数据通信原理

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1、第3章 数据通信原理l3.1 数据通信l3.2 有线传输介质l3.3 无线传输技术l3.4 物理层接口标准l习题三 Date13.1 数据通信l相关概念l物理层是0SI参考模型的最低层，是所有网络的基础，它向下直接与物理传输介质相联接。物理层 协议是各种网络设备进行互联时必须遵守的最低 层协议。l设立物理层的目的是实现两个网络物理设备之间 的透明二进制比特流的传输，对数据链路层具有 屏蔽物理传输介质的特性，以便对高层协议有最 大的透明性，而不是指连接计算机的具体设备和 具体的物理媒体。Date23.1 数据通信l物理层提供向上服务的功能，所以它应具备如下 几条：l1物理连接的建立和释放l2物理

2、服务数据单元的传送 可以采用异步和同步两种方式。l3物理层的管理如管理发送和接收，差错报告以及产生异常中断等。Date33.1 数据通信l数据通信系统是指以计算机为中心，用通信 线路与分布于远地的数据终端设备连接起来，执 行数据通信的系统。l数据通信系统的主要性能指标传输速率差错率时间延迟功率利用率频带利用率可靠性等。Date43.1 数据通信l传输速率l传输速率是衡量系统传输有效性的重 要指标，反映了数据传输的快慢程度。l它有以下几种不同的定义1、码元传输速率2、比特传输速率3、消息传输速率Date53.1 数据通信l差错率l差错率是衡量数据传输正确性的重要 指标，反映了各种干扰、信道质量对

3、通信 可靠性的影响。l有以下几种不同的定义1、码元差错率2、比特差错率3、码组差错率Date63.1 数据通信l时间延迟l时间延迟又称延迟时间，简称时延、延时或延迟，是单位数据信号从数据电路 的一端传输到达另一端所经历的总的时间 。l数据通信的时延的决定因素由数据信号沿传输媒介传播的时延、传输设备和交换 设备对数据的处理时延、比特传输速率等多种因素所 决定。 Date73.1 数据通信l功率利用率l功率利用率用保证比特差错率小于某 一规定值时所要求的最低信噪比来衡量。l信噪比是每比特的信号能量与噪声单 边带功率谱密度的比值。l所要求的信噪比越小，则功率利用率就越 高，反之则越低。Date83.

4、1 数据通信l频带利用率l频带利用率用单位频带内允许的最大 比特传输速率来衡量，在频带宽度相等的 条件下，比特传输速率越高，则频带利用 率越高，反之越低。l功率利用率和频带利用率这两项性能指标 主要决定于调制解调方式。l这两项指标通常可以互换，即降低频带利 用率可以换取功率利用率的提高，降低功 率利用率可以换取频带利用率的提高。Date93.1 数据通信l可靠性l可靠性是衡量系统正常工作能力的一 项指标l通常又用平均故障间隔时间、平均维修时 间、可靠度等指标来衡量。 Date103.1 数据通信l数据通信技术是计算机网络的基础，它将计算机与通信技术相结合，完成编码 数据的传输，转换存储和处理。

5、 Date113.1 数据通信l信源产生数据的设备。 l发送器一般由信源设备产生的数据不 安其产生的原始形式直接传输，而是由发 送器 将其进行变换和编码后再送入某种形 式的传输系统进行传输。 l传输系统连接信源和信宿的传输线路 。 l接收器从传输系统接收信号并将其转 换成信宿设备能够处理的形式。Date123.1 数据通信l信宿从接收器上取得传入数据的设备 。 l广域网覆盖大片的地理区域，一次传 输要经由网络中一系列内部互联的交换结 点，在通过选择好的路由后到达信宿设备 。Date133.1 数据通信l线路交换是从一点到另一点传递信息的最简单的方式。属于预分配电路资源系统，即在一次 接续中，电

6、路资源预先分配给一对用户固定使用 ，不管在这条电路上实际有无数据传输，电路一 直被占用，直到双方通信完毕拆除连接为止。l优点：信息传输时延小。电路是“透明”的。信息传送的吞吐量大。l缺点：所占用的带宽是固定的，所以网络资源的 利用率较低。用户在租用数字专线传递数据信息 时，要承受较高经济代价。Date143.1 数据通信l报文分组交换是一种存储转发的交换方式。它是将需要传送的信息划分为一定长度的包，也 称为分组，以分组为单位进行存储转发的。而每 个分组信息都载有接收地址和发送地址的标识， 在传送数据分组之前，必须首先建立虚电路，然 后依序传送。l优点：传输质量好，误码率低。可靠性高。l缺点：大

7、量的资源消耗在纠错补偿上。由于采用 存储-转发方式工作，因此在传输过程中存在一定的延时。Date153.1 数据通信l信元交换ATM（Asynchronous Transfer Mode）异步传送模式。也是一种快速分组技术，它将信息切割成固定长度 （53字节）的信元，以信元为单位进行传送。Date163.1 数据通信l1、数据传输的概念及术语直接连接两台设备之间传输信道为直接连接 的通信形式，在此信道上除了用于增强信号的放 大器或中继器外，没有其他的中间器件。频率单位时间内信号重复的速度。频谱信号所包括频率的范围。带宽信号的大部分能量包含在频率较窄的一 段频带中，这频带称为有效带宽或带宽。Da

8、te173.1 数据通信l2、模拟和数字数据传输l模拟信号是连续变化的电磁波。l数字信号是一种电压脉冲序列，通过介质传 输。l模拟传输不关心传送的内容，通过放大器传 播，来提高信号的能量。l数字传输关心信号的内容，信号通过中继器 传播，在每个中继器从入口处取得信号后，将由 1和 0构成的比特流再生后产生新的数据信号并将 其从出口送出。Date183.1 数据通信l3、传输损耗l衰减的三个问题：a、接收到的信号必须有足够的强度。b、信号必须比收到的噪声维持一个更高的电平。c、在模拟信号传输中，衰减是频率的增量函数。l解决a、b问题用增加信号强度，设置放大器或中 继器。解决c问题是使用技术手段使在

9、某个频带内 的频率衰减趋于相等或使用高频放大器将高频放 大。Date193.1 数据通信l延迟变形由于信号中各种成分延迟使得接 收到的信号变形的这种效果。这是有线类传输 介质独有的现象。l噪声传输和接收之间的某处插入的不必要 的信号。它是通信系统性能的主要制约因素。 四类噪声：热噪声、内调制杂音、串扰、脉冲 噪声l信道容量对在给定条件，给定通信路径或 信道上的数据传送速度。l信道的最大容量C = 2H log2 L 是非理想有 限带宽无噪声信道的最大数据传输的表达式。 C = H log2(1+S/N)Date203.1 数据通信l4、有线传输介质l同轴电缆l双绞线电缆l光纤Date213.1

10、 数据通信l5、无线传输介质l地面微波l卫星微波l红外传输Date223.1 数据通信l6、数据编码l数字数据的数字信号编码用两个电压电平来 表示两个二进制数字。l编码方式有a、不归零制NRZb、曼彻斯特码c、差分曼彻斯特码Date233.1 数据通信l数字数据的调制编码在模拟信道上传输数字 信号时，将数字数据调成模拟信号才能传送。l数字数据用模拟信号进行调制的三种形式a、幅移键控法ASK（调幅）b、频移键控法FSK（调频）c、相移键控法PSK（调相）Date243.1 数据通信l模拟数据的数字信号编码将模拟数据 转换成数字数据。l模拟数据的数字信号常用调制方式：脉冲 编码调制（PCM编码）l

11、PCM编码过程：采样量化编码Date253.1 数据通信l3.1.1 通信模型l3.1.2 信号分析l3.1.3 信道Date263.1 数据通信l3.1.1 通信模型l该图反映了通信系统的共性，共包括了四个部分：发送端 、接收端、信道和噪声源。l该图显示的是一个单向通信系统模型，实际使用中的通信 系统大多是双向的，信道也可以进行双向传输 Date273.1 数据通信l数据通信系统还可以分为：l硬件包括终端设备（包括工作站），通信设 备（如调制解调器、多路复用器、转接线路、交 换机等），主计算机及以它为主体构成数据处理 系统，通信控制部分（如通信处理机等）。l软件包括协定的程序、管理通信系统的

12、程序 等。Date283.1 数据通信l数据通信系统的分类l按消息的物理特征：电报通信系统、电话通信 系统、数据通信系统、图像通信系统等l按调制方式：基带传输、频带传输l按信号特征：模拟通信系统、数字通信系统l按传输媒介：有线传输和无线传输l按信号复用方式：频分多路复用，时分多路复 用和统计时分多路复用。Date293.1 数据通信l连接方式：一般点到点的连接方式（直通方式）多点连接方式（分支连接方式）集线连接方式Date303.1 数据通信l信息的传输方式：并行数据传输、串行数据传输Date313.1 数据通信l同步传输方式中又有两种实现方法外同步自同步Date323.1 数据通信l数据的传

13、输方向可分为三种方式单工半双工全双工Date333.1 数据通信l多路复用技术把许多单个信号在单一的传输 线路和用单一的传输设备进行传输的技术。 Date343.1 数据通信l1频分多路复用FDM频分多路复用FDM(Frequency Division Multiplexing)是基于频带传输的原理，将信道的 带宽划分为多个子信道，每个子信道为一个频段 ，然后分配给多个用户。Date353.1 数据通信l2时分多路复用TDMTDM (Time Division Multiplexing)是将传输信号 的时间进行分割，使不同的信号在不同时间内传 送，即将整个传输时间划分为许多时间间隔，称 为时间

14、片，每个时间片被一路信号占用。Date363.1 数据通信l3统计时分多路复用STDM 统计时分多路复用STDM技术是一种改进的、效率更高的 时分多路复用技术，它不是给每个终端分配相同的时间片 ，而是根据终端的需要，动态地按需分配时间片，即有数 据要发送的终端才分得时间片。在TDM中，不管每个通信设备的状态如何，均分配给它 一个时间片。分配到时间片的终端可以持续使用该时间片 ，直到信息传输结束，以后该时间片又可分配给别的终端 使用，因此可以大大提高信道的利用率。STDM技术比较适用于数字数据，如计算机的输出等，一 般不适合经过转换的模拟数据。Date373.1 数据通信l3.1.2 信号分析

15、l在使用计算机的现代数据通信中，所有被 传输的信息都要以二进制数字或位来表示 ，我们可以借助于电压或电流这类物理量 的变化来实现对1和0这些信息的编码。l通过电压或电流表示成时间t的单值函数f(t) ，可以用数学方法来描述信号的变化，并 对其进行数学分析。Date383.1 数据通信l1傅立叶分析当时 当时 Date393.1 数据通信Date403.1 数据通信l2有限带宽信号Date413.1 数据通信l3.1.3 信道l通信的可靠性和有效性之间存在着矛盾， 在一定的物理条件下，提高了通信效率， 通信的可靠性往往会下降。Date423.1 数据通信Date433.1 数据通信l信息论提出井

16、解决了这样一个问题，即对于给定 的信道，当无差错传输时，差错率趋于零，信道 的信息传输量是否存在一个极限?如果存在，这个 极限怎样求得?l香农的信息论证明了这个极限的存在，并给出了 其计算公式。这个极限就是信道的容量。l例如：若某信道带宽为3KHz，采用二进制传输信 号，即任一时刻数字信号只可取0或1两种电平之 一，所以L=2，则最大数据传输速率为：Date443.2 有线传输介质l传输介质根据其物理形态分为有线介质和无线介 质两大类。有线介质通过双绞线、同轴电缆、光 缆等作为信号的载体，而无线介质则不采用导体 传输。l在选择介质时主要考虑以下问题：（1）成本（2）安装（3）带宽（4）衰减（5）连通性（6）抗干扰性Date453.2 有线传输介质l3.2.1 双绞线l3.2.2 同轴电缆l3.2.3 光纤Date