第2章 數(shù)據(jù)通信基礎

第二章數(shù)據(jù)通信基礎目錄2.1數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)2.2通訊編碼技術2.3數(shù)據(jù)傳輸方式2.4數(shù)據(jù)交換技術2.5數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)2.1.1數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)模型通過任何媒體將信息從一地傳送到另一地的過程都稱為通信。通信系統(tǒng)由信源、發(fā)信終端、傳輸媒介、收信終端和信宿組成。2.1.2模擬通信和數(shù)字通信模擬通信系統(tǒng)數(shù)字通信系統(tǒng)2.1.3數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信是指依據(jù)通信協(xié)議，利用數(shù)據(jù)傳輸技術（模擬傳輸或數(shù)字傳輸）在兩個功能單元之間傳遞信息。目錄2.1數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)2.2通訊編碼技術2.3數(shù)據(jù)傳輸方式2.4數(shù)據(jù)交換技術2.5數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)2.2.1模擬數(shù)據(jù)數(shù)字信號編碼技術

模擬數(shù)據(jù)數(shù)字信號編碼技術的典型方法是脈沖編碼調(diào)制（PCM，PulseCodeModulation）。采樣

一個模擬信號在時間上是連續(xù)的，而數(shù)字信號要求在時間上是離散的。這就要求系統(tǒng)每經(jīng)過一個固定的時間間隔（采樣周期）對模擬信號進行測量，這種測量稱為采樣，這個時間間隔稱為采樣周期。采樣周期的長度可以依據(jù)采樣定理來確定。量化

模擬信號不僅在時間上是連續(xù)的，而且在幅度上也是連續(xù)的。而數(shù)字信號要求有離散的數(shù)值。這就需要對與采樣得到的測量值進行數(shù)字化轉(zhuǎn)換，也就是量化。測量值不一定正好等于其中的某一個數(shù)值，而是要根據(jù)測量值的大小選擇一個近似的量化數(shù)值（取整）。這種不能使量化數(shù)據(jù)準確表達測量值的情況稱為在量化過程中加入了量化噪聲。編碼

取得量化數(shù)值以后，要把它們轉(zhuǎn)換成為二進制數(shù)據(jù)，這個過程稱為編碼。采樣定理

在把一個模擬信號通過采樣變成在時間上離散的信號以后，能不能保留原有信號的特征，或者說能不能由它來恢復出原有信號就非常重要了。采樣定理指出，對于一個模擬信號，如果能夠滿足采樣頻率大于或等于模擬信號中最高頻率分量的兩倍，那么依據(jù)采樣后得到的離散序列（系列離散數(shù)值）就能夠沒有失真地恢復出原來的模擬信號。在這些成分中，最高頻率分量是采樣定理所關注的。

2.2.2數(shù)字數(shù)據(jù)的數(shù)字信號編碼

數(shù)字信號序列是離散的，可以編碼為不連續(xù)的電壓或者電流的脈沖序列。例如，對于數(shù)字信號1可以編碼為一種電壓，而數(shù)字信號0可以編碼為另一種電壓。不歸零碼（1）單極性不歸零碼單極性不歸零碼（NRZ，Non-ReturntoZero）只使用一個電壓值，單極性不歸零編碼如圖2-7所示。它用高電平表示1，而另一個狀態(tài)表示0。單極性不歸零編碼簡單直接，實現(xiàn)起來較簡單。（2）雙極性不歸零碼

雙極性不歸零碼（BNRZ，BipolarNon-ReturntoZero）用正電平和負電平分別表示二進制數(shù)的1和0，正的幅值和負的幅值相等。歸零碼在這種編碼方式中，信號電平在一個碼元之內(nèi)都要恢復到零，所以稱為歸零碼。也正因為如此，可以很方便地確定每個碼元的界限和信號電平。單極性歸零碼和雙極性歸零碼的含義與不歸零碼相似。曼徹斯特編碼曼徹斯特編碼在一個碼元之內(nèi)既有高電平，也有低電平，在一個碼元的中間位置發(fā)生跳變?？梢灾贫ㄒ豁棙藴?，確定是以碼元的前半部分為信號的值還是以碼元的后半部分為信號的值。例如，圖2-7所示的曼徹斯特編碼以后半部分為準，即一個正電平到負電平的跳變代表比特0，而一個負電平到正電平的跳變代表比特1。差分曼徹斯特編碼差分曼徹斯特編碼和曼徹斯特編碼相似，只不過是以一個碼元開始時是否發(fā)生相對于前一個碼元的跳變來確定數(shù)據(jù)的值。數(shù)字數(shù)據(jù)信號波形如圖2-7所示，其中的差分曼徹斯特編碼，以沒有發(fā)生跳變表示1，發(fā)生跳變表示0。2.2.3數(shù)字數(shù)據(jù)的調(diào)制編碼（1）振幅鍵控方式在振幅鍵控方式中，根據(jù)信號的不同，調(diào)節(jié)正弦波的幅度。（2）移頻鍵控方式移頻鍵控方式的信號頻率在信源端受調(diào)制信號的調(diào)制發(fā)生移動（即為移頻），產(chǎn)生不同頻率的正弦波信號。（3）移相鍵控方式與移頻鍵控方式相比，移相鍵控方式具有更多的優(yōu)點。目錄2.1數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)2.2通訊編碼技術2.3數(shù)據(jù)傳輸方式2.4數(shù)據(jù)交換技術2.5數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)2.3.1并行傳輸并行傳輸是指數(shù)據(jù)以成組的方式在多個并行的信道上同時傳輸，相應地需要若干根傳輸線。并行傳輸?shù)膬?yōu)點是速度快，缺點是費用高。因為并行傳輸需要一組傳輸線，所以并行傳輸一般用在距離短且傳輸速度要求高的場合。2.3.2串行傳輸串行傳輸是指數(shù)據(jù)在信道上一位一位地逐個傳輸，從發(fā)送端到接收端只需一根傳輸線，成本低，易于實現(xiàn)，是計算機網(wǎng)絡中普遍采用的傳輸方式。單工通信（雙線制）單工（Simplex）通信只允許傳輸?shù)男畔⑹冀K向一個方向流動，就像道路交通上的單行道一樣。在實際應用中，單工通信的信道采用雙線制，一個用于傳輸數(shù)據(jù)的主信道，另一個用于傳輸控制信息的監(jiān)測信道。例如，聽廣播和看電視，信息只能從廣播電臺和電視臺發(fā)射（傳輸）到用戶，而用戶不能將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綇V播臺或電視臺，BP機也是單工通信的例子。半雙工通信（雙線制+開關）半雙工（HalfDuplex）通信允許信息流向兩個方向都可傳輸，但同一時刻只能朝一個方向傳輸，不能同時進行雙向傳輸。通信雙方都要具備發(fā)送和接收裝置，每一端既可以作為發(fā)送端也可以作為接收端。信息流輪流使用發(fā)送和接收裝置。此方式適用于會話式終端通信，因為通信中要頻繁調(diào)換信道傳輸方向，效率較低。無線電對講機就是半雙工通信的例子。全雙工通信（四線制）全雙工（FullDuplex）通信是指在同一時刻，能同時進行雙向通信，即通信的一方在發(fā)送信息的同時也能接收信息。它相當于兩個方向相反的單工通信組合，通常采用四線制。人們使用的電話就是采用全雙工通信的方式。目錄2.1數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)2.2通訊編碼技術2.3數(shù)據(jù)傳輸方式2.4數(shù)據(jù)交換技術2.5數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)2.4.1電路交換交換的概念最早來自于電話系統(tǒng)。當用戶進行撥號時，電話系統(tǒng)中的交換機（TelephoneSwitch）在呼叫者的電話與接收者的電話之間建立了一條實際的物理線路（這條物理線路可能包括雙絞線、同軸電纜、光纖或無線電在內(nèi)的各種介質(zhì)，或是經(jīng)過多路復用得到的帶寬），通話便建立起來，此后兩端的電話擁有該專用線路，直到通話結(jié)束。2.4.2報文交換報文交換（MessageSwitching）不事先建立物理電路，當發(fā)送方有數(shù)據(jù)要發(fā)送時，它將把要發(fā)送的數(shù)據(jù)當作一個整體交給中間交換設備，中間交換設備先將報文存儲起來，然后選擇一條合適的空閑輸出線將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給下一個交換設備，如此循環(huán)往復，直至將數(shù)據(jù)發(fā)送到目的結(jié)點。采用這種技術的網(wǎng)絡就是存儲轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡，電報系統(tǒng)使用的是報文交換技術。2.4.3分組交換分組交換（PacketSwitching）技術是報文交換技術的改進，也可以稱為包交換。在分組交換網(wǎng)中，用戶的數(shù)據(jù)被劃分成一個個分組（Packet），而且分組的大小有嚴格的上限，這樣使得分組可以被緩存在交換設備的內(nèi)存中而不是磁盤中。同時由于分組交換網(wǎng)能夠保證任何用戶都不能長時間獨占某傳輸線路，因而它非常適合于交互式通信。目錄2.1數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)2.2通訊編碼技術2.3數(shù)據(jù)傳輸方式2.4數(shù)據(jù)交換技術2.5數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)2.5.1數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)分類有線傳輸介質(zhì)：雙絞線、同軸電纜、光纖無線傳輸介質(zhì)：無線電、微波、衛(wèi)星、紅外線2.5.2多路復用技術在同一介質(zhì)上，同時傳輸多個有限帶寬信號的方法，被稱為多路復用（Multiplexing）。當前主要采用的多路復用方式有兩種：頻分多路復用（FDM，F(xiàn)requencyDivisionMultiplexing）和時分多路復用（TDM，TimeDivisionMultiplexing），下面分別加以闡述。多路復用的概念數(shù)據(jù)信息在網(wǎng)絡通信線路中傳輸時，要占用通信信道。如何提高通信信道的利用率，尤其是在遠程傳輸時提高通信信道的利用率是非常重要的。如果一條通信線路只能為一路信號所使用，那么這路信號要支付通信線路的全部費用，成本就比較高，其他用戶也因為不能使用通信線路而不能得到服務。所以，在一條通信線路上如果能夠同時傳輸若干路信號，則能降低成本，提高服務質(zhì)量，增加經(jīng)濟收益。這種在一條物理通信線路上建立多條邏輯通信信道，同時傳輸若干路信號的技術就叫做多路復用技術。頻分多路復用頻分多路復用技術（FDM，F(xiàn)requency-DivisionMultiplexing）就是如何實現(xiàn)載波頻率的取得、信號對載波的調(diào)制、調(diào)制信號的接收、濾波和解調(diào)的技術。我們所用的收音機就是一個頻分多路復用接收器，而廣播電臺則是頻分多路復用發(fā)射器。波分多路復用波分多路復用實質(zhì)上也是一種頻分多路復用技術。由于在光纖通道上傳輸?shù)氖枪獠?，光波在光纖上的傳輸速度是固定的，所以光波的波長和頻率有固定的換算關系。由于光波的頻率較高，用頻率來表示就不很方便，所以改用波長來進行表示。在一條光纖通道上，按照光波的波長不同劃分為若干個子信道，每個子信道傳輸一路信號，就稱為波分多路復用技術。時分