第二章 数据通信基础

第二章数据通信基础 2数据通信基础 本章内容数据通信的基本概念数据通信传输介质的分类带宽与传输速率数据交换与多路复用技术 2 1数据通信的基本概念 信息 是对事物运动状态和特征的描述数据 是载荷信息的物理符号信号 是数据的具体表现 具有确定性的物理描述 信息 数据和信号三者是紧密相关的 在计算机中 信息是用数据表示的并转换成信号进行传送 计算机网络的主要功能是通过数据传输完成的 通信的目的是交换信息 信息的载体可以是数字 文字 语音 图形或图像 计算机产生的信息一般是字母 数字 语音 图形或图像的组合 为了传送这些信息 首先要将字母 数字 语音 图形或图像用二进制代码的数据来表示 为了传输二进制代码的数据 必须将它们用模拟或数字信号编码的方式表示 数据通信是指在不同计算机之间传送表示字母 数字 符号的二进制代码0 1比特序列的模拟或数字信号的过程 模拟信号和数字信号 模拟信号 是一个连续变化的物理量 即在时间特性上幅度 信号强度 的取值是连续的 一般用连续变化的电压表示 数字信号 是指信号在时间特性上幅度的取值是有限的离散值 一般用脉冲序列表示 数字信号通过实际的信道 失真不严重 失真严重 波形再生 信道 通俗的说 信道就是传输信号的通道 通常对信道由两种理解 一种是指信号的传输介质 如双绞线 光缆等 称为狭义信道 另一种是将传输介质和信号转换设备都归集在一起 则称这种扩大范围的信道为广义信道 习惯上 又把信道称为线路 链路等 信道的频带宽度是指信号能无失真的传送的频带范围 即该频带范围的最高值减最低值 简称为带宽 狭义信道的带宽由传输介质的物理特性决定 而广义信道的带宽还要受信号转换设备的限制 数据通信模型 信息是人类所创造的各种声 像 图 文形式的知识 数据是信息在计算机中的表现形式 数据传输过程是将信息从源站传到目标站 首先需要将信息用二进制代码来表示 其次还要将二进制代码以一定的信号方式 如电压 电流 脉冲等 来表示 然后将信号由信道进行传输 到达接受方后 再根据这些信号恢复为数据代码 从而使目标站得到源站发送端的信息 2 2数据通信的分类 数据通信按照所用传输媒介和相关技术分类 数据通信按照通信者的移动性分类固定通信移动通信 传输方式 单工通信 通信线路上的数据始终按照一个固定的方向传送 半双工通信 数据信息可沿信道的两个方向传送 但同一时刻只能沿一个方向传送 全双工通信 数据信息能同时沿相反两个方向传送 设计一个数据通信系统 必须先决定数据信息是沿一个方向传输 还是来回双向传输 要是来回双向传输 还要决定发送 接受设备是否同时进行发送和接受 即是否双向同时传输 单工通信 半双工通信和全双工通信 单工 半双工与全双工通信 并行传输与串行传输 并行传输 parallel 与串行传输 serial 同步传输和异步传输P29 数据通信中 通信双方在收发数据序列时必须在时间上取得一致 才能保证接受的数据与发送的数据一致 这就是通信的同步 并行传输由于距离较短 仅用于通信设备和计算机设备内部 由增加控制线通过控制信号来实现通信同步 串行通信是目前最经济的长距离传输方式 现在有两种不同的方式来解决串行通信中的同步问题 同步传输与异步传输 同步传输 同步传输以固定的时钟节拍来发送数据信号 使接受端接受的每一位数据都要和发送端保持同步 中间没有间断时间 因此在一个串行的数据流当中 各信号码元的相对位置都是固定的 接受方为了从受到的数据流中正确的区分出一个个信号码元 首先必须建立正确的时钟信号 在近距离传输中可以增加时钟信号线 远距离时则必须在发送的数据流当中附加同步时钟信号 由接受方提取来完成位同步 同步传输 异步传输 异步传输一般以字符 或等长的信元 为单位 以面向字符发送为例 在发送每一个字符代码时 前面均加一个 起 信号 后面加一个 止 信号 一般起始位为0 结束位为1 一个个字符可以连续发送也可以独立发送 即中间可以有间隔时间 但在一个字符时间内 收发双方各数据位必须同步 起 止信号实际上起同步作用 以便能区分串行传输的字符 如下图所示 这种方式又称为起 止式同步方式 由此可见 在串行通信中的异步传输是相对的 异步传输 同步通信与异步通信 2 2数据编码 数据编码类型 1 单极性不归零 NRZ 波形信号脉冲的零电平和正电平分别对应着二进制代码0和1 其特点是发送能量大 有利于提高接收端信噪比 在信道上占用频带较窄 极性单一 有直流分量 将导致信号的失真与畸变 且由于直流分量的存在 无法使用一些交流耦合的线路和设备 脉冲之间无间隔 另外位同步信息包含在电平的转换之中 当出现连0序列时没有位同步信息 数字数据编码为数字数据 2 双极性不归零 NRZ 波形脉冲的正 负电平分别对应于二进制代码1 0 1 从统计平均角度来看 1 和 0 数目各占一半时无直流分量 但当 1 和 0 出现概率不相等时 仍有直流成份 2 接收端判决门限为0 容易设置并且稳定 因此抗干扰能力强 3 可以在电缆等无接地线上传输 它用一个周期的正负对称方波表示 0 而用其反相波形表示 1 编码规则之一是 0 码用 01 两位码表示 1 码用 10 两位码表示 例如 代码 1100101双相码 10100101100110双相码只有极性相反的两个电平 而不像前面的三种码具有三个电平 因为双相码在每个码元周期的中心点都存在电平跳变 所以富含位定时信息 又因为这种码的正 负电平各半 所以无直流分量 编码过程也简单 但带宽比原信码大1倍 曼彻斯特 Manchester 码 数字数据编码为模拟信号 数字信号可以调制成模拟信号进行传输 例如 利用电话线拨号上网时 需要用调制解调器 Modem 将计算机中的数字信号转变成模拟信号进行传输 数字信号在带通信道中传输 必须用数字信号对载波进行调制 和模拟信号传输一样 数字信号调制也有三种方法 即幅度键控 频率键控和相位键控 调制信号为二进制数字信号时 这种调制称为二进制数字调制 在二进制数字调制中 载波的幅度 频率或相位只有两种变化状态 振幅键控 AmplitudeShiftKeying 缩写为ASK 是载波的振幅随着数字基带信号而变化的数字调制 当数字基带信号为二进制时 则为二进制振幅键控 2ASK 二进制数字数据的0和1分别有载波的两个不同的幅度表示 通常高振幅的信号表示1 低振幅的信号表示0 低振幅的信号幅度可以为0 这时相应的调制公式为 移频键控 二进制数字数据用两个不同频率的载波信号来表示 用高频表1 低频表示0 移相键控 在二进制数字调制中 当正弦载波的相位随二进制数字基带信号离散变化时 则产生二进制移相键控 2PSK 信号 通常用已调信号载波的0 和180 分别表示二进制数字基带信号的1和0 模拟数据编码为数字数据 模拟信号 例如电话语音 也可以通过数字化处理变为数字信号进行传输 现在的数字化传输系统大多采用PCM P15 调制方式 对模拟信号进行采样 量化和编码三个步骤 使之变换成数字信号 数字传输具有信号形式简单 抗干扰能力强 保密性好 多媒体信息传输以及与计算机配合等优点 因此全数字化的计算机通信网络以成为本世纪发展最迅速最重要通信工具 脉冲编码调制 PulseCodeModulation 是一种对模拟信号数字化的取样技术 将模拟语音信号变换为数字信号的编码方式 特别是对于音频信号 脉冲编码调制主要经过3个过程 抽样 量化和编码 抽样过程将连续时间模拟信号变为离散时间 连续幅度的抽样信号 量化过程将抽样信号变为离散时间 离散幅度的数字信号 编码过程将量化后的信号编码成为一个二进制码组输出 所谓量化 就是把经过抽样得到的瞬时值将其幅度离散 即用一组规定的电平 把瞬时抽样值用最接近的所谓编码 就是用一组二进制码组来表示每一个有固定电平的量化值 一个模拟信号经过抽样量化后 得到已量化的脉冲幅度调制信号 它仅为有限个数值 编码 就是用一组二进制码组来表示每一个有固定电平的量化值 然而 实际上量化是在编码过程中同时脉冲编码调制工作原理完成的 故编码过程也称为模 数变换 可记作A D 2 4 4脉冲编码调制方法 PCM用于数字语音系统 声音分为128个量化级 每个量化级采用7位二进制编码表示 采样速率为8000样本 秒 数据传输速率应达到7位 8000 秒 56Kbps 如果每个量化级采用7 1 8位二进制编码表示 数据传输速率应达到8位 8000 秒 64Kbps 模拟数据编码为模拟信号 模拟数据编码为模拟信号的目的 为了实现传输的有效性 将模拟信号放大 通过调制可以使用频分复用技术 模拟数据编码为模拟信号的方法 调幅 调频 调相 四个彼此相关的概念 带宽 指在发送器和传输媒体的特性限制下的频带带宽 用赫兹 Hz 表示 数据通信速率 传输速率 传输率是指数据在信道中传输的速度 数据通信速率分为两种 码元速率和信息速率 波特率RB 信号码元速率 每秒中传送的码元数 用波特 Baud 表示 又称为波特率 比特率Rb 数据传输速率 每秒中传送的信息量 用b s bps 表示 又称为比特率 对于一个用二进制表示的信号 两级电平 每个码元包含1个比特信息 其信息速率与码元速率相等 对于一个用四进制表示的信号 四级电平 每个码元包含了2个比特信息 因此 它的信息速率应该是码元速率的2倍 误码率 即差错发生率 数据通信的技术指标 码元速率RB 每秒中传送的码元数 单位为波特 秒 Baud s 又称为波特率 信息速率Rb 每秒中传送的信息量 单位为比特 秒 bit s 又称为比特率 对于一个用二进制表示的信号 两级电平 每个码元包含1个比特信息 其信息速率与码元速率相等 对于一个用四进制表示的信号 四级电平 每个码元包含了2个比特信息 因此 它的信息速率应该是码元速率的2倍 码元速率和信息速率 一般来说 对于采用M进制电平传输信号时 信息速率和码元速率之间的关系是 Rb RBlog2M 误码率和误比特率 误码率和误比特率是衡量数据传输系统正常工作状态下传输可靠性的重要参数 误码率是指二进制码元在数据传输系统中被传错的概率 误比特率是指在传输中出错比特的概率 在实际的数据传输系统中 电话线路在300 2400bps传输速率时 平均误码率在10 2 10 6之间 在4800 9600bps传输速率时平均误码率在10 2 10 4之间 而计算机通信的平均误码率要求低于10 9 信道带宽与信道容量 信道带宽是指信道中传输的信号在不失真的情况下所占用的频率范围 通常称为信道的通频带 单位用赫兹 Hz 表示 信道带宽是由信道的物理特性所决定的 例如 电话线路的频率范围在300 3400Hz 则它的带宽300 3400Hz 信道容量是衡量一个信道传输数字信号的重要参数 信道容量是指单位时间内信道上所能传输的最大比特数 用每秒比特数 bps 表示 当传输的信号速率超过信道的最大信号速率时 就会产生失真 应当引起我们注意的是 任何实际应用中的传输信道都是有限带宽的 这是由传输媒介的物理特性决定的 或是由发送器所限定的 对于数据传输而言 我们希望在给定的带宽条件下尽可能的提高数据率 同时又将误码率限定在某个范围内 信道容量 信道是以传输介质为基础的信号传输的通路 它实质上是指定的一段频带 允许信号通过 同时又给信号以限制和损害 信道容量是指信道的最高传输速率 它是表征信道传输数字信号能力的指标 任何实际信道都不是理想的 也就是说 信道带宽总是有限的 所能通过的信号频带也是有限的 信道的数据传输速率受信道带宽的限制 下面我们就讨论其中的关系 奈奎斯特定理 早在1924年 贝尔实验室的研究员亨利 奈奎斯特 HarryNyquist 就推导出了有限带宽无噪声信道的极限波特率 称为奈奎斯特定理 若信道带宽为W 则奈奎斯特定理指出最大码元速率为 奈奎斯特定理指定的信道容量也叫做奈奎斯特极限 这是由信道的物理特性决定的 超过奈奎斯特极限传送脉冲信号是不可能的 所以要进一步提高波特率必须改善信道带宽 奈奎斯特定理 码元携带的信息量由码元取的离散值个数决定 若码元取两个离散值 电平级数 2 则一个码元携带1比特信息 若码元取4种离散值 电平级数 4 则一个码元携带2比特信息 一个码元携带的信息量N 比特 与码元的电平级数V有如下关系 在一定的波特率下提高传输速率的途径是用一个信号码元表示更多的比特数 如果把多个比特编码为一个码元 则数据传输速率可以成倍提高 我们有公式 Nyquist公式 用于理想低通信道 C 2Blog2V B 带宽V 信号电平级数 2BBaud 我们可以看到 比特率和波特率是两个不同的概念 仅当码元取2级电平时两者才相等 V最大数据率 C 26000bps412000bps818000bps1624000bps 普通电话线路 带宽为3000Hz 最高波特率为6000Baud 而最高数据速率则可随编码方式的不同而取不同的值 这些都是在无噪声的理想情况下的极限值 实际信道会受到各种噪声的干扰 因而远远达不到按奈奎斯特定理计算出的数据传输速率 Shannel公式 高斯噪声干扰信道 香农在二十世纪四十年代初奠定了通信的数字理论基础 他的 信道容量定理 指出 可以找到这样一种技术 当数据传输速率小于或等于某个最大传输速率 信道容量 时 通过它可以以任意小的错误概率传送信息 相反 如果大于这个上限 则不论采用什么编码技术 错误概率都将无法忍受 香农给出了有噪声信道的最大传输速率与带宽的关系 因为实际信道不可能没有噪声 所以香农定理比奈奎斯特定理更进了一步 香农公式 在数据传输中 信号强度和噪声强度对传输影响很大 香农 Shannon 推导了噪声信道下数据最大传输速率与带宽之间的关系 这个公式称为香农定理 其中 W为信道带宽 S为信号的平均功率 N为噪声的平均功率 S N为信噪比 由于在实际使用中S和N的比值太大 故常取其分贝数 dB 分贝数与信噪比的关系为 示例 例如 当S N 1000时 信噪比为30dB 这个公式与信号取的离散值的个数无关 也就是说无论用什么方法调制 或编码 只要给定了信噪比 则单位时间内最大的信息传输量就决定了 例如 信道带宽为3000Hz 信噪比为30dB 则最大数据传输速率为 2 4传输介质 要在网络站点之间传输比特 就必须先找到一个在站点之间传送信号的方法 也就是说必需建立有效的物理连接 传输介质提供了这种最基本的连接 计算机网络中采用的传输介质有有线和无线两大类 双绞线 同轴电缆和光纤是常见的三种有线传输介质 我们将讨论这几种建立物理连接的方法 同时还将介绍使用微波和卫星传送的无线通信技术 双绞线 双绞线是由螺旋状缠绕在一起的成对绝缘导线组成的 每对导线按照一定密度相互对绞 一根导线在传输信号时的电磁辐射会被另一根导线上的电磁辐射抵消 从而减少相互间的电磁干扰 由于双绞线的价格便宜 并且安装 维护方便 所以无论对于模拟信号还是数字信号 也无论对于广域网还是局域网 双绞线都是常用的一种网络传输介质 绞合技术 双绞线是由粗约1mm的相互绝缘的一对铜导线绞合组成的 对称均匀的绞扭可以减少线对之间的电磁干扰 绝缘材料使两根线中的金属导体不会因为互碰而导致电路短路 双绞线可以用每单位长度导线上螺旋的数目来作为这种电缆的一个衡量标准 螺旋的数目越多 就越有助于降低电容和减少串扰 串扰指相邻导线对之间的相互电磁干扰 双绞线的分类 双绞线通常被捆扎起来 并裹上保护层 按照保护层的区别 双绞线分为屏蔽双绞线和非屏蔽双绞线 非屏蔽双绞线UTP 非屏蔽双绞线 UnshieldedTwistedPair UTP 通常由不同颜色的 橙 绿 蓝 棕 4对双绞线组成 使用RJ 45连接器 屏蔽双绞线STP 屏蔽双绞线 ShieldedTwistedPair STP 电缆外层由铝箔包裹 价格相对较高 并且需要支持屏蔽功能的特殊连接器和适当的安装技术 但是性能要高于相应的非屏蔽双绞线UTP 综合布线使用的双绞线 由于双绞线价格便宜 安装容易 适用于结构化综合布线 所以得到了广泛的使用 电子工业协会EIA定义了双绞线电缆各种不同的型号 同轴电缆 同轴电缆是另一种常用的金属导体传输介质 同轴电缆的结构由四个部分组成 同轴电缆的类型 同轴电缆的用途 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 每个频道一路信号 的一个例子 基带同轴电缆 粗缆以太网 10Base5 应用于最初的以太网 采用直径约1cm的硬同轴电缆 使用刺入式收发器和AUI电缆组成总线拓扑结构细缆以太网 10Base2 细缆是在20世纪80年代用于以太网的最流行的传输介质 BNC接头 连接在T型连接器的两端 在局域网中常用的基带同轴电缆的特性阻抗为50 有两类 RG 8或RG 11的粗缆和RG 58细缆 应用于最初的以太网物理层 BNC连接器 光缆 光缆是由能传送光波的超细光导纤维制成的 光纤通常由非常透明的石英玻璃拉成细丝 由纤芯和包层构成双层同心圆柱体 光纤信道 光纤信道中的光源可以是发光二极管LED LightEmittingDiode 或注入式激光二极管ILD InjectionLaserDiode 这两种器件都可以在有电流通过时发出光脉冲 光脉冲通过光导纤维传播到达接受端 接受端有一个光检测器 光电二极管 它遇光时产生电信号 这样就形成了一个单向的光传输系统 如果我们采用适当的方法 如使用一对光纤或建立环型结构 就可以达到信息点相互通信的目的 多模光纤和单模光纤 在光纤中 只要射到光纤表面的光线的入射角大于某一个临界角度 就可以产生全反射 因此 许多条不同角度入射的光线可以在一条光纤中传输 不同的传播模式有不同的电磁场分布和不同的传播路径 这样的光纤被称为多模光纤 光波在光纤中以什么模数传播 这与光纤核心层和包层的折射率 芯线的直径以及工作波长有关 如果核心层芯线的直径小到光波波长大小 则光纤就成为波导 光在其中无反射地沿着芯线传播 这种光纤被称为单模光纤 多模光纤和单模光纤 多模光纤和单模光纤 按照核心层 包层直径的差别列举的一些常见规格 8 3 125 m单模62 5 125 m多模 局域网推荐 50 125 m多模100 140 m多模 光纤的结构 如图所示 光纤由纤芯 包层 一次涂敷层和套层组成 光纤的结构 纤芯 位于光纤中心 直径为5 75 m 作用是传输光波 包层 位于纤芯外层 直径为100 150 m 作用是将光波限制在纤芯中 一次涂敷层 是为了保护裸光纤 即纤芯和包层 而在其表面涂上的聚氨基甲酸乙脂或硅酮树脂层 厚度为30 150 m 套层 又称二次涂覆或被覆层 多采用聚乙烯塑料或聚丙烯塑料 尼龙等材料 经过二次涂敷的裸光纤即构成光纤芯线 光纤的材料 按照组成材料的区别 光纤可以划分石英系列光纤 以SiO2为主要材料 多组分光纤 材料由多组成分组成 液芯光纤 纤芯呈液态 和塑料光纤 以塑料为材料 在目前 通信上应用最多的为石英光纤 光纤的分类 光纤通常按照应用来进行分类 主要有两种分类方法 按照传输模数分类和按照光纤纤芯折射率分布分类 我们已经知道 按照传输原理 光纤被分为单模光纤 SingleModefiber 和多模光纤 MultiModefiber 按照纤芯折射率分布划分 光纤被分为阶跃型光纤 SIF 渐变型光纤 GIF 和W型光纤 光纤纤芯折射率分布的分类 光缆的结构 由于目前通用的光纤是石英光纤 其质地脆 易断裂 不便于施工敷设 不适应各种场合的使用 为了使其具备一定的机械强度 在实际的通信线路中 将光纤制成各种结构形式的光缆 以适应各种环境的使用和保证传输性能可靠 稳定 光缆一般由缆芯 加强元件和护层三部分组成 光缆的结构 缆芯 由单根或多根光纤芯线组成 加强元件 通常用金属丝或非金属纤维组成 分布在光缆的中心或四周 用于增强光缆敷设时可承受的负荷 护层 一般可分为内护层和外包层 内护层由聚乙烯或聚氯乙烯等组成 外包层可根据敷设安装条件而定 通常要求用由铝带和聚乙稀组成的外护套加钢丝或钢带铠装 外护套 护层具有阻燃 防潮 耐压 耐腐蚀等特性 主要是对已成缆的光纤芯线进行保护 中心束管式多芯光缆的剖面结构示意 芯 封套 实际使用的光缆分类 光缆的传输性能是由光缆中光纤的质量来决定的 而光缆的物理性能和环境性能则是由护套层来决定的 光纤的物理特性 光纤的损耗特性和色散特性是光纤的主要特性 决定了光纤的最大传输距离和最大传输带宽 光纤的损耗特性光纤本身的损耗 吸收损耗和散射损耗光纤与光源耦合损耗光纤之间的连接损耗光纤的色散特性模式色散材料色散波导色散 多模光纤 单模光纤850nm 1300nm 1550nm发光二极管LED 注入式激光二极管ILD 光纤的使用 光纤的单向性要进行双向通信需要用双股光纤光纤的连接熔接不能拉得过紧 也不能形成直角 光纤通信的优点 首先光纤可提供更高的带宽 多模光纤的带宽可达7GHz 单模光纤的带宽可达200GHz 一对单模光纤在理论上可以提供几亿路电话的容量 远远高于铜质线缆 光纤具有很高的数据传输速率 极宽的频带 低误码率和低延迟 其次 光传输不受电磁干扰 光纤埋在铁路路基上 甚至与高压线同杆并行架设也不会受到干扰 光传输不可能被偷听 因此它的安全性和保密性好 最后 光纤重量轻 体积小 耐腐蚀 铺设容易 埋入地下或海底可以长时间不被腐蚀 常见光纤接头 FC PC型光尾纤接头外形图 SC PC型光尾纤接头外形图 ST PC型光尾纤接头外形图 FC PC SC PC型光尾纤外形图 网络连接介质 无线信道 无线传输介质一般不是人为架设的介质 而是自然界所存在的介质 这种介质就是广义的无线介质 在这些无线介质中完成通信称为无线通信 有许多无线介质可以替换电缆 无线电波 红外线信号以及微波等 因此 在使用电缆非常困难或者说根本不可能时 无线通信可以出色地代替电缆 但是使用无线通信时有一个非常重要的限制 同一介质的其他信号 太阳黑子的运动 电离层变化和其他大气干扰都会对通信信号形成干扰 从而会产生许多问题 无线电技术 自然界的声 热 光 电 磁都可以在空间传播 至今人类所认识的红外线 可见光 紫外线 x射线和 射线 本质上都是电磁波 只是其频率和波长不同而已 这就是电磁波谱 人类可见光的频率在4 1014Hz到7 1014Hz之间 其电磁波谱只占很小的一段频域 较低频域为红外线 更高的频域为紫外线 X射线 射线 无线电波段划分 部分 无线电 微波技术 微波通信系统可分为地面微波中继系统和卫星微波系统 两者之间的功能相似 但通信能力有很大区别 地面微波系统 地面微波系统由视距范围内的两个相互对准方向的抛物面天线组成 由于微波在空间是直线传输 而地球表面是个曲面 因此地面传输的距离受到限制 一般 在50km左右 若采用100m的天线塔 则距离可增加到100km 地面微波中继 为实现远距离通信 必须在一条无线通信信道的两个终端之间建立若干个中继站 中继站把前一站送来的信号经过放大后再传送到下一站 这种传递不断持续下去就可以实现视线被地表切断的两个站点间的传输 地面站之间的直视线路 微波传送塔 卫星通信 卫星通信是利用卫星上的微波天线接收地面发送站发送的信号 经过放大后再转发给地面接收站 通信卫星可看作是悬在太空中的微波中继站 地球同步卫星 与地面站相对固定位置使用3个卫星覆盖全球 红外线技术和激光技术 红外线传输用于短距离通信 如电视 录象机等的遥控也可用于无线LAN缺点 不能穿透固体 激光传输应用 在屋顶用激光连接两个建筑物的LAN缺点 不能穿透雨和浓雾 易受天气影响 移动通信手段 无线通信系统 微波通信系统 频率在100MHz 10GHz的信号叫做微波信号 它们对应的信号波长为3m 3cm 蜂窝移动通信系统 多址接入方法主要是有 频分多址接入FDMA 时分多址接入TDMA与码分多址接入CDMA 卫星移动通信系统 商用通信卫星一般是被发射在赤道上方35900km的同步轨道上 常用无线技术 IEEE802 11系列标准微波 IrDA红外线接口蓝牙 Bluetooth IEEE802 15 HomeRFIEEE802 11与DECT的结合DECT DigitalEnhanceCordlessTelephone 主要传输介质的比较 主要传输介质的比较 通信介质的选择 保证最好的价格速率比 参考标准 费用距离传输速率 带宽 信号干扰施工布线安全 建筑规则 消防规则 2 6多路复用技术 利用一个信道同时传输多个信号 称为信道多路复用 多路复用包括信号复合 传输及分离三个过程 如下图所示 目前多路复用技术主要有两种形式 频分多路复用 FDM 和时分多路复用 TDM 复用技术 FDM 频分复用 TDM 时分复用 WDM 波分复用 频分复用 用户在分配到一定的频带后 在通信过程中自始至终都占用这个频带 频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源 请注意 这里的 带宽 是频率带宽而不是数据的发送速率 频分复用 2002年 计算机网络 97 同步时分复用STDM STDM采用固定时间片分配方式 将传输信号的时间按特定长度连续地划分成特定时间段 一个周期 再将每一时间段划分成等长度的多个时隙 每个时隙以固定的方式分配给各路数字信号 各路数字信号在每一时间段都顺序分配到一个时隙 由于在同步时分复用方式中 时隙预先分配且固定不变 无论时隙拥有者是否传输数据都占有一定时隙 形成了时隙浪费 其时隙的利用率很低 计算机网络 98 异步时分复用 异步时分复用技术又被称为统计时分复用 它能动态地按需分配时隙 避免每个时间段中出现空闲时隙 ATDM就是只有当某一路用户有数据要发送时才把时隙分配给它 当用户暂停发送数据时 则不给它分配时隙 电路的空闲时隙可用于其他用户的数据传输 在所有的数据帧中 除最后一个帧外 其他所有帧均不会出现空闲的时隙 从而提高了资源的利用率 也提高了传输速率 波分复用 FDM的变形 波分复用就是光的频分复用 为了使若干独立信号能在一条公共光通路上传输 而将其分别配置在分立的波长上的复用 波分复用 WND 是将两种或多种不同波长的光载波信号 携带各种信息 在发送端经复用器 亦称合波器 Multiplexer 汇合在一起 并耦合到光线路的同一根光纤中进行传输的技术 在接收端 经解复用器 亦称分波器或称去复用器 Demultiplexer 将各种波长的光载波分离 然后由光接收机作进一步处理以恢复原信号 这种在同一根光纤中同时传输两个或众多不同波长光信号的技术 称为波分复用 波分复用 FDM和TDM的比较 在频分多路复用系统中 多路信号在时间域中是混杂的 但各信号在频率域里占据不同的频率段 保持了其频域特性 在时分多路复用系统中 多路信号在频率域中是混杂的 但各信号的采样值在时间域中占据不同的时隙 保持了其时域的波形特性 由于一个信号的特性完全由其时域特性和频域特性所决定 因此在接受端总可以在相应的领域里应用恰当的技术将多路信号分离 从传输信号的性质上说 FDM适用于模拟信号的传输 TDM更适用于数字信号的传输 光波分复用的技术特点与优势 1 充分利用光纤的低损耗波段 增加光纤的传输容量 使一根光纤传送信息的物理限度增加一倍至数倍 目前我们只是利用了光纤低损耗谱 1310nm 1550nm 极少一部分 波分复用可以充分利用单模光纤的巨大带宽约25THz 传输带宽充足 2 具有在同一根光纤中 传送2个或数个非同步信号的能力 有利于数字信号和模拟信号的兼容 与数据速率和调制方式无关 在线路中间可以灵活取出或加入信道 3 对已建光纤系统 尤其早期铺设的芯数不多的光缆 只要原系统有功率余量 可进一步增容 实现多个单向信号或双向信号的传送而不用对原系统作大改动 具有较强的灵活性 4 由于大量减少了光纤的使用量 大大降低了建设成本 由于光纤数量少 当出现故障时 恢复起来也迅速方便 5 有源光设备的共享性 对多个信号的传送或新业务的增加降低了成本 6 系统中有源设备得到大幅减少 这样就提高了系统的可靠性 目前 由于多路载波的光波分复用对光发射机 光接收机等设备要求较高 技术实施有一定难度 同时多纤芯光缆的应用对于传统广播电视传输业务未出现特别紧缺的局面 因而WDM的实际应用还不多 但是 随着有线电视综合业务的开展 对网络带宽需求的日益增长 各类选择性服务的实施 网络升级改造经济费用的考虑等等 WDM的特点和优势在CATV传输系统中逐渐显现出来 表现出广阔的应用前景 甚至将影响CATV网络的发展格局 一般的WDM复用设备具备至少两种或两种信号以上 可分为两波 四波 八波 十六波等 以两波为列下设带光 电模块的switch音频信号可设PCM设备和转换接口设备 一般提供两路被份 多址技术 频分多址 FDMA 时分多址 TDMA 码分多址 CDMA 空分多址 SDMA 多址技术分为频分多址 FDMA 时分多址 TDMA 码分多址 CDMA 空分多址 SDMA 频分多址是以不同的频率信道实现通信 时分多址是以不同的时隙实现通信 码分多址是以不同的代码序列来实现通信的 空分多址是以不同的方位信息实现多址通信的 频分多址 FDMA FDD TDD信道配置图 频分多址是把通讯系统的总频段划分成若干个等间隔的频道 或称信道 分配给不同的用户使用 这些频道互不交叠 其宽度应能传输一路数字语言信息 而相邻的频道之间无明显的串扰 这种通信系统的基站必须同时发射和接收不同频率的信号 任何两个移动用户之间进行通信 都必须经过基站进行中转 因而必须同时占有四个频道才能实现双工通信 不过手机在通信时所占的频道并不是固定指配的 它通常是通信建立阶段由系统控制中心临时分配的 通信结束后 移动台将退出它占有的频道 这些频道可以重新分配给别的用户使用 时分多址 TDMA信道配置图 时分多址 timedivisionmultipleaccess 把时间分割成互不重叠的时段 帧 再将帧分割成互不重叠的时隙 信道 与用户具有一一对应关系 依据时隙区分来自不同地址的用户信号 从而完成的多址连接 时分多址简称TDMA 码分多址 直扩码分多址 DS FHMA 跳频码分多址 FH CDMA 混合码分多址 Hybrid CDMA CDMA是码分多址的英文缩写 CodeDivisionMultipleAccess 它是在数字技术的分支 扩频通信技术上发展起来的一种崭新而成熟的无线通信技术 CDMA技术的原理是基于扩频技术 即将需传送的具有一定信号带宽信息数据 用一个带宽远大于信号带宽的高速伪随机码进行调制 使原数据信号的带宽被扩展 再经载波调制并发送出去 接收端使用完全相同的伪随机码 与接收的带宽信号作相关处理 把宽带信号换成原信息数据的窄带信号即解扩 以实现信息通信 直扩码分多址 DS CDMA信道配置图 跳频码分多址 实现方法 在发送端用PN码控制频率合成器 发射频率随PN序列在一定带宽跳变 在接收端实现本振的同步跳频 然后还原成某个固定中频 进行解调 处理增益 G W B 多址通信时没有远近效应 具有良好的抗干扰特点 空分多址 空分多址方法之一 蜂窝划分空分多址方法之二 扇区划分 2002年 计算机网络 112 数据交换技术 电路交换 电路交换 CircuitSwitching 也称为线路交换 是一种直接的交换方式 为一对需要进行通信的节点之间提供一条临时的专用通道 即提供一条专用的传输通道 既可以是物理通道又可以是逻辑通道 使用时分或频分复用技术 这条通道是由节点内部电路对节点间传输路径经过适当选择 连接而完成的 是一条由多个节点和多条节点间传输路径组成的链路 电路交换报文交换分组交换 2002年 计算机网络 113 电路交换通信的三个阶段 电路建立通过源节点请求完成交换网中相应节点的连接过程 这个过程建立起一条由源节点到目的节点传输通道 数据传输电路建立完成后 就可以在这条临时的专用电路上传输数据 通常为全双工传输 电路拆除在完成数据传输后 源节点发出释放请求信息 请求终止通信 若目的节点接受释放请求 则发回释放应答信息 在电路拆除阶段 各节点相应地拆除该电路的对应连接 释放由该电路占用的节点和信道资源 2002年 计算机网络 114 2002年 计算机网络 115 电路交换的特点 呼叫建立时间长且存在呼损 电路交换的信道利用率低 对通信双方而言 必须做到双方的收发速度 编码方法 信息格式和传输控制等一致才能完成通信 适用于实时大批量连续的数据传输 2002年 计算机网络 116 数据交换技术 存储转发交换 存储转发交换 StoreandForwardSwitching 报文存储转发交换报文分组存储转发交换数据报虚电路 2002年 计算机网络 117 报文存储转发交换 对于数字数据通信 广泛使用的是报文交换技术 在报文交换中 每一个报文由传输的数据和报头组成 报头中有源地址和目标地址 节点根据报头中的目标地址为报文进行路径选择 并且对收发的报文进行相应的处理 对较为连续的数据流 如话音 电路交换是一种易于使用的技术 对于数字数据通信 广泛使用的是报文交换技术 在报文交换网中 网络节点通常为一台专用计算机 备有足够的外存 以便在报文进入时 进行缓冲存储 节点接收一个报文之后 报文暂时存放在节点的存储设备之中 等输出电路空闲时 再根据报文中所指的目的地址转发到下一个合适的节点 如此往复 直到报文到达目标数据终端 在报文交换中 每一个报文由传输的数据和报头组成 报头中有源地址和目标地址 节点根据报头中的目标地址为报文进行路径选择 并且对收发的报文进行相应的处理 例如 差错检查和纠错 调节输入 输出速度进行数据速率转换 进行流量控制 甚至可以进行编码方式的转换等 所以报文交换是在两个节点间的链路上逐段传输的 不需要在两个主机间建立多个节点组成的电路通道 2002年 计算机网络 118 报文交换的特点 源节点和目标节点在通信时不需要建立一条专用的通路 与电路交换相比 报文交换没有建立电路和拆除电路所需的等待和时延 电路利用率高 节点间可根据电路情况选择不同的速度传输 能高效地传输数据 要求节点具备足够的报文数据存放能力 一般节点由微机或小型机担当 数据传输的可靠性高 每个节点在存储转发中 都进行差错控制 即检错和纠错 由于采用了对完整报文的存储 转发 节点存储 转发的时延较大 不适用于交互式通信 2002年 计算机网络 119 分组交换 分组交换属于 存储 转发 交换 它不像报文交换以报文为单位进行交换 传输 而是以更短的 标准的 报文分组 Packet 为单位进行交换传输 假如A站有一份比较长的报文要发送给C站 则它首先将报文按规定长度划分成若干分组 每个分组附加上地址及纠错等其他信息 然后将这些分组顺序发送到交换网的节点C 分组交换又分为数据报交换和虚电路交换 2002年 计算机网络 120 数据报分组交换 交换网把进网的任一分组都当作单独的 小报文 来处理 而不管它属于哪个报文的分组 就像报文交换中把一份报文进行单独处理一样 这种分组交换方式简称为数据报传输方式 作为基本传输单位的 小报文 被称为数据报 datagram 2002年 计算机网络 121 数据报分组交换的特点 同一报文的不同分组可以由不同的传输路径通过通信子网 同一报文的不同分组到达目的节点时可能出现乱序 重复或丢失现象 每一个报文在传输过程中都必须带有源节点地址和目的节点地址 使用数据报方式时 数据报文传输延迟较大 适用于突发性通信 不适用于长报文 会话式通信 2002年 计算机网络 122 虚电路分组交换 虚电路就是两个用户的终端设备在开始互相发送和接收数据之前需要通过通信网络建立逻辑上的连接 所有分组都必须沿着事先建立的虚电路传输 用户不需要发送和接收数据时清除连接 虚电路方式具有分组交换与线路交换两种方式的优点 在计算机网络中得到广泛的应用 2002年 计算机网络 123 虚电路的特点 虚电路在每次报文分组发送之前 必须在源节点与目的节点之间建立一条逻辑连接 也包括虚电路建立 数据传输和虚电路拆除三个阶段 类似于电路交换 但与电路交换相比 虚电路并不意味着通信节点间存在像电路交换方式那样的专用电路 而是选定了特定路径进行传输 报文分组所途经的所有节点都对这些分组进行存储 转发 而电路交换无此功能 报文分组不必带目的地址 源地址等辅助信息 只需要携带虚电路标识号 因为一次通信的所有报文分组都从这条逻辑连接的虚电路上通过 因此报文分组到达目的节点不会出现丢失 重复与乱序的现象 报文分组通过每个虚电路上的节点时 节点只需要做差错检测 而不需要做路径选择 通信子网中每个节点可以和任何节点建立多条虚电路连接 由于虚电路方式具有分组交换与线路交换两种方式的优点 因此在计算机网络中得到了广泛的应用 2002年 计算机网络 124 差错控制技术 根据数据通信系统的模型 当数据从信源发出 经过通信信道传输 由于信道总存在着一定的噪声 数据到达信宿端后 接收的信号实际上是数据信号和噪声信号的叠加 接收端在取样时钟作用下接收数据 并根据阈值电平判断信号电平 如果噪声对信号的影响非常大时 就会造成数据的传输错误 2002年 计算机网络 125 数据通信中的实际情况 2002年 计算机网络 126 通信信道中的噪声 通信信道中的噪声分为热噪声和冲击噪声 热噪声是由传输媒体的电子热运动产生的 其特点是时刻存在 幅度小 干扰强度与频率无关 但频谱很宽 属于随机噪声 由热噪声引起的差错属于一种随机差错 冲击噪声是由外界电磁干扰引起的 与热噪声相比 冲击噪声的幅度较大