数据通信技术.ppt

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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