计算机网络教程第二章数据通信与广域网

第二章数据通信与广域网

教学重点：

掌握：数据通信的基本概念

掌握：数据编码的类型和基本方法

了解：基带传输与频带传输基本概念

了解：多路复用的分类与特点

掌握：广域网中的数据交换技术

掌握：差错控制方法

第一节数据通信的基本概念

数据传输模型

信息一数据编码译码一数据信息

□■

工作站通过公共电话网PSTN与一个服务

器进行通信。在此模型中，数据通信系

统要完成的一系列关键任务为：

(1)接口规范(2)同步

(3)传输系统利用率(4)差错检测和校验

(5)灾难恢复(6)寻址和路由

(7)网络安全(8)网络管理

一、信息、数据与信号

信息(Information):客观事物属性和相互

联系特性的表征，它反映了客观事物的存在形

式和运动状态。

数据(Data):一般可以理解为“信息的数字

化形式”或“数字化的信息形式”。狭义的

“数据”通常是指具有一定数字特性的信息，

如统计数据、气象数据、测量数据及计算机中

区别于程序的计算数据等。但在计算机网络系

统中，数据通常被广义地理解为在网络中存储、

处理和传输的二进制数字编码。

信号(Signal)：

简单地讲就是携带信息的传输介质。在通信系

统中我们常常使用的电信号、电磁信号、光信

号、载波信号、脉冲信号、调制信号等术语就

是指携带某种信息的具有不同形式或特性的传

输介质。

二、数据传输类型与通信方式

数据传输类型

模拟传输(AnalogTransmission)

数字传输(DigitalTransmission)

调制解调调制解调器(Modem)

频移键控(ASK)调频

幅移键控(FSK)调幅

相移键控(PSK)调相

模拟信号与数字信号波形

数据通信方式•二，

并行传输快、造价高、近距离

串行传输慢、造价低、远距离

单工通信双工通信半双工通信

"单向刑道

O

｛双向通道

O

i双向通道

（C）

同步技术

同步就是要求通信的收发双方在时间基

准上保持一致

数据通信中采用的同步技术可分为如下

几类：

J外同步法

（位同步i内同步法

<r同步式（同步传输）

〔字符同步i异步式（异步传输）

一个或多个控制字符数据字符控制字符

SYN字符

字节5字节4字节3字节2字节1

.《逻辑"0”）（逻辑“1”）

第二节传输介质及主要特性

一、双绞线

下表是双绞线的常见类型，lOBaseT局域网中

主要使用3类和5类线，它们的有效传输距离一

般在100m左右。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。

表2-3UTP电缆常见类型

类型应用

Category1只能用于声音，不能用于数据传输（低于20kbps）

Categpiy2用于01Mbps〜2Mbps的声首和小于小4bps的数据

Category3用于10Mbps>lOBaseT局域网的声音或数据

Category4用于20Mbps.lOBaseT和16Mb2的令牌讣网

Category5用于100Mb2.lOOBaseT和155MbpsATM高速局域网

双绞线的制作分为工作站至工作站和工作站至

集线器两种：工作站至集线器的双绞线，其8芯

线一一对应；工作站至工作站的双绞线，按照

下图所示的连线制作。

二、同轴电缆

典型的同轴电缆(CoaxiaICabIe)由一根内

导体铜质芯线外加绝缘层、密集网状编织导电

金属屏蔽层以及外包装保护塑橡材料组成，其

结构如图2-11所示。

内导体

外层绝缘蒙皮外导体

铜质芯线

金属屏蔽层绝缘层//

彦I修然修羽若

在网络工程施工中常常用到的一些IEEE802.3

系列网络的架设规范

表2-410BaseX系列网络用的同轴电缆

标；准1OBase210Base510BaseT

传输介质5。白细同轴电缆50a粗同轴电匏3类双线线电缆

传输速率（w）辑1010

电缆直径（mm）5-10每芯0511

最大段长（m）鳖W100m以内效果最佳

每段最大节点数301002

节点最小间距（m）0325一般无限制

最大中继段数55一般无限制

节点最大间距（m）925:2500约2800

连接器接口标准BNCT型头AUIDIX外收发器RJ-45HUB

［最大节点数150500250

网络拓扑结构总线型总统型星型

三、光纤

62.5//in125M25加

0.OOBciO.0124CID0.025cm

射到光纤表面的光线的入射角大于某一临界角度时,

就可以产生全反射，而导致入射的光线在一条光纤

中传输

5工多模光纤和5类双绞线的衰减与频率关系如图

所示，当传输频率超过100MHz时，5类双绞线

随着频率的增加衰减愈来愈大；而光纤在

300MHz以内，衰减基本不变。

O▲

5

21O

15

至

2O

25

3O

O11o1OO3001OOO

频率(MHz)

光缆的结构大致可分为缆芯TCableCore)和

保护层(Sheath)两大部分，下图为四芯光缆

剖面的示音囹C

__________夕卜护套

包带层

北纤及其包层

填充物

加强芯

二：•：.：.：：：：：：：：；：》远供电潴线

第三节无线与卫星通信技术

在一些电缆光纤难于通过或施工困难的场

合,例如，高山、湖泊或岛屿等，即使在

城市中挖开马路敷设电缆有时也很不划算,

特别是通信距离很远，对通信安全性要求

不高，敷设电缆或光纤既昂贵又费时，若

利用无线电波等无线传输介质在自由空间

传播，就会有较大的机动灵活性，可以轻

松实现多种通信，抗自然灾害能力和可靠

性也较高。

一、电磁波谱与移动通信

波长X频率=光速

电磁波的两种传播方式：

无线传播有线传播

无线电频率与带宽的关系：

见教材P.38页图

二、无线通信

无线电波无论在室内或室外都是全方向

传播。但是波长不同的无线电波的传播

特性不同：低频段上的电波能通过障碍

物，但能量随着传播距离R的增大而迅速

减小，约为1/R3；高频段上的无线电波

趋向于直线传播，易受障碍物阻挡

三、微波通信

频率在100MHz〜10GHz的信号叫做微波

信号

微波信号传输有两个特点：

(1)只能进行视距传播

(2)大气对微波信号的吸收与散射较大

1、蜂窝无线通信

模拟蜂窝电话

数字蜂窝无线通信

全球可移动通信系统GSM

蜂窝数字分组数据CDPD

码分多路复用CDMA

五、卫星通信

地球同步通信卫星

低轨卫星

金衣星系统(77)

第四节数据编码技术

一、数据编码类型

模拟数据编码（数字数据编码为模拟信

号）

数字数据编码（数字数据编码为数字信

号）

模拟数据编码为数字信号（编码/译码）

模拟数据编码为模拟信号

二、模拟数据编码方法

振幅键控（ASK,幅移键控，调幅）

通过改变载波信号的振幅来表示1、0

移频键控（FSK,频移键控，调频）

通过改变载波信号的频率来表示1、0

移相键控（PSK,相移键控，调相）

通过改变载波信号的相位来表示1、0

绝对调相、相对调相、多相调相

基带信号

相移键控PSK

三、数字数据编码方法

单极性码：只有一种电压和0电压

简单、适应于短距离

双极性码：用两种电压和。电压

抗干扰能力强、适应于长距离

不归零信号和归零信号同步信号

单极性不归零码单极性归零码

双极性不归零码双极性归零码

曼彻斯特编码：

“1”用前半周期为0电平，后半周期为+E

（或一E）电平，“0”用前半周期为+E（或

-E）电平，后半周期为0电平

缺点：数据编码后脉冲频率为数据传输速率

的2倍

差分曼彻斯特编码：

遇“1”不变，遇“0”跃变

II

I：0;I00

“1”高电平

高H

低L“0”低电平

(a)不归零制编码

高H中间跳

“0”上跳

低L“1吓跳

(b)曼彻斯特编码

高H中间总有跳变

低L“0”开头跳

(c)差分曼彻斯特编码

脉冲编码调制方法(PCM)

采样量化编码

连续的样本信号变化太快，以至编码

1总是相差±1不能表示信号的变化

15

105

就

力

>

凝0

时间

样本间隔

练习:

对于脉冲编码调制PCM来说，如果要对

频率为600Hz的某种语音信号进行采样，

传送PCM信号的信道带宽为3KHz,那么

采样频率f取什么值时，采样的样本就可

以包含足够重构原语音信号的所有信息?

答案:

根据取样定理可知，只要取样频率不低

于语音信号最高频率的2倍，就可以从取

样脉冲信号无失真地恢复出原来的语音

信号。今要对600Hz的模拟语音采样，采

用带宽为3kHz的信道传送，故取样频率:

f=2x3kHz=6kHz

第五节基带传输技术

一、基带传输的定义

数字数据信号（典型的矩形脉冲信号）

就是基带信号

在数字通信信道上，直接传送基带信号

的方法叫做基带传输

■、通信信道带宽对基带传输的影响

分析电信号的基本方法

时域方法——以时间为自变量，观察电信号

随时间变化的情况

频域方法——通过傅立叶分析，以频率为自变

量，观察电信号的方法

信道带宽对信号传输的影响

三、数据传输速率的定义与信道速率

的极限

数据传输速率：每秒钟传输二进制代码

的位数

比特/秒bit/secondb/sbps

调制速率：数字信号经过调制后的传输

速率，表示每秒钟传输多少电信号单元

（或码元）

波特Baud

两者之间的关系：

数据率=调制速率xiogz信号状态数

信道速率的极限值

奈奎斯特定律——理想状况

Rrmx=2B10g2n

香农定律

Rgx=Blog2(l+S/N)

练习:

指出下列说法错在何处？（1）某信道的信

息传输速率是300Baud；（2）每秒50Baud

的传输速率是很低的；（3）600Baud和

600bps是一个意思。

设码元速率为1600Baud,采用8相PSK调

制，其数据传输率是多少？

练习:

电视频道的带宽是6MHz,如果使用4级信

号传输，每秒能发送多少比特？假定为无

噪声信道。

一个用于发送二进制信号的3kHz信道，其

信噪比为20dB,则最大数据传输速率为

多少？

第六节频带传输技术

一、频带传输的定义

利用模拟信道传输数据信号的方法称为

频带传输

二、调制解调器的基本工作原理

以采用移频键控的Modem为例:

••■■■

:滤波器

1270Hz.呼7270也4

带通注波器

1001

WWAj一

1070Hz•。比1070Hz1

・带通滤波器inrO-

■■•■.滤波器

：-w-

Modem全双工通信的工作原理

上频带:“1’32225Hz“(T2025Hz

下频带:“1331270Hz“(T1070Hz

发端

三、调制解调器的分类与应用

按功能分：普通Modem、FAX/Modem、

CabelModem

按连接方式分:内置式、外置式

按传输速率分类：低速、中速、高速

按使用的通信线路：普通Modem、专线

Modem

按操作状态分：异步Modem、同步

Modem

第七节多路复用技术

多路复用就是在一条物理线路上建立多

条通信信道

,d

*

K

tt樨

遁道3算率

k)

3003100•")

-率(Hz]

波分多路复用（WDM）

共¥光纤

时分多路复用(TDM)及其分类

同步时分多路复用(STDM)

每个通信设备占用固定的时间片，而

不管是否有数据需要发送

统计时分多路复用(ATDM)

动态分配时间片，只有需要传送数据

的通信设备参与分配

码分多址访问(CDMA)'

(CodeDivisionMultipleAccess)

CDMA与TDM及FDM的区别，就好像

在一个会议上，TDM是任何时间只有一

个人讲话，其他人轮流发言；FDM则是

把与会人员分组，每组同时进行讨论；

CDMA则像多个人同时各用自己的民族语

言讲话，别人并不理解某个人在讲什么，

仅视为噪音而已

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