding 方式转化为可直接传送的数字信号 在接收端 则要解决如何将收到的数字信号通过解码 Decoding 恢复为与发送端相同的二进制数据序列 三种常见的数字数据编码不归零编码曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码 不归零编码 规则 以高电平表示逻辑 1 低电平表示逻辑 0 特点 由于不能判断位的开始与结束 收发双方不能保持同步 需要用另一个信道同时传送同步信号 同时 传输 1 时 持续保持高电平 归零码半个周期高电平自动归零 曼彻斯特编码 规则 周期中点有一次电平跳变 由高到低是 1 由低到高是 0 特点 任何两次电平跳变的时间间隔是T 2或T 提取电平跳变信号可作为收发双方的同步信号 不需要另外的同步信号 又被称为 自含时钟编码 差分曼彻斯特编码 规则 每比特的值则根据其周期开始处是否出现电平的跳变来决定 有跳变者为 0 无跳变者为二进制 1 最常见的方法是脉冲编码调制PCM PulseCodeModulation 模拟数据数字化过程 1 取样 每隔一定的时间间隔 把模拟信号的值取出来作为样本 以代表原信号 2 量化 决定取样值属于哪个量级 并将其幅度按量化级取整 经过量化后的取样值幅度是离散的整数值 3 编码 编码是用相应位数的二进制码来表示已经量化的取样值 模拟数据进行数字信号编码 如果N个量化级 则二进制位的位数应为log2N 如量化级有8个 就需要三位编码 语音数字化系统中 常分为128量级 故需用7位编码 经过编码后 每个取样值就由相应的编码脉冲表示 并将该编码脉冲发送到信道上 如果某样值的编码为0011 则用4个脉冲表示两个幅值为零的脉冲 两个幅值为1的脉冲 对声音进行数字化时 将声音分成128个量化级 即采用7位二进制编码 log2128 7 由于采样频率为8KHz 所以数据速率为7 8000 56Kbps 即声音信号的数据传输率要有56Kbps PCM编码用于彩色电视信号时 由于彩色电视信号带宽为6MHz 故采样频率为12MHz 此时一个样本用10位 1024个量化级 二进制表示 所以数据速率为12M 10 120Mbps 2 1 4数据通信 数据传送只能在一个固定的方向上进行 任何时候都不能改变方向 例子 广播 电视 单工通信 数据通信 半双工通信 信号可以双向进行 但不可同时进行 一个时间只能有一个方向的传送例子 对讲机 发送接收 双向通道 接收发送 数据通信 双工通信 信号可以同时进行双向发送例子 计算机 计算机 发送接收 双向通道 接收发送 异步传输 最早使用也是最简单的一种方法每次传送一个字符 可由5 8位组成 在传送字符前 设置一个起始位 以示字符信息的开始 接着是字符代码 字符代码后面是一位的校验位 最后设置1 2位的终止位 表示传送的字符结束 计算机和modem之间的信息传输 如何找到正确的字符边界 常用的为起止式 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 同步传输 以数据块 帧 为传输单位 每个帧的头部和尾部都要附加特殊字符或者比特序列 根据传送的数据块是面向字符的还是面向位的 分为面向字符的同步和面向比特流的同步 同步传输 如何识别一个帧的起始和结束 帧 Frame 数据链路层中的传输单位 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 7EH 7EH 2 1 5多路复用技术 多路复用 在一条物理线路上建立多条通信信道的技术 意义 多路复用使得在同一传输介质上可传输多个不同信源发出的信号 可充分利用通信线路的传输容量 提高传输介质的利用率 常用多路复用技术 频分多路复用 FrequencyDivisionMultiplexing 时分多路复用 TimeDivisionMultiplexing 波分多路复用 Wave lengthDivisionMultiplexing 码分多路复用 CodingDivisionMultiplexingAccess 2 1 6数据交换技术 什么是交换 按某种方式动态地分配传输线路资源 例如 电话交换机在用户呼叫时为用户选择一条可用的线路进行接续 用户挂机后则断开该线路 该线路又可分配给其它用户 最初的交换 人工转接交换为什么要采用交换技术 节省线路投资 提高线路利用率 实现交换的方法主要有 电路交换 报文交换和分组交换 电路交换在通信双方之间建立一条临时专用线路的过程 可以是真正的物理线路 也可以是一个复用信道 特点 数据传输前需要建立一条端到端的通路 称为 面向连接的 典型例子 电话 过程 建立连接 通信 释放连接优缺点 建立连接的时间长 一旦建立连接就独占线路 线路利用率低 无纠错机制 建立连接后 传输延迟小 电话网络中的电路交换电路交换也能在多路复用信道上实现在物理线路的某个信道上建立连接 报文交换以报文为单位进行 存储 转发 交换的技术 在交换过程中 交换设备将接收到的报文先存储 待信道空闲时再转发出去 一级一级中转 直到目的地 这种数据传输技术称为存储 转发 传输之前不需要建立端到端的连接 仅在相邻结点传输报文时建立结点间的连接 称为 无连接的 典型例子 电报 整个报文 Message 作为一个整体一起发送 优缺点 没有建立和拆除连接所需的等待时间 线路利用率高 传输可靠性较高 报文大小不一 造成存储管理复杂 大报文造成存储转发的延时过长 且对存储容量要求较高 出错后整个报文全部重发 比较 下载时若无断点续传功能 一旦出错你会怎样做 分组交换 包交换 将报文分割成若干个大小相等的分组 Packet 进行存储转发 数据传输前不需要建立一条端到端的通路 也是 无连接的 有强大的纠错机制 流量控制 拥塞控制和路由选择功能 优缺点 对转发结点的存储要求较低 可以用内存来缓冲分组 速度快 转发延时小 适用于交互式通信 某个分组出错可以仅重发出错的分组 效率高 各分组可通过不同路径传输 容错性好 需要分割报文和重组报文 增加了端站点的负担 分组交换有两种交换方式 数据报方式和虚电路方式 数据报方式 Datagram 各分组独立地确定路由 传输路径 不能保证分组按序到达 所以目的站点需要按分组编号重新排序和组装 数据报方式不能保证分组按序到达 虚电路方式 VirtualCircuit 通信前预先建立一条逻辑连接 虚电路虚电路是由其路径上的所有交换机中的路由表定义的类比 铁路系统 旅客 列车 分组 铁路网 网络 火车站 节点 杭州 北京 这条线路可以看成是一条虚路径也需要三个过程 建立 数据传输 拆除建立虚电路时 交换机将预留传输时所需的所有资源虚电路的路由在建立时确定 传输数据时则不再需要数据传输时只需指定虚电路号 分组即可按虚电路的路由穿越网络 数字管道 提供的是 面向连接 的服务但却没有像电路交换那样始终占用一条端到端的物理通道 只是断续地依次占用传输路径上各个链路段 与铁路系统类比 可以看成是采用了电路交换思想的分组交换能够保证分组按序到达永久虚电路PVC和交换虚电路SVC 分组通过预先建立好的虚电路穿越网络 三种交换方式的事件顺序 2 1 7调制与解调 调制 modulation 在数据发送端 将数字数据寄载在载波上的过程称为调制 其目的在于将二进制数据变换成能在电话线或其他传输线路上传输的模拟信号 解调 demodulation 在接收端 当携带数据信号的载波到达时 将收到的模拟信号重新还原成原来的二进制数据的过程称为解调 Modem modulation demodulation 2 2传输介质 传输介质 泛指计算机网络中用于连接各个计算机的物理媒体 主要指用来连接各个通信处理设备的物理介质 类型 有线介质将信号约束在一个物理导体之内 如双绞线 同轴电缆和光纤等 故又被称作有界介质 无线介质如无线电波 红外线 激光等由于不能将信号约束在某个空间范围之内 故又被称为无界介质 传输介质的种类 2 2 1传输介质的特性 描述传输介质特性的主要指标有 物理特性传输特性连通性传输范围抗干扰性价格 非屏蔽双绞线 1 优点尺寸小 重量轻 容易弯曲价格便宜容易安装和维护RJ 45连接器牢固 可靠2 缺点抗干扰能力较弱传输距离比较短UTP非常适合于楼宇内部的结构化布线 非屏蔽双绞线 UTP 和RJ 45连接器 UTP的类别 EIA TIA已颁布了六类 Category 简写为Cat 线缆的标准 其中 Cat1 适用于电话和低速数据通信 Cat2 适用于ISDN及T1 E1 支持16MHz的数据通信 Cat3 适用于10Base T或100Mbps的100Base T4 支持达20MHz的数据通信 Cat5 适用于100Mbps的100Base TX和100Base T4 支持高达100MHz的数据通信 Cat6 适用于1000Mbps的1000Base TX 支持高达1000MHz的数据通信 UTP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路由器 路由器直连线 PC 路由器 交换机 HUB 交叉线EIA 568A 568B 直连线EIA 568A 实验一网线制作 时间 3月13日星期五下午地点 健A306实验室分组 每5 6人一组 每人一根 每组制作2 3根交叉线 3 4根直通线 自由分组 做好的网线要保存好 分班情况 13 30 14 301班14 30 15 302班 屏蔽双绞线 STP 1 优点传输质量较高电缆尺寸和重量与UTP相当2 缺点安装不合适有可能引入外界干扰 2 2 3同轴电缆 2 2 4光缆 实际使用以下三种光缆 1 50um 光纤直径 125um 色层直径 渐变型多模光纤 2 6