《計算機網(wǎng)絡與通信》課件-項目2 了解數(shù)據(jù)通信技術

學習目標知識目標：了解介質、信號、編碼、調制、同步、單雙工、帶寬等術語涵義。技能目標：能夠把二進制位流變?yōu)橹付ǖ幕鶐盘?，能夠分辨現(xiàn)實網(wǎng)絡中采用了何種數(shù)據(jù)通信技術。素質目標：文獻查閱素質、理論聯(lián)系實際的素質。2.1傳輸介質

傳輸介質是通信網(wǎng)絡中發(fā)送方和接收方之間的物理通路。傳輸介質的特性對網(wǎng)絡數(shù)據(jù)通信質量有很大影響，這些特性是：

●物理特性：說明介質的物理組成和結構，特性阻抗等。

●傳輸特性：是使用模擬信號還是數(shù)字信號發(fā)送，調制技術、傳輸速度及傳輸?shù)念l率范圍。

●連通性：點到點或多點連接。

●地理范圍：網(wǎng)上各點的最大連接距離。

●抗干擾性：防止噪聲對傳輸數(shù)據(jù)影響的能力。

●相對價格：指元件、安裝和維護的價格。網(wǎng)絡傳輸介質有無線（微波、衛(wèi)星、紅外等）和有線（同軸電纜、雙絞線、光纖等）2大類。本節(jié)簡單介紹一下3種常見的有線傳輸介質。2.1.1同軸電纜

在局域網(wǎng)中，采用同軸電纜(CoaxialCable)的網(wǎng)絡以10BASE-2為代表，采用的是RG-58同軸電纜，其構造如圖2.1所示。

中心導體：RG-58的中心導體通常為多芯銅線或實心銅線，網(wǎng)絡上高速變動的電子信號，主要就是靠它來傳遞。

絕緣體：用來隔絕中心導體和電網(wǎng)，避免短路。

導電網(wǎng)：環(huán)繞中心導體的一層金屬網(wǎng)，這層導電網(wǎng)一般做為接地來用，也可防止電磁波干擾。

外層包覆：用來保護網(wǎng)線，避免受到外界的干擾，另外它也可以預防網(wǎng)線在不良環(huán)境（如潮濕、高溫）中受到氧化或其他損壞。注意RG－58和有線電視用的RG－59同軸電纜外形很相似，但阻抗特性不一樣哦！前者是50歐姆的，后者是75歐姆的。2.1.2雙絞線

一般兩芯的電線，多為外覆絕緣材料的兩條平行銅線，而雙絞線(TwistedPair)卻是由成對的外覆絕緣材料的銅線兩兩相絞而成為何要“兩兩對絞”呢?因為使用電波傳送信號時，一定會產生電磁場，進而導致電磁干擾現(xiàn)象?！皟蓛蓪g”可降低兩條線路傳送信號時所產生的電磁場相互干擾的影響，而且對絞的次數(shù)越多(絞得越密)，抗干擾的效果越好。雙絞線一般又可分為兩種：非屏蔽雙絞線(UnshieldedTwistedPair，UTP)和屏蔽雙絞線(ShieldedTwistedPair，STP)，兩種線都有各自的特點，以下我們就分別來探討。

屏蔽雙絞線屏蔽雙絞線外部最大的特點，是在絞線和外皮間夾有一層銅網(wǎng)或金屬層的屏蔽，因此能抑制外來的電磁干擾和減少信號的輻射。這樣的結構，使得纜線的外觀較粗，但傳輸質量較佳，價錢也較貴(見圖2.3)。

非屏蔽雙絞線

從名稱上不難理解，非屏蔽雙絞線在絞線和外皮間沒有銅網(wǎng)或金屬屏蔽層，因此不具有防止干擾的作用。但其價錢較低，使用率遠大于屏蔽雙絞線，所以我們常見的雙絞線大多是非屏蔽雙絞線?！阌脩羧魺o特別用途，使用這種非屏蔽雙絞線即可雙絞線的質量等級雙絞線按照所使用的線材不同而有不同的傳輸性能，目前最普遍的是Cat5e，速度可達100Mb/s到1000Mb/s,而雙絞線的明日之星則是Cat6，用于1000BASE-T，速度可達1000Mb/s,在某些特定的實驗狀況下甚至可達到2.4Gb/s此外，還有一個7類線，是ISO7類/F級標準中最新的一種雙絞線，它主要為了適應萬兆位以太網(wǎng)技術的應用和發(fā)展。7類線是一種屏蔽雙絞線，它的傳輸頻率至少可達500MHz，是六類線的2倍以上，傳輸速率可達10Gbps。2.1.3光纖

光纖（OpticalFiber）的導光材質是極細小的玻璃纖維（5～100μm）,柔性好（當然，畢竟它還是玻璃，超過一定的折角還是會壞的），非常適合傳輸光波信號（見圖2.5）。

軸芯：也就是極細小的玻璃纖維，用來傳送光波信號。

被覆層：折射率低的物質，當光波信號在軸芯傳送時，便是通過被覆層與軸芯的接觸面進行反射。

外皮：不透光的材質，用以隔絕外在的干擾源，也能保護脆弱的軸芯光纖的類型

光纖按照其軸芯的模式，又可以分為兩種：

單模式光纖：軸芯直徑較細，約5～10μm，散射率小，傳輸效率極佳，適合長距離傳輸，但價格較貴。

多模式光纖：軸芯直徑較寬，約50～100μm，傳輸效率略差于單模式光纖，適合短距離傳輸，價格較低。光纖的優(yōu)缺點

光纖最大的優(yōu)點有3項：

傳輸速度快：光纖的傳輸速度可以超過2Gb／s，為目前傳輸速率最高的介質。

抗電磁干擾：因為光纖是用光波傳輸信號，幾乎不受電磁干擾的影響。

傳輸安全性高：光纖在傳輸時不會有光波信號散射出來，因此不用擔心被人從散射的能量中盜取信息。再者，光纖一但被截斷，要用融接的方式才能接起來，因此若有人想要截斷纜線竊取信息，不但費時費力，而且較易被發(fā)現(xiàn)。不過優(yōu)點也會是缺點，因為光纖的接頭都得融接，所以架設不易，要分接線路也很麻煩，而且光纖的價格較高，實在不適合一般小型局域網(wǎng)使用。2.2模擬與數(shù)字

2.2.1模擬數(shù)據(jù)與數(shù)字數(shù)據(jù)顧名思義，“數(shù)字數(shù)據(jù)”泛指—切可數(shù)的信息，“模擬數(shù)據(jù)”則是那些只能通過比較技巧進行區(qū)分的不可數(shù)信息。數(shù)字信息由可數(shù)的信息元素所組成?？蓴?shù)的信息有個最小的分階單位，元素與元素之間，不存在任何中間狀態(tài)，也就是說元素與元素之間不存在其他中間元素。依次將不可數(shù)元素排列起來會呈現(xiàn)出“鋸齒狀的不連續(xù)性分布”。模擬信息由不可數(shù)的信息元素所組成。不可數(shù)的信息元素不分階，元素與下—個元素之間可以存在無限多種中間狀態(tài)，換句話說也就是元素與元素之間還存在無數(shù)個中間元素。依次將不可數(shù)元素排列起來會呈現(xiàn)出“流線型的連續(xù)性分布”舉例來說，傳統(tǒng)的水銀溫度計就是模擬裝置，現(xiàn)代的數(shù)字溫度計則是數(shù)字設備。在傳統(tǒng)的溫度計上，水銀的體積會隨溫度的變化而熱漲冷縮，通過玻璃管上的刻度便可讀出溫度值。水銀在管柱內升降時，不見得就會準確地落在刻度上，刻度與刻度之間，有著無限多種可能的高度，所以算是模擬設備。相比之下，現(xiàn)代的數(shù)字溫度計上的溫度有變化時，每個溫度值則會直接跳到下一個溫度值，兩個溫度值之間并不存在其他間隔狀態(tài)，所以它是數(shù)字設備。兩種溫度計上的信息的連續(xù)和離散分布形式如圖2.6所示未量化的模擬數(shù)據(jù)，經過量化的“采樣”(Sampling)過程后，還是可以轉換成數(shù)字數(shù)據(jù)。舉例來說，水銀溫度計上的水銀柱子停在37℃和38℃之間的某個地方時，醫(yī)生讀數(shù)時會根據(jù)比例關系取一個值，比如報出37.8℃。由于模擬數(shù)據(jù)經過采樣過程后就變成了數(shù)字信息，所以這種取樣過程也常被稱為“數(shù)字化”(digitize)過程。2.2.2模擬信號與數(shù)字信號

在傳統(tǒng)的電話系統(tǒng)中，發(fā)話端利用聲音的“模擬震動”直接改變傳輸電流大小，在銅質纜線上產生出“模擬電流變動”，接收端則根據(jù)“模擬電流變動”還原出“模擬震動”的聲音。在整套傳輸過程中沒有對信號的電流變化狀態(tài)進行量化分階操作，所以是模擬信息通過模擬信號傳遞的典型例子。在現(xiàn)代的局域網(wǎng)中，采用的是數(shù)字信號傳輸技術，以二階的基帶傳輸為例，在傳送由0與1所組成的數(shù)字信息時，發(fā)送端可能會按照數(shù)據(jù)位的內容(0或1)分別輸出高低兩種電位狀態(tài)。接收端則根據(jù)電位的高低狀態(tài)還原出數(shù)據(jù)內容。在傳輸過程中發(fā)送端送出的信號狀態(tài)只有兩種，接收端也只根據(jù)這兩種信號狀態(tài)還原數(shù)據(jù)。信號的制作與解讀時都對信號狀態(tài)進行分階操作，所以是數(shù)字信息通過數(shù)字信號傳遞的典型例子。由于數(shù)字信號的信號狀態(tài)有分階，所以抗干擾與失真的能力較佳。以+1V與-1V所組成的二階基帶信號為例，發(fā)送端與接收端只承認這兩種電位狀態(tài)。發(fā)送端若送出—個+1V信號，傳輸途中就算有—個0.1V的噪聲混入，接收端依舊會將這個+0.9V的信號視為+1V信號，無形之中也就將噪聲所造成的影響過濾掉了。2.3基帶傳輸與寬帶傳輸

數(shù)據(jù)要通過傳輸介質從發(fā)送端傳遞到接收端，必須先按照傳輸介質的特性，將數(shù)據(jù)轉換成傳輸介質上所承載的信號。接收端自傳輸介質取得信號后，再將其還原成數(shù)據(jù)。信號的傳輸方式分為兩大類：“基帶(BASEband)傳輸”與“寬帶(Broadband)傳輸”。其中基帶傳輸是“直接控制信號狀態(tài)”的傳輸方式,也就是數(shù)字信號傳輸；寬帶傳輸則是“控制載波(Carrier)信號狀態(tài)”的傳輸技術，也就是模擬信號傳輸。2.3.1基帶傳輸

基帶(BASEband)傳輸是“直接控制信號狀態(tài)”的傳輸方式，以銅質纜線上的電流信號為例，便是直接改變電位狀態(tài)來傳輸數(shù)據(jù)，如圖2.7所示?；鶐鬏斢袝r也稱為數(shù)字信號傳輸。2.3.2寬帶傳輸

要明白寬帶傳輸技術，就—定得認識“載波(CarrierWave)”這個主角。所謂的載波是指“可以用來載送數(shù)據(jù)的信號”。因為數(shù)據(jù)并不是直接轉換為信號送出去，而是要通過改變載波信號的特性來承載數(shù)據(jù)，信號到達目的地之后，才由接收端將數(shù)據(jù)從載波信號中分離出來。在實際操作中，通常是以正弦波信號作為載波，并根據(jù)數(shù)據(jù)內容是0或1來改變載波的特性(通常是改變頻率、振幅或相位中的一種)，接收端收到這個被修改過的載波后，將它與正常的載波(正弦波)比較，便可得知哪些特性有變動，再從這些變動部分推算出原本的數(shù)據(jù)，這種傳輸方式便是寬帶傳輸?shù)闹匾匦?，如圖2.8所示。寬帶傳輸有時也稱為模擬信號傳輸。傳輸過程大致有下面4個步驟：1.發(fā)送端的載波產生器輸出正弦波信號給調制器。2.調制器根據(jù)數(shù)據(jù)內容改變正弦波信號的物理特性，送出信號。3.解調器收到信號后，拿它跟接收端載波產生器所輸入正弦波信號相比較，過濾出物理特性上的變動。4.解調器根據(jù)信號物理特性上的變動，還原出數(shù)據(jù)內容。上述將數(shù)據(jù)放上載波的操作稱為“調制(Modulation)”，執(zhí)行調制操作的裝置或程序稱為“調制器(Modulator)”；而將數(shù)據(jù)與載波分離的操作稱為“解調(Demodulation)”執(zhí)行解調操作的設備或程序稱為“解調器(Demodulator)”。2.4基帶編碼技術

2.4.1二階基帶信號的編碼方式在基帶傳輸?shù)难葸M過程中，最早出現(xiàn)的是采用二階信號的基帶傳輸。所謂的二階信號，是指信號上僅能區(qū)分出兩種邏輯狀態(tài)。以電流脈沖來說，便是兩端電位的“高”與“低”。圖2.9 至圖2.13分別給出了五種基帶信號的編碼方式和它們的實際使用場合。

NonReturn-To-Zero(NRZ，不歸零)1＝高電位0＝低電位

這是最原始的基帶傳輸方式，100VG—AnyLAN網(wǎng)絡便采用這種傳輸方式。

Return-To-Zero(RZ，歸零)1＝在位的前半段保持高電位，后半段恢復到低電位狀態(tài)0＝低電位10MbpsARCNET網(wǎng)絡采用這種編碼方式。

NonReturn-To-Zero-Inverted(NRZI，不歸零反轉)1＝變換電位狀態(tài)0＝不變換電位狀態(tài)10BASE-F網(wǎng)絡采用這種編碼方式。

Manchester(曼徹斯特)1＝由低電位變換到高電位0＝由高電位變換到低電位10BASE-T網(wǎng)絡采用這種編碼方式。

DifferentialManchester(微分式曼徹斯特)1＝顛倒上一位的電位狀態(tài)變化方式0＝沿用上一位的電位狀態(tài)變化方式TokenRing網(wǎng)絡采用這種編碼方式。2.4.2多階基帶信號的編碼方式

就三階的電流脈沖而言，信號通常區(qū)分成三種電位狀態(tài)，分別為：

“正電位”、“零電位”、

“負電位”。三階的基帶傳輸方式有：

BipolarAlternateMarkInversion(Bipolar-AMI，雙極交替記號反轉)：早期T-Carrier網(wǎng)絡采用這種傳輸方式。

Bipolar-8-ZeroSubstitution(B8ZS，雙極信號八零替換)：新式T-Carrier網(wǎng)絡采用這種傳輸方式。

HighDensityBipolar3(HDB3，高密度雙極信號3)：E-Carrier網(wǎng)絡采用這種傳輸方式。

MultilevelTransmission3(MLT-3，多階傳輸3)：100BASE-TX網(wǎng)絡采用這種傳輸方式。后來可以區(qū)分出五種邏輯狀態(tài)的“脈沖振幅調制5”(PAM5)基帶傳輸也問世了，100BASE-T2與1000BASE-T都采用這種五階基帶傳輸方式。在眾多三階基帶傳輸技術中，讓我們深入探討100BASE-TX網(wǎng)絡所采用的MLT-3傳輸方式。這是CrescendoCommunications公司(在1993年被Cisco公司購并)所發(fā)明的基帶傳輸技術，相傳MarioMazzola、LucaCafiero與TazioDeNicolo三人共同開發(fā)出此技術的，也因此將其命名為“MLT-3”。MLT-3的運作方式很簡單：0=不變化電位狀態(tài)1=按照正弦波電位順序(0、+、0、-)變換電位狀態(tài)，如圖2.14所示。所以數(shù)據(jù)行“111000000001”將轉變成下列四種信號狀態(tài)之一，如圖2.15所示。2.5寬帶調制技術

前面我們曾經說過，通過控制載波信號狀態(tài)來傳遞數(shù)據(jù)的技術，便是寬帶傳輸技術。發(fā)送端根據(jù)數(shù)據(jù)內容命令調制器(modulator)改變載波的物理特性，接收端則通過解調器(demodulator)從載波上讀出這些物理特性的變化，將其還原成數(shù)據(jù)。

“調制”常通過改變載波的“振幅、頻率、相位”三種物理特性來完成?？刂戚d波振幅的技術稱為“振幅調制”技術；控制載波頻率的技術則為“頻率調制”技術；控制載波相位的技術便是“相位調制”技術。

振幅調制技術控制載波振幅的調制技術為“振幅調制”(AmplitudeModulation，AM)技術，數(shù)字振幅調制技術稱為“幅移鍵控”(AmplitudeShiftKeying，ASK)調制技術，它以振幅較弱的信號狀態(tài)代表0，以振幅較強的信號狀態(tài)代表1，如圖2.16所示。

頻率調制技術

控制載波頻率的調制技術為“頻率調制”(FrequencyModulation，F(xiàn)M)技術，數(shù)字頻率調制技術稱為“頻移鍵控”(FrequencyShiftKeying，F(xiàn)SK)調制技術，它以頻率較低的信號狀態(tài)代表0，以頻率較高的信號狀態(tài)代表1。如圖2.17所示。

相位調制技術控制載波相位的調制技術為“相位調制”(PhaseModulation，PM)技術，數(shù)字相位調制技術則稱為“相移鍵控”(PhaseShiftKeying，PSK)調制技術，它以信號相位狀態(tài)的改變代表1，以信號相位狀態(tài)不變代表0，如圖2.18所示。

正交幅度調制技術除了上述三種調制方式外，人們也著手研發(fā)新的載波調制技術，“正交幅度調制”(QuadratureAmplitudeModulation，QAM)技術就在工程師們的努力之下問世了。QAM是—種結合ASK與PSK的綜合型調制技術，

同時控制載波的“振幅強度”與“相位偏移量”，讓同—個載波信號得以呈現(xiàn)出更多的邏輯狀態(tài)。2.6同步(Synchronization)技術

發(fā)送端將數(shù)據(jù)轉換成信號，通過傳輸介質傳遞出去，接收端取得信號后，再將其還原成原先的數(shù)據(jù)。在此過程中，發(fā)送端與接收端要相互配合，才能順利完成數(shù)據(jù)的傳遞任務。接收端要順利將信號轉換成原先的數(shù)據(jù)，必須知道兩件事：“從哪個時間點開始檢測信號的邏輯狀態(tài)”與“傳輸—位所占用的時間”。為了解決第—個問題，傳輸控制機制就會定義一種“閑置(Idle)狀態(tài)”。不傳送數(shù)據(jù)時，傳輸介質便處于閑置狀態(tài)下?！╅_始傳送數(shù)據(jù)，便進入“數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)”，并開始檢測信號的邏輯狀態(tài)。要解決第二個問題，只需讓發(fā)送端與數(shù)據(jù)端參考同—套時鐘(Clock)即可。但除非傳送端通過另—條傳輸線路將時序信號傳送給接收端，讓接收端得以隨時修正時序(這個過程，便是“同步化”)，否則只要雙方的時鐘有些微的誤差，長時間傳輸累積下來，便會使得取樣過程出錯，解譯出錯誤的數(shù)據(jù)。舉例來說，采用NRZ(不歸零)基帶傳輸，但發(fā)送端的時鐘比接收端快了1％，如此一來，發(fā)送端每送出100位，接收端便會以為收到了99位。除了平白短少一位數(shù)據(jù)外，由于取樣的時間點走偏了，也會使接收端將信號轉譯成錯誤的數(shù)據(jù)（見圖2.19）有些傳輸方式本身就有時序調整功能，從另一個角度來看，這些傳輸方式也算是在數(shù)據(jù)信號中混入了時序信號。例如“曼徹斯特”與“微分式曼徹斯特”傳輸方式固定在每位中變換信號邏輯狀態(tài)，接收端可以借此修正取樣時序。

至于其他本身不具時序調整功能的傳輸方式，就得另外想辦法進行時序同步化了。例如以太網(wǎng)幀頭部有7個字節(jié)的信息作為同步信號。2.7單工與雙工

單工（Simplex）在此傳輸模式下，信息的發(fā)送端與接收端，兩者的角色分得很清楚。發(fā)送端只能發(fā)送信息出去，不能接收信息；接收端只能接收信息，不能發(fā)送信息出去(見圖2.20)。

半雙工（HalfDuplex）

在此傳輸模式下，任一端都不能同時收發(fā)信息，發(fā)送時不能接收，接收時不能發(fā)送。舉例來說，市面上常見的無線對講機就是采用典型的半雙工傳輸(見圖2.21)，平常沒按任何按鈕時處于收話模式，可以接收信息；一旦按下“發(fā)話鈕”，便立即轉成發(fā)話模式，此時就不能接收信息，只能發(fā)送信息出去，直到放開“發(fā)話鈕”才又