第2章數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)

數(shù)據(jù)通信的基本概念

信道特征2.3傳輸介質(zhì)2.4數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)2.5數(shù)據(jù)同步技術(shù)2.6信道復(fù)用技術(shù)2.7通信方式2.8交換方式2.9差錯(cuò)控制本章學(xué)習(xí)目標(biāo)：●掌握數(shù)據(jù)通信的基本概念、工作過(guò)程及數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的基本組成和應(yīng)用●掌握信道帶寬和傳輸速率之間的關(guān)系●掌握傳輸介質(zhì)的特性和應(yīng)用●了解數(shù)據(jù)通信的主要技術(shù)指標(biāo)和通信方式●了解數(shù)據(jù)通信中的編碼技術(shù)、調(diào)制解調(diào)技術(shù)、多路復(fù)用技術(shù)和同步技術(shù)的工作原理及應(yīng)用●了解數(shù)據(jù)交換技術(shù)和差錯(cuò)控制技術(shù)的工作過(guò)程、工作原理與應(yīng)用

數(shù)據(jù)通信是一門(mén)獨(dú)立的學(xué)科，它涉及的范圍很廣。數(shù)據(jù)通信的任務(wù)是利用通信媒體傳輸信息。數(shù)據(jù)是信息的載體，是信息的表現(xiàn)形式，而信息是數(shù)據(jù)的具體含義。數(shù)據(jù)通信就是要研究用什么媒體、什么技術(shù)來(lái)使信息數(shù)據(jù)化以及如何傳輸它。2.1數(shù)據(jù)通信的基本概念2.1.1數(shù)據(jù)、信息和信號(hào)通信的目的是交換信息。信息的載體可以是多媒體，包含語(yǔ)音、音樂(lè)、圖形圖像、文字和數(shù)據(jù)等。計(jì)算機(jī)終端產(chǎn)生的信息一般是字母、數(shù)字和符合的組合。為了傳輸這些信息，首先應(yīng)將每一個(gè)字母、數(shù)字或符號(hào)用二進(jìn)制代碼表示。

美國(guó)信息交換標(biāo)準(zhǔn)代碼（ASCII）是國(guó)際通用的信息交換用標(biāo)準(zhǔn)代碼。ASCII碼用7位二進(jìn)制數(shù)表示一個(gè)字母、數(shù)字或符號(hào)。如A的ASCII碼是01000001。任何文字都可以用一串二進(jìn)制ASCII碼表示。2.1.1數(shù)據(jù)、信息和信號(hào)

被傳輸?shù)亩M(jìn)制代碼稱為數(shù)據(jù)(data)，數(shù)據(jù)是傳輸信息的載體。數(shù)據(jù)和信息的主要區(qū)別在于：數(shù)據(jù)涉及的是事物的的表示形式，信息涉及的是這些數(shù)據(jù)的內(nèi)容和解釋。

信號(hào)是數(shù)據(jù)的具體的物理表現(xiàn)，具有確定的物理描述，如電壓、磁場(chǎng)強(qiáng)度等。在計(jì)算機(jī)中，信息是用數(shù)據(jù)表示的并轉(zhuǎn)換成信號(hào)進(jìn)行傳送。信號(hào)有模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)兩種形式。模擬信號(hào)是指時(shí)間上和空間上連續(xù)變化的信號(hào)；數(shù)字信號(hào)是指一系列在時(shí)間上離散的信號(hào)。2.1.1數(shù)據(jù)、信息和信號(hào)

信息、數(shù)據(jù)和信號(hào)數(shù)據(jù)是信息在計(jì)算機(jī)內(nèi)的表示信號(hào)是數(shù)據(jù)的電子或電子編碼例：準(zhǔn)時(shí)上班－－信息0:遲到，1:準(zhǔn)時(shí)；01－－數(shù)據(jù)電平0伏表示數(shù)據(jù)0,電平5伏表示數(shù)據(jù)1;0v5v－－信號(hào)2.1.2數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)模型

通信系統(tǒng)是一個(gè)很復(fù)雜的系統(tǒng)，以上描述忽略了通信過(guò)程的技術(shù)細(xì)節(jié)。圖2-1是一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)通信模型，它分為三部分：源系統(tǒng)（或發(fā)送端）、傳輸系統(tǒng)（或傳輸信道）和目的系統(tǒng)（或接收端）。信源信號(hào)變換器通信媒體信號(hào)變換器信宿圖2-1簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)模型2.2數(shù)據(jù)通信的基礎(chǔ)知識(shí)

2.2.1數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的模型

傳輸系統(tǒng)輸入信息輸入數(shù)據(jù)發(fā)送的信號(hào)接收的信號(hào)輸出數(shù)據(jù)源點(diǎn)終點(diǎn)發(fā)送器接收器調(diào)制解調(diào)器PC機(jī)公用電話網(wǎng)調(diào)制解調(diào)器數(shù)字比特流數(shù)字比特流模擬信號(hào)模擬信號(hào)正文正文數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)源系統(tǒng)目的系統(tǒng)傳輸系統(tǒng)輸出信息PC機(jī)幾個(gè)術(shù)語(yǔ)數(shù)據(jù)(data)——運(yùn)送信息的實(shí)體。信號(hào)(signal)——數(shù)據(jù)的電氣的或電磁的表現(xiàn)?！澳M的”(analogous)——連續(xù)變化的?！皵?shù)字的”(digital)——取值是離散數(shù)值。調(diào)制——把數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)的過(guò)程。解調(diào)——把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的過(guò)程。模擬的和數(shù)字的數(shù)據(jù)、信號(hào)模擬數(shù)據(jù)模擬信號(hào)放大器調(diào)制器模擬數(shù)據(jù)數(shù)字信號(hào)

PCM編碼器數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)模擬信號(hào)調(diào)制器數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)數(shù)字信號(hào)數(shù)字發(fā)送器基帶(baseband)信號(hào)和

寬帶(broadband)信號(hào)基帶信號(hào)就是將數(shù)字信號(hào)1或0直接用兩種不同的電壓來(lái)表示，然后送到線路上去傳輸。寬帶信號(hào)則是將基帶信號(hào)進(jìn)行調(diào)制后形成的頻分復(fù)用模擬信號(hào)。

2.2.3信道的最高碼元傳輸速率任何實(shí)際的信道都不是理想的，在傳輸信號(hào)時(shí)會(huì)產(chǎn)生各種失真以及帶來(lái)多種干擾。

碼元傳輸?shù)乃俾试礁?，或信?hào)傳輸?shù)木嚯x越遠(yuǎn)，在信道的輸出端的波形的失真就越嚴(yán)重。2.1.2數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)模型

數(shù)據(jù)通信中傳輸?shù)膶?duì)象是數(shù)據(jù)，而信號(hào)則是數(shù)據(jù)的電磁或電子編碼，信號(hào)可以分為模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)，不論什么信號(hào)總是沿著通信介質(zhì)發(fā)送從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。2.2.1信道帶寬和信道容量

信道帶寬和信道容量是描述信道的主要指標(biāo)，由信道的物理特性所決定。

通信系統(tǒng)中傳輸信息的信道具有一定的頻率范圍（即頻帶寬度，單位是赫茲），稱為信道寬度。信道容量是指單位時(shí)間內(nèi)信道所能傳輸?shù)淖畲笮畔⒘?，它表征信道的傳輸能力?.2信道特征2.2.1信道帶寬和信道容量在通信領(lǐng)域中，信道容量常指信道在單位時(shí)間內(nèi)可傳輸?shù)淖畲蟠a元數(shù)（碼元是承載信息的基本信號(hào)單位，一個(gè)表示數(shù)據(jù)有效值狀態(tài)的脈沖信號(hào)就是一個(gè)碼元，其單位為波特），信道容量的單位以碼元速率（或波特率）來(lái)表示。由于數(shù)據(jù)通信主要是計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸，而這些數(shù)據(jù)最終又以二進(jìn)制位的形式表示，因此，信道容量也表示為單位時(shí)間內(nèi)最多可傳輸?shù)亩M(jìn)制數(shù)的位數(shù)，用b/s表示。2.2.1信道帶寬和信道容量波特率：信號(hào)變化次數(shù)（每秒采樣的次數(shù)）比特率：數(shù)據(jù)傳輸速率bps比特與波特密切相關(guān)（一般波特率越高則比特率也越高）如：設(shè)大于5V為1，小于5V為0則波特率＝比特率（每采樣一個(gè)信號(hào)則相當(dāng)于得到1比特?cái)?shù)據(jù)）設(shè)信號(hào)分為2級(jí)：01則波特率＝比特率設(shè)信號(hào)分為8級(jí)：012…7則一次信號(hào)變化（一次采樣）可表示3bit要注意信息的傳輸速率“比特/秒”與碼元的傳輸速率“波特”在數(shù)量上卻有一定的關(guān)系。若1個(gè)碼元只攜帶1bit的信息量，則“比特/秒”和“波特”在數(shù)值上相等。若1個(gè)碼元攜帶nbit的信息量，則

MBaud的碼元傳輸速率所對(duì)應(yīng)的信息傳輸速率為M

nb/s。如：n=3,則用8種不同的調(diào)制方法來(lái)表示這樣的信號(hào)，可以用8種不同的振幅、頻率或相位來(lái)進(jìn)行調(diào)制。2.2.1信道帶寬和信道容量奈奎斯特準(zhǔn)則：理想狀況下，信道中每秒能傳輸?shù)淖畲蟊忍財(cái)?shù)由奈奎斯特準(zhǔn)則決定：

RMAX=2Wlog2L式中RMAX為最大速率，W為信道帶寬，L為信道上傳輸信號(hào)可取的離散值的個(gè)數(shù)。若信道上傳輸?shù)氖嵌M(jìn)制信號(hào)，則可取兩個(gè)離散電平“1”和“0”，此時(shí)L=2，log22=1，所以RMAX=2W，如果某信道的帶寬為3kHz則信道的數(shù)據(jù)傳輸速率不能超過(guò)6kb/s。數(shù)字信號(hào)通過(guò)實(shí)際的信道失真不嚴(yán)重失真嚴(yán)重實(shí)際的信道（帶寬受限、有噪聲、干擾和失真）輸入信號(hào)波形輸出信號(hào)波形(失真不嚴(yán)重)輸入信號(hào)波形實(shí)際的信道（帶寬受限、有噪聲、干擾和失真）輸出信號(hào)波形(失真嚴(yán)重)2.2.4信道的極限信息傳輸速率香農(nóng)(Shannon)用信息論的理論推導(dǎo)出了帶寬受限且有高斯白噪聲干擾的信道的極限、無(wú)差錯(cuò)的信息傳輸速率。信道的極限信息傳輸速率C可表達(dá)為

C=Wlog2(1+S/N)b/sW為信道的帶寬（以Hz為單位）；S為信道內(nèi)所傳信號(hào)的平均功率；N為信道內(nèi)部的高斯噪聲功率。

標(biāo)準(zhǔn)電話信道中信噪比為S/N=2500,所以C=(3400-300)log2(1+2500)b/s香農(nóng)公式表明信道的帶寬或信道中的信噪比越大，則信息的極限傳輸速率就越高。只要信息傳輸速率低于信道的極限信息傳輸速率，就一定可以找到某種辦法來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)差錯(cuò)的傳輸。若信道帶寬

W

或信噪比

S/N

沒(méi)有上限（當(dāng)然實(shí)際信道不可能是這樣的），則信道的極限信息傳輸速率

C

也就沒(méi)有上限。實(shí)際信道上能夠達(dá)到的信息傳輸速率要比香農(nóng)的極限傳輸速率低不少。

奈氏準(zhǔn)則和香農(nóng)公式

在數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中的作用范圍源系統(tǒng)傳輸系統(tǒng)目的系統(tǒng)傳輸系統(tǒng)源點(diǎn)終點(diǎn)發(fā)送器接收器輸入信息輸出信息輸入數(shù)據(jù)輸出數(shù)據(jù)發(fā)送的信號(hào)接收的信號(hào)碼元傳輸速率受奈氏準(zhǔn)則的限制信息傳輸速率受香農(nóng)公式的限制2.2.2信道時(shí)延時(shí)延是指一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)文或分組從一個(gè)網(wǎng)絡(luò)（或一條鏈路）的一端傳輸?shù)搅硪欢怂璧臅r(shí)間。（1）發(fā)送時(shí)延發(fā)送時(shí)延是指數(shù)據(jù)塊從結(jié)點(diǎn)進(jìn)入到傳輸媒體所需要的時(shí)間，也就是從數(shù)據(jù)塊的第一個(gè)比特開(kāi)始發(fā)送算起，到最后一個(gè)比特發(fā)送完畢所需要的時(shí)間。其計(jì)算公式為

發(fā)送時(shí)延=數(shù)據(jù)塊長(zhǎng)度/信道帶寬例如:一個(gè)10MB的數(shù)據(jù)塊在傳輸速率為1Mbps的信道上發(fā)送,則發(fā)送時(shí)延為10×220×8/220=80s,也就是要用1分多鐘的時(shí)間才能把這樣大的一個(gè)數(shù)據(jù)塊發(fā)送完畢。

2.2.2信道時(shí)延

時(shí)延是指一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)文或分組從一個(gè)網(wǎng)絡(luò)（或一條鏈路）的一端傳輸?shù)搅硪欢怂璧臅r(shí)間。發(fā)送時(shí)延（傳輸時(shí)延）發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)塊從結(jié)點(diǎn)進(jìn)入到傳輸媒體所需要的時(shí)間。信道帶寬數(shù)據(jù)在信道上的發(fā)送速率。常稱為數(shù)據(jù)在信道上的傳輸速率。

發(fā)送時(shí)延=數(shù)據(jù)塊長(zhǎng)度（比特）信道帶寬（比特/秒）（2）傳播時(shí)延傳輸時(shí)延是指信號(hào)在介質(zhì)信道中傳輸所需要的時(shí)間。其計(jì)算公式為：

傳輸時(shí)延=介質(zhì)信道長(zhǎng)度/電磁波在信道中的傳輸速率電磁波在真空（空氣）中的傳輸速率為3×108m/s,在電纜中的傳輸速率要比在真空中的略低，約為2.4×108m/s，在光纖中的傳輸速率約為2.0×10

8m/s。例如:1000km長(zhǎng)的光纖線路帶來(lái)的傳輸時(shí)延大約為106/(2.0×108)=5（ms）。三種時(shí)延所產(chǎn)生的地方1011001…發(fā)送器隊(duì)列在鏈路上產(chǎn)生傳播時(shí)延結(jié)點(diǎn)

B結(jié)點(diǎn)

A在發(fā)送器產(chǎn)生發(fā)送時(shí)延(即傳輸時(shí)延)在隊(duì)列中產(chǎn)生處理時(shí)延數(shù)據(jù)從結(jié)點(diǎn)A向結(jié)點(diǎn)B發(fā)送數(shù)據(jù)鏈路2.2.3誤碼率

誤碼率是衡量數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)在正常工作情況下的傳輸可靠性的指標(biāo)，它是錯(cuò)誤接收的碼元數(shù)在所傳輸?shù)目偞a元數(shù)中所占的比例。則誤碼率的計(jì)算公式為：

Pe=Ne/N

在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中，一般要求誤碼率要低于10-6

，即平均每傳輸106

位數(shù)據(jù)僅允許有一位出錯(cuò)。在通信系統(tǒng)中，系統(tǒng)對(duì)誤碼率的要求應(yīng)權(quán)衡可靠性和提高通信效率兩方面的因素,誤碼率越低，設(shè)備也就越復(fù)雜。2.3.1有線傳輸介質(zhì)

1.同軸電纜同軸電纜由兩個(gè)導(dǎo)體組成，其外導(dǎo)體是一個(gè)空心圓柱形導(dǎo)體,它圍裹著一個(gè)內(nèi)芯導(dǎo)體,內(nèi)外導(dǎo)體間用絕緣材料隔開(kāi)。同軸電纜的頻率特性較雙絞線好,誤碼率低(109

～10-7),能實(shí)現(xiàn)較高的傳輸速率。同軸電纜可以用于長(zhǎng)距離的電話網(wǎng)絡(luò)、有線電視信號(hào)的傳輸通道以及計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)絡(luò)。對(duì)于長(zhǎng)距離的模擬傳輸來(lái)說(shuō)，每隔幾千米需要插入一個(gè)放大器;對(duì)于長(zhǎng)距離的數(shù)字傳輸來(lái)說(shuō),每隔幾百米左右需要安裝一個(gè)中繼器。

2.3傳輸介質(zhì)

同軸電纜分為基帶同軸電纜（阻抗50Ω）和寬帶同軸電纜（阻抗75Ω）。基帶同軸電又可分為粗纜和細(xì)纜兩種，都用于直接傳輸數(shù)字信號(hào);寬帶同軸電纜用于頻分多路復(fù)用的模擬信號(hào)傳輸，也可用于不使用頻分多路復(fù)用的高速數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)傳輸。閉路電視所使用的CATV電纜就是寬帶同軸電纜。圖1-11RG系列編織網(wǎng)同軸電纜

2.雙絞線

雙絞線由兩根具有絕緣保護(hù)層的銅導(dǎo)線組成。把兩根絕緣的銅導(dǎo)線按一定密度互相絞在一起，可以減少相互間的電磁干擾。由于雙絞線性能好、成本低、組網(wǎng)靈活，所以在網(wǎng)絡(luò)布線系統(tǒng)中被普遍采用。雙絞線是一種廣泛使用的通信傳輸介質(zhì)，既可以用于傳輸模擬信號(hào)，也可以用于傳輸數(shù)字信號(hào)。對(duì)于模擬信號(hào)來(lái)說(shuō)，大約每5～6公里需要一個(gè)放大器;對(duì)于數(shù)字信號(hào)來(lái)說(shuō)，每2～3公里使用一個(gè)中繼器。

（1）非屏蔽雙絞線

非屏蔽雙絞線UTP(UnshieldedTwistedPair)由8根銅纜組成，其中這8根線由絕緣體分開(kāi)，每?jī)筛€通過(guò)相互絞合成螺旋狀而形成一對(duì)。在這4根線的外部是一層外保護(hù)套，用于保護(hù)內(nèi)部纖細(xì)的銅導(dǎo)體和加強(qiáng)拉伸力。目前，局域網(wǎng)使用的非屏蔽雙絞線主要分為3類線、4類線、5類線、超5類線、6類線和7類線，這些非屏蔽雙絞線雖然肉眼看上去基本相同，但其傳輸質(zhì)量、抗干擾能力有很大區(qū)別。其中3類線主要用于10M網(wǎng)絡(luò)的連接，而對(duì)于100M、1000M網(wǎng)絡(luò)則只能使用5類以上的雙絞線。

（2）屏蔽雙絞線

屏蔽雙絞線STP(ShieldedTwistedPair)是屏蔽技術(shù)和雙絞線技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。屏蔽雙絞線的傳輸質(zhì)量比非屏蔽雙絞線要高，但它們的電纜尺寸和重量相當(dāng)。如果安裝合適，STP具有很強(qiáng)的抗電磁、抗無(wú)線電干擾的能力。如果安裝不合適就有可能引入很大外界的干擾，造成網(wǎng)絡(luò)工做不正常。所以它存在接地要求高、安裝復(fù)雜、彎曲半徑大、成本高等缺點(diǎn)。3.光纜

光纖是光導(dǎo)纖維的簡(jiǎn)稱。它由能傳導(dǎo)光波的石英玻璃纖維外加保護(hù)層構(gòu)成。光纖電纜由一捆光導(dǎo)纖維組成，簡(jiǎn)稱光纜。每根光纖只能單向傳送信號(hào)，因此光纜中至少包括兩條獨(dú)立的纖芯，一條發(fā)送，另一條接收。纖芯連同包層直徑不到，一根光纜可以包括二至數(shù)百根光纖，并用加強(qiáng)芯和填充物來(lái)提高機(jī)械強(qiáng)度。

光纖可以分為:單模光纖和多模光纖兩種。由多條入射角度不同的光線同時(shí)在一條光纖中傳播，這種光纖稱為多模光纖;光線不經(jīng)過(guò)多次反射而是一直向前傳播，這種光纖稱為單模光纖。1數(shù)據(jù)、信息和信號(hào)發(fā)送時(shí)延=數(shù)據(jù)塊長(zhǎng)度/信道帶寬●了解數(shù)據(jù)交換技術(shù)和差錯(cuò)控制技術(shù)的工作過(guò)程、工作原理與應(yīng)用數(shù)據(jù)(data)——運(yùn)送信息的實(shí)體。1011001衛(wèi)星上的轉(zhuǎn)發(fā)器裝備有接收和發(fā)射天線，接收由地面發(fā)射來(lái)的信號(hào)和向地面發(fā)送信號(hào)。無(wú)線電磁波是指波長(zhǎng)在100m以下,10m以上的電磁波。同軸電纜由兩個(gè)導(dǎo)體組成，其外導(dǎo)體是一個(gè)空心圓柱形導(dǎo)體,它圍裹著一個(gè)內(nèi)芯導(dǎo)體,內(nèi)外導(dǎo)體間用絕緣材料隔開(kāi)。如果安裝不合適就有可能引入很大外界的干擾，造成網(wǎng)絡(luò)工做不正常。信號(hào)是數(shù)據(jù)的電子或電子編碼任何文字都可以用一串二進(jìn)制ASCII碼表示。光纖是光導(dǎo)纖維的簡(jiǎn)稱。無(wú)線電波的傳輸是全方位的，因此發(fā)射和接收裝置不需要在物理位置上準(zhǔn)確地對(duì)準(zhǔn)。數(shù)據(jù)是信息在計(jì)算機(jī)內(nèi)的表示屏蔽雙絞線的傳輸質(zhì)量比非屏蔽雙絞線要高，但它們的電纜尺寸和重量相當(dāng)。

光纖具有損耗低、頻帶寬、數(shù)據(jù)傳輸速率高、不受外界電磁干擾、安全保密性好等優(yōu)點(diǎn)，是信息傳輸技術(shù)中發(fā)展?jié)摿ψ畲蟮囊活悅鬏斀橘|(zhì)，將廣泛應(yīng)用于信息高速公路的主干線中。如所示。

圖

套層式光纜各種電纜銅線銅線聚氯乙烯套層聚氯乙烯套層屏蔽層絕緣層絕緣層外導(dǎo)體屏蔽層絕緣層絕緣保護(hù)套層內(nèi)導(dǎo)體無(wú)屏蔽雙絞線UTP屏蔽雙絞線STP同軸電纜光纖的工作原理高折射率(纖芯)低折射率(包層)光線在纖芯中傳輸?shù)姆绞绞遣粩嗟厝瓷漭斎朊}沖輸出脈沖單模光纖多模光纖與單模光纖輸入脈沖輸出脈沖多模光纖光脈沖在此傳輸時(shí)會(huì)逐漸展寬，造成失真只適用近距離傳輸2.3.2無(wú)線傳輸介質(zhì)1.無(wú)線電波無(wú)線電波很容易產(chǎn)生，可以傳播得很遠(yuǎn)，很容易穿過(guò)建筑物的阻擋，目前在無(wú)線電廣播和無(wú)線電視中已廣泛使用。無(wú)線電波的傳輸是全方位的，因此發(fā)射和接收裝置不需要在物理位置上準(zhǔn)確地對(duì)準(zhǔn)。

無(wú)線電磁波是指波長(zhǎng)在