第二章_数据通信基础

第二章数据通信基础 主要内容 数据通信的基础知识传输介质知识数据编码知识数据通信技术相关知识通信网络物理层接口 2 1数据通信系统简介 2 1 1数据通信系统的模型一个数据通信系统可划分为三大部分 即源系统 或发送端 传输系统 或传输网络 和目的系统 或接收端 源系统一般包括以下两个部分 1 源点 2 发送器 目的系统一般包括以下两个部分 1 接收器 2 终点 2 1 2通信系统的任务 1 传输系统利用率 要有效的使用传输设施 通常这些设施是由很多的通信设备共享 因此要有效的分配传输介质的容量 协调传输服务的要求以免系统过载 2 接口 为了通信 设备必须和传输系统结合 使产生的信号能满足传输系统传输要求并且在接收端能对数据进行接收解释 3 同步 传输系统和接受设备之间 发送器和接收器之间都需要同步 接收器必须确定何时信号开始 何时信号结束以及每个信号的间距 4 交换管理 在两个实体进行通信期间各种协调管理 5 差错检测和校正 对通信过程中产生的差错检测和校正 并且还需要流控的功能以防接收器来不及接受信号 6 寻址和路由 决定信号到达的目的地的路程 7 恢复 不同于差错检验和校正 发生在因某种原因系统被中断 需要对系统进行恢复时 8 报文格式 两个对话实体进行协商 使报文格式一致 9 安全 保证正确地 完整地 不被泄露地将数据从发送器传输至接收器 10 网络管理 对复杂的通信系统进行配置 监控 故障处理等管理 2 2 1信息数据和信号信息 指表现为数字 文字 语音和图像的消息数据 data 是运送信息的实体信号 signal 则是数据的电气的或电磁的表现信道是指传输数据的通信线路 实际上由通信线路 交换设备 中间处理设备等组成 一般说来 模拟数据和数字数据都可以转换为模拟信号或数字信号 因此我们有以下四种情况 1 模拟数据 模拟信号 2 模拟数据 数字信号 3 数字数据 模拟信号 4 数字数据 数字信号 下面给出了模拟的和数字的数据 信号的示意图 2 2通信系统中的基本概念 数字信号是那些时间上和数值上都是离散的信号 也就是说 它们的变化在时间上是不连续的 总是发生在一系列离散的瞬间 同时 它们的数值大小变化是某一个单位的倍数 比如语音声压的一系列瞬间测量 量化 编码后的信号 电子表显示的时间信号都是数字信号 模拟信号是指那些幅值上连续并且时间上连续的信号 比如水银温度计显示的温度信号 语音信号等都是模拟信号 由数学分析可知 任何周期函数都可以由正弦和余弦函数合成 即由多个不同频率信号 谐波分量 组成模拟信号可以用模拟线路直接传输 用放大器弥补传输一定距离后造成的信号衰减 模拟信号也可以先调制成数字信号 用数字线路传输 到达目的地后解调还原成原来的模拟信号 在数字传输线路中 用中继器对传输一定距离造成的信号衰减和波形畸变进行整形 放大 即信号的再生 数字信号除了可以用数字线路直接传输 用中继器延伸传输距离外 数字信号也可以先调制转换成模拟信号 在模拟线路上传输 到达目的地后解调还原成数字信号 2 2 2信号带宽与信道带宽带宽是指数据传送时占据的频率范围称为信号带宽信号带宽是信号频谱的宽度 也就是信号的最高频率分量与最低频率分量之差 例如 一个由数个正弦波叠加成的方波信号 其最低频率分量是其基频 假定为f 2kHz 其最高频率分量是其7次谐波频率 即7f 7 2 14kHz 因此该信号带宽为7f f 14 2 12kHz 信道带宽则限定了允许通过该信道的信号下限频率和上限频率 也就是限定了一个频率通带 比如一个信道允许的通带为1 5kHz至15kHz 其带宽为13 5kHz 上面这个方波信号的所有频率成分当然能从该信道通过 如果不考虑衰减 时延以及噪声等因素 通过此信道的该信号会毫不失真 同样 只要最低频率分量和最高频率分量都在该频率范围内的任意复合信号都能通过该信道 此外 频率为1 5kHz 4kHz 6kHz 9kHz 12kHz 15kHz以及任意在该频带范围内的各种单频波也可以通过该信道 如果一个基频为1kHz的方波 方波信号若基频为2kHz 但最高谐波频率为18kHz 二者之间关系分析 1 如果信号与信道带宽相同且频率范围一致 信号能不损失频率成分地通过信道 2 如果带宽相同但频率范围不一致时 该信号的频率分量肯定不能完全通过该信道 可以考虑通过频谱搬移也就是调制来实现 3 如果带宽不同而且是信号带宽小于信道带宽 但信号的所有频率分量包含在信道的通带范围内 信号能不损失频率成分地通过 4 如果带宽不同而且是信号带宽大于信道带宽 但包含信号大部分能量的主要频率分量包含在信道的通带范围内 通过信道的信号会损失部分频率成分 但仍可能被识别 正如数字信号的基带传输和语音信号在电话信道传输那样 5 如果带宽不同而且是信号带宽大于信道带宽 且包含信号相当多能量的频率分量不在信道的通带范围内 这些信号频率成分将被滤除 信号失真甚至严重畸变 6 不管带宽是否相同 如果信号的所有频率分量都不在信道的通带范围内 信号无法通过 7 不管带宽是否相同 如果信号频谱与信道通带交错 且只有部分频率分量通过 信号失真 2 2 3数据通信方式1 从通信的双方信息交互的方式来看 可以有以下三种基本方式 1 单向通信 又称为单工通信 即只能有一个方向的通信而没有反方向的交互 在此传输模式下 信息的发送端与接收端分工清楚 发送端只能将信息发送出去 不能接收信息 接收端只能接收信息不能发送信息 即只能按一个方向传输 无线电广播或有线电广播以及电视广播就属于这种类型 2 双向交替通信 又称为半双工通信 即通信的双方都可以发送信息 但不能双方同时发送 当然也就不能同时接收 这种通信方式是一方发送另一方接收 过一段时间后再反过来 例如对讲机 有收听和通话两种模式 按下通话键 发送 弹出通话键 接收 3 双向同时通信 又称为全双工通信 即通信的双方可以同时发送和接收信息 能同时接收和发送信息的传输方式是全双工 例如同声传译系统 在听的同时也在说 全双工通信一般采用四线制 一对线用于发送数据 另一对线用于接收数据 显然全双工通信方式效率较高 2 按字符同步方式分类 数据通信按字符同步的方式分为同步传输和异步传输 1 同步传输同步是指发送方和接收方必须在时间上保持一致 才能准确地传送信息 同步分为比特同步和字符同步 比特同步方法有两种 外同步法和自同步法 外同步法是指发送数据前先发送一串同步字符 自同步法是指发送的数据中含有同步信息 如曼彻斯特编码 同步传输中以固定的时钟节拍来发送数据信号 字符间顺序相连 无间隙或插入位 收发双方的时钟信号与传输的每一位严格对应 以达到位同步 在开始发送一帧数据前需发送固定长度的帧同步字符 之后发送数据字符 发送完数据后再发送帧终止字符 从而实现字符和帧同步 之后连续发送空白字符 直到发送下一帧时重复上述过程 接收端在接收到数据流后进行位同步 首先必须收到发送端的同步时钟 在近距离传输时 可附加一条时钟信号线 用发送方的时钟驱动接收设备以完成位同步 在远距离传输时 则不允许另设时钟信号线 必须在发送的时钟驱动和接收设备中完成位同步 同步传输具有较高的传输效率和速率 但实现较为复杂 常用于高速数据传输中 2 异步传输异步传输中每个字符都独立传输 接收设备每收到一个字符的开始位后进行同步 每个字符传输时都在前后分别加上起始位0和结束位1 以表示一个字符的开始和结束 其作用是实现字符同步 字符之间的间距 时间 是任意的 但发送一个字符时 发送每一位占用的时间长度都是双方约定好的 且保持恒定不变 这样收发双方的发送速率按编程约定而基本保持一致 从而实现位同步 通过起始位和结束位实现字符同步 帧同步靠传送特殊控制字符来实现 这种方式实现简单 缺点是由于每个字符都要加上起始位和结束位 因而传输速率较低 由于发送双方时钟的差异使得传输速率不宜过高 因而常用于低速数据传输中 3 按传输信道数分类 数据通信按信道数分为并行通信和串行通信 并行通信有多个信道同时传输数据 并行传输指的是一个数据代码由若干位组成 在数据设备内进行近距离传输 一米或几米之内 为了获得高的数据传输速率 使每个代码的传输时延尽量少 常采用并行传输方式 即数据的每一位各占一条信号线并行传输 根据实际需要并行信道的宽度是可以改变的 如8位 16位 32位等 串行通信只有一个信道传输数据 串行传输指的是代码的若干位顺序地按位串行排列成数据流 在一条信道上传输 采用串行传输方式的数据传输速率比并行传输要低得多 但其在硬件信号的连接上节省了信道 利于远程传输 所以广泛用于远程数据传输中 通信网和计算机网络中的数据传输都是以串行方式进行的 2 3传输介质 1 双绞线双绞线 TP 电缆类似于电话线 由绝缘的彩色铜线对组成 每根铜线的直径为0 4毫米 0 8毫米 两根铜线互相缠绕在一起 双绞线对中的一根电线传输信号信息 另一根被接地并吸收干扰 双绞线通常用于传输平衡信号 也就是说 每条导线都带有电流 但它们分别携带的信号的相位相差180度 外界电磁干扰给两个电流带来的影响将相互抵销 从而使信号不至于迅速衰退 螺旋状的结构有助于抵销电流流经导线过程中有可能增大的电容 在一对电线中 每英寸的缠绕越多 对所有形式的噪声的抗噪性就越好 质量越好 价格越高的双绞线电缆在每英寸中也必将包含越多的缠绕 每米或每英尺的缠绕率也将导致更大的衰减 为最优化性能 电缆生产厂商必须在串扰和衰减减小之间取得一个平衡 由于双绞线被广泛用于许多不同的领域以及不同的目的 它形成了上百种不同的设计形式 这些设计的不同之处在于它们的缠绕率 它们所包含的电线对的数目 所使用的铜线级别 屏蔽类型 若有 以及屏蔽使用的材料 一根双绞线电缆可以包括1 4200对电线对 早期的网络电缆合并了两对电线对 一对负责发送数据 一对负责接收数据 现代网络一般使用包含2 对电线对的电缆 从而可有多根电线同时发送和接收数据 双绞线电缆是目前局域网中最通用的电缆形式 1991年 两个标准组织 TIA 电信工业协会 和EIA 电子工业协会 在TIA EIA568标准中完成了他们对双绞线的规范说明 从那以后 两个组织 一直继续在为新的以及被修改的传输介质修订国际标准 他们的标准目前覆盖的内容包括电缆介质 设计以及安装规范 TIA EIA568标准将双绞线电线分割成若干类 因此你可能听说双绞线被称为 或5类 不久又出现了6类 所有这些电缆都必须符合TIA EIA568标准 局域网经常使用3类或5类电缆 双绞线的优缺点 1 相对便宜 灵活且易于安装 2 能轻易地应用于多种不同的拓扑结构中 但更经常地是应用于星形和星形拓扑结构中 3 能应付当前所采用的更快的网络传输速度 4 双绞线电缆有一个缺点 那就是由于其灵活性 它比同轴电缆更易遭受物理损害 双绞线的分类 1 屏蔽双绞线屏蔽双绞线 STP 电缆中的缠绕电线对被一种金属如箔制成的屏蔽层所包围 而且每个线对中的电线也是相互绝缘的 一些STP使用网状金属屏蔽层 这层屏蔽层如同一根天线 将噪声转变成直流电 假设电缆被正确接地 该直流电在屏蔽层所包围的双绞线中形成一个大小相等 方向相反的直流电 假设电缆被正确接地 屏蔽层上的噪声与双绞线上的噪声反相 从而使得两者相抵消 影响STP屏蔽作用的因素包括 环境噪声的级别和类型 屏蔽层的厚度和所使用的材料 接地方法以及屏蔽的对称性和一致性 2 非屏蔽双绞线非屏蔽双绞线 UTP 电缆包括一对或多对由塑料封套包裹的绝缘电线对 正如名字所示 UTP没有用来屏蔽双绞线的额外的屏蔽层 因此 UTP比STP更便宜 抗噪性也相对较低 IEEE已将UTP电缆命名为 10BaseT 其中 10 代表最大数据传输速度为10Mbps Base 代表采用基带传输方法传输信号 T 代表UTP 1类线 CAT1 一种包括两个电线对的UTP形式 1类适用于话音通信 而不适用于数据通信 它每秒最多只能传输20千位 Kbps 的数据 2类线 CAT2 一种包括四个电线对的UTP形式 数据传输速率可以达到4Mbps 但由于大部分系统需要更高的吞吐量 2类很少用于现代网络中 3类线 CAT3 一种包括四个电线对的UTP形式 在带宽为16MHz时 数据传输速度最高可达10Mbps 3类一般用于10Mbps的Ethernet或4Mbps的TokenRing 虽然3类比5类便宜 但为了获得更高的吞吐量 网络管理员正逐渐用5类代替3类 4类线 CAT4 一种包括四个电线对的UTP形式 它能支持高达10Mbps的吞吐量 CAT4可用于16Mbps的TokenRing或10Mbps的Ethernet网络中 它可确保信号带宽高达20MHz 并且与CAT1 CAT2或CAT3相比 它能提供更多的保护以防止串扰和衰减 5类线 CAT5 用于新网安装及更新到快速Ethernet的最流行的UTP形式 CAT5包括四个电线对 支持100Mbps吞吐量和100Mbps信号速率 除100MbpsEthernet之外 CAT5电缆还支持其他的快速连网技术 例如异步传输模式 ATM 增强CAT5 CAT5电缆的更高级别的版本 它包括高质量的铜线 能提供一个高的缠绕率 并使用先进的方法以减少串扰 增强CAT5能支持高达200MHz的信号速率 是常规CAT5容量的2倍 6类线 CAT6 包括四对电线对的双绞线电缆 每对电线被箔绝缘体包裹 另一层箔绝缘体包裹在所有电线对的外面 同时一层防火塑料封套包裹在第二层箔层外面 箔绝缘体对串扰提供了较好的阻抗 从而使得CAT6能支持的吞吐量是常规CAT5吞吐量的六倍 由于CAT6是一种新技术且大部分网络技术不能利用它的最高容量 CAT6很少用于当今的网络中 STP和UTP对比 STP和UTP具有许多共同的特性 下面列出它们主要的相同和不同之处 吞吐量 STP和UTP能以10Mbps的速度传输数据 CAT5UTP以及在某些环境下的CAT3UTP的数据传输速度可达100Mbps 高质量的CAT5UTP也能以每秒1GB的速度传输数据 成本 STP和UTP的成本区别在于所使用的铜态级别 缠绕率以及增强技术 一般来说 STP比UTP更昂贵 但高级UTP也是非常昂贵的 例如 增强型CAT5每英尺比常规CAT5多花费20 新的CAT6电缆甚至比增强型CAT5还要昂贵得多 连接器 STP和UTP使用的连接器和数据插孔看上去类似于电话连接器和插孔 下图显示了一个包含四对电线电缆的RJ 45连接器的特写镜头 抗噪性 STP具有屏蔽层 因而它比UTP具有更好的抗噪性 但是 在另一方面 UTP可以使用过滤和平衡技术抵消噪声的影响 尺寸和可扩展性 STP和UTP的最大网段长度都是100米 即328英尺 它们的跨距小于同轴电缆所提供的跨距 这是因为双绞线更易受环境噪声的影响 双绞线的每个逻辑段最多仅能容纳1024个节点 整个网络的最大长度与所使用的网络传输方法有关 2 同轴电缆同轴电缆 英文简写为 Coax 在20世纪80年代 它是Ethernet网络的基础 并且多年来是一种最流行的传输介质 它由四个部分构成 第一个部分是最里层的传导物 一根铜质或铝质裸线 和双绞线一样 裸线携带着信号 一层绝缘体包围着裸线 以防金属导体碰到第三层材料 通常是一层紧密缠绕的网状导线 这种编织导线起着屏蔽层的作用 保护裸线免受电磁干扰 同时 它也能防止寻找食物的饥饿啮齿动物破坏裸线 同轴电缆的绝缘体和防护屏蔽层 使得它对噪声干扰有较高的抵抗力 在信号必须放大之前 同轴电缆能比双绞线电缆将信号传输得更远 当然 它不如光缆传输信号的距离远 另一方面 同轴电缆要比双绞线电缆昂贵得多 并且通常只支持较低的吞吐量 同轴电缆还要求网络段的两端通过一个电阻器进行终结 存在许多不同规格 在任何情况下 每一种规格都被分配一个无线管理 RG 规格号 电缆类型之间的主要差异在于中心线所使用的材料上 材料的不同将依次影响它们的阻抗 或电阻 用于控制信号 用欧姆表示 吞吐量 以及典型的用途 1 Thicknet 10Base5 Thicknet电缆 也被称之为ThickwireEthernet 它是一种用于原始Ethernet网络大约 厘米厚的硬同轴电缆 由于这种电缆常用一层黄色封套覆盖 Thicknet有时也被称为 yellowEthernet 或 yellowgardenhose IEEE将Thicknet命名为10Base5Ethernet 10 代表10Mbps的吞吐量 Base 代表是基带传输 5 代表了Thicknet电缆的最大段长度为500米 在较新的网络中几乎不能发现Thicknet 只有在较老的网络中才可能发现它 在这种网络中它一般用于将一数据机柜与另一个相连以作为网络骨干的一部分 Thicknet的特性总结如下 吞吐量 虽然有可能在传输速度为100Mbps的网络中使用Thicknet电缆 但根据IEEE802 3标准 Thicknet传输数据的最大速率是10Mbps 它使用基带传输 成本 Thicknet比光缆便宜得多 但比其他类型的同轴电缆 如Thinnet 要昂贵得多 连接器 Thicknet需要一种转接器 在线上穿孔的连接器 连接到收发器 再用一个下行电缆连接网络设备 抗噪性 由于宽的直径和较好的屏蔽物 通常使用的网络电缆Thicknet具有最高的抗噪性 尺寸和可扩展性 由于Thicknet具有高的抗噪性 因而与其他类型的电缆相比 它允许数据传输更远的距离 它的最大段长度是500米 或大约1640英尺 每段最大能够容纳100个节点 它的总最大网络长度为1500米 为最小化站点之间的干扰的可能性 网络设备应分隔2 5米 由于Thicknet的一些较重要的缺点使它很少用于现代网络中 首先 这种类型的电缆难以管理 它的坚硬性使它难于处理和安装 其次 由于高速数据传输不能运行在Thicknet上 它不允许网络改进 2 Thinnet 10Base2 Thinnet 也被称为ThinEthernet 在20世纪80年代是用于Ethernet局域网的最流行的介质 Thinnet很少用于现代网络中 但在20世纪80年代安装的网络中 或在一些较新的小型办公室或家庭办公室局域网中可能会发现Thinnet IEEE将Thinnet命名为10Base2Ethernet 其中 10 代表了它的数据传输速度为10Mbps Base 代表了它使用基带传输 2 代表了它的最大段长度为185 或粗略为200 米 由于Thinnet黑色的外罩 它也被称为 blackEthernet Thinnet电缆直径大约为0 64cm 这使得它比Thicknet更加灵活 也更易于处理和安装 Thinnet的特性列举如下 吞吐量 Thinnet传输数据的最大速度为10Mbps 它使用基带传输 费用 Thinnet比Thicknet和光缆便宜得多 但比双绞线电缆昂贵 预先组合好的电缆大约每英尺1美元 由于这个原因 Thinnet有时也被称为 cheapnet 尺寸和可扩展性 Thinnet允许每个网络段最长185米 这个长度比Thicknet所能提供的要小 这是因为Thinnet抗噪性不如Thicknet强 同样的原因 使Thinnet每段最多仅能容纳30个节点 它的最大总网络长度为550多米 为最小化干扰 Thinnet网络中的设备应至少分隔0 5米 连接器 Thinnet使用BNCT型连接器将电缆与网络设备相连 如图所示 一个具有3个开放口的BNC连接器的 T 型底部连接到Ethernet的网络接口卡上 两边连接Thinnet电缆 以便允许信号进出网络接口卡 缩略词BNC的原形 有些不明确 可能表示 BritishNavalConnector 英国海运连接器 BNC管状连接器 仅有2个开放口 用于连接两个Thinnet电缆段 同轴电缆通常采用基带模式或宽带模式传输信息 在基带模式中 电缆的带宽完全用于单一的一个数据流 如此高的带宽容量将允许电缆实现高数据速率的传输 基带技术广泛应用于局域网中 因为任何时刻局域网上都只有一个数据流 采用宽带模式时 带宽被划分为几个范围 通常每一个频率范围都携带着各自的编码信息 这样就可以在一根电缆上同时传输多个数据流 为了合并及分离信号 必须在源节点和目标节点处安装特殊的设备 有线电视就是在单一电缆上传输多个信号 每个频道一个信号 的一个例子 3 光导纤维 它的中心部分包括了一根或多根玻璃纤维 通过从激光器或发光二极管发出的光波穿过中心纤维来进行数据传输 在光纤的外面 是一层玻璃称之为包层 它如同一面镜子 将光反射回中心 反射的方式根据传输模式而不同 这种反射允许纤维的拐角处弯曲而不会降低通过光传输的信号的完整性 在包层外面 是一层塑料的网状的Kevlar 一种高级的聚合纤维 以保护内部的中心线 最后一层塑料封套覆盖在网状屏蔽物上 光纤线的三个主要部分是核心 覆层和保护层 核心部分由纯净的玻璃或塑胶材料制成 覆层包围着核心部分 它也是玻璃或塑料的 但它的光密度要比核心部分低 光缆也存在许多不同的类型 各种类型的光缆最终分成两大类 单模式和多模式 单模光缆携带单个频率的光将数据从光缆的一端传输到另一端 通过单模光缆 数据传输的速度更快 并且距离也更远 但是这种光缆开销太大 因此不被考虑用于一般的数据网络 多模光缆可以在单根或多根光缆上同时携带几种光波 这种类型的光缆通常用于数据网络 光缆的特性总结如下 吞吐量 已证明 光缆可以以每秒10GB的速度可靠地传输数据 可望在将来进一步改进后 纤维有可能超过这一限制 光缆惊人的吞吐量与光在玻璃纤维上传输的物理特性有关 与电脉冲通过铜线不同 光实际上不会遇到阻抗 因此能以比电脉冲更快的速度可靠传输 实际上 纯的玻璃纤维束每秒可接收高达1亿个激光脉冲 但是 由于成本太多 光缆目前还只是用于主干线 尽管如此 它的高吞吐量能力也使它适用于拥有大量通信业务量的情形 如电视或电话会议 成本 光缆是一种最昂贵的电缆 将光缆连接到每个台式机上的成本在目前几乎是负担不起的 因此 光缆一般仅用于长距离传输或必须负担非常大量的通信业务的网络主干中 不仅光缆本身比金属电缆昂贵得多 它的网络接口卡和集线器的价格也是设计用于UTP网络的网络接口卡和集线器的五倍多 除此之外 雇佣有技能的光缆安装人员也比雇佣双绞线电缆安装人员花费要多 连接器 光缆可以使用许多不同类型的连接器 下图显示了一种较流行的连接器 被称为SMA连接器 连接光缆是一项困难且令人难以容忍的工作 因此你应购买预先安装好连接器的光缆 抗噪性 光缆不受EMI和RFI的影响 它的强抗噪性也是光缆在需要中继器再生一个信号前能传输如此长的距离的一个原因 尺寸和可扩展性 由光缆组成的网络段能跨越1000米 整个网络的长度根据所使用的光缆类型的不同而不同 TIA EIA建议 对于多模光缆 网段长度应限制为2km 对单模光缆 网段长度为3km 光导纤维工作原理简介 首先 考虑一个光源射向某一表面的情形 这一表面代表了两种媒体的边界面 比如水和空气 设 为光波与该表面的夹角 一部分光线将在表面上以 角度反射回来 而另一部分光线将穿越边界面 进入另一种媒体 这就是折射 Refraction 然而 这部分光线与边界面的夹角将发生变化 也就是说 假如 为折射光与边界面的夹角 则 不等于 如果 就说第二种媒体的光密度大于第一种媒体 比如水的光密度大于空气 然而 如果第一种媒体的光密度更大的话 则 其中cos cos 成为折射率 折射率小于1表示光线正在进入一个光密度较小的媒体 而折射率大于1意味着光线正射入一个光密度较大的媒体 在折射率小于1时 当 小于某个特定的临界角度时 将不会发生折射 也就是说 所有的光线都将被反射 光纤的工作原理 高折射率 纤芯 低折射率 包层 光线在纤芯中传输的方式是不断地全反射 多模光纤与单模光纤 多模光纤 光纤接口ST 光纤的特点 1 传输损耗小 传输距离远 传输速率高 可达数千兆bps 对远距离传输特别经济 2 采用光信号传输 不受电磁辐射影响 抗干扰能力强 3 光信号不会向外泄露 安全 保密性好 也不易被窃听或截取数据 4 体积小 重量轻 但其价格较贵 且需要高水平的安装技术 光纤是广域网中常用的传输介质 通常也用于局域网间远距离的连接 如校园网各校区间的连接 光纤通信是今后高速网络的发展趋势 当采用光纤连网时 常常将一段段点到点的链路串接起来构成一个环路 通过T形接头连接到计算机 4 无线通信 无线主要采用微波 红外线和激光三种技术 微波通信主要有两种方式 地面微波接力通信和卫星通信 地面微波接力通信其主要特点是 微波波段频率很高 其频段范围也很宽 因此其通信信道的容量很大 因为工业干扰和天电干扰的主要频谱成分比微波频率低得多 对微波通信的危害小 因而微波传输质量较高 与相同容量和长度的电缆载波通信比较 微波接力通信建设投资少 见效快 微波接力通信缺点 相邻站之间必须直视 不能有障碍物 而地球表面是曲面 因此其传播距离受到限制 需中继 微波的传播有时也会受到恶劣气候的影响 与电缆通信系统比较 微波通信的隐蔽性和保密性较差 对大量中继站的使用和维护要耗费一定的人力和物力 卫星通信卫星通信的最大特点是通信距离远 卫星通信的另一特点就是具有较大的传播时延 蜂窝无线通信 多址接入方法 频分多址接入 FDMA 时分多址接入 TDMA 码分多址接入 CDMA 2 4信道传输速率 波特率又称调制速率 是指在数据传输过程中 每秒钟传送的波形个数 单位是波特 baud 比特率 数据传输速率 是指在数据传输过程中每秒钟传输的二进制比特数 单位是比特每秒 用b s或bps表示 其计算公式为 式中 T为一个数字脉冲信号的宽度或重复周期 单位为秒 一个数字脉冲也称为一个码元 N为一个码元所取的有效离散值个数 若一个码元仅可取0和1两种离散值 则N 2 若一个码元可取00 01 10 11四种离散值 则N 4 虽然波特率和比特率都是描述数据通信速度的指标 但它们并不相同 例如 波特率是公路上单位时间经过的卡车数 比特率是单位时间里经过的卡车所装运的货物箱数 如果一车装一箱货物 则单位时间经过的卡车数与单位时间里卡车所装运的货物数相等 此时波特率比特率相等 如果一车装多箱货物 则单位时间经过的卡车数小于单位时间里卡车所装运的货物箱数 即波特率小于比特率 误码率是指在数据传输过程中二进制比特数据传错的概率 定义为传错的比特数和传送的总比特数的比值 信道容量是指信道能传送数据的最大速率 可以用奈奎斯特定理和香农定理计算 具体原理如下 总是希望在信道上传送尽可能多的码元 但过多会发生失真 传输的极限值是多少 奈奎斯特定理早在1924年 奈奎斯特就推导出具有理想低通矩形特性的信道在无噪声的情况下最高速率与带宽关系的公式 奈奎斯特 Nyquist 推导出在理想低通信道下的最高码元传输速率的公式 理想低通信道的最高码元传输速率 2WBaud理想低通信道 就是信号的频率低某个上限的分量都能通过 高于一限的不能通过 W是理想低通信道的带宽 单位为赫 Hz Baud是波特 是码元传输速率的单位 1波特为每秒传送1个码元 对于具有理想带通矩形特性的信道 带宽为W 奈氏准则就变为 理想带通信道的最高码元传输速率 WBaud理想带通信道 就是信号的频率在f1 f2的分量都能通过 低于f1或高于f2的不能通过 即每赫带宽的带通信道的最高码元传输速率为每秒1个码元 对于二进制数据 若信道带宽B f 2000kHz 根据上式可计算得到该信道最大数据传输速率为4000Kbps 强调以下两点 1 一个实际的信道所能传输的最高码元速率 要明显地低于奈氏准则给出的这个上限数值 2 波特是码元传输的速率单位 它说明每秒传多少个码元 码元传输速率也称为调制速率 波形速率或符号速率 比特是信息量的单位 与码元的传输速率 波特 是两个完全不同的概念 香农定理香农在1948年进一步把尼奎斯特的结论扩展到有随机嘈声影响的信道 给出了著名的香农定理信道的极限信息传输速率C可表达为C Wlog2 1 S N bit s其中 W为信道的带宽 以Hz为单位 S为信道内所传信号的平均功率 N为信道内部的高斯噪声功率 香农公式表明 信道的带宽或信道中的信噪比越大 则信息的极限传输速率就越高 对于3 1kHz带宽的标准电话信道 如果信噪比S N 2500 则无论采用何种先进技术 极限速率为35kbit s 由于码元的传输速率受奈氏准则的制约 所以要提高信息的传输速率 就必须设法使每一个码元能携带更多个比特的信息量 这就需要采用多元制 又称为多进制 的调制方法 2 5数据编码 2 5 1模拟通信和数字通信1 模拟通信利用模拟信号来传递消息称为模拟通信 普通的电话 广播 电视等都属于模拟通信 模拟通信系统的模型如图所示 模拟通信系统通常由信源 调制器 信道 解调器 信宿以及噪声源组成 信源所产生的原始模拟信号一般都要经过调制再通过信道传输 距离很近的有线通信也可以不调制 如市内电话 调制器是用发送的消息对载波的某个参数进行调制的设备 解调器是实现上述过程逆变换的设备 信道是用来传输表示消息的电信号的介质或通路 它可以是双绞线 同轴电缆 光缆 微波以及卫星链路等 有时我们将传输介质两端的设备也看作是信道的一部分 模拟通信系统中的噪声源包括了影响该系统的所有噪声 如脉冲噪声 天电噪声 工业噪声等 和随机噪声 信道噪声 发送设备噪声 接收设备噪声等 在模拟通信系统中 信道上所传输的信号是模拟信号 例如对载波进行了连续的振幅调制 AM 频率调制 FM 或相位调制 PM 而得到的调幅波 调频波或调相波都是模拟信号 对脉冲进行了连续的振幅调制 相位调制或宽度调制而得到的脉冲调幅波 PAM 脉冲调相波 PPM 或脉冲调宽波 PWM 也都属于模拟信号 2 数字通信利用数字信号来传递消息称为数字通信 计算机通信 数字电话以及数字电视都属于数字通信 数字通信系统模型如上图所示 数字通信系统由信源 信源编码器 信道编码器 调制器 信道 解调器 信道译码器 信源译码器 信宿 噪声源以及发送端和接收端时钟同步组成 在数字通信系统中 如果信源发出的是模拟信号 就要经过信源编码器对模拟信号进行采样 量化及编码 将其变换为数字信号 信源编码有两个主要作用 一个是实现数 模转换 另一个是降低信号的误码率 而信源译码则是信源编码的逆过程 由于信道通常会遭受各种噪声的干扰 自然的和人为的 以及通信终端设备本身的噪声干扰 有可能导致接收端接收信号产生错误 即误码 为了能够自动地检测出错误或纠正错误 可采用检错编码或纠错编码 这就是信道编码 信道译码则是信道编码的逆变换 从信道编码器输出的数码序列还是属于基带信号 除某些近距离的数字通信可以采用基带传输外 通常为了与采用的信道相匹配 都要将基带信号经过调制变换成频带信号再传输 这就是调制器所要完成的工作 而解调则是调制的逆过程 时钟同步也是数字通信系统的一个重要的不可或缺的部分 由于数字通信系统传递的信号是数字信号 所以发送端和接收端必须有各自的发送和接收时钟系统 而为了保证接收端正确接收数字信号 接收端的接收时钟必须与发送端的发送时钟保持同步 数字通信系统的主要特点 抗干扰能力强可实现高质量的远距离通信能适应各种通信业务能实现高保密通信通信设备的集成化和微型化数字通信的最大缺点是占用的频带宽 2 5 2数字数据的调制编码 数据在模拟信道和数字信道上传输使用不同的编码技术 数字信道上直接传输0 1数据称为基带传输 数字信号调制后在模拟信道上传输称为频带传输 1 模拟数据编码方法 传统的电话通信信道是为传输语音信号设计的 只适用于传输音频范围 300Hz 3400Hz 的模拟信号 无法直接传输计算机的数字信号 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信号的传输 必须首先将数字信号转换成模拟信号 将发送端数字数据信号变换成模拟数据信号的过程称为调制 将调制设备称为调制器 modulator 将接收端模拟数据信号还原成数字数据信号的过程称为解调 将解调设备称为解调器 demodulator 同时具备调制与解调功能的设备称为调制解调器 modem 在调制过程中 选择音频范围内的某一角频率 的正 余 弦信号作为载波 该正 余 弦信号可以写为 u t um sin t 0 3个可以改变的电参量 振幅um 角频率 相位 可以通过变化3个电参量 来实现模拟数据信号编码的目的 1 移频键控 frequency shiftkeying FSK um sin 1t 0 数字1u t um sin 2t 0 数字0移频键控FSK信号实现容易 技术简单 抗干扰能力较强 是目前最常用的调制方法之一 也叫频率调制 FrequencyModulation FM 它给数字0和1分别分配一个模拟信号频率 比如 假设0对应一个较高的频率 而1对应一个较低的频率 那么比特串01001所对应的模拟信号如下 调制解调器在一个指定的时间周期内传输一个适当频率的信号 时间周期的长短不尽相同 因此信号循环的次数也各异 只使用两个频率意味着信号每变化一次 就发送一个比特位的数据 这是波特率 信号改变的频率 和比特率相等的一个特例 频率调制也可以使用更多的频率 比如说 因为两个比特位就有四个可能的组合 所以可以为这四个组合分别分配一个频率 这样 每个频率变化将传送两个比特位的数据 也就是说 比特率将是波特率的两倍 一般而言 n个比特位可以有2n个组合 每一个组合可以对应2n个频率中的一个 这样的话 比特率就是波特率的n倍 2 振幅键控 amplitudeshiftkeying ASK um sin 1t 0 数字1u t 0数字0振幅键控ASK信号实现容易 技术简单 但抗干扰能力较差 也叫调幅 AmplitudeModulation AM 类似于频移键控 区别只在于这里的每一个比特组对应于一个给定大小的模拟信号 和FSK一样 每个比特组可以包含一个或多个比特位 这将决定比特率和波特率之间的关系 为了说明问题 假设设定四个大小级别 A1 A2 A3和A4 这些大小级别和两个比特位的对应关系如下表 上图给出了比特串00110110所对应的模拟信号 在这里 比特率是波特率的两倍 两个比特位的每一个组合 从左向右 对应一个适当大小的信号 同频移键控一样 每个信号的持续周期是固定不变的 3 移相键控 phase shiftkeying PSK 绝对调相um sin t 0 数字1u t um sin t 数字0移相键控可以分为 绝对调相相对调相二相调相多相调相 也叫相位调制 PhaseModulation PM 也是和前面类似的一种技术 信号的差异在于相移 而不是频率或振幅 通常 一个信号的相移是相对于前一个信号而言的 因此 它也经常被人们称为差分相移键控 DifferentialPhaseShiftKeying DPSK 如前所述 n个比特位的每一个组合可以对应于2n个相移中的一个 从而使比特率两倍于波特率 4 正交调幅 信号模式的数目越多 意味着比特率相对于波特率的倍数越大 问题是要提高比特率就必须增加信号的个数 从而也将减小信号间的差别 因为必须拥有能够将各种频率 大小或相移相差极小的信号区分开来的设备 另外 噪声也有可能使信号发生畸变 从而导致两信号间的差别无法测量 一种普遍的解决方案是结合使用频率 振幅和相移 这样不但可以增加合法信号的数目 也能让信号之间保持较大的差异 一种常用的技术称为正交调幅 QuadratureAmplitudeModulation QAM 它为每个比特组合分配一个给定振幅和相移的信号 假设使用两种不同的振幅和4种不同的相移 把它们结合起来将允许定义8种不同的信号 下表显示了3位比特值和信号之间的对应关系 把振幅定义为A1和A2 把相移定义为0 1 4f 2 4f 和3 4f 这里的f代表频率 相移分别对应于1 4 2 4 3 4个周期 传输比特串001 010 100 011 101 000 011 110时的信号变化如图所示 为了理解信号变化的规律 让我们来仔细地观察一下 最前面的3个比特位001 对应于一个振幅为A2 相移为0的信号 该信号从0伏特开始在A2和 A2之间来回振荡 同样 其循环的次数取决于频率和信号传输的时间长度 接下来的三个比特010 对应于一个振幅为A1相移为1 4f 的信号 该信号在A1和 A1之间来回振荡 现在 如果没有相移的话 信号将从0开始逐步增大到A1 因为一个正的相移相当于曲线图上一个向左的水平移动 为了帮助理解问题 参考下图来理解 上图分别给出了一个没有相移的曲线图a和一个相移为1 4f 的曲线图b 为了理解图b中的曲线图 回想一条公式 p 1 f 这里的p代表周期 换句话说 1 4f 就相当于四分之一个周期 而图中的曲线就是图a中的曲线向左移动四分之一个周期 所以 它可以看成是从最大值开始 逐渐减小直到其最小值 然后再向其最大值攀升 实际上 可以把它的第1个四分之一周期 也就是它从0到最大值的那一部分 当作是被剪掉了 于是结果就成了上图中的第2个时段看到的那样 第3个三比特位的组合100 对应一个振幅A1 相移2 4f 的信号 在说明其效果之前 先检查一下第 个时段末的信号 它正位于其最大值A1 如果没有相移的话 信号将继续从A1开始逐渐向 A1递减 但2 4f 的相移意味着必须剪掉半个周期 由于前面的信号终止于最大值 所以这半个周期就相当于从A1到 A1的那部分信号 因此 第 个时段的信号从其最小值开始 下面对如何由一个三比特位的组合产生一个信号作一个综合的概括 由一个三比特位的组合产生的信号取决于前一个信号终止的位置 其相移是相对于前一个信号的终止位置而言的 下表给出了作为相移和前一个信号的位置的函数的当前信号 注意第1列中的最小值或最大值都是指前一个信号而言 而第2列到第5列中的最大值和最小值则是指当前的信号而言的 下面用上表来说明第四个时段 前一个信号 时段3 终止于其最小值 而且比特串011对应一个振幅A2 相移1 4f 的信号 因此 根据表中第3列的最后一行 它将从0开始向其最大值A2递增 注意一个3比特位的值所产生的信号并不总是一样的 比如 时段4和时段7都对应于011 但它们的信号却不相同 当然 它们的振幅是一致的 但相移是相对于前一个信号的终止位置而言的 因此 尽管两者的相移都是1 4f 它们开始的位置却不同 另外 还注意到不同时段上的相同信号可能对应着不同的比特值 5 格子架编码调制 Trellis CodedModulation TCM 要提高比特率 可以增加每个波特的比特数 定义更多的信号模式 然而 使用的信号模式越多 它们之间的差异就越小 一点小小的噪声就能使信号相互混淆的可能性也越大 如果真的发生这种情况的话 负责接收的调制解调器将对信号作出错误的解释 并向主机发送错误的比特数据 处理错误的传输可以采用格子架编码调制 它包含校正机制 格子架编码调制向一个比特组合中添加比特位 使得只有某些特定的比特组合才是正确的 扩展后的比特组合使用一种类似QAM的调制技术定义一个相应的信号 信号的定义原则是 如果信号由于噪声干扰而相互混淆 那么畸变的信号将对应一个非法的比特序列 这样 接收方就能知道它所收到的信号是错误的 2数字数据编码方法 基带传输在基本不改变数字数据信号频带 即波形 的情况下直接传输数字信号 可以达到很高的数据传输速率与系统效率 在基带传输数字数据信号的编码方式主要有 非归零码NRZ 曼彻斯特 manchester 编码 差分曼彻斯特 differencemanchester 编码 数字数据编码信号的波形 1 非归零码NRZ 非归零法 NonreturntoZero NRZ 可能是最简单的一种编码方案 它传送一个0时把电压升高 而传送一个1时则使用低电平 这样 通过在高低电平之间作相应的变换来传送0和1的任何序列 NRZ指的是在一个比特位的传送时间内 电压是保持不变的 比如说 不回到零点 下图描述了二进制串10100110的NRZ传输过程 NRZ码的缺点是无法判断一位的开始与结束 收发双方不能保持同步 为保证收发双方的同步 必须在发送NRZ码的同时 用另一个信道同时传送同步信号 如果信号中 1 与 0 的个数不相等时 存在直流分量 2 曼彻斯特 manchester 编码 曼彻斯特编码 ManchesterCode 用信号的变化来保持发送设备和接收设备之间的同步 也有人称之为自同步码 Self SynchronizingCode 为了避免上页图NRZ出现的情况 它用电压的变化来分辨0和1 它明确规定 从高电平到低电平的跳变代表0 而从低电平到高电平的跳变代表1 下图给出了比特串01011001的曼彻斯特编码 如图所示 信号的保持不会超过一个比特位的时间间隔 即使是0或1的序列 信号也将在每个时间间隔的中间发生跳变 这种跳变将允许接收设备的时钟与发送设备的时钟保持一致 曼彻斯特编码的一个缺点是需要双倍的带宽 也就是说 信号跳变的频率是NRZ编码的两倍 曼彻斯特编码的规则 每比特的周期T分为前T 2与后T 2两部分 通过前T 2传送该比特的反码 通过后T 2传送该比特的原码 曼彻斯特编码的优点 每个比特的中间有一次电平跳变 两次电平跳变的时间间隔可以是T 2或T 利用电平跳变可以产生收发双方的同步信号 曼彻斯特编码信号又称做 自含钟编码 信号 发送曼彻斯特编码信号时无需另发同步信号 3 差分曼彻斯特 differencemanchester 编码 差分曼彻斯特编码是对曼彻斯特编码的改进 差分曼彻斯特编码与曼彻斯特编码不同点主要是 每比特的中间跳变仅做同步之用 每比特的值根据其开始边界是否发生跳变来决定 一个比特开始处出现电平跳变表示传输二进制0 不发生跳变表示传输二进制1 2 5 3模数转换 1 脉冲幅度调制数字化模拟信号的方法之一是采用脉冲幅度调制 PulseAmplitudeModulation PAM 其处理过程相当简单 按一定的时间间隔对模拟信号进行采样 接着产生一个振幅等于采样信号的脉冲 采样结果如下 2 脉码调制由PAM产生的信号看起来似乎是数字式的 但由于脉冲的振幅和采样信号一样 所以其取值是随意的 使脉冲真正数字化的一种方法是为采样信号分配一个预先确定的振幅 这种处理方法称为脉码调制 PulseCodeModulation PCM 举例来说 假设将整个振幅范围划分成2n个振幅 并让每一个振幅对应一个n比特的二进制数 下图给出了划分成八个值时的结果 n 3 和前面一样 定期地对模拟信号进行采样 不过这一次从2n个振幅中挑出最接近采样振幅的那一个 然后用它所对应的比特序列对这个脉冲进行编码 这样比特序列就能象其他的数字化通信一样被加以传输 若采样的频率为每秒s次 则比特速率将达到n s比特每秒 上图显示了这一过程 第一个采样对应001 第二个对应010 依此类推 接收端将比特串按每n个比特一组划分开来 并重建模拟信号 重建的精确度取决于两个要素 其一是采样的频率s 采样频率小于信号频率将导致某些振荡完全丢失 如下图 因此 重建的信号可能会跟原始的信号相差很远 所以我们必须保持足够高的采样频率 以保留原始信号的所有特征 这样看来 似乎采样频率越高 效果越好 这一结论是对的 但仅限于某个范围之内