第2章数据通信技术.ppt

1,第2章数据通信技术,2,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比特序列的过程。,第二章数据通信技术,2.1数据通信基础,2.1.1数据通信的基本概念,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、符号的组合。,3,表2-1ASCII码表(部分),4,例如，英文单词NETWORK（大写）的ASCII码编码的二进制比特序列（不考虑校验位）应该是：1001110100010110101001010111100111110100l01001011,在表2-1中，二进制编码按高位到低位（b6b5b4b3b2b1b0）的顺序排列，而b7位一般用于字符的校验。,5,数据通信的任务就是要传输二进制代码比特序列，而不需要解释代码所表示的内容。,对于数据通信来说，被传输的二进制代码称为“数据（data）”；,数据是信息的载体。数据涉及对事物的表示形式，信息涉及对数据所表示内容的解释。,6,电话线上传送的按照声音的强弱幅度连续变化的电信号称为模拟信号（analogsignal），信号电平是连续变化的，其波形如图2-1（a）所示。,在数据通信中，将被传输的二进制代码的0、1称为码元。,信号是数据在传输过程中的电信号的表示形式。,信号分为模拟信号和数字信号两种。,7,计算机所产生的电信号是用两种不同的电平表示0、1比特序列的电压脉冲信号，这种电信号称为数字信号（digitalsignal）。数字信号的波形如图2-1（b）所示。,8,图2-1模拟信号与数字信号,9,在通信系统中，利用电信号把数据从一个点传到另一个点。模拟信号是一种连续变化的电磁波，这种电磁波可以按照不同频率在各种,模拟数据在某个区间产生连续的值。例如，声音和视频就是强度连续改变的图形。大多数用传感器收集的数据，例如温度和压力，都是连续值。数字数据产生离散的值，例如文本信息和整数。,10,介质上传输；数字信号是一系列的电压脉冲，用恒定的正电压来表示二进制1，用恒定的负电压来表示二进制0。,11,为什么要进行数字化？（1）抗干扰、抗噪声性能好；（2）差错可控；（3）易加密。,按照在传输介质上传输的信号类型，可以相应地将通信系统分为：模拟通信系统数字通信系统,12,数据在计算机中是以离散的二进制数字信号表示的，但在数据通信过程中，它是以数字信号方式表示，还是以模拟信号方式表示，主要取决于选用的通信信道所允许传输的信号类型。如果通信信道不允许直接传输计算机所产生的数字信号，那么就需要在发送端将数字信号变换成模拟信号，在接收端再将模拟信号还原成数字信号。,2.2.2模拟通信与数字通信,13,1、调制解调,若通信信道不允许直接传输计算机所产生的数字信号，则需要：,调制在发送端将数字信号变换成模拟信号,解调在接收端将模拟信号还原成数字信号,用来完成调制解调功能的设备叫做调制解调器（modem）。,14,2、波形变换,若通信信道允许直接传输计算机所产生的数字信号，为了很好地解决收发双方的同步与具体实现中的技术问题，也需要将数字信号进行波形变换。,15,2.2.3数字通信方式,1、串行通信与并行通信,计算机中，通常是用8位的二进制代码来表示一个字符。数据通信按照字节使用的信道数，可以分为两种：,（1）串行通信将待传送的每个字符的二进制代码按由低位到高位的顺序依次发送的方式称为串行通信（如图2-2（a）所示）。,16,图2-2（a）串行通信,（2）并行通信利用多条并行的通信线路，将表示一个字符的8位二进制代码同时通过8条对应的通信信道发送出去，每次发送一个字符代码（如图2-2（b）所示）。,17,图2-2（b）并行通信,18,2、单工、半双工与全双工通信,数据通信按照信号传送方向与时间的关系，可以分为三种：,（1）单工通信信号只能向一个方向传输，任何时候都不能改变信号的传送方向。如图2-3（a）所示。,图2-3（a）单工通信,19,（2）半双工通信在半双工通信方式中，信号可以双向传送，但必须是交替进行，一个时间只能向一个方向传送。如图2-3（b）所示。,图2-3（b）半双工通信,20,（3）全双工通信信号可以同时双向传送。如图2-3（c）所示。实际上，在这种方式下实现的同时双向数据传输是以在硬件上增加一条数据传输线路为代价的，而不是通过开关的切换来实现的。,图2-3（c）全双工通信,21,由于串行传输是以位为单位在一条信道上按时间顺序逐位传输的，这就意味着发送端按位发送，接收端按时间顺序逐位接收，并且还要对所传输的数据加以区分和确认。所以，通信双方要采取同步措施，尤其对远距离的串行通信这更为重要。,3、同步传输与异步传输,22,实现字符或数据块之间在起止时间上同步的常用方法有同步传输和异步传输两种。,（1）同步传输,通信过程中收、发双方必须在时间上保持同步，一方面码元之间要保持同步，另一方面由码元组成的字符或数据块之间在起止时间上也要保持同步。,23,同步传输与异步传输的引入是为了解决串行数据传输中通信双方的码组或字符的同步问题。,位同步（bitsynchronous）接收端根据发送端发送数据的起止时间和时钟频率来校正自己的时间基准与时钟频率。,24,实现位同步的方法有：,外同步法在发送端发送一路数据信号的同时，另外发送一路同步时钟信号。接收端根据接收到的同步时钟信号来校正时间基准与时钟频率，实现收发双方的位同步。,内同步法从自含时钟编码的发送数据中提取同步时钟的方法。,25,字符同步（charactersynchronous）,保证收发双方正确传输字符的过程就叫做字符同步。,标准的ASCII字符是由8bit二进制0、1组成，发送端以8bit为一个字符单元来发送，接收端也以8bit的字符单元来接收。,26,字符同步方法的种类：,起止式（start-stop）又称异步式（asynchronous）。采用异步方式进行数据传输就叫做异步传输（asynchronoustransmission）。,特点是：每个字符作为一个独立的整体进行发送，字符之间的时间间隔可以是任意的。,27,同步式(synchronous)采用同步方式进行数据传输就叫做同步传输(synchronoustransmission),将字符组织成组，以组为单位连续传送。,图2-4同步传输的原理,28,（2）异步传输在异步传输方式中，字符是数据传输单位。当采用这种方式传输数据时，字符既可以一个一个地连续发送，也可以随机地进行单独发送，因此接收端无法通过计时方式对字符传输的起始时刻加以预测。可是在这种传输方式下一个字符的传输一旦开始，那么组成这个字符的各个数据位将被连续发送，并且每个数据位所持续的时间是相等的。接收端可以根据这个特点,29,与数据发送端保持同步，以便正确恢复数据。也就是说，在异步传输过程中发送端和接收端在数据位这个级别上仍是保持同步的，而在字符这个级别收发双方则不必进行同步。,在实现异步串行通信的过程中，当没有字符被发送时，传输线路保持空闲状态，其信号电平与二进制1对应的电平相同。而在发送字符时，为了通知接收端新字符的到来，在字符的前面将附加一个起始位。这个起始位的长度为1位，其信号,30,电平与二进制0对应的电平相同。接收端通过检测信号电平发生的跳转来判断新字符的到达，从而与发送端取得同步。同样，为了通知接收端目前一个字符已传输结束，在字符代码的最后将附加一个停止位。这个停止位的长度可以是1、1.5或2位，其信号电平与二进制1对应的电平相同。图2-5描述了异步通信的数据格式，其中停止位的长度是2位。值得一提的是，字符代码的长度取决于所采用的编码方案。例如，,31,ASCII编码中每个字符的代码长度是7位，EBCDIC编码中每个字符的代码长度8位。有时为了提高数据传输的可靠性，也可以在字符代码和停止位间设置一个校验位。,32,图2-5异步串行通信的数据格式,在异步传输中，接收端通过检测起始位和停止k位来接收新近到达的字符，这就使得收发双方每传输一个字符就重新校正一次同步关系。,33,这种方式不易造成时钟误差的积累，对时钟精度要求不高，且不需要传输专门的时钟控制信息，实现简单。但由于异步方式每传输一个字符就要添加起始位和停止位，并且字符与字符之间夹有不定长度的时间间隙，所以其数据传输效率较低，常在低速数据传输系统中使用。,34,异步传输和同步传输的区别：,1、异步传输是面向字符的传输，而同步传输是面向比特的传输。,2、异步传输的单位是字符而同步传输的单位是帧。,3、异步传输通过字符起止的开始和停止码抓住再同步的机会，而同步传输则是从数据中抽取同步信息。,35,4、异步传输对时序的要求较低，同步传输往往通过特定的时钟线路协调时序。,5、异步传输相对于同步传输效率较低。,36,2.3传输介质及主要特性,2.3.1传输介质的主要类型,传输介质是网络中连接收发双方的物理通路，也是通信中实际传送信息的载体。从传输介质的角度来看，数据通信主要有两种方式：有线通信方式和无线通信方式。网络中常用的传输介质有：,37,1、有线通信方式的传输介质双绞线同轴电缆光纤电缆,2、无线通信方式的传输介质无线通信信道卫星通信信道,38,2.3.2双绞线的主要特性,无论模拟信号还是数字信号，是广域网还是局域网，双绞线都是最常用的传输介质。,1、物理特性,双绞线由按规则螺旋结构排列的两根、四根或八根绝缘导线组成。一对线可以作为一条通信线路，各个线对螺旋排列的目的是为了使各线对之间的电磁干扰最小。,39,局域网中所使用的双绞线分为两类：,屏蔽双绞线（STP，ShieldedTwistedPair）非屏蔽双绞线（UTP，UnshieldedTwistedPair）,屏蔽双绞线由外部保护层、屏蔽层与多对双绞线组成。非屏蔽双绞线由外部保护层与多对双绞线组成。,40,图2-6双绞线结构示意图,2、传输特性美国电器工业协会（EIA）规定了五种质量级别的双绞线，其中1类线的档次最低。5类线的档次最高。,41,计算机网络综合布线一般使用3、4、5类线。各类电缆以其具有的性能完成不同的工作。1类线在电话系统中使用的基本双绞线。这个级别的电缆只适于进行语音传输。2类线一种质量级别更高的双绞线。这种电缆适于语音传输以及进行最大速率为4Mbps的数字数据传输。,42,3类线目前在大多数电话系统中使用的标准电缆。这种电缆每英尺至少需要绞合三次，其传输频率为16MHz，数据传输率可达10Mbps，主要用于10BASE-T。4类线这种电缆每英尺也至少需要绞合三次，其传输频率为20MHz，数据传输率可达16Mbps，主要用于10BASE-T、100BASE-T和基于令牌的局域网。,43,5类线这种电缆增加了绞合密度，每英寸至少需要绞合三次。其传输频率为100MHz，数据传输率可达100Mbps，主要用于100BASE-T和10BASE-T网络。选择双绞线电缆所需遵循的准则是：采用能够安全有效完成任务所需的电缆。,44,3、连通性双绞线既可用于点到点连接，也可用于多点连接。4、地理范围双绞线用做远程中继线时，最大距离可达15公里；用于10Mbps局域网时，与集线器的距离最大为100米。,45,5、抗干扰性双绞线的抗干扰性取决于一束线中相邻线对的扭曲长度及适当的屏蔽。6、价格双绞线的价格低于其它传输介质，并且安装、维护方便。,46,同轴电缆的结构如图2-7所示，它由内导体、绝缘层、外导体及外部保护层组成。内导体由一层绝缘体包裹，位于外导体的中轴上，它或是单股实心线或是绞合线（通常是铜制的）。外导体也由绝缘层包裹，或是金属包层或是金,2.3.3同轴电缆的主要特性,1、物理特性,47,属网。同轴电缆的最外层是能够起保护作用的塑料外皮，即外部保护层。同轴电缆外导体的结构使其不仅能够充当导体的一部分，而且还能起到屏蔽作用。这种屏蔽一方面能防。上外部环境造成的干扰，另一方面能阻止内层导体的辐射能量干扰其它导线。,48,图2-7同轴电缆结构示意图,2、传输特性同轴电缆既可传输模拟信号又可传输数字信号。在长途传输模拟信号过程中，大约每,49,隔几公里就需要使用放大器，频率越高放大器的间距就越小。传输数字信号时大约每公里就需要使用转发器，数据传输速率越高转发器的间距就越小。与双绞线相比，同轴电缆抗干扰能力强，能够应用于频率更高、数据传输速率更快的情况。对其性能造成影响的主要因素,50,来自衰损和热噪声，采用频分复用技术时还会受到交调噪声的影响。虽然目前同轴电缆大量被光纤取代，但它仍广泛应用于有线电视和某些局域网中。根据同轴电缆的带宽不同、它可以分为两类：基带同轴电缆宽带同轴电缆,51,基带同轴电缆一般仅用于数字信号的传输。宽带同轴电缆可以使用频分多路复用方法，将一条宽带同轴电缆的频带划分成多条通信信道，使用各种调制方式，支持多路传输。宽带同轴电缆也可以只用于一条通信信道的高速数字通信，此时称之为单信道宽带。,52,目前得到广泛应用的同轴电缆主要分为50电缆和75电缆这两类。50电缆用于基带数字信号传输，即基带同轴电缆。电缆中只有一个信道，数据信号采用曼彻斯特编码方式，数据传输速率可达10Mbps。这种电缆主要用于局域网（以太网）。75电缆是CATV系统使用的标准，它既可用于传输宽带模拟信号，也可用于传输数字信号。,53,基带同轴电缆使用的最大距离限制在几公里范围内，而宽带同轴电缆最大距离可达几十公里左右。,3、连通性,同轴电缆既支持点到点连接，也支持多点连接。基带同轴电缆可支持数百台设备的连接，而宽带同轴电缆可支持数千台设备的连接。,4、覆盖范围,54,同轴电缆的造价介于双绞线与光缆之间，使用与维护方便。,5、抗干扰能力,同轴电缆的结构使得它的抗干扰能力较强。,6、价格,55,光纤是一种传输光信号的传输媒介。位于光纤最内层的纤芯是一种横截面积很小，直径约为50100m，质地脆，易断裂的光导纤维，制造这种纤维的材料可以是玻璃也可以是塑料。但是无论采用何种材料，对其纯净度、大小和截面形状的要求都很严格，因为这将直接影响,2.3.4光纤电缆的主要特性,1、物理特性,56,着信号传输的质量。纤芯的外层裹有一个包层，它由折射率比纤芯小的材料制成。正是由于在纤芯与包层之间存在着折射率的差异，光信号才得以通过全反射在纤芯中不断向前传播。在光纤的最外层则是起保护作用的外套，即外部保护层，它能使内层纤芯和包层免受外部温度以及弯曲、拉伸等操作带来的不良影响。通常,57,情况下，多根光纤被扎成束并裹以保护层制成多芯光缆。光缆的结构如图2-8所示。,图2-8光缆的结构,58,光纤通过内部的全反射来传输一束经过编码的光信号。光波通过光纤内部全反射进行光传输的过程如图2-9所示。由于光纤的折射系数高于外部包层的折射系数，固此可以形成光波在光纤与包层的界面上的全反射。典型的光纤传输系统的结构如图2-10所示。,2、传输特性,59,图2-9光纤内部光的全反射传输过程,图2-10光缆传输系统结构示意图,60,在光纤发送端，主要采用两种光源：发光二极管LED（Light-EmittingDiode）注入型激光二极管ILD（InjectionLaserDiode）在接收端将光信号转换成电信号时，要使用光电二极管PIN检波器或APD检波器。光载波调,61,制方法采用振幅键控ASK调制方法，即亮度调制（intensitymodulation）。因此，光纤传输速率可以达到几千Mbps。多模光纤：指光纤的光信号与光纤轴成多个可分辨角度的多光线传输。采用多模传输方式时，多束光线从光源出发，在纤芯中以不同的光路进行传播。由于纤芯折射率,62,分布情况不同，在多模突变光纤和多模渐变光纤中光线的传播过程存有差异。在多模突变光纤中，纤芯的折射率和包层的折射率分别是一个恒定常数，而且前者的折时率大于后者的折射率。沿轴向进入纤芯的光线将沿直线传播，直至到达终点，而以其它角度进入纤芯的光线最初也将沿着直线传播，但,63,当其到达纤芯与包层的边界时，折射率突然降低将使光线的传播路径发生改变。若光线到达交界处时其入射角小于全反射角，光线将发生折射进入包层而损失掉。若此刻入射角比全反射角大，光线将发生全反射，这将使其仍能在纤芯中传值得一提的是，在那部分发生全反射的光线中，入射角较小的光线要经历更多的全,64,反射和更长的旅途才能达到目的地。这使得以不同角度同时发送的光线在不同的时刻到达终点，造成还原信号扭曲，从而在一定程度上限制了数据传输速率。如图2-11所示。,图2-11多模突变光纤数据传输示意图,65,在多模渐变光线中，纤芯的折射率由中心向外按一定规律逐渐减小，直至与包层交界处减为最小。这种光纤纤芯的结构使得只有沿轴向射入纤芯中心的光线才能沿直线传播，而以其它角度进入纤芯的光线在折射率不断变化的纤芯中只能以曲线路径进行传播。如图2-12所示。由于在这种光纤中以曲线路径传播的光线每经过一段距离就会相交，所以只要接收装置,66,的位置安排得当，就可以还原出质量较好的数据信号。,图2-12多模渐变光纤数据传输示意图,67,单模光纤：指光纤的光信号仅与光纤轴成单个可分辨角度的单光线传输，实际上是一种采用突变型纤芯的光纤，它需要有高度集中的光源，以便将光线限定在接近轴向的范围内。这种光纤的纤芯半径已经降低到波长的数量级，其中只存在一条轴向光线才能通过的传播路径。这种传输方式几乎可以使光线同时到达终点，,68,传输时延可以被忽略，重组后的信号不易出现扭曲。如图2-13所示。,图2-13单模光纤数据传输示意图,69,上述三种光线相比较，单模光纤的带宽最宽，多模渐变光纤次之，多模突变光纤的带宽窄，单模光纤适于大容量远距离通信，多模突变光纤适于中等距离的通信，而多模突变光纤只适于小容量的短距离通信；在制造工艺方面，单模光纤的难度最大。,70,光纤信号衰减极小，它可以在68公里的距离内，在不使用中继器的情况下，实现高速率的数据传输。,3、连通性,光纤最普遍的连接方法是点到点方式，在某些实验系统中，也可以采用多点连接方式。,4、覆盖范围,71,光纤不受外界电磁干扰与噪声的影响，能在长距离、高速率的传输中保持低误码率。双绞线典型的误码率在10-510-6之间，基带同轴电缆的误码率低于10-7，宽带同轴电缆的误码率低于10-9，而光纤的误码率可以低于10-10，因此，光纤传输的安全性与保密性极好。,5、抗干扰能力,72,目前，光纤价格仍高于同轴电缆与双绞线。当然光纤也存在着一些缺点。建立以光缆为传输媒介的通信系统需要支出交稿的费用，而且这种系统的安装与维护工作也不易进行。此外，由于光纤纤芯的横截面面积,6、价格,73,很小，质地脆易断裂，机械性能差，所以光纤不能拉得太紧，也不能使其形成直角。由于光纤具有低损耗、宽频带、高数据传输速率、低误码率与安全保密性好的特点，因此是一种最有前途的传输介质。,74,当电子运动时，它们产生可以自由传播（甚至在真空中）的电磁波。这种波由英国科学家麦克斯韦尔（JamesClarkMaxwell）于1865年预言，并且于1887年由德国物理学家赫兹（HeinrichHertz）首次发现。,2.3.5无线与卫星通信,1、电磁波谱,75,（2）另一种是在有限制的空间区域内传播，即通过有线方式传播。用同轴电缆、双绞线、光纤传输电磁波的方式属有线方式传播。在同轴电缆中，电磁波传播的速度大约等于光速的2/3。,电磁波的传播有两种方式：,（1）一种是在自由空间中传播，即通过无线方式传播；,76,图2-14电磁波谱与通信类型的关系,77,从电磁波谱中可以看出，按照频率由低向高排列，不同频率的电磁波可以分为无线（Radio）、微波（Microwave）、红外（Infrared）、可见光（Visiblelight）、紫外线（UV，Utraviolet）、X射线（X-rays）与射线（-rays）。目前，用于通信的主要有无线、微波、红外与可见光。在上图的底部，国际电信联盟ITU根,78,据不同的频率（或波长），将不同的波段进行了划分与命名。无线电的频率与带宽的对应关系如下表所示。,表2-2频段划分与频率范围对照表,79,不同的传输介质可以传输不同频率的信号。例如，普通双绞线可以传输低频与中频信号，同轴电缆可以传输低频到特高频信号，光纤可以传输可见光信号。由双绞线、同轴电缆与光纤作为传输介质的通信系统，一般用于固定物体之间的通信。移动物体与固定物体、移动物体与移动物体之间的通信，都属于移动通信，例如人、汽车、,80,轮船、飞机等移动物体之间的通信。移动物体之间的通信只能依靠无线通信手段，主要有以下几种：无线通信系统微波通信系统蜂窝移动通信系统卫星移动通信系统,81,无线电波很容易产生，可以传播很远，很容易穿过建筑物，因此被广泛用于通信。,实际应用的移动通信系统主要包括：蜂窝移动通信系统、无线电话系统、无线寻呼系统、无线本地环路与卫星移动通信系统。,2、无线电通信,82,无线电波同时可全方向传播，即它能从源向任意方向传播，因此发射和接收装置不必在物理上很准确地对准。无线电波的特性与频率有关。在较低频率上，无线电波能轻易地通过障碍物，但是能量随着与信号源距离的增大而急剧减小，大致为1r3。,83,在高频上，无线电波趋于直线传播并受障碍物的阻挡，它们还会被雨水吸收。在所有的频率上，无线电波易受发动机和其它电子设备的干扰。在VLF，LF，MF波段，无线电波沿着地面传播，如图2-15（a）所示。在较低频率上可在1000km以外检测到它，较高频率上距离上要近一些。调幅广播使用MF波段。在这些,84,波段里的无线电波能容易地穿过建筑物，这就是为什么便携式电台能在室内工作。用这些波段来进行数据通信的主要问题是它们相对较低的带宽。在HF和VHF波段，地表电波被地球吸收。但是，到达电离层（离地球100km500km高度的带电粒子层）的电波被它反射并送回地球，如图2-15（b）所示。在某些天气情况下，信号可能反射多次。,85,图2-15无线电波传输示意,地面微波通信是一种在对流层视距范围内，利用微波波段的电磁波进行信息传输的通信方式。,3、微波通信,86,以这种方式进行长途通信时，需要在终端站之间建立中继站，如图2-16所示。中继站的功能是进行变频、放大和功率补偿，其数量的多少则与传输距离和地形地貌有关。由于微波通信一次只能朝一个方向传播信号，因而若以这种方式实现像电话交谈这样双向通信，就需要采用两个频率分别用于不同方向的信息传输。每,87,种频率的信号需要有各自的接收装置和发送装置，一般这两种装置已被集成在一起，以便使用一个天线就能完成接收和发送一个频率的信号的工作。微波天线一般被安装在地势较高的位置上。天线的位置越高，发送出去的信号就越不易为,88,图2-16地球表面的微波通信,高大建筑物和山丘所阻挡，并使信号在被地球表面挡住之前传播出更远的距离。,89,蜂窝电话是一种已得到广泛应用的移动通信。为实现这种通信方式，每个蜂窝服务区将被划分为很多小区域，这些小区域称为蜂窝单元。单元的大小并非是固定的，其划分以满足流量需求为目的，人口密度较高的区域应被分成数量较多但面积较小的蜂窝单元。无论面积大小，每个蜂窝,4、蜂窝通信,90,单元都有一个由基站控制的天线，这些基站是由移动电话交换局控制的。移动电话局的工作就是协调各个基站与中央电话站之间的通信，如图2-17所示。在蜂窝电话系统中，呼叫方在移动电话上输入电话号码并确认后，移动电话开始扫描波段，找到信号最强的信道并与之建立连接，此后它将,91,电话号码信息传至该信道对应的基站。电话号码再经由移动电话交换局传至中央电话站。若被呼叫方同意接收呼叫，中央电话站为其建立连接，并将结果反馈给移动电话交换局。此后呼叫双方将在移动电话交换局新分配的空闲信道上开始语音通信。,92,图2-17蜂窝移动通信,93,若固定电话向移动电话发出呼叫，那么中央电话站将移动电话的号码传至移动电话交换局，然后由后者向每个蜂窝单元发送查询信号。如果在某个单元中找到被呼叫的移动电话，移动电话交换局将向其发送信号问讯是否应答。当移动电话用户允许本次呼叫时，移动电话交换局将为双方分配一个信道，以便双方能开始通话。,94,为了避免由于移动通信设备离开其所在的初始蜂窝单元而造成信号减弱，移动电话交换局将每隔几秒种便对信号的强度进行检查，一旦发现信号减弱，就为本次呼叫重新分配一个信道。当然用户一般感觉不到信道的变化。这种传统的蜂窝电话系统是模拟信号传输系统，它以模拟电路交换蜂窝技术为基础。它,95,拥有两个波段：824MHz849MHz869MHz894MHz它们分别用于移动电话发起的通信和固定电话发起的通信。尽管每个波段可以支持833个载波，但对于全双工通信而言，一个波段中实际可用信道为416个。此外，为防止信号相互干扰，相邻蜂窝单元分配到的信道是不同的。但这种蜂,96,窝电话系统的缺点是每次通话需要长时间占用信道，从而降低了信道利用率。近年来，蜂窝数字分组数据技术的应用不断增多。它利用空闲话音信道发送分组的数字数据，传输速率可达19.2Kbps，适合于传送简短的、突发性的数据。其优势表现在价格较便宜，速率较高，覆盖面广，采用开放式的TCPIP协议。,97,卫星微波通信是在地面微波技术的基础上发展起来的。近些年来这种通信发展迅速，已被广泛应用于电视广播、长途电话传输等领域。如图2-18所示，通信卫星实际上相当于一个中继站，两个或多个地球站通过它实现相互间的通信。一个通信卫星可以在多个频段上工作，这些,5、卫星微波通信,98,频段称为转发器信道。卫星从一个频段接收信号，信号经放大和再生之后再从另一个频段发送出去。其中，用于地球站向卫星传输信号的转发器信道称为上行通道，用于卫星向地球站传输信号的转发器信道称为下行通道。,99,图2-18卫星微波通信,100,卫星传输的最佳频段在110GHz之间。因为频率低于1GHz时易受到自然界噪声以及人为噪声的影响，而频率高于10GHz时雨雪天气易使其产生衰损。表2-4列出了卫星提供点-点服务时使用的频带范围。在这三种频段中，C频段是目前使用较多的一种，它位于110GHz的最佳频率范围内。由于该频段面临趋于饱和的局面，ku频段和ka频段相继出现。在这两种频段中都将遇到信号衰损的问题。,101,表2-3卫星频带范围,102,为了保证在通信卫星的协助下地球站之间能够进行持续通信，卫星应与地球站保持相对静止，为此卫星的飞行周期应该与地球的自转周期一致。若卫星的运行轨道位于赤道平面上，且距地面约35786公里，那么这颗卫星与地面相对静止，具有这种特点的卫星称为同步卫星。一颗同步卫星的可视范围无法覆盖整个地球，当同步轨道上至少有三颗等距分布的卫星时才能实现全球通信。图2-22描述了三颗同步卫星的位置，其视角是北极上方。,103,图2-19三颗同步卫星的位置,104,目前在卫星微波通信中最显著的传输特点就是传输时延长。由于卫星在距地面3万多公里的轨道上运行，所以信号从一个地球站出发经由通信卫星到达另一个地球站时，它的传播距离已达78万公里。这使得信号的单程传输就耗时238ms278ms，在电话通信这样的时延已相当明显。可见传输时延是卫星通,105,信中遇到的一个很突出的问题。此外，卫星通信的传输损耗比较大，这与信号的传输距离和频率相关。此外天气情况对卫星通信也能产主影响。与其它通信方式相比，卫星通信具有很多优势：（1）卫星通信覆盖区域大，传输距离远。这种通信方式利用了地球同步卫星而同步卫星最大可视范围可达地球表面的42.4%。同步轨道,106,上有三颗等距卫星时可实现全球通信。（2）卫星通信以广播方式进行工作，可以实现多向多地址的通信。（3）卫星通信采用的是微波频段，有很宽的频带可供使用，且通信容量大。（4）卫星通信机动灵活，建立地球站不受,107,地理条件的影响，即使在经济不发达的地区也无须大额投资即可获得高质量的通信服务。（5）这种通信的信号主要是在自由空间中传输，不易受到噪声影响，而且转发次数少，通信质量好，可靠性高。卫星通信不免也存在着一些缺点，如远距离信息传输导致的时延过大，发射功率要求高等等。,108,在计算机中，数据是以离散的二进制0、1比特序列方式表示的。计算机数据在传输过程中的数据编码类型，主要取决于它所采用的通信信道所支持的数据通信类型。根据数据通信类型，网络中常用的通信信道分类两类：,2.4数据编码方式,2.4.1数据编码的类型,109,模拟通信信道数字通信信道相应的数据编码方式也分为两类：模拟数据编码数字编码网络中常用的数据编码方式可以归纳为：,110,数据编码方法,模拟数据编码,数字数据编码,振幅键控ASK,移频键控FSK,移相键控PSK,非归零码NRZ,曼彻斯特编码,差分曼彻斯特编码,111,模拟信号发送的基础就是一种称之为载波信号的连续的频率恒定的信号。通过调制以下三种载波特性之一来对数字数据进行编码：振幅，频率，相位，或者这些特性的某种组合。图2-20给出了对数字数据的模拟信号进行调制的三种基本形式：,2.4.2模拟数据编码方法,112,幅移键控法（ASK，Amplitude-ShiftKeying）频移键控法（FSK，Frequency-ShiftKeying）相移键控法（PSK，Phase-ShiftKeying）在幅移键控法（ASK）方式下，用载波频率的两个不同的振幅来表示两个二进制值。,113,在有些情况下，一个振幅为零；即用振幅恒定载波的存在来表示一个二进制数字，而另一个二进制数字用载波的不存在表示。ASK方式容易受增益变化的影响，因此，是一种效率相当低的调制技术。在音频线路上，通常只能达到1200bps。,114,在频移键控法（FSK）方式下，用载波频率附近的两个不同频率来表示两个二进制值。这种方案比起ASK方式来，不容易受干扰的影响。在音频线路上，通常可达1200bps。这种方式一般也用于高频（330兆）的无线电传输，它甚至也能用于较高频率使用同轴电缆的局部网络。,115,图2-20数字数据的模拟信号调制,116,图2-21表示在音频线路上使用频移键控法（FSK）进行全双工操作的例子。全双工指的是，可以同时在两个方向传输数据。为了实现这个目的，一个带宽用于发送，而另一个带宽用于接收。在一个方向（发送或接收）上，调制解调器可以通过300Hz1700Hz频率范围内的信号。用来表示1和0的两个频率以1170Hz为中心，两边各有100Hz的移位。与此类似，对,117,于另一个方向（接收或发送）来说，调制解调器可以通过频率为1700Hz3000Hz的信号，并且使用2125Hz为中心频率。在每对频率周围的影阴区指出了每个信号的实际带宽。值得注意的是，几乎不存在什么重叠，因此也几乎没有什么干扰。,118,图2-21频移键控法FSK传输,119,在相移键控法（PSK）方式下，利用载波信号的相位移动来表示数据。图2-20（c）是一个两相系统的例子。在这个系统中，0表示为发送与以前所发送信号串同相的信号。1表示为发送与以前发送信号串反相的信号串。相移键控法（PSK）也可以使用多于两相的位移。四相系统能把每个信号串编码为两位。,120,PSK技术有较强的抗干扰能力，而且比FSK方式更有效；在音频线路上，传输速率可达9600bps。以上讨论的各种技术也可以组合起来使用。常见的组合是相移键控法（PSK）和幅移键控法（ASK），组合后在两个振幅上均可以分别出现部分相移或整体相移。,121,在数据通信中有很多种使用直流信号表示二进制中0和1的方式，其中直流信号表示二进制中0和1的信号形式被称为码型。每种码型都有其各自的特点，在选择码型的过程中需根据实际情况，从差错检测能力、信号自同步能力、抗干扰能力、实现费用等因素出发进行综合考虑。,2.4.3数字数据编码方法,122,二电平码是最简单、最基本的一种码型，它采用两种不同的电平来分别表示二进制中的0和1。例如，用恒定的正电平表示1，用无电压的状态表示0。而更为常见的方法则是用一个正电平表示1，用一个负电平表示0，这种码型被称为非归零电平码（NRZ-L）。,1、二电平码,123,图2-22描述了非归零反相码对数据流110001011010进行编码的情形。与第一种情况不同，在采用NRZ-L的情况下，若线路上的电压为0，则说明当前线路上没有信号正在传输。,图2-22非归零电平码,124,这种码型的思想简单，便于实现。但是它具有直流分量，不适于使用变压器和交流耦合的情况。此外，它还难于确定一个比特的开始和停止时刻，特别是在传输连续的比特1或连续的比特0的情况下。为此收发双方需要从其它途径获取同步信息，以便实现同步控制。,125,差分码是一种以电平跳转状况来表示数据信息的码型。以差分码传输数据时，在一个比特持续的时间内信号电平不会出现跳变，而且这段时间内电平的值与数据信息不相关。而与数据信息相关的电平跳转只发生在比特传输的开始时刻。非归零反相码（NRZI）就是一种差分码。采用这种码型时，如果传输一个比特,2、差分码,126,的起始时刻电平发生了跳转那么这个比特就代表二进制的0。图2-23描述了非归零反相码对数据流110001011010进行编码的情况。,图2-23非归零反相码,127,由于差分码不是用信号电平的绝对状态表示数据信息，所以在接收信号时只需检测信号电平是否发生跳变，不必将其与阈值进行比较，从而在有噪声影响的情况下这种码型更为可靠。而且在传输过程中某些环节引起的基带信号反向也不会影响最终的接收结果。但是差分码也有其不足之处，它仍缺乏完善的同步机制，以非归零反相码为例，虽然在传输连续的比特1时，每个比特开始时,128,刻都将发生电平的转换，此时信号自身具备了同步信息，但是对于传输连续比特0的情况它却无能为力。,129,双极码是一种采用二个电平表示二进制数的码型。目前在数据通信中得到广泛应用的双极码是信号交替反转码（AMI）、8零替换码（B8ZS）和高密度双极性3零码（HDS3）。其中8零替换码和高密度双极性3零码均是信号交替反转码的变种，此二者与AMI码的实现基本相同，只是在遇到长0串时与AMI码略有差别。它们分别以各自的方式对长0串进行替换，以便使收发,3、双极码,130,双方更有效地实现步调一致。（1）双极性信号交替反转码信号交替反转码用无电压的状态表示二进制0，用交替的正、负电平表示二进制1。图2-24描述了用信号交替反转码对数据110001011010进行编码的情况。,131,图2-24双极性信号交替反转码,132,信号交替反转码用交替变换的正、负电平表示比特1的方法攸其所含的直流分量为零。而且在传输比特1时，无论其前导数据是比特0还是比特l都将引起信号电平的变化，这在一定程度上为收发双方取得同步提供了方便。特别是在传输连续的比特1时，信号电平将连续出现反转，但对于较长的比特0序列它还是无法提供同步信息。,133,（2）双极性8零替换码8零替换码是北美地区使用的一种AMI变形码，它在一定程度上解决了为长0串提供同步信息的问题。B8ZS通过对连续8个比特0进行替换来实现上述功能，具体的替换方法如图2-25所示。两种模式的选择取决于待转换序列的前导比特1所采用的极性。但无论选择哪种模式，替换后的序列中均会出现两次相邻非零电平同极的现象。接收端正是地过检测这个特征来确定,134,被替换序列的位置，以便把它还原成连续的8个比特0。,图2-258零替换码的替换方式,135,例1：采用B8ZS码对数据10100000000010进行编码，假设序列中第一个比特1的极性为正。解：如图2-26所示。,图2-26双极性8零替换码,136,（3）高密度双极性3零码高密度双极性3零码是日本和欧洲地区用于处理长0串的一种AMI变形码。采用这种码型时，如果遇到由连续的4个比特0组成的序列，则根据位于上一次已转换序列和本次待转换序列之间比特1的数量来决定待转换序列的转换模式。高密度双极性3零码的具体实现方法为：,137,如果上一次已转换的特殊序列与本次待转换的序列0000之间有奇数个比特1，则使用特殊序列000D来替代比特序列0000，否则使用特殊序列100D进行替代。其中处于特殊序列最后一位的D被接收方称为破坏点。替换时特殊序列中的0仍用无电平状态表示；特殊序列100D中的1仍用上电平或负电平表示，其极性与前面最近的比特1极性相反；特殊,138,序列中的D相当于比特1，也用正电平或负电平表示，但其极性与前面最近的比特1极性相同。接收端通过比较相邻最近的两个比特1的极性来确定需还原序列的位置。若两个相邻最近的比特1极性相同，则可确定两者中的后一个比特1正是破坏点。此后接收端便可进行下一步恢复序列的工作。,139,例2：试写出将数据100000000010000编制成HDB3码的过程，假设位于这段数据序列首部的比特1极性为正，且其前继数据是4个连续的比特0。解：如图2-27所示。,图2-27高密度双极性3零码,140,（1）曼彻斯特码曼彻斯特码是一种将出现在比特中点位置的电平跳变既作为数据信息又作为同步信息的裂相码。它以在比特中点位置上出现的从负电,4、裂相码,裂相码是一种在比特中点位置上电平跳转为相反极的码型。目前最常用的两种裂相码是：曼彻斯特码和差分曼彻斯特码。,141,平到正电平的跳变表示二进制的1，将此刻出现从正电平到负电平的跳变表示二进制的0。图2-28描述了用曼彻斯特码对数据110001011010进行编码的情况。,图2-28曼彻斯特码,142,（2）差分曼彻斯特码差分曼彻斯特码是一种融入了差分码特点的裂相码。这种码型以比特中点位置的电平跳转作为同步信息，以比特开始时刻是否出现电平跳变的情况作为数据信息。若在比特开始时刻出现电平跳变，则该比特表示0，否则表示1。图2-29描述了用差分曼彻斯特码对数据110001011010进行编码的情况。,143,图2-29差分曼彻斯特码,由上述两种码型的实现方式可知，裂相码通过位于比特中点的电平转换使数据信号自身夹带了时钟节拍，从而确保收发双方能够同步工作。但这却使得在传输裂相码时需要更大的带宽。,144,密勒码也是一种利用电平的跳变表示数据信息的码型。它以位于比特中点的电平跳转表示二进制的1，而比特中点没有出现电平跳转时则表示二进制的0。若当前传输的比特0后面紧跟另一个比特0，则该比特0的传输以一个电平跳转结束。图2-30描述了用密勒码对数据110001011010进行编码的情况。,5、密勒码,145,图2-30密勒码,这种编码方式消除了裂相码出现的频带过宽的问题，并且能够较完善地解决了同步问题。,146,多电平码是一种以M个电平状态表示由n个比特组成的码元的编码（其中n与M的关系是nlog2M）。较为常见的多电平码有自然码和格雷码。一般地，多电平码所需的M个电平是以0电平为中心对称等距设置的。例如，当M=4时多电平码所选用的4个电平为3a，a，-a和-3a。表2-4分别列出了在四电平自然码和四电平格雷码中电平与码元之间的对应关系。,6、多电平码,147,表2-4M=4时自然码和格雷码的定义表,多电平码的优点是提高了传输效率和频带利用率。在输入比特率一定的情况下，M的取值越大频带利用率就越高。在发送功率一定的情况下，M越大抗噪声干扰的能力就越低。鉴于此M的取值一般不宜超过16。,148,例3：分别采用四电平自然码和四电平格雷码对数据001110011000进行编码。解：如图2-31和2-32所示。,图2-31四电平自然码,149,图2-32四电平格雷码,150,双二进制码是一种通过电平状态表示数据信息的码型。它用无电压状态表示二进制中的1；用正、负电平交替表示二进制的0，当两个比特0之间出现奇数个比特1时，则位置靠后的那个比特0需改变电平极性。图2-33描述了用双二进制码对数据110001011010进行编码的情况。,7、双二进制码,151,图2-33双二进制码,152,表2-5码型的编码方式,153,在计算机网络中，除直接传输计算机所产生的数字信号外，语音、图像信息的数字化已成为发展的必然趋势。脉冲编码调制（PCM，PulseCodeModulation）是模拟数据数字化的主要方法。PCM技术的典型应用是语音数字化。语音可以用模拟信号的形式通过电话线路传输，但是如果在计算机网络中，要将语音信号与计算机,2.4.4模拟数据的数字编码方法,154,所产生的数字、文字、图形、图像同时传输，就必须首先将语音信号数字化。在发送端通过脉冲编码调制方法，使用PCM编码器将模拟的语音信号变换为数字化的语音数据，通过通信信道传送到接收方。接收方再通过PCM解码器，将数字化的语音信号还原成模拟语音信号。数字化语音数据传输速率高、失真小，同时可以存储在计算机中，人们再通过计算机对数字语音信号进行必要的处理。因此，在网络的多媒体应用中，语音数,155,字化已成为重要的发展趋势。脉冲编码调制工作基本上包括三部分内容：采样、量化与编码。,156,模拟信号数字化的第一步是采样。模拟信号是电平连续变化的信号，如图2-34（a）所示。采样是隔一定的时间间隔，将模拟信号的电平幅度值取出来作为样本，用它来表示被取样的信号。,1、采样,157,图2-34PCM工作原理示意图,158,量化是将取样样本幅度按量化级决定取值的过程。量化之前要规定将信号分为若干量化级，例如可以分为8级或16级，以及更多的量化级，这要根据精度要求来确定。同时要规定好每一级对应的幅度范围。然后将采样所得样本幅值与上述量化级幅值进行比较定级。,2、量化,159,编码是用相应位数的二进制代码表示量化后的采样样本的量级。如果有K个量化级，则二进制的位数为log2K。例如量化级有16个，就需要4位编码。目前常用的语音数字化系统中多采用128个量级，需要7位编码。经过编码后，每,经过量化后的样本幅度为离散的量级值，已不是连续值。,3、编码,160,个样本都用相应的编码脉冲表示。如图2-34（b）所示，D5取样幅度为1.52，取整后为1.5，量化级为15，样本编码为1111。将二进制编码1111发送到接收端，接收端可以将它还原成量化级15，对应的电平幅度为1.5。脉冲编码调制方法用于数字化语音系统时，通常是将语音声音分为128个量化级，采用7位二进制编码表示。由于采样速率一般规定为8000样本秒，因此数据传输速率应达到,161,78000bits=56kbps。脉冲编码调制方法还可用于计算机图形及图像数字化与传输处理。,162,图2-34PCM工作原理示意图,163,脉冲编码调制方法采用二进制编码的缺点是：（1）使用的二进制位数较多，编码效率较低，传输速度慢；（2）同时对不同数量级的电平误差相同，因此对高电平误差的绝对值大。目前对脉冲编码调制一般是采用压缩编码的方法，以减少编码传输的信息量。,164,在实际通信系统中，经常需要在两地之间同时传送多路信号。我们可以采取两种方法来解决这一问题：1、使用多条线路，在每条线路上传送一路信号，由这些物理线路组成传输通路。2、利用一条高速线路传送多路低速信号。,2.5多路复用技术,165,无论是在局域网还是远程网络，总是出现这样的情况，传输介质的能力远远超过传输单一信号的能力，为了更有效的利用传输系统，人们希望通过同时携带多个信号来高效的使用传输介质，这就是所谓的多路复用（M