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1、第一部分 Internet基础与应用,第2讲 数据通信基础,2.1 通信发展的历史 社会的人与人交换思想 介质空气、书信、驿站 电报 1835，1837 莫尔斯电磁电报 1892，马可尼无线电报 电话 1876，贝尔电话机 1878，人工电话交换机 1892，史瑞乔自动电化交换机 电话电报开始了近代通信的历史，几百年；发挥了极其重要的作用； 20世纪30年代，信息论、调制论、 预测论、统计论 一系列的突破； 20世纪50年代，载波传输、电话、电报通信系统； 元件、光纤、收音机、电视机、计算机，广 播电视、数字通信业大 发展； 目前已形成数字传输、程控电话交换通信为主，其他非语音通信为 辅的综合
2、电信通信系统；并且日益与计算机、电视等其他技术融合。 中国 1880年，由丹麦人在上海创办第一个电话局。,2.2 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：包括双绞线、同轴电缆和光纤。 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 双绞线（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1mm。 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。 屏蔽双绞线(STP，Shie
3、lded 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。但成本也较高， 所以一直没有广泛使用。 非屏蔽双绞线(UTP，Unshielded Twisted Pair)： 非屏蔽双绞线的传输距离一般为100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1、2、3、4、5五类，常用的是3类线和5类线，5类线既可支持 100Mbps的快速以太网连接，又可支持到150Mbps的ATM数据传输，是连接桌面设备的首选传输介质。,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,2. 2. 2 同轴电缆(coaxial ca
4、ble),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。如图。 另外，同轴电缆的两端需要有终结器(用50欧姆或75欧姆的电阻连接内外导体)，中间 连接需要收发器、T形头、筒形连接器等器件。 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。分为基带同轴电缆和宽带同轴电缆。 基带同轴电缆一般用于二进制数据信号的传输，多用于计算机局域网；宽带同轴电缆主要用于高带宽数据通信，支持多路复用。 基带同轴电缆又分为粗缆和细缆。粗缆多用于局域网主干，支持2500米的传输距离，可以连接数千台设备，但其价格较
5、高；细缆多用于与用户桌面连接，级连使用可支持800米的传输距离，但一般不超过180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。,同轴电缆,比较便宜,绝缘层保护,外层绝缘层,外导体,2.2.3 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20/30年的历史。 1960年，美MAINMAN，红宝石激光器 1966年，英籍华人高锟（C。K。KAO）博士提出
6、，Sio2 石英玻璃制成光纤，低消耗 1970年，美国康宁公司制出了损耗为20分贝的光纤。 1、 光纤通信的原理 见图，入射角逐渐增大，12是折射角，光纤通信的原理，是基于光线由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3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,2. 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之分 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，主要用于室内，
7、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，以保证在界面上光波可以发生全反射。 光纤(单根) 3、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。,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,2.2.4 无线传输介质,无线电
8、、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围,在计算机网络领域，无线通信介质主要是微波和卫星。 微波通信是指用频率在100MHz到10GHz的微波信号进行通信。 特点是： 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。 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Kbps。 卫星通信是指利用人造卫星进行中转的通信方式。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
9、： 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500ms左右； 费用较高。,2.2.5 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，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：(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 可靠性(差错率)：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 常用传输介质比较 非屏蔽双绞线 基带同轴电缆 光纤 卫星 分类 3类 5类粗缆细缆 单模多模
10、同步 低轨 传输速率 3类UTP最大16Mbps 因种类、距离不同， 几千Mbps 根据租用费用变化较大 5类UTP最大155Mbps 变化较大(但总要 高于UTP) 地理范围100米左右 细缆小于800米 几公里到几十公里 很大 粗缆小于2500米 差错率一般(1010) 中等(1010) 最低(10) 高 成本 低 中 较高 高,卫星因其自身的优势，必然成为宽带业务的重要手段。 空中的卫星可以避免陆地光纤的各种瓶颈问题，直接将信号传达到用户，特别是对不易铺设光纤的边远地区来说，卫星宽带成了救星。,2.3 数据通信的基础知识,1、信息和数据 信息(Information)：从哲学的观点看，信
11、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。 香农：I=log2（1/P） I是消息的信息量 P是事件发生的概率 不可能发生事件信息量=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。可以说，数据是 传递信息的实体，而信息是数据的
12、内容或解释。 2、信号(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输 的电编码、电磁编码或光编码。这种在信道上传输的电/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、 相位等参数随着信息连续变化，幅度必须是连续的，但在时间上可以是连续的或离散的。 3、信道：在数据通信系统中，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：狭义（载波机）、广义（调制）、广义（编码）,4、信道带宽：信道上传输的是电磁波信号，某个信道能够传送电磁波的有
13、效频率 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。 5、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。信道的最大传输速率是与信道带宽有 直接联系的。 6、奈奎斯特定理：1924年，奈奎斯特(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=2Blog2V(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
14、表“0”和“1”，所以V=2，此 时，无噪声信道的最大传输速率=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。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。,6、信道容量定理（香农（Shannon）定理） 香农
15、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”指出，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 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 理比奈奎斯特定理更进了一步。 C=Blog2(1+S/N) （B/s） C表示信道容量(最大传输速率），B代表信道的带宽。 S是信号能量，N是噪声能量 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。 （1）信道传输速率RC，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 进行传输；反之是不可能的； （2）对于给定的C，若减小B，则必须增大S/N，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。 宽带系统有较好的抗干扰性能。带宽替换功率法。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n0时，则N=n0B，B，C=limBlog2（1+S/n
