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1、第2章 数据通信基础,2.1 概述 2.2 数据调制与编码 2.3 多路复用技术 2.4 异步与同步通信 2.5 数据传输介质 2.6 差错控制与校验 2.7 信息交换技术,本章学习目标,了解模拟传输与数字传输的基本原理 熟悉异步与同步通信的接口标准 掌握常用数据编码及多路复用技术 掌握信息交换技术,返回本章首页,2.1 概述,2.1.1 数据通信的基本概念 2.1.2 数据通信系统的主要质量指标,返回本章首页,2.1.1 数据通信的基本概念,1信息、数据和信号 2数据通信系统的模型,1信息、数据和信号,(1)信息（Information）是客观事物属性和相互联系特性的表征，它反映了客观事物的
2、存在形式和运动状态。 (2)数据（Data）一般可以理解为“信息的数字化形式”或“数字化的信息形式”。狭义的“数据”通常是指具有一定数字特性的信息，如统计数据、气象数据、测量数据及计算机中区别于程序的计算数据等。但在计算机网络系统中，数据通常被广义地理解为在网络中存储、处理和传输的二进制数字编码。 (3)信号（Signal）简单地讲就是携带信息的传输介质。在通信系统中我们常常使用的电信号、电磁信号、光信号、载波信号、脉冲信号、调制信号等术语就是指携带某种信息的具有不同形式或特性的传输介质。,2数据通信系统的模型,图2-1 通信系统模型,图2-1所示的为单向通信系统，从通信的双方信息交互的方式来
3、看，可以有以下三种基本方式： （1）单向通信。又称单工通信，即只能有一个方向的通信，而没有反方向的交互。无线电广播或有线电广播以及电视广播就属于这种类型。 （2）双向交替通信。又称半双工通信，即通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送（或同时接收），这种通信方式往往是一方发送另一方接收。 （3）双向同时通信。又称全双工通信，即通信双方可以同时发送和接收信息。,图2-2 通信系统实例,图2-2是通信系统的一个实例，工作站通过公共电话网PSTN与一个服务器进行通信。在此模型中，数据通信系统要完成的一系列关键任务为：,（1）接口规范 （2）同步 （3）传输系统利用率 （4）差错检测和校验,（5）
4、灾难恢复 （6）寻址和路由 （7）网络安全 （8）网络管理,返回本节,2.1.2 数据通信系统的主要质量指标,1模拟通信系统的质量指标 （1）有效性 （2）可靠性 2数字通信系统的质量指标 （1）传输速率 （2）差错率,返回本节,2.2 数据调制与编码,2.2.1 数字数据的数字信号编码 2.2.2 数字数据的模拟信号编码 2.2.3 模拟数据的数字信号编码,返回本章首页,2.2.1 数字数据的数字信号编码,数字通信系统的任务是传输数字信息，数字信息可能来自数据终端设备的原始数据信号，也可能来自模拟信号经数字化处理后的脉冲编码信号。 传输数字信息的方法是按传输波形来分类的。 1基带方式 24B
5、/5B编码,1基带方式,对于码型的选择，通常要考虑以下的因素： 对于传输频带低端受限的信道，线路传输码型的频谱中不应含有直流分量； 信号的抗噪声干扰能力强，产生误码时，在译码中产生的误码扩散或误码增值小； 便于从信号中提取位同步定时信息； 尽量减少基带信号频谱中高频分量，以节省传输频带，并减小串扰； 编译码的设备应尽量简单。,克服不归零制编码缺点的一种编码方案是曼彻斯特（Manchester）编码（见图2-3（b），它是一种自同步编码方式，包括数据信息和时钟信息。 另一种曼彻斯特编码的变种叫做差分曼彻斯特编码（见图2-3（c），它的编码规则是：若码元为1，则其前半个码元的电平与上一个码元的后半
6、个码元的电平一样；但若码元为0，则其前半个码元的电平与上一个码元的后半个码元的电平相反。不论码元是或，在每个码元的正中间时刻，一定要有一次电平的转换。差分曼彻斯特编码需要较复杂的技术，但可以获得较好的抗干扰性能。,图2-3 常用数字信号编码,24B/5B编码,在光纤分布式数据接口（FDDI，Fiber Distributed Data Interface）中采用了独特的4B/5B编码。这种编码的特点是将欲发送的数据流每bit作为一个组，然后按照4B/5B编码规则将其转换成相应5bit码。 5bit码共有32种组合，但只采用其中的24种，16种对应4bit码的16种，8种用作控制码，以表示帧的开
7、始和结束、光纤线路的状态（静止、空闲、暂停）等。标准4B/5B编码对照表见表2-1，用于100MbpsFDD1PMD的4B/5B编码控制码表见表2-2。 现用不归零编码画出4bit码和5bit码的对应波形，5bit码经差分编码后，转换成光信号，如图2-4所示。,图2-4 4B/5B编码方式,返回本节,2.2.2 数字数据的模拟信号编码,通过调制振幅、频率和相位等载波特性或者这些特性的某种组合，来对数字数据进行编码。最基本的数字数据模拟信号调制方式有以下三种（如图2-5所示）。 （1）幅移键控方式（ASK，Amplitude-Shift Keying） （2）频移键控方式（FSK，Frequen
8、cy-Shift Keying） （3）相移键控方式（PSK，Phase-Shift Keying）,图2-5 对基带数字信号的几种调制方法,返回本节,2.2.3 模拟数据的数字信号编码,脉冲编码调制（PCM，Pulse Code Modulation）是波形编码中最重要的一种方式，在光纤通信、数字微波通信、卫星通信等均获得了极为广泛的应用，现在的数字传输系统大多采用PCM体制。PCM最初并不是用来传送计算机数据的，采用它是为了解决电话局之间中继线不够，使一条中继线不只传送一路而是可以传送几十路电话。PCM过程主要由采样、量化与编码三个步骤组成。,返回本节,2.3 多路复用技术,2.3.1 频
9、分多路复用 2.3.2 时分多路复用,返回本章首页,2.3.1 频分多路复用,当介质的有效带宽超过被传输的信号带宽时，可以把多个信号调制在不同的载波频率上，从而在同一介质上实现同时传送多路信号，即将信道的可用频带（带宽）按频率分割多路信号的方法划分为若干互不交叠的频段，每路信号占据其中一个频段，从而形成许多个子信道（图2-6）；在接收端用适当的滤波器将多路信号分开，分别进行解调和终端处理，这种技术称为频分多路复用（FDM，Frequency Division Multiplexing）。,图2-6 FDM子信道示意图,FDM系统的原理示意图如图2-7所示，它假设有6个输入源，分别输入6路信号到
10、频分多路器FDM-MUX，多路器将每路信号调制在不同的载波频率上（例如f1，f2，f6）。每路信号以其载波频率为中心，占用一定的带宽，此带宽范围称作一个通道，各通道之间通常用保护频带隔离，以保证各路信号的频带间不发生重叠。,图2-7 FDM原理,返回本节,2.3.2 时分多路复用,TDM是将传输时间划分为许多个短的互不重叠的时隙，而将若干个时隙组成时分复用帧，用每个时分复用帧中某一固定序号的时隙组成一个子信道，每个子信道所占用的带宽相同，每个时分复用帧所占的时间也是相同的（如图2-8所示），即在同步TDM中，各路时隙的分配是预先确定的时间且各信号源的传输定时是同步的。对于TDM，时隙长度越短，
11、则每个时分复用帧中所包含的时隙数就越多，所容纳的用户数也就越多，其原理如图2-9所示。,图2-8 TDM子信道示意图,图2-9 TDM原理,返回本节,2.4 异步与同步通信,同步就是接收端按发送端发送的每个码元的起止时间及重复频率来接收数据，并且要校准自己的时钟以便与发送端的发送取得一致，实现同步接收。 数据传输的同步方式一般分为位同步、字符同步，字符同步通常是识别每一个字符或一帧数据的开始和结束；位同步则识别每一位的开始和结束。 在异步通信中，发送端可以在任意时刻发送字符，字符之间的间隔时间可以任意变化。该方法是将字符看作一个独立的传送单元，在每个字符的前后各加入13位信息作为字符的开始和结
12、束标志位，以便在每一个字符开始时接收端和发送端同步一次，从而在一串比特流中可以把每个字符识别出来。,返回本章首页,通常情况下，并行通信用于距离较近的情况，串行通信用于距离较远的情况。在并行数据传输中，至少有8个数据位同时从一个设备传送到另一个设备，发送设备将8个数据位通过8条数据线传送给接收设备。接收设备在收到这些数据后，不需经过任何改变就可以直接使用。计算机内部的总线数据传送通常都是以并行方式进行传输的。在串行数据传输中，每次由源地传到目的地的数据只有一位，与同时传输好几位数据的并行传输相比，串行数据传输的传输速度要比并行传输慢，但在实际应用中往往选择串行数据传输，这是因为实现串行数据传输的
13、硬件具有经济性和实用性。,返回本节,2.5 数据传输介质,2.5.1 双绞线 2.5.2 同轴电缆 2.5.3 光纤 2.5.4 无线电短波通信 2.5.5 地面微波接力通信 2.5.6 红外线和激光 2.5.7 卫星通信 2.5.8 VSAT卫星通信,返回本章首页,2.5.1 双绞线,表2-3是UTP电缆的常见类型，10BaseT局域网中主要使用3类和5类线，它们的有效传输距离一般在100m左右。另外还有超5类双绞线电缆，通过对其“信道”性能测试结果表明，与普通5类双绞线电缆比较，它的近端串扰、衰减和结构回波等主要性能指标都有很大提高。,双绞线的制作分为工作站至工作站和工作站至集线器两种：工
14、作站至集线器的双绞线，其8芯线一一对应；工作站至工作站的双绞线，按照图2-10所示的连线制作。,图2-10 双绞电缆,返回本节,2.5.2 同轴电缆,典型的同轴电缆（Coaxial Cable）由一根内导体铜质芯线外加绝缘层、密集网状编织导电金属屏蔽层以及外包装保护塑橡材料组成，其结构如图2-11所示。,表2-4是作者在网络工程施工中常常用到的一些IEEE802.3 10BaseT系列网络拓扑经验，仅供读者参考。,返回本节,2.5.3 光纤,实际上，只要射到光纤表面的光线的入射角大于某一临界角度，就可以产生全反射，并且可以存在许多条不同角度入射的光线在一条光纤中传输，这种光纤就称为多模光纤（M
15、ultimode Fiber），如图2-12所示。,（a）折射角大于入射角,（b）光波在纤芯中传播,（c）62.5/125m渐变增强型多模光纤,图2-12 多模光纤,多模光纤和5类双绞线的衰减与频率关系如图2-13所示，当传输频率超过100MHz时，5类双绞线随着频率的增加衰减愈来愈大；而光纤在300MHz以内，衰减基本不变。,图2-13 光纤与电缆频率与衰减关系图,光缆的结构大致可分为缆芯（Cable Core）和保护层（Sheath）两大部分，图2-14为四芯光缆剖面的示意图。,图2-14 四芯光缆剖面示意图,返回本节,2.5.4 无线电短波通信,在一些电缆光纤难于通过或施工困难的场合，例
16、如，高山、湖泊或岛屿等，即使在城市中挖开马路敷设电缆有时也很不划算，特别是通信距离很远，对通信安全性要求不高，敷设电缆或光纤既昂贵又费时，若利用无线电波等无线传输介质在自由空间传播，就会有较大的机动灵活性，可以轻松实现多种通信，抗自然灾害能力和可靠性也较高。,返回本节,2.5.5 地面微波接力通信,无线电数字微波通信系统在长途大容量的数据通信中占有及其重要的地位，其频率范围为300MHz300GHz。微波通信主要有两种方式：地面微波接力通信和卫星通信。 微波在空间主要是直线传播，并且能穿透电离层进入宇宙空间，它不像短波那样经电离层反射传播到地面上其他很远的地方，由于地球表面是个曲面，因此其传播距离受到限制且与天线的高度有关，一般只有50km左右，长途通信时必须建立多个中继站，中继站把前一站发来的信号经过放大后再发往下一站，类似于“接力”，如果中继站采用100m高的天线塔，则接力距离可增大到100 km。,返回本节,2.5.6 红外线和激光,红外线通信和激光通信就是把要传输的信号分别转换成红外光信号和激光信
