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1、主题四,国家信息化工程师认证考试管理中心,通信基础,2.1 主要知识点,1. 基础概念 2. 数据通讯理论基础 3. 传输介质和通信电缆 4. 编码和传输 5. 传输技术 6. 传输控制,7. 交换技术 8. 公用网络和租用网络 9. 网络通信设备 10.网络连接设备 11. 典型试题分析,2.2 基础概念,单工、半双工、全双工 模拟和数字 周期信号 简单信号和复合信号 振幅、周期和相位 数字信号分解 介质带宽和有效带宽 信道容量 串行与并行 一对一通信与一对多通信,资源子网和通信子网,资源子网:实现资源共享功能的设备及其软件的集合 通信子网:实现网络通信功能的设备及其软件的集合,模拟与数字,
2、模拟信号：随时间变化而平稳变化的连续波形式。 数字信号：从一个值到另一个值的转换是瞬间发生的。,数字信号,模拟信号,模拟：意味着连续的量。 数字：意味着离散的量。,周期信号,如果一个信号能在一个可测量的时间内，完成一种称作周期的模式，并且在随后的同样长短的周期内不断重复这种模式，这个信号就是周期性的。,简单信号和复合信号,模拟信号可以被分为简单信号或者复合信号。,简单信号是不能被分解 为更简单的模拟信号。,复合信号可以被 分解为多个简单信号。,a)简单信号,b)复合信号,模拟信号三要素,振幅：在波上任一点信号的值。它等于波形上给定点到水平 轴的垂直距离。 周期：完成一个波形循环所要经历的时间（
3、频率1/周期） 相位：描述了波形相对与时间轴零点的位置。,最大值,最小值,波特率和比特率,波特率:每秒信号变换（振幅/相位/频率）的次数。波特率的单位是b/s。,比特率:每秒传输的比特（数字信号0和1）数量。比特率的单位是bps。,数字信号分解,一个数字信号可以被分解成无穷多个被称为谐波的简单正弦波，每个谐波都有不同的振幅、频率和相位。 当我们在传输媒体上发送数字信号时，其实在发送无穷多的简单信号。,介质带宽和有效带宽,介质带宽：传输介质有一个有限的带宽，它只能传 输某些频率范围内的信号。,有效带宽：数字信号的频谱包括不同振幅的无数个 频率，而我们只传输那些具有重要振幅 的分量，我们可以已合理
4、的精度在接收 端复制出数字信号，其带宽称为有效带 宽。,信道容量,一种传输介质可以传输的最大比特率称为介质的 信道容量。 信道容量大小依赖于编码技术种类和系统信噪比。,基带传输,在信道中传输的原始数字电信号所固有的频带，称为基本频带，简称基带。在信道中直接传送基带信号时，称为基带传输。如从计算机到监视器、打印机等外设的信号就是基带传输的。大多数的局域网使用基带传输，如以太网和令牌环网。,宽带传输,通过借助频带传输，宽带传输可以将链路容量分解成两个或更多的信道，每个信道可以携带不同的信号。宽带传输中的所有信道都可以同时发送信号。如CATV、ISDN等。,当采用模拟信号传输数据时，往往只占用有限的
5、频带， 对应基带传输将其称之为频带传输,串行与并行,并行传输：两个短距离的设备之间的传输，如打印缆。 串行传输：远距离的设备之间的传输，便宜、可靠、速度慢。,问题：如何在串行传输时，使接收设备知道何时开始传输？,0 1 1 0 1 1 0 0,a) 并行传输,b) 串行传输,异步与同步,异步传输： 每个被传送的字符前有起始位，后有停止位。 速率慢，开销大，适用于低速设备。 同步传输： 字符组合成数据帧成组发送 数据帧包含一组同步字符使收发双方进入同步。 传输速度快，开销少。,单工/半双工/全双工,单 工：信号只能在一个方向上传输 半双工：通信可以在两个方向上传输，但不同时 全双工：通信可在双方
6、向同时进行,设备,设备,设备,设备,设备,设备,一对一通信与一对多通信,2.3 数据通信理论基础,傅立叶分析:任何正常的周期为T的函数g(t)，都可以由（无限个）正弦和余弦函数合成。,尼奎斯特证明:如果一个任意信号通过带宽为H的低通滤波器，那么每秒采样的2H就能完整地重现通过这个被滤波的信号。 尼奎斯特定理：,例如:一个无噪声的3KHz信道不能以高于6000b/s的速率传输二进制（二电平）信号。,数据通信理论基础,香农公式:任何带宽为H Hz，信噪比为S/N的信道，其最大数据传输速率为：,例如:一条带宽为3000Hz，信噪比为30db的信道，不管使用多少信号级电平，也不管采用多大的采样频率，都
7、不能以大于30000b/s的速率传输数据。 注：30db表示S/N=103=1000。,2.4 传输介质和通信电缆,2.4.1 双绞线概述 2.4.2 制作和测试UTP(实验) 2.4.3 同轴电缆 2.4.4 光纤 2.4.5 无线传输,2.4.1 双绞线概述,双绞线的两种类型 双绞线的结构 双绞线的颜色 双绞线的接头(RJ45) 双绞线的线材等级,双绞线的两种类型,非屏蔽双绞线 (Unshielded Twisted-Pair, UTP) 屏蔽双绞线 (Shielded Twisted-Pair, STP) 比UTP多一层屏蔽层,双绞线的结构(1),双绞线的结构(2),双绞线的颜色,双绞线
8、的接头(RJ45),正面,侧面,双绞线的线材等级,2.4.2 制作和测试双绞线(UTP),准备工具和材料 连接UTP和RJ45接头,准备工具和材料,UTP,压线钳,RJ45接头,护套,简易测线仪,连接UTP和RJ45接头(1),连接UTP和RJ45接头(2),连接UTP和RJ45接头(3),2.4.3 同轴电缆,同轴电缆的结构 同轴电缆的分类和技术标准,同轴电缆的结构,同轴电缆的类型和技术标准,2.4.4 光纤,光纤的结构 光纤的尺寸 光纤的类型 光纤通信系统,光纤的结构,光纤的尺寸,描述光纤尺寸的参数有两个： 内芯直径和反射层直径，其度量单位都为 微米(m, 1m=110-6m)。 最细的光
9、纤其内芯直径通常只有510m， 粗一些的光纤其内芯直径为50100m。 局域网中最常用的光纤是62.5m/125m的 光纤，其中62.5m是内芯直径，而125m 是反射层的直径。,光纤的类型,多模光纤(Multimode Fiber, MMF) 光信号不止一种波长，常用多模光纤中主要有Ala类50/125m和Alb类62.5/125m两种类型。 单模光纤(Singlemode Fiber, SMF ) 光信息只有一种波长，典型的单模光纤尺寸为8m/125m,光纤的类型,光纤通信系统,2.4.5 无线传输介质,红外线 无线电波,红外线,红外线,红外线(Infrared, IR)技术广泛的应用在电
10、视机和立体声系统的遥控器中，也可以做为网络通信的介质。它通过使用位于红外频率波谱中的锥形或者线型光束来传输数据信号。 红外网络需要通信的双方设备都拥有一个收发器，最好还有同步软件。传输速度4Mbit/s16Mbit/s。 红外线是一种视线技术，不能通过不透明的物理(如墙壁)，并且易受外界光线干扰。,无线电波,窄带无线电波 发射器与接收器使用相同的频率传输信号，如广播收音机。容易被非法听众截获信号。 扩频无线电波 (1)跳频扩频 (Frequency hopping spread spectrum, FHSS) (2)直序扩频 (Direct sequence spread spectrum,
11、DSSS),2.5 编码和传输,编码类型： 数字-数字 数字-模拟 模拟-数字 模拟-模拟,模数转换,模拟信号 脉冲幅度调制信号,模拟信号,数模转换,数字化的好处,1. 数字传输的出错率低 2. 能更有效的利用线路 3. 价格便宜 4. 维护方便,数字化传输需要考虑的问题,直流分量：当传输信号的平均振幅不是零时，这将产生直流分量（频率为0的分量）。当信号含有直流分量，它不能由没有处理直流分量的媒体传输，例如微波或变压器。 同步：当一个信号不发生改变时，接受端无法知晓每比特的开始和结束。如果传输延时或噪声使信号发生扭曲，将导致接收方无法正确接收数据。,数字-数字编码,单极性编码 极化编码 非归零
12、编码（非归零电平编码、非归零反相编码） 归零编码 双相位编码（曼彻斯特编码、差分曼彻斯特编码） 双极性编码 信号交替反转码 双极性8零替换编码 高密度双极性3零编码,非归零编码-NRZ,归零编码,Manchester码与差分Manchester码,上：Manchester码 下：差分Manchester码,信号交替反转码AMI,模拟-数字编码,脉冲振幅调制PAM：通过接收模拟信号，对它进行采样，然后根据采样结果产生一系列脉冲。（采样指每隔相等的时间间隔就测量一次信号振幅。） 脉冲编码调制PCM：将脉冲振幅调制PAM所产生的采样结果进行处理，将其完全数字化。为实现这一目的，要首先对PAM的脉冲进
13、行量化。（量化是一种对采样结果赋予一个特定范围内的整数值的方法。） PCM技术实际上由四个独立过程组成：脉冲振幅调制PAM、量化、二进制编码、数字-数字编码。,数字-模拟编码,幅移键控ASK：通过改变信号的强度来表达二进制0、1，而振幅改变的同时频率和相位则保持不变。缺点是受噪声的影响很大。 频移键控FSK：通过改变信号的频率来表达二进制0、1，而频率改变的同时振幅和相位则保持不变。FSK技术的限制因素是载波的物理容量。 相移键控PSK：通过改变信号的相位来表达二进制0、1，而相位改变的同时频率和振幅则保持不变。PSK技术受到设备检测相位变化能力的限制。 正交调幅QAM：将ASK和PSK以某种
14、方式结合起来，采用正交编组的方式提高抗干扰能力，使得传输率比单采用ASK或PSK为高。,模拟数据编码1,模拟数据编码2,模拟数据编码3,模拟转数字A/D,采样、量化、编码 采样定理：采样频率大于等于有效信号最高频率2倍（带宽），采样值能包含原始信号的全部信息。 量化：将连续模拟信号化分成时间轴上的离散值。4舍5入取整数。 编码：将离散值按位数排成2进制数码。,A/D,模拟-模拟编码,调幅 调频 调相,2.6 传输技术,2.6.1 多路复用 2.6.2 差错控制 2.6.3 同步控制 2.6.4 压缩和解压缩方法,2.6.1 多路复用,时分复用TDM 频分复用FDM 波分复用WDM,时分复用TD
15、M,信号在交替的时隙中传输 适用于数字信号,频分复用FDM,每条信道被分配给不同的频率 适用于模拟信号,108Khz,Channel Bank,Modulator,Line Signal,104Khz,100Khz,64Khz,波分复用WDM,不同的信号被携载在不同的光的波长上 用于光缆传输的网络,无论通信系统如何可靠，通信过程中都会出现差错，其差错大致可发为两类：一类是由热噪声引起的随机错误；另一类是由冲击噪声引起的突发错误。如何发现和纠正信号的差错，主要方式有以下三种： 检错码 海明码 循环冗余校验码 CRC,2.6.2 差错控制,奇偶校验是最常用的检错方法，其原理是在7单位的ASCII代
16、码后增加一位，使码字中1的个数成奇数（奇校验）或偶数（偶校验）。经过传输后，如果其中一位出错，则接收端按同样的规则就能发现错误，这种方法简单实用，但只能对付少量的随机性错误。,检错码,海明距离是一个码字要变成另一个码字时必须改变的最小位数。 海明码：用冗余数据位来检测和纠正代码差错。把所有合法的码字尽量安排使得任一对码字之间的距离最大。如果任意两个码字之间的海明距离是d，则所有少于等于d-1位的错误都可以检查出来。所有少于d/2位的错误都可以纠正。 对于m位的数据，要纠正单个错误，则海明码位数k需满足：m+k+12k,海明码,CRC校验采用多项式编码方法。被处理的数据块可以看作是一个n阶的二进制多项式 采用CRC校验时，发送方和接收方用同一个生成多项式g(x),并且g(x)的首位和最后一位的系数必须为1。CRC的处理方
