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1、第二章 数据通信技术基础1、信息、数据、信号通信是为了交换信息。信息（Information）是数据中所包含的有效内容或解释。信息的载体可以是数字、文字、语音、图形和图像，常称它们为数据（Data）。在计算机网络系统中，数据（Data）是指计算机中传递（携带）信息的实体，即在网络中存储、处理和传输的二进制数字编码。信号（Signal）：数据的物理量编码（通常为电信号），数据以信号的形式在介质中传播。模拟信号是随时间连续变化的信号，这种信号的某种参量，如幅度、频率或相位等可以表示要传送的信息。数字信号是离散信号，如计算机通信所用的二进制代码“0”和“1”组成的信号。模拟信号和数字信号的波形图如图
2、2.1所示。图2.1 模拟信号与数字信号信道也可以分成传送模拟信号的模拟信道和传送数字信号的数字信道两大类。但是应注意，数字信号在经过数模变换后就可以在模拟信道上传送，而模拟信号在经过模数转换后也可以在数字信道上传送。2、通信系统模型图2.2 通信系统的模型信源是产生和发送信息的一端，信宿是接受信息的一端。变换器和反变换器均是进行信号变换的设备，在实际的通信系统中有各种具体的设备名称，例如调制器与解调器、编码与解码器。3、数据传输方式模拟传输模拟传输指信道中传输的为模拟信号。当传输的是模拟信号时，可以直接进行传输。当传输的是数字信号时，进入信道前要经过调制解调器调制，变换为模拟信号。图2.4
3、模拟传输数字传输数字传输指信道中传输的为数字信号。当传输的信号是数字信号时，可以直接进行传输。当传输的是模拟信号时，进入信道前要经过编码解码器编码，变换为数字信号。图2.5 数字传输编码：不归零码、曼切斯特码、差分曼切斯特码（要求掌握）4、傅立叶分析及信号带宽任何周期信号都可以表示为基波信号和各种高次谐波信号的合成。根据傅立叶分析法，可以把一个周期为的复杂函数表示为无限个正弦和余弦函数之和其中代表直流分量，为基频，、分别是次谐波振幅的正弦和余弦分量频谱指组成周期信号各次谐波的振幅按频率的分布图，虽然周期信号的频谱理论上可以是无限的，但是一般高次谐波的分量会越来越小，因此，一般将小于某一分量的谐
4、波略掉。如图2.9所示，谐波的最高频率与最低频率之差称作信号的频带宽度，简称带宽，它表示实际信道所能传输信号的频率范围。图2.9 信号的频谱图5、周期性矩形脉冲的带宽如图2.10（a）所示，其幅值为A，脉冲宽度为，周期为T，对称于纵轴。图2.10 周期性脉冲及其频谱上述周期矩形脉冲的傅立叶级数中只含有直流和余弦项，令，我们有由图可知，谐波分量的频率越高，其幅值越小。可以认为信号的绝大部分能量集中在第一个零点的左侧，第一个零点处于。定义周期性矩形脉冲信号的带宽为：f=1/。注意：如果脉冲信号的脉冲宽度越小，其带宽越大。注意：带宽通常指信号所占据的频带宽度；以赫兹（Hz）为单位。对于数字信号而言，
5、带宽和单位时间内链路能够通过的数据量成正比。所以带宽是数字信道所能传送的“最高数据率”的同义语，单位是“比特每秒”，或 b/s (bit/s)。6、波特率、数据速率和信道容量码元速率表示单位时间内信号波形的变换次数，即通过信道传输的码元个数。若信号码元宽度为T秒，则码元速率B=1/T，单位叫波特，故码元速率也称为波特率1924年奈奎斯特推导出有限带宽无噪声信道的极限波特率，称为奈氏定理。若信道带宽为W，则奈氏定理的最大码元速率为：B=2W （Baud）数据速率指单位时间内信道上传送的信息量（比特数）。（bps）式中R表示数据速率，B、N、W的含义如上所述，单位为每秒比特（bits per se
6、cond），记为bps或b/s。理解：数据速率“比特/秒”与码元的传输速率“波特”是两个不同的概念。两者在数量上有上述公式所描述的关系。若1个码元只携带1bit的信息量（2进制），则两者在数值上是相等的。即。7、香农（shnnon）定律（有噪信道极限传输速率）式中，为信道带宽，为信号的平均功率，为噪声平均功率，叫信噪比。注意：实际使用中，与的比值太大，故常取分贝数。例如当=1000时，信噪比为30dB（分贝）。8、信道延迟信号在信道中从源端到达宿端需要的时间即为信道延迟，它与信道的长度及信号传播速度有关。9、基带传输所谓基带指的是基本频带，也就是数据编码电信号所固有的频带，这种信号可称为基带信
7、号。10、调制方式进行调制时，把正弦信号作为基准信号或载波信号。调制即利用载波信号的一个或几个参数的变化来表示数字信号（调制信号）的过程。基于载波信号的三个主要参数，可把调制方式分为三种：振幅调制、频率调制、相位调制，可分别简称为调幅、调频、调相，如图2.12所示。图2.12 三种模拟调制方式（1）调幅（AM，Amplitude Modulation）（2）调频（FM，Frequency Modulation）（3）调相（PM，Phase Modulation）11、脉码调制将模拟信号变换为数字信号的常用方法是脉码调制PCM（Pulse Code Modulation）。由于历史上的原因 ,P
8、CM有两个互不兼容的国际标准，即北美的24路PCM（简称为T1）和欧洲的30路PCM（简称为 E1）。我国采用的是目标准。T1的速率是1.544Mbps,E1的速率是2.048Mbps。为了将模拟电话信号转变为数字信号，必须对电话信号进行取样。即每隔一定的时间间隔，取模拟信号的当前值作为样本。该样本代表了模拟信号在某一时刻的瞬时值。一系列连 续的样本可用来代表模拟信号在某一区间随时间变化的值。取样的频率可根据奈氏取样定理 确定。奈氏取样定理表述为，只要取样频率大于模拟信号最高频率的2倍，则可以用得到的样本空间恢复原来的模拟信号。即其中fl为取样频率,T1为取样周期，即两次取祥之间的间隔,f2m
9、ax为信号的最高频率二标准电话信号的最高频率为3.4KHz,为方便起见，取样频率就定为8KHz,相当于取样周期为 125s（1/8000s）。图2.14表示了上述概念。图2.14 PCM的基本原理这样，一个话路的模拟电话信号，经模数变换后，就变成每秒8000个脉冲信号，每个脉冲信号再编为8位二进制码元。因此一个话路的PCM信号速率为64Kbps。为有效利用传输线路，通常总是将多个话路的PCM信号用时分多路复用（见下一节）的方法装成帧（即时分复用帧），然后再往线路上一帧接一帧地传输。图2.15说明了E1的时分复用帧的构成。图2.15 E1的时分复用帧E1的一个时分复用帧（其长度T=125s）共分
10、为32个相等的时间间隙（简称时隙），每个时隙传送8bits。因此，整个32个时隙共传送256bits，即一个帧的信息量。每秒传送8000个帧，故PCM一次群E1的数据率即为2.048Mbps北美使用的T1系统共24个话路。每个话路的取样脉冲占用8bits。帧同步是在24路的编码之后加上1bits，这样每帧共193bit。因此T1一次群的数据率为1.544Mbps。12、频分多路复用在物理信道能提供比单个原始信号宽得多的带宽的情况下，我们就可将该物理信道的总 带宽分割成若干个和传输的单个信号带宽相同（或略为宽一点）的子信道，每一个子信道传 输一路信号。这即频分多路复用FDM（Frequency
11、Division Multiplexing）。图2.17 频分多路复用FDM13、时分多路复用时分多路复用TDM（Time Division Multiplexing）是将一条物理线路按时间分成一个个的时间片，每个时间片常称为一帧（Frame）, 每帧长125s, 再分为若干时隙，轮换地为多个信号所使用。（见PCM）14、光波分多路复用光波分多路复用WDM（ Wavelength Division Multiplexing）技术是在一根光纤中能同时传播多个光波信号的技术。光波分多路复用的原理如图2.20所示，在发送端将不同波长的光信号组合起来，复用到一根光纤上，在接受端又将组合的光信号分开（解
12、复用），并送入不同的终端。图2.20 光波分多路复用单纤传输15、传输介质双绞线把两根互相绝缘的铜导线用规则的方法扭绞起来就构成了双绞线，如图2.24所示。互绞可以使线间及周围的电磁干扰最小。电话系统中使用双绞线较多，差不多所有的电话都用双绞线连接到电话交换机。图2.24 双绞线双绞线用于模拟传输或数字传输，其通信距离一般为几千米到十几千米。同轴电缆同轴电缆由内导体铜质芯线、绝缘层、网状编织的外导体屏蔽层以及保护塑料外层所组 成，如图2.25所示。这种结构中的金属屏蔽网可防止中心导体向外辐射电磁场，也可用来 防止外界电磁场干扰中心导体的信号，因而具有很好的抗干扰特性，被广泛用于较高速率的 数据
13、传输。通常按特性阻抗数值的不同，将其分为基带同轴电缆（50W同轴电缆）和宽带同轴电缆（75W同轴电缆）。 图2.25 同轴电缆光缆光导纤维电缆，简称光缆，是网络传输介质中性能最好、应用前途广泛的一种。图2.26 光纤剖面的示意图光纤通常由极透明的石英玻璃拉成细丝作为纤芯，外面分别由包层、吸收外壳和防护层等构成，图2.26是一根光纤剖面的示意图。包层较纤芯有较低的折射率。当光线从高折射率的媒体射向低折射率的媒体时，其折射角将大于入射角，如图 2.27（a）所示。因此，如果入射角足够大，就会出现全反射，即光线碰到包层时就会折射回纤芯。这个过程不断重复，光也就沿着光纤向前传输。图 2.27(b)画出
14、了光波在纤芯中传输的示意图。图2.27 光线射入到光缆和包层界面时的情况由于光纤非常细，连包层一起，其直径也不到0.2mm。故常将一至数百根光纤，再加上加强芯和填充物等构成一条光缆，就可大大提高其机械强度。必要时还可放入远供电源线。最后加上包带层和外护套，即可满足工程施工的强度要求。自由空间无线传输介质指的是利用大气和外层空间作为传播电磁波的通路，但由于信号频谱和传输介质技术的不同，主要包括无线电、微波、卫星微波、红外等。各种无线传输介质对应的电磁波谱范围如图2.29所示。图2.29 各种通信介质使用的电磁波谱范围16、交换对于交换网，数据交换方式按照网络结点对途径的数据流所转接的方法不同来分
15、类。目前广泛采用的交换方式有两大类： 线路交换（Circuit Switching）：网络结点内部完成对通信线路（在空间上或时间上）的连通，为数据流提供专用的传输通路。线路交换也称电路交换。 存储转发交换（Store-and-forward Exchanging）：网络结点运用程序先将途径的数据流按传输单元接收并存储下来，然后选择一条合适的链路将它转发出去，在逻辑上为数据流提供了传输通路。线路交换线路交换方式是把发送方和接收方用一系列链路直接连通。电话交换系统就是采用这种 交换方式。包括三个阶段：（1）线路建立阶段：通过呼叫完成逐个结点的接续过程，建立起一条端到端的直通线路。（2）数据传输阶段：在端到端的直通线路上建立数据链路连接并传输数据。（3）线路拆除阶段：数据传输完成后，拆除线路连接，释放结点和信道资源。线路交换最重要的特点是在一对用户之间建立起一条专用的数据通路。线路交换的优点是通信实时性强；通路一旦建立，便不会发生冲突，数据传输可靠、迅 速，不丢失且保持传输的顺序；线路传输时延小，唯一的时延是电磁信号的传播时间。其主要缺点是线路利用率低，特别是对于计算机的突发性数据通信不适应；通路建立之前有一段 较长的呼叫建立时延；系统无数据存储及
