第2章 数据通信基础

第二章数据通信基础目录2.1数据通讯系统2.2通讯编码技术2.3数据传输方式2.4数据交换技术2.5数据传输介质2.1.1数据通信系统模型通过任何媒体将信息从一地传送到另一地的过程都称为通信。通信系统由信源、发信终端、传输媒介、收信终端和信宿组成。2.1.2模拟通信和数字通信模拟通信系统数字通信系统2.1.3数据通信系统数据通信是指依据通信协议，利用数据传输技术（模拟传输或数字传输）在两个功能单元之间传递信息。目录2.1数据通讯系统2.2通讯编码技术2.3数据传输方式2.4数据交换技术2.5数据传输介质2.2.1模拟数据数字信号编码技术

模拟数据数字信号编码技术的典型方法是脉冲编码调制（PCM，PulseCodeModulation）。采样

一个模拟信号在时间上是连续的，而数字信号要求在时间上是离散的。这就要求系统每经过一个固定的时间间隔（采样周期）对模拟信号进行测量，这种测量称为采样，这个时间间隔称为采样周期。采样周期的长度可以依据采样定理来确定。量化

模拟信号不仅在时间上是连续的，而且在幅度上也是连续的。而数字信号要求有离散的数值。这就需要对与采样得到的测量值进行数字化转换，也就是量化。测量值不一定正好等于其中的某一个数值，而是要根据测量值的大小选择一个近似的量化数值（取整）。这种不能使量化数据准确表达测量值的情况称为在量化过程中加入了量化噪声。编码

取得量化数值以后，要把它们转换成为二进制数据，这个过程称为编码。采样定理

在把一个模拟信号通过采样变成在时间上离散的信号以后，能不能保留原有信号的特征，或者说能不能由它来恢复出原有信号就非常重要了。采样定理指出，对于一个模拟信号，如果能够满足采样频率大于或等于模拟信号中最高频率分量的两倍，那么依据采样后得到的离散序列（系列离散数值）就能够没有失真地恢复出原来的模拟信号。在这些成分中，最高频率分量是采样定理所关注的。

2.2.2数字数据的数字信号编码

数字信号序列是离散的，可以编码为不连续的电压或者电流的脉冲序列。例如，对于数字信号1可以编码为一种电压，而数字信号0可以编码为另一种电压。不归零码（1）单极性不归零码单极性不归零码（NRZ，Non-ReturntoZero）只使用一个电压值，单极性不归零编码如图2-7所示。它用高电平表示1，而另一个状态表示0。单极性不归零编码简单直接，实现起来较简单。（2）双极性不归零码

双极性不归零码（BNRZ，BipolarNon-ReturntoZero）用正电平和负电平分别表示二进制数的1和0，正的幅值和负的幅值相等。归零码在这种编码方式中，信号电平在一个码元之内都要恢复到零，所以称为归零码。也正因为如此，可以很方便地确定每个码元的界限和信号电平。单极性归零码和双极性归零码的含义与不归零码相似。曼彻斯特编码曼彻斯特编码在一个码元之内既有高电平，也有低电平，在一个码元的中间位置发生跳变。可以制定一项标准，确定是以码元的前半部分为信号的值还是以码元的后半部分为信号的值。例如，图2-7所示的曼彻斯特编码以后半部分为准，即一个正电平到负电平的跳变代表比特0，而一个负电平到正电平的跳变代表比特1。差分曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码和曼彻斯特编码相似，只不过是以一个码元开始时是否发生相对于前一个码元的跳变来确定数据的值。数字数据信号波形如图2-7所示，其中的差分曼彻斯特编码，以没有发生跳变表示1，发生跳变表示0。2.2.3数字数据的调制编码（1）振幅键控方式在振幅键控方式中，根据信号的不同，调节正弦波的幅度。（2）移频键控方式移频键控方式的信号频率在信源端受调制信号的调制发生移动（即为移频），产生不同频率的正弦波信号。（3）移相键控方式与移频键控方式相比，移相键控方式具有更多的优点。目录2.1数据通讯系统2.2通讯编码技术2.3数据传输方式2.4数据交换技术2.5数据传输介质2.3.1并行传输并行传输是指数据以成组的方式在多个并行的信道上同时传输，相应地需要若干根传输线。并行传输的优点是速度快，缺点是费用高。因为并行传输需要一组传输线，所以并行传输一般用在距离短且传输速度要求高的场合。2.3.2串行传输串行传输是指数据在信道上一位一位地逐个传输，从发送端到接收端只需一根传输线，成本低，易于实现，是计算机网络中普遍采用的传输方式。单工通信（双线制）单工（Simplex）通信只允许传输的信息始终向一个方向流动，就像道路交通上的单行道一样。在实际应用中，单工通信的信道采用双线制，一个用于传输数据的主信道，另一个用于传输控制信息的监测信道。例如，听广播和看电视，信息只能从广播电台和电视台发射（传输）到用户，而用户不能将数据传输到广播台或电视台，BP机也是单工通信的例子。半双工通信（双线制+开关）半双工（HalfDuplex）通信允许信息流向两个方向都可传输，但同一时刻只能朝一个方向传输，不能同时进行双向传输。通信双方都要具备发送和接收装置，每一端既可以作为发送端也可以作为接收端。信息流轮流使用发送和接收装置。此方式适用于会话式终端通信，因为通信中要频繁调换信道传输方向，效率较低。无线电对讲机就是半双工通信的例子。全双工通信（四线制）全双工（FullDuplex）通信是指在同一时刻，能同时进行双向通信，即通信的一方在发送信息的同时也能接收信息。它相当于两个方向相反的单工通信组合，通常采用四线制。人们使用的电话就是采用全双工通信的方式。目录2.1数据通讯系统2.2通讯编码技术2.3数据传输方式2.4数据交换技术2.5数据传输介质2.4.1电路交换交换的概念最早来自于电话系统。当用户进行拨号时，电话系统中的交换机（TelephoneSwitch）在呼叫者的电话与接收者的电话之间建立了一条实际的物理线路（这条物理线路可能包括双绞线、同轴电缆、光纤或无线电在内的各种介质，或是经过多路复用得到的带宽），通话便建立起来，此后两端的电话拥有该专用线路，直到通话结束。2.4.2报文交换报文交换（MessageSwitching）不事先建立物理电路，当发送方有数据要发送时，它将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。采用这种技术的网络就是存储转发网络，电报系统使用的是报文交换技术。2.4.3分组交换分组交换（PacketSwitching）技术是报文交换技术的改进，也可以称为包交换。在分组交换网中，用户的数据被划分成一个个分组（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中而不是磁盘中。同时由于分组交换网能够保证任何用户都不能长时间独占某传输线路，因而它非常适合于交互式通信。目录2.1数据通讯系统2.2通讯编码技术2.3数据传输方式2.4数据交换技术2.5数据传输介质2.5.1数据传输介质分类有线传输介质：双绞线、同轴电缆、光纤无线传输介质：无线电、微波、卫星、红外线2.5.2多路复用技术在同一介质上，同时传输多个有限带宽信号的方法，被称为多路复用（Multiplexing）。当前主要采用的多路复用方式有两种：频分多路复用（FDM，FrequencyDivisionMultiplexing）和时分多路复用（TDM，TimeDivisionMultiplexing），下面分别加以阐述。多路复用的概念数据信息在网络通信线路中传输时，要占用通信信道。如何提高通信信道的利用率，尤其是在远程传输时提高通信信道的利用率是非常重要的。如果一条通信线路只能为一路信号所使用，那么这路信号要支付通信线路的全部费用，成本就比较高，其他用户也因为不能使用通信线路而不能得到服务。所以，在一条通信线路上如果能够同时传输若干路信号，则能降低成本，提高服务质量，增加经济收益。这种在一条物理通信线路上建立多条逻辑通信信道，同时传输若干路信号的技术就叫做多路复用技术。频分多路复用频分多路复用技术（FDM，Frequency-DivisionMultiplexing）就是如何实现载波频率的取得、信号对载波的调制、调制信号的接收、滤波和解调的技术。我们所用的收音机就是一个频分多路复用接收器，而广播电台则是频分多路复用发射器。波分多路复用波分多路复用实质上也是一种频分多路复用技术。由于在光纤通道上传输的是光波，光波在光纤上的传输速度是固定的，所以光波的波长和频率有固定的换算关系。由于光波的频率较高，用频率来表示就不很方便，所以改用波长来进行表示。在一条光纤通道上，按照光波的波长不同划分为若干个子信道，每个子信道传输一路信号，就称为波分多路复用技术。时分