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1、第2章 数据通信基础物理层第1页，本讲稿共50页2.2 数据通信的传输介质数据通信的传输介质 信道是指以传输介质为为基础的信号通路，它是传输数据的物理基础。有线传输介质：有线传输介质：包括双绞线、同轴电缆和光纤。无线传输介质：无线传输介质：包括无线电、微波、卫星、移动通信等各种通信介质。2.2.1 2.2.1 双绞线（双绞线（twisted pair)twisted pair)每一对双绞线由绞合在一起的相互绝缘的两根铜线组成，每根铜线的直径大约每一对双绞线由绞合在一起的相互绝缘的两根铜线组成，每根铜线的直径大约1mm1mm。减少电磁干扰，提高传输质量。电话线就是双绞线。双绞线可以用于传输模拟传
2、输或数字传输。双绞线可以用于传输模拟传输或数字传输。计算机局域网中经常使用的双绞线有屏蔽和非屏蔽之分计算机局域网中经常使用的双绞线有屏蔽和非屏蔽之分。屏蔽双绞线屏蔽双绞线(STP(STP，Shielded Twisted Pair)Shielded Twisted Pair)：抗干扰性好，性能高，用于远程中继线时，最大距离可以达到十几公里。用于远程中继线时，最大距离可以达到十几公里。但成本也较高，所以一直没有广泛使用。非屏蔽双绞线非屏蔽双绞线(UTP(UTP，Unshielded Twisted Pair)Unshielded Twisted Pair)：非屏蔽双绞线的传输距离一般为非屏蔽双绞
3、线的传输距离一般为100100米米由于它较好的性能价格比，目前被广泛使用。非屏蔽双绞线有非屏蔽双绞线有1 1、2 2、3 3、4 4、5 5五类，常用的是五类，常用的是3 3类线和类线和5 5类线，类线，5 5类线既可支持类线既可支持 100Mbps 100Mbps的快速以太网连接，又可支持到的快速以太网连接，又可支持到150Mbps150Mbps的的ATMATM数据传输，是连接桌面设备的首选传输介质。数据传输，是连接桌面设备的首选传输介质。第2页，本讲稿共50页双绞线最便宜的传输媒介易受环境中电信号的干扰通常用于较短距离的连接第3页，本讲稿共50页2.2.2 2.2.2 同轴电缆同轴电缆(c
4、oaxial cable)同轴电缆由同轴的内外两个导体组成，内导体是一根金属线，外导体是一根圆柱形的同轴电缆由同轴的内外两个导体组成，内导体是一根金属线，外导体是一根圆柱形的套管，一般是细金属线编制成的网状结构，内外导体之间有绝缘层套管，一般是细金属线编制成的网状结构，内外导体之间有绝缘层。如图。另外，同轴电缆的两端需要有两端需要有终结器终结器(用50欧姆或75欧姆的电阻连接内外导体)，中间连接需要连接需要收发器收发器、T T形头形头、筒形连接器筒形连接器等器件等器件。同轴电缆基本结构示意图 同轴电缆支持点到点连接，也支持多点连接。分为基带同轴基带同轴电缆和宽带同轴宽带同轴电缆。基基带带同同轴
5、轴电电缆缆一一般般用用于于二二进进制制数数据据信信号号的的传传输输，多多用用于于计计算算机机局局域域网网；宽宽带带同同轴轴电电缆缆主主要要用用于于高高带带宽宽数数据据通信，支持多路复用。通信，支持多路复用。基基带带同同轴轴电电缆缆又又分分为为粗粗缆缆和和细细缆缆。粗粗缆缆多多用用于于局局域域网网主主干干，支支持持25002500米米的的传传输输距距离离，可可以以连连接接数数千千台台设设备备，但但其其价价格格较较高高；细细缆缆多多用用于于与与用户桌面连接，级连使用可支持用户桌面连接，级连使用可支持800800米的传输距离，但一般不超过米的传输距离，但一般不超过180180米，可以连接数千台设备。
6、米，可以连接数千台设备。基带同轴电缆的最大优点是抗干扰性强，而且支持多点连接。缺点是物理可靠性不好，在公用机房、教学楼等人员嘈杂的地方，极易出现故障，而且一点发生故障，整段局域网都无法通信，所以基本已被非屏蔽双绞线所取代。第4页，本讲稿共50页同轴电缆比较便宜绝缘层保护外层绝缘层外导体第5页，本讲稿共50页2.2.3 2.2.3 光缆光缆(optical fiber)光纤即光导纤维。利用光导纤维作为光的传输介质，以光波为信号载体的光纤通信，只光纤即光导纤维。利用光导纤维作为光的传输介质，以光波为信号载体的光纤通信，只20/3020/30年的历史。年的历史。19601960年，年，美美MAINM
7、ANMAINMAN，红宝石激光器，红宝石激光器 19661966年，年，英籍华人高锟（英籍华人高锟（C C。K K。KAOKAO）博士提出，）博士提出，Sio2 Sio2 石英玻璃石英玻璃制成光纤，低消耗制成光纤，低消耗 19701970年，年，美国康宁公司制出了损耗为美国康宁公司制出了损耗为2020分贝的光纤。分贝的光纤。1 1、光纤通信的原理光纤通信的原理 见图，入射角入射角逐渐增大，12是折射角，当入光纤通信的原理，是基于光线由光密介质进入光疏介质光密介质进入光疏介质时，在入射角足够大的情况下会发生全反射的特性射角达到在入射角足够大的情况下会发生全反射的特性射角达到33时，发生全反射，即
8、光波能量几乎全部反射，时，发生全反射，即光波能量几乎全部反射，这样才可以达到长距离高速传输的目的。光纤通信的原理第6页，本讲稿共50页 2.2.室外光缆和室内光纤室外光缆和室内光纤光纤传输介质有室外光缆和室内光纤室外光缆和室内光纤之分室外光缆室外光缆，主要用于室外环境，可以架空或走地下管道。由于室外光缆所处环境比较恶劣，需要防水、防晒、防压、防化学侵蚀等，所以需要有很好保护，其结构如图所示。室外光缆 室内光纤，室内光纤，主要用于室内，单根光纤加上稍许保护材料。光波在纤芯上传播。纤芯是一种直径50到100微米的柔软的光导介质，成分主要是二氧化硅。在折射率 较高的纤芯外面，由折射率较低的包层包裹着
9、，以保证在界面上光波可以发生全反射。光纤(单根)3 3、单模和多模两种单模和多模两种 单模光纤指光纤做得极细，接近光波波长，光信号只能与光纤轴成单个可辨角度传输。多模光纤的纤芯比单模的粗，光信号与光纤轴成多个可辨角度传输。单模光纤成本较高，但性能很好，在几十公里内能以几千兆bps的速率传输数据。多模光纤成本较低，但性能比单模光纤差一些。第7页，本讲稿共50页光纤昂贵的传输媒介不受电信号的干扰使用于长距离、高速率的信号传输第8页，本讲稿共50页2.2.4 2.2.4 无线传输介质无线传输介质无线电、微波、卫星、移动通信等，各种无线介质传输介质对应的电磁波谱范围如图所示。各通信类型使用的电磁波谱范
10、围第9页，本讲稿共50页 在计算机网络领域，无线通信介质主要是微波和卫星在计算机网络领域，无线通信介质主要是微波和卫星。微波通信微波通信是指用频率在100MHz到10GHz的微波信号进行通信。特点是：特点是：只能进行可视范围内的通信；只能进行可视范围内的通信；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。微波通信主要用于几公里范围内，不适合铺设有线传输介质的情况，而且只能用于点微波通信主要用于几公里范围内，不适合铺设有线传输介质的情况，而且只能用于点到点的通信，速率也不高，一般为几百到点的通信，速率也不高，一般为几百KbpsKbps。卫星通信卫星通信是指利用人造卫星进
11、行中转的通信方式。商用的通信卫星一般被发射在赤道上方3.6万公里的同步轨道上，另外也有中低轨道的小卫星通信，如Motorala公司的铱星系统。特点是：特点是：适合与很长距离的传输，如国际之间、洲际之间；适合与很长距离的传输，如国际之间、洲际之间；传输延时较大，一般为传输延时较大，一般为500ms500ms左右；左右；费用较高。费用较高。第10页，本讲稿共50页2.2.5 2.2.5 几种传输介质的比较几种传输介质的比较 下表列出了计算机通信中几种传输介质的比较。下表列出了计算机通信中几种传输介质的比较。我们在选择通信介质的时候，我们在选择通信介质的时候，一定要从性能、价格和使用场合等各个角度综
12、合考虑，一般来说，影响传输介质选择的因素包括：一定要从性能、价格和使用场合等各个角度综合考虑，一般来说，影响传输介质选择的因素包括：拓扑结构：拓扑结构：(如星形结构不适合选用同轴电缆，可选择双绞线方等方式如星形结构不适合选用同轴电缆，可选择双绞线方等方式)容量：介质提供的传输速率应能够满足要求容量：介质提供的传输速率应能够满足要求 可靠性可靠性(差错率差错率)：在可能的情况下，尽量选择可靠性高的介质：在可能的情况下，尽量选择可靠性高的介质应用环境：包括传输距离、环境恶劣程度、信号强度等等应用环境：包括传输距离、环境恶劣程度、信号强度等等 常用传输介质比较常用传输介质比较 非屏蔽双绞线非屏蔽双绞
13、线 基带同轴电缆基带同轴电缆 光纤光纤 卫星卫星分类分类 3 3类类 5 5类类粗缆粗缆细缆细缆 单模单模多模多模 同步同步 低轨低轨传输速率传输速率 3 3类类UTPUTP最大最大16Mbps 16Mbps 因种类、距离不同，因种类、距离不同，几千几千Mbps Mbps 根据租用费用变化较大根据租用费用变化较大 5 5类类UTPUTP最大最大155Mbps155Mbps 变化较大变化较大(但总要但总要 高于高于UTP)UTP)地理范围地理范围100100米左右米左右 细缆小于细缆小于800800米米 几公里到几十公里几公里到几十公里 很大很大 粗缆小于粗缆小于25002500米米差错率差错率
14、一般一般(1010)中等中等(1010)最低最低(10)高高成本成本 低低 中中 较高较高 高高 第11页，本讲稿共50页 2.3 2.3 数据通信数据通信的基础知识的基础知识 1、信息和数据信息和数据 信息信息(Information)(Information)：从哲学的观点哲学的观点看，信息是一种带普遍性的关系属性，是物质存在方式及其运动规律、特点的外在表现；从通信的角度通信的角度考虑，可以认为是生物体或具有一定功能的机器通过感觉器官或相应设备同外界交换的内容的总称。信息的含义是信息科学、情报学等学科中广泛讨论的问题。一般认为，信息是客观世界内同物质、能源并列的三大基本要素之一。信息是客观
15、世界内同物质、能源并列的三大基本要素之一。香农：香农：I=logI=log2 2（1/P1/P）I I是消息的信息量是消息的信息量 P P是事件发生的概率是事件发生的概率 不可能发生事件信息量不可能发生事件信息量=无穷无穷 信息总是与一定的形式相联系，这种形式可以是语音、图像、文字等；信息是人们要通过通信系统传递的内容。数据是任何描述物体概念、情况、形势的事实、数字、字母和符号。数据是任何描述物体概念、情况、形势的事实、数字、字母和符号。可以说，数据是传递信息的实体，而信息是数据的内容或解释。2 2、信号、信号(Signal)(Signal)：发送机将人或机器产生的信息转换为适合在通信信道上传
16、输的电编码、电磁编码或光编码。这种在信道上传输的电在信道上传输的电/光编码叫做信号。光编码叫做信号。信号可以是模拟信号或数字信号。模拟信号是指表示信息的信号及其振幅、频率频率、相位等参数随着信息连续变化，幅度必须是连续的，但在时间时间上可以是连续的或离散的。3 3、信道、信道：在数据通信系统中，信道是传送信号的通路信道是传送信号的通路。信道本身可以是模拟的，也可以是数字方式的。用以传输模拟信号的信道叫作模拟信道，用以传输数字信号的信道叫作数字信道。信道：信道：狭义（载波机）狭义（载波机）、广义广义（调制）、广义（广义（编码）第12页，本讲稿共50页 4 4、信道带宽、信道带宽：信道上传输的是电
17、磁波信号，某个信道能够传送电磁波的有效频率某个信道能够传送电磁波的有效频率范围就是该信道的带宽。范围就是该信道的带宽。数据通信系统的信道传输的是电磁波(包括无线电、微波、光波等)，带宽就是它所能传输电磁波的最大有效频率与最小有效频率之差。带宽就是它所能传输电磁波的最大有效频率与最小有效频率之差。5 5、信道容量：、信道容量：信道的传输能力是有一定限制的，某个信道传输数据的速率有一个上限，叫作信道的最大传输速率，即信道容量叫作信道的最大传输速率，即信道容量。信道的最大传输速率是与信道带宽有信道的最大传输速率是与信道带宽有直接联系的。直接联系的。6 6、奈奎斯特定理：、奈奎斯特定理：1924年，奈
18、奎斯特(Nyquist)就发现了信道传输速率有上限，并且给出了有限带宽、无噪声信道的最大传输速率公式：无噪声信道最大传输速率无噪声信道最大传输速率=2Blog=2Blog2 2V(bps)V(bps)B代表信道的带宽。V是信号有效状态的数量。对于二进制的数据信号，信号仅有两种有效状态，分别代表对于二进制的数据信号，信号仅有两种有效状态，分别代表“0 0”和和“1 1”，所以，所以V=2V=2，此，此时，无噪声信道的最大传输速率时，无噪声信道的最大传输速率=2B(bps)=2B(bps)。如果我们使用模拟电话系统传输二进制信号，即使用话音级信道，带宽3000Hz，那么最大传输速率为6000bps
19、。现在大多数电话拨号上网用户采用的就是模拟电话系统，即利用3000Hz的话音级信道，来传输计算机信息，实际上现在一般拨号上网的速率都在14000bps以上，这又是怎么会事呢？这是因为采用了特殊的编码方法，将V的值增大，自然就提高了数据传输速率。那么，是不是可以无限增大V的值，从而提高数据传输速率呢？当然不是，下面介绍的香农定理将会回答这个问题。第13页，本讲稿共50页6 6、信道容量定理（香农信道容量定理（香农（Shannon）定理）定理）香农在二十世纪四十年代初奠定了通信的数字理论基础。他的香农在二十世纪四十年代初奠定了通信的数字理论基础。他的“信道容量定理信道容量定理”指出，指出，可以找到
20、这可以找到这样一种技术，当数据传输速率小于或等于某个最大传输速率（信道容量）时，通过它可以以任意小的错样一种技术，当数据传输速率小于或等于某个最大传输速率（信道容量）时，通过它可以以任意小的错误概率传送信息。相反，如果大于这个上限，则不论采用什么编码技术，错误概率都将无法忍受。误概率传送信息。相反，如果大于这个上限，则不论采用什么编码技术，错误概率都将无法忍受。香农给出了有噪声信道的最大传输速率与带宽的关系，因为实际信道不可能没有噪声，所以香农定香农给出了有噪声信道的最大传输速率与带宽的关系，因为实际信道不可能没有噪声，所以香农定理比奈奎斯特定理更进了一步理比奈奎斯特定理更进了一步。C=Blo
21、gC=Blog2 2(1+S/N)(1+S/N)（B/sB/s）C C表示信道容量表示信道容量(最大传输速率），最大传输速率），B B代表信道的带宽。代表信道的带宽。S S是信号能量，是信号能量，N N是噪声能量是噪声能量 S/N S/N是信噪比，用来描述信道的质量，噪声小的系统信噪比大，反之则小。是信噪比，用来描述信道的质量，噪声小的系统信噪比大，反之则小。（1）信道传输速率信道传输速率RCRC，一定存在一种编码，一定存在一种编码，使信息源能以任意小的差错率通过信道使信息源能以任意小的差错率通过信道进行传输；反之是不可能的；进行传输；反之是不可能的；（2）对于给定的对于给定的C C，若减小，
22、若减小B B，则必须增大，则必须增大S/NS/N，即提高信号强度；反之，若有较大的传，即提高信号强度；反之，若有较大的传输带宽，则可用较小的信噪比。输带宽，则可用较小的信噪比。宽带系统有较好的抗干扰性能宽带系统有较好的抗干扰性能。带宽替换功率法带宽替换功率法。实践中常用编码和调制技术来解决。实践中常用编码和调制技术来解决。（3）设单位频带内噪声功率为设单位频带内噪声功率为n n0时时，则则N=nN=n0B B，B B，C=limC=limBlogBlog2 2（1+S/n1+S/n0B B）1.44S/n1.44S/n0 0S S和和n n0 一定时，随一定时，随B B增大，增大，C C也增大
23、；但是，也增大；但是，C C不可能趋于无穷大不可能趋于无穷大。（4）设C=I/TC=I/T，I I为传输的信息量，为传输的信息量，T T为传输时间，为传输时间，B B与与T T之间存在着某种互换关系。之间存在着某种互换关系。则则I=TBlogI=TBlog2 2（1+S/N1+S/N）信噪比也可以用信噪比也可以用10 log10 log1010S/NS/N来表示来表示，单位分贝，单位分贝(dB)(dB)。10dB 10dB的信道的信道S/NS/N为为1010，20dB20dB的信道的信道S/NS/N为为100100，30dB30dB的信道的信道S/NS/N为为10001000。第14页，本讲稿
24、共50页7 7、并行传输、并行传输(parallel)(parallel)与串行传输与串行传输(serial)(serial)并行传输并行传输：局域网：局域网 距离近，至少有距离近，至少有8 8位数据同时传输，如图位数据同时传输，如图(a)(a)。计算机内部的数据多是并。计算机内部的数据多是并行传输。行传输。串行传输串行传输：距离较远的情况，每次由源到目的传输的数据只有一位，如图：距离较远的情况，每次由源到目的传输的数据只有一位，如图(b)(b)。成本因。成本因素，远距离通信一般采用串行传输技术。素，远距离通信一般采用串行传输技术。第15页，本讲稿共50页 8 8、数据传输方向、数据传输方向
25、(1)(1)单工单工(Simplex)(Simplex)数据只能在一个方向一个方向上流动 (2)(2)半双工半双工(Half-Duplex(Half-Duplex)在一时刻向一个方向传输一时刻向一个方向传输 它实质上是可切换方向的单工通信。(3)(3)全双工全双工(Full-Duplex)(Full-Duplex)通信允许数据在两个方向上同时传输两个方向上同时传输 它在能力上相当于两个单工通信方式的结合。单工好象是单行线，半双工就好比独木桥，全双工就是来回可对行的新干线 9 9基带传输与频带传输基带传输与频带传输 基带和频带的概念最早是在电话界出现的，在电话界，人们将4KHz带宽以内的信道叫
26、做基带信道，而将任何高于4K带宽的信道叫做宽带信道。计算机网络中采用如下概念：计算机网络中采用如下概念：基带传输基带传输(Baseband)人们将数据信道直接传输数字信号的传输方式叫做基带传输。人们将数据信道直接传输数字信号的传输方式叫做基带传输。基带传输在基本不改变数字数据信号波形的情况下直接传输数字信号，具有速率高和误码率低等优点，在计算机网络通信中被广泛采用。频带传输频带传输(Broadband)利用模拟信道传输信号的传输方式叫做频带传输或宽带传输。利用模拟信道传输信号的传输方式叫做频带传输或宽带传输。频带传输的优点是可以利于现有的大量模拟信道(如模拟电话交换网)通信。价格便宜，容易实现
27、。家庭用户拨号上网就属于这一类通信。它的缺点是速率低，误码率高。第16页，本讲稿共50页 1010、异步传输异步传输(asynchronous)(asynchronous)数据通信的一个基本要求是接收方必须知道它所接收的每一位的开始时间和持 续时间。满足上述要求的办法有两类：异步传输和同步传输。异步传输的工作原理是：每个字节作为一个单元独立传输，字节之间的传输间 隔任意。为了标志字节的开始和结尾，在每个字符的开始加一位起始位，结尾加1位、1.5位或2位停止位，构成一个个的“字符”。这里的“字符”指异步传输的数据单元，不同于“字节”，一般略大于一个字节。如下图所示：第17页，本讲稿共50页 11
28、 11、同步传输、同步传输(synchronous)(synchronous)同步传输方式不是对每个字符单独进行同步，而是对一组字符组成的数据块进行同步对一组字符组成的数据块进行同步。同步的方法不是加一位停止位，而是在数据块前面加特殊模式的位组合而是在数据块前面加特殊模式的位组合(如如01111110)01111110)或同步字符或同步字符(SYN)(SYN)，并且通过位填充或字符填充技术保证数据块中的数据不会与同步字符混淆。第18页，本讲稿共50页1212、调制速率与数据信号速率、调制速率与数据信号速率 调制速率：调制速率：波形变换次数波形变换次数/单位时间单位时间 数据信号速率：数据信号速
29、率：比特数比特数/单位时间单位时间 二者关系：二者关系：与调制相数有关，如与调制相数有关，如：波特率波特率 1200 1200 1200 1200 1200 1200 1200 1200 调制相数调制相数 2 4 8 16 2 4 8 16 比特率比特率 1200 2400 3600 4800 1200 2400 3600 4800第19页，本讲稿共50页13、数据通信的主要技术指标数据通信的主要技术指标 1.1.带宽带宽 ：信道能够传送电磁波的有效频率范围就是该信道的带宽。：信道能够传送电磁波的有效频率范围就是该信道的带宽。有时，也把信号所占据的频率范围叫做信号的带宽。有时，也把信号所占据的
30、频率范围叫做信号的带宽。2.2.信号传播速度：信号传播速度：信号在信号在信道上每秒钟传送的距离信道上每秒钟传送的距离，单位是米，单位是米/秒。秒。信号传播速度接信号传播速度接 近光在真空中的速度，基本上是近光在真空中的速度，基本上是2020万公里万公里/秒。秒。3.3.数据传输速率数据传输速率：单位是比特单位是比特/秒秒(bps)(bps)。如在。如在100Mbps100Mbps传输速率的情况下，每比特传传输速率的情况下，每比特传 输时间为输时间为10ns10ns；在；在10Mbps10Mbps传输速率的情况下，每比特传输时间为传输速率的情况下，每比特传输时间为100ns100ns。4.4.最
31、大最大传输速率传输速率：每个信道传输数据的速率有一个上限，叫做信道的最大传输速率。每个信道传输数据的速率有一个上限，叫做信道的最大传输速率。5.5.波特率波特率(码元速率码元速率)：信号每秒钟变化的次数叫做波特率信号每秒钟变化的次数叫做波特率(Baud)(Baud)。6.6.吞吐吞吐量：量：信道在单位时间内信道在单位时间内成功传输成功传输的信息量。单位一般为比特的信息量。单位一般为比特/秒。秒。例如，例如，某信道在某信道在1010分钟内成功传输了分钟内成功传输了8.4M8.4M比特的数据，那么它的吞吐量就是比特的数据，那么它的吞吐量就是8.4M8.4M比特比特/600/600秒秒=14Kbps
32、=14Kbps。7.7.利用率：利用率：是吞吐量和最大数据传输速率之比。是吞吐量和最大数据传输速率之比。8.8.延延迟迟：指从发送者发送第一位数据开始，到接收者成功的收到最后一位数据为止，指从发送者发送第一位数据开始，到接收者成功的收到最后一位数据为止，所经历的时间。所经历的时间。9.9.抖动抖动(Jitter):(Jitter):延迟不是固定不变的，它的实时变化叫做抖动。延迟不是固定不变的，它的实时变化叫做抖动。抖动往往与机器处理能力、信道拥挤程度等有关。延迟敏感，如电话；抖动敏抖动往往与机器处理能力、信道拥挤程度等有关。延迟敏感，如电话；抖动敏 感，如实时图像传输。感，如实时图像传输。10
33、.10.差错率差错率(包括比特差错率、码元差错率、分组差错率包括比特差错率、码元差错率、分组差错率)：在计算机通信中最常用的是比特差错率和分组差错率。比特差错率是二进制比特错传的位数与传输总位数之比。码元差在计算机通信中最常用的是比特差错率和分组差错率。比特差错率是二进制比特错传的位数与传输总位数之比。码元差错率错率(对应于波特率对应于波特率)指码元被误传的概率。分组差错率是指数据分组被误传的概率。指码元被误传的概率。分组差错率是指数据分组被误传的概率。我们通过一个对线路的描述来说明上述概念：有一条带宽我们通过一个对线路的描述来说明上述概念：有一条带宽3000Hz3000Hz的信道，最大传输速
34、率可以达到的信道，最大传输速率可以达到30Kbps30Kbps，实际使用的数据传输速率为，实际使用的数据传输速率为28.8Kbps28.8Kbps，传输信号的波特率为，传输信号的波特率为2400bps2400bps，它的吞吐量为，它的吞吐量为14Kbps14Kbps，所以利用率约等于所以利用率约等于50%50%，延迟约为，延迟约为100ms100ms，由于环境稳定，所以抖动很小，忽略不计。，由于环境稳定，所以抖动很小，忽略不计。第20页，本讲稿共50页2.4.1 2.4.1 局域通信局域通信 计算机网络技术中把计算机网络技术中把数据信道直接传输数字信号的传输方式叫做基带传输数据信道直接传输数字
35、信号的传输方式叫做基带传输。基带传输中二进制数据信号的方法主要有以下三种：基带传输中二进制数据信号的方法主要有以下三种：(1)(1)非归零编码非归零编码(NRZ)(NRZ)非非归归零零编编码码是是用用低低电电平平表表示示逻逻辑辑“0 0”，用用高高电电平平表表示示逻逻辑辑“1 1”的的编编码码方方式式。非非归归零零编编码码的的缺缺点点是是：为为了了保保持持收收发发双双方方的的时时钟钟同同步步，需需要要额额外外传传输输同同步步时时钟钟信信号号。它它的的另另一一个个缺缺点点是是当当“0 0”和和“1 1”的的个个数数不不等等时时，会会有有直直流分量，这在数据传输中是不希望出现的。流分量，这在数据传
36、输中是不希望出现的。(2)(2)曼彻斯特编码曼彻斯特编码(Manchester)(Manchester)每每比比特特的的中中间间有有一一次次跳跳变变，它它有有两两个个作作用用：一一是是作作为为位位同同步步方方式式的的内内带带时时钟钟；二二是是用用于于表表示示二二进进制制数数据据信信号号，我我们们可可以以把把“0 0”定定义义为为由由高高电电平平到到低低电电平平的的跳跳变变，“1 1”定定义义为为由由低低电电平平到到高高电电平平的的跳跳变变。曼曼彻彻斯斯特特编编码码的的优优点点：一一是是“自自带带时时钟信号钟信号”，不必另发同步时钟信号，二是不含直流分量。，不必另发同步时钟信号，二是不含直流分量
37、。(3)(3)差分曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码(Difference Manchester)(Difference Manchester)每每比比特特的的中中间间有有一一次次跳跳变变，它它只只有有一一个个作作用用，即即作作为为位位同同步步方方式式的的内内带带时时钟钟，不不论论由由高高电电平平到到低低电电平平的的跳跳变变，还还是是由由低低电电平平到到高高电电平平的的跳跳变变都都与与数数据据信信号号无无关关。“0 0”和和“1 1”是是根根据据两两比比特特之之间间有有没没有有跳跳变变来来区区分分的的。如如果果下下一一个个数数据据是是“0 0”的的话话，则则在两比特中间有一次电平跳变；如果下一个数据
38、是在两比特中间有一次电平跳变；如果下一个数据是“1 1”的话，则在两比特中间没有电平跳变。的话，则在两比特中间没有电平跳变。曼曼彻彻斯斯特特编编码码和和差差分分曼曼彻彻斯斯特特编编码码的的缺缺点点都都是是效效率率较较低低，由由于于在在每每个个比比特特中中间间都都有有一一次次跳跳变变，所所以以时时钟钟频频率率是是信信号号速速率率的的2 2倍倍。例例如如为为了了达达到到10Mbps10Mbps的的数数据据传传输输速速率率，要要求求时时钟钟频频率率至至少少为为20MHz20MHz。上上述述编编码码技技术术是是在在10M10M局局域域网网中中经经常常采采用用，近近年年发发展展起起来来的的快快速速以以太
39、太网网使使用用的的是是不不同同的的数数字字数数据据到到数数字字信信号号的的编编码码技技术术，如如100M100M局局域域网网采采用用8B6T8B6T或或4B5B4B5B等编码技术等编码技术.2.4 数据传输技术数据传输技术第21页，本讲稿共50页数字数据到数字信号的编码方法数字数据到数字信号的编码方法第22页，本讲稿共50页数字数据到数字信号的编码方法数字数据到数字信号的编码方法第23页，本讲稿共50页RS-232RS-232简介简介 机械特性机械特性指网络接口形状等指网络接口形状等。在。在RS-232CRS-232C中，规定采用的连接器接中，规定采用的连接器接口有口有2525根针，接口形状为
40、根针，接口形状为D D形接口。形接口。电气特性电气特性包括信号电压、持续时间等包括信号电压、持续时间等。目前计算机的二进制信号多。目前计算机的二进制信号多数是用电信号表示的，当然在用到光纤传输的时候也有光信号和光电转数是用电信号表示的，当然在用到光纤传输的时候也有光信号和光电转换问题。换问题。RS-232CRS-232C规定，对数据信号，以规定，对数据信号，以+12V+12V或或+8V+8V表示表示“0 0”，-12V-12V或或-8V-8V表示表示“1 1”，对控制信号，对控制信号，“0 0”表示表示“开开”，“1 1”表示表示“断断”，数据速率，数据速率0-0-20Kbps(20Kbps(
41、比特每秒比特每秒)。功能特性功能特性描述物理设备的功能描述物理设备的功能，如，如RS-232-CRS-232-C的第二根针是用于发送的第二根针是用于发送数据的，第三根针是用于接收数据的，第四根针表示请求发送，第五根数据的，第三根针是用于接收数据的，第四根针表示请求发送，第五根针表示允许发送。针表示允许发送。规程特性规程特性指事件发生的合法顺序指事件发生的合法顺序。例如，。例如，RS-232-CRS-232-C的一段规程为：的一段规程为：第四根针置位，请求发送第四根针置位，请求发送第五根针置位，允许发送第五根针置位，允许发送数据通过第二根数据通过第二根针发送。针发送。第24页，本讲稿共50页 2
42、.4.2 2.4.2远程通信远程通信1.1.数字数据转换为模拟信号的编码数字数据转换为模拟信号的编码 首先要选择某一频率的正弦(函数)作为载波，这一函数可以表示为：U(t)=A(t)U(t)=A(t)sin(t+)sin(t+)其中A A、和和，分别代表函数的幅度、频率和相位。对这三个参量的调制产生了三 种调制技术：(1)(1)调幅调幅(ASK)(ASK)调幅就是通过改变载波信号的振幅来表示数字信号调幅就是通过改变载波信号的振幅来表示数字信号0 0或或1 1。这种调制方式简单、容易实现，缺点是有直流分量，抗干扰能力差。这种调制方式简单、容易实现，缺点是有直流分量，抗干扰能力差。(2)(2)调频
43、调频(FSK)(FSK)调频就是通过改变载波信号的频率来表示数字信号调频就是通过改变载波信号的频率来表示数字信号0 0或或1 1。这种调制方式简单、容易实现，抗干扰力较强。这种调制方式简单、容易实现，抗干扰力较强。(3)(3)调相调相(PSK)(PSK)调相就是通过改变载波信号的相位来表示数字信号调相就是通过改变载波信号的相位来表示数字信号0 0或或1 1。调相又分为绝对调相和相对调相。绝对调相是指用相位的绝对值来表示数字信号调相又分为绝对调相和相对调相。绝对调相是指用相位的绝对值来表示数字信号;相对调相如图所示，是指用相位的相对值来表示数字信号。相对调相如图所示，是指用相位的相对值来表示数字
44、信号。第25页，本讲稿共50页第26页，本讲稿共50页 模拟数据的编码方法模拟数据的编码方法 第27页，本讲稿共50页 可以有四相调制，取值有：可以有四相调制，取值有：+0+0、+/2+/2、+、+3/2+3/2；共四种状态，可以表示；共四种状态，可以表示0000、0101、1010、1111四个值，这样就可以一次传输两位二进制数据。四个值，这样就可以一次传输两位二进制数据。在波特率不变的情况下，数据传输速率可以提高到二相调制的在波特率不变的情况下，数据传输速率可以提高到二相调制的2 2倍。倍。除了除了4 4相调制外，还有相调制外，还有8 8相调制、相调制、1616相调制等等，每次分别可以传输
45、相调制等等，每次分别可以传输3 3个、个、4 4个二个二进制数据。进制数据。第28页，本讲稿共50页2.2.调制解调器调制解调器(MODEM)(MODEM)(1)(1)调制解调器定义调制解调器定义 调制解调器是一种能将数字信号调制成模拟信号，又能将模拟信号解调成数字数调制解调器是一种能将数字信号调制成模拟信号，又能将模拟信号解调成数字数 字信号的装置。字信号的装置。(MODEMMODEM=MODulate-DEModulate)=MODulate-DEModulate)调制解调器工作原理调制解调器工作原理 (2)(2)分类分类 按照功能分为：普通按照功能分为：普通ModemModem，用于有线
46、电视的，用于有线电视的Cable ModemCable Modem 按照外形分为：外接式，插卡式按照外形分为：外接式，插卡式(IDE(IDE、PCI)PCI)，PCMCIAPCMCIA，无线，无线 按照通信线路分为：拨号按照通信线路分为：拨号(异步异步)，专线，专线(同步同步)按照调制方式分为：调频，调相，调幅，混合调制按照调制方式分为：调频，调相，调幅，混合调制 (3)(3)调制技术调制技术第29页，本讲稿共50页3 3 多路复用技术多路复用技术 当传输介质的带宽超过了传输单个信号所需的带宽时，人们通常用在一条介质上同时携带多个传当传输介质的带宽超过了传输单个信号所需的带宽时，人们通常用在一
47、条介质上同时携带多个传输信号的方法来提高传输系统的利用率，这就是所谓的多路复用输信号的方法来提高传输系统的利用率，这就是所谓的多路复用(Multiplexing)(Multiplexing)。多路复用分为两大类：频分多路复用多路复用分为两大类：频分多路复用(FDM)(FDM)和时分多路复用和时分多路复用(TDM)(TDM)。A.A.频分多路复用频分多路复用(FDM)(FDM)在介质上同时传输多路信号，每路信号以不同的载波频率进行调制，而且各个载波频率完全独立，即载波形成的信号不在介质上同时传输多路信号，每路信号以不同的载波频率进行调制，而且各个载波频率完全独立，即载波形成的信号不互相重叠，则各
48、路信号可以成功地在介质上传输。互相重叠，则各路信号可以成功地在介质上传输。原原始始信信号号带带宽宽为为3KHz3KHz，后后变变成成4KHz4KHz；因因为为每每个个信信道道的的波波形形都都不不是是直直上上直直下下的的方方波波，复复用用后后信信道道之之间间难难免免有有信信号号重重叠叠，信信号号重重叠叠过过多多就就会会发发生生错错误误，所所以以在在信信道道之之间间要要保保留留1KHz1KHz左左右右的的“警警戒戒频频带带”。当当然然，在在接接收收机机一一方方，还还要要进进行行解解复复用用(De-(De-MultiplexingMultiplexing)，还原成原始信号才能被接收设备接收。，还原成
49、原始信号才能被接收设备接收。解复用就是去掉载波，将信号还原的过程。解复用就是去掉载波，将信号还原的过程。第30页，本讲稿共50页 B.B.波分多路复用波分多路复用(WDM)(WDM)有一类特殊的频分多路复用技术叫做波分多路复用有一类特殊的频分多路复用技术叫做波分多路复用(WDM)(WDM)。波分多路复用是根据光波。波分多路复用是根据光波波长的不同分隔复用的方法。波长的不同分隔复用的方法。我们知道，不同波长的光波在通过透镜时会有不同的折射率，图表示了我们知道，不同波长的光波在通过透镜时会有不同的折射率，图表示了WDMWDM的原理。的原理。其中，光纤其中，光纤1 1和光纤和光纤1 1的波谱范围相同
50、，光纤的波谱范围相同，光纤2 2和光纤和光纤2 2的波谱范围相同，而光纤的波谱范围相同，而光纤1 1和和2 2的的波谱范围不同且不重叠，共享光纤的波谱范围则是光纤波谱范围不同且不重叠，共享光纤的波谱范围则是光纤1 1和和2 2的总和，这样就达到了多路复的总和，这样就达到了多路复用的条件。用的条件。WDM WDM示意图示意图 光也是一种电磁波，光的波长是频率的倒数，所以说光也是一种电磁波，光的波长是频率的倒数，所以说WDMWDM本质上也是频分多路复用。随本质上也是频分多路复用。随着光纤应用的普及，着光纤应用的普及，WDMWDM得到了较为广泛的应用。得到了较为广泛的应用。第31页，本讲稿共50页C