數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)知識解析

數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)知識解析傳輸系統(tǒng)輸入信息輸入數(shù)據(jù)發(fā)送的信號接收的信號輸出數(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)字比特流模擬信號模擬信號正文正文數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)源系統(tǒng)目的系統(tǒng)傳輸系統(tǒng)輸出信息機(jī)物理層的基本概念物理層的主要任務(wù)描述為確定與傳輸媒體的接口的一些特性，即：機(jī)械特性指明接口所用接線器的形狀和尺寸、引線數(shù)目和排列、固定和鎖定裝置等等。電氣特性指明在接口電纜的各條線上出現(xiàn)的電壓的范圍。功能特性指明某條線上出現(xiàn)的某一電平的電壓表示何種意義。規(guī)程特性指明對于不同功能的各種可能事件的出現(xiàn)順序。電信領(lǐng)域使用的電磁波的頻譜無線電微波紅外線可見光紫外線X射線射線雙絞線同軸電纜衛(wèi)星地面微波調(diào)幅無線電調(diào)頻無線電海事無線電光纖電視(Hz)f(Hz)fLFMFHFVHFUHFSHFEHFTHF波段104105106107108109101010111012101310141015101610010210410610810101012101410161018102010221024移動無線電極低頻()3-30超低頻()30-300特低頻()300-3000甚低頻()3-30低頻()30-300中頻()300-3高頻()3-30甚高頻()30-300特高頻()300-3000超高頻()3-30極高頻()30-3002.1概念和術(shù)語2.1.1數(shù)據(jù)2.1.2信號2.1.3傳輸2.1.4傳輸方式2.1.1數(shù)據(jù)信息：客觀事物屬性和相互關(guān)系的表征數(shù)據(jù)：信息的表現(xiàn)信息是在人們之間傳遞的知識，數(shù)據(jù)是信息的具體表現(xiàn)形式，其本身是各種各樣的物理符號或它們的組合模擬數(shù)據(jù)音頻（例如：無線廣播）視頻（例如：電視）數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)計(jì)算機(jī)存儲的文本文件（例如：*）編解碼后的多媒體文件（例如：*3）2.1.2信號信號信號是數(shù)據(jù)的電子或電磁編碼，數(shù)據(jù)必須經(jīng)過編碼轉(zhuǎn)換為電信號后才能在傳輸介質(zhì)中傳輸模擬信號與數(shù)字信號模擬信號和數(shù)字信號模擬的和數(shù)字的數(shù)據(jù)、信號模擬數(shù)據(jù)模擬信號放大器調(diào)制器模擬數(shù)據(jù)數(shù)字信號

PCM編碼器數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)模擬信號調(diào)制器數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)數(shù)字信號數(shù)字發(fā)送器通信的基本要求通信的雙方完成一次通信需要滿足三個(gè)基本要求：一是雙方有通信的愿望二是通信的雙方之間有信息傳遞的信道，也即是說通信要經(jīng)過傳輸介質(zhì)以及有關(guān)的傳輸設(shè)備三是通信雙方要遵循通信的規(guī)則和約定，即通信雙方按照通信協(xié)議傳輸信息，并能理解這些通信協(xié)議信道信道與電路并不等同，信道表示信號的通路，一般是用來表示向某一個(gè)方向傳輸信息的媒體一條通信電路往往包含一條發(fā)送信道和一條接收信道信道與傳輸介質(zhì)也是有區(qū)別的傳輸介質(zhì)是指用于連接兩個(gè)或多個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的物理傳輸線路通信信道建立在傳輸介質(zhì)之上包括傳輸介質(zhì)和通信設(shè)備差錯(cuò)率/誤碼率由于噪聲的影響和信道帶寬的限制，信號可能發(fā)生失真.差錯(cuò)率/誤碼率：傳輸比特總數(shù)與其中出錯(cuò)比特?cái)?shù)的比值=出錯(cuò)比特?cái)?shù)傳輸/比特總數(shù)例：傳輸10000,有2出錯(cuò)，＝2/10000差錯(cuò)率越高表示信道的質(zhì)量越差信道的差錯(cuò)率與信號的傳輸速率和傳輸距離成正比數(shù)字信號通過實(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）輸入信號波形輸出信號波形(失真不嚴(yán)重)輸入信號波形實(shí)際的信道（帶寬受限、有噪聲、干擾和失真）輸出信號波形(失真嚴(yán)重)2.1.3傳輸傳輸是指將信號從發(fā)送傳到接收端，并且在接收端進(jìn)行恢復(fù)模擬傳輸和數(shù)字傳輸數(shù)字傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)數(shù)字器件的體積和價(jià)格的降低數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)器，減少錯(cuò)誤累計(jì)多路復(fù)用簡單、高效安全和保密綜合性2.1.4傳輸方式并行傳輸和串行傳輸串行（）通訊，每個(gè)字符的二進(jìn)制位按位排列進(jìn)行傳輸，速度慢，但傳輸距離相對較遠(yuǎn)，鼠標(biāo)口和口都是串行端口；并行（）通訊，每個(gè)字符的二進(jìn)制位使用多條數(shù)據(jù)線同時(shí)進(jìn)行傳輸，傳輸速度相對要快些，但傳輸距離相對不能太遠(yuǎn)，計(jì)算機(jī)內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸一般都是采用這種方法，標(biāo)準(zhǔn)打印口是屬并行端口異步方式和同步方式異步傳輸以字符為獨(dú)立的傳輸單位。同步傳輸時(shí)，數(shù)據(jù)塊以穩(wěn)定的比特流的形式傳輸字符內(nèi)部的各個(gè)比特采用固定的時(shí)間模式，每個(gè)字符獨(dú)立傳輸，字符之間間隔任意，用獨(dú)特的起始位和終止位來限定每個(gè)字符。傳輸效率較低起終始止位11101010位線路空閑線路空閑起始位一個(gè)字符下一字符異步傳輸舉例單工通信——只能有一個(gè)方向的通信而沒有反方向的交互。半雙工通信——通信的雙方都可以發(fā)送信息，但不能雙方同時(shí)發(fā)送(當(dāng)然也就不能同時(shí)接收)。全雙工通信——通信的雙方可以同時(shí)發(fā)送和接收信息。2.2數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)理論話音信號話音信號的標(biāo)準(zhǔn)帶寬為300～3400音樂信號（音質(zhì)）要求的帶寬是20~20電視信號(或制式)二進(jìn)制信號(數(shù)字信號)一般說來，任何數(shù)字信號都具有無限帶寬，但它們不得不被近為有限帶寬信號數(shù)字信號的帶寬依賴于“0”、“1”序列以及編碼方式計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的速率計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中信號的速率涉及三種：傳播速率；調(diào)制速率；數(shù)據(jù)傳輸率信號的傳播速率是常量傳播速率，是一個(gè)常量，與光速聯(lián)系調(diào)制速率也稱為碼元速率、波形速率或信號速率指的是每秒種發(fā)送信號的數(shù)目，單位為波特()數(shù)據(jù)傳輸率為每秒種發(fā)送的二進(jìn)制位數(shù)單位為，讀作每秒位。調(diào)制速率與數(shù)據(jù)傳輸率之間的關(guān)系為： C=B2N()其中：C為數(shù)據(jù)傳輸率；B為調(diào)制速率；N為一個(gè)信號可能取值的個(gè)數(shù)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的帶寬是指網(wǎng)絡(luò)可通過的最高數(shù)據(jù)率，即每秒多少比特。描述帶寬也常常把“比特/秒”省略。例如，帶寬是10M，實(shí)際上是10。這里的M是106。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的帶寬信道帶寬的描述帶寬()與信道可以允許通過的信號的最高頻率與最低頻率有關(guān)2.3傳輸介質(zhì)2.3.1雙絞線2.3.2同軸電纜2.3.3光纖2.3.4無線介質(zhì)2.3.1雙絞線屏蔽雙絞線（）非屏蔽雙絞線（）1類——用于電話通信，一般不適合傳輸數(shù)據(jù)。2類——可用于傳輸數(shù)據(jù)，最大數(shù)據(jù)率為4。3類——用于以太網(wǎng)，最大數(shù)據(jù)率為10。4類——用于令牌環(huán)網(wǎng)，最大數(shù)據(jù)率為16。5類——用于快速以太網(wǎng)，最大數(shù)據(jù)率為100。6類——用于吉比特以太網(wǎng)，最大數(shù)據(jù)率為1。雙絞線圖示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無屏蔽雙絞線屏蔽雙絞線雙絞線圖示及5的線序2.3.2同軸電纜基帶電纜（10）粗纜非中繼傳輸距離500米需要使用收發(fā)器和收發(fā)電纜接口細(xì)纜（便宜的同軸電纜）非中繼傳輸距離185米接口寬帶電纜（電纜）（寬帶接入）同軸電纜圖示同軸電纜50同軸電纜75同軸電纜2.3.3光纖帶寬頻率范圍：180~370原因：光/電、電/光轉(zhuǎn)換的速度跟不上光電子技術(shù)/光子技術(shù)通過光纖中光的波長0.85μ1.3μ1.55μm(250~300)光反射原理折射角入射角包層（低折射率的媒體）包層（低折射率的媒體）纖芯（高折射率的媒體）包層纖芯光纖及光纜構(gòu)成單模光纖和多模光纖單模光纖（）使用激光源內(nèi)芯直徑較小直徑為8～10μm多模光纖（）使用發(fā)光二極管內(nèi)芯直徑稍大（外徑為125μm）輸入脈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單模光纖與多模光纖的比較光纖的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)高帶寬、高數(shù)據(jù)率安全、可靠抗腐蝕衰減小2.3.4無線介質(zhì)無線介質(zhì)是指信號通過空氣傳輸，信號不被約束在一物理導(dǎo)體內(nèi)無線介質(zhì)實(shí)際上就是無線傳輸系統(tǒng)，主要包括無線電微波紅外線和激光衛(wèi)星通信無線介質(zhì)只能傳輸模擬信號（高頻載波信號）無線電波（1）無線電通信就是利用地面發(fā)射的無線電波通過電離層的反射而到達(dá)接收端的一種遠(yuǎn)距離通信方式。無線電通信使用的頻率一般在3至1。無線電波的傳播特性與頻率有關(guān)。在低頻上，無線電波能輕易地繞過一般障礙物，但其能量隨著傳播距離的增大而急劇遞減。在高頻上，無線電波趨于直線傳播并易受障礙物的阻擋，還會被雨水吸收。無線電波（2）微波微波通信是利用無線電波在對流層的視距范圍內(nèi)進(jìn)行信息傳輸?shù)囊环N通信方式，它使用的頻率范圍一般在1至20左右。由于微波只能沿直線傳播，所以微波的發(fā)射天線和接收天線必須精確對準(zhǔn)，而且每隔一段距離就需要一個(gè)中繼站。中繼站之間的距離與微波塔的高度成正比例。對于100m高的微波塔，中繼站之間的距離可以達(dá)到80。紅外線紅外系統(tǒng)采用發(fā)光射二極管、激光二極管發(fā)射的紅外線來進(jìn)行站與站之間的數(shù)據(jù)交換。點(diǎn)到點(diǎn)紅外系統(tǒng)廣播式紅外系統(tǒng)*2.4編碼與調(diào)制2.4.1數(shù)字－數(shù)字編碼2.4.2模擬－數(shù)字編碼2.4.3數(shù)字－模擬調(diào)制2.4.4模擬－模擬調(diào)制2.4.1數(shù)字—數(shù)字編碼例如：計(jì)算機(jī)到打印機(jī)曼徹斯特和差分曼徹斯特編碼2.4.2模擬—數(shù)字編碼如何在不損失信號質(zhì)量的前提下，將信息從無窮多的連續(xù)值轉(zhuǎn)換為有限個(gè)離散值脈沖幅度調(diào)制脈沖振幅調(diào)制（,）脈沖編碼調(diào)制脈沖編碼調(diào)制就是將脈沖振幅調(diào)制所產(chǎn)生的采樣結(jié)果變成完全數(shù)字化的信號。三個(gè)過程脈沖幅度調(diào)制量化（轉(zhuǎn)換）編碼（數(shù)字—數(shù)字編碼）模擬數(shù)據(jù)編碼為數(shù)字信號脈沖編碼調(diào)制（）是用于模擬數(shù)據(jù)編碼為數(shù)字信號的技術(shù)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)有三個(gè)步驟：采樣；量化；編碼技術(shù)的實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)是依據(jù)采樣定理2.4.3數(shù)字—模擬調(diào)制例如：通過一條電話線，將數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)從一臺計(jì)算機(jī)傳送到另一臺計(jì)算機(jī)。幅移鍵控頻移鍵控相移鍵控一個(gè)8信號的時(shí)域圖2.4.4模擬—模擬調(diào)制調(diào)頻2.5復(fù)用2.5.1頻分復(fù)用2.5.2時(shí)分復(fù)用*2.5.3碼分復(fù)用2.5.1頻分復(fù)用頻分復(fù)用()主干線路的頻帶被劃分為若干邏輯信道，每個(gè)用戶獨(dú)占某些頻段；調(diào)頻廣播以及有線電視。頻分復(fù)用頻分復(fù)用()是最常用的技術(shù)信道的帶寬很寬，信道的可用帶寬大于一路信號所需的帶寬，把信道劃分為多個(gè)子信道，每個(gè)子信道傳輸一路信號在子信道之間要留有隔離頻帶，對每路信號以不同頻率的載波進(jìn)行調(diào)制，使其適應(yīng)不同子信道頻段的要求，傳輸?shù)侥康牡睾笤倩謴?fù)為原始信號頻分復(fù)用示例圖2.5.2時(shí)分復(fù)用時(shí)分復(fù)用(）每個(gè)用戶輪流瞬間地占有主干線路的整個(gè)帶寬；在數(shù)字通信系統(tǒng)中，對主干線路的復(fù)用只能采用，因?yàn)閿?shù)字信號的頻譜有可能占居整個(gè)信道帶寬。時(shí)分復(fù)用時(shí)分復(fù)用（）技術(shù)的依據(jù)是信道的數(shù)據(jù)傳輸率大于一路信號傳輸所需要的數(shù)據(jù)傳輸率可以把傳輸時(shí)間分成時(shí)間片幀，每一時(shí)間片幀包含若干時(shí)間隙，每個(gè)時(shí)間隙對應(yīng)一路信號的若干位時(shí)分復(fù)用頻率f時(shí)間t23423423423411111在幀中的位置不變TDM幀TDM幀TDM幀TDM幀…TDM幀時(shí)分復(fù)用頻率f時(shí)間t34343411112222342在幀中的位置不變TDM幀TDM幀TDM幀TDM幀…TDM幀時(shí)分復(fù)用頻率f時(shí)間t24242411112333343在幀中的位置不變TDM幀TDM幀TDM幀TDM幀…TDM幀時(shí)分復(fù)用頻率時(shí)間2323231111234444D在幀中的位置不變TDM幀TDM幀TDM幀TDM幀…TDM幀T1標(biāo)準(zhǔn)E1標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)