数据通信基础

数据通信基础知识回顾计算机网络的体系结构计算机网络体系结构的形成 协议与划分层次 具有五层协议的体系结构 实体、协议、服务和服务访问点TCP/IP的体系结构本讲内容物理层的基本概念数据通信的基础知识

数据通信系统的模型 有关信道的几个基本概念 信道的最高码元传输速率 信道的极限信息传输速率通信介质双绞线、光纤等物理层的定义物理层的定义ISO/OSI关于物理层的定义：物理层提供机械的、电气的、功能的和规程的特性，目的是启动、维护和关闭数据链路实体之间进行比特传输的物理连接。这种连接可能通过中继系统，在中继系统内的传输也是在物理层的。物理层的功能物理层的功能在两个网络设备之间提供透明的比特流传输。研究内容物理连接的启动和关闭，正常数据的传输，以及维护管理。物理层的四个重要特性机械特性(mechanicalcharacteristics)电气特性(electricalcharacteristics)功能特性(functionalcharacteristics)规程特性(proceduralcharacteristics)物理层的特性（1）机械特性主要定义物理连接的边界点，即接插装置。规定物理连接时所采用的规格、引脚的数量和排列情况。常用的标准接口ISO2110，25芯连接器，EIARS-232-C，EIARS-366-AISO2593，34芯连接器，V.35宽带MODEMISO4902，37芯和9芯连接器，EIARS-449ISO4903，15芯连接器，X.20、X.21、X.22电气特性规定传输二进制位时，线路上信号的电压高低、阻抗匹配、传输速率和距离限制。早期的标准是在边界点定义电气特性，例如EIARS-232-C、V.28；最近的标准则说明了发送器和接受器的电气特性，而且给出了有关对连接电缆的控制。物理层的特性（2）功能特性主要定义各条物理线路的功能。线路的功能分为四大类：数据控制定时地规程特性主要定义各条物理线路的工作规程和时序关系。典型的物理层标准接口（1）1960年美国电子工业协会EIA提出RS-232，1963年提出RS-232-A，1965年提出RS-232-B，1969年提出RS-232-C。用于DTE/DCE之间的接口。RS-232-C的不足与改进不足传输性能低，距离短，速率低。改进重新设计，X.21；以RS-232-C为基础改进，1977年提出RS-449。RS-232-C的电路图RS-232-C的实物图典型的物理层标准接口（3）EIARS-449/422-A/423-AEIARS-449是为替代RS-232-C而提出的物理层标准接口。实际上是一体化的三个标准。主要改进改善了性能，加长了接口电缆距离，加大了数据传输率；增加了新的接口功能，例如，回送检查；解决了机械接口问题。典型的物理层标准接口（4）机械特性37芯或9芯连接器。电气特性与RS-232-C相连，采用非平衡型电气特性RS-423-A，20Kbps以下其他情况，采用平衡型电气特性RS-422-A和RS-423-A，20Kbps~2Mbps功能特性定义了30条功能线。规程特性基本上以RS-232-C为基础典型的物理层标准接口（5）CCITTX.21X.21：在公共数据网PDN中进行同步操作的DTE/DCE之间的通用接口。1980年的X.21由两部分组成：“通用接口”：真正的物理层部分；用于电路交换网络的呼叫控制规程，用于DTE之间的连接，涉及到许多数据链路层和网络层的功能。典型的物理层标准接口（6）机械特性15针连接器，ISO4903。电气特性采用非平衡型电气特性和平衡型电气特性。传输速率：600，2400，4800，9600，48000bpsDTE使用非平衡型电气特性和平衡型电气特性；DCE使用平衡型电气特性功能特性定义了8条功能线。规程特性分成四个工作阶段：空闲，呼叫控制，数据传送，清除数据通信系统的模型传输系统输入信息输入数据发送的信号接收的信号输出数据源点终点发送器接收器调制解调器PC机公用网调制解调器数字比特流数字比特流模拟信号模拟信号正文正文数据通信系统源系统目的系统传输系统输出信息PC机术语数据(data)——运送信息的实体。信号(signal)——数据的电气的或电磁的表现。模拟的(analogous)——连续变化的。数字的(digital)——取值是离散数值。调制——把数字信号转换为模拟信号的过程。解调——把模拟信号转换为数字信号的过程。基本概念单向通信（单工通信）只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。双向交替通信（半双工通信）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)。双向同时通信（全双工通信）通信的双方可以同时发送和接收信息。基带信号就是将数字信号1或0直接用两种不同的电压来表示，然后送到线路上去传输。宽带信号则是将基带信号进行调制后形成的频分复用模拟信号。模拟的和数字的数据、信号模拟数据模拟信号放大器调制器模拟数据数字信号

PCM编码器数字数据模拟信号调制器数字数据数字信号

数字发送器数字数据的调制信号编码信道的最高码元传输速率任何实际的信道都不是理想的，在传输信号时会产生各种失真以及带来多种干扰。码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远，在信道的输出端的波形的失真就越严重。码元：数字信号中每一位的通称。通常又称为“位”或“Bit”。即可以用二进制表示，也可以用其它进制的数表示。在数字通信中常常用时间间隔相同的符号来表示一位二进制数字。这样的时间间隔内的信号称为二进制码元，而这个间隔被称为码元长度。码元传输速率，又称为码元速率或传码率。其定义为每秒钟传送码元的数目，单位为"波特",常用符号"Baud"表示，简写为"B"。数字信号通过实际的信道失真不严重失真严重实际的信道（带宽受限、有噪声、干扰和失真）输入信号波形输出信号波形(失真不严重)输入信号波形实际的信道（带宽受限、有噪声、干扰和失真）输出信号波形(失真严重)奈氏(Nyquist)准则每赫带宽的理想低通信道的最高码元传输速率是每秒2

个码元。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。频率变化较缓慢的就是低频（频率低，时间长，速度就慢），频率是时间的倒数。低通信道或通信链路,如果频带在0~f之间,上限频率可以无穷大,则称它为低通信道;如果频带范围是f1~f2,则称它为带通信道。

理想低通信道的最高码元传输速率=2WBaudW是理想低通信道的带宽，单位为赫(Hz)不能通过能通过0频率(Hz)W(Hz)另一种形式的奈氏准则每赫带宽的理想低通信道的最高码元传输速率是每秒

1

个码元。“理想低通信道”就是信号的所有低频分量，只要其频率不超过某个上限值，都能够不失真地通过此信道。而频率超过该上限值的所有高频分量都不能通过该信道。“带通信道”只允许上下限之间的信号频率成分不失真的通过，其他频率成分不能通过。理想带通特性信道的最高码元传输速率=WBaudW是理想带通信道的带宽，单位为赫(Hz)不能通过能通过0频率(Hz)W(Hz)不能通过注意事项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上限数值。波特(Baud)和比特(bit)是两个不同的概念。波特是码元传输的速率单位（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。信息的传输速率“比特/秒”与码元的传输速率“波特”在数量上却有一定的关系。若1个码元只携带1bit的信息量，则“比特/秒”和“波特”在数值上相等。若1个码元携带nbit的信息量，则

MBaud的码元传输速率所对应的信息传输速率为M

nb/s。信道的极限信息传输速率香农(Shannon)用信息论的理论推导出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限、无差错的信息传输速率。高斯白噪声：如果一个噪声，它的幅度分布服从高斯分布，而它的功率谱密度又是均匀分布的，则称它为高斯白噪声。信道的极限信息传输速率C可表达为C=Wlog2(1+S/N)b/sW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。可以用香农公式来计算线的数据传输速率。通常音频连接支持的带宽B=3KHz，而一般链路典型的信噪比是30dB，即S/N=1000，因此有C=3000×log2（1001），近似等于30Kbps，因此如果网的信噪比没有改善或不使用压缩方法，“Modem”将达不到更高的速率。香农公式香农在信息论中指出，如果信源的信息速率R小于或者等于信道容量C，那么，在理论上存在一种方法可使信源的输出能够以任意小的差错概率通过信道传输。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。只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定可以找到某种办法来实现无差错的传输。若信道带宽W或信噪比S/N没有上限（当然实际信道不可能是这样的），则信道的极限信息传输速率C也就没有上限。实际信道上能够达到的信息传输速率要比香农的极限传输速率低很多。奈氏准则和香农公式

在数据通信系统中的作用范围源系统传输系统目的系统传输系统源点终点发送器接收器输入信息输出信息输入数据输出数据发送的信号接收的信号码元传输速率受奈氏准则的限制信息传输速率受香农公式的限制无线电微波红外线可见光紫外线X射线射线双绞线同轴电缆卫星地面微波

调幅无线电

调频无线电

海事无线电光纤电视(Hz)f(Hz)fLFMFHFVHFUHFSHFEHFTHF波段104105106107108109101010111012101310141015101610010210410610810101012101410161018102010221024

移动无线电电信领域使用的电磁波的频谱导向传输媒体双绞线屏蔽双绞线STP(ShieldedTwistedPair)无屏蔽双绞线UTP(UnshieldedTwistedPair)

同轴电缆50

同轴电缆75

同轴电缆光缆各种电缆铜线铜线聚氯乙烯套层聚氯乙烯套层屏蔽层绝缘层绝缘层外导体屏蔽层绝缘层绝缘保护套层内导体无屏蔽双绞线UTP屏蔽双绞线STP同轴电缆双绞线实物（1）双绞线实物（2）光纤光纤不仅具有通信容量非常大的优点，而且还具有其他的一些特点：传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济。抗雷电和电磁干扰性能好。这在有大电流脉冲干扰的环境下尤为重要。无串音干扰，保密性好，也不易被窃听或截取数据。体积小，重量轻。四芯光缆剖面的示意图四芯光缆剖面的示意图光线在光纤中的折射折射角入射角

包层（低折射率的媒体）

包层（低折射率的媒体）

纤芯（高折射率的媒体）包层纤芯输入脉冲输出脉冲单模光纤多模光纤与单模光纤输入脉冲输出脉冲多模光纤光纤知识多模光纤(MultiModeFiber)：中心玻璃芯较粗(50或62.5μ