第2章数据通信基础知识2

第2章数据通信基础知识2第一页，共51页。2.3传输媒体（介质）2.3.1同轴电缆同轴电缆是由绕同一轴线的两个导体所组成，即内导体（铜芯导线）和外导体(屏蔽层)，外导体的作用是屏蔽电磁干扰和辐射，两导体之间用绝缘材料隔离。同轴电缆具有较高的带宽和极好的抗干扰特性。同轴电缆的规格是指电缆粗细程度的度量（直径:1.02~2.54cm），按射频级测量单位(RG)来度量，铜芯导线越细，RG越高，铜芯导线越粗，RG越低2023/4/182第二页，共51页。2.3传输媒体（介质）同轴电缆分类1.基带同轴电缆 一条电缆只用于一个信道，网状铜线屏蔽，特征阻抗为50，用于数字传输，如RG-8（粗缆以太网），RG-58（细缆以太网）。

局域网：50基带同轴电缆，数据传输率10Mbps2.宽带同轴电缆

一条电缆同时传输不同频率的多路模拟信号，铝箔缠绕屏蔽，特征阻抗为75，用于模拟传输，300～450MHz，100km，需要放大器，如RG-59（有线电视CATV）2023/4/183第三页，共51页。基带同轴电缆分为：2.3传输媒体（介质）细同轴50，D=1.02cm，10Mbps185m、4中继、5段（925m）优缺点： 价格低

安装方便（T型连接器、BNC 接头、终端匹配器） 抗干扰能力强 距离短 可靠性差粗同轴50，D=2.54cm，10Mbps500m、4中继、5段（2500m）优缺点： 价格稍高

安装稍难（收发器、收发器电缆、终端匹配器） 抗干扰能力强 距离中等 可靠性好细同轴电缆和粗同轴电缆都只能用于总线拓扑结构2023/4/184第四页，共51页。2.3传输媒体（介质）2.3.2双绞线双绞线是由两根绞合的绝缘铜线外部包裹屏蔽层和橡胶外皮而构成。一根电缆中通常包含多对双绞线，线对数量视用途在2对到1800对之间，连接计算机终端的双绞线电缆通常包含2对或4对双绞线。在局域网中一般也采用双绞线作为传输媒体。主要用于星形网络拓扑，即以集线器或网络交换机为中心、各网络工作站用一根双绞线与之相连。双绞线电缆可分为非屏蔽双绞线UTP（UnshieldedTwistedPair）和屏蔽双绞线STP（ShieldedTwistedPair）。2023/4/185第五页，共51页。2.3传输媒体（介质）1.非屏蔽双绞线（UTP）：双绞线外没有任何附加屏蔽

质量类别（等级）3类（20MHz/

10Mbps/令牌环网、

10Base-T、100Base-T4）5类（100MHz/

155Mbps

/100BASE-T）6类（250MHz/1200Mbps/100BASE-T、1000BASE-T）2023/4/186第六页，共51页。2.3传输媒体（介质）2.屏蔽双绞线（STP）：以铝箔屏蔽以减少干扰和串扰

安装比UTP困难，必须配有支持屏蔽功能的特殊连接器和相应的安装技术价格比UTP高，但低于同轴电缆传输速率高，100m内可达到155Mbps，常见速率为16Mbps和100Mbps最大使用距离限制在几百米之内2023/4/187第七页，共51页。计算机网络通讯介质18第八页，共51页。计算机网络通讯介质第九页，共51页。计算机网络通讯介质双绞线RJ45接法规则：

1（白绿）数据发送+2（绿）数据发送—3（白橙）数据接受+6（橙）数据接受—4（兰）电源预留+5（白兰）电源预留—7（白棕）音频预留8（棕）音频预留只适应于（10base-T/100base-TX）绞线通讯技术对于1000base-TX绞线通讯技术接法另行规定。（TIA/EIA568A标准：线序）

TIA:电信工业联合会；EIA:电子工业联合会第十页，共51页。计算机网络通讯介质双绞线RJ45接法规则：

1（白橙）数据发送+2（橙）数据发送—3（白绿）数据接受+6（绿）数据接受—4（兰）电源预留+5（白兰）电源预留—7（白棕）音频预留8（棕）音频预留只适应于（10base-T/100base-TX）绞线通讯技术对于1000base-TX绞线通讯技术接法另行规定。（TIA/EIA568B标准：线序）第十一页，共51页。计算机网络通讯介质双绞线直通直线：用于不同设备之间互连（交换机-PC）568A-568A第十二页，共51页。计算机网络通讯介质双绞线交叉反线：用于同种设备之间互连（PC-PC，交换机-交换机）568A-568B

第十三页，共51页。2.3.3光纤电缆光纤传输原理——利用了光的反射光纤电缆：纤芯-折射率高；玻璃包层-折射率低 导光纤维是一种由石英玻璃纤维或塑料制成的，直径很细，能传导光信号的媒体。 玻璃包层又称为覆层，是折射率较低的反光材料。 由于覆层的作用，在纤芯中传输的光信号几乎不会从覆层中折射出去。这样当光束进入光纤中的纤芯后，可以减少光通过光缆时的损耗，并且在纤芯边缘产生全反射，使光束曲折前进。玻璃封套塑料外套玻璃内芯玻璃内芯塑料外套玻璃封套外壳第十四页，共51页。2.3传输媒体（介质）光纤分类： 根据使用的光源和传输模式，光纤可分为多模光纤MMF和单模光纤SMF多模光纤采用发光二极管产生可见光作为光源，定向性较差。 当光纤纤芯的直径比光波波长大很多时，由于光束进入纤芯中的角度不同传播路径也不同，这时光束是以多种模式在纤芯内不断反射而向前传播。 多模光纤的传输距离一般 在2km以内。纤芯/覆层的直径为62.5/125微米。2023/4/1815第十五页，共51页。2.3传输媒体（介质）单模光纤采用注入式激光二极管作为光源，激光的定向性强。单模光纤的纤芯直径一般为几个光波的波长，当激光束进人玻璃芯中的角度差别很小时，能以单一的模式无反射地沿轴向传播。单模光纤的传输距离可以达到几十甚至上百公里。纤芯/覆层的直径为8/125微米。2023/4/1816第十六页，共51页。2.3传输媒体（介质）传输过程：发送端：将电信号转换成光信号

光源发光二极管LED多模光纤

激光二极管LD单模光纤接收端：将光信号转换成电信号

检测器光电二极管PIN APD光载波调制：幅移键控法ASK（亮度调制），有光-1，无光-02023/4/1817第十七页，共51页。2.3传输媒体（介质）光纤的传输特性：依靠光波承载信息速率高，通信容量大（仅受光电转换器件的限制），数据传输速率已达2.4Gbps传输损耗小，衰减率极低，无中继传输距离可达50km以上，主要用于长距离的数据传输和网络的主干线采用光谱技术，不易受外界的信号干扰，抗干扰性能极好；本身没有电磁辐射，所以它传输的信号不易被窃听，保密性能好不易分支，普遍用于点到点的链路2023/4/1818第十八页，共51页。2.3传输媒体（介质）2.3.4无线介质（大气和外层空间）：无线传输使用电磁波或光波携带信息发送天线所产生的信号带宽比介质的特性更为重要基本方法：定向和全向定向：信号频率越高越容易聚焦成定向的电磁波；传送和接收天线必须仔细对齐全向：较低频率传输的信号是全向性的，很多天线都能收到无需物理连接适用于长距离或不便布线的场合易受干扰、易被侦听2023/4/1819第十九页，共51页。2.3传输媒体（介质）1.地面微波在有线线路昂贵或地理条件不允许的情况下适用；频率范围2GHz~40GHz地球地面站之间的直视线路微波传送塔2023/4/1820第二十页，共51页。2.3传输媒体（介质）当中间不存在障碍物时，天线之间的最大距离依从公式地球地面站之间的直视线路微波传送塔d：天线之间距离（单位km）；h：天线高度（单位m）；K：调整因子（据经验K＝4/3）2023/4/1821第二十一页，共51页。2.3传输媒体（介质）地面微波的应用——完成远距离远程通信服务（作用类似于同轴电缆和光纤电缆）：远程通信——电视传输楼宇间建立短距离的点到点通信——闭路电视或无线局域网旁路使用——绕过地方电话局直接连接长途电信系统常用频带：电信系统 4GHz～6GHz有线电视系统12GHz短距离的点到点通信22GHz2023/4/1822第二十二页，共51页。2.3传输媒体（介质）地面微波的优点：微波波段频率很高，其频段范围也很宽(2GHz~40GHz)，因此其通信信道的容量很大。与相同容量和长度的电缆载波通信比较，地面微波通信建设投资少，见效快。2023/4/1823第二十三页，共51页。2.3传输媒体（介质）地面微波的缺点：相邻站之间必须直视，不能有障碍物（”视距通信”）。有时一个天线发射出的信号也会分成几条略有差别的路径到达接收天线，容易造成信号失真。通过地球表面的大气传播，易受到建筑物或天气的影响。与电缆通信系统比较，微波通信的隐蔽性和保密性较差。两个地面站之间传送，距离为10-100km，对大量中继站的使用和维护要耗费一定的人力和物力。2023/4/1824第二十四页，共51页。2.3传输媒体（介质）2.卫星微波经卫星微波的点到点链路经卫星微波的广播通信链路2023/4/1825第二十五页，共51页。2.3传输媒体（介质）地球同步卫星从技术角度上讲，只要在地球赤道上空的同步轨道上，等距离地放置三颗相隔120度的卫星，就能基本上实现全球的通信。为了避免产生干扰，卫星之间的相隔不能小于2度（地面上测得的角位移），因此，整个赤道上35,784公里地球空只能放置180个同步卫星。一个典型的卫星通常拥有12～20个转发器。每个转发器的频带宽度为36MHz或72MHz。2023/4/1826第二十六页，共51页。2.3传输媒体（介质）地球地面站地面站重要应用： 电视传播、长途电话传输、专用商业网络优点： 通信距离远，在电波覆盖范围内，任何一处都可以通信，且通信费用与通信距离无关； 受陆地灾害影响小,可靠性高； 易于实现广播通信和多址通信缺点：

通信费用高； 延时较大； 10GHz以上衰减较大； 易受太阳噪声的干扰。C波段4/6GHz下行3.7～4.2GHz上行5.925～6.425GHzKU波段11/14GHz下行11.7～12.2GHz上行14～14.5GHz

2023/4/1827第二十七页，共51页。2.3传输媒体（介质）3.红外线光波传输在短距离内连接两个通信设备；收发机置于可视线内并对准；可直接传递或通过浅色表面反射传递信息。特点：用于短距离通信，如电视、录象机等的遥控；抗干扰能力强，安全保密性好；无频率分配问题；缺点： 不能穿透固体，不能穿透雨和浓雾，易受天气影响；2023/4/1828第二十八页，共51页。2.3.5常用传输媒体的比较第二十九页，共51页。2.4数据编码信源产生的数据分为模拟数据与数字数据；通信信道分为模拟信道和数字信道。调制编码2023/4/1830第三十页，共51页。2.4数据编码2.4.1数字数据的数字信号编码利用数字通信信道直接传输数字数据信号的方法称作数字信号的基带传输；数字数据在传输之前，需要进行数字编码。数字数据的编码方式有三种：不归零码曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码2023/4/1831第三十一页，共51页。2.4数据编码1.不归零码(NRZ，Non-ReturntoZero)二进制数字0、1分别用两种电平（常用－5V表示1，＋5V表示0）来表示。缺点：存在直流分量，传输中不能使用变压器；不具备自同步机制，无法判别信号的开始和结束，必须使用外同步。2023/4/1832第三十二页，共51页。2.4数据编码2.曼彻斯特编码(Manchestercode)用电压的变化表示0和1。规定在每个位的中间发生跳变： 高→低的跳变——1，低→高的跳变——0 ∵每个位中间都要发生跳变，接收端可将此变化提取出来作为同步信号，使接收端的时钟与发送设备的时钟保持一致。 ∴曼彻斯特编码也称为自同步码（Self-SynchronizingCode）。它具有自同步机制，无需外同步信号。特点：不含直流分量；需要双倍的传输带宽。2023/4/1833第三十三页，共51页。2.4数据编码3.差分曼彻斯特编码(DifferentialManchestercode)与曼彻斯特编码相同，在每个位的中间，信号都会发生跳变；与曼彻斯特编码不同之处在于：位中间处跳变仅用作同步信号；利用在位开始的边界处有无跳变来表示0和1： 位开始处有跳变——0 位开始处无跳变——12023/4/1834第三十四页，共51页。2.4数据编码2.4.2数字数据的调制编码传统的电话通信信道是为传输语音信号设计的，用于传输音频300Hz～3400Hz的模拟信号，不能直接传输数字数据。为了利用模拟语音通信的电话交换网实现计算机的数字数据的传输，必须首先将数字信号转换成模拟信号，也就是要对数字数据进行调制。2023/4/1835第三十五页，共51页。2.4数据编码发送端将数字数据信号变换成模拟数据信号的过程称为调制Modulation，调制设备就称为调制器Modulator；接收端将模拟数据信号还原成数字数据信号的过程称为解调Demodulation，解调设备就称为解调器Demodulator。若进行数据通信的发送端和接收端以全双工或半双工的方式进行通信时，就需要同时具备调制和解调功能的设备，称为调制解调器Modem。2023/4/1836第三十六页，共51页。2.4数据编码基本原理：用数字数据信号对载波的不同参量进行调制。1）载波：连续的、频率恒定的信号，表示为S(t)=Acos(t+)

2）S(t)的参量：幅度A频率

相位3）调制就是要使这三个参量随数字基带信号的变化而变化对数字数据调制的基本方法有三种：幅移键控ASK频移键控FSK相移键控PSK2023/4/1837第三十七页，共51页。1.幅移键控ASK（AmplitudeShiftKeying）

ASK是通过改变载波信号的幅度值A表示数字数据信号‘1’，‘0’，以载波幅度A1表示数字数据信号的“1”，用载波幅度A2表示数字数据信号的“0”（通常A1取1，A2取0），而载波信号的参数

和恒定。 特点： 信号实现容易，技术简单； 易受增益变化影响，效率低。第三十八页，共51页。2.4数据编码2.频移键控FSK（FrequencyShiftKeying）

FSK是用载波频率附近的两个不同频率来表示数字数据信号‘1’和‘0’：用

1表示数字数据信号‘1’，用

2表示数字数据信号‘0’，而载波信号的A和不变。 特点： 信号实现容易，技术简单； 抗干扰能力强，最常用的调制技术之一。2023/4/1839第三十九页，共51页。2.4数据编码3.相移键控PSK（PhaseShiftKeying） PSK是通过改变载波信号的相位值表示数字信号‘1’,’0’，而载波信号的A和

不变。 PSK包括两种类型：

绝对调相 绝对调相使用相位的绝对值，为0表示数字信号‘1’，

为π表示数字信号‘0’。

相对调相 相对调相使用相位的相对偏移值，当数字数据为0时，相位 不变化，而数字数据为1时，相位要偏移π。 特点：抗干扰能力强，但实现技术复杂。2023/4/1840第四十页，共51页。2.4数据编码2.4.3模拟数据的数字信号编码在网络中除计算机直接产生的数字信号外，语音、图像等模拟信息必须数字化以后才能经计算机处理并传送。脉冲编码调制PCM（PulseCodeModulation）是模拟数据数字化的主要方法：将模拟信号转换成二进制序列PCM技术的典型应用是语音数字化。在发送端通过PCM编码器将语音数据变换为数字化的语音信号，通过通信信道传送到接收方，接收方再通过PCM解码器还原成模拟语音信号。2023/4/1841第四十一页，共51页。2.4数据编码1.奈奎斯特定理（采样定理）：

假设连续变化的模