數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)知識

第一部分?jǐn)?shù)據(jù)通信信號與通信模擬通信與數(shù)字通信數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)理論傳輸介質(zhì)多路復(fù)用技術(shù)數(shù)據(jù)交換技術(shù)調(diào)制解調(diào)技術(shù)物理層接口第二章數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)知識2.1基本概念2.2數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)理論2.3傳輸介質(zhì)2.4多路復(fù)用2.5數(shù)據(jù)交換技術(shù)2.6調(diào)制解調(diào)器2.1基本概念信號是數(shù)據(jù)（或信息）的電磁編碼。信號的數(shù)學(xué)描述一般是以時間t為自變量，以某種物理量（如電壓）為因變量（信號的時域特性）模擬信號與數(shù)字信號通信（傳輸）通信的任務(wù)是將信號從一方傳到另一方模擬通信與數(shù)字通信模擬信號和數(shù)字信號2.1.2模擬通信模擬通信系統(tǒng)的組成調(diào)制器如果信源產(chǎn)生的是數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，調(diào)制器的功能是將調(diào)制為模擬信號（如撥號Modem）如果信源產(chǎn)生的是模擬數(shù)據(jù)，調(diào)制器的功能是將其調(diào)制到某個頻段以便進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸或多路復(fù)用解調(diào)器是實(shí)現(xiàn)上述過程逆變換的設(shè)備信道包括傳輸介質(zhì)和介質(zhì)兩端的傳輸設(shè)備2.1.3數(shù)字通信數(shù)字通信系統(tǒng)的組成（1）信源編碼器當(dāng)信源產(chǎn)生的是模擬數(shù)據(jù)（或信號）時，信源編碼器的主要工作是對模擬數(shù)據(jù)（或信號）進(jìn)行采樣、量化并編碼成二進(jìn)制數(shù)字信號當(dāng)信源產(chǎn)生的是數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)（或信號）時，信源編碼器的主要工作是對原始的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)（或信號）進(jìn)行碼制變換，使其適合于傳輸或通信（如在數(shù)據(jù)信號中插入時鐘信號）信道編碼器是對傳輸?shù)臄?shù)字信號進(jìn)行檢錯或糾錯編碼，以便接收方能進(jìn)行差錯檢測和糾正數(shù)字通信系統(tǒng)的組成（2）調(diào)制器其功能是將基帶(數(shù)字)信號變換成頻帶(模擬)信號以通過模擬傳輸介質(zhì)進(jìn)行頻帶傳輸。（有些傳輸介質(zhì)只能傳輸模擬信號，如無線介質(zhì)）時鐘數(shù)字信號的發(fā)送和接收靠時鐘驅(qū)動一般情況下，發(fā)送端和接收端使用各自的時鐘源，但接收時鐘與發(fā)送時鐘必須保持同步外同步內(nèi)同步數(shù)字通信的主要特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)抗干擾能力強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的遠(yuǎn)距離傳輸；適應(yīng)各種傳輸業(yè)務(wù)；方便實(shí)現(xiàn)高保密傳輸；傳輸設(shè)備的集成化和微型化；缺點(diǎn)占用信道的帶寬大例子：一路模擬電話占用4KHz信道帶寬，而一路數(shù)字電話所需要的數(shù)據(jù)傳輸率是64Kbps，所需占用的信道帶寬要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于4KHz。2.2數(shù)數(shù)據(jù)通通信基基礎(chǔ)理理論2.2.1信信號的的頻譜譜和帶帶寬2.2.2信信道的的截止止頻率率與帶帶寬2.2.3信信道的的最大大數(shù)據(jù)據(jù)傳輸輸率2.2.1信信號的的頻譜譜和帶帶寬傅立葉葉已經(jīng)經(jīng)證明明：任任何一一個周周期為為T的的函數(shù)數(shù)f(t)都是是由無無窮多多個正正弦和和余弦弦函數(shù)數(shù)合成成，即即：f(t)=其中：：n=arctg(-bn/an)此處f=1/T是基基頻，，an和bn是n次次正弦弦諧波波和余余弦諧諧波的的振幅幅。基本概概念頻域圖圖（頻頻率-最大大振幅幅圖））把f(t)各次次諧波波的振振幅An按照頻頻率高高低依依次排排列起起來所所形成成譜狀狀圖形形稱為為信號號f(t)的頻頻譜圖圖。信號帶帶寬信號頻頻域圖圖所覆覆蓋的的頻率率范圍圍稱為為信號號的絕絕對帶帶寬；；我們將將信號號大部部分能能量集集中的的那段段頻帶帶稱為為信號號的有有效帶帶寬，，簡稱稱為帶寬(bandwidth)；；任何信信號都都有一一定的的帶寬寬。常見信信號的的帶寬寬話音信信號話音信信號的的標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)帶寬寬為300Hz～3400Hz音樂信號（（CD音質(zhì)質(zhì)）要求的帶寬寬是20Hz~20KHz電視信號(PAL或或NTSC制式)電視信號的的帶寬約為為4.2MHz單穩(wěn)脈沖信信號其帶寬為無無窮大二進(jìn)制信號號(數(shù)字信信號)一般說來，，任何數(shù)字字信號都具具有無限帶帶寬，但它它們不得不不被近為有有限帶寬信信號數(shù)字信號的的帶寬依賴賴于“0””、“1””序列以及及數(shù)字編碼碼方式2.2.2信道的的截止頻率率與帶寬任何信號通通過信道時時都會發(fā)生生衰減，從從而引起信信號失真。。信道對不同同頻率的信信號其衰減減幅度是不不相同的；；一般來說說，頻率越越高的信號號，其衰減減幅度越大大。我們把信號號在經(jīng)過信信道時其中中某個頻率率分量的振振幅衰減到到原來的0.707(即信號號的能量衰衰減到原來來的一半)時所對應(yīng)應(yīng)的頻率稱稱為信道的的截止頻率fc(cut-offfrequency)，即即信道的帶帶寬。任何信道都都有fc，，信道的截截止頻率或或帶寬是由其固有的的物理特性性決定的。。信道截止頻頻率數(shù)據(jù)傳輸率率與帶寬信道的帶寬寬決定對其其通過信號號的帶寬，，因而對于于有限帶寬寬信道必須須限制信號號的帶寬(有限帶寬寬信號)；；而帶寬寬越受限制制，失真越越嚴(yán)重，接接收器產(chǎn)生生差錯的概概率越大；；信號的數(shù)據(jù)據(jù)傳輸率越越高，其有有效帶寬就就越大；要要求傳輸系系統(tǒng)的帶寬寬越大，費(fèi)費(fèi)用就越高高；為了保證數(shù)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳傳輸?shù)恼_確性，在信信道帶寬一一定(鑒于于經(jīng)濟(jì)上和和實(shí)現(xiàn)上的的原因)的的情況下，，必須限制制信號的帶帶寬，即限限制數(shù)據(jù)傳傳輸率；知道信道帶帶寬并不能能完全說明明其所能支支持的數(shù)據(jù)據(jù)傳輸率到到底有多大大？但就一一般而言，，信道的所所能支持的的數(shù)據(jù)傳輸輸率與其帶帶寬成正比比。2.2.3信道的最大大數(shù)據(jù)傳輸輸率任何實(shí)際應(yīng)應(yīng)用的傳輸輸信道都是是有限帶寬寬信道。信道帶寬的限制是由由傳輸介質(zhì)質(zhì)(信道)的物理特特性決定的的；或者可可能是發(fā)送送器故意限限制了帶寬寬，以防止止干擾或?yàn)闉榱硕嗦窂?fù)復(fù)用。數(shù)字傳輸?shù)牡哪繕?biāo)就是是盡可能有有效利用給給定帶寬(有效性)，這意意味著我們們希望在給給定帶寬條條件下盡可可能提高數(shù)據(jù)傳輸率率，同時又將將誤碼率限制在某個個范圍內(nèi)(可靠性)。限制我們達(dá)達(dá)到上述目目標(biāo)的主要要不利因素素是噪聲(熱噪聲、、交調(diào)噪聲聲、串?dāng)_和和脈沖噪聲聲)?；靖拍顜?bandwidth)噪聲(noise)誤碼率(errorrate)調(diào)制速率或或信號速率率(signalrate)數(shù)據(jù)傳輸率率(datarate)波特率與比比特率基本概念調(diào)制速率（（單位：baud））碼元速率，，信號單元元速率，波特率數(shù)字信號電電平改變的的速率，取取決于數(shù)字字編碼的特特性。數(shù)據(jù)傳輸率率（單位：：bps））信息速率，，比特率信號每秒鐘鐘傳輸?shù)亩M(jìn)制位數(shù)數(shù)。兩者的關(guān)系系Nyquist定理理Nyquist推導(dǎo)導(dǎo)出帶寬為為H的理想想(無噪聲聲)信道的的最大數(shù)據(jù)據(jù)傳輸率為為（帶寬為為H的理想想信道，其其可承受的的最大碼元元速率是2*H）Rmax=2H*log2V(bps)其中V為離離散信號的的個數(shù)或電電壓值的個個數(shù)例子一個帶寬為為3000Hz的無無噪聲話音音信道在傳傳輸二進(jìn)制信號號時其最大數(shù)數(shù)據(jù)傳輸率率不超過6000bps方法：提高信號編編碼能力，，增大V的的數(shù)值Shannon定理理Shannon推導(dǎo)導(dǎo)出對于帶帶寬為H，，信噪比為為S/N的的有噪聲信信道，其最最大數(shù)據(jù)傳傳輸率Rmax為Rmax=H*log2(1+S/N)(bps)其中信號功功率與噪聲聲功率的比比值稱為信信噪比(Signal-to-NoiseRatio)；我們們一般使用用10log10S/N分貝貝(dB)來表示信信噪比例子一個帶寬為為3000Hz，信信噪比為35dB(S/N為為3165)的話音音信道其最最大數(shù)據(jù)傳傳輸率不超超過34.86Kbps方法：增加線路帶帶寬或改進(jìn)進(jìn)信噪比2.3傳傳輸介質(zhì)有線介質(zhì)雙絞線同軸電纜光纖無線介質(zhì)無線電微波（大地地微波、衛(wèi)衛(wèi)星微波））紅外線（毫毫米波）2.3.1雙絞線線屏蔽雙絞線線STP（（IBM））Type1或Type2非屏蔽雙絞絞線UTP（EIA/TIA）Cat1電電話線；Cat2 ISDN或T1/E1線路；Cat310Mbps或100Mbps以太網(wǎng)電電纜；Cat5 100Mbps以太網(wǎng)網(wǎng)電纜；特點(diǎn)距離100米使用RJ-45接頭頭2.3.2同軸電電纜基帶電纜和和寬帶電纜纜基帶電纜（（10Mbps））粗纜非中繼傳輸輸距離500米需要使用收收發(fā)器和收收發(fā)電纜AUI接口口細(xì)纜（便宜宜的同軸電電纜）非中繼傳輸輸距離185米BNC接口口寬帶電纜（（CATV電纜）CableModem（寬寬帶接入））2.3.3光纖傳輸與計(jì)算算的比較Compution：每10年增增長1個數(shù)數(shù)量級Communication：每10年增增長2個數(shù)數(shù)量級帶寬頻率范圍：：180~370THz數(shù)據(jù)傳輸率率：100*10Gbps=1Tbps原因：光/電、電/光轉(zhuǎn)換的的速度跟不不上光電子技術(shù)術(shù)/光子技技術(shù)通過光纖中中光的波長長0.85μμm/1.3μm/1.55μm(250~300THz)光反射原理理光纖及光纜纜構(gòu)成單模光纖和和多模光纖纖單模光纖（（single-modefiber）使用激光源源中繼距離100公里里內(nèi)芯直徑較較小直徑為8～～10μm/125μm多模光光纖（（multi-modefiber）使用普普通發(fā)發(fā)光二二極管管作為為光源源中繼距距離2公里里內(nèi)芯直直徑稍稍大直徑為為62.5μm/125μm單模光光纖與與多模模光纖纖的比比較光纖的的特點(diǎn)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)高帶寬寬、高高數(shù)據(jù)據(jù)傳輸輸率對EMI、、竊聽不不敏感感（安安全、、可靠靠）抗腐蝕蝕衰減小小缺點(diǎn)單向傳傳輸光纖接接口價價格昂昂貴工藝復(fù)復(fù)雜、、安裝裝技術(shù)術(shù)復(fù)雜雜2.3.4無無線介介質(zhì)無線介介質(zhì)是是指信信號通通過空空氣傳傳輸，，信號號不被被約束束在一一物理理導(dǎo)體體內(nèi)無線介介質(zhì)實(shí)實(shí)際上上就是是無線線傳輸輸系統(tǒng)統(tǒng)，主主要包包括無線電電微波（（地面面微波波、衛(wèi)衛(wèi)星微微波））紅外線線無線介介質(zhì)只只能傳傳輸模模擬信信號無線電電波（（1））無線電電通信信就是是利用用地面面發(fā)射射的無無線電電波通通過電電離層層的反反射而而到達(dá)達(dá)接收收端的的一種種遠(yuǎn)距距離通通信方方式。。無線線電通通信使使用的的頻率率一般般在3MHz至至1GHz。。無線電電波的的傳播播特性性與頻頻率有有關(guān)。。在低低頻上上，無無線電電波能能輕易易地繞繞過一一般障障礙物物，但但其能能量隨隨著傳傳播距距離的的增大大而急急劇遞遞減。。在高高頻上上，無無線電電波趨趨于直直線傳傳播并并易受受障礙礙物的的阻擋擋，還還會被被雨水水吸收收。無線電電波（（2））微波對于頻頻率在在100MHz以上上的無無線電電波，，其能能量將將集中中于一一點(diǎn)并并沿直直線傳傳播，，這就就是微微波。。微波通通信是是利用用無線線電波波在對對流層層的視視距范范圍內(nèi)內(nèi)進(jìn)行行信息息傳輸輸?shù)囊灰环N通通信方方式，，它使使用的的頻率率范圍圍一般般在1GHz至至20GHz左左右。。由于微微波只只能沿沿直線線傳播播，所所以微微波的的發(fā)射射天線線和接接收天天線必必須精精確對對準(zhǔn)，，而且且每隔隔一段段距離離就需需要一一個中中繼站站。中繼站站之間間的距距離與與微波波塔的的高度度成正正比例例。對對于100m高高的微微波塔塔，中中繼站站之間間的距距離可可以達(dá)達(dá)到80km。。2.4多多路復(fù)復(fù)用頻分多多路復(fù)復(fù)用FDM(FrequencyDivisionMultiplexing)主干線線路的的頻帶帶被劃劃分為為若干干邏輯輯信道道，每每個用用戶獨(dú)獨(dú)占某某些頻頻段；；調(diào)頻廣廣播以以及有有線電電視。。波分多多路復(fù)復(fù)用WDM(WaveDivisionMultiplexing)FDM在光光纖介介質(zhì)中中的應(yīng)應(yīng)用；；光纖系系統(tǒng)使使用的的衍射射光柵柵可以以是無無源的的。時分分多多路路復(fù)復(fù)用用TDM(TimeDivisionMultiplexing））每個個用用戶戶輪輪流流瞬瞬間間地地占占有有主主干干線線路路的的整整個個帶帶寬寬；；在數(shù)數(shù)字字通通信信系系統(tǒng)統(tǒng)中中，，對對主主干干線線路路的的多多路路復(fù)復(fù)用用只只能能采采用用TDM，，因因?yàn)闉閿?shù)數(shù)字字信信號號的的頻頻譜譜有有可可能能占占居居整整個個信信道道帶帶寬寬。。FDM（（1））FDM（（2））WDM脈碼碼調(diào)調(diào)制制PCM數(shù)字字編編碼碼TDM（（1））TDM（（2））同步步TDM同步步TDM和和統(tǒng)統(tǒng)計(jì)計(jì)TDMCCITT標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)（（T1系系列列））PDH數(shù)字字傳傳輸輸系系統(tǒng)統(tǒng)2.5數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)交交換換技技術(shù)術(shù)電路路交交換換(CircuitSwitching)傳統(tǒng)統(tǒng)電電話話網(wǎng)網(wǎng)報文文交交換換(MessageSwitching)電報報系系統(tǒng)統(tǒng)分組組交交換換(PacketSwitching)X.25網(wǎng)電路路交交換換原理理在采采用用電電路路交交換換技技術(shù)術(shù)的的網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)絡(luò)中中，，傳傳輸輸雙雙方方在在數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)傳傳輸輸之之前前要要建建立立一一條條物物理理電電路路，，該該物物理理電電路路一一直直保保持持到到雙雙方方通通話話結(jié)結(jié)束束后后才才釋釋放放。。特點(diǎn)點(diǎn)電路路交交換換技技術(shù)術(shù)有有兩兩大大優(yōu)優(yōu)點(diǎn)點(diǎn)，，第第一一是是傳傳輸輸延延遲遲小小，，唯唯一一的的延延遲遲是是物物理理信信號號的的傳傳播播延延遲遲；；第第二二是是一一旦旦電電路路建建立立，，便便不不會會發(fā)發(fā)生生數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)傳傳輸輸沖沖突突。。電路路交交換換的的缺缺點(diǎn)點(diǎn)首首先先是是建建立立物物理理電電路路所所需需的的時時間間比比較較長長；；其其次次是是在在電電路路交交換換系系統(tǒng)統(tǒng)中中，，電電路路的的帶帶寬寬是是預(yù)預(yù)先先分分配配的的。。報文文交交換換原理理報文文交交換換不不事事先先建建立立電電路路，，當(dāng)當(dāng)發(fā)發(fā)送送方方有有數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)要要發(fā)發(fā)送送時時，，它它把把要要發(fā)發(fā)送送的的數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)當(dāng)當(dāng)作作一一個個整整體體交交給給中中間間交交換換設(shè)設(shè)備備，，中中間間交交換換設(shè)設(shè)備備先先將將報報文文存存儲儲起起來來，，然然后后選選擇擇一一條條合合適適的的輸輸出出線線將將數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)發(fā)發(fā)給給下下一一個個中中間間交交換換設(shè)設(shè)備備，，直直到到將將數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)發(fā)發(fā)送送到到目目的的結(jié)結(jié)點(diǎn)點(diǎn)。。特點(diǎn)點(diǎn)不限限制制報報文文的的大大小小，，這這就就有有可可能能要要求求各各個個中中間間結(jié)結(jié)點(diǎn)點(diǎn)必必須須使使用用磁磁盤盤等等外外設(shè)設(shè)來來緩緩存存較較大大的的數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)塊塊。。報文轉(zhuǎn)發(fā)發(fā)可能會會長時間間占用線線路，導(dǎo)導(dǎo)致報文文在中間間結(jié)點(diǎn)的的延遲非非常大，，這使得得報文交交換技術(shù)術(shù)不適合合交互式式通信。。分組交換換原理是報文交交換技術(shù)術(shù)的改進(jìn)進(jìn)在分組交交換網(wǎng)中中，將用用戶的數(shù)數(shù)據(jù)劃分分成一個個個分組組(packet)，，而且分分組的大大小有嚴(yán)嚴(yán)格的上上限，這這樣使得得分組可可以被緩緩存在交交換設(shè)備備的內(nèi)存存而不是是磁盤中中。特點(diǎn)吞吐率較較高，非非常適合合于交互互式通信信。實(shí)現(xiàn)方式式數(shù)據(jù)報(Datagram)每個Packet單獨(dú)尋址址，IP數(shù)據(jù)報報虛電路(VirtualCircuit)在傳輸雙雙方先建建立一條條虛電路路，所有有Packet沿著同同一條虛虛電路到到達(dá)目的的地：X.25/FR/ATM三者的比比較電路交換換和分組組交換的的比較帶寬分配配電路交換換技術(shù)靜靜態(tài)預(yù)留留線路帶帶寬（物物理電路路）；而而分組交交換技術(shù)術(shù)動態(tài)申申請和釋釋放線路路、帶寬寬（虛電電路）。。透明性電路交換換是完全全透明的的。發(fā)送送方和接接收方可可以使用用任何速速率(當(dāng)當(dāng)然是在在物理線線路支持持的范圍圍內(nèi))、、幀格式式來進(jìn)行行數(shù)據(jù)通通信。而而在分組組交換中中，發(fā)送送方和接接收方按按一定的的數(shù)據(jù)速速率和幀幀格式進(jìn)進(jìn)行通信信。計(jì)費(fèi)方式式在電路交交換中，，通信費(fèi)費(fèi)用取決決于通話話時間和和距離，，而與通通話量無無關(guān)；而而在分組組交換中中，通信信費(fèi)用主主要按通通信流量量(如字字節(jié)數(shù))來計(jì)算算，適當(dāng)當(dāng)考慮通通話時間間和距離離。2.6調(diào)調(diào)制解解調(diào)器2.6.1調(diào)制方式式正交幅度度調(diào)制2.6.2Modem標(biāo)準(zhǔn)傳輸速率率(9600bps,14.4kbps,33.6kbps,56kbps)調(diào)制方式式(調(diào)幅幅、調(diào)頻頻、調(diào)相相、正交交幅度調(diào)調(diào)制)數(shù)據(jù)壓縮縮CCITT規(guī)范范：CCITTV.42bis規(guī)規(guī)范，使使用Huffman編編碼技術(shù)術(shù)MNP(MicrocomNetworkingProtocol)規(guī)范：MNP5可以以實(shí)現(xiàn)2：1的的壓縮比比，MNP7的壓縮縮比可以以達(dá)到3：1。。差錯控制制CCITT規(guī)范范：CCITTV.42規(guī)規(guī)范MNP規(guī)范：MNP10級級是功能能非常齊齊全的差差錯控制制協(xié)議，，用于向向蜂窩電電話這樣樣的噪聲聲環(huán)境。。