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1、第二章第二章 数据通信技术数据通信技术 本章学习要点：本章学习要点： 数据通信的基本概念数据通信的基本概念 传输介质的主要特性和应用传输介质的主要特性和应用 无线通信技术无线通信技术 数据交换技术数据交换技术 数据传输技术数据传输技术 数据编码技术数据编码技术 差错控制技术差错控制技术 2.1 数据通信数据通信的基本概念的基本概念 2.1.1 信息、数据与信号信息、数据与信号 l 信息信息是人对现实世界事物存在方式或运动状态的某种认识。任何事是人对现实世界事物存在方式或运动状态的某种认识。任何事物的存在，都伴随着相应的信息的存在，信息不仅能反映事物的特征、物的存在，都伴随着相应的信息的存在，信
2、息不仅能反映事物的特征、运动和行为，而且还能够借助媒体（如空气、光波、电磁波等）传播运动和行为，而且还能够借助媒体（如空气、光波、电磁波等）传播和扩散。信息的载体可以是数值、文字、图形、声音、图像以及动画和扩散。信息的载体可以是数值、文字、图形、声音、图像以及动画等。等。l 数据数据是指把事件的某些属性规范化后的表现形式，它能被识别，也是指把事件的某些属性规范化后的表现形式，它能被识别，也可以被描述。数据按其连续性可分为可以被描述。数据按其连续性可分为模拟数据模拟数据与与数字数据数字数据。l 信号信号是数据的电磁波表示形式，一般以时间为自变量，以表示信息是数据的电磁波表示形式，一般以时间为自变
3、量，以表示信息（数据）的某个参量（振幅、频率或相位）为因变量。（数据）的某个参量（振幅、频率或相位）为因变量。l 模拟信号模拟信号是是随时间连续变化的信号，如图随时间连续变化的信号，如图 2-1（a）所示，这种信所示，这种信号的某种参量，如振幅和频率，可以表示要传送的信息。例如，电号的某种参量，如振幅和频率，可以表示要传送的信息。例如，电视图像信号、语音信号、温度压力传感器的输出信号等。视图像信号、语音信号、温度压力传感器的输出信号等。 l 数字信号数字信号是指离散的信号是指离散的信号,如图如图2-1（b）所示，如计算机使用的由）所示，如计算机使用的由“0”和和“1”组成的信号。数字信号在通信
4、线路上传输时要借助电组成的信号。数字信号在通信线路上传输时要借助电信号的状态来表示二进制代码的值。因为电信号可呈现两种状态，信号的状态来表示二进制代码的值。因为电信号可呈现两种状态，可以分别表示可以分别表示“0”和和“1”。图图2-1 模拟信号和数字信号波形模拟信号和数字信号波形 2.1.2 基带信号与宽带信号基带信号与宽带信号 2.1.3 信道及信道的分类信道及信道的分类 信道信道（information channels）是信号传输的必经之路，包括传输媒）是信号传输的必经之路，包括传输媒体和通信设备。传输媒体可以是有形媒体，如电缆、光纤等，也可以体和通信设备。传输媒体可以是有形媒体，如电缆
5、、光纤等，也可以是无形媒体，如传输电磁波的空间。是无形媒体，如传输电磁波的空间。l 基带信号基带信号就是将计算机发送的就是将计算机发送的数字信号数字信号“0 0”或或“1 1”用两种不同的用两种不同的电压表示后，直接送到通信线路上传输的信号。电压表示后，直接送到通信线路上传输的信号。l 宽带信号宽带信号是基带信号经过调制后形成的频分复用是基带信号经过调制后形成的频分复用模拟信号模拟信号。1、信道的概念、信道的概念 2、信道的分类、信道的分类 常见的分类有以下一些：常见的分类有以下一些： （1）有线信道和无线信道）有线信道和无线信道 （2）物理信道和逻辑信道）物理信道和逻辑信道 l 有线信道有线
6、信道是指使用有线传输介质的信道主要包括双绞线、同轴电是指使用有线传输介质的信道主要包括双绞线、同轴电缆和光缆等。缆和光缆等。 l 无线信道无线信道是指以电磁波在空间传播的方式传送信息的信道，主要包是指以电磁波在空间传播的方式传送信息的信道，主要包括长波信道、短波信道和微波信道等。括长波信道、短波信道和微波信道等。l 物理信道物理信道是指用来传送信号或数据的物理通路，物理信道由传输是指用来传送信号或数据的物理通路，物理信道由传输介质及有关设备组成。介质及有关设备组成。 l 数字信道数字信道是用来传输离散数字信号的。是用来传输离散数字信号的。离散的数字信号在计算机中离散的数字信号在计算机中指由指由
7、“0”和和“1”的二进制代码组成的数字序列，当利用数字信道传的二进制代码组成的数字序列，当利用数字信道传输数字信号时不需要进行变换，通常需要进行数字编码。输数字信号时不需要进行变换，通常需要进行数字编码。（3）数字信道和模拟信道）数字信道和模拟信道l 逻辑信道逻辑信道也是一种通路，但一般是指人为定义的信息传输通路，也是一种通路，但一般是指人为定义的信息传输通路，在信号收、发点之间并不存在一条物理传输介质，通常把逻辑信道在信号收、发点之间并不存在一条物理传输介质，通常把逻辑信道称为称为“连接连接”。l 模拟信道模拟信道是用来传输模拟信号的。模拟信号的电平随时间连续变化，是用来传输模拟信号的。模拟
8、信号的电平随时间连续变化，语音信号就是典型的模拟信号。如果利用模拟信道传送数字信号，则语音信号就是典型的模拟信号。如果利用模拟信道传送数字信号，则必须经过数字与模拟信号之间的变换（必须经过数字与模拟信号之间的变换（A/D变换器）。调制解调器就变换器）。调制解调器就是完成这种变换的。是完成这种变换的。2.1.4 数据通信的技术指标数据通信的技术指标 l 传输速率传输速率是指：通信线路上传输信息的速度是指：通信线路上传输信息的速度,它是描述数据传输系它是描述数据传输系统的重要技术指标之一。传输速率一般有两种表示方法，即信号速率统的重要技术指标之一。传输速率一般有两种表示方法，即信号速率和调制速率。
9、和调制速率。 l 信号速率信号速率是指：单位时间内所传送的二制位代码的有效位数，以每是指：单位时间内所传送的二制位代码的有效位数，以每秒多少比特数计，单位为秒多少比特数计，单位为比特比特/秒秒（bit/s）。数字信号的速率通常用。数字信号的速率通常用“比特比特/秒秒”来表示来表示 l 调制速率调制速率是是指：每秒传送的脉冲数，单位为指：每秒传送的脉冲数，单位为波特波特/秒秒（Baud/s），），是是指信号在调制过程中，调制状态每秒钟转换的次数。模拟信号的速率指信号在调制过程中，调制状态每秒钟转换的次数。模拟信号的速率通常用通常用“波特波特/秒秒”来表示。来表示。1. 传输速率传输速率注意：注意
10、： “波特波特”与与“比特比特”的意义是不同的，每一的意义是不同的，每一“波特波特”，即模，即模拟信号的一个状态不仅仅表示一位数据，而是代表了多位数据。拟信号的一个状态不仅仅表示一位数据，而是代表了多位数据。（2）信道带宽）信道带宽 l 信道带宽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，单位用赫兹（范围，单位用赫兹（Hz）表示。）表示。 l 数据通信系统的信道传输的是电磁波（包括无线电波、微波、光数据通信系统的信道传输的是电磁波（包括无线电波、微波、光波等），其带宽就是所能传输电磁波的最大有效频率减去最小有效波等），其带宽就是
11、所能传输电磁波的最大有效频率减去最小有效频率所得到的值。频率所得到的值。 （3）信道容量）信道容量 l 信道容量信道容量，即单位时间内信道上所能传输的最大比特数，单位为即单位时间内信道上所能传输的最大比特数，单位为比特比特/秒（秒（bit/s），它是某个信道传输数据速率的一个上限。），它是某个信道传输数据速率的一个上限。 注意注意：信道的信道的容量容量与与信道带宽信道带宽成正比关系，即信道带宽越宽，信道容成正比关系，即信道带宽越宽，信道容量就越大，所以人们有时愿意将量就越大，所以人们有时愿意将“带宽带宽”作为信道所能传送的作为信道所能传送的“最高最高速率速率”的同义语，尽管这种叫法不太严格。的
12、同义语，尽管这种叫法不太严格。l 传输数据的速率都不可能超过信道容量上限，否则信号就会失真传输数据的速率都不可能超过信道容量上限，否则信号就会失真 2.1.5 通信方式通信方式 通信方式是指通信双方的信息交互的方式，在设计一个通信系统时，通信方式是指通信双方的信息交互的方式，在设计一个通信系统时，还要回答以下还要回答以下 3 个问题。个问题。 l 是采用单工通信方式，还是采用半双工或全双工通信方式？是采用单工通信方式，还是采用半双工或全双工通信方式？ l 是采用串行通信方式，还是采用并行通信方式？是采用串行通信方式，还是采用并行通信方式？ l 是采用同步通信方式，还是采用异步通信方式？是采用同
13、步通信方式，还是采用异步通信方式？ 单工通信是指单工通信是指数据信号仅沿一个方向传输，发送方只能发送不能接数据信号仅沿一个方向传输，发送方只能发送不能接收，接收方只能接收而不能发送，任何时候都不能改变信号传送方向。收，接收方只能接收而不能发送，任何时候都不能改变信号传送方向。如图如图2-2所示：所示：发发送送端端接接收收端端数据的单方向性数据的单方向性主机主机显示器显示器图图2-2 单工通信示意图单工通信示意图l 单工通信单工通信1、单工、半双工与全双工通信、单工、半双工与全双工通信 l 半双工通信半双工通信 半双工通信是指信号可以沿两个方向传送，但同一时刻一个信道只半双工通信是指信号可以沿两
14、个方向传送，但同一时刻一个信道只允许单方向传送，即两个方向的传输只能交替进行，而不能同时进行。允许单方向传送，即两个方向的传输只能交替进行，而不能同时进行。如图如图2-3所示：所示：发送端/接收端发送端/接收端不同时刻的数据双向传输不同时刻的数据双向传输对讲机对讲机对讲机对讲机图图2-3 半双工通信示意图半双工通信示意图l 全双工通信全双工通信 全双工通信是指数据可以同时沿相反的两个方向作双向传输，比如，全双工通信是指数据可以同时沿相反的两个方向作双向传输，比如，电话通话。电话通话。全双工通信需要两条信道，一条用来接收信息，一条用来全双工通信需要两条信道，一条用来接收信息，一条用来发送信息，因
15、此其通信效率很高。如图发送信息，因此其通信效率很高。如图2-42-4所示所示。发送端接收端任何时刻的数据双向传输任何时刻的数据双向传输电话机电话机电话机电话机图图2- 4 全双工通信示意图全双工通信示意图 2、串行通信和并行通信、串行通信和并行通信 l 串行通信串行通信 串行通信串行通信，是将待传送的每个字符的二进制代码按由低到高的顺，是将待传送的每个字符的二进制代码按由低到高的顺序，依次发送，如图序，依次发送，如图2-5所示。其优点是：收、发双方只需要一条所示。其优点是：收、发双方只需要一条传输信道，易于实现，成本低；缺点是：速度比较慢。在远程数据传输信道，易于实现，成本低；缺点是：速度比较
16、慢。在远程数据通信中，一般都采用串行通信方式。通信中，一般都采用串行通信方式。图图2- 5 串行通信示意图串行通信示意图 l 并行通信并行通信 并行通信并行通信，是指数据以成组的方式在多个并行信道上同时进行传，是指数据以成组的方式在多个并行信道上同时进行传输，如图输，如图2-6所示。其优点是速度快，但发送与接收端之间有若干条所示。其优点是速度快，但发送与接收端之间有若干条线路，费用高，仅适合于近距离和高速数据通信的环境下使用。线路，费用高，仅适合于近距离和高速数据通信的环境下使用。图图2- 6 并行通信示意图并行通信示意图 3、同步技术、同步技术 同步同步，就是要求通信的收发双方在时间基准上保
17、持一致，它是数就是要求通信的收发双方在时间基准上保持一致，它是数字通信中必须要解决的一个重要问题。字通信中必须要解决的一个重要问题。 在数据通信过程中，常用的同步技术有以下两种。在数据通信过程中，常用的同步技术有以下两种。l 异步通信方式异步通信方式 每传送每传送1个字符都要在每个字符码前加个字符都要在每个字符码前加1个个起始位起始位，以表示字符代码，以表示字符代码的开始；在字符代码和校验位后面加的开始；在字符代码和校验位后面加1或或2个个停止位停止位，表示字符结束。，表示字符结束。 接收方根据接收方根据起始位起始位和和停止位停止位来判断一个新字符的开始和结束，从来判断一个新字符的开始和结束，
18、从而起到通信双方的同步作用。异步通信方式如图而起到通信双方的同步作用。异步通信方式如图2-7所示。所示。 图图2- 7 异步通信方式异步通信方式 异步方式的实现比较简单，但每传输一个字符都需要多使用异步方式的实现比较简单，但每传输一个字符都需要多使用2到到3位，所以适合于低速通信。位，所以适合于低速通信。 l 同步通信方式同步通信方式 该方式中，传输的信息格式是一组字符或一个二进制位组成的数该方式中，传输的信息格式是一组字符或一个二进制位组成的数据块（帧）。据块（帧）。 对这些数据，不需要附加起始位和停止位，而是在发送一组字符或对这些数据，不需要附加起始位和停止位，而是在发送一组字符或数据块之
19、前先发送一个同步字符数据块之前先发送一个同步字符SYN（以（以01101000表示）或一个同步表示）或一个同步字节（字节（01111110），用于接收方进行同步检测，从而使收发双方进入），用于接收方进行同步检测，从而使收发双方进入同步状态。同步状态。 在同步字符或字节之后，可以连续发送任意多个字符或数据块，发在同步字符或字节之后，可以连续发送任意多个字符或数据块，发送数据完毕后，再使用同步字符或字节来标识整个发送过程的结束，送数据完毕后，再使用同步字符或字节来标识整个发送过程的结束，如图如图2-8所示。所示。 返回本节首页返回本节首页返回本章首页返回本章首页图图2- 8 同步通信方式同步通信方
20、式 在同步传送时，由于发送方和接收方将整个字符组作为一个单位传在同步传送时，由于发送方和接收方将整个字符组作为一个单位传送，且附加位又非常少，从而提高了数据传输的效率。这种方法一般送，且附加位又非常少，从而提高了数据传输的效率。这种方法一般用在高速传输数据的系统中，例如，计算机之间的数据通信。用在高速传输数据的系统中，例如，计算机之间的数据通信。2.2 传输介质的主要特性和应用传输介质的主要特性和应用 2.2.1 传输介质的主要类型传输介质的主要类型 常用的网络传输介质可分为两类：一类是有线的，一类是无线常用的网络传输介质可分为两类：一类是有线的，一类是无线的。有线传输介质主要有双绞线（的。有
21、线传输介质主要有双绞线（Twisted Pair，包括屏蔽双绞线，包括屏蔽双绞线和非屏蔽双绞线）、同轴电缆（和非屏蔽双绞线）、同轴电缆（Coaxial Cable）及光纤（）及光纤（Fiber Optics），如图），如图2-9所示；无线传输介质有无线电和微波等。所示；无线传输介质有无线电和微波等。图图2- 9 常用的有线传输介质常用的有线传输介质 2.2.2 双绞线（双绞线（Twisted-pair） 1、双绞线的物理特性、双绞线的物理特性 l 双绞线是由相互绝缘的两根铜线按一定扭距相互绞合在一起的类似双绞线是由相互绝缘的两根铜线按一定扭距相互绞合在一起的类似于电话线的传输媒体，为了减少信号
22、传输中串扰及电磁干扰（于电话线的传输媒体，为了减少信号传输中串扰及电磁干扰（EMI）影响的程度，通常将这些线按一定的密度互相缠绕在一起。每根铜线影响的程度，通常将这些线按一定的密度互相缠绕在一起。每根铜线加绝缘层并有颜色来标记，如图加绝缘层并有颜色来标记，如图2-10所示：所示： 图图2-10 双绞线结构示意图双绞线结构示意图l 双绞线双绞线的价格在传输媒体中是最便宜的，并且安装简单，所以得的价格在传输媒体中是最便宜的，并且安装简单，所以得到广泛的使用。到广泛的使用。l 双绞线双绞线是模拟和数字数据通信最普通的传输媒体，它的主要应用是模拟和数字数据通信最普通的传输媒体，它的主要应用范围是电话系
23、统中的模拟话音传输，最适合于较短距离的信息传输，范围是电话系统中的模拟话音传输，最适合于较短距离的信息传输，当超过几千米时信号会发生衰减，这时就要使用中继器来放大信号当超过几千米时信号会发生衰减，这时就要使用中继器来放大信号和再生波形。和再生波形。l 在局域网中一般都采用双绞线作为传输媒体。双绞线可分为非屏在局域网中一般都采用双绞线作为传输媒体。双绞线可分为非屏蔽双绞线（蔽双绞线（UTP）和屏蔽双绞线（）和屏蔽双绞线（STP），如图），如图2-11所示。所示。两者的两者的差异在于屏蔽双绞线在双绞线和外皮之间增加了一个铅箔屏蔽层，差异在于屏蔽双绞线在双绞线和外皮之间增加了一个铅箔屏蔽层，如图如图
24、2-11(a)所示，目的是提高双绞线的抗干扰性能所示，目的是提高双绞线的抗干扰性能。图图2-11 STP与与UTP（a）屏蔽双绞线）屏蔽双绞线STP （b）非屏蔽双绞线）非屏蔽双绞线UTP 2非屏蔽双绞线的类型非屏蔽双绞线的类型 按照按照EIA/TIA（电气工业协会电气工业协会/电信工业协会）电信工业协会）568A标准，共分为标准，共分为16 类。类。l 1类线类线 可用于电话传输，但不适合数据传输，这一级电缆没有固定的可用于电话传输，但不适合数据传输，这一级电缆没有固定的性能要求。性能要求。l 2类线类线 可用于电话传输和最高为可用于电话传输和最高为4Mbit/s的数据传输，包括的数据传输，
25、包括4对双绞线。对双绞线。l 3类线类线 可用于最高为可用于最高为10Mbit/s的数据传输，包括的数据传输，包括4对双绞线，常用于对双绞线，常用于10BaseT以太网的语音和数据传输。以太网的语音和数据传输。l 4类线类线 可用于可用于16Mbit/s的令牌环网和大型的令牌环网和大型10BaseT以太网，包括以太网，包括4对对双绞线。其测试速度可达双绞线。其测试速度可达20Mbit/s。l 5类线类线 既可用于既可用于100Mbit/s的快速以太网连接又支持的快速以太网连接又支持150Mbit/s的的ATM数据传输，包括数据传输，包括4对双绞线，是连接桌面设备的首选传输介质。对双绞线，是连接
26、桌面设备的首选传输介质。l 6类线类线 在外形上和结构上与在外形上和结构上与5类和超类和超5类双绞线都有一定的差别，与类双绞线都有一定的差别，与5类和超类和超5类线相比，它具有传输距离长、传输损耗小、耐磨、抗干扰能类线相比，它具有传输距离长、传输损耗小、耐磨、抗干扰能力强等特性，常用在千兆位以太网和万兆位以太网中。力强等特性，常用在千兆位以太网和万兆位以太网中。 注意注意： 计算机网络常用的是计算机网络常用的是3类线（类线（CAT3）、）、5类线（类线（CAT5）、超）、超5类线类线（CAT5e）和）和6类线（类线（CAT6）。）。3. 双绞线组网常用的连接设备双绞线组网常用的连接设备图图2-
27、13 RJ-45水晶头水晶头 图图2-14 集线器集线器/交换机交换机 图图2-12 6类类UTP l 5类线类线和和3类线相比大大增加了每单位长度的绞合次数，并在线对间的绞合类线相比大大增加了每单位长度的绞合次数，并在线对间的绞合度和线对内两根导线的绞合度都经过了精心的设计，这样大大提高了线路度和线对内两根导线的绞合度都经过了精心的设计，这样大大提高了线路的传输质量。的传输质量。l 6类线类线增加了绝缘的十字骨架，电缆的直径更粗，将双绞线的增加了绝缘的十字骨架，电缆的直径更粗，将双绞线的4对线分别置对线分别置于十字骨架的于十字骨架的4个凹槽内，保持个凹槽内，保持4对双绞线的相对位置，如图对双
28、绞线的相对位置，如图2-12所示，从所示，从而提高了电缆的平衡特性和抗干扰性，而且传输的衰减也更小。而提高了电缆的平衡特性和抗干扰性，而且传输的衰减也更小。2.2.3 同轴电缆（同轴电缆（Coaxial cable） 1同轴电缆的物理特性同轴电缆的物理特性l 同轴电缆是由绕同一轴线的两个导体所组成，即同轴电缆是由绕同一轴线的两个导体所组成，即内导体内导体（铜芯导线）（铜芯导线）和和外导体外导体(屏蔽层屏蔽层)，外导体的作用是屏蔽电磁干扰和辐射，两导体之间，外导体的作用是屏蔽电磁干扰和辐射，两导体之间用绝缘材料隔离，如图用绝缘材料隔离，如图2-14所示。同轴电缆具有较高的带宽和极好的抗所示。同轴
29、电缆具有较高的带宽和极好的抗干扰特性。干扰特性。图图2-14 同轴电缆结构图同轴电缆结构图l 同轴电缆又可分为两类：同轴电缆又可分为两类：粗缆粗缆和和细缆细缆。经常提到的。经常提到的10BASE-2和和10Base-5以太网就是分别使用细同轴电缆和粗同轴电缆组网的。用同轴电缆组网，以太网就是分别使用细同轴电缆和粗同轴电缆组网的。用同轴电缆组网，需要在两端连接需要在两端连接50的反射电阻，这就是通常所说的终端匹配器。的反射电阻，这就是通常所说的终端匹配器。l 使用同轴电缆同轴电缆组网的其它连接设备，细缆与粗缆的不尽相使用同轴电缆同轴电缆组网的其它连接设备，细缆与粗缆的不尽相同，即使名称一样，其规
30、格、大小也是有差别的。同，即使名称一样，其规格、大小也是有差别的。 2. 细缆组网常用的连接设备细缆组网常用的连接设备图图2-15 细缆常用连接设备细缆常用连接设备2.2.4 光缆（光缆（Fiber Optical Cable） 1光纤的物理特性光纤的物理特性 l 光纤是一种由石英玻璃纤维或塑料制成的，直径很细，能传导光信光纤是一种由石英玻璃纤维或塑料制成的，直径很细，能传导光信号的媒体，如图号的媒体，如图2-16所示。所示。 一根光缆中至少应包括两条独立的导芯，一根光缆中至少应包括两条独立的导芯，一条发送，另一条接收。一条发送，另一条接收。图图2-16 光纤结构示意图光纤结构示意图l 一根光
31、缆可以包括二至数百根光纤，并用加强芯和填充物来提高机械一根光缆可以包括二至数百根光纤，并用加强芯和填充物来提高机械强度。光束在玻璃纤维内传输，防磁防电，传输稳定，质量高。因此光强度。光束在玻璃纤维内传输，防磁防电，传输稳定，质量高。因此光纤多适用于高速网络和骨干网。纤多适用于高速网络和骨干网。l 根据使用的光源和传输模式，光纤可分为根据使用的光源和传输模式，光纤可分为多模光纤多模光纤和和单模光纤单模光纤。l 单模光纤单模光纤采用注人式激光二极管作为光源，激光的定向性强。单模光纤采用注人式激光二极管作为光源，激光的定向性强。单模光纤的芯线直径非常接近光波的波长，当激光束进人玻璃芯中的角度差别很小
32、的芯线直径非常接近光波的波长，当激光束进人玻璃芯中的角度差别很小时，光线则不必经过多次反射式的传播，而是一直向前传播能以单一的模时，光线则不必经过多次反射式的传播，而是一直向前传播能以单一的模式无反射地沿直线传播，如图式无反射地沿直线传播，如图2-17所示。所示。 玻璃芯的直径接近光波波长玻璃芯的直径接近光波波长图图 2-17 单模光纤传播示意图单模光纤传播示意图 玻璃芯的直径大于光波波长玻璃芯的直径大于光波波长图图 2-18 多模光纤传播示意图多模光纤传播示意图l 多模光纤多模光纤采用发光二极管产生可见光作为光源，当光纤芯线的直径采用发光二极管产生可见光作为光源，当光纤芯线的直径比光波波长大
33、很多时，由于光束进入芯线中的角度不同传播路径也不比光波波长大很多时，由于光束进入芯线中的角度不同传播路径也不同，这时光束是以多种模式在芯线内不断反射而向前传播，如图同，这时光束是以多种模式在芯线内不断反射而向前传播，如图2-18所示。所示。2光纤的特点光纤的特点 l 光纤有较大的带宽，通信容量大。光纤有较大的带宽，通信容量大。l 光纤的传输速率高，能超过千兆位光纤的传输速率高，能超过千兆位/ /秒。秒。l 光纤的传输衰减小，连接的范围更广。光纤的传输衰减小，连接的范围更广。l 光纤不受外界电磁波的干扰，因而电磁绝缘性能好，适宜在电气光纤不受外界电磁波的干扰，因而电磁绝缘性能好，适宜在电气干扰严
34、重的环境中干扰严重的环境中使用。使用。l 光纤无串音干扰，不易被窃听和截取数据，因而安全保密性好。光纤无串音干扰，不易被窃听和截取数据，因而安全保密性好。 3光纤的规格光纤的规格 返回本节首页返回本节首页返回本章首页返回本章首页2.3 无线通信技术无线通信技术 2.3.1 电磁波谱电磁波谱 描述电磁波的参数有三个：描述电磁波的参数有三个：波长波长 、频率频率f 和和光速光速C。三者间的关系三者间的关系为：为：C=f 电磁波的传播有两种方式：一种是在有限空间领域内传播，电磁波的传播有两种方式：一种是在有限空间领域内传播，如利用如利用双绞线、同轴电缆和光纤来传输电磁波双绞线、同轴电缆和光纤来传输电
35、磁波；另一种方式是在自由空间中另一种方式是在自由空间中传播，即通过无线方式传播。传播，即通过无线方式传播。1. 电磁波电磁波2. 电磁波的频谱图电磁波的频谱图 按照频率由低到高的顺序排列，不同频率的电磁波可以分为无线电按照频率由低到高的顺序排列，不同频率的电磁波可以分为无线电、红外线红外线、可见光可见光、紫外线紫外线、X射线和射线和射线射线,如图如图2-19所示。所示。 图图2-19 电磁波谱与通信类型关系示意图电磁波谱与通信类型关系示意图 2.3.2 无线电通信无线电通信 无线电通信主要有以下一些特点：无线电通信主要有以下一些特点：l 传播距离较远，容易穿过建筑物，而且无线电波是全方向传播的
36、，因此无传播距离较远，容易穿过建筑物，而且无线电波是全方向传播的，因此无线电波的发射和接收装置不必要求精确对准。线电波的发射和接收装置不必要求精确对准。 l 无线电波极易受到电子设备的各种电磁干扰无线电波极易受到电子设备的各种电磁干扰 ，并且其传播特性与频率密，并且其传播特性与频率密切相关。切相关。 l 中、低频中、低频（频率在（频率在1MHz以下）无线电波以下）无线电波沿地球表面沿地球表面传播，能轻易地绕传播，能轻易地绕过一般障碍物，但其能量随着传播距离的增大而急剧下降，且通信带宽过一般障碍物，但其能量随着传播距离的增大而急剧下降，且通信带宽较低，如图较低，如图2-20(a)所示。所示。l
37、高频和甚高频高频和甚高频（频率在（频率在3MHz1GHz之间）无线电波趋于之间）无线电波趋于直线传播直线传播，易受障碍物的阻挡并将被地球表面吸收。但是到达离地球表面大约易受障碍物的阻挡并将被地球表面吸收。但是到达离地球表面大约100km500km高度的带电粒子层的无线电波将被反射回地球表面，如图高度的带电粒子层的无线电波将被反射回地球表面，如图2-20(b)所示。所示。我们可以利用无线电波的这种特性来进行数据通信。我们可以利用无线电波的这种特性来进行数据通信。 图图2- -20 无线电波传播示意图无线电波传播示意图 2.3.3 微波通信微波通信 微波通信主要有以下一些特点：微波通信主要有以下一
38、些特点：l 微波的频率范围为微波的频率范围为2GHz400GHz，其典型的工作频率为其典型的工作频率为2GHz、4GHz、8GHz和和12GHz。微波在空间主要是。微波在空间主要是直线传播直线传播，所以微波的发所以微波的发射天线和接收天线必须精确对准。又射天线和接收天线必须精确对准。又由于微波会穿透电离层而进入宇由于微波会穿透电离层而进入宇宙空间，因此它不像无线电通信可以经电离层反射传播到地面上很远宙空间，因此它不像无线电通信可以经电离层反射传播到地面上很远的地方。的地方。l 微波经长距离传送后会发生衰减，因此每隔一段距离就需要架设一微波经长距离传送后会发生衰减，因此每隔一段距离就需要架设一个
39、个微波中继站微波中继站，两个中继站之间的距离一般为，两个中继站之间的距离一般为30km50km，如图如图2-21所示。所示。图图2-21 微波通信示意图微波通信示意图2.3.4 卫星通信卫星通信 l 微波微波波段频率很高，其频段范围也很宽，因此其通信信道的容量很大，波段频率很高，其频段范围也很宽，因此其通信信道的容量很大，可同时传送大量的信息，且传输质量也比较稳定。可同时传送大量的信息，且传输质量也比较稳定。与相同容量和长度的与相同容量和长度的电缆载波通信比较，微波通信建设投资少、见效快。电缆载波通信比较，微波通信建设投资少、见效快。l 微波通信的微波通信的缺点缺点是：它在雨雪天气传输时会被吸
40、收，从而造成损耗，是：它在雨雪天气传输时会被吸收，从而造成损耗，而且微波的保密性也不如电缆和光缆好，对于保密性要求比较高的应用而且微波的保密性也不如电缆和光缆好，对于保密性要求比较高的应用场合需要另外采取加密措施。场合需要另外采取加密措施。 卫星通信实质上就是在地面站之间利用地球上空三万六千公里的同步地卫星通信实质上就是在地面站之间利用地球上空三万六千公里的同步地球卫星作为中继器的一种球卫星作为中继器的一种微波接力通信微波接力通信。 卫星通信主要有以下一些特点：卫星通信主要有以下一些特点：l 通信距离远、通信距离远、容量大、质量稳定、容量大、质量稳定、可靠性高。在电波覆盖范围内，任可靠性高。在
41、电波覆盖范围内，任何一处都可以通信，且通信费用与通信距离无关。何一处都可以通信，且通信费用与通信距离无关。 l 卫星通信可以克服地面微波通信距离的限制。一个同步卫星可以覆盖卫星通信可以克服地面微波通信距离的限制。一个同步卫星可以覆盖地球的三分之一以上的表面地球的三分之一以上的表面只要在地球赤道上空的同步轨道上等距离地只要在地球赤道上空的同步轨道上等距离地放置三颗相隔放置三颗相隔120度的卫星，就能基本上实现全球的通信，如图度的卫星，就能基本上实现全球的通信，如图2-22所示。所示。l 信号信号受陆地灾害影响小，易于实现广播通信和多址通信。受陆地灾害影响小，易于实现广播通信和多址通信。l 卫星通
42、信的卫星通信的缺点缺点是：是：通信费用高，延时较大，通信费用高，延时较大，不管两个地面站之间的不管两个地面站之间的地面距离是多少，传播的延迟时间都为地面距离是多少，传播的延迟时间都为270ms，这这比比地面电缆地面电缆的的传播延迟传播延迟时间要时间要高高几个数量级。几个数量级。图图 2-22 卫星通信示意图卫星通信示意图2.3.5 移动通信移动通信 l 移动通信移动通信主要是指：移动物体与固定物体，移动物体与移动物体主要是指：移动物体与固定物体，移动物体与移动物体之间的通信。移动物体之间的通信通常依靠移动通信系统之间的通信。移动物体之间的通信通常依靠移动通信系统（Mobile Telecomm
43、unications System，MTS）来实现）来实现。l 目前实际应用的移动通信系统主要有：蜂窝移动通信系统、无绳电目前实际应用的移动通信系统主要有：蜂窝移动通信系统、无绳电话系统、无线电寻呼系统、话系统、无线电寻呼系统、AdHoc网络系统以及卫星移动通信系统等网络系统以及卫星移动通信系统等 1. 移动通信的含义移动通信的含义2. 移动通信系统的发展移动通信系统的发展 移动通信系统通常分为以下几代：移动通信系统通常分为以下几代： l 1G（The First Generation）。）。1G 系统又称为系统又称为类比式移动电话系类比式移动电话系统统（AMPS），自），自20世纪世纪80年
44、代起开始使用。该系统的通话方式年代起开始使用。该系统的通话方式是蜂窝电话标准，仅限语音的传送。是蜂窝电话标准，仅限语音的传送。l 2G（The Second Generation）。）。2G系统又称为系统又称为数字移动通信系数字移动通信系统统，对语音以数字化方式传输，除具有通话功能外，还引入了短，对语音以数字化方式传输，除具有通话功能外，还引入了短信功能。信功能。l 3G（The Third Generation）。）。3G系统又称为系统又称为多媒体移动通信系多媒体移动通信系统统，它是一种将无线通信与互联网多媒体通信相结合的新一代移，它是一种将无线通信与互联网多媒体通信相结合的新一代移动通信系
45、统。动通信系统。3G系统能够处理图像、声音、视频等多媒体信息，系统能够处理图像、声音、视频等多媒体信息，提供网页浏览、电话会议、电子商务信息等多种服务。提供网页浏览、电话会议、电子商务信息等多种服务。返回本节首页返回本节首页返回本章首页返回本章首页l 4G（The Forth Generation）。目前的移动通信系统刚刚步入）。目前的移动通信系统刚刚步入4G时时代，代，4G系统的主要目标是系统的主要目标是多功能集成的宽带移动通信系统多功能集成的宽带移动通信系统，并提高，并提高移动装置无线访问互联网的速度。移动装置无线访问互联网的速度。l 5G（The Fifth Generation）。）。
46、 最新一代移动通信技术标准，也是最新一代移动通信技术标准，也是继继4G之后的延伸，它具有更高的传输速率、更快的反应速度和更大之后的延伸，它具有更高的传输速率、更快的反应速度和更大的连接数量。的连接数量。5G技术的特点可简单概括为：技术的特点可简单概括为：“无与伦比的速度、既无与伦比的速度、既实时又可靠、人多也没问题、啥都能通信、体验俱佳实时又可靠、人多也没问题、啥都能通信、体验俱佳”。 2.4 数据交换技术数据交换技术 2.4.1 电路交换（电路交换（Circuit Switching） 一般我们按照通信子网中的网络结点对进入子网的数据所实施的转发一般我们按照通信子网中的网络结点对进入子网的数
47、据所实施的转发方式的不同来分类，可将数据交换的方式分为以下两大类：方式的不同来分类，可将数据交换的方式分为以下两大类：l 电路交换电路交换l 存储存储/转发交换转发交换 电路交换电路交换也称为线路交换，是一种直接的交换方式，也称为线路交换，是一种直接的交换方式，与电话交换方与电话交换方式的工作过程很类似。两台计算机通过通信子网交换数据之前，首先式的工作过程很类似。两台计算机通过通信子网交换数据之前，首先要在通信子网中通过一个一个交换设备间的线路连接，建立一条实际要在通信子网中通过一个一个交换设备间的线路连接，建立一条实际的专用的物理通路。的专用的物理通路。 电路交换实现数据通信需经过电路交换实
48、现数据通信需经过建立连接建立连接、数据传输数据传输、释放连接释放连接三个三个步骤，如图步骤，如图2-23所示所示图图2-23 电路交换示意图电路交换示意图电路交换的优、缺点：电路交换的优、缺点：l 实时性好，实时性好，适用于实时或交互式会话类通信，如数字语音，传真等适用于实时或交互式会话类通信，如数字语音，传真等通信业务。通信业务。 l 呼叫时间大大长于数据的传送时间，通信线路的利用率不高，并且呼叫时间大大长于数据的传送时间，通信线路的利用率不高，并且整个系统也不具备存储数据的能力，无法发现与纠正传输过程中发生整个系统也不具备存储数据的能力，无法发现与纠正传输过程中发生的数据差错，系统效率较低
49、的数据差错，系统效率较低。l 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。和传输控制等一致才能完成通信。2.4.2 存储存储/转发交换（转发交换（Store-and-forward Switching） 存储存储/转发式交换是指网络结点先将途经的数据按传输单元接收并存转发式交换是指网络结点先将途经的数据按传输单元接收并存储下来，然后选择一条适当的链路转发出去。根据转发的数据单元的储下来，然后选择一条适当的链路转发出去。根据转发的数据单元的不同，存储不同，存储/转发方式交换又可分为两类：转发方式
50、交换又可分为两类：l 报文交换报文交换l 分组交换分组交换1. 报文交换（报文交换（Message Switching） l 报文交换是指网络中的每一个结点先将整个报文交换是指网络中的每一个结点先将整个报文报文（Message）完整地）完整地接收并存储下来，然后选择合适的链路转发到下一个结点。每个结点都接收并存储下来，然后选择合适的链路转发到下一个结点。每个结点都对报文进行如此存储转发，最终到达目的地，如图对报文进行如此存储转发，最终到达目的地，如图2-24所示。所示。 图图2-24 报文交换示意图报文交换示意图 l 源结点和目标结点在通信时不需要建立一条专用的通路，与电路交源结点和目标结点在