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1、第02章-数据通信与广域网新本文由陈慕景贡献 ppt文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 计算机网络教程 （第3 （第3版） 第2章 数据通信与广域网技术 本章学习要求： 掌握：数据通信的基本概念 了解：传输介质类型及主要特性 了解：无线与卫星通信技术的基本概念 掌握：数据编码的类型和基本方法 了解：基带传输的基本概念 掌握：频带传输的基本概念 掌握：多路复用的分类与特点 掌握：广域网中的数据交换技术的类型与工 作原理 掌握：差错控制方法 2.1 数据通信的基本概念 2.1.1 信息、数据与信号 通信的目的是交换信息， 信息的载体可以是数 字、文字、语
2、音、图形或图像，计算机产生的 信息一般是字母、数字、语音、图形或图像的 组合； 为了传送这些信息，首先要将字母、数字、语 音、图形或图像用二进制代码的数据来表示； 为了传输二进制代码的数据，必须将它们用模 拟或数字信号编码的方式表示； 数据通信是指在不同计算机之间传送表示字母、 数字、符号的二进制代码0、1比特序列的模拟 或数字信号的过程。 信息编码标准 ASCII 码被国际标准化组织ISO接受，成为国际 标准ISO 646，又称为国际5号码; 它用于计算机内码，也用做数据通信中的编码 标准; ASCII码采用7位二进制比特编码，可以表示128 个字符; 字符分为图形字符与控制字符两类。图形字
3、符 包括数字、字母、运算符号、商用符号等。 多媒体网络应用 随着计算机技术的发展，多媒体技术得到了广 泛应用； 利用数字通信系统来实现多媒体信息的传输是 通信技术研究的重要内容之一； 与文本、图形信息传输相比较，语音、图像信 息传输要求数据通信系统具有高速率与低延时 的特性； 如果每帧图像由1024768个点阵组成，图像 颜色有256种，每个点阵用1字节二进制数表示， 每秒钟传送30帧图像，那么每秒钟需要传送 235,929,601字节； 如果传送数字化的语音信号，每秒钟对语音信 号进行22,050次取样，每次取样值用1字节表示， 信号的概念 信号是数据在传输过程中电信号的表示形式； 模拟信号
4、（analog signal）的信号电平是连续变 化的； 数字信号（digital signal）是用两种不同的电平 去表示0、1比特序列的电压脉冲信号表示； 按照在传输介质上传输的信号类型，通信系统 分为模拟通信系统与数字通信系统两种。 模拟信号与数字信号波形 v(t) t (a) v(t) t (b) 2.1.2 数据传输类型与通信方式 网络中两台计算机的通信过程 资源子网 通信子网 CCPE 主机HA CCPA CCPF 主机HB CCPB CCPC CCPD 网络通信系统设计中要解决的几 个基本问题： 数据传输类型 模拟通信 数字通信 数据通信方式 串行通信、并行通信 单工通信、半双工
5、或全双工通信 同步方式 同步通信 异步通信 串行通信与并行通信 b7 b6 b5 b4 b3 b2 b1 b0 发送端 串行通信信道 (a) 发送端 b0 b1 b2 b3 b4 b5 b6 b7 并 行 通 信 信 道 接收端 b0 b1 b2 b3 b4 b5 b6 b7 接收端 (b) 单工、半双工与全双工通信 发送 单向通道 (a) 发送 双向通道 接收 (b) 发送 接收 接收 发送 双向通道 接收 (c) 接收 发送 同步通信与异步通信 SYN SYN 一个或多个 SYN字符 控制字符 数据字符 控制字符 字节5 字节4 字节 3 字节2 字节1 t b6 b5 b4 b3 b2
6、b1 b 0 终止位 (逻辑0) 起始位 (逻辑1) 2.2 传输介质及其主要特性 2.2.1 传输介质的主要类型 双绞线 同轴电缆 光纤电缆 无线与卫星通信信道 传输介质的特性： 物理特性：传输介质物理结构的描述； 传输特性：传输介质允许传送数字或模拟信号， 以及 调制技术、传输容量、传输的频率 范围； 连通特性：允许点-点或多点连接； 地理范围：传输介质最大传输距离； 抗干扰性：传输介质防止噪声与电磁干扰对传 输数据 影响的能力； 相对价格：器件、安装与维护费用。 2.2.2 双绞线的主要特性 屏蔽双绞线 STP 非屏蔽双绞线UTP 铜线 绝缘层 外屏蔽层 外部保护层 （ a ） 屏蔽双绞
7、线 铜线 绝缘层 外部保护层 （ b ） 非屏蔽双绞线 2.2.3 同轴电缆的主要特性 粗同轴电缆 细同轴电缆 内导体 绝缘层 外屏蔽层 外部保护层 2.2.4 光纤的主要特性 光纤 包层 外部保护层 (a) 保护层 包层 光纤 包层 保护层 (b) 发送端 光纤 输入 光电转换 LED 光信号 PIN 接收端 光电转换 输出 2.3 无线与卫星通信技术 2.3.1 电磁波谱与移动通信 f(Hz) 10 0 10 2 10 4 10 6 10 8 10 微波 10 10 12 10 14 10 16 10 18 10 20 10 22 10 24 无线电 红外 X-射线 -射线 可见光 4 5
8、 6 7 8 9 10 紫外线 11 12 13 14 15 16 f(Hz) 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 双绞线 同轴电缆 卫星通信 光纤 地面微波通信 无线电(AM) 无线电(FM) 电视频道 频段 LF MF HF VHF UHF SHF EHF THF 2.3.2 无线通信 视距传播 地球表面 电离层反射 电离 层 地球表面 2.3.3 微波通信 微波信号没有绕射功能，两个微波信号 只能在可视情况下才能正常接收； 大气对微波信号的吸收与散射影响较大。 2.3.4 蜂窝无线通信 多址接入方法： 频分多址接入（FDMA） 时分多址接入（TD
9、MA） 码分多址接入（CDMA） 2.3.5 卫星通信 卫星 卫星 多点接收 地球表面 多点接收 发送 2.4 数据编码技术 2.4.1 数据编码类型 振幅键控ASK 模拟数据编码 移频键控FSK 移相键控PSK 数据编码方法 非归零码NRZ 数字数据编码 曼彻斯特编码 差分曼彻斯特编码 2.4.2 模拟数据编码方法 0 数据 1 0 0 1 0 (a)ASK 2 (b)FSK (c)PSK(绝对) +0 (d)PSK(相对) + +0 +0 + +0 0 0 1 2 1 2 1 2.4.3 数字数据编码方法 数据 0 1 0 0 1 0 1 1 (a)非归零码 同步时钟 (b)曼彻斯特编码
10、(c)差分曼彻斯特编码 2.4.4 脉冲编码 调制方法 A 1.5 1.521.5 1.281.3 1.261.3 0.730.7 0.620.6 1.0 0.5 0.270.3 0 D8 D7 D6 D5 D4 (a) 样本 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 量化级 1 4 7 13 15 13 6 3 二进制编码 0001 0100 0111 1101 1111 1101 0110 0011 (b) 编码信号 D3 D2 D1 t 0.410.4 0.120.1 PCM用于数字语音系统： 声音分为128个量化级； 每个量化级采用7位二进制编码表示； 采样速率为8000样本/秒
11、； 8000 / 数据传输速率应达到7位8000/秒=56Kbps； 如果每个量化级采用7+1=8位二进制编码表示; 数据传输速率应达到8位8000 /秒= 64Kbps。 2.5 基带传输技术 2.5.1 基带传输的定义 在数据通信中，表示计算机二进制的比特序列的 数字数据信号是典型的矩形脉冲信号; 矩形脉冲信号的固有频带称做基本频带,简称为 基带,矩形脉冲信号就叫做基带信号; 在数字通信信道上，直接传送基带信号的方法称 为基带传输; 在发送端，基带传输的数据经过编码器变换变为 直接传输的基带信号，例如曼彻斯特编码或差分 曼彻斯特编码信号; 在接收端由解码器恢复成与发送端相同的矩形脉 冲信号
12、; 基带传输是一种最基本的数据传输方式。 2.5.2 通信信道带宽对基带传输的 影响 E(t) (a) 0 E(t) (b) 0 E(t) (c) 0 E(t) (d) 0 E(t) (e) 0 t 0 1 2 3 4 5 6 7 8 t t E(t) 0 1 2 3 4 t t E(t) 0 1 2 t t E(t) 0 1 t t E(t) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 t 0 1 1 0 0 0 1 0 E(t) 2.5.3 数据传输速率的定义与信道 速率的极限 数据传输速率的定义 数据传输速率是描述数据传输系统的重要技术 指标； 数据传输速率在数值上，等于每秒钟传输构成
13、 数据代码的二进制比特数，单位为比特/秒，记 做bps； 常用的数据传输速率单位有：Kbps、Mbps、 Gbps与Tb/s，其中： 1Kbps = 1103 bps 1Mbps = 1106 bps 1Gbps = 1109 bps 1Tbps = 11012 bps 信道速率的极限值 奈奎斯特准则：二进制数据信号的最大数据传输 速率 Rmax与通信信道带宽B（B=f，单位 Hz） 的关系为Rmax=2f（bps）； 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； 2.6 频带传输技术 2.6.1 频带传输的定义 利用模拟信道传输数据信号的方法称为 频带传输； 调制解调器（modem）是频带传输中最典 型的通信设备。 2.6.2 调制解调器的基本工作原理 在发送端将计算机中的数字信号转换成 能在电话线上传输的模拟信号； 在接收端将从电话线路上接收到的模拟 信号还原成数字信号。 电话机 电话机 电话线 电话线 计算机 Modem 电话交换网 Modem 计算机 FSK方式Modem的工作原理 电话机 电话机 电话交换
