数据通信与计算机网络(2)

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1、第二章 数据通信基础,本章节概述,主要内容： 1) 物理层要解决的问题 2）数据通信的基础知识 3）模拟传输（调制技术）、数字传输 4）信道复用技术、电话系统 5）传输介质（有线与无线）,2.1 物理层定义,物理层目的：尽可能屏蔽传输媒介的差异，透明传送和接收位流 物理层向数据链路层提供的服务：物理连接，物理层的协议数据单元（比特）ISO对OSI模型的物理层定义：物理层规定了建立、维持及断开物理信道所需的机械的、电气的、功能性的和规程性的特性 机械特性：接线器形状、尺寸、引脚数等电气特性：信号电平（电流）的范围功能特性：信号电平（电流）的含义规程特性：信号的时序,物理层定义,CCITT在X.2

2、5建议书对物理层作了类似的定义：利用物理的、电气的、功能的和规程的特性在DTE和DCE之间实现对物理信道的建立、保持和拆除的功能 DTE： (Date Terminal Equipment )数据终端设备，具有一定数据处理能力及收发数据能力的设备（事务处理的主机和终端） DCE ： (Date Communications Equipment)数据通信设备， 在DTE和传输线路之间提供信号变换和编码功能，并负责建立、保持和释放数据链路的连接 物理层接口主要就是DTE和DCE或其他设备间通信规则的约定,物理层的接口协议,定义物理连接的边界点，规定连接器的形状、几何尺寸、引线数、引线排列方式等 I

3、SO定义了五种连接器规格 语音频带串/并行modemRS232C (25) 公共数据网、电报网RS336A(25) 宽带modemCCITTV.35(34) 语音频带串行modemRS449（37）,物理层通信方式,并行通信和串行通信,物理层协议举例：RS-232-C(串行通信）,EIA-RS-232C标准，其中EIA(Electronic Industry Association)代表美国电子工业协会，RS（Recommeded standard）代表推荐标准，232是标识号，C代表RS232的最新一次修改（1969），在这之前，有RS232B、RS232A DB-25、DB-9 2种类型的

4、连接器得到了广泛的应用逻辑0：信号电平+3v逻辑1：信号电平-3v 如果使用一根电话线进行通信，那么计算机和MODEM之间的联机就是根据RS-232C标准连接的,RS232功能特性,2.2 数据通信基础知识,基本术语 数据信息的实体模拟数据：连续变化，如，语音，视频 ，温度等数字数据：离散变化，如，文字，整数等 信号：数据的电磁编码模拟信号：随时间连续变化的电流、电压或电磁波数字信号：离散变化的电信号,信息数据的内容 信源产生和发送信息的设备 信宿接收和处理信息的设备 信道信源和信宿之间的信号通路 数字信道采用数字信号传输数据的信道 模拟信道采用模拟信号传输数据的信道,2.3.1 基带传输，频

5、带传输,2.3 数据通信模型,基带传输,由计算机或终端产生的频谱从零开始，而未经调制的数字信号所占用的频率范围就叫基本频带，简称基带（base band）。这种数字信号就称基带信号。 传送数据时，以原封不动的形式，把基带信号送入线路，称为基带传输 基带传输不需要调制解调器，设备花费小，适用于短距离的数据传输中(功率衰减不大） 局域网中可采用基带同轴电缆作传输介质进行数据传输。,频带传输,计算机通信远程线路中，不能直接传达原始的电脉冲信号（即基带信号）。为此需要利用频带传输 频带传输：用基带脉冲对载波波形的某些参量进行控制，使这些参量随基带脉冲变化，也就是调制 频带传输不仅克服了目前许多长途电话

6、线路不能直接传输基带信号的缺点，而且能实现多路复用的目的，从而提高了通信线路的利用率 频带传输在发送端和接收端都要设置调制解调器,2.3.2 信号传输的过程中可能遇到的问题,理想信号信号传输会：延迟，衰减和受噪声影响,2.3.3 信道和信道参数,信道是信号从发送端到接收端之间进行传输的路径 但不是实际的电缆，而是数据经过的由介质提供的路径 信道参数：作为信道组成的传输介质分为有线和无线两类，它们具有如下特性：1）信息流方向：单工、半双工、全双工。 2）传送信号的类型：模拟的和数字的。 3）传输速率：用比特率和波特率表示。 4）带宽：在通信信道上可以传输的频率范围称带宽。信道的基本特性可以用带宽

7、和容量（最大的数据传输速率）来说明,传输速率,码元：一个离散信号（电平）状态或信号事件 比特：二进制位 码元传输速率B：每秒钟传输码元数（波特Baud) 信息传输速率S（数据传输速率）：每秒传输的比特数（比特/秒 bps) 两者关系：S=B*log2V (V表示一个码元所取的有效离散值个数） 举例：二级电平信号：1个码元携带1比特信息量四级电平信号：1个码元携带2比特信息量,带宽（bandwidth),带宽就是信道的通带（passband），由上、下限截止频率fc1和fc2来限定。一条传输信道上允许传输信息的频率范围.(从电子电路的角度） 实际上人说话声音频率范围是从300Hz到3400Hz-

8、带宽为3100Hz，如果该设备或介质的带宽受到限制，这意味着组成方波的某些成分不能通过该设备或介质。由于一些组成部分的波被消除，减少了频率阶次，方波将变形，声音将无法辨认。 带宽是传输介质的物理特性，通常取决于介质的材料构成，厚度和长度。或者也可以通过滤波器人为干预 有时带宽也用bps来表示信道的吞吐量，注意与文件大小的转换,信道容量无噪声,信道容量：每秒能传输的最大比特数，即信道的极限传输速率。比特传输率越高，信道的容量也就越大 Nyquist定理：如果任意一个信号已经通过了一个带宽为B的低通滤波器，只要每秒2B次采样，过滤之后的信号就可以完全被重构出来。 Nyquist定理表示一个有限带宽

9、，无噪声信道的最大数据传输速率,当信号包含了V个离散值时。最大数据传输率2Blog2v （位/秒） 例：在只有两个离散值的二元信道中，带宽为3000HZ，则最大的数据传输率为6000b/s,信道容量有噪声,香农定理：在有随机热噪声的信道上传输数据信号时，数据传输速率Rmax与信道带宽B，信噪比S/N的关系为Rmax = Blog2（1+S/N）S/N为信噪比（S为信号功率，N为噪声功率） 信躁比S/N的表示（分贝） S/N1000：该信道上的信号功率是噪声功率的1000倍 若S/N1000，B=3000HZ，那么最大数据传输速率约为30kb/s 信噪比可以用分贝表示（db),所以若S/N100

10、0，那么S/N(db)=10lg(S/N)=30db,信道容量有噪声,例：一条信道带宽为3000HZ，信躁比为30db(电话系统中模拟部分的典型参数），数据的最大数据传输速率为多少？香农公式表明：信道的带宽或信道中的信躁比越大(信号功率加强,噪声功率减小)，信息的极限传输速率就越高。实际的数据传输速度远小于理论最大值,2.3.4 信道特性之信息流方向,单工：通信是单向进行的，发送端与接收端确定（主从控制）半双工：通信是双向进行的，但不能同时发送和接收全双工：通信是双向的，可同时发送和接收（两条独立信道，单一信道，共享带宽）,2.4 模拟传输与数字传输,模拟传输与数字传输的编码技术,2.4.1模

11、拟数据编码方法（数字数据模拟信号）,模拟数据编码方法（数字数据模拟信号）,数字数据的模拟调制,ASK：信号容易实现，技术简单，但抗干扰能力弱 FSK: 信号容易实现，技术简单，抗干扰能力强，是比较常用的调制方法 BPSK：相位0表1，相位180度表示0，以固定初相的未调载波为参考，解调时需要同频同相载波，若本地参考载波相位发生变化，则结果错误。实际应用少 前后码元相异，变180度，前后码元相同，相位不变 DPSK：前后相邻码元的相对载波相位差值去表示数字信息的一种方式 码元为1时，相位变化180度，码元为0时，相位不变 AK：绝对码 BK:相对码 AK-BK(1变0不变） 1011011011

12、,2.4.2 数字数据编码,1、不归零编码（NRZ) 原理：用两种不同的电平分别表示二进制信息0和1。低电平表示0，高电平表示1 一个码元占一个单位脉冲宽度，脉冲宽度与发送能量成正比 缺点：发送方和接收方必须有时钟同步若信号中0或1连续出现，信号直流分量 将累加 优点:编码效率高.脉冲亮度大,信号能量大,抗干扰强,2、曼彻斯特码 原理：每个码元中间都有跳变，从低跳到高表示0，从高跳到低表示1（上升沿表0，下降沿表示1） 优点：克服了NRZ码的不足，每位中间的跳变既可以作为数据，又可以作为时钟，能够自同步 应用场合：以太网3、差分曼彻斯特码 原理：每一位中间都有跳变，每位开始时有跳变表示0，无跳

13、变表示1。位中间跳变表示时钟，位前跳变表示数据 优点：时钟，数据分离，便于提取 主要应用场合：令牌环网,曼彻斯特码和差分曼彻斯特码,2.5 信道复用技术,在单一物理通信线路（共用信道）上，传输若干个独立的信号多路复用的类型,复用技术的应用电话系统,本地回路（双绞线，模拟信号传输）1km-10km 干线（光纤或微波，数字信号传输）:交换局间的光缆数字传输 交换局（端局，汇集局 ，中心局的层次）：交换设备，交换技术 传统电话系统，所有传输的信号都是模拟的，现在所有干线和交换设备都是数字的，只有本地回路仍然是模拟的。电话业务模拟业务和数字业务,电话系统模拟业务多个话路的频分复用,采用FDM复用技术和

14、分级结构 世界上FDM方案某种程度上已被标准化，广泛使用的是12个4000HZ语音信道复用到60108KHZ频段中，这个单位称为一个群（group),5个群复用形成超群（supergroup),5个超群或10个超群构成是主群（mastergroup）,电话系统的数字传输,时间连续的模拟信号可以用时间上离散的抽样脉冲值代替,语音4KHZ，根据Nyquist定理，采样频率8000次/秒足以捕获所有的信息 即每次采样125us,电话系统采用的编码方式-脉冲编码调制方法（PCM),过程 1、对模拟信号进行脉冲振幅调制，取得脉冲振幅调制信号（采样） 2、对采样信号进行量化，按“四舍五入”的方法取整 3、

15、对取整后的信号进行8位（7位）二进制编码，从而取得数字化了的PCM信号,多个话路的PCM数字信号的时分复用,例：北美的T1系统，也就是PCM 24路制式（T体系） 1）采样频率8000HZ（采样周期为125us) 2）每个脉冲采用8位二进制码元（7位语音编码1位同步码） 3）则一个话路的PCM信号速率为8000HZ864kb/s,北美的T1系统时分复用,4) 24个话路，在125us的周期里组成一帧：248bit+1bit帧同步码193bit,数字业务多级时分复用,欧洲(中国）的E1系统时分复用,PCM 30/32路制式（E体系），一帧共有32个时隙，可以传送30路电话，即复用的路数n=32路

16、，其中话路数为30 编码器每秒取样8000次，一次采样125us 32路PCM信号的每一路轮流将一个字节插入到帧中； 每个字节的长度为8位，其中7位是数据位，1位用于信道控制； 每帧由328=256位组成 E1载波的数据传输速率为256bit8000次/秒=2.048Mb/s E1载波的开销2/32约为6.25%,移动通信中的多址技术（补充）,移动通信系统中的多址技术是多个移动用户通过共同的基站同时建立各自的信道，从而实现各用户之间的相互通信 CDM (code division multiple )码分复用 靠不同的编码来区分各路原始信号的一种复用方式。在多址蜂窝系统是以信道来区分通信对象的

17、。一个信道只容纳一个用户进行通话，许多同时通话的用户，互相以信道来区分，这就是多址。 第三代移动通信系统中的主流技术 为CDMA技术就是采用了码分多址的复用方式。,3G技术标准,1G ： 模拟手机 2G ：数字手机（全球移动通讯系统 GSM） 2.5G ：GPRS（通用分组无线业务 ） 3G ：无线通信与国际互联网等多媒体通信结合的新一代移动通信系统。 国际电信联盟ITU发布3G技术指导性文件2000年国际移动通讯计划，确定WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA三大主流无线接口标准 1)WCDMA ： WidebandCDMA，支持者主要是以GSM系统为主的欧洲厂商（新联通）2)CDMA2000 ：美国高通北美公司为主导提出（中国电信） 3)TD-SCDMA ：时分同步码分多址，中国内地独自制定的3G标准,由大唐电信向ITU提出（中国移动） 3.5G ： TD-HSDPA 4G:TD-LTE,