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1、第2讲数据通信本讲稿第一页，共五十一页提纲n一、基本概念、相关术语n二、信号表示n三、数据表示n四、数据通信方式n五、传输介质本讲稿第二页，共五十一页一、基本概念与相关术语n数据通信技术是网络技术发展的基础，而通信的目的是交换信息，信息的载体可以是数字、文字、语音、图形、图像等，而我们用计算机表示的信息如SINA的某网页它所传达的信息一般是字母、数字、图形等的组合，为了传送这些信息，首先要将这些字母、数字、图形用二进制代码来进行表示，数据通信就是指在不同计算机之间传送这些表示字母、数字、图形的二进制代码0、1比特序列的过程。本讲稿第三页，共五十一页n数据（Data）n信号（Signal）n信息
2、（information）n信源(source)n信宿(destination)n信道（channel）n介质（medium）几个术语的解释 本讲稿第四页，共五十一页数据（Data）n数据（Data）数据可分为模拟数据和数字数据。模拟数据是在某区间内连续变化的值；数字数据是离散的值。n狭义的“数据”通常是指具有一定数字特性的信息，如统计数据、气象数据、测量数据及计算机中区别于程序的计算数据等。n但在计算机网络系统中，数据通常被广义地理解为在网络中存储、处理和传输的二进制数字编码。本讲稿第五页，共五十一页信号（Signal）n信号是数据的电子或电磁编码。信号可分为模拟信号和数字信号。模拟信号是随
3、时间连续变化的电流、电压或电磁波；数字信号则是一系列离散的电脉冲。n信号（Signal）简单地讲就是携带信息的传输介质。n在通信系统中我们常常使用的电信号、电磁信号、光信号、载波信号、脉冲信号、调制信号等术语就是指携带某种信息的具有不同形式或特性的传输介质。本讲稿第六页，共五十一页n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;n数据是把事件的某些属性规范化后的表现形式;n信号是数据的具体的物理表现。信息（information）是数据的内容和解释。本讲稿第七页，共五十一页雪六角形凉白色信息数据信号本讲稿第八页，共五十一页n信源(source)通信过程中产生和发送信息的设备或计算机。n信
4、宿(destination)通信过程中接收和处理信息的设备或计算机。n信道（channel）信源和信宿之间的通信线路。n介质（medium）物理介质，信号的实际载体。本讲稿第九页，共五十一页本讲稿第十页，共五十一页二、信号表示n模拟信号和数字信号可通过参量(幅度)来表示：如电话线上传输的是按照声音的强弱幅度连续变化的电信号称为模拟信号（analogy signal）而计算机中是用两种不同的电平去表示0、1比特序列的电压脉冲信号称为数字信号（digital）本讲稿第十一页，共五十一页模拟：波动性；持续变化；反映事物的本质；在电信业已经被广泛 使用超过100年；数字：离散性；跃变性；设备性能先进，
5、较为便宜；模拟与数字的特点：本讲稿第十二页，共五十一页三.数据的表示 n模拟数据和数字数据都可以用模拟信号或数字信号来表示n因而无论信源产生的是模拟数据还是数字数据，在传输过程中都可以用适合于信道传输的某种信号形式来传输 本讲稿第十三页，共五十一页本讲稿第十四页，共五十一页数据通信的长距离传输及信号衰减的克服 n1)模拟信号和数字信号都可以在合适的传输媒体上进行传输n2)模拟信号无论表示模拟数据还是数字数据,在传输一定距离后都会衰减。克服的办法是用放大器来增强信号的能量，但噪音分量也会增强，以至引起信号畸变。n3)数字信号长距离传输也会衰减，克服的办法是使用中继器，把数字信号恢复为0、1的标准
6、电平后继续传输。本讲稿第十五页，共五十一页四、数据通信方式几个问题：串、并行？单、双工？本讲稿第十六页，共五十一页n1.并行通信方式并行通信传输中有多个数据位，同时在两个设备之间传输。n发送设备将这些数据位通过对应的数据线传送给接收设备，还可附加一位数据校验位。接收设备可同时接收到这些数据，不需要做任何变换就可直接使用。n并行方式主要用于近距离通信。计算机内的总线结构就是并行通信的例子。n这种方法的优点是传输速度快，处理简单。本讲稿第十七页，共五十一页n2.串行通信方式串行数据传输时，数据是一位一位地在通信线上传输的，先由具有几位总线的计算机内的发送设备，将几位并行数据经并-串转换硬件转换成串
7、行方式，再逐位经传输线到达接收站的设备中，并在接收端将数据从串行方式重新转换成并行方式，以供接收方使用。n串行数据传输的速度要比并行传输慢得多?但对于覆盖面极其广阔的公用电话系统来说具有更大的现实意义。本讲稿第十八页，共五十一页n3.串行通信的方向性串行数据通信的方向性结构有三种，即单工、半双工和全双工。本讲稿第十九页，共五十一页五、传输介质n传输介质是网络中连接收发双方的物理通道，也是通信中实际传送信息的载体，常用的传输介质有：n双绞线、同轴电缆、光纤、无线电短波通信、地面微波接力通信、红外线和激光、卫星通信、VSAT卫星通信 本讲稿第二十页，共五十一页1、双绞线n双绞线可分为非屏蔽双绞线(
8、UTP)和屏蔽双绞线(STP)两大类：nSTP外面由一层金属材料包裹，以减小辐射，防止信息被窃听，同时具有较高的数据传输速率，但价格较高，安装也比较复杂;nUTP无金属屏蔽材料，只有一层绝缘胶皮包裹，价格相对便宜，组网灵活。除某些特殊场合(如受电磁辐射严重、对传输质量要求较高等)在布线中使用STP外，一般情况下我们都采用UTP。本讲稿第二十一页，共五十一页本讲稿第二十二页，共五十一页 UTP非屏蔽双绞线结构：4对线 根铜芯：橙白橙绿白蓝蓝白绿棕白棕分类：按照传输速度分：*3类线 带宽 16Mbps*4类线 带宽 20Mbps*5类线 带宽 100Mbps*超5类线 带宽 100Mbps*6类线
9、 带宽 250Mbps*7类线 带宽 600Mbps特点：*最长传输距离 100M*一箱双绞线为305M 本讲稿第二十三页，共五十一页n双绞线有两种接法：EIA/TIA 568B标准和EIA/TIA 568A标准。具体接法如下：n T568A线序 1 2 3 4 5 6 7 8 绿白 绿 橙白 蓝 蓝白 橙 棕白 棕 T568B线序 1 2 3 4 5 6 7 8 橙白 橙 绿白 蓝 蓝白 绿 棕白 棕 直通线：两头都按T568B线序标准连接。交叉线：一头按T568A线序连接，一头按T568B线序连接。本讲稿第二十四页，共五十一页2 同轴电缆n典型的同轴电缆（Coaxial Cable）由一根
10、内导体铜质芯线外加绝缘层、密集网状编织导电金属屏蔽层以及外包装保护塑橡材料组成，其结构如图所示。本讲稿第二十五页，共五十一页n同轴电缆分类粗缆：造价高,不用细缆:造价低,少用特点 使用头做线 使用型头连接总线 连接终端电阻50 用于总线型拓扑 本讲稿第二十六页，共五十一页本讲稿第二十七页，共五十一页 光导纤维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所示。3 光纤 本讲稿第二十八页，共五十一页n实际上，只要射到光纤表面的光线的入射角大于某一临界角度，就可以产生全反射，并且可以存在许多条不同角度入射的光线在一条光纤中传输，这种光纤就称为多模光纤（Mul
11、timode Fiber），如图所示。（a a）折射角大于入射角）折射角大于入射角 （b b）光波在纤芯中传播）光波在纤芯中传播 （c c）62.5/125m62.5/125m渐变渐变增强型多模光纤增强型多模光纤 图图 多模光纤多模光纤 本讲稿第二十九页，共五十一页典型的光纤传输系统的结构如图所示。本讲稿第三十页，共五十一页优点n光纤：单模与多模光纤n光源：发光二极管LED与ILD注入激光二极管 n 传输速率高 连通性好 传输距离长 抗干扰性强 相对价格低 本讲稿第三十一页，共五十一页4、无线通信n电磁波的三个参数：波长 ,频率f,光速C=3x xf=Cn电磁波传播方式有二种：一是无线传输，一
12、是有线传输，如光纤n不同频率的电磁波可以分为：无线电、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线、射线n用于通信的有：无线电、微波、红外线、可见光。nITU根据不同频率将不同波段进行了划分与命名：低频、中频、高频、甚高频、特高频、超高频、极高频本讲稿第三十二页，共五十一页不同传输介质可以传输不同频率的信号，如：上图所示 双绞线、同轴、光缆它们一般用于固定物体间通信 而移动物体与移动物体、移动与固定物体间的通信，都属于移动通信，移动通信只能靠无线通信手段，主要有以下几种无线通信手段：无线通信、微波通信、蜂窝移动通信、卫星通信系统、vsat低轨道卫星系统本讲稿第三十三页，共五十一页无线电通信 n在一些电
13、缆光纤难于通过或施工困难的场合，例如，高山、湖泊或岛屿等，即使在城市中挖开马路敷设电缆有时也很不划算，特别是通信距离很远，对通信安全性要求不高，敷设电缆或光纤既昂贵又费时，若利用无线电波等无线传输介质在自由空间传播，就会有较大的机动灵活性，可以轻松实现多种通信，抗自然灾害能力和可靠性也较高。长波、中波、短波、超短波、微波本讲稿第三十四页，共五十一页n无线电波通过多种传输方式从发射天线到接收天线。主要有自由空间波5，对流层反射波4，电离层波2和地波1。无线电波的传播特性本讲稿第三十五页，共五十一页n表面波传播，就是电波沿着地球表面到达接收点的传播方式，如下图中1所示。电波在地球表面上传播，以绕射
14、方式可以到达视线范围以外。地面对表面波有吸收作用，吸收的强弱与带电波的频率，地面的性质等因素有关。n天波传播，就是自发射天线发出的电磁波，在高空被电离层反射回来到达接收点的传播方式。如下图中2所示。电离层对电磁波除了具有反射作用以外，还有吸收能量与引起信号畸变等作用。其作用强弱与电磁波的频率和电离层的变化有关。n散射传播，就是利用大气层对流层和电离层的不均匀性来散射电波，使电波到达视线以外的地方。如下图中4所示。对流层在地球上方约10英里处，是异类介质，反射指数随着高度的增加而减小。n外层空间传播，就是无线电在对流层，电离层以外的外层空间中的传播方式。如下图中的5所示。这种传播方式主要用于卫星
15、或以星际为对象的通信中，以及用于空间飞行器的搜索，定位，更踪等。自由空间波又称为直达波，沿直线传播，用于卫星和外部空间的通信，以及陆地上的视距传播。视线距离通常为50km左右。本讲稿第三十六页，共五十一页地面微波接力通信 n无线电数字微波通信系统在长途大容量的数据通信中占有及其重要的地位，其频率范围为300MHz300GHz。n微波通信主要有两种方式：地面微波接力通信和卫星通信。n微波在空间主要是直线传播，并且能穿透电离层进入宇宙空间，它不像短波那样经电离层反射传播到地面上其他很远的地方，由于地球表面是个曲面，因此其传播距离受到限制且与天线的高度有关，一般只有50km左右，长途通信时必须建立多
16、个中继站，中继站把前一站发来的信号经过放大后再发往下一站，类似于“接力”，如果中继站采用100m高的天线塔，则接力距离可增大到100 km。本讲稿第三十七页，共五十一页本讲稿第三十八页，共五十一页微波信号传输的特点是：微波信号传输的特点是：（1 1）只能进行视距传播）只能进行视距传播 因因为为微微波波信信号号没没有有绕绕射射功功能能，所所以以两两个个微微波波天天线线只只能能在在可可视视，即即中中间无物体遮挡的情况下，才能正常接受。间无物体遮挡的情况下，才能正常接受。（2 2）大气对微波信号的吸收与散射影响较大）大气对微波信号的吸收与散射影响较大 由由于于微微波波信信号号波波长长较较短短，因因此
17、此利利用用机机械械尺尺寸寸相相对对较较小小的的抛抛物物面面天天线线，就就可可以以将将微微波波信信号号能能量量集集中中在在一一个个很很小小的的波波束束内内发发送送出出去去。这这样样就就可可以以用用很很小小的的发射功率来进行远距离通信。发射功率来进行远距离通信。同同时时，由由于于微微波波天天线线的的高高度度方方向向性性，因因此此在在地地面面一一般般采采用用点点点点通通信信方方式式，微微波波频频率率很很高高，故故可可以以获获得得较较大大的的通通信信带带宽宽。特特别别是是适适用用于于卫卫星星通通信信与与城城市市建筑物之间的通信。建筑物之间的通信。本讲稿第三十九页，共五十一页微波抛物面天线 微波-全向天
18、线 微波-矩形栅格天线 本讲稿第四十页，共五十一页蜂窝无线通信 将一个区域化分为多个小区，每个小区将一个区域化分为多个小区，每个小区（CellCell）中建立一个基站）中建立一个基站BSBS，通过基站，通过基站在用户的移动台（在用户的移动台（MSMS）之间建立通信。）之间建立通信。小区小区覆盖半径小，一般为覆盖半径小，一般为1-201-20公里。因此，可以用较小的功率实现双向通信。公里。因此，可以用较小的功率实现双向通信。如果每个基站提供如果每个基站提供1-1-几个频道，可容纳的移动用户数就可以有几十到几百个。几个频道，可容纳的移动用户数就可以有几十到几百个。这样，有多个小区构成的通信系统的总
19、容量将大大提高。由若干个小区构成这样，有多个小区构成的通信系统的总容量将大大提高。由若干个小区构成的覆盖区叫做群区。由于群区的结构酷似蜂窝，故人们将小区制移动通信系的覆盖区叫做群区。由于群区的结构酷似蜂窝，故人们将小区制移动通信系统叫做统叫做蜂窝移动通信系统蜂窝移动通信系统 GSMGSM本讲稿第四十一页，共五十一页 第第一一代代蜂蜂窝窝移移动动通通信信是是模模拟拟方方式式，第第二二代代蜂蜂窝窝移移动动通通信信式式数数字字式式。人们目前正在推出的是第三代移动通信产品。人们目前正在推出的是第三代移动通信产品。3G3G 在在无无线线通通信信网网中中，任任一一用用户户发发送送的的信信号号均均能能被被其
20、其它它用用户户接接受受，所所以以网网中中用用户户如如何何能能从从接接受受的的信信号号中中识识别别出出本本地地用用户户地地址址，就就是多址接入问题。解决多址接入的方法称为多址接入技术。是多址接入问题。解决多址接入的方法称为多址接入技术。在在蜂窝移动通信系统中，多址接入方法有蜂窝移动通信系统中，多址接入方法有3 3种：种：频分多址接入频分多址接入FDMAFDMA、时分多址接入时分多址接入TDMATDMA、码分多址接入码分多址接入CDMACDMA。本讲稿第四十二页，共五十一页红外线和激光 n红外线通信和激光通信就是把要传输的信号分别转换成红外光信号和激光信号直接在自由空间沿直线进行传播，它比微波通信
21、具有更强的方向性，难以窃听、插入数据和进行干扰，但红外线和激光对雨雾等环境干扰特别敏感。本讲稿第四十三页，共五十一页卫星通信 n卫星通信就是利用位于3万6千公里高空的人造地球同步卫星作为太空无人值守的微波中继站的一种特殊形式的微波接力通信。卫星通信可以克服地面微波通信的距离限制，其最大特点就是通信距离远，且通信费用与通信距离无关。n卫星通信的优点是:卫星通信的频带比微波接力通信更宽，通信容量更大，信号所受到的干扰也较小，误码率也较小，通信比较稳定可靠。n卫星通信的缺点是：传播时延较长。本讲稿第四十四页，共五十一页 由由图图中中可可以以得得到到一一个个简简单单的的卫卫星星通通信信系系统统。它它是
22、是由由两两个个地地面面站站（发发送送站站、接接收收站站）与与一一颗颗通通信信卫卫星星组组成成。它它的的作作用用是是接接收收、放放大大与与发发送送信信息息。卫卫星星上上可可以有多个转发器。以有多个转发器。本讲稿第四十五页，共五十一页卫星系统功能方框图 本讲稿第四十六页，共五十一页 商商用用通通信信卫卫星星一一般般被被发发射射在在赤赤道道上上方方3590035900公公里里的的同同步步轨轨道道上上，地地球球与与卫卫星星之间可保持相对静止，三颗这样的卫星均匀分布，就可以覆盖全球。之间可保持相对静止，三颗这样的卫星均匀分布，就可以覆盖全球。7070年年代代后后，卫卫星星的的重重量量越越来来越越大大，技
23、技术术越越来来越越复复杂杂。例例如如19891989年年发发射射的的一一颗颗卫卫星星重重达达4 4吨吨，8080年年代代中中期期出出现现了了小小卫卫星星，出出现现了了中中、低低轨轨道道卫卫星星移移动动通通信信的新方法。的新方法。中中、低低轨轨道道卫卫星星不不是是同同步步卫卫星星，它它作作为为陆陆地地移移动动通通信信系系统统补补充充与与扩扩展展，与与地地面面公公用用通信网有机结合起来，才能实现全球个人移动通信。通信网有机结合起来，才能实现全球个人移动通信。低低轨轨道道移移动动通通信信系系统统实实现现了了个个人人通通信信优优点点：卫卫星星轨轨道道低低，传传输输延延时时缩缩短短，多多卫卫星星组成的星
24、座可以真正覆盖全球。组成的星座可以真正覆盖全球。本讲稿第四十七页，共五十一页VSAT卫星通信 nVSAT（Very Small Aperture Terminal，甚小口径地球终端）是20世纪80年代末发展起来并于90年代得到广泛应用的新一代数字卫星通信系统。nVSAT网通常由一个卫星转发器、一个大型主站和大量的VSAT小站组成，能单双向传输数据、语音、图像、视频等多媒体综合业务。nVSAT具有很多优点，如：设备简单、体积小、耗电少、组网灵活、安装维护简便、通信效率高等，尤其适用于大量分散的业务量较小的用户共享主站，所以许多部门和企业多使用VSAT网来建设内部专用网。本讲稿第四十八页，共五十一页n1991年，摩托罗拉公司正式决定斥巨资建立由77颗低轨卫星组成的铱移动通信网络。之所以称该系统为“铱”，是因为元素铱的原子核周围有77个自由电子，与系统中的卫星数量一样多。后来铱系统的卫星数量减到了66颗，但并未改变称呼n铱星采用了先进的星上处理和星间链路技术，这相当于把地面蜂窝网倒置在空中。它的另一个先进之处是解决了卫星网与地面蜂窝网之间的跨协议漫游问题，从而实现了通信终端手持化和个人通信全球化。n1998年11月1日投入运营 n2000年3月18日破产：技术并不等于市场 本讲稿第四十九页，共五十一页本讲稿第五十页，共五十一页本讲稿第五十一页，共五十一页