数据通信基本知识

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1、数据通信基本知识所有计算机之间之间通过计算机网络的通信都涉及由传输介质传输某种形式的数据编码信号。传输介 质在计算机、计算机网络设备间起互连和通信作用，为数据信号提供从一个节点传送到另一个节点的物理 通路。 计算机与计算机网络中采用的传输介质可分为有线和无线传输介质两大类。、有线传输介质(Wired Transmission Media) 有线传输介质在数据传输中只作为传输介质，而非信号载体。 计算机网络中流行使用的有线传输介质 (Wired Transmission Media)为：铜线和玻璃纤维。1. 铜线铜线(Copper Wire)由于具有较低的电阻率、价廉和容易安装等优点因而成为最早

2、用于计算机网络中的 传输介质，它以介质中传输的电流作为数据信号的载体。为了尽可能减小铜线所传输信号之间的相互干涉(I nterference)，我们使用两种基本的铜线类型：双绞线和同轴电缆。(1) 双绞线双绞线(Twisted Pair)是把两条互相绝缘的铜导线纽绞起来组成一条通信线路，它既可减小流过电流 所辐射的能量，也可防止来自其他通信线路上信号的干涉。双绞线分屏蔽和无屏蔽两种，其形状结构如图 1.1 所示。双绞线的线路损耗较大，传输速率低，但价格便宜，容易安装，常用于对通信速率要求不高的 网络连接中。(2) 同轴电缆同轴电缆(Coaxial Cable)由一对同轴导线组成。同轴电缆频带宽

3、，损耗小，具有比双绞线更强的抗干 扰能力和更好的传输性能。按特性阻抗值不同，同轴电缆可分为基带(用于传输单路信号)和宽带(用于同时 传输多路信号)两种。同轴电缆是目前 LAN 局域网与有线电视网中普遍采用的比较理想的传输介质。2. 玻璃纤维 目前，在计算机网络中十分流行使用易弯曲的石英玻璃纤维来作为传输介质，它以介质中传输的光波(光脉冲信号)作为信息载体，因此我们又将之称为光导纤维，简称光纤(Optical Fiber)或光缆(Optical Cable)。光缆由能传导光波的石英玻璃纤维(纤芯)，外加包层(硅橡胶)和保护层构成。在光缆一头的发射器 使用LED光发射二极管(Light Emitt

4、ing Diode)或激光(Laser)来发射光脉冲，在光缆另一头的接收器使用 光敏半导体管探测光脉冲。模拟数据通信与数字数据通信一、通信信道与信道容量(Communication Channel & Channel Capacity)通信信道(Communication Channel)是数据传输的通路，在计算机网络中信道分为物理信道和逻辑信 道。物理信道指用于传输数据信号的物理通路，它由传输介质与有关通信设备组成；逻辑信道指在物理信 道的基础上，发送与接收数据信号的双方通过中间结点所实现的逻?quot;联系，由此为传输数据信号形成 的逻辑通路。逻辑信道可以是有连接的，也可以是无连接的。 物

5、理信道还可根据传输介质的不同而分为有 线信道和无线信道，也可按传输数据类型的不同分为数字信道和模拟信道。信道容量(Channel Capacity) 指信道传输信息的最大能力：对于数字信道一般用单位时间可以传输的最大二进制位(比特bit)数来表示, 对于模拟信道则由信道的带宽表示。信道容量的大小还受信道质量和可使用时间的影响，当信道质量较差 时，实际传输速率将降低。二、模拟数据通信和数字数据通信 (Analog Data Communication & Digital Data Communication)1. 模拟数据与数字数据我们一般将数据分为模拟数据和数字数据两大类。模拟数据(Analo

6、g Data)是由传感器采集得到的连续变化的值，例如温度、压力，以及目前在电话、无 线电和电视广播中的声音和图像。数字数据(Digital Data)则是模拟数据经量化后得到的离散的值，例如 在计算机中用二进制代码表示的字符、图形、音频与视频数据。目前，ASCII美国信息交换标准码(Americ an Standard Code for Information Interchange)已为ISO国际标准化组织和CCITT国际电报电话咨询委 员会所采纳，成为国际通用的信息交换标准代码，使用7位二进制数来表示一个英文字母、数字、标点或 控制符号；图形、音频与视频数据则可分别采用多种编码格式。2.

7、模拟信号与数字信号(1) 模拟信号与数字信号不同的数据必须转换为相应的信号才能进行传输：模拟数据一般采用模拟信号(Analog Signal)，例如 用一系列连续变化的电磁波(如无线电与电视广播中的电磁波)，或电压信号(如电话传输中的音频电压信 号)来表示；数字数据则采用数字信号(Digital Signal)，例如用一系列断续变化的电压脉冲(如我们可用 恒定的正电压表示二进制数1，用恒定的负电压表示二进制数0)，或光脉冲来表示。 当模拟信号采用连续 变化的电磁波来表示时，电磁波本身既是信号载体，同时作为传输介质；而当模拟信号采用连续变化的信 号电压来表示时，它一般通过传统的模拟信号传输线路(

8、例如电话网、有线电视网)来传输。 当数字信号采 用断续变化的电压或光脉冲来表示时，一般则需要用双绞线、电缆或光纤介质将通信双方连接起来，才能 将信号从一个节点传到另一个节点。(2) 模拟信号与数字信号之间的相互转换模拟信号和数字信号之间可以相互转换：模拟信号一般通过PCM脉码调制(Pulse Code Modulation) 方法量化为数字信号，即让模拟信号的不同幅度分别对应不同的二进制值，例如采用8位编码可将模拟信 号量化为28=256个量级，实用中常采取24位或30位编码；数字信号一般通过对载波进行移相(Phase S hift)的方法转换为模拟信号。计算机、计算机局域网与城域网中均使用二

9、进制数字信号，目前在计算机 广域网中实际传送的则既有二进制数字信号，也有由数字信号转换而得的模拟信号。但是更具应用发展前 景的是数字信号。3. 模拟数据通信与数字数据通信(1) 模拟数据通信路来传输模拟数据或数字数据对应的模拟信号。例如目前我们广泛使用公用电话线路来传输语音或计 算机数字数据对应的模拟信号，我们也可以使用公共有线电视网来传输视频和计算机数字数据对应的模拟 信号；而微波与卫星通信传输的也可以是模拟数据或数字数据对应的模拟信号。 为了用模拟数据通信的方法实现模拟数据和数字数据的远距离传输，我们一般不直接传输模拟信号(包括由 数字信号转换而来的模拟信号)，而是在发送方使用某一频率的电

10、磁波作为载波(Carrier),然后用模拟信 号或数字信号对其进行调制(Modulation)，调制后的载波信号(为模拟信号)占有以该载波频率为中心的一 段频谱，并能在适于该载波频率的介质上传输；而在接收方则通过解调制(Demodulation)还原叠加于载波 上的模拟信号或数字信号。我们将可同时完成调制和解调的装置称为调制解调器(MODEM)。(2) 数字数据通信数字数据通信(Digital Data Communication)指直接利用数字传输技术在数字设备之间传输数字数 据，或模拟数据对应的数字信号。由于计算机使用二进制数字信号，因而计算机与其外部设备之间，以及 计算机局域网、城域网大

11、多直接采用数字数据通信。此外，目前北美采用的24路PCM脉码调制(速率为1. 544Mpbs)，以及欧洲和我国采用的30路PCM脉码调制(速率为2.048Mbps)电话系统均是数字数据通信系统。 由于数字数据通信传送的是离散的数字信号，即逐位传送二进制数字代码，因此要求系统应能确知传输线 上正在传送的数位是0 还是1。(3) 数字数据通信的优点与模拟数据通信相比较，数字数据通信具有下列优点：a. 来自声音、视频和其他数据源的各类数据均可统一为数字信号的形式，并通过数字通信系统传输b. 以数据帧为单位传输数据，并通过检错编码和重发数据帧来发现与纠正通信错误，从而有效保证通 信的可靠性c. 在长距

12、离数字通信中可通过中继器放大和整形来保证数字信号的完整及不累积噪音d. 使用加密技术可有效增强通信的安全性e. 数字技术比模拟技术发展更快，数字设备很容易通过集成电路来实现，并与计算机相结合，而由于 超大规模集成电路技术的迅速发展，数字设备的体积与成本的下降速度大大超过模拟设备，性能/价格比高f. 多路光纤技术的发展大大提高了数字通信的效率。需要指出，鉴于传统公用电话网已在世界范围普及，目前家庭个人计算机用户大都通过电话线路与计 算机网络相连；此外，随着卫星通信的发展，高容量、高宽带的多路复用传输也大大提高了模拟通信的传 输效率。但是，如果在两台计算机的通信线路之间，只有部分电路采用数字通信，

13、则数字通信的优点并不 能充分地得到发挥。因此，为了提高通信效率，有条件的用户应安装数字数据通信专线，或直接接入局域 网；此外，应大力发展陆上和海底的洲际光缆。 近20 年来，数字数据通信技术已开始发展并得到广泛应 用。目前，数字通信已开始在长距离话音和数字数据领域逐渐替代传统的模拟通信。计算机网络技术的应 用发展，则大大推动了数字通信技术的迅速发展。可以预言，数字数据通信最终将取代模拟数据通信。数据通信的主要技术指标在数字通信中，我们一般使用比特率和误码率来分别描述数据信号传输速率的大小和传输质量的好坏 等；在模拟通信中，我们常使用带宽和波特率来描述通信信道传输能力和数据信号对载波的调制速率。

14、 1. 带宽在模拟信道中，我们常用带宽表示信道传输信息的能力，带宽即传输信号的最高频率与最低频率之差。 理论分析表明，模拟信道的带宽或信噪比越大，信道的极限传输速率也越高。这也是为什么我们总是努力 提高通信信道带宽的原因。2. 比特率在数字信道中，比特率是数字信号的传输速率，它用单位时间内传输的二进制代码的有效位(bit)数来 表示，其单位为每秒比特数bit/s(bps)、每秒千比特数(Kbps)或每秒兆比特数(Mbps)来表示(此处K和M 分别为1000和1000000，而不是涉及计算机存储器容量时的1024和1048576)。3. 波特率波特率指数据信号对载波的调制速率，它用单位时间内载波

15、调制状态改变次数来表示，其单位为波特(B aud)。波特率与比特率的关系为：比特率=波特率X单个调制状态对应的二进制位数。 显然，两相调制(单个调制状态对应1 个二进制位)的比特率等于波特率；四相调制(单个调制状态对应2个 二进制位)的比特率为波特率的两倍；八相调制(单个调制状态对应3个二进制位)的比特率为波特率的三 倍；依次类推。4. 误码率误码率指在数据传输中的错误率。在计算机网络中一般要求数字信号误码率低于10,-6)。数据传输方式(Data Transmission Mode)一、基带信号与宽带信号以及它们的传输1. 基带信号与基带传输基带信号(Baseband Signal)直接用两

16、种不同的电压来表示数字信号1和0,因此我们将对应矩形电脉 冲信号的固有频率称为基带，相应的信号称为基带信号。基带传输(Baseband Transmission)指通过有线信道直接传输基带信号，一般用于传输距离较近的数字通信 系统,如基带局域网系统。2. 宽带信号宽带信号(Wideband Signal)用多组基带信号1和0分别调制不同频率的载波，并由这些分别占用不同 频段的调制载波组成。3. 多路复用为了充分利用通信干线的通信能力，人们广泛使用多路复用(Multiplex)技术，即让多路通信信道同时 共用一条线路。多路复用可分为频分多路复用和时分多路复用。频分多路复用 当我们采用宽带信号时，由于同一线路上不同频率的各路信道互不干扰地同时传输各自的信号，我们 称之为频分多路复用(Frequency -Division Multiplexing)。频分多