计算机网络基础教程-第2章_网络数据通信

1、1第2章 网络数据通信问题问题原由原由数据通信技术完成数据的编码、传输和处理，为计数据通信技术完成数据的编码、传输和处理，为计算机网络的应用提供必要的技术支持和可靠的通信算机网络的应用提供必要的技术支持和可靠的通信环境。那么，它是如何实现这些功能的呢？这就是环境。那么，它是如何实现这些功能的呢？这就是本章所要讨论的问题。本章所要讨论的问题。本章重点讨论数据通信系统和常用通信信道类型、本章重点讨论数据通信系统和常用通信信道类型、数据调制与编码技术、数据传输技术、多路复用技数据调制与编码技术、数据传输技术、多路复用技术、数据交换技术和差错控制等技术。术、数据交换技术和差错控制等技术。教学教学重点重

2、点能力能力要求要求掌握掌握: : 数据通信的基本概念数据通信的基本概念, ,数据传输与编码技术数据传输与编码技术. .了解：了解：数据传输技术的发展趋势。数据传输技术的发展趋势。熟悉熟悉: : 多路复用技术、数据交换技术、差错控制技多路复用技术、数据交换技术、差错控制技 术等。术等。2 2.12.1 数据通信的基本概念数据通信的基本概念 2.6 网网络数据传输络数据传输差错控制差错控制 2.5 网络数据交换网络数据交换 2.4 网络多路复用网络多路复用 2.2 数据调制与编码数据调制与编码 2.3 网络数据传输网络数据传输3知识结构网网络络数数据据通通信信数据通信的数据通信的基本概念基本概念网

3、络数据网络数据交换交换数据传输带宽数据传输带宽数据传输介质数据传输介质数字传输的质量参数数字传输的质量参数网络多路网络多路复用复用网络数据网络数据传输传输帧中继交换帧中继交换分组交换分组交换报文交换报文交换电路交换电路交换数据通信系统数据通信系统信息、数据与信号信息、数据与信号串行传输与并行传输串行传输与并行传输数字数据的模拟调制数字数据的模拟调制模拟数据的模拟调制模拟数据的模拟调制数字数据的数字编码数字数据的数字编码数据调制数据调制与编码与编码频分多路复用频分多路复用时分多路复用时分多路复用单向传输与双向传输单向传输与双向传输同步传输与异步传输同步传输与异步传输模拟数据的数字编码模拟数据的数

4、字编码密集波分多路复用密集波分多路复用码分多路得用码分多路得用网络数据传网络数据传输差错控制输差错控制差错控制方法差错控制方法差错检测方法差错检测方法差错的产生于类型差错的产生于类型ATM交换交换42.1数据通信的基本概念 信息泛指那些通过各种方式传播的信息泛指那些通过各种方式传播的、可被感受的声音可被感受的声音、文文字字、图像图像、符号等所表征的某一特定事物的消息符号等所表征的某一特定事物的消息、情报或知识情报或知识。 数据是对客观事物的符号表示，在计算机科学中是指所有数据是对客观事物的符号表示，在计算机科学中是指所有输入到计算机中并被计算机程序处理的符号的总称。数据分为输入到计算机中并被计

5、算机程序处理的符号的总称。数据分为模拟数据和数字数据两种。模拟数据和数字数据两种。 模拟数据：模拟数据：在时间和幅值取值上都是连续变化的在时间和幅值取值上都是连续变化的, 例如例如声音、语音、视频和动画片等。模拟数据通常用传感器收集。声音、语音、视频和动画片等。模拟数据通常用传感器收集。 数字数据：数字数据：在时间上是离散的在时间上是离散的,在幅值上是经过量话的在幅值上是经过量话的,它一般是由它一般是由0、1构成的二进制代码组成的数字序列。构成的二进制代码组成的数字序列。5 信号是数据的具体物理表现形式，它具有确定的物理描述信号是数据的具体物理表现形式，它具有确定的物理描述,如电信号、光信号或

6、磁场强度等。信号分为数字信号和模拟信如电信号、光信号或磁场强度等。信号分为数字信号和模拟信号两种。号两种。图图 2-2 2-2 模拟信号与数字信号波形模拟信号与数字信号波形ty（a）连续的模拟信号ty（b）离散的数字信号 模拟信号：模拟信号：是一种连续是一种连续变化的电脉冲序列，例如电话变化的电脉冲序列，例如电话语音信号、电视信号等，它是语音信号、电视信号等，它是随时间变化的函数曲线，如图随时间变化的函数曲线，如图2-22-2（a a）所示。所示。2.1.1 数字信号：数字信号：是离散的不是离散的不连续的电信号连续的电信号, 通常用通常用“高高”和和“低低”电平脉冲序列组成的编电平脉冲序列组成

7、的编码来表示数据码来表示数据, 如图如图2-2(b)2-2(b)所所示示。62.1.2数据通信系统 任何一个通信系统都可以看作是由发送设备、传输信道和任何一个通信系统都可以看作是由发送设备、传输信道和接收设备三大部分组成。我们把产生和发送信息的一端称为信接收设备三大部分组成。我们把产生和发送信息的一端称为信源，把接收信息的一端称为信宿，把信源传送到信宿的通信线源，把接收信息的一端称为信宿，把信源传送到信宿的通信线路称为信道。路称为信道。 在实际通信系统中，难免受到外界电磁波等噪音源的干扰在实际通信系统中，难免受到外界电磁波等噪音源的干扰影响。因此，数据通信系统的基本结构如图影响。因此，数据通信

8、系统的基本结构如图2-32-3所示。所示。图图 2-3 2-3 通信系统的基本结构通信系统的基本结构数据数据+ +噪音噪音噪音源噪音源信信 源源信信 道道信信 宿宿72.1.2数据通信系统 在数据通信系统中，将传输模拟信号的系统称为模拟通信在数据通信系统中，将传输模拟信号的系统称为模拟通信系统，将传输数字信号的系统称为数字通信系统。系统，将传输数字信号的系统称为数字通信系统。 (1) (1) 模拟通信系统：模拟通信系统：普通的电话、广播、电视等信号都属普通的电话、广播、电视等信号都属于模拟信号于模拟信号, ,由模拟信号所构成的通信系统属于模拟通信系统由模拟信号所构成的通信系统属于模拟通信系统。

9、模拟通信系统通常由信源、调制器、信道、解调器、信宿以及模拟通信系统通常由信源、调制器、信道、解调器、信宿以及噪音源组成，其基本结构模型如图噪音源组成，其基本结构模型如图2-42-4所示。所示。图图 2-4 2-4 模拟通信系统结构模拟通信系统结构信信 源源调制器调制器解调器解调器信信 宿宿信信 道道噪音源噪音源82.1.2数据通信系统 (2) (2) 数字通信系统：数字通信系统：计算机通信、数字电话以及数字电视计算机通信、数字电话以及数字电视等信号都属于数字信号，由数字信号构成的通信系统属于数字等信号都属于数字信号，由数字信号构成的通信系统属于数字通信系统通信系统。数字通信系统通常由信源数字通

10、信系统通常由信源、编码器编码器、信道信道、解码器、解码器、信宿以及噪音源组成，其基本结构模型如图信宿以及噪音源组成，其基本结构模型如图2-52-5所示。所示。图图 2-5 2-5 数字数字通信系统结构通信系统结构信信 源源编码器编码器解码器解码器信信 宿宿信信 道道噪音源噪音源 由于数字信号不适合远距离传输，所以在传输前将其变为由于数字信号不适合远距离传输，所以在传输前将其变为模拟信号。因此，数字通信系统通常由信源、信源编码器、调模拟信号。因此，数字通信系统通常由信源、信源编码器、调制器、信道、解调器、信道译码器、信源译码器、信宿、噪音制器、信道、解调器、信道译码器、信源译码器、信宿、噪音源组

11、成，其结构模型如图源组成，其结构模型如图2-62-6所示。所示。92.1.2数据通信系统 在数字通信系统中，调制器用于将发送端数字信号变换成在数字通信系统中，调制器用于将发送端数字信号变换成模拟信号；解调器用于将模拟信号还原成数字信号。我们将具模拟信号；解调器用于将模拟信号还原成数字信号。我们将具备调制与解调功能的设备称为调制解调器，它在数据通信系统备调制与解调功能的设备称为调制解调器，它在数据通信系统中的连接如图中的连接如图2-72-7所示。所示。信信宿宿噪音源噪音源信信道道编编码码器器信信源源译译码码器器信信源源编编码码器器信信源源解解调调器器调调制制器器信信道道信信道道译译码码器器图图

12、2-6 数字通信系统结构模型数字通信系统结构模型102.1.2数据通信系统 以上介绍了数据通信技术的基本概念。事实上，无论是实以上介绍了数据通信技术的基本概念。事实上，无论是实现模拟通信现模拟通信, ,还是实现数字通信还是实现数字通信, ,都涉及到一系列的技术问题，都涉及到一系列的技术问题，包括数据调制与编码技术、数据传输技术、多路复用技术、数包括数据调制与编码技术、数据传输技术、多路复用技术、数据交换技术、数据传输的差错检测与控制技术等。据交换技术、数据传输的差错检测与控制技术等。图图 2-7 2-7 调制解调器的功能作用调制解调器的功能作用电话线电话线电话交换网电话交换网计算机计算机Mod

13、em电话机电话机ModemModem电话机电话机计算机计算机电话线电话线112.2数据调制与编码 在计算机中的数据是用二进制在计算机中的数据是用二进制0 0、1 1比特序列表示的，在物比特序列表示的，在物理上是用低电平和高电平来呈现的。由于在线路上传输的数据理上是用低电平和高电平来呈现的。由于在线路上传输的数据有模拟数据和数字数据，因而数据传输的通信信道有模拟信道有模拟数据和数字数据，因而数据传输的通信信道有模拟信道与数字信道之分。为了便于不同数据在不同的信道中传输（适与数字信道之分。为了便于不同数据在不同的信道中传输（适应不同的传输特性应不同的传输特性),),在数据送入信道之前必须对其进行调

14、制和在数据送入信道之前必须对其进行调制和编码。在通信系统中编码。在通信系统中, ,数据的调制和编码可分为数据的调制和编码可分为4 4种基本形式：种基本形式：数字数据的模拟调制数字数据的模拟调制12模拟数据的模拟调制模拟数据的模拟调制3数字数据的数字编码数字数据的数字编码模拟数据的数字编码模拟数据的数字编码4122.2.1数字数据的模拟调制 数字数据的调制基于调幅、调频、调相数字数据的调制基于调幅、调频、调相3 3种调制技术，分种调制技术，分别称为振幅键控、移频键控和移相键控。图别称为振幅键控、移频键控和移相键控。图2-102-10显示了对数显示了对数字数据字数据“010010”“010010”

15、进行不同调制方法的波形。进行不同调制方法的波形。图图 2-10 2-10 数字数据的调制原理示意图数字数据的调制原理示意图132.2.1数字数据的模拟调制 振幅键控是通过改变载波信号振幅来表示数字信号振幅键控是通过改变载波信号振幅来表示数字信号1 1、0 0。例如，我们可以用载波幅度例如，我们可以用载波幅度UmUm表示数字表示数字1 1，用载波幅度，用载波幅度0 0表示数表示数字字0 0。ASKASK信号波形如图信号波形如图2-102-10（a a）所示。所示。其数学表达式为：其数学表达式为： 移频键控方法是通过改变载波信号角频率来表示数字信移频键控方法是通过改变载波信号角频率来表示数字信号号

16、1 1、0 0。例如，我们可以用角频率。例如，我们可以用角频率1 1t t表示数字表示数字l l，用角频率用角频率2 2t t表示数字表示数字0 0。FSKFSK信号波形如图信号波形如图2-102-10（b b）所示。所示。u(t)u(t)UmUmsinsin（1 1t t） 数字数字 1 10 0 数字数字 0 0u( (t) )振幅键控振幅键控ASKASK信号实现容易信号实现容易, ,技术简单技术简单, ,但抗干扰能力较差但抗干扰能力较差。142.2.1数字数据的模拟调制其数学表达式为：其数学表达式为： 由于移频键控由于移频键控FSKFSK信号实现容易，技术简单，抗干扰能力信号实现容易，技

17、术简单，抗干扰能力较强，是目前最常用的调制方法之一。较强，是目前最常用的调制方法之一。 移相键控方法是通过改变载波信号的相位值来表示数字移相键控方法是通过改变载波信号的相位值来表示数字信号信号1 1、0 0。如果用相位的绝对值表示数字信号。如果用相位的绝对值表示数字信号1 1、0 0，则称为，则称为绝对调相。如果用相位的相对偏移值表示数字信号绝对调相。如果用相位的相对偏移值表示数字信号1 1、0 0，则，则称为相对调相。称为相对调相。UmUmsinsin（2 2t） 数字数字 0 0UmUmsinsin（1 1t t） 数字数字 1 1u(t)u(t)152.2.1数字数据的模拟调制UmUms

18、insin（tt0 0） 数字数字 1 1 接收端可以通过检测载波相位的方法来确定它所表示的数接收端可以通过检测载波相位的方法来确定它所表示的数字信号值。绝对调相波形如图字信号值。绝对调相波形如图2-102-10（c c）所示。所示。 绝对调相（绝对调相（Absolute PSKAbsolute PSK）：）：在载波信号在载波信号u(t)u(t)中中, ,为载波信号的相位。当表示数字为载波信号的相位。当表示数字1 1时时, ,取取0 0；当表示数字当表示数字0 0时时, ,取取。这种最简单的绝对调相方法可以用下式表示：这种最简单的绝对调相方法可以用下式表示：UmUmsinsin（tt） 数字数

19、字 0 0u(t)u(t) 相对调相（相对调相（Differential PSKDifferential PSK）：）：是用载波在两位数是用载波在两位数字信号的交接处产生的相位偏移来表示载波数字信号。最简字信号的交接处产生的相位偏移来表示载波数字信号。最简单的相对调相方法是：两比特信号交接处遇单的相对调相方法是：两比特信号交接处遇0 0，载波信号相位，载波信号相位不变；两比特信号交接处遇不变；两比特信号交接处遇1 1，载波信号相位偏移，载波信号相位偏移。相对调相对调相波形如图相波形如图2-102-10（d d）所示。所示。162.2.1数字数据的模拟调制 在模拟数据通信中，为了提高数据传输速率

20、，人们常在模拟数据通信中，为了提高数据传输速率，人们常采用多相调制方法，将待发送的数字信号按两个比特一组采用多相调制方法，将待发送的数字信号按两个比特一组的方式组织，两位二进制比特可以有的方式组织，两位二进制比特可以有4 4种组合，即种组合，即 0000、0101、1010、1111 每组是一个双比特码元，我们可以用每组是一个双比特码元，我们可以用4 4个不同的相位值个不同的相位值去表示这去表示这4 4组双比特码元。那么，在调相信号传输过程中，组双比特码元。那么，在调相信号传输过程中，相位每改变一次，传送两个二进制比特。我们把这种调相相位每改变一次，传送两个二进制比特。我们把这种调相方法称为方

21、法称为4 4相调制。相调制。 同理，如果将发送的数据每同理，如果将发送的数据每3 3个比特组成一个个比特组成一个3 3比特码比特码元组，元组，3 3位二进制数共有八种组合，那么对应可以用八种不位二进制数共有八种组合，那么对应可以用八种不同的相位值去表示，我们把这种调相方法称为八相调制。同的相位值去表示，我们把这种调相方法称为八相调制。172.2.1数字数据的模拟调制 振幅键控是通过改变载波信号振幅来表示数字信号振幅键控是通过改变载波信号振幅来表示数字信号1 1、0 0。例如，我们可以用载波幅度例如，我们可以用载波幅度UmUm表示数字表示数字1 1，用载波幅度，用载波幅度0 0表示数表示数字字0

22、 0。ASKASK信号波形如图信号波形如图2-102-10（a a）所示。所示。 其数学表达式为：其数学表达式为： UmUmsinsin（1 1t t） 数字数字 1 1 移频键控方法是通过改变载波信号角频率来表示数字信号移频键控方法是通过改变载波信号角频率来表示数字信号1 1、0 0。例如，我们可以用角频率。例如，我们可以用角频率1 1t t表示数字表示数字l l，用角频率用角频率2 2t t表示数字表示数字0 0。FSKFSK信号波形如图信号波形如图2-102-10（b b）所示。所示。0 0 数字数字 0 0u(t)u(t)振幅键控振幅键控ASKASK信号实现容易信号实现容易, ,技术简

23、单技术简单, ,但抗干扰能力较差但抗干扰能力较差。 182.2.2模拟数据的模拟调制 对模拟数据进行模拟调制的目的：其一是将低频信对模拟数据进行模拟调制的目的：其一是将低频信号搬号搬迁迁到较高的频带进行传输；其二是将模拟信号放大；其三是通过到较高的频带进行传输；其二是将模拟信号放大；其三是通过调制可以使用频分多路复用技术。模拟数据调制可通过调调制可以使用频分多路复用技术。模拟数据调制可通过调幅、幅、调频和调相调频和调相3 3种种方法方法来来实现，如图实现，如图2-112-11所所示。示。基带传输信号基带传输信号高频载波信号高频载波信号( (a)a)振幅调制振幅调制( (b)b)频率调制频率调制

24、( (c)c)相位调制相位调制图图 2-11 2-11 模拟信号的模拟凋制模拟信号的模拟凋制192.2.2模拟数据的模拟调制 振幅调制是以原来的模拟数据为调制信号对振幅调制是以原来的模拟数据为调制信号对载波的幅载波的幅值值按调制信号的幅值进行调制，调制后载波信号的频率和相位按调制信号的幅值进行调制，调制后载波信号的频率和相位不变不变, ,幅值随调制信号的幅值变化而变化幅值随调制信号的幅值变化而变化, ,如图如图2-11(2-11(a)a)所所示。示。 频率调制是以原来的模拟数据为调制信号频率调制是以原来的模拟数据为调制信号, ,对载波的频率对载波的频率按调制信号的频率进行调制按调制信号的频率进

25、行调制, ,调制后载波信号的相位和幅值不调制后载波信号的相位和幅值不变变，频率随调制信号的幅值变化而变化，如图频率随调制信号的幅值变化而变化，如图2-11(2-11(b)b)所所示。示。 相位调制是以原来的模拟数据为调制信号相位调制是以原来的模拟数据为调制信号, ,对载波的相位对载波的相位按调制信号的相位进行调制，调制后载波信号的频率和幅值按调制信号的相位进行调制，调制后载波信号的频率和幅值不变不变, ,相位随调制信号的幅值变化而变化相位随调制信号的幅值变化而变化, ,如图如图2-11(2-11(c)c)所示。所示。202.2.3数字数据的数字编码 数字数据的数字编码就是如何把数字数据用物理信

26、号的数字数据的数字编码就是如何把数字数据用物理信号的波形表示，是用高低电平的不同组合来表示二进制的方法。波形表示，是用高低电平的不同组合来表示二进制的方法。 常用的编码方式主要有常用的编码方式主要有3 3种种：不归零编码不归零编码、曼彻斯特编码曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码。和差分曼彻斯特编码。 不归零码是一种全宽码，即信号波形在一个码元全部时不归零码是一种全宽码，即信号波形在一个码元全部时间内发出或不发出电流，每一位码占全部码元的宽度。间内发出或不发出电流，每一位码占全部码元的宽度。不归不归零码可分为单极性和双极性两种：零码可分为单极性和双极性两种： 单极性单极性不归零码不归零码( (Sin

27、gle Polarity NRZ)Single Polarity NRZ)：是以无电是以无电压（无电流）表示压（无电流）表示“0”“0”，而用恒定的正电压表示，而用恒定的正电压表示“1”“1”。 双极性不归零码双极性不归零码( (Double Polarity NRZ)Double Polarity NRZ)：是以负电是以负电压表示压表示“0”“0”，而用恒定的正电压表示，而用恒定的正电压表示“1”“1”。 以上反之亦然，即负电压表示以上反之亦然，即负电压表示“1”“1”，正电压表示，正电压表示“0”“0”。 212.2.3数字数据的数字编码 曼彻斯特编码是目前应用最广泛的编码方法之一。其编码

28、曼彻斯特编码是目前应用最广泛的编码方法之一。其编码规则是：每个比特的周期规则是：每个比特的周期T T分为前分为前T/2T/2与后与后T/2T/2两部分；通过前两部分；通过前T/2T/2传送该比特的反码，通过后传送该比特的反码，通过后T/2T/2传送该比特的原码。传送该比特的原码。 是对曼彻斯特编码的改进是对曼彻斯特编码的改进, ,它将时钟和数据包含在信号中它将时钟和数据包含在信号中, ,在传输代码信息的同时将时钟同步信号一起传输到对方，所以在传输代码信息的同时将时钟同步信号一起传输到对方，所以都属于自同步编码，其数据传输速率只有调制速率的都属于自同步编码，其数据传输速率只有调制速率的1/21/

29、2。 0 1 1 0 1 0 0 1tO曼彻斯特编码曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码 0 1 1 0 1 0 0 1tO22模拟信号模拟信号 PAMPAM信号信号 PAMPAM信号信号 数字信号数字信号2.2.4模拟数据的数字编码 模拟数据的数字编码是把模拟数据转换为数字信号的编码模拟数据的数字编码是把模拟数据转换为数字信号的编码方法方法。由于。由于数字信号传输失真小数字信号传输失真小、误码率低误码率低、传输速率高传输速率高、便于便于计算机存储，所以将模拟数据数字化已成为必然趋势。计算机存储，所以将模拟数据数字化已成为必然趋势。 模拟数据数字编码的最常用方法是脉冲编码调制（模拟数据

30、数字编码的最常用方法是脉冲编码调制（Pulse Pulse Code ModulationCode Modulation，PCM),PCMPCM),PCM的工作过程包括的工作过程包括3 3个步骤：采样、个步骤：采样、量化与编码，其相应的波形信号如图量化与编码，其相应的波形信号如图2-132-13所示。所示。 图图 2-13 PCM2-13 PCM脉冲编码调制过程示意图脉冲编码调制过程示意图采样速采样速率率8000t/8000t/s s指定数指定数值给对值给对应的应的PAMPAM信号信号将量化将量化值进行值进行编码编码232.2.4模拟数据的数字编码 采样是模拟信号数字化的第一步。模拟信号是电平

31、连续采样是模拟信号数字化的第一步。模拟信号是电平连续变化的信号变化的信号, ,采样是隔一定的时间间隔采样是隔一定的时间间隔, ,将模拟信号的电平幅将模拟信号的电平幅度值取出来作为样本度值取出来作为样本, ,让其表示原来的信号让其表示原来的信号。采样频率采样频率f f应为应为：f f2B2B 或或 f fl lT2T2f f 式中：式中：B B为通信信道带宽；为通信信道带宽；T T为采样周期；为采样周期；f f为信道允许通为信道允许通过的信号最高频率。过的信号最高频率。 量化是将采样样本幅度按量化级决定取值的过程，经量量化是将采样样本幅度按量化级决定取值的过程，经量化后的样本幅度为离散的量化级值

32、已不是连续值。量化的目化后的样本幅度为离散的量化级值已不是连续值。量化的目的是为每一个的是为每一个PAMPAM信号设定一个信号值。信号设定一个信号值。242.2.4模拟数据的数字编码 量化之前要将信号分为若干量化级量化之前要将信号分为若干量化级, ,同时同时, ,要规定好每一要规定好每一级对应的幅度范围。若量化范围在级对应的幅度范围。若量化范围在0 0127,127,则每个采样用则每个采样用7 7位位二进制二进制(2(27 7128)128)来表示来表示, ,量化速率需要量化速率需要5600056000bps(8000bps(80007)7)；若量化的范围在若量化的范围在0 0255,255,

33、则每个采样用则每个采样用8 8位二进制（位二进制（2 28 8256256）来表示，量化速率需要来表示，量化速率需要6400064000bpsbps（800080008 8）。）。 编码是用相应位数的二进制代码表示量化后的采样样本编码是用相应位数的二进制代码表示量化后的采样样本的量级。为了能精确地还原成原来的模拟信号，量化值编码的量级。为了能精确地还原成原来的模拟信号，量化值编码在传送数字至数模转换器时，其速率必须和采样时一样。经在传送数字至数模转换器时，其速率必须和采样时一样。经过转换后，信号才会和原来模拟信号波形接近。过转换后，信号才会和原来模拟信号波形接近。 【例例2-22-2】声音的带

34、宽为】声音的带宽为40004000HzHz，采用频率为采用频率为80008000次次/ /s s，用用8 8位二进制编码，则信道的数据传输速率为：位二进制编码，则信道的数据传输速率为： 8 8800080006400064000bpsbps64kbps64kbps。 25 数据传输是网络通信的物质基础。数据传输技术涉及的内数据传输是网络通信的物质基础。数据传输技术涉及的内容很多，包括数据传输媒介、数据传输带宽、数据传输方式和容很多，包括数据传输媒介、数据传输带宽、数据传输方式和数据传输质量参数等。数据传输质量参数等。数据传输涉及的主要内容数据传输涉及的主要内容数据传输数据传输质量参数质量参数传

35、输方式传输方式传输带宽传输带宽传输媒介传输媒介2.3网络数据传输 262.3.1数据传输介质 数据传输介质是网络中连接收发双方的物理通路，是数据数据传输介质是网络中连接收发双方的物理通路，是数据通信中实际传送信息的载体。网络中常用的传输介质有：同轴通信中实际传送信息的载体。网络中常用的传输介质有：同轴电缆、双绞线、光纤、微波、卫星、红外线等。电缆、双绞线、光纤、微波、卫星、红外线等。 同轴电缆是局域网中最早使用而且应用十分广泛的传输介同轴电缆是局域网中最早使用而且应用十分广泛的传输介质，可以通过专用的中同轴电缆质，可以通过专用的中同轴电缆( (俗称粗缆俗称粗缆) )或小同轴电缆或小同轴电缆(

36、(俗称俗称细缆细缆) )来组网，并广泛应用于局域网中。同轴电缆由内导体、绝来组网，并广泛应用于局域网中。同轴电缆由内导体、绝缘层、屏蔽层及外部保护层组成，其结构如图缘层、屏蔽层及外部保护层组成，其结构如图2-142-14所示。所示。保护层、屏蔽层、绝缘层、导体保护层、屏蔽层、绝缘层、导体图图 2-14 2-14 同轴电缆结构示意图同轴电缆结构示意图 同轴电缆的最大优点是抗同轴电缆的最大优点是抗干扰性强干扰性强, ,而且支持多点连接。而且支持多点连接。 缺点是物理可靠性不好，缺点是物理可靠性不好，所以现在基本上已被双绞线所所以现在基本上已被双绞线所替代。替代。272.3.1数据传输介质 双绞线的

37、物理结构是由按规则螺旋结构排列的双绞线的物理结构是由按规则螺旋结构排列的2 2根、根、4 4根或根或8 8根绝缘导线组成。一对线可以作为一条通信线路，各个线对螺根绝缘导线组成。一对线可以作为一条通信线路，各个线对螺旋排列的目的是为了使各线对之间的电磁干扰最小。旋排列的目的是为了使各线对之间的电磁干扰最小。双绞线是模拟和数字数据通信最普通的传输媒体，它的主双绞线是模拟和数字数据通信最普通的传输媒体，它的主要应用范围是电话系统中的模拟话音传输，最适合于较短距离要应用范围是电话系统中的模拟话音传输，最适合于较短距离的信息传输，当超过几千米时信号因衰减可能会产生畸变，这的信息传输，当超过几千米时信号因

38、衰减可能会产生畸变，这时就要使用中继器（时就要使用中继器（RepeaterRepeater）来放大信号和再生波形。）来放大信号和再生波形。双绞线的价格在传输媒体中是最便宜的，并且安装简单，双绞线的价格在传输媒体中是最便宜的，并且安装简单，所以得到广泛的使用。在局域网中一般也采用双绞线作为传输所以得到广泛的使用。在局域网中一般也采用双绞线作为传输媒体。双绞线可分为媒体。双绞线可分为非屏蔽双绞线非屏蔽双绞线UTPUTP（Unshielded Twisted Unshielded Twisted PairPair）和）和屏蔽双绞线屏蔽双绞线STPSTP（Shielded Twisted PairSh

39、ielded Twisted Pair）。）。282.3.1数据传输介质单模光纤单模光纤多模光纤多模光纤 光纤是光导纤维（光纤是光导纤维（Fiber OpticsFiber Optics）的简称，采用光导纤维）的简称，采用光导纤维作为传输介质，是网络传输介质领域中发展最快、性能最好、作为传输介质，是网络传输介质领域中发展最快、性能最好、应用前途最广泛的一种。光纤分为应用前途最广泛的一种。光纤分为单模单模（ 8.3/125um8.3/125um ）和）和多多模模（ 50/125um50/125um，62.5/125um62.5/125um）两种。）两种。29名称名称传输介质传输介质最大段长度最大

40、段长度每段节点数每段节点数10Base5粗同轴电缆500米10010Base2细同轴电缆185米3010Base-TUTP100米102410Base-F光纤2000米1024100Base-T4UTP100米100Base-TXUTP100米100Base-FX光纤2000米1000Base-SX光纤550米1000Base-LX光纤5000米1000Base-CXSTP25米1000Base-TUTP100米2.3.1数据传输介质302.3.1数据传输介质 微波在空间主要是直线传播，并且能穿透电离层进入宇微波在空间主要是直线传播，并且能穿透电离层进入宇宙空间宙空间, ,其传播距离受到限制且

41、与天线的高度有关其传播距离受到限制且与天线的高度有关, ,一般只有一般只有5050kmkm左右左右, ,长途通信时必须建立多个中继站长途通信时必须建立多个中继站, ,中继站把前一站中继站把前一站发来的信号经过放大后再发往下一站发来的信号经过放大后再发往下一站, ,类似于类似于“接力接力”,”,所以所以又把微波通信称为数字微波接力通信。如果中继站采用又把微波通信称为数字微波接力通信。如果中继站采用100100m m高的天线塔，则接力距离可增大到高的天线塔，则接力距离可增大到100100kmkm，如图如图2-192-19所示。所示。地球地球视线传输视线传输微波中继站图图 2-19 2-19 地面微

42、波接力通信地面微波接力通信312.3.1数据传输介质 19451945年年, ,英国人阿塞英国人阿塞克拉克提出了利用卫星进行通信的设克拉克提出了利用卫星进行通信的设想。想。19571957年，苏联发射了第一颗人造地球卫星年，苏联发射了第一颗人造地球卫星SputnikSputnik，使人使人们看到了实现卫星通信的希望。们看到了实现卫星通信的希望。19621962年，美国成功地发射了第年，美国成功地发射了第一颗通信卫星一颗通信卫星TelsatTelsat，试验了横跨大西洋的电话和电视传输。试验了横跨大西洋的电话和电视传输。由于卫星通信具有通信距离远、费用与通信距离无关、覆盖面由于卫星通信具有通信距

43、离远、费用与通信距离无关、覆盖面积大、不受地理条件的限制、通信信道带宽宽、可进行多址通积大、不受地理条件的限制、通信信道带宽宽、可进行多址通信与移动通信等优点，因此它在最近的信与移动通信等优点，因此它在最近的3030多年里获得了迅速的多年里获得了迅速的发展，并成为现代主要的通信手段之一。发展，并成为现代主要的通信手段之一。 卫星通信是利用位于卫星通信是利用位于3 3万万6 6千公里高空的人造地球卫星作为千公里高空的人造地球卫星作为太空无人值守的微波中继站的一种特殊形式的微波接力通信。太空无人值守的微波中继站的一种特殊形式的微波接力通信。卫星通信能克服地面微波通信的距离限制卫星通信能克服地面微波

44、通信的距离限制, ,最大特点是通信距最大特点是通信距离远离远, ,且通信费用与距离无关且通信费用与距离无关。卫星通信的组成如图卫星通信的组成如图2-202-20所示所示。322.3.1数据传输介质 20 20世纪世纪8080年代末发展了称为年代末发展了称为“甚小口径终端甚小口径终端”(”(VSATVSAT) )的的新一代数字卫星通信系统，新一代数字卫星通信系统，9090年代广泛应用于远程计算机网年代广泛应用于远程计算机网络中，如各国的大使馆与国内之间的通信都是通过络中，如各国的大使馆与国内之间的通信都是通过VSATVSAT来通来通信的。信的。VSATVSAT网通常由一个卫星转发器、一个大型主站

45、和大量网通常由一个卫星转发器、一个大型主站和大量的的VSATVSAT小站组成，能单双向传输数据、语音、图像、视频等小站组成，能单双向传输数据、语音、图像、视频等多媒体综合业务。多媒体综合业务。VSATVSAT网的基本组成如图网的基本组成如图2-212-21所示。所示。 卫星卫星地球站卫星地球站3.6104km地球地球图图 2-20 2-20 卫星通信卫星通信332.3.1数据传输介质图图 2-21 2-21 VSATVSAT网的组成网的组成342.3.1数据传输介质 VSATVSAT的小站和主站通过卫星转发器构成星型拓扑结构的小站和主站通过卫星转发器构成星型拓扑结构, ,主主站采用大口径天线，

46、且发射功率大，小口径天线发射功率小，站采用大口径天线，且发射功率大，小口径天线发射功率小，小站与大站之间可以直接通信。小站与大站之间可以直接通信。 【例例2-32-3】卫星通信有较大的传播延时，如果从地球站到卫】卫星通信有较大的传播延时，如果从地球站到卫星的距离为星的距离为4000040000kmkm，那么从一个地球站经过卫星到另一个地那么从一个地球站经过卫星到另一个地球站的传播时延有多大？球站的传播时延有多大？ 解：在自由空间中解：在自由空间中, ,电磁拨的传输速度为电磁拨的传输速度为300000300000km/skm/s，从从一个地球站经过卫星到另一个地球站的距离为一个地球站经过卫星到另

47、一个地球站的距离为 4000040000kmkm2 280000km80000km所以传播延时为所以传播延时为 8000080000kmkm300000km/s300000km/s267ms267ms。352.3.1数据传输介质传输介质传输介质带宽带宽速率速率/ /工作工作频带频带性能性能传输距离传输距离 价格价格应用应用双绞线双绞线宽带宽带基带基带1Gb/s1Gb/s较好较好模拟：模拟：10km10km数字：数字：500m500m低低模拟模拟/ /数字数字信号传输信号传输5050铜轴电缆铜轴电缆7575铜轴电缆铜轴电缆基带基带10Mb/s10Mb/s较好较好3km3km低低基带数字信号基带数

48、字信号宽带宽带450MHz450MHz较好较好100km100km中中模拟、数据、模拟、数据、音频音频光光 纤纤宽带宽带49Gb/s49Gb/s很好很好2km2km以上以上高高高高微微 波波宽带宽带4 46GHz6GHz好好几百几百kmkm中等中等中等中等卫卫 星星宽带宽带1 110GHz10GHz很好很好18000km18000km高高高高 以上介绍了双绞线、同轴电缆、光纤、微波、卫星通信以上介绍了双绞线、同轴电缆、光纤、微波、卫星通信5 5种介质，其区别如下：种介质，其区别如下：362.3.2数据传输带宽基带传输基带传输频带传输频带传输宽带传输宽带传输 基带传输是指数字脉冲信号在传输介质基

49、带传输是指数字脉冲信号在传输介质 上保持数据波形按原样进行传输。上保持数据波形按原样进行传输。 频带传输指把数字信号调制成模拟信号频带传输指把数字信号调制成模拟信号 后再发送和传输，到达接收端再把音频后再发送和传输，到达接收端再把音频 信号解调成原来的数字信号。信号解调成原来的数字信号。 宽带传输指比音频更宽的频带，若是采宽带传输指比音频更宽的频带，若是采 用用7575的的CATVCATV同轴电缆或光纤作传输介同轴电缆或光纤作传输介 质，带宽为质，带宽为300300MHzMHz。 在计算机网络中，根据传输介质的信道带宽可分为基带、在计算机网络中，根据传输介质的信道带宽可分为基带、频带和宽带。局

50、域网中主要采用基带和频带传输频带和宽带。局域网中主要采用基带和频带传输, ,有线电视和有线电视和无线局域网中主要采用宽带传输。无线局域网中主要采用宽带传输。 372.3.2数据传输带宽 数据传输的质量参数是衡量数据传输的有效性和可靠性的数据传输的质量参数是衡量数据传输的有效性和可靠性的参数。有效性主要由数据传输速率、调制速率、信道带宽、通参数。有效性主要由数据传输速率、调制速率、信道带宽、通信容量、误码率、传输延迟等来衡量；可靠性一般用数据传输信容量、误码率、传输延迟等来衡量；可靠性一般用数据传输的误码率指标来衡量；比特率和波特率是用来描述系统传输率的误码率指标来衡量；比特率和波特率是用来描述

51、系统传输率的参量。的参量。 数据传输单位通常可用比特、码元、码字、码字来表示。数据传输单位通常可用比特、码元、码字、码字来表示。 比特比特：是二进制的缩写，即计算机常用术语是二进制的缩写，即计算机常用术语“位位”，在数据通信中用来度量消息的信息量。在数据通信中用来度量消息的信息量。 码元：码元：是对计算机网络传送的二进制数字中的每一位是对计算机网络传送的二进制数字中的每一位的通称。例如二进制数字的通称。例如二进制数字10000011000001是由是由7 7个码元组成的序列。个码元组成的序列。 码字：码字：在在7 7位位ASCIIASCII码中，码中，10000011000001这这7 7个码

52、元组成的序个码元组成的序列代表字母列代表字母A A，通常将这个字母通常将这个字母A A称为称为“码字码字”。 382.3.2数据传输带宽 数据传输速率是指每秒能传输的二进制信息位数，又称数据传输速率是指每秒能传输的二进制信息位数，又称为比特率，用为比特率，用bpsbps标记，表示每秒传输的二进制位数，单位标记，表示每秒传输的二进制位数，单位用比特用比特/ /每秒表示，它可由下式确定：每秒表示，它可由下式确定：)/(log/12sbNTS 式中：式中：T T为数字信号脉冲重复周期；为数字信号脉冲重复周期；N N为一个脉冲信号代为一个脉冲信号代表的有效状态数，是表的有效状态数，是2 2的整数倍。例

53、如二进制的一个脉冲可的整数倍。例如二进制的一个脉冲可以表示以表示“0”“0”和和“1”“1”两个状态，故两个状态，故N N2 2。LogLog2 2N N为单位脉冲能为单位脉冲能表示的比特数，如表示的比特数，如N N4 4时表示一个单位脉冲为时表示一个单位脉冲为2 2bitbit。 一个数字脉冲也称为一个码元，一个数字脉冲也称为一个码元，N N为一个码元所取的有为一个码元所取的有效离散值个数效离散值个数, ,若一个码元仅可取若一个码元仅可取0 0和和1 1两种离散值两种离散值, ,则则N N2 2；若一个码元可取若一个码元可取0000、0101、1010、1111四种离散值，则四种离散值，则N

54、 N4 4。 392.3.2数据传输带宽 【例例2-42-4】脉码调制系统】脉码调制系统PCMPCM每秒钟测量取样每秒钟测量取样800800次，量化次，量化电平为电平为256256个，求数据传输率。个，求数据传输率。 解：信号周期解：信号周期T Tl l80008000，量化电平数量化电平数N N2562562 28 8)/(log/12sbNTSsKbitsbitS/64/800008 当一个码元仅取两种离散值时，当一个码元仅取两种离散值时，S=1S=1T T，表示数据传输表示数据传输速率等于码元脉冲的重复频率。此时的速率等于码元脉冲的重复频率。此时的S S叫信号传输速率，叫信号传输速率，也

55、称码元率、调制速率或波特率，单位为波特也称码元率、调制速率或波特率，单位为波特( (Baud)Baud)。若信若信号码元的宽度为号码元的宽度为T T秒，则码元速率定义为：秒，则码元速率定义为： )(/1BaudTB 402.3.3数据传输的质量参数 调制速率也称为波形速率或码元速率，它是数字信号经调制速率也称为波形速率或码元速率，它是数字信号经过调制后的传输速率，表示数据传输过程中线路上每秒钟传过调制后的传输速率，表示数据传输过程中线路上每秒钟传送的波形个数。显然，波形持续时间越短，单位时间内传输送的波形个数。显然，波形持续时间越短，单位时间内传输的波形数就越多，则数据传输速率也越高。数据传输

56、速率与的波形数就越多，则数据传输速率也越高。数据传输速率与调制速率的区别与联系如图调制速率的区别与联系如图2-222-22所示。所示。 模拟信道模拟信道解调器解调器调制速率调制速率传输速率传输速率计算机计算机调制器调制器计算机计算机图图 2-22 2-22 数据传输速率与调制速率的区别数据传输速率与调制速率的区别412.3.3数据传输的质量参数 信道带宽是指信道中传输的信号在不失真的情况下所占信道带宽是指信道中传输的信号在不失真的情况下所占用的频率范围，通常称为信道的通频带，单位用赫兹（调制用的频率范围，通常称为信道的通频带，单位用赫兹（调制速率）表示。信道带宽由信道的物理特性所决定，例如电话

57、速率）表示。信道带宽由信道的物理特性所决定，例如电话线路的频率范围在线路的频率范围在30030034003400HzHz，那么，它的带宽范围也在那么，它的带宽范围也在30030034003400HzHz。信道宽度用信道宽度用W W表示。表示。 Capacity Capacity） 信道容量是指信道能传输信息的最大能力，一般用时间信道容量是指信道能传输信息的最大能力，一般用时间内最大可传送的字节数来表示。信道容量由信道带宽内最大可传送的字节数来表示。信道容量由信道带宽F F、可使可使用的时间用的时间T T以及信道质量决定。信道容量和信道带宽具有正比以及信道质量决定。信道容量和信道带宽具有正比关系

58、，带宽越宽，则容量越大，传输效率也就越高。关于信关系，带宽越宽，则容量越大，传输效率也就越高。关于信道容量的计算有两条著名的定理。道容量的计算有两条著名的定理。422.3.3数据传输的质量参数 奈奎斯特奈奎斯特( (NyquistNyquist) )定理：定理：19421942年年, ,H.H.NyquistNyquist证明，证明，任何一个信号如果通过带宽为任何一个信号如果通过带宽为W W（HzHz）的理想低通滤波器，若的理想低通滤波器，若每秒取样每秒取样2 2W W次，就可以完整地重现该滤波过后的信号。在理次，就可以完整地重现该滤波过后的信号。在理想条件下想条件下( (无噪音有限带宽无噪音

59、有限带宽W W的信道的信道) )，其最大的数据传输速率，其最大的数据传输速率C C（信道容量）为：信道容量）为：NWC2log2式中：式中：N N为离散性信号或电平的个数。为离散性信号或电平的个数。【例例2-62-6】一个无噪音的】一个无噪音的30003000HzHz信道传输二进制信号，试问信信道传输二进制信号，试问信道容量（可允许的数据传输速率）是多少？道容量（可允许的数据传输速率）是多少？ 解：由于传输的二进制信号是解：由于传输的二进制信号是“1”“1”、“0”“0”两个电平两个电平, ,即即N=2N=2，W=3000HzW=3000Hz，则信道容量：则信道容量： sbitNWC/6000

60、2log30002log22243 式中：式中：RmaxRmax为最大功率；为最大功率；W W为信道带宽；为信道带宽；L L为信道上传输的为信道上传输的信号可取的离散值的个数。信号可取的离散值的个数。 【例例2-82-8】一个数字信号通过两种物理状态，经信噪比为】一个数字信号通过两种物理状态，经信噪比为2020dBdB的的3 3kHzkHz带宽信道传送，其数据率不会超过多少？带宽信道传送，其数据率不会超过多少？2.3.3数据传输的质量参数 香农（香农（ShannonShannon）定理：定理：19481948年，年，Claude ShannonClaude Shannon在在NyquistNy