数据通信原理.ppt

2 17 20202 24PM 1 第3章数据通信原理 3 1数据通信3 2有线传输介质3 3无线传输技术3 4物理层接口标准习题三 2 17 20202 24PM 2 3 1数据通信 相关概念物理层是0SI参考模型的最低层 是所有网络的基础 它向下直接与物理传输介质相联接 物理层协议是各种网络设备进行互联时必须遵守的最低层协议 设立物理层的目的是实现两个网络物理设备之间的透明二进制比特流的传输 对数据链路层具有屏蔽物理传输介质的特性 以便对高层协议有最大的透明性 而不是指连接计算机的具体设备和具体的物理媒体 2 17 20202 24PM 3 3 1数据通信 物理层提供向上服务的功能 所以它应具备如下几条 1 物理连接的建立和释放2 物理服务数据单元的传送可以采用异步和同步两种方式 3 物理层的管理如管理发送和接收 差错报告以及产生异常中断等 2 17 20202 24PM 4 3 1数据通信 数据通信系统 是指以计算机为中心 用通信线路与分布于远地的数据终端设备连接起来 执行数据通信的系统 数据通信系统的主要性能指标传输速率差错率时间延迟功率利用率频带利用率可靠性等 2 17 20202 24PM 5 3 1数据通信 传输速率传输速率 是衡量系统传输有效性的重要指标 反映了数据传输的快慢程度 它有以下几种不同的定义1 码元传输速率2 比特传输速率3 消息传输速率 2 17 20202 24PM 6 3 1数据通信 差错率差错率 是衡量数据传输正确性的重要指标 反映了各种干扰 信道质量对通信可靠性的影响 有以下几种不同的定义1 码元差错率2 比特差错率3 码组差错率 2 17 20202 24PM 7 3 1数据通信 时间延迟时间延迟 又称延迟时间 简称时延 延时或延迟 是单位数据信号从数据电路的一端传输到达另一端所经历的总的时间 数据通信的时延的决定因素由数据信号沿传输媒介传播的时延 传输设备和交换设备对数据的处理时延 比特传输速率等多种因素所决定 2 17 20202 24PM 8 3 1数据通信 功率利用率功率利用率 用保证比特差错率小于某一规定值时所要求的最低信噪比来衡量 信噪比 是每比特的信号能量与噪声单边带功率谱密度的比值 所要求的信噪比越小 则功率利用率就越高 反之则越低 2 17 20202 24PM 9 3 1数据通信 频带利用率频带利用率 用单位频带内允许的最大比特传输速率来衡量 在频带宽度相等的条件下 比特传输速率越高 则频带利用率越高 反之越低 功率利用率和频带利用率这两项性能指标主要决定于调制解调方式 这两项指标通常可以互换 即降低频带利用率可以换取功率利用率的提高 降低功率利用率可以换取频带利用率的提高 2 17 20202 24PM 10 3 1数据通信 可靠性可靠性 是衡量系统正常工作能力的一项指标 通常又用平均故障间隔时间 平均维修时间 可靠度等指标来衡量 2 17 20202 24PM 11 3 1数据通信 数据通信技术 是计算机网络的基础 它将计算机与通信技术相结合 完成编码数据的传输 转换存储和处理 2 17 20202 24PM 12 3 1数据通信 信源 产生数据的设备 发送器 一般由信源设备产生的数据不安其产生的原始形式直接传输 而是由发送器将其进行变换和编码后再送入某种形式的传输系统进行传输 传输系统 连接信源和信宿的传输线路 接收器 从传输系统接收信号并将其转换成信宿设备能够处理的形式 2 17 20202 24PM 13 3 1数据通信 信宿 从接收器上取得传入数据的设备 广域网 覆盖大片的地理区域 一次传输要经由网络中一系列内部互联的交换结点 在通过选择好的路由后到达信宿设备 2 17 20202 24PM 14 3 1数据通信 线路交换 是从一点到另一点传递信息的最简单的方式 属于预分配电路资源系统 即在一次接续中 电路资源预先分配给一对用户固定使用 不管在这条电路上实际有无数据传输 电路一直被占用 直到双方通信完毕拆除连接为止 优点 信息传输时延小 电路是 透明 的 信息传送的吞吐量大 缺点 所占用的带宽是固定的 所以网络资源的利用率较低 用户在租用数字专线传递数据信息时 要承受较高经济代价 2 17 20202 24PM 15 3 1数据通信 报文分组交换 是一种存储转发的交换方式 它是将需要传送的信息划分为一定长度的包 也称为分组 以分组为单位进行存储转发的 而每个分组信息都载有接收地址和发送地址的标识 在传送数据分组之前 必须首先建立虚电路 然后依序传送 优点 传输质量好 误码率低 可靠性高 缺点 大量的资源消耗在纠错补偿上 由于采用存储 转发方式工作 因此在传输过程中存在一定的延时 2 17 20202 24PM 16 3 1数据通信 信元交换 ATM AsynchronousTransferMode 异步传送模式 也是一种快速分组技术 它将信息切割成固定长度 53字节 的信元 以信元为单位进行传送 2 17 20202 24PM 17 3 1数据通信 1 数据传输的概念及术语直接连接 两台设备之间传输信道为直接连接的通信形式 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 频率 单位时间内信号重复的速度 频谱 信号所包括频率的范围 带宽 信号的大部分能量包含在频率较窄的一段频带中 这频带称为有效带宽或带宽 2 17 20202 24PM 18 3 1数据通信 2 模拟和数字数据传输模拟信号 是连续变化的电磁波 数字信号 是一种电压脉冲序列 通过介质传输 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 17 20202 24PM 19 3 1数据通信 3 传输损耗衰减的三个问题 a 接收到的信号必须有足够的强度 b 信号必须比收到的噪声维持一个更高的电平 c 在模拟信号传输中 衰减是频率的增量函数 解决a b问题用增加信号强度 设置放大器或中继器 解决c问题是使用技术手段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 2 17 20202 24PM 20 3 1数据通信 延迟变形 由于信号中各种成分延迟使得接收到的信号变形的这种效果 这是有线类传输介质独有的现象 噪声 传输和接收之间的某处插入的不必要的信号 它是通信系统性能的主要制约因素 四类噪声 热噪声 内调制杂音 串扰 脉冲噪声信道容量 对在给定条件 给定通信路径或信道上的数据传送速度 信道的最大容量 C 2Hlog2L是非理想有限带宽无噪声信道的最大数据传输的表达式 C Hlog2 1 S N 2 17 20202 24PM 21 3 1数据通信 4 有线传输介质同轴电缆双绞线电缆光纤 2 17 20202 24PM 22 3 1数据通信 5 无线传输介质地面微波卫星微波红外传输 2 17 20202 24PM 23 3 1数据通信 6 数据编码数字数据的数字信号编码 用两个电压电平来表示两个二进制数字 编码方式有a 不归零制NRZb 曼彻斯特码c 差分曼彻斯特码 2 17 20202 24PM 24 3 1数据通信 数字数据的调制编码 在模拟信道上传输数字信号时 将数字数据调成模拟信号才能传送 数字数据用模拟信号进行调制的三种形式a 幅移键控法ASK 调幅 b 频移键控法FSK 调频 c 相移键控法PSK 调相 2 17 20202 24PM 25 3 1数据通信 模拟数据的数字信号编码 将模拟数据转换成数字数据 模拟数据的数字信号常用调制方式 脉冲编码调制 PCM编码 PCM编码过程 采样量化编码 2 17 20202 24PM 26 3 1数据通信 3 1 1通信模型3 1 2信号分析3 1 3信道 2 17 20202 24PM 27 3 1数据通信 3 1 1通信模型该图反映了通信系统的共性 共包括了四个部分 发送端 接收端 信道和噪声源 该图显示的是一个单向通信系统模型 实际使用中的通信系统大多是双向的 信道也可以进行双向传输 2 17 20202 24PM 28 3 1数据通信 数据通信系统还可以分为 硬件 包括终端设备 包括工作站 通信设备 如调制解调器 多路复用器 转接线路 交换机等 主计算机及以它为主体构成数据处理系统 通信控制部分 如通信处理机等 软件 包括协定的程序 管理通信系统的程序等 2 17 20202 24PM 29 3 1数据通信 数据通信系统的分类按消息的物理特征 电报通信系统 电话通信系统 数据通信系统 图像通信系统等按调制方式 基带传输 频带传输按信号特征 模拟通信系统 数字通信系统按传输媒介 有线传输和无线传输按信号复用方式 频分多路复用 时分多路复用和统计时分多路复用 2 17 20202 24PM 30 3 1数据通信 连接方式 一般点到点的连接方式 直通方式 多点连接方式 分支连接方式 集线连接方式 2 17 20202 24PM 31 3 1数据通信 信息的传输方式 并行数据传输 串行数据传输 2 17 20202 24PM 32 3 1数据通信 同步传输方式中又有两种实现方法外同步自同步 2 17 20202 24PM 33 3 1数据通信 数据的传输方向可分为三种方式单工半双工全双工 2 17 20202 24PM 34 3 1数据通信 多路复用技术 把许多单个信号在单一的传输线路和用单一的传输设备进行传输的技术 2 17 20202 24PM 35 3 1数据通信 1 频分多路复用FDM频分多路复用FDM FrequencyDivisionMultiplexing 是基于频带传输的原理 将信道的带宽划分为多个子信道 每个子信道为一个频段 然后分配给多个用户 2 17 20202 24PM 36 3 1数据通信 2 时分多路复用TDMTDM TimeDivisionMultiplexing 是将传输信号的时间进行分割 使不同的信号在不同时间内传送 即将整个传输时间划分为许多时间间隔 称为时间片 每个时间片被一路信号占用 2 17 20202 24PM 37 3 1数据通信 3 统计时分多路复用STDM统计时分多路复用STDM技术是一种改进的 效率更高的时分多路复用技术 它不是给每个终端分配相同的时间片 而是根据终端的需要 动态地按需分配时间片 即有数据要发送的终端才分得时间片 在TDM中 不管每个通信设备的状态如何 均分配给它一个时间片 分配到时间片的终端可以持续使用该时间片 直到信息传输结束 以后该时间片又可分配给别的终端使用 因此可以大大提高信道的利用率 STDM技术比较适用于数字数据 如计算机的输出等 一般不适合经过转换的模拟数据 2 17 20202 24PM 38 3 1数据通信 3 1 2信号分析在使用计算机的现代数据通信中 所有被传输的信息都要以二进制数字或位来表示 我们可以借助于电压或电流这类物理量的变化来实现对1和0这些信息的编码 通过电压或电流表示成时间t的单值函数f t 可以用数学方法来描述信号的变化 并对其进行数学分析 2 17 20202 24PM 39 3 1数据通信 1 傅立叶分析 2 17 20202 24PM 40 3 1数据通信 2 17 20202 24PM 41 3 1数据通信 2 有限带宽信号 2 17 20202 24PM 42 3 1数据通信 3 1 3信道通信的可靠性和有效性之间存在着矛盾 在一定的物理条件下 提高了通信效率 通信的可靠性往往会下降 2 17 20202 24PM 43 3 1数据通信 2 17 20202 24PM 44 3 1数据通信 信息论提出井解决了这样一个问题 即对于给定的信道 当无差错传输时 差错率趋于零 信道的信息传输量是否存在一个极限 如果存在 这个极限怎样求得 香农的信息论证明了这个极限的存在 并给出了其计算公式 这个极限就是信道的容量 例如 若某信道带宽为3KHz 采用二进制传输信号 即任一时刻数字信号只可取0或1两种电平之一 所以L 2 则最大数据传输速率为 2 17 20202 24PM 45 3 2有线传输介质 传输介质根据其物理形态分为有线介质和无线介质两大类 有线介质通过双绞线 同轴电缆 光缆等作为信号的载体 而无线介质则不采用导体传输 在选择介质时主要考虑以下问题 1 成本 2 安装 3 带宽 4 衰减 5 连通性 6 抗干扰性 2 17 20202 24PM 46 3 2有线传输介质 3 2 1双绞线3 2 2同轴电缆3 2 3光纤 2 17 20202 24PM 47 3 2有线传输介质 3 2 1双绞线它是将两根相互绝缘的导体以螺旋形式相互缠绕而成的 线芯是铜线或镀铜钢线 发射和接收的电磁干扰相互抵消 2 17 20202 24PM 48 3 2有线传输介质 双绞线既可用于传输模拟信号 也可用于传输数字信号 其带宽取决于线芯的粗细和传输的距离 当传输模拟信号时 最大传输距离为15km 传输数字信号时最大传输距离为1 2km 双绞线的最大特点是铺设简单 同时其价格低廉 但双绞线的保密性差 误码率高 不适合于通信安全性 可靠性要求高的应用 2 17 20202 24PM 49 3 2有线传输介质 双绞线电缆可以分成几类 无屏蔽双绞线 UTP 和屏蔽双绞线 STP 常用的无屏蔽双绞线有五类 1 2类线是语音和低速数据线 带宽为4Mb s 3类线是数据线 带宽为10 16Mb s 4类线是数据线 带宽为20Mb s 5类线是高速数据线 带宽为100Mb s RJ 45接头是双绞线使用的接插件 2 17 20202 24PM 50 3 2有线传输介质 3 2 2同轴电缆同轴电缆是由绕在同一轴线上的两个导体组成 中央是一根比较硬的铜导线或多股导线 它由绝缘层与外层绝缘开 这一层绝缘体又被第二层导体包住 第二层导体可以是网状的导体 主要用来屏蔽电磁等干扰 最后 电缆表面由较硬的绝缘塑料包住 2 17 20202 24PM 51 3 2有线传输介质 同轴电缆分为基带同轴电缆和宽带同轴电缆 基带同轴电缆阻抗为50 是用于传输离散变化的数字信号 一般作用范围在几千米以内 宽带同轴电缆阻抗为75 用于传输连续变化的模拟信号 宽带同轴电缆实际上就是有线电视电缆 可使用的频带高达500MHz 宽带系统又可分为多个信道 同轴电缆按其截面直径又可分为粗缆和细缆两种 2 17 20202 24PM 52 3 2有线传输介质 3 2 3光纤光纤是利用光 而不是电信号来传输信息的 光纤又可称为光缆 外形为圆柱形 制造光纤的材料可以是纯硅 合成玻璃或塑料 光纤由三部分组成 光纤芯 包层和保护外层 2 17 20202 24PM 53 3 2有线传输介质 光纤通信原理 2 17 20202 24PM 54 3 2有线传输介质 根据光线在光纤芯与包层之间的传输方式 可以把光纤分为两类 单模光纤和多模光纤 光纤与前边讨论的双绞线和同轴电缆这类金属传输介质相比较有许多优越性 1 带宽 带宽是光纤的一大优势 它可以支持极高的带宽 2 低衰减和大容量 光纤的衰减率非常小 3 抗干扰性 光纤具有极高的传输保密性 4 轻便主要的问题是 1 价格昂贵 2 安装困难 2 17 20202 24PM 55 3 3无线传输技术 无线传输是指利用在自由空间中传播的电磁波来进行数据传输 电磁波可运载的信息量与它的带宽有关 2 17 20202 24PM 56 3 3无线传输技术 3 3 1无线电传输3 3 2微波传输3 3 3红外线传输3 3 4光波传输3 3 5卫星通信 2 17 20202 24PM 57 3 3无线传输技术 3 3 1无线电传输无线电波的特性与频率有很大关系 在所有的频率上 无线电波都易受到其他电子设备的干扰 无线电广播和电视广播都是单向的通信 2 17 20202 24PM 58 3 3无线传输技术 无线电通信过程中频率复用 2 17 20202 24PM 59 3 3无线传输技术 无线电波通信通常有两种方式 单频通信和扩频通信 单频通信只使用单一频率作为信号的载波 数据传输率为1 10Mb s 性能与发射功率有关 价格便宜 安装简单 扩频通信使用多种频率作为信号的载波 传输率2 6Mb s 成本高和技术复杂 可以获得较远的作用距离 抗干扰能力和防窃听能力也较强 2 17 20202 24PM 60 3 3无线传输技术 3 3 2微波传输微波的工作频率在100MHz以上 是沿着直线传播 而不是向各个方向扩散 微波不能很好的穿过建筑物 需要设置中转站 微波通信具有通信容量大 传输质量高 灵活性好 易于通过恶劣地区 便宜 见效快 不需要铺设电缆或是光纤等优点 广泛应用于长途电话通信 蜂窝电话 电视传播和其他应用 其不足是如相邻两站之间不能有任何的阻挡物 易受天气的干扰 中继站的使用和维护需要耗费人力物力 其中最大的缺点是保密性差 2 17 20202 24PM 61 3 3无线传输技术 3 3 3红外线传输红外线传输是利用红外线作为传输载体的一种通信方式 已被广泛应用于短距离的通信 红外线遥控已广泛应用在家用电器 安全保卫 工业控制以及人们的日常生活等许多领域 在红外线遥控系统中 一般分为单通道与多通道红外线遥控 一般红外线的发射源可采用红外二极管 以光电二极管作为接收设备 红外线传输采用点到点和广播两种方式工作 2 17 20202 24PM 62 3 3无线传输技术 3 3 4光波传输激光具有普通光所没有的一系列优异特性 高亮度 单色性好 方向性好 无需通过有形的光导体 并能在长距离内保持聚焦的特点 能量能够高度集中 由于激光是连续的单向光信号 沿直线传输的 要安装激光发射和接受光的装置 但不必经过政府管理部门的授权分配使用频率 光波传输的优点 容量极大 传得远 保密性强 节约资源 激光不能被物体遮挡 而且不能穿透雨雪和浓雾 只能在晴朗天气里可以很好工作 所以一般激光也只用于短距离传输 2 17 20202 24PM 63 3 3无线传输技术 3 3 5卫星通信1 概述图4 11卫星通信 2 17 20202 24PM 64 3 3无线传输技术 卫星通信系统具有以下优点 覆盖面积大 传输距离远 通信频带宽 信道容量大 可多址通信 成网快 通信质量好和信道特性比较稳定 卫星通信的不足之处是 传输时延迟大 空间传播损耗比较严重 亦可能会和地面其他无线电系统信号发生干扰 保密性差 2 17 20202 24PM 65 3 3无线传输技术 2 VAST网 2 17 20202 24PM 66 3 3无线传输技术 甚小口径终端VSAT VerySmallApertureTerminal 系统一种具有小口径无线的智能卫星通信地球站 利用VSAT系统 在通信中 只要地面发送方或接收方中任一方有大的天线和大功率的放大器 另一方可用只有1m天线的微型终端即可 VAST网的主要特点是 小型化 智能化 可以提供双向综合电信业务 目前VAST网已经向第三代发展 2 17 20202 24PM 67 3 3无线传输技术 3 低轨道卫星与同步通信卫星相比 低轨卫星通往返时间将缩短 同步卫星电磁波传输距离的衰减是低轨卫星的1296倍 低轨道卫星通信系统在地球上的通信点不受地球高纬度的限制 轨道的卫星不能与地球保持同步 很难用于通信 采用数十颗低轨道卫星的办法来弥补这个问题 2 17 20202 24PM 68 3 3无线传输技术 4 卫星和光纤的比较光纤比卫星有更多的带宽 但光纤是为整个电话系统设置的 不可能为单个用户提供高带宽 卫星用户可以通过自己的天线来接收信号 不经过电话系统 所以可能获得较高的带宽 光纤设备也不可能随着用户的移动而移动 但卫星链路却可以 卫星还可以用于恶劣环境或地面基础设施很差的地方通信 将蜂窝无线电和光纤的结合来为大多数用户提供这种移动通信 2 17 20202 24PM 69 3 3无线传输技术 5 我国卫星通信系统目前 地球上同步卫星多达130多颗 利用卫星通信的国家和地区多达170余个 有近20万座卫星通信地球站及上百万个卫星接收站 遍及全球各地 全国已有近400个市 县通过卫星可与180多个国家和地区进行远地通信 卫星通信已成为我国国内通信的重要组成部分 1970年4月24日 发射了第一颗人造卫星 东方红一号 1972年租用国际卫星4号1976年加入国际通信卫星组织 2 17 20202 24PM 70 3 3无线传输技术 1984年4月8日 我国成功地发射了第一颗试验同步卫星号1986年2月1日 我国第一颗实用同步卫星 东方红二号 发射成功 1988年3月7日和12月22日 我国又相继发射了 东方红二号甲 1 和 东方红二号甲 2 实用通信卫星1990年2月4日东 方红二号甲 3号 发射成功1997年5月12日 东方红三号 发射成 2 17 20202 24PM 71 3 4物理层接口标准 3 4 1EIA RS 232C3 4 2其他接口 2 17 20202 24PM 72 3 4物理层接口标准 3 4 1EIA RS 232CEIA RS 232C接口是由美国电子工业协会EIA制