第2章數據通信基礎

第一頁，共六十頁。在網絡中起主要作用的是數據通信，所謂數據通信是指兩臺或兩臺以上的計算機之間以二進制的形式進行信息傳輸與交換的過程，它的實質是相互傳送數據。在學習計算機網絡時就需要對有關的概念進行了解。

第二頁，共六十頁。2.1數據通信基本知識第三頁，共六十頁。2.1.1數據、信息、信號和信道

1、信息信息是對客觀事物屬性和特性的表征。它反映了客觀事物的存在形式與運動狀態，它可以是對物質的形態、大小、結構、性能等全部或部分特性的描述，也可以是物質與外部的聯系。信息是字母、數字及符號的集合，其載體可以是數字、文字、語音、視頻和圖像等。2、數據數據是指數字化的信息。在數據通信過程中，被傳輸的二進制代碼(或者說數字化的信息)稱為數據。數據是傳遞信息的載體，它涉及事物的表現形式。數據與信息的區別：數據是裝載信息的實體，信息則是數據的內在含義或解釋。數據有兩種類型：數字數據和模擬數據，前者的值是離散，如電話號碼、郵政編碼等；而后者的值則是連續變化的量，如身高、體重等。

第四頁，共六十頁。3、信號信號簡單地說就是攜帶信息的傳輸介質。數據通信中信號是數據在傳輸過程中的電磁波的表示形式。根據信號參量取值不同，信號有兩種表示形式：模擬信號(AnalogSignal)與數字信號(DigitalSignal)第五頁，共六十頁。4、信道

信道是信息從信息的發送地傳輸到信息接收地的一個通路，它一般由傳輸介質（線路）及相應的傳輸設備組成。同一傳輸介質上可以同時存在多條信號通路，即一條傳輸線路上可以有多條信道。按傳輸介質來劃分，可分為有線信道和無線信道。按信號傳輸方向與時間關系來劃分，可分為單工、半雙工和全雙工信道。按傳輸信號的類型劃分，可分為模擬信道和數字信道。按數據的傳輸方式劃分，可分為串行信道和并行信道按通信的使用方式劃分，可分為專用信道和公共信道。第六頁，共六十頁。2.1.2數據通信系統

第七頁，共六十頁。一個數據通信系統可分為三個部分組成，為源系統、傳輸系統、目的系統。源系統一般包括有以下兩個部分：①源點：源點產生所需要傳輸的數據，如文本或圖像等。②發送器：通常源點生成的數據要通過發送器編碼后才能夠在傳輸系統中進行傳輸。目的系統一般也包括以下兩個部分：①接收器：接收傳輸系統傳送過來的信號，并將其轉換為能夠被目的設備處理的信息。②終點：終點設備從接收器獲取傳送來的信息。終點也稱為目的站。傳輸系統包括以下兩個部分：①傳輸信道：它一般表示向某一方向傳輸的介質，一條信道可以看成一條電路的邏輯部件。一條物理信道（傳輸介質）上可以有多條邏輯信道（采用多路復用技術）。②噪聲源：包括影響通信系統的所有噪聲。如脈沖噪聲和隨機噪聲（信道噪聲、發送設備噪聲、接收設備噪聲）。第八頁，共六十頁。2、數據通信系統的主要技術指標對數據通信系統中的信號傳輸，主要從數據傳輸的數量和質量兩方面考慮。數據傳輸的數量指標主要包括有兩個方面：一是信道的傳輸能力，用信道容量來衡量；另一方面是信道上傳輸的信息的速度，用數據傳輸速度來表示，而通信質量的指信息傳輸的可靠性，一般使用誤碼率來衡量。

第九頁，共六十頁。①數據傳輸速率數據傳輸速率是指傳輸線路上信號的傳輸速度。它有兩種表示形式：信號速率和調制速率。(1)信號速率信號速率又稱為比特率，是指每秒傳輸二進制代碼的比特位數，如9600比特/秒、33600比特/秒，分別表示每秒能傳輸9600、33600個比特位，其單位比特/秒常簡寫為b/s或bps。在實際的應用中，除了采用bps作為數據傳輸速率的單位外，還經常采用單位時間內傳輸的字符數、分組數、報文數等來表示。第十頁，共六十頁。(2)調制速率調制速率又稱為碼元速率，所謂碼元是承載信息的基本信號單位。碼元速率是指單位時間內信號波形的變換次數，即通過信道傳輸的碼元個數。若信號碼元寬度為T，則碼元速率B=1/T。碼元速率也叫波特率，通常用來表示調制解調器之間傳輸信號的速率。R=Blog2n(b/s)

第十一頁，共六十頁。②誤碼率通常把信號傳輸中的錯誤率稱為誤碼率，它是衡量差錯的標準。在二進制電平傳輸時，誤碼率等于二進制碼元在傳輸中被誤傳的比率，即用接收錯誤的碼元數除以被傳輸的碼元總數所得的值就是誤碼率。

第十二頁，共六十頁。③信道容量信道是信息傳遞的必經之路，它有一定的容量。信道容量是指它傳輸信息的最大能力，通常用單位時間內可傳輸的最大比特數來表示。信道容量的大小由信道的頻帶F和可使用的時間T及能通過的信號功率與干擾功率之比決定。

第十三頁，共六十頁。④信道帶寬信道的帶寬在不同環境中有不同的定義。在通信系統中，帶寬是指在給定的范圍內可用于傳輸的最高頻率與最低頻率的差值。

第十四頁，共六十頁。⑤信道延遲信道延遲是指信號從信源發出經過信道到達信宿所需的時間，它與信源到信宿間的距離及信號在信道中的傳播速度有關。在多數情況下，信號在不同的介質中速度略有不同。在具體的網絡中，應該考慮該網絡中相距最遠的兩個站點之間傳輸信號的延遲，并根據延遲的大小來決定采用什么樣的網絡技術。第十五頁，共六十頁。

2.2數據傳輸介質

第十六頁，共六十頁。

一般的，物理介質可大致分為有線介質（銅線和光纖）和無線介質（電波和光波）。

有線介質是最常用也最簡便的通信介質，一直有大量的銅線和光纖應用于電話系統中。在廣域網領域，利用現成的電話系統線路進行通信傳輸幾乎是最實際也最簡便的方式，而在局域網領域，利用改進的專用線纜進行通信傳輸也簡便易行。常見的有線介質有雙絞線、同軸電纜、光纖等。

第十七頁，共六十頁。2.2.1雙絞線（twistedpair）

雙絞線分為屏蔽雙絞線STP(ShieldedTwistedPair)和非屏蔽雙絞線UTP（UnshieldedTwistedPair）。其中STP的內部與UTP相同，其外包有一層金屬鋁箔，以減小幅射，防止信息被竊聽，抗干擾能力也較強，同時具有較高的數據傳輸速率(5類STP在100m內可達到155Mbit／s，而UTP只能達到100Mbit／s)。但STP電纜的價格相對較高，安裝時要比UTP電纜困難，第十八頁，共六十頁。

在實際應用中，非屏蔽雙絞(UTP)的使用率最高，一般來說如果沒有特殊的需要，在應用中所指的雙絞線一般是指UPT，它主要有以下幾種：1、3類雙絞線2、4類雙絞線3、5類雙絞線4、超5類雙絞線5、6類雙絞線6、7類雙絞線

其中非屏蔽雙絞線中的超5類線（category5E），現在常用于快速以太網的組建。它與以前的3類線（category3）相比，增加纏繞密度、采用了高質量絕像材料，絕緣層效果更好，有著更長的傳輸距離和更高的傳輸質量。第十九頁，共六十頁。2.2.2同軸電纜（coaxialcable）

同軸電纜在20世紀80年代初的局域網中使用最為廣泛。因為那時集線器的價格很高，在一般中小型網絡中幾乎看不到。第二十頁，共六十頁。1、按直徑的不同，可分為粗纜和細纜兩種：2、根據傳輸頻帶的不同，可分為基帶同軸電纜和寬帶同軸電纜兩種類型.3、按阻抗不同，可分為下列幾種：①RG－8或RG－11，50歐姆（Ω）;②RG－58，50歐姆（Ω）;③RG－59，75歐姆（Ω）;④RG－62，93歐姆（Ω）。第二十一頁，共六十頁。2.2.3光纖（fiber）

光纖即光導纖維，是一種細小、柔韌并能傳輸光信號的介質，一根光纜中包含有多條光纖。20世紀80年代初期，光纜開始進入網絡布線領域。與銅質介質相比，光纖具有一些明顯的優勢。因為光纖不會向外界輻射電子信號，所以使用光纖介質的網絡無論是在安全性、可靠性，還是網絡性能方面都有了很大的提高。

第二十二頁，共六十頁。

光纖和同軸電纜外形相似只是沒有網狀屏蔽層，光纖由纖芯、封套及外套組成。纖芯由一玻璃或塑料組成，封套是玻璃的，使光信號可以反射回去，沿著光纖進行傳輸，外套則由塑料組成，用于防止外界的傷害和干擾。第二十三頁，共六十頁。

根據傳輸點模數的不同，光纖分為單模光纖（single-modefiber）和多模光纖（multi-modefiber）兩種(“模”是指以一定角速度進入光纖的一束光)。單模光纖采用激光二極管LD作為光源，而多模光纖采用發光二極管LED為光源。

第二十四頁，共六十頁。光纖通信的特點:①傳輸信號的頻帶寬，通信容量大；信號衰減小，傳輸距離長；抗干擾能力強，應用范圍廣。②光纖有著非常高的數據傳輸率（Gb/s）和極低的誤碼率（10-10）。③原材料資源豐富。④抗化學腐蝕能力強，適用于一些特殊環境下的布線。第二十五頁，共六十頁。2.2.4無線介質

無線介質可以不使用電或光導體進行電磁信號的傳遞工作。從理論上講，地球上的大氣層為大部分無線傳輸提供了物理數據通路。由于各種各樣的電磁波都可用來傳輸信號，所以電磁波就被認為是一種介質。

第二十六頁，共六十頁。1、無線電頻率電波

電磁波頻譜10KHz至1GHz之間為無線電頻率，它包含的廣播頻道被稱為：短波無線頻帶；甚高頻（VHF）電視及調頻無線電頻帶；超高頻（UHF）無線電及電視頻帶。

第二十七頁，共六十頁。2、微波微波通信是無線數據通信的主要方式，由于微波可以穿透電離層進入宇宙空間，所以微波通信不能象無線電一樣靠電離層反射來進行傳播，只能靠微波接力或是衛星轉播的方式進行微波接力，由于地球表面是球面的，因而微波在地球表面直線傳播距離有限，一般在50km左右，要實現遠距離傳播，則必須在兩個通信終端間建立若干中繼站。中繼站在收到前一站信號后經放大再發送到下一站，如此接續下去。

微波數據通信系統主要分為地面系統與衛星系統兩種。

第二十八頁，共六十頁。⑴地面微波一般采用定向拋物面天線，這要求發送與接收方之間的通路沒有大障礙或視線能及。地面微波信號一般在低GHz頻率范圍。由于微波連接不需要什么電纜，所以它比起基于電纜方式的連接，較適合跨躍荒涼或難以通過的地段。一般它經常用于連接兩個分開的建筑物或在建筑群中構成一個完整網絡。

第二十九頁，共六十頁。⑵衛星微波是利用地面上的定向拋物天線，將視線指向地球同頻衛星。衛星微波傳輸跨越陸地或海洋。所需要的時間與費用，與只傳輸幾公里沒有什么差別。由于信號傳輸的距離相當遠，所以會有一段傳播延遲。這段傳播延遲時間小為500毫秒，大至數秒。

第三十頁，共六十頁。3、紅外系統

還有一種無線傳輸介質是建立在紅外線基礎之上的。紅外系統采用光發射二極管（LED）、激光二極管（ILD）來進行站與站之間的數據交換。紅外設備發出的光，非常純凈，一般只包含電磁波或小范圍電磁頻譜中的光子。傳輸信號可以直接或經過墻面、天花板反射后，被接收裝置收到。紅外信號沒有能力穿透墻壁和一些其它固體，每一次反射都要衰減一半左右，同時紅外線也容易被強光源給蓋住。紅外波的高頻特性可以支持高速度的數據傳輸，它一般可分為點到點與廣播式兩類。

第三十一頁，共六十頁。⑴點到點紅外系統

家用電器的遙控器就是點到點紅外系統一個典型的例子，紅外傳輸器使用光頻（大約100GHz到1000THz）的最低部分。除高質量的大功率激光器較貴以外，一般用于數據傳輸的紅外裝置都非常便宜。然而它的安裝必須精確到絕對點對點。目前它的傳輸率一般為幾Kbps，根據發射光的強度、純度和大氣情況，衰減有較大的變化，一般距離為幾米到幾公里不等。聚焦傳輸具有極強的抗干擾性。

⑵廣播式紅外系統

廣播式紅外系統是把集中的光束，以廣播或擴散方式向四周散發。這種方法也常用于遙控和其它一些消費類的設備上。利用這種設備，一個收發設備可以與多個設備同時通信。第三十二頁，共六十頁。

2.3數據傳輸方式

第三十三頁，共六十頁。2.3數據傳輸方式

模擬通信系統通常有信源、調制器、信道、信宿與噪聲源組成，信道上傳輸的信號是模擬信號。信源是信息產生的發源地，所產生的模擬信號一般要經過調幅、調頻、調相等調制方式再通過信道進行傳輸。

第三十四頁，共六十頁。數字通信系統的組成與模擬通信系統相比，增加了信源編碼器對模擬信號進行采樣、量化和編碼，使其變成數字信號，然后經過信道編碼器進行逆過程，用于實現信道的編碼，以降低信號的誤碼率，再經過調制器將其基帶信號調制成寬帶信號再進行傳輸。在信道上傳輸的信號是數字信號。

第三十五頁，共六十頁。數字通信系統與模擬通信系統相比有很多的優點：①抗干擾能力強、無噪聲積累。②便于加密處理。③便于存儲、處理和交換。④設備便于集成化、微型化。

⑤便于構成綜合數字網和綜合業務數字網。第三十六頁，共六十頁。

數字通信系統也存在著有占用信道頻帶較寬等缺點。一路模擬電話的頻帶為4kHz帶寬，一路數字電話約占64kHz，這是模擬通信目前仍有生命力的主要原因。但隨著寬頻帶信道(光纜、數字微波)的大量利用(一對光纜可開通幾千路電話)以及數字信號處理技術的發展(可將一路數字電話的數碼率由64kb/s壓縮到32kb/s甚至更低的數碼率)，數字電話的帶寬問題已不再是主要問題了。第三十七頁，共六十頁。2.3.2串行通信與并行通信

數據在信道上傳輸時，按使用信道的多少來劃分，可以分為串行方式和并行方式。串行傳輸是指把要傳輸的數據編成數據流，在一條串行信道上進行傳輸，一次只傳輸一位二進制數，接收方再把數據流轉換成數據。在串行傳輸方式下，只有解決同步問題，才能保證接收方正確地接收信息。串行傳輸的優點是只占用一條信道，易于實現，利用較為廣泛。第三十八頁，共六十頁。第三十九頁，共六十頁。2.3.3數據傳輸方向

按數據在信道上傳輸方向與時間的關系，可以把數據通信方式分為單工通信、半雙工通信和全雙工通信。第四十頁，共六十頁。2.3.4同步傳輸與異步傳輸

按照通信雙方協調方式的不同，數據傳輸方式可分為異步傳輸和同步傳輸兩種方式。數據在傳輸線路上傳輸時，為保證發送端發送的信息能夠被接收端正確無誤地接收，就要求接收端要按照發送端所發送的每個碼元的起止時間和重復頻率來接收數據，即收發雙方在時間上必須取得一致，否則即使微小的誤差也會隨著時間的增加而逐漸地積累起來，最終造成傳輸的數據出錯。為保證數據在傳輸途中的完整，接收和發送雙方須采用“同步”技術，該技術包含異步傳輸和同步傳輸兩種。第四十一頁，共六十頁。第四十二頁，共六十頁。第四十三頁，共六十頁。2.3.5基帶傳輸與頻帶傳輸

按照在傳輸線路中數據是否經過了調制變形處理再進行傳輸的方式，數據傳輸可分為基帶傳輸、頻帶傳輸和寬帶傳輸。第四十四頁，共六十頁。1、基帶傳輸所謂基帶傳輸，就是在數字通信信道上直接傳送數據的基帶信號稱做基帶傳輸。在計算機等數字設設備中，一般的電信號形式為方波，分別用高電平或低電平來表示“1”或“0”。人們把方波固有的頻帶稱為基帶。方波電信號稱為基帶信號，在信道上直接傳輸未經調制的信號稱為基帶傳輸，基帶傳輸所使用的信道稱基帶信道。第四十五頁，共六十頁。2、頻帶傳輸：目前常采用的手段就是對信號進行調制，即使用基帶數字信號對一個模擬信號的某些特征參數(如振幅、頻率、相位等)進行控制，使模擬信號的這些參數隨基帶脈沖一起變化，然后把己調制的模擬信號通過線路發送給接收端，接收端再對信號進行解調，從而得到原始信號。第四十六頁，共六十頁。3、寬帶傳輸寬帶傳輸就是通過多路復用的方法把較寬的傳輸介質的帶寬(一般在300MHz~400MH左右)分割成幾個子信道來達到同時傳播聲音、圖像和數據等多種信息的傳輸模式。第四十七頁，共六十頁。2.4數據編碼技術

2.4.1數字信號模擬化時的編碼方式

數字信號模擬化時采用的方法是對信號進行調制，即使用數字信號對一個模擬信號的某些特征(如頻率、振幅、相位等)進行控制，使模擬信號的這些參數隨著數字信號的變化而改變，也稱為載波。調制的信號通過線路發送到接收端，接收端再把數字信號從模擬信號中分離出來，恢復原來的信號，這一過程叫解調。負責調制的設備叫調制器，負責解調的設備叫解調器，同時既有調制功能，又有解調功能的設備，稱為調制解調器。第四十八頁，共六十頁。1、振幅調制(調幅)2、頻率調制(調頻)3、相位調制(調相)第四十九頁，共六十頁。2.4.2、模擬信號數字化時的編碼方式脈沖編碼調制的操作過程分為采樣、量化和編碼三部分第五十頁，共六十頁。1、采樣采樣是在一定的時間間隔T，取模擬信號的瞬間值為樣本，這一系列連續的樣本，用來代表模擬信號在某一區間隨時間變化的值。在采樣過程中，必須滿足采樣定理。所謂采樣定理是指在一個連續變化的模擬信號，如果它的最高頻率或帶寬Fmax,對它發T為周期進行周期采樣，剛采樣的頻率為F=1/T，若能滿足F=1/T≥2Fmax，即采樣頻率大于或等于模擬信號最高頻率的2倍，那么采樣后的離散序列就能無失真恢復出原始的連續模擬信號。第五十一頁，共六十頁。2、量化量化是對采樣后得到的連續值，對這些連續值進行判斷，決定這個值是屬于哪一量級，并將幅值按量化級取整轉化為離散的值。經量化后的個數即量化的等級，如8級、16級，以及更多的量化等級，它決定了量化的精度，量化級越大，量化精度越高。反之，量化精度越低。第五十二頁，共六十頁。3、編碼編碼是指用一定位數的二進制代碼表示量化等級,并把編碼以脈沖的形式送往信道傳輸。如可用3位、4位二進制代碼分別表示8級和16級量化后的樣本值，并將模擬信號轉換成對應的二進制代碼，這樣，模擬信號就轉化成了數字信號。第五十三頁，共六十頁。2.4.3數字數據編碼對于數字信號的基帶傳輸，二進制數字在傳輸過程中可以采用不同的編碼方式，各種編碼方式的抗干擾能力和定時能力各不相同，常見的數字數據編碼方案有非歸零編碼和曼徹斯特及差分曼徹斯特編碼。第五十四頁，共六十頁。1、非歸零編碼NRZ(NoneReturn)非歸零編碼的表示方