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1、第第2章章 数据通信基础与物理层数据通信基础与物理层 2.1 2.1 数据通信基本概念数据通信基本概念 2.2 2.2 数据交换技术数据交换技术2.3 2.3 传输媒体传输媒体2.4 2.4 网络结构化布线简介网络结构化布线简介2.5 2.5 物理层协议物理层协议2.6 2.6 实验实验2.1 2.1 数据通信基本概念数据通信基本概念 一、信息与数据一、信息与数据 信息信息( (Information)Information)是客观事物属性和相互联系特性的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存在形式和运动状态。一表征，它反映了客观事物的存在形式和运动状态。一般认为信息是人对现
2、实世界事物存在方式或运动状态般认为信息是人对现实世界事物存在方式或运动状态的某种认识。表示信息的形式可以是的某种认识。表示信息的形式可以是数值、文字、图数值、文字、图形、声音、图像以及动画形、声音、图像以及动画等。等。信息总是与一定的形式相联系，这种形式实体就是数据。信息总是与一定的形式相联系，这种形式实体就是数据。可以说，数据是传递信息的实体，而信息是数据的内可以说，数据是传递信息的实体，而信息是数据的内容或解释容或解释数据是把事件的某些属性规范化后的表现形式。是把事件的某些属性规范化后的表现形式。在在计算机网算机网络系系统中，数据通常被广中，数据通常被广义地理解地理解为在网在网络中存中存储
3、、处理和理和传输的二的二进制数字制数字编码。二、信号二、信号信号就是指表示数据的电磁骗码或电子编码。信号就是指表示数据的电磁骗码或电子编码。信号可以是信号可以是模拟信号模拟信号或或数字信号数字信号。模拟信号模拟信号是指表示信息的信号及其振幅、频率、相是指表示信息的信号及其振幅、频率、相位等参数随着时间连续变化，如语音信号、电视位等参数随着时间连续变化，如语音信号、电视信号等；信号等；数字信号数字信号在幅度上也是离散的，如电报信号、计算在幅度上也是离散的，如电报信号、计算机输入输出的二进制信号等。机输入输出的二进制信号等。 2.1 数据通信的基本概念模拟： 波动性； 持续变化； 反映事物的本质；
4、 在电信业已经被广泛 使用超过100年；数字： 离散性； 跃变性； 设备性能先进， 较为便宜； 模拟与数字的特点三、信道和信道带宽三、信道和信道带宽 在数据通信系统中，在数据通信系统中，信道信道是指信息传输的通道，是指信息传输的通道，即信息进行传输时所经过的一条通路。即信息进行传输时所经过的一条通路。 信道本身也可以是模信道本身也可以是模拟的或数字方式的，用以的或数字方式的，用以传输模模拟信号的信道叫做模信号的信道叫做模拟信道，用以信道，用以传输数字信号的信道叫做数字信道。数字信号的信道叫做数字信道。但但应注意，数字信号在注意，数字信号在经过数模数模变换后就可以后就可以在模在模拟信道上信道上传
5、送，而模送，而模拟信号在信号在经过模数模数变换后也可在数字信道上后也可在数字信道上传送。送。 w“带宽带宽”(bandwidth)本来是指信号具本来是指信号具有的频带宽度，单位是赫（或千赫、兆有的频带宽度，单位是赫（或千赫、兆赫、吉赫等）。赫、吉赫等）。比如人的听觉系统，人耳比如人的听觉系统，人耳所能感受的声波频率范围是所能感受的声波频率范围是2020HzHz到到2000020000HzHz，所以用所以用2000020000HzHz减去减去2020HzHz所得的值就好比是人所得的值就好比是人类听觉系统的带宽。类听觉系统的带宽。 w现在现在“带宽带宽”是数字信道所能传送的是数字信道所能传送的“最
6、高数据率最高数据率”的同义语，单位是的同义语，单位是“比特比特每秒每秒”，或，或 b/s (bit/s)。常用的带宽单位w更常用的带宽单位是千比每秒，即 kb/s （103 b/s）兆比每秒，即 Mb/s（106 b/s）吉比每秒，即 Gb/s（109 b/s）太比每秒，即 Tb/s（1012 b/s）w请注意：在计算机界，K = 210 = 1024 M = 220, G = 230, T = 240ABAB宽带线路窄带线路在宽带线路上比特传播得快 在窄带线路上比特传播得慢 错误的概念A AB BA AB B宽带线路窄带线路宽带线路：每秒有更多比特从计算机 注入到线路。宽带线路和窄带线路上比
7、特的传播速率是一样的。正确的概念正确的概念比喻：汽车运货宽带线路窄带线路宽带和窄带线路：车速一样宽带线路：车距缩短补充知识补充知识: :基本概念和术语基本概念和术语 数据传输速率 bps(bit per second) 用C表示信号传输速率波特（Baud） 用B表示 C=Blog2n n是调制电平数另一种错误概念“宽带”相当于“多车道”多车道公路是并行传输100101110100100111010001011010通信线路上通常都是串行传输四、并行传输和串行传输四、并行传输和串行传输数据传输有并行与串行两种方式。数据传输有并行与串行两种方式。 并行传输并行传输主要用于局域网通信等距离比较近的主
8、要用于局域网通信等距离比较近的情况，至少有情况，至少有8 8位数据同时传输。位数据同时传输。计算机内部的数据多是并行传输，如用于连接计算机内部的数据多是并行传输，如用于连接磁盘的扁平电缆一次就可以传输磁盘的扁平电缆一次就可以传输8 8位或位或1616位数位数据，外部的并行端口及其连线都利用并行传据，外部的并行端口及其连线都利用并行传输。输。 串行传输串行传输用于距离比较远的情况，每次由源到目的传输用于距离比较远的情况，每次由源到目的传输的数据只有一位。由于线路成本等方面的因素，远距的数据只有一位。由于线路成本等方面的因素，远距离通信一般都采用串行传输技术。离通信一般都采用串行传输技术。 由于数
9、据是串行的，必须解决收发双方如何保持字符的由于数据是串行的，必须解决收发双方如何保持字符的同步同步问题，否则对于接收端无法正确区分每一个字符。问题，否则对于接收端无法正确区分每一个字符。五、单工、半双工和全双工五、单工、半双工和全双工 按照数据信息在传输链路上的传送方向来划分。按照数据信息在传输链路上的传送方向来划分。单工通信单工通信：信号只能向一个方向传送。如广播。：信号只能向一个方向传送。如广播。半双工通信半双工通信：信息的传递可以是双向的，但不：信息的传递可以是双向的，但不能同时双向发送。如对讲机。能同时双向发送。如对讲机。全双工通信全双工通信：通信的双方可以同时发送和接收：通信的双方可
10、以同时发送和接收信息。信息。 六、六、异步传输与同步传输异步传输与同步传输数据通信的一个基本要求是接收方必数据通信的一个基本要求是接收方必须知道它知道它所接收的每一位的开始所接收的每一位的开始时间和持和持续时间，这样才能正确地接收才能正确地接收发送方送方发来的数据。来的数据。满足上述要求的足上述要求的办法有两法有两类：异步异步传输和和同步同步传输。 异步传输异步传输的工作原理是每个字节作为一个单元的工作原理是每个字节作为一个单元独立传输，字节之间的传输间隔任意。独立传输，字节之间的传输间隔任意。为了标志字节的开始和结尾，在每个字节的开为了标志字节的开始和结尾，在每个字节的开始加一位起始位，结尾
11、加一个停止位，构成始加一位起始位，结尾加一个停止位，构成一个个数据单元。一个个数据单元。它的特点是它的特点是每个数据单元都有其每个数据单元都有其始位和停止位始位和停止位标识单元的开始和结束标识单元的开始和结束，字符之间的间隔任，字符之间的间隔任意，速率较低，适合于误码率高及对数据速意，速率较低，适合于误码率高及对数据速率要求低的线路。率要求低的线路。 同步传输同步传输它不是对每个字符单独进行同步，而它不是对每个字符单独进行同步，而是对一组字符组成的数据块进行同步。是对一组字符组成的数据块进行同步。同步的方法不是加一位停止位，而是在数据块同步的方法不是加一位停止位，而是在数据块前面加特殊模式的同
12、步字符。以协调接收双前面加特殊模式的同步字符。以协调接收双方的时钟。方的时钟。它的特点是它的特点是开销少、效率高开销少、效率高，适合以较高的速，适合以较高的速率传输数据。缺点是整个数据块一旦有一位率传输数据。缺点是整个数据块一旦有一位错传，就必须重传整个数据块的内容。错传，就必须重传整个数据块的内容。 七、基带传输与数字信号编码七、基带传输与数字信号编码简单说来，所谓简单说来，所谓基带传输基带传输就是将数字信号就是将数字信号0 0和和1 1直直接用两种不同的电压来表示，然后送到线路上接用两种不同的电压来表示，然后送到线路上进行传输。进行传输。 因为占用线路的全部带宽因为占用线路的全部带宽,也称
13、为也称为数字基带传输数字基带传输。三种编码比较图三种编码比较图八、频带传输与调制方法八、频带传输与调制方法频带信号传输频带信号传输就是将二进制信号进行调制后变就是将二进制信号进行调制后变换成能在公用电话网上传输的换成能在公用电话网上传输的模拟模拟信号，然信号，然后再进行传输。后再进行传输。调制解调器的调制方法有三种：调制解调器的调制方法有三种：调幅调幅、调频调频、调相调相。九、九、多路复用技术多路复用技术当传输介质的带宽超过了传输单个信号所需的当传输介质的带宽超过了传输单个信号所需的带宽，人们就通过在一条介质上同时携带多带宽，人们就通过在一条介质上同时携带多个传输信号的方法来提高传输系统的利用
14、率，个传输信号的方法来提高传输系统的利用率，这就是所谓的多路复用。这就是所谓的多路复用。多路复用多路复用一般分一般分为两大两大类： 频分多路复用分多路复用( (FDM)FDM) 时分多路复用分多路复用( (TDM)TDM) 波分多路复用波分多路复用( (WDM)WDM) 2.2 交换技术交换技术 “交换交换”就是按照某种方式动态地分配传输线就是按照某种方式动态地分配传输线路的资源。路的资源。在通信系统中，交换机所采用的交换技术按照在通信系统中，交换机所采用的交换技术按照其交换形式可以分为以下三种：其交换形式可以分为以下三种： 电路交换电路交换 报文交换报文交换 分组交换。分组交换。 2.3 传
15、输媒体传输媒体网络的传输介质分为网络的传输介质分为有线传输有线传输（电磁波被导向沿固（电磁波被导向沿固定媒体传播）定媒体传播） 无线传输无线传输w有线同轴电缆双绞线光纤 w无线卫星无线红外通信激光通信微波 一、双绞线一、双绞线 双绞线是使用时间最长的传输介质，由于它具双绞线是使用时间最长的传输介质，由于它具有性能好、价格低等优点，它在近期内都将有性能好、价格低等优点，它在近期内都将是最广泛使用的传输介质。是最广泛使用的传输介质。(a) Category 3 UTP(b) Category 5 UTP.每一每一对双双绞线由由绞合在一起的相互合在一起的相互绝缘的两根的两根铜线组成，每根成，每根铜线
16、的直径大的直径大约为1 1mmmm。这样做的目的主要是减少做的目的主要是减少电磁干磁干扰，提高，提高传输质量量( (两条平行的金属两条平行的金属线构成一个构成一个简单的天的天线，而双而双绞线则不会不会) )。双双绞线最常最常见的的应用是用是电话系系统。几乎所有的。几乎所有的电话都通都通过双双绞线连接到接到电话局。双局。双绞线内内的信号在几公里内的信号在几公里内传输都不需要放大。都不需要放大。双绞线可以用于传输双绞线可以用于传输模拟信号或数字信号模拟信号或数字信号，传，传输的速率根据线的粗细和长短而不同，一般输的速率根据线的粗细和长短而不同，一般来说，线的直径越大，传输距离越短，而传来说，线的直
17、径越大，传输距离越短，而传输速率越高。输速率越高。根据外套加不加用金属丝编织成的屏蔽层双绞根据外套加不加用金属丝编织成的屏蔽层双绞线可分为非屏蔽双绞线线可分为非屏蔽双绞线( (UTP)UTP)和屏蔽双绞线和屏蔽双绞线( (STP)STP)两大类。两大类。 铜线铜线聚氯乙烯 套层聚氯乙烯套层屏蔽层绝缘层绝缘层非屏蔽双绞线 UTP屏蔽双绞线 STP双绞线的分类和特性双绞线的分类和特性: : 33类线：最高传输频率类线：最高传输频率1616MHzMHz，最高传输率最高传输率1010Mbps Mbps 44类线类线: 20: 20MHz, 16Mbps MHz, 16Mbps 55类线类线: 100:
18、 100MHz, 100Mbps MHz, 100Mbps 超超5 5类线：与类线：与5 5类线相同类线相同 66类线：带宽类线：带宽200200MHz MHz 77类线：带宽类线：带宽600600MHzMHz 最常用的是（对传送数据来说）是最常用的是（对传送数据来说）是UTPUTP的的3 3类线类线和和5 5类线类线 连接方式：用连接方式：用RJ-45RJ-45连接器相连，最大网线长度连接器相连，最大网线长度100100m m注意：注意：RJ-45RJ-45连接器中每条接器中每条导线排列排列顺序固定，序固定，统一一 w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：工作站至集线器的双绞线
19、，其8芯线一一对应；工作站至工作站的双绞线，按照图所示的连线制作。双绞电缆双绞电缆二、同轴电缆二、同轴电缆 同轴电缆由同轴的内外两个导体组成，内导体同轴电缆由同轴的内外两个导体组成，内导体是一根金属线（单股实心线或多股绞合线），是一根金属线（单股实心线或多股绞合线），外导体是一根圆柱形的套管，一般是细金属外导体是一根圆柱形的套管，一般是细金属线编织成的网状结构，内外导体之间有绝缘线编织成的网状结构，内外导体之间有绝缘层。在外导体外面又覆盖一层保护性材料。层。在外导体外面又覆盖一层保护性材料。 由于外导体屏蔽层的作用，同轴电缆具有很好由于外导体屏蔽层的作用，同轴电缆具有很好的抗干扰特性，现被广泛
20、用于较高速率的数的抗干扰特性，现被广泛用于较高速率的数据传输之用。据传输之用。有两种广泛使用的同轴电缆。一种是有两种广泛使用的同轴电缆。一种是50同轴电同轴电缆，另一种是缆，另一种是75同轴电缆。同轴电缆。 三、光缆三、光缆光纤通信就是利用光导纤维光纤通信就是利用光导纤维( (光纤光纤) )传递光脉冲传递光脉冲来进行通信。来进行通信。 光缆外观图光缆外观图光纤通常由非常透明的光纤通常由非常透明的石英玻璃石英玻璃拉成细丝，主拉成细丝，主要由纤芯和包层构成双层通信圆柱体。纤芯要由纤芯和包层构成双层通信圆柱体。纤芯用来传导光波。用来传导光波。包层较纤芯有较低的折射率。当光线从高折射包层较纤芯有较低的
21、折射率。当光线从高折射率的媒体射向低折射率的媒体时，其折射角率的媒体射向低折射率的媒体时，其折射角将大于入射角。因此，如果入射角足够大，将大于入射角。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，光也就沿着射回纤芯。这个过程不断重复，光也就沿着光纤传输下去。光纤传输下去。 实际上，只要射到光上，只要射到光纤表面的光表面的光线的入射角大于的入射角大于某一个某一个临界角度，就可界角度，就可产生全反射。生全反射。 因此，可以存在许多条不同角度入射的光线在一因此，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
22、就称为条光纤中传输。这种光纤就称为多模光纤多模光纤。但是，当光纤的直径减小到只有一个光的波长，但是，当光纤的直径减小到只有一个光的波长，就会使光线一直向前传播，而不会产生多次反就会使光线一直向前传播，而不会产生多次反射，这样的光纤就称为射，这样的光纤就称为单模光纤单模光纤。 多模光纤和5类双绞线的衰减与频率关系如图所示，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。 图图 光光纤纤与与电电缆缆频频率率与与衰衰减减关关系系图图四、无线传输介质四、无线传输介质w在一些电缆光纤难于通过或施工困难的场合，例如，高山、湖泊或岛屿等，即使在城市
23、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。无线传输介质主要是通过大气进行传输，主要无线传输介质主要是通过大气进行传输，主要利用利用短波，微波，红外线和可见光短波，微波，红外线和可见光这几个波这几个波段进行通信。段进行通信。无线电短波通信无线电短波通信主要靠电离层的反射。但电离主要靠电离层的反射。但电离层的不稳定所产生的衰落现象和电离层反射层的不稳定所产生的衰落现象和电离层反射所产生的多径效应，使得短波通信的通信质所
24、产生的多径效应，使得短波通信的通信质量较差，一般速度较低。量较差，一般速度较低。 无线电无线电微波通信微波通信在数据通信中占有重要地位。在数据通信中占有重要地位。微波的频率范围为微波的频率范围为300300MHzMHz300GHz300GHz，但主要但主要使用使用2 24040GhzGhz的频率范围。的频率范围。微波在空间中主要是直线传播。由于微波会穿微波在空间中主要是直线传播。由于微波会穿透电离层而进入宇宙空间，因此他不象短波透电离层而进入宇宙空间，因此他不象短波那样可以经电离层反射传播到地面上很远的那样可以经电离层反射传播到地面上很远的地方。地方。 由于地球表面是个曲面，因此其传播距离受到
25、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，一般只有限制且与天线的高度有关，一般只有50km50km左左右，长途通信时必须建立多个右，长途通信时必须建立多个中继站中继站，中继，中继站把前一站发来的信号经过放大后再发往下站把前一站发来的信号经过放大后再发往下一站，类似于一站，类似于“接力接力”，如果中继站采用，如果中继站采用100m100m高的天线塔，则接力距离可增大到高的天线塔，则接力距离可增大到100 100 kmkm。这样微波通信就有两种主要方式：这样微波通信就有两种主要方式：地面微波地面微波接接力通信，力通信，卫星通信卫星通信。1 1、地面微波接力通信、地面微波接力通
26、信 由于微波在空间是直线传播，而地球表面是个由于微波在空间是直线传播，而地球表面是个曲面，因此其传播距离受到限制，一般为曲面，因此其传播距离受到限制，一般为5050kmkm左右。为实现远距离传送必须在一条无左右。为实现远距离传送必须在一条无线电通信信道的两个终端间建立中继站，接线电通信信道的两个终端间建立中继站，接力传送。力传送。 2 2、卫星通信、卫星通信常用的卫星通信方法是在地球站之间利用位于常用的卫星通信方法是在地球站之间利用位于3 3万万6 6千公里高空的人造同步地球卫星作为中继千公里高空的人造同步地球卫星作为中继器的一种微波接力通信。器的一种微波接力通信。最大的特点是最大的特点是通信
27、距离远通信距离远，且通信费用与通信，且通信费用与通信距离无关。同步卫星发射出的电磁波能辐射距离无关。同步卫星发射出的电磁波能辐射到地球上的通信覆盖区的跨度达到地球上的通信覆盖区的跨度达1 1万万8 8千多公千多公里。只要在地球赤道上空的同步轨道上等距里。只要在地球赤道上空的同步轨道上等距离放置离放置3 3颗相隔颗相隔120120度的卫星，就能基本上实度的卫星，就能基本上实现全球的通信。另一特点是具有现全球的通信。另一特点是具有较大的传播较大的传播时延时延。 图：图： VSAT网络组成网络组成红外线和激光 w红外线通信红外线通信和和激光通信激光通信就是把要传输的就是把要传输的信号分别转换成红外光
28、信号和激光信号信号分别转换成红外光信号和激光信号直接在自由空间沿直线进行传播，它比直接在自由空间沿直线进行传播，它比微波通信具有更强的方向性，难以窃听、微波通信具有更强的方向性，难以窃听、插入数据和进行干扰，但红外线和激光插入数据和进行干扰，但红外线和激光对雨雾等环境干扰特别敏感。对雨雾等环境干扰特别敏感。 无线局域网无线局域网 PC-PCPC-PC3.3 无线网络3.3 无线网络无线局域网无线局域网 PC-LANPC-LAN2.4 网络结构化布线简介所谓结构化布线系统，就是指建筑物或建筑群所谓结构化布线系统，就是指建筑物或建筑群内所安装的传输线路。内所安装的传输线路。从用户的角度来说，结构化
29、布线系统是使用一从用户的角度来说，结构化布线系统是使用一套标准的组网部件，按照标准的连接方法来套标准的组网部件，按照标准的连接方法来实现的网络布线系统。实现的网络布线系统。结构化布线示意图结构化布线示意图信息插座配线架2.5 物理层协议物理层协议就是物理层协议就是DTEDTE和和DCEDCE的接口标准。的接口标准。wDTE (Data Terminal Equipment) 是数据终端是数据终端设备，是具有一定的数据处理能力和发送、设备，是具有一定的数据处理能力和发送、接收数据能力的设备。接收数据能力的设备。wDCE (Data Circuit-terminating Equipment)是是
30、数据电路端接设备，它在数据电路端接设备，它在 DTE 和传输线路之和传输线路之间提供信号变换和编码的功能，并且负责建间提供信号变换和编码的功能，并且负责建立、保持和释放数据链路的连接。立、保持和释放数据链路的连接。RS-232RS-232接口接口应用位置DTE与DCE间的接口RS-232RS-232接口接口功能特性功能特性(1) 保护地(2) 发送数据(3) 接收数据(4) 请求发送(5) 允许发送(6) DCE 就绪(7) 信号地(8) 载波检测(20) DTE 就绪(22) 振铃指示DTEDCE计算机或终端调制解调器思考题一、选择题（正确的选择可能不止一个）1、数据传输速率最本质地是由_决定的。 A.信道长度 B.信道带宽 C.传输的数据类型 D.信道利用率2、双绞线的特点是_。 A.可以传输模拟信号 B.可以传输数字信号 C.可以用于点到点传输 D.可以用于点到多点传输3、交换技术分为_。 A.电路交换B.报文交换 C.虚电路交换D. 分组交换
