数据通信基础

1、第六章 数据通信基础本章节概述 主要内容：1) 物理层要解决的问题2）数据通信的基础知识3）模拟传输（调制技术）、数字传输4）信道复用技术、电话系统5）传输介质（有线与无线）6.1 物理层概述 物理层目的：尽可能屏蔽传输媒介的差异，透明传送和接收位流 物理层向数据链路层提供的服务： 物理连接，物理层的协议数据单元（比特） 物理层特性：物理层规定了建立、维持及断开物理信道所需的机械的、电气的、功能性的和规程性的特性 机械特性：接线器形状、尺寸、引脚数等 电气特性：信号电平（电流）的范围 功能特性：信号电平（电流）的含义 规程特性：信号的时序物理层通信方式并行通信和串行通信发送端接收端串行通信信道

2、(a)发送端b0b1b2b3b4b5b6b7b7b6b5b4b3b2b1b0接收端b0b1b2b3b4b5b6b7并行通信信道(b)物理层标准：RS-232-C(串行通信） EIA-RS-232C标准，其中EIA(Electronic Industry Association)代表美国电子工业协会，RS（Recommeded standard）代表推荐标准，232是标识号，C代表RS232的最新一次修改（1969），在这之前，有RS232B、RS232A DB-25、DB-9 2种类型的连接器得到了广泛的应用 逻辑0：信号电平+3v 逻辑1：信号电平-3v如果使用一根电话线进行通信，那么计算机

3、和MODEM之间的联机就是根据RS-232C标准连接的 RS232RS232功能特性 DTE： (Date Terminal Equipment )数据终端设备，具有一定数据处理能力及收发数据能力的设备（事务处理的主机和终端） DCE ： (Date Communications Equipment)数据通信设备， 在DTE和传输线路之间提供信号变换和编码功能，并负责建立、保持和释放数据链路的连接RS422，RS485 RS232缺点：数据传输速率慢，通信距离短，100m以上的远程通信通常采用422，4856.2 数据通信基础知识基本术语 数据信息的实体 模拟数据：连续变化，如，语音，视频 ，

4、温度等 数字数据：离散变化，如，文字，整数等 信号：数据的电磁编码 模拟信号：随时间连续变化的电流、电压或电磁波 数字信号：离散变化的电信号 信息数据的内容 信源产生和发送信息的设备 信宿接收和处理信息的设备 信道信源和信宿之间的信号通路 数字信道采用数字信号传输数据的信道 模拟信道采用模拟信号传输数据的信道6.3.1 基带传输，频带传输6.3 数据通信模型基带传输 由计算机或终端产生的频谱从零开始，而未经调制的数字信号所占用的频率范围就叫基本频带，简称基带（base band）。这种数字信号就称基带信号。 传送数据时，以原封不动的形式，把基带信号送入线路，称为基带传输 基带传输不需要调制解调

5、器，设备花费小，适用于短距离的数据传输中(功率衰减不大） 局域网中可采用基带同轴电缆作传输介质进行数据传输。 频带传输 计算机通信远程线路中，不能直接传达原始的电脉冲信号（即基带信号）。为此需要利用频带传输 频带传输：用基带脉冲对载波波形的某些参量进行控制，使这些参量随基带脉冲变化，也就是调制 频带传输不仅克服了目前许多长途电话线路不能直接传输基带信号的缺点，而且能实现多路复用的目的，从而提高了通信线路的利用率 频带传输在发送端和接收端都要设置调制解调器 6.3.2 信号传输的过程中可能遇到的问题 理想信号 信号传输会：延迟，衰减和受噪声影响6.3.3 信道和信道参数 信道是信号从发送端到接收

6、端之间进行传输的路径但不是实际的电缆，而是数据经过的由介质提供的路径 信道参数：作为信道组成的传输介质分为有线和无线两类，它们具有如下特性： 1）信息流方向：单工、半双工、全双工。2）传送信号的类型：模拟的和数字的。3）传输速率：用比特率和波特率表示。4）带宽：在通信信道上可以传输的频率范围称带宽。 信道的基本特性可以用带宽和容量（最大的数据传输速率）来说明 传输速率 码元：一个离散信号（电平）状态或信号事件 比特：二进制位 码元传输速率B：每秒钟传输码元数（波特Baud) 信息传输速率S（数据传输速率）：每秒传输的比特数（比特/秒 bps)两者关系：S=B*log2V (V表示一个码元所取的

7、有效离散值个数）举例：二级电平信号：1个码元携带1比特信息量 四级电平信号：1个码元携带2比特信息量带宽（bandwidth) 带宽就是信道的通带（passband），由上、下限截止频率fc1和fc2来限定。一条传输信道上允许传输信息的频率范围.(从电子电路的角度） 实际上人说话声音频率范围是从300Hz到3400Hz-带宽为3100Hz，如果该设备或介质的带宽受到限制，这意味着组成方波的某些成分不能通过该设备或介质。由于一些组成部分的波被消除，减少了频率阶次，方波将变形，声音将无法辨认。 带宽是传输介质的物理特性，通常取决于介质的材料构成，厚度和长度。或者也可以通过滤波器人为干预 有时带宽也

8、用bps来表示信道的吞吐量，注意与文件大小的转换信道容量无噪声 信道容量：每秒能传输的最大比特数，即信道的极限传输速率。比特传输率越高，信道的容量也就越大 Nyquist定理：如果任意一个信号已经通过了一个带宽为B的低通滤波器，只要每秒2B次采样，过滤之后的信号就可以完全被重构出来。 Nyquist定理表示一个有限带宽，无噪声信道的最大数据传输速率,当信号包含了V个离散值时。 最大数据传输率2Blog2v （位/秒）例：在只有两个离散值的二元信道中，带宽为3000HZ，则最大的数据传输率为6000b/s 信道容量有噪声 香农定理：在有随机热噪声的信道上传输数据信号时，数据传输速率Rmax与信道

9、带宽B，信噪比S/N 的关系为Rmax = Blog2（1+S/N） S/N为信噪比（S为信号功率，N为噪声功率）信躁比S/N的表示（分贝） S/N1000：该信道上的信号功率是噪声功率的1000倍 若S/N1000，B=3000HZ，那么最大数据传输速率约为30kb/s 信噪比可以用分贝表示（db),所以若S/N1000，那么S/N(db)=10lg(S/N)=30db信道容量有噪声例：一条信道带宽为3000HZ，信躁比为30db(电话系统中模拟部分的典型参数），数据的最大数据传输速率为多少？香农公式表明：信道的带宽或信道中的信躁比越大(信号功率加强,噪声功率减小)，信息的极限传输速率就越高

10、。实际的数据传输速度远小于理论最大值6.3.4 信道特性之信息流方向 单工：通信是单向进行的，发送端与接收端确定（主从控制） 半双工：通信是双向进行的，但不能同时发送和接收 全双工：通信是双向的，可同时发送和接收（两条独立信道，单一信道，共享带宽）6.4 模拟传输与数字传输 模拟传输与数字传输的编码技术6.4.1模拟数据编码方法（数字数据模拟信号） 模拟数据编码方法（数字数据模拟信号） 6.4.2 数字数据编码1、不归零编码（NRZ) 原理：用两种不同的电平分别表示二进制信息0和1。低电平表示0，高电平表示1 一个码元占一个单位脉冲宽度，脉冲宽度与发送能量成正比 缺点： 发送方和接收方必须有时

11、钟同步 若信号中0或1连续出现，信号直流分量 将累加 优点:编码效率高.脉冲亮度大,信号能量大,抗干扰强2、曼彻斯特码 原理：每个码元中间都有跳变，从低跳到高表示0，从高跳到低表示1（上升沿表0，下降沿表示1） 优点：克服了NRZ码的不足，每位中间的跳变既可以作为数据，又可以作为时钟，能够自同步 应用场合：以太网3、差分曼彻斯特码 原理：每一位中间都有跳变，每位开始时有跳变表示0，无跳变表示1。位中间跳变表示时钟，位前跳变表示数据 优点：时钟，数据分离，便于提取 主要应用场合：令牌环网曼彻斯特码和差分曼彻斯特码 6.5 信道复用技术 在单一物理通信线路（共用信道）上，传输若干个独立的信号 多路

12、复用的类型复用技术的应用电话系统 本地回路（双绞线，模拟信号传输）1km-10km 干线（光纤或微波，数字信号传输）:交换局间的光缆数字传输 交换局（端局，汇集局 ，中心局的层次）：交换设备，交换技术 传统电话系统，所有传输的信号都是模拟的，现在所有干线和交换设备都是数字的，只有本地回路仍然是模拟的。电话业务模拟业务和数字业务电话系统模拟业务多个话路的频分复用 采用FDM复用技术和分级结构 世界上FDM方案某种程度上已被标准化，广泛使用的是12个4000HZ语音信道复用到60108KHZ频段中，这个单位称为一个群（group),5个群复用形成超群（supergroup),5个超群或10个超群构

13、成是主群（mastergroup）电话系统的数字传输 时间连续的模拟信号可以用时间上离散的抽样脉冲值代替时间连续的模拟信号可以用时间上离散的抽样脉冲值代替 语音4KHZ，根据Nyquist定理，采样频率8000次/秒足以捕获所有的信息即每次采样125us电话系统采用的编码方式-脉冲编码调制方法（PCM) 过程1、对模拟信号进行脉冲振幅调制，取得脉冲振幅调制信号（采样）2、对采样信号进行量化，按“四舍五入”的方法取整3、对取整后的信号进行8位（7位）二进制编码，从而取得数字化了的PCM信号多个话路的PCM数字信号的时分复用 例：北美的T1系统，也就是PCM 24路制式（T体系） 1）采样频率80

14、00HZ（采样周期为125us)2）每个脉冲采用8位二进制码元（7位语音编码1位同步码）3）则一个话路的PCM信号速率为8000HZ864kb/s北美的T1系统时分复用 4) 24个话路，在125us的周期里组成一帧： 248bit+1bit帧同步码193bit数字业务多级时分复用 欧洲(中国）的E1系统时分复用 PCM 30/32路制式（E体系），一帧共有32个时隙，可以传送30路电话，即复用的路数n=32路，其中话路数为30 编码器每秒取样8000次，一次采样125us 32路PCM信号的每一路轮流将一个字节插入到帧中； 每个字节的长度为8位，其中7位是数据位，1位用于信道控制； 每帧由3

15、28=256位组成 E1载波的数据传输速率为256bit8000次/秒=2.048Mb/s E1载波的开销2/32约为6.25%移动通信中的多址技术（补充） 移动通信系统中的多址技术是多个移动用户通过共同的基站同时建立各自的信道，从而实现各用户之间的相互通信 CDM (code division multiple )码分复用 靠不同的编码来区分各路原始信号的一种复用方式。在多址蜂窝系统是以信道来区分通信对象的。一个信道只容纳一个用户进行通话，许多同时通话的用户，互相以信道来区分，这就是多址。 第三代移动通信系统中的主流技术 为CDMA技术就是采用了码分多址的复用方式。3G技术标准 1G ： 模

16、拟手机 2G ：数字手机（全球移动通讯系统 GSM） 2.5G ：GPRS（通用分组无线业务 ） 3G ：无线通信与国际互联网等多媒体通信结合的新一代移动通信系统。 国际电信联盟ITU发布3G技术指导性文件2000年国际移动通讯计划，确定WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA三大主流无线接口标准 1)WCDMA ： WidebandCDMA，支持者主要是以GSM系统为主的欧洲厂商（新联通） 2)CDMA2000 ：美国高通北美公司为主导提出（中国电信） 3)TD-SCDMA ：时分同步码分多址，中国内地独自制定的3G标准,由大唐电信向ITU提出（中国移动） 3.5G ： TD-HSDP

17、A 4G:TD-LTE 6.7 Internet本地接入技术 Internet从宏观上可以划分为接入网（AN:Access Network)和核心网 接入网或用户环路主要完成用户接入核心网的任务 ITU-T接入网定义：本地交换机（端局）与用户端设备之间的连接部分。 国际权威专家把宽带综合信息接入网比做信息高速公路的“最后一英里”，并认为它是信息高速公路中难度最高，耗资最大的一部分，是信息基础建设的“瓶颈” 目前接入技术：基于传统电信网的有线接入；基于有线电视（cable modem)接入；以太网接入；无线接入技术；光纤接入技术（未来发展方向）6.7.1 基于传统电信网的有线接入拨号接入：利用电

18、话线和公用电话网PSTN（public switched telephone network)接入Internet的技术 服务器端采用DHCP协议，为接入者分配一个临时的IP地址 电话系统使用的是频分多路复用，人为地限制了每个信道的带宽4KHZ 普通电话modem接入技术的速度极限是56Kb/s，使用时速率往往不能达到最大，实际传输速率取决于：1、电话线路的质量2、ISP能否提供足够带宽（同一时间上网的人数很多）3、对方modem速率（实际连接速率取决于速率较低的一方）DSL数字用户线路 DSL:digital subscriber line数字用户线路 使用常规电话线路，本地局端的滤波器将限

19、制带宽为4KHZ，本地回路通常采用3类UTP，带宽远大于4KHZ。局端滤波器的限制策略为按需可调，给定带宽可增加高于4KHZ的服务称为宽带服务 以铜电话线为传输介质的点到点传输技术，包括HDSL,SDSL,VDSL,ADSL等，一般称为xDSL。主要区别：信号传输速度和距离的不同。ADSL（非对称数字用户环路）是目前最具前景及竞争力的一种 ADSL提供：上行64K1Mbps,下行512k8Mbps，1对双绞线ADSL接入 本地回路提供的带宽1.1MHZ,频分多路分用，高于4KHZ以上的带宽给计算机网络ADSL调制常用ADSL带宽分配：8090信道分配给下行6.7.2 基于有线电视网接入技术 C

20、ATV（cable television)有线电视，有线电视网是单向的，只有下行信道，采用同轴电缆 750MHZ带宽 有线电视网应用到Internet业务，必须进行改造，使之有双向功能。 HFC(Hybrid Fiber coax:混合光纤同轴电缆网)是对CATV的一种改造，干线部分用光纤代替同轴电缆作为传输介质，提供双向的带宽传输Cable modem 电缆调制解调器 有线线缆在欧洲，北美都非常普及 福州广电网络：6.7.3 光纤接入技术 光纤接入网（OAN:optical access network）:采用光纤传输技术的接入网，本地交换机与用户之间采用光纤通信或部分采用光纤通信 光纤接入

21、网分为光纤到户（FTTH）、光纤到路边（FTTC）、光纤到大楼（FTTB）等，FTTH是未来带宽接入网的发展趋势6.7.4 以太网接入技术 基于以太网技术的宽带接入网由局侧设备和用户侧设备组成。局侧设备一般位于小区内，用户侧设备一般位于居民楼内。 局侧设备提供与IP骨干网的接口，用户侧设备提供与用户终端计算机相连的10/100BASE-T接口。 FTTX+LAN是FTTH的过渡性产品，提供了“千兆到小区、百兆到居民大楼，十兆到桌面”为用户提供信息网络的高速接入6.7.5 无线接入技术 终端用户和交换端局间的接入网，全部或部分采用无线传输方式。 无线接入的实现技术类型：1、蜂窝技术2、数字无绳技

22、术3、点对点微波技术（距离超过40公里以上的分散用于可以使用基于该技术的系统4、卫星技术（特别偏远地区以及偏远山区，采用卫星覆盖方式）5、蓝牙技术（10米左右短距离无线通信）6. 常见传输媒体以以太网采用的传输媒介为主 有向介质：双绞线，同轴电缆，光缆 无向介质6.1 双绞线 主要特征：双绞线是由两根绞合成有规则的螺旋形图样的绝缘铜线组成，把若干对双绞线捆在一起，并用结实的保护外皮包住，就成为普通的双绞线电缆 双绞线可传输模拟信号，也可以传输数字信号，带宽取决于铜线的直径与传输距离双绞线 分类 非屏蔽双绞线（UTP):外皮为塑料，不具有屏蔽能力 屏蔽双绞线（STP):金属屏蔽层，具有屏蔽能力

23、典型的两种非屏蔽的双绞线：3类和5类（每厘米拧得更紧，串音更少，在长距离传输中保持更好的信号质量。双绞线的连接器 采用插销式结构：RJ-11连接器，四芯；RJ-45连接器，8芯双绞线类别 规定了6个种类的UTP标准（1类线6类线） 主要区别：1）6类线大大增加了单位长度的绞合次数 2） 数据传输速率不同 各类双绞线的数据传输速率1类线：电话系统基本线，用于语音和低速数据传输2类线：数据传输速率 4Mbps3类线：数据传输速率 10Mbps （CAT3）4类线：数据传输速率 16Mbps5类线：数据传输速率 100Mbps （CAT5）超5类线：数据传输速率 155Mbps （CAT5e）6类线：数据传输速率 250Mbps6.2 同轴电缆 同轴电缆以硬铜线为芯，外包一层绝缘材料。这层绝缘材料外用密织的网状导体环绕，网外又覆盖一层保护性材料 基带同轴电缆（50欧姆）细缆 用于数字信号传输 用于基带传输，10M