数据通信基础知识和技术讲解

1、数据通信基础知识和技术讲解第二章：数据通信基础知识信号与通信模拟通信与数字通信信号的频谱与带宽，信道的带宽及最大数据传输率等传输介质多路复用技术数据交换技术信号变换第三章：物理层接口（RS232C串口）2.1 基本概念信号是消息或数据的电磁编码。信号的时域特性表示为时间t的函数，信号的数学描述一般是以时间t为自变量，以某种物理量（如电压）为因变量。分为模拟信号与数字信号。通信通信的任务是将表示消息的信号从发送方传递到 接收方。分为模拟通信与数字通信。 x(nT)(b) 数字信号(a) 模拟信号 1 0 0 1 1 0 0 1 1 1 f(t) tnT1 0 0 1 1 0 0 1 1 12.1

2、.2 模拟通信信源调制器信道解调器信宿噪声 模拟通信：利用模拟信号来传递消息。实质上是一种信号变换器，由于信源产生的是模拟信号，所以调制器的功能是将其调制到某个频段以便进行远距离传输或多路复用。包括传输介质和介质两端的传输设备2.1.3 数字通信 信源编码器 噪声 发送端时钟 信 源 信道编码器 信 宿 调 制 信 道 解 调 信道译码器 信源译码器 接收端时钟 数字通信：利用数字信号来传递消息。是对传输的数字信号进行检错或纠错编码,以便接收方能进行差错检测和纠正。信源编码器的主要作用：一是进行模/数转换；二是降低信号的数码率。它使变换后的信号能在传输介质中传输，或提高信道的传输效率发送端和接

3、收端使用各自的时钟；接收时钟与发送时钟必须保持同步数字通信的主要特点优点抗干扰能力强，可实现高质量的远距离传输；能适应各种传输业务；能实现高保密传输；传输设备的集成化和微型化；缺点占用信道的带宽大；而且需要复杂的同步技术。 例子：一路模拟电话占用4KHz信道带宽，而一路数字电话所需要的数据传输率是64Kbps，所需占用的信道带宽要远远大于4KHz。模拟放大与数字再生2.2 数据通信基础理论2.2.1 信号的频谱和带宽任何信号通过信道时都会发生衰减；如果所有频率分量被等量衰减，那么结果信号虽在振幅上有所衰减，但没有畸变。然而：信道对不同频率的信号其衰减幅度是不相同的，因而会发生畸变。一般来说，频

4、率越高的信号，其衰减幅度越大2.2.2 信道的截止频率与带宽2.2.3 信道的最大数据传输率2.2.1 信号的频谱和带宽傅立叶已经证明：任何一个周期为T的函数f(t)都是由无穷多个正弦和余弦函数合成，即： f(t)= 其中： n= arctg(bn/ an)此处f=1/T是基频，an和bn是n次正弦谐波和余弦谐波的振幅。f(t)基本概念频域图（频率-最大振幅图）把f(t)各次谐波的振幅An按照频率高低依次排列起来所形成谱状图形,称为信号f(t)的频谱图。信号带宽信号频域图所覆盖的频率范围称为信号的带宽我们将信号大部分能量集中的那段频带称为信号的 有效带宽，简称为带宽(Bandwidth)；任何

5、信号都有一定的带宽。绝对带宽和有效带宽常见信号的带宽话音信号话音信号的标准带宽为300Hz3400Hz。音乐信号（CD音质）要求的带宽是20Hz 20KHz。电视信号电视信号的带宽为几Hz4MHz。单脉冲信号其带宽为无穷大二进制信号一般情况下，其带宽依赖于“0”、“1”序列的顺序以及具体的数字编码方式。脉冲信号频谱图信号的脉冲宽度与其带宽成反比，因此信号的数据率越高，信号的带宽也就越宽。2.2.2 信道的截止频率与带宽信道带宽是指该系统不失真传输信号的频率范围我们把信号在经过信道时其中某个频率分量的振幅衰减到原来的0.707(即信号的能量衰减到原来的一半)时所对应的频率称为信道的截止频率fc。

6、 (cut-off frequency)即低通信道的有效带宽(0fc）任何信道都有fc，信道的截止频率或带宽是由其固有的物理特性决定的。信道截止频率10lg 2 3结论信道的带宽决定对其通过信号的带宽，因而对于有限带宽信道必须限制信号的带宽，即限制信号的数据传输率；否则输出信号就会畸变。以01100010为周期信号的频谱 信道的最大数据传输率 基本概念码元速率调制速率，波特率，信号单元速率信号每秒钟传输的脉冲（码元）数：数据传输率信息速率信号每秒钟传输的信息量（比特/秒）： V为信号的电平级数两者的关系：码元同步脉冲t码元1码元2码元3码元4码元5信号码元(Code Cell)：时间轴上的一个

7、信号编码单元信息量的度量香农规定：一个消息所荷载信息量I，等于它所表示 事件发生的概率P的倒数的对数。信息量的计算公式：I=loga(1/P)= -loga(P)信息量的单位：如果对数以2为底，单位为比特（b）。如果对数以e为底，单位为奈特（nat)。如果对数以10为底，单位为哈特莱（Hartley）。事件发生的概率越高，信息量越少。Nyquist定理Nyquist（1924）推导出带宽为H的理想(无噪声)信道的最大数据传输率为Rmax = 2H*log 2V (bps) 其中V为信号电平的量化等级。 公式说明数据传输率随信号编码级数增加而增加。例子一个带宽为3000Hz的无噪声信道在传输二进

8、制数字信号其最大数据传输率不超过6000bps。Shannon定理Shannon（1948）推导出对于带宽为H，信噪比为S/N的有噪声信道，其最大数据传输率Rmax为：其中信号功率与噪声功率的比值称为信噪比(Signal-to-Noise Ratio)；我们一般使用分贝(dB)来表示信噪比。例子：一个带宽为3000Hz信噪比为30dB的信道其最大数据传输率不超过C=3000*log2(1+1000) 30KbpsS/NdB = 10 log10 S/NRmax = H*log 2 (1 + S/N) (bps)结论若把信息传输速率增加到信息容量以上，哪怕超过一点，那么被正确接受的概率就会趋于零

9、。在实际信道上能够达到的信息传输速率要比香农的极限传输速率低不少。这是因为在实际的信道中，信号还要受到其他损伤，如各种系统外的噪声干扰以及在传输和处理中产生的其他失真等。当信噪比太小，不能保证通信质量时，可用增加带宽来提高信道容量，即以带宽换功率。无论信号编码分多少级，香农公式给出了信道能达到的最高传输速率，原因是噪声的存在将使编码级数不可能无限增加。2.3 传输介质数据传输总是通过某种传输媒体在发送设备和接收设备之间进行。传输媒体可以划分为导线的或无导线的两类。无论属于哪一种类别，通信都以电磁波的形式发生。使用导线媒体，波的传播被限制到一条物理通路；导线媒体的例子有双绞线、同轴电缆和光导纤维

10、。无导线媒体提供发射电磁波的手段，但不约束传播的通路；无导线传播的例子有通过空气、真空和海水的通信。常用的无线通信系统有无线电、微波、卫星、红外线、激光等等。 2.3.1 双绞线双绞线由两条互相绝缘的铜线组成，其典型粗细为直径1mm，这两条线像螺纹一样拧在一起，这样可以减少邻近线路的电气干扰。双绞线最常见的应用是电话系统。虽然双绞线主要是用来传输模拟声音信息的,但同样适用于数字信号的传输,特别适用于较短距离的信息传输。采用双绞线的局域网的带宽取决于所用导线的质量、长度、铜线的粗细及传输技术。一般可以在几公里内达到几兆bps的传输率。双绞线可分为屏蔽双绞线STP(IBM)和非屏蔽双绞线UTP（

11、EIA/TIA）双绞线双绞线EIA/TIA为双绞线电缆定义了五种不同质量的型号。计算机网络综合布线使用第三、四、五类。这五种型号如下：第一类：主要用于传输语音（一类标准主要用于八十年代初之前的电话线缆），不用于数据传输。第二类：传输频率为1MHz，用于语音传输和最高传输速率4Mbps的数据传输，常见于使用4Mbps规范令牌传递协议的旧的令牌网。第三类:指目前在ANSI和EIA/TIA568标准中指定的电缆。该电缆的传输频率为16MHz,用于语音传输及最高传输速率为10Mbps的数据传输，主要用于10base-T。双绞线第四类:该类电缆的传输频率为20MHz,用于语音传输和最高传输速率16Mbp

12、s的数据传输，主要用于基于令牌的局域网和10base-T/100base-T。第五类:该类电缆增加了绕线密度,外套一种高质量的绝缘材料,传输频率为100MHz,用于语音传输和最高传输速率为100Mbps的数据传输，主要用于100base-T和10base-T网络，这是最常用的以太网电缆。 3类和5类UTP的关键差别在于单位距离上的螺旋的数目。5类旋得较紧，一般为每英寸3-4转，而3类则一般是每英尺3-4转；旋得越紧，价格越贵，但性能也好得多。 另外还有超5类双绞线电缆，通过对其“信道”性能测试结果表明，与普通5类双绞线电缆比较，它的近端串扰、衰减和结构回波等主要性能指标都有很大提高。 屏蔽双绞

13、线以铝箔屏蔽以减少干扰和串音需要配有支持屏蔽功能的特殊连接器和相应的安装技术。100m内可达155Mbps，但价格高。主要用于IBM网络产品（16Mbps速率)，并未普遍流行起来。 2.3.2 同轴电缆同轴电缆基带电缆特性阻抗50欧姆，主要用于传输数字信号，可作为计算机局域网的传输介质，速率可达10Mbps有可分为粗缆和细缆，粗缆无中继传输距离可达500m，安装难度大，但可靠。细缆无中继传输距率185m，安装时需切断电缆，不可靠。宽带电缆（CATV电缆）特性阻抗为75欧姆，主要用于传输模拟信号，可用于有线电视的传输线路。频带高达300MHz或更高，传输距离可达100km。光纤及光缆构成光反射原

14、理2.3.3 光纤传输与计算的比较Compution：每10年增长1个数量级Communication：每10年增长2个数量级带宽频率范围：180370 THz数据传输率：100*10Gbps = 1 Tbps原因：光/电、电/光转换的速度跟不上光电子技术/光子技术通过光纤中光的波长m/1.3m/1.55 m (250 300THz)单模光纤和多模光纤多模光纤（multi-mode fiber）使用普通发光二极管作为光源中继距离2公里内芯直径稍大直径为m/125m单模光纤（single-mode fiber）使用激光源中继距离100公里内芯直径与光源波长相近直径为810m光纤示意图单模光纤与多

15、模光纤的比较光纤信道的一般组成光纤的特点优点高带宽、高数据传输率，衰减小对电磁干扰EMI、窃听不敏感（安全、可靠）抗腐蚀重量轻，原料丰富，生产成本低。缺点单向传输光纤接口价格昂贵工艺复杂、安装技术复杂2.3.4 无线介质无线介质是指信号通过空气传输，信号不被约束在一物理导体内。由无线介质组成无线传输系统，主要包括：无线电微波（地面微波、卫星微波）红外线激光 无线电波频段划分无线电、微波、卫星语音红外线光紫外X、伽玛射线0 3kHz 300GHz430750THz无线电无线通信就是利用地面发射的无线电波通过电离层的反射而到达接收端的一种远距离通信方式。无线通信使用的频率一般在3MHz 至300M

16、Hz。无线电波的传播特性与频率有关。在低频上，无线电波能轻易地绕过一般障碍物，但其能量随着传播距离的增大而急剧递减。在高频上，无线电波趋于直线传播并易受障碍物的阻挡，还会被雨水吸收。微波对于频率在100MHz以上的无线电波，其能量将集中于一点并沿直线传播，这就是微波。微波通信是利用无线电波在对流层的视距范围内进行信息传输的一种通信方式，它使用的频率范围一般在300MHz至3GHz左右。由于微波只能沿直线传播，所以微波的发射天线和接收天线必须精确对准，而且每隔一段距离就需要一个中继站。中继站之间的距离与微波塔的高度成正比例。对于100m高的微波塔，中继站之间的距离可以达到80km。 地面微波接力

17、地球两个地面站之间传送距离：50 -100 km地面站之间的直视线路 微波传送塔地球同步卫星35860公里地球与地面站相对固定位置使用3个卫星覆盖全球传输延迟时间长卫星通信卫星通信：微波通信的特殊形式，它以距地面 35860km 的同步卫星为中继站，实现地球上18000km 范围内的多点之间的连接。主要由卫星、 地球站、上下行线组成。频率范围在 330GHz波段下行线上行线C3.74.25.9256.425Ku11.712.21414.5Ka17.72127.531L1.5451.55851.64651.66卫星频带（GHz）甚小口径地球终端VSATVSAT网通常由一个卫星转发器、一个大型主站

18、和大量的VSAT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。尤其适用于大量分散的业务量较小的用户共享主站，所以许多部门和企业多使用VSAT网来建设内部专用网。多路复用复用多个信息源共享一个公共信道 主要目的减少线路成本，提高线路利用率DEMUX复用器解复用器共享信道MUX2.4 多路复用频分多路复用FDM(Frequency Division Multiplexing)主干线路的频带被划分为若干逻辑信道，每个用户独占某些频段；调频广播以及有线电视。波分多路复用WDM(Wave Division Multiplexing)FDM在光纤介质中的应用；光纤系统使用的衍射光栅可以是无

19、源的。时分多路复用TDM(Time Division Multiplexing）每个用户轮流瞬间地占有主干线路的整个带宽；在数字通信系统中，对主干线路的多路复用只能采用TDM，因为数字信号的频谱有可能占居整个信道带宽。多路复用统计(异步）TDM:用户不固定占用某个通道，有空槽就将数据放入，可节省带宽。FDM频分多路复用FDM图FDMWDM时分多路复用TDM图统计时分多路复用ABCD待发数据t1 t2 t3A1B1C1D1C2D2A2B2周期1周期2同步 TDM带宽浪费A1B1C2B2周期1周期2统计TDM可用带宽TDM的缺点：某用户无数据发送，其他用户也不能占用该通道，将会造成带宽浪费。改进：

20、统计时分多路复用（STDM），用户不固定占用某个通道，有空槽就将数据放入。电话通信网的传输技术光纤电缆明线光纤电缆明线基 站用户用户线市 内 交 换 设 备移 动 交 换 局基 站长 途 交 换 设 备多 路 复 用 设 备地 球 站微 波 站终 端 增 音 设 备用户用户线市 内 交 换 设 备移 动 交 换 局基 站长 途 交 换 设 备多 路 复 用 设 备地 球 站微 波 站终 端 增 音 设 备基 站增 音 设 备通信卫星64kbps单路PCMCCITT标准（T，E系列）57680路564992kbps96路6312kbps1920路13926kbps480路34368kbps120

21、路8448kbps30路2048kbps672路44736kbps480路32064kbps24路1544kbps2444444北美日本欧洲日本北美7PDH数字传输系统T1线路帧格式E1帧格式0121631125 ms = 32 时隙 = 2.048 Mbps帧同步信令信道30 路话音数据信道 + 2 路控制信道同步数字体系SDH最早由美国贝尔通信所提出，称为SONET,1988年CCITT改名为SDH，规定了标准光信号多路复用的数字业务同步帧结构和传输速率的系列等级、信号格式操作规程。它在帧结构内安排了丰富的比特开销用于网络维护，操作和管理采用大量的软件进行智能化便于实现低速信号的分流和插入

22、。新研制的SONET标准则是OC-192（大约10 Gbps）以及更高的级别。两种标准几乎同等SONET/SDH复用级别SONET多路复用2.5 数据交换技术电路交换(Circuit Switching)传统电话网报文交换(Message Switching)报文指具有完整消息含义的数据单元。例如电报，电子邮件，数据文件等。分组交换(Packet Switching)分组大小有严格的上限。例如，网。电路交换节点incoming linksoutgoing linksNode电路交换原理在采用电路交换技术的网络中，传输双方在传输之前通过呼叫建立一条物理线路，该线路的带宽是固定的而且该物理线路一直

23、保持到双方通话结束才释放。特点电路交换技术有两大优点，第一是传输延迟小，唯一的延迟是物理信号的传播延迟；第二是一旦线路建立便不会发生冲突。电路交换的缺点首先是建立物理线路所需的时间比较长；其次是在电路交换系统中，物理线路的带宽是预先分配好的。报文（Message）交换原理报文交换不事先建立物理电路，当发送方有数据要发送时，它把要发送的数据当作一个整体交给中间交换设备，中间交换设备先将报文存储起来，然后选择一条合适的空闲输出线将数据转发给下一个交换设备，如此循环往复直至将数据发送到目的结点。 特点不限制报文的大小，这就要求各个中间结点必须使用磁盘等外设来缓存较大的数据块。报文转发可能会长时间占用

24、线路，导致报文在中间结点的延迟非常大，这使得报文交换技术不适合交互式通信。 分组交换原理是报文交换技术的改进；在分组交换网中，将用户的数据划分成一个个分组(packet)，而且分组的大小有严格的上限，这样使得分组可以被缓存在交换设备的内存而不是磁盘中。特点吞吐率较高，非常适合于交互式通信。 实现方式数据报(Datagram)每个Packet单独寻址虚电路(Virtual Circuit)在传输双方先建立一条虚电路，所有Packet沿着同一条虚电路到达目的地：实例分组交换节点incoming linksoutgoing linksNodeMemory电路和分组交换示意图三者的比较电路交换和分组交

25、换的比较带宽分配电路交换技术静态预留带宽（物理线路）；而分组交换技术动态申请和释放带宽（虚电路）。透明性电路交换是完全透明的。发送方和接收方可以使用任何速率(当然是在物理线路支持的范围内)、帧格式来进行数据通信。而在分组交换中，发送方和接收方按一定的数据速率和帧格式进行通信。计费方式在电路交换中，通信费用取决于通话时间和距离，而与通话量无关；而在分组交换中，通信费用主要按通信流量(如字节数)来计算，适当考虑通话时间和距离。信号变换话音模拟传输模拟数字调制解调模拟模拟编码解码数字数字数字编码数字模拟信号，模拟信号数字信号，模拟信号数字信号，数字信号模拟信号，数字信号101010102.6 调制解

26、调器计算机发出的二进制数据在模拟用户线上直接传输时会发生信号的衰减和畸变；因此在计算机与用户电话线之间必须引入Modem；拨号Modem就是对数字信号进行调制以便数字信号能够在普通模拟话音信道上进行传输的设备调制就是用载波的一个参量的变化来反映调制信号变化的过程，实现调制过程的设备叫做调制器；从已调制信号恢复出原始信号的过程叫解调，相应的设备叫解调器。调制原理相位调制解调原理2.6.1 调制方式多级调制方法1 -单参量多级调制0110000+90+180+27011数据率 = 信号速率 log2M M：调制级数+900 0100 00+2700 11+1800 104-PSK4v2v-2v-4

27、v正交幅度QAM调制16-QAM(正交振幅调制) :使用振幅和相位的16种组合045 16-QAM的星座图90180270135315225多级调制方法2 多参量多级调制2.6.2 Modem标准传输速率( 9600bps, 14.4kbps, 33.6kbps, 56kbps)调制方式(调幅、调频、调相、正交幅度调制)数据压缩CCITT规范：规范，使用Huffman编码技术MNP(Microcom Networking Protocol)规范：MNP 5可以实现2：1的压缩比，MNP 7的压缩比可以达到3：1。差错控制CCITT规范：规范MNP 规范：MNP 10级是功能非常齐全的差错控制协

28、议，用于向蜂窝电话这样的噪声环境。物理接口(RS-232-C，RS-449，V.35)ITU有关Modem的标准ITU V.22 bis 2400bpsITU V.274800bpsITU V.32 9600bpsQAM (16points)ITU V.32bis14.4kbpsQAM (64points)ITU V.3428.8kbps12bits/SampleITU V.34bis33.6kbps14bits/SampleITU V.42bisCompress ITU V.90 56kbps2.6.3 Modem的分类按调制信号电话拨号Modem（人工呼叫/应答、自动呼叫/应答）专线Modem（2线、4线）射频Modem（Cable Modem）Optical Modem（光调制解调器）按调制方式调幅/调频/调相/正交幅度调制按数据传输方式同步Modem/异步Modem按传输方式单工/半双工/全双工3.23.92.83.41.24.2343314011100011011001100 原始信号 PAM脉冲 PCM 脉冲 （有量化误差）011100011011001100 PCM 输出 模/数转换PCM 转换波形