計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教程第二章數(shù)據(jù)通信與廣域網(wǎng)

第二章數(shù)據(jù)通信與廣域網(wǎng)

教學(xué)重點(diǎn)：

掌握：數(shù)據(jù)通信的基本概念

掌握：數(shù)據(jù)編碼的類型和基本方法

了解：基帶傳輸與頻帶傳輸基本概念

了解：多路復(fù)用的分類與特點(diǎn)

掌握：廣域網(wǎng)中的數(shù)據(jù)交換技術(shù)

掌握：差錯(cuò)控制方法

第一節(jié)數(shù)據(jù)通信的基本概念

數(shù)據(jù)傳輸模型

信息一數(shù)據(jù)編碼譯碼一數(shù)據(jù)信息

□■

工作站通過公共電話網(wǎng)PSTN與一個(gè)服務(wù)

器進(jìn)行通信。在此模型中，數(shù)據(jù)通信系

統(tǒng)要完成的一系列關(guān)鍵任務(wù)為：

(1)接口規(guī)范(2)同步

(3)傳輸系統(tǒng)利用率(4)差錯(cuò)檢測(cè)和校驗(yàn)

(5)災(zāi)難恢復(fù)(6)尋址和路由

(7)網(wǎng)絡(luò)安全(8)網(wǎng)絡(luò)管理

一、信息、數(shù)據(jù)與信號(hào)

信息(Information):客觀事物屬性和相互

聯(lián)系特性的表征，它反映了客觀事物的存在形

式和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

數(shù)據(jù)(Data):一般可以理解為“信息的數(shù)字

化形式”或“數(shù)字化的信息形式”。狹義的

“數(shù)據(jù)”通常是指具有一定數(shù)字特性的信息，

如統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、測(cè)量數(shù)據(jù)及計(jì)算機(jī)中

區(qū)別于程序的計(jì)算數(shù)據(jù)等。但在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系

統(tǒng)中，數(shù)據(jù)通常被廣義地理解為在網(wǎng)絡(luò)中存儲(chǔ)、

處理和傳輸?shù)亩M(jìn)制數(shù)字編碼。

信號(hào)(Signal)：

簡(jiǎn)單地講就是攜帶信息的傳輸介質(zhì)。在通信系

統(tǒng)中我們常常使用的電信號(hào)、電磁信號(hào)、光信

號(hào)、載波信號(hào)、脈沖信號(hào)、調(diào)制信號(hào)等術(shù)語就

是指攜帶某種信息的具有不同形式或特性的傳

輸介質(zhì)。

二、數(shù)據(jù)傳輸類型與通信方式

數(shù)據(jù)傳輸類型

模擬傳輸(AnalogTransmission)

數(shù)字傳輸(DigitalTransmission)

調(diào)制解調(diào)調(diào)制解調(diào)器(Modem)

頻移鍵控(ASK)調(diào)頻

幅移鍵控(FSK)調(diào)幅

相移鍵控(PSK)調(diào)相

模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)波形

數(shù)據(jù)通信方式?二，

并行傳輸快、造價(jià)高、近距離

串行傳輸慢、造價(jià)低、遠(yuǎn)距離

單工通信雙工通信半雙工通信

"單向刑道

O

｛雙向通道

O

i雙向通道

（C）

同步技術(shù)

同步就是要求通信的收發(fā)雙方在時(shí)間基

準(zhǔn)上保持一致

數(shù)據(jù)通信中采用的同步技術(shù)可分為如下

幾類：

J外同步法

（位同步i內(nèi)同步法

<r同步式（同步傳輸）

〔字符同步i異步式（異步傳輸）

一個(gè)或多個(gè)控制字符數(shù)據(jù)字符控制字符

SYN字符

字節(jié)5字節(jié)4字節(jié)3字節(jié)2字節(jié)1

.《邏輯"0”）（邏輯“1”）

第二節(jié)傳輸介質(zhì)及主要特性

一、雙絞線

下表是雙絞線的常見類型，lOBaseT局域網(wǎng)中

主要使用3類和5類線，它們的有效傳輸距離一

般在100m左右。另外還有超5類雙絞線電纜，

通過對(duì)其“信道”性能測(cè)試結(jié)果表明，與普通

5類雙絞線電纜比較，它的近端串?dāng)_、衰減和

結(jié)構(gòu)回波等主要性能指標(biāo)都有很大提高。

表2-3UTP電纜常見類型

類型應(yīng)用

Category1只能用于聲音，不能用于數(shù)據(jù)傳輸（低于20kbps）

Categpiy2用于01Mbps?2Mbps的聲首和小于小4bps的數(shù)據(jù)

Category3用于10Mbps>lOBaseT局域網(wǎng)的聲音或數(shù)據(jù)

Category4用于20Mbps.lOBaseT和16Mb2的令牌訃網(wǎng)

Category5用于100Mb2.lOOBaseT和155MbpsATM高速局域網(wǎng)

雙絞線的制作分為工作站至工作站和工作站至

集線器兩種：工作站至集線器的雙絞線，其8芯

線一一對(duì)應(yīng)；工作站至工作站的雙絞線，按照

下圖所示的連線制作。

二、同軸電纜

典型的同軸電纜(CoaxiaICabIe)由一根內(nèi)

導(dǎo)體銅質(zhì)芯線外加絕緣層、密集網(wǎng)狀編織導(dǎo)電

金屬屏蔽層以及外包裝保護(hù)塑橡材料組成，其

結(jié)構(gòu)如圖2-11所示。

內(nèi)導(dǎo)體

外層絕緣蒙皮外導(dǎo)體

銅質(zhì)芯線

金屬屏蔽層絕緣層//

彥I修然修羽若

在網(wǎng)絡(luò)工程施工中常常用到的一些IEEE802.3

系列網(wǎng)絡(luò)的架設(shè)規(guī)范

表2-410BaseX系列網(wǎng)絡(luò)用的同軸電纜

標(biāo)；準(zhǔn)1OBase210Base510BaseT

傳輸介質(zhì)5。白細(xì)同軸電纜50a粗同軸電匏3類雙線線電纜

傳輸速率（w）輯1010

電纜直徑（mm）5-10每芯0511

最大段長(zhǎng)（m）鱉W100m以內(nèi)效果最佳

每段最大節(jié)點(diǎn)數(shù)301002

節(jié)點(diǎn)最小間距（m）0325一般無限制

最大中繼段數(shù)55一般無限制

節(jié)點(diǎn)最大間距（m）925:2500約2800

連接器接口標(biāo)準(zhǔn)BNCT型頭AUIDIX外收發(fā)器RJ-45HUB

［最大節(jié)點(diǎn)數(shù)150500250

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)總線型總統(tǒng)型星型

三、光纖

62.5//in125M25加

0.OOBciO.0124CID0.025cm

射到光纖表面的光線的入射角大于某一臨界角度時(shí),

就可以產(chǎn)生全反射，而導(dǎo)致入射的光線在一條光纖

中傳輸

5工多模光纖和5類雙絞線的衰減與頻率關(guān)系如圖

所示，當(dāng)傳輸頻率超過100MHz時(shí)，5類雙絞線

隨著頻率的增加衰減愈來愈大；而光纖在

300MHz以內(nèi)，衰減基本不變。

O▲

5

21O

15

至

2O

25

3O

O11o1OO3001OOO

頻率(MHz)

光纜的結(jié)構(gòu)大致可分為纜芯TCableCore)和

保護(hù)層(Sheath)兩大部分，下圖為四芯光纜

剖面的示音囹C

__________夕卜護(hù)套

包帶層

北纖及其包層

填充物

加強(qiáng)芯

二：?：.：.：：：：：：：：；：》遠(yuǎn)供電潴線

第三節(jié)無線與衛(wèi)星通信技術(shù)

在一些電纜光纖難于通過或施工困難的場(chǎng)

合,例如，高山、湖泊或島嶼等，即使在

城市中挖開馬路敷設(shè)電纜有時(shí)也很不劃算,

特別是通信距離很遠(yuǎn)，對(duì)通信安全性要求

不高，敷設(shè)電纜或光纖既昂貴又費(fèi)時(shí)，若

利用無線電波等無線傳輸介質(zhì)在自由空間

傳播，就會(huì)有較大的機(jī)動(dòng)靈活性，可以輕

松實(shí)現(xiàn)多種通信，抗自然災(zāi)害能力和可靠

性也較高。

一、電磁波譜與移動(dòng)通信

波長(zhǎng)X頻率=光速

電磁波的兩種傳播方式：

無線傳播有線傳播

無線電頻率與帶寬的關(guān)系：

見教材P.38頁圖

二、無線通信

無線電波無論在室內(nèi)或室外都是全方向

傳播。但是波長(zhǎng)不同的無線電波的傳播

特性不同：低頻段上的電波能通過障礙

物，但能量隨著傳播距離R的增大而迅速

減小，約為1/R3；高頻段上的無線電波

趨向于直線傳播，易受障礙物阻擋

三、微波通信

頻率在100MHz?10GHz的信號(hào)叫做微波

信號(hào)

微波信號(hào)傳輸有兩個(gè)特點(diǎn)：

(1)只能進(jìn)行視距傳播

(2)大氣對(duì)微波信號(hào)的吸收與散射較大

1、蜂窩無線通信

模擬蜂窩電話

數(shù)字蜂窩無線通信

全球可移動(dòng)通信系統(tǒng)GSM

蜂窩數(shù)字分組數(shù)據(jù)CDPD

碼分多路復(fù)用CDMA

五、衛(wèi)星通信

地球同步通信衛(wèi)星

低軌衛(wèi)星

金衣星系統(tǒng)(77)

第四節(jié)數(shù)據(jù)編碼技術(shù)

一、數(shù)據(jù)編碼類型

模擬數(shù)據(jù)編碼（數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)編碼為模擬信

號(hào)）

數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)編碼（數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)編碼為數(shù)字信

號(hào)）

模擬數(shù)據(jù)編碼為數(shù)字信號(hào)（編碼/譯碼）

模擬數(shù)據(jù)編碼為模擬信號(hào)

二、模擬數(shù)據(jù)編碼方法

振幅鍵控（ASK,幅移鍵控，調(diào)幅）

通過改變載波信號(hào)的振幅來表示1、0

移頻鍵控（FSK,頻移鍵控，調(diào)頻）

通過改變載波信號(hào)的頻率來表示1、0

移相鍵控（PSK,相移鍵控，調(diào)相）

通過改變載波信號(hào)的相位來表示1、0

絕對(duì)調(diào)相、相對(duì)調(diào)相、多相調(diào)相

基帶信號(hào)

相移鍵控PSK

三、數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)編碼方法

單極性碼：只有一種電壓和0電壓

簡(jiǎn)單、適應(yīng)于短距離

雙極性碼：用兩種電壓和。電壓

抗干擾能力強(qiáng)、適應(yīng)于長(zhǎng)距離

不歸零信號(hào)和歸零信號(hào)同步信號(hào)

單極性不歸零碼單極性歸零碼

雙極性不歸零碼雙極性歸零碼

曼徹斯特編碼：

“1”用前半周期為0電平，后半周期為+E

（或一E）電平，“0”用前半周期為+E（或

-E）電平，后半周期為0電平

缺點(diǎn)：數(shù)據(jù)編碼后脈沖頻率為數(shù)據(jù)傳輸速率

的2倍

差分曼徹斯特編碼：

遇“1”不變，遇“0”躍變

II

I：0;I00

“1”高電平

高H

低L“0”低電平

(a)不歸零制編碼

高H中間跳

“0”上跳

低L“1嚇跳

(b)曼徹斯特編碼

高H中間總有跳變

低L“0”開頭跳

(c)差分曼徹斯特編碼

脈沖編碼調(diào)制方法(PCM)

采樣量化編碼

連續(xù)的樣本信號(hào)變化太快，以至編碼

1總是相差±1不能表示信號(hào)的變化

15

105

就

力

>

凝0

時(shí)間

樣本間隔

練習(xí):

對(duì)于脈沖編碼調(diào)制PCM來說，如果要對(duì)

頻率為600Hz的某種語音信號(hào)進(jìn)行采樣，

傳送PCM信號(hào)的信道帶寬為3KHz,那么

采樣頻率f取什么值時(shí)，采樣的樣本就可

以包含足夠重構(gòu)原語音信號(hào)的所有信息?

答案:

根據(jù)取樣定理可知，只要取樣頻率不低

于語音信號(hào)最高頻率的2倍，就可以從取

樣脈沖信號(hào)無失真地恢復(fù)出原來的語音

信號(hào)。今要對(duì)600Hz的模擬語音采樣，采

用帶寬為3kHz的信道傳送，故取樣頻率:

f=2x3kHz=6kHz

第五節(jié)基帶傳輸技術(shù)

一、基帶傳輸?shù)亩x

數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)信號(hào)（典型的矩形脈沖信號(hào)）

就是基帶信號(hào)

在數(shù)字通信信道上，直接傳送基帶信號(hào)

的方法叫做基帶傳輸

■、通信信道帶寬對(duì)基帶傳輸?shù)挠绊?/p>

分析電信號(hào)的基本方法

時(shí)域方法——以時(shí)間為自變量，觀察電信號(hào)

隨時(shí)間變化的情況

頻域方法——通過傅立葉分析，以頻率為自變

量，觀察電信號(hào)的方法

信道帶寬對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?/p>

三、數(shù)據(jù)傳輸速率的定義與信道速率

的極限

數(shù)據(jù)傳輸速率：每秒鐘傳輸二進(jìn)制代碼

的位數(shù)

比特/秒bit/secondb/sbps

調(diào)制速率：數(shù)字信號(hào)經(jīng)過調(diào)制后的傳輸

速率，表示每秒鐘傳輸多少電信號(hào)單元

（或碼元）

波特Baud

兩者之間的關(guān)系：

數(shù)據(jù)率=調(diào)制速率xiogz信號(hào)狀態(tài)數(shù)

信道速率的極限值

奈奎斯特定律——理想狀況

Rrmx=2B10g2n

香農(nóng)定律

Rgx=Blog2(l+S/N)

練習(xí):

指出下列說法錯(cuò)在何處？（1）某信道的信

息傳輸速率是300Baud；（2）每秒50Baud

的傳輸速率是很低的；（3）600Baud和

600bps是一個(gè)意思。

設(shè)碼元速率為1600Baud,采用8相PSK調(diào)

制，其數(shù)據(jù)傳輸率是多少？

練習(xí):

電視頻道的帶寬是6MHz,如果使用4級(jí)信

號(hào)傳輸，每秒能發(fā)送多少比特？假定為無

噪聲信道。

一個(gè)用于發(fā)送二進(jìn)制信號(hào)的3kHz信道，其

信噪比為20dB,則最大數(shù)據(jù)傳輸速率為

多少？

第六節(jié)頻帶傳輸技術(shù)

一、頻帶傳輸?shù)亩x

利用模擬信道傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)的方法稱為

頻帶傳輸

二、調(diào)制解調(diào)器的基本工作原理

以采用移頻鍵控的Modem為例:

??■■■

:濾波器

1270Hz.呼7270也4

帶通注波器

1001

WWAj一

1070Hz?。比1070Hz1

?帶通濾波器inrO-

■■?■.濾波器

：-w-

Modem全雙工通信的工作原理

上頻帶:“1’32225Hz“(T2025Hz

下頻帶:“1331270Hz“(T1070Hz

發(fā)端

三、調(diào)制解調(diào)器的分類與應(yīng)用

按功能分：普通Modem、FAX/Modem、

CabelModem

按連接方式分:內(nèi)置式、外置式

按傳輸速率分類：低速、中速、高速

按使用的通信線路：普通Modem、專線

Modem

按操作狀態(tài)分：異步Modem、同步

Modem

第七節(jié)多路復(fù)用技術(shù)

多路復(fù)用就是在一條物理線路上建立多

條通信信道

,d

*

K

tt樨

遁道3算率

k)

3003100?")

-率(Hz]

波分多路復(fù)用（WDM）

共￥光纖

時(shí)分多路復(fù)用(TDM)及其分類

同步時(shí)分多路復(fù)用(STDM)

每個(gè)通信設(shè)備占用固定的時(shí)間片，而

不管是否有數(shù)據(jù)需要發(fā)送

統(tǒng)計(jì)時(shí)分多路復(fù)用(ATDM)

動(dòng)態(tài)分配時(shí)間片，只有需要傳送數(shù)據(jù)

的通信設(shè)備參與分配

碼分多址訪問(CDMA)'

(CodeDivisionMultipleAccess)

CDMA與TDM及FDM的區(qū)別，就好像

在一個(gè)會(huì)議上，TDM是任何時(shí)間只有一

個(gè)人講話，其他人輪流發(fā)言；FDM則是

把與會(huì)人員分組，每組同時(shí)進(jìn)行討論；

CDMA則像多個(gè)人同時(shí)各用自己的民族語

言講話，別人并不理解某個(gè)人在講什么，

僅視為噪音而已

=

【

I

J

7一

上H耍《惹

黃B

>

B

/事

(

G

1

7囂

X

士+口

i

-

1

■

+

n

工-雷

T

1

7

w

±

:

Q

，?

￥

w

+

±士

7

7

a答

±上工

O

奈??

<

+

上?

T

T

士土3

Z

±

7

a

2

(

S

*

±

8

J

)

T

+

Z

;

O

X

N

O

T二

§

M

X

9

E

T

I

I

(

S

一渤S

S

十，=

Q

*

工—a

量

￡

Z

二一莖T

二(

(

+

二■要

Q

7

7

十二T

1蒙

O

JL

4

+

t

±

T

1彳二

-

1

T

夫

±

p

T

1

O

±一工二

0

+

±

Y

;蔻

I

一