1、 Part IV數據通信基礎3學時大綱要求（4）熟悉數據通信的基礎知識； 3.3 數據通信基礎3.3.1 信道特性3.3.2 調制和編碼 ASK 、FSK 、PSK 、QPSK 抽樣定理、PCM 編碼 3.3.3 傳輸技術 通信方式（單工/半雙工/全雙工、串行/并行）大綱要求（4）熟悉數據通信的基礎知識； 3.3 數據通信基礎 3.3.3 傳輸技術 差錯控制 同步控制 多路復用3.3.4 傳輸介質 有線介質 無線介質3.3.5 線路連接設備（調制解調器、DSU 、DCU ）3.3.6 物理層主要知識點1. 基礎概念4. 數據通訊理論基礎3. 傳輸介質和通信電纜4. 編碼和傳輸5. 傳輸技術6.

2、 傳輸控制7. 交換技術8. 公用網絡和租用網絡9. 網絡通信設備10.網絡連接設備11. 典型試題分析4.1 基礎概念單工、半雙工、全雙工模擬和數字周期信號簡單信號和復合信號振幅、周期和相位數字信號分解介質帶寬和有效帶寬信道容量串行與并行一對一通信與一對多通信資源子網和通信子網資源子網:實現資源共享功能的設備及其軟件的集合通信子網:實現網絡通信功能的設備及其軟件的集合模擬與數字模擬信號：隨時間變化而平穩變化的連續波形式。數字信號：從一個值到另一個值的轉換是瞬間發生的。數字信號模擬信號模擬：意味著連續的量。數字：意味著離散的量。周期信號如果一個信號能在一個可測量的時間內，完成一種稱作周期的模式

3、，并且在隨后的同樣長短的周期內不斷重復這種模式，這個信號就是周期性的。簡單信號和復合信號模擬信號可以被分為簡單信號或者復合信號。簡單信號是不能被分解為更簡單的模擬信號。復合信號可以被分解為多個簡單信號。a)簡單信號b)復合信號模擬信號三要素振幅：在波上任一點信號的值。它等于波形上給定點到水平軸的垂直距離。周期：完成一個波形循環所要經歷的時間（頻率1/周期）相位：描述了波形相對與時間軸零點的位置。最大值最小值波特率和比特率波特率:每秒信號變換（振幅/相位/頻率）的次數。波特率的單位是b/s。比特率:每秒傳輸的比特（數字信號0和1）數量。比特率的單位是bps。數字信號分解一個數字信號可以被分解成無

4、窮多個被稱為諧波的簡單正弦波，每個諧波都有不同的振幅、頻率和相位。當我們在傳輸媒體上發送數字信號時，其實在發送無窮多的簡單信號。介質帶寬和有效帶寬介質帶寬：傳輸介質有一個有限的帶寬，它只能傳某些頻率范圍內的信號。有效帶寬：數字信號的頻譜包括不同振幅的無數個頻率，而我們只傳輸那些具有重要振幅的分量，我們可以已合理的精度在接收端復制出數字信號，其帶寬稱為有效帶寬。信道容量一種傳輸介質可以傳輸的最大比特率稱為介質的信道容量。信道容量大小依賴于編碼技術種類和系統信噪比?；鶐鬏斣谛诺乐袀鬏數脑紨底蛛娦盘査逃械念l帶，稱為基本頻帶，簡稱基帶。在信道中直接傳送基帶信號時，稱為基帶傳輸。如從計算機到監視器

5、、打印機等外設的信號就是基帶傳輸的。大多數的局域網使用基帶傳輸，如以太網和令牌環網。寬帶傳輸通過借助頻帶傳輸，寬帶傳輸可以將鏈路容量分解成兩個或更多的信道，每個信道可以攜帶不同的信號。寬帶傳輸中的所有信道都可以同時發送信號。如CATV、ISDN等。 當采用模擬信號傳輸數據時，往往只占用有限的頻帶，對應基帶傳輸將其稱之為頻帶傳輸串行與并行并行傳輸：兩個短距離的設備之間的傳輸，如打印纜。串行傳輸：遠距離的設備之間的傳輸，便宜、可靠、速度慢。設備1設備201101100設備1設備2011011000 1 1 0 1 1 0 0發送01101100 從右到左a) 并行傳輸b) 串行傳輸異步與同步 異步

6、傳輸： 每個被傳送的字符前有起始位，后有停止位。 速率慢，開銷大，適用于低速設備。 同步傳輸： 字符組合成數據幀成組發送 數據幀包含一組同步字符使收發雙方進入同步。 傳輸速度快，開銷少。異步與同步數字通信的基本要求：接收方必須知道它所接收的每一個位的開始和持續時間。異步傳輸：將比特分成小組進行傳送，小組可以是8位的1個字符或更長。發送方可以在任何時刻發送這些比特組，而接收方從不知道它們會在什么時候到達，一次傳輸一個字符，用起始位引導，用停止位結束異步與同步同步傳輸：傳輸的比特分組要大得多。它不是獨立地發送每個字符（每個字符都有自己的開始位和停止位）；而是把它們組合起來一起發送，我們將這些組合稱

7、為數據幀，或簡稱為幀。面向字符的同步傳輸：每個數據塊以一個或多個同步字符作為開始，以惟一的后文字符結束面向位的同步傳輸（HDLC,高級數據鏈路控制、SDLC,同步數據鏈路控制）：數據塊作為位流來處理圖 異步傳輸和同步傳輸 單工/半雙工/全雙工單 工：信號只能在一個方向上傳輸半雙工：通信可以在兩個方向上傳輸，但不同時全雙工：通信可在雙方向同時進行 設備設備設備設備設備設備一對一通信與一對多(廣播)通信4.2 數據通信理論基礎傅立葉分析:任何正常的周期為T的函數g(t)，都可以由（無限個）正弦和余弦函數合成。4.2 數據通信理論基礎尼奎斯特定理：任何帶寬為H Hz，調制的碼元為V，理想信道的數據傳

8、輸為尼奎斯特證明:如果一個任意信號通過帶寬為H的低通濾波器，那么每秒采樣的2H就能完整地重現通過這個被濾波的信號。數據通信理論基礎香農公式:任何帶寬為H Hz，信噪比為S/N的信道，其最大數據傳輸速率為：例如:一條帶寬為3000Hz，信噪比為30db的信道，不管使用多少信號級電平，也不管采用多大的采樣頻率，都不能以大于30000b/s的速率傳輸數據。注：30db表示S/N=103=1000。4.3 傳輸介質和通信電纜4.3.1 雙絞線概述4.3.3 同軸電纜4.3.4 光纖4.3.5 無線傳輸4.3.1 雙絞線概述雙絞線的兩種類型雙絞線的結構雙絞線的顏色雙絞線的接頭(RJ45)雙絞線的線材等級

9、 雙絞線的兩種類型非屏蔽雙絞線(Unshielded Twisted-Pair, UTP)屏蔽雙絞線(Shielded Twisted-Pair, STP)比UTP多一層屏蔽層 雙絞線的結構(1) 雙絞線的結構(2)雙絞線色序號12345678顏色橙白橙綠白藍藍白綠棕白棕EIA/TIA-568B標準 雙絞線的接頭(RJ45)正面側面 雙絞線的線材等級類別最大傳輸速度應 用1類2Mbit/s模擬和數字語音(電話)通信以及低速的數據傳輸。2類4Mbit/s語音、ISDN和不超過的4Mbit/s的局域網數據傳輸。3類16Mbit/s不超過16Mbit/s的局域網數據傳輸。4類20Mbit/s不超過2

10、0Mbit/s的局域網數據傳輸。5類100Mbit/s100Mbit/s距離100米的局域網數據傳輸。E5類1000Mbit/s1000Mbit/s的局域網數據傳輸6類4.4Gbit/s1000Mbit/s以上的的局域網數據傳輸。4.3.3 同軸電纜 同軸電纜的結構同軸電纜的分類和技術標準 同軸電纜的結構同軸電纜的類型和技術標準類型技術標準細纜粗纜直徑0.25英寸0.5英寸傳輸距離185m500m接頭螺旋形BNC頭(端接)T形頭(分接)AUI阻抗50 50 應用的局域網類型10Base2(細纜以太網)10Base5(粗纜以太網)4.3.4 光纖 光纖的結構光纖的尺寸光纖的類型光纖通信系統光纖的

11、結構光纖的尺寸描述光纖尺寸的參數有兩個：內芯直徑和反射層直徑，其度量單位都為微米(m, 1m=110-6m)。最細的光纖其內芯直徑通常只有510m，粗一些的光纖其內芯直徑為50100m。局域網中最常用的光纖是64.5m/125m的光纖，其中64.5m是內芯直徑，而125m是反射層的直徑。光纖的類型多模光纖(Multimode Fiber, MMF)光信號不止一種波長，常用多模光纖中主要有Ala類50/125m和Alb類64.5/125m兩種類型。單模光纖(Singlemode Fiber, SMF ) 光信息只有一種波長，典型的單模光纖尺寸為8m/125m光纖的類型(1)單模光纖：由激光作光源

12、，芯線較細，僅有一條光通路，其特點是傳輸頻帶寬、信息容量大、傳輸距離長(2公里以上)，但成本較高，通常用于遠距離傳輸數據。 (2)多模光纖：由二極管發光，芯線較粗，其特點是傳輸速度低、傳輸距離短(2公里以內)、傳輸性能較單模光纖差，但成本相對較低，主要用于較小范圍內的數據傳輸，如在同一建筑物內或相鄰較近(2公里以內)的環境中使用。 模是指以一定角度進入光纖的一束光，單模與多模光纖光源的不同決定了其傳輸容量和質量。光纖的類型光纖通信系統4.3.5 無線傳輸介質紅外線無線電波 紅外線 紅外線紅外線(Infrared, IR)技術廣泛的應用在電視機和立體聲系統的遙控器中，也可以做為網絡通信的介質。它

13、通過使用位于紅外頻率波譜中的錐形或者線型光束來傳輸數據信號。紅外網絡需要通信的雙方設備都擁有一個收發器，最好還有同步軟件。傳輸速度4Mbit/s16Mbit/s。紅外線是一種視線技術，不能通過不透明的物理(如墻壁)，并且易受外界光線干擾。 無線電波 窄帶無線電波 發射器與接收器使用相同的頻率傳輸信號，如廣播收音機。容易被非法聽眾截獲信號。 擴頻無線電波 (1)跳頻擴頻(Frequency hopping spread spectrum, FHSS) (2)直序擴頻(Direct sequence spread spectrum, DSSS)4.4 編碼和傳輸 編碼類型： 數字-數字 數字-模擬

14、 模擬-數字 模擬-模擬模數轉換模擬信號 脈沖幅度調制信號111110101100011010001000111110101100011010001000數字化編碼為：001-010-101-110-111-110-101-011-010-010-011-100模擬信號數模轉換數字化的好處1. 數字傳輸的出錯率低4. 能更有效的利用線路3. 價格便宜4. 維護方便數字化傳輸需要考慮的問題直流分量：當傳輸信號的平均振幅不是零時，這將產生直流分量（頻率為0的分量）。當信號含有直流分量，它不能由沒有處理直流分量的媒體傳輸，例如微波或變壓器。同步：當一個信號不發生改變時，接受端無法知曉每比特的開始和結

15、束。如果傳輸延時或噪聲使信號發生扭曲，將導致接收方無法正確接收數據。數字-數字編碼 單極性編碼 非歸零編碼（非歸零電平編碼、非歸零反相編碼） 歸零編碼 雙相位編碼（曼徹斯特編碼、差分） 信號交替反轉碼011010011單極性編碼非歸零編碼(NRZ)011010011(NRZ-L電平編碼)(NRZ-l反相編碼)歸零編碼正電壓=1 負電壓=0 直流分量基本抵消Manchester碼與差分Manchester碼011010011上：Manchester碼 下：差分Manchester碼信號交替反轉碼AMI模擬-數字編碼脈沖振幅調制PAM：通過接收模擬信號，對它進行采樣，然后根據采樣結果產生一系列脈沖

16、。（采樣指每隔相等的時間間隔就測量一次信號振幅。）脈沖編碼調制PCM：將脈沖振幅調制PAM所產生的采樣結果進行處理，將其完全數字化。為實現這一目的，要首先對PAM的脈沖進行量化。（量化是一種對采樣結果賦予一個特定范圍內的整數值的方法。）PCM技術實際上由四個獨立過程組成：脈沖振幅調制PAM、量化、二進制編碼、數字-數字編碼。數字-模擬編碼幅移鍵控ASK：通過改變信號的強度來表達二進制0、1，而振幅改變的同時頻率和相位則保持不變。缺點是受噪聲的影響很大。頻移鍵控FSK：通過改變信號的頻率來表達二進制0、1，而頻率改變的同時振幅和相位則保持不變。FSK技術的限制因素是載波的物理容量。數字-模擬編碼

17、相移鍵控PSK：通過改變信號的相位來表達二進制0、1，而相位改變的同時頻率和振幅則保持不變。PSK技術受到設備檢測相位變化能力的限制。正交調幅QAM：將ASK和PSK以某種方式結合起來，采用正交編組的方式提高抗干擾能力，使得傳輸率比單采用ASK或PSK為高。模擬數據編碼1 0 1 0 1 0 1 0 1ASK移輻鍵控法，有載波為1，無載波為0模擬數據編碼2 0 1 0 1 0 1 0 1FSK移頻鍵控法，高頻為1，低頻為0模擬數據編碼3 0 1 0 1 0 1 0 1PSK移相鍵控法，正相為1，反相為0正交振幅調制 QAM(Quadrature Amplitude Modulation) r(

18、r, )可供選擇的相位有 12 種，而對于每一種相位有 1 或2 種振幅可供選擇。 由于4 bit 編碼共有16 種不同的組合，因此這 16 個點中的每個點可對應于一種 4 bit 的編碼。 若每一個碼元可表示的比特數越多，則在接收端進行解調時要正確識別每一種狀態就越困難。 舉例模擬數據編碼4正交調幅QAM模擬轉數字A/D 采樣、量化、編碼 采樣定理：采樣頻率大于等于有效信號最高頻率2倍（帶寬），采樣值能包含原始信號的全部信息。 量化：將連續模擬信號化分成時間軸上的離散值。4舍5入取整數。 編碼：將離散值按位數排成2進制數碼。4.5 傳輸技術4.5.1 多路復用4.5.2 流量控制技術4.5.

19、1 多路復用時分復用TDM頻分復用FDM波分復用WDM時分復用TDM信號在交替的時隙中傳輸 適用于數字信號S1S2S3S4Bt4 t3 t2 t1t4 t3 t2 t1S1S2S3S4At4 t3 t2 t1一、T1載波（T1 Carrier ）T1載波是專用電話連接、時分多路數字傳輸設施。T1 線路實際上是由24個單獨的通道組成的，每個通道支持 64K 比特/秒的傳輸速度,其中數據速率為56Kb/s。（1） T1載波支持的數據傳輸速率為1.544Mbps （即 193bit/125us=1.544Mbps)（2）每個通道支持 的數據速率為 56Kb/s ，傳輸速度為64Kb/s(因為傳輸速度

20、= 1.544Mbps/24=64Kb/s；而每路的8位中，只要7位是用于用戶數據，所以數據速率=7/8*64=56Kb/s)（3）T1載波開銷所占比例為13% 。(因為一幀193bit中，168bit（247）用于用戶數據，25bit（193-168）用于開銷。所以開銷所占比例=25bit/193bit13%)一、T1載波（T1 Carrier ）1）T1載波支持的數據傳輸速率為1.544Mbps2）T2載波復用4個T1線路：4*1.544Mbps = 6.312Mbps3）T3載波復用7個T2線路：7*6.312Mbps = 44.763Mbps4）T4載波復用6個T3線路：7*44.76

21、3Mbps = 274.176Mbps二、E1載波（E1 Carrier）E1載波是一種4.048Mbps速率的PCM載波。采用同步時分復用技術將30個話音信道（64K）和個控制信道（16K）復合在一條4.048Mb/s的高速信道上。（1） E1載波支持的數據傳輸速率為4.048Mbps （即 256bit/125us=4.048Mbps)（2）每個通道支持 的傳輸速度（或數據速率）為 64Kb/s (因為每個時隙在E1幀中占8bit，8*8k=64k，即一條E1中含有32個64K，則 4.048Mbps/32=64Kb/s)（3）E1載波開銷所占比例為6.25% 。因為一幀32個時隙中，30

22、個用于用戶數據，2個用于開銷。所以開銷所占比例=2/32=6.25%一、E1載波（E1 Carrier ）E1信號格式攜載速率為每秒4.048兆比特的數據并且能攜載32個信道，每個信道64Kbps。E1攜載的數據率比T-1高（T-1為每秒1.544兆比特）。E2（E-2）是一條攜載4倍E1信號的線纜，速率為每秒8.488兆比特。 E3（E-3）攜載16倍E1信號，速率為每秒34.368兆比特。 E4（E-4）攜載4個E3信道，速率為每秒139.264兆比特 E5（E-5）攜載4個E4信道，速率為每秒565.148兆比特。頻分復用FDM每條信道被分配給不同的頻率 適用于模擬信號Telephone

23、TelephoneTelephoneTelephone108KhzChannel BankModulatorLine Signal104Khz100Khz64Khz波分復用WDM不同的信號被攜載在不同的光的波長上用于光纜傳輸的網絡4.6 交換技術交換技術線路交換存儲轉發報文交換分組交換數據報方式虛電路方式電路交換直接的交換方式 真實、專用的物理鏈路 存儲轉發報文交換分組交換無論通信系統如何可靠，通信過程中都會出現差錯，其差錯大致可發為兩類：一類是由熱噪聲引起的隨機錯誤；另一類是由沖擊噪聲引起的突發錯誤。如何發現和糾正信號的差錯，主要方式有以下三種：檢錯碼海明碼循環冗余校驗碼 CRC4.7 差錯

24、控制奇偶校驗是最常用的檢錯方法，其原理是在7單位的ASCII代碼后增加一位，使碼字中1的個數成奇數（奇校驗）或偶數（偶校驗）。經過傳輸后，如果其中一位出錯，則接收端按同樣的規則就能發現錯誤，這種方法簡單實用，但只能對付少量的隨機性錯誤。檢錯碼海明距離是一個碼字要變成另一個碼字時必須改變的最小位數。海明碼：用冗余數據位來檢測和糾正代碼差錯。把所有合法的碼字盡量安排使得任一對碼字之間的距離最大。如果任意兩個碼字之間的海明距離是d，則所有少于等于d-1位的錯誤都可以檢查出來。所有少于d/2位的錯誤都可以糾正。對于m位的數據，要糾正單個錯誤，則海明碼位數k需滿足：m+k+1=2k海明碼CRC校驗采用多

25、項式編碼方法。被處理的數據塊可以看作是一個n階的二進制多項式采用CRC校驗時，發送方和接收方用同一個生成多項式g(x),并且g(x)的首位和最后一位的系數必須為1。CRC的處理方法是：發送方以g(x)去除t(x)，得到余數作為CRC校驗碼。校驗時，以計算的校正結果是否為0為據，判斷數據幀是否出錯。多項式乘除法運算過程與普通代數多項式的乘除法相同。多項式的加減法運算以2為模，加減時不進，錯位，和邏輯異或運算一致。循環冗余校驗碼 CRCCRC校驗采用多項式編碼方法。被處理的數據塊可以看作是一個n階的二進制多項式CRC校驗可以100地檢測出所有奇數個隨機錯誤和長度小于等于k(k為g(x)的階數)的突

26、發錯誤。所以CRC的生成多項式的階數越高，那么誤判的概率就越小。 循環冗余校驗碼 CRCCRC-12：g(x)=x12+x11+x3+x2+X+1CRC-16：g(x)=x16+x15+x2+1CRC-CCITT：g(x)=x16+x12+x5+1CRC-32：g(x)=x32+x26+x23+x22+x16+x12+x11+x10+x8+x7+x5+x4 +x2+X+1CRC-32用于許多局域網中。常見CRC碼近年真題 設信號的波特率為 600Baud ，采用幅度相位復合調制技術，由 4 種幅度和 8 種相位組成 16 種碼元，則信道的數據率為 _( 14） 。 （ 14 ） A. 600b

27、/s B. 2400 b/s C. 4800 b/s D. 9600 b/s 【參考答案】 （14）B2005下半年網絡工程師上午試卷雙極型 AMI 編碼經過一個噪聲信道，接收的波形如圖 3 所示，那么出錯的是第 _(15)_ 位。 （ 15 ） A. 3 B. 5 C. 7 D. 9 【參考答案】（15）C 2005下半年網絡工程師上午試卷 雙絞線可以制作成直連線和交叉線兩種形式，兩個交換機的 UPLINK 口相連，使用的雙絞線制作成什么形式？連接交換機和計算機的雙絞線制作成什么形式？ 【參考答案】：交換機和交換機之間采用交叉線形式。 交換機和計算機之間采用直連線形式。2005下半年網絡工程

28、師下午試卷 設信道的碼元速率為300波特，采用4相DPSK調制，則信道的數據速率為_(26)_b/s.（26） A、300B、600 C、800 D、10002004年下半年網絡工程師上午試卷 【參考答案】 ：（26）B9 將雙絞線制作成交叉線（一端按EIA/TIA 568A線序，另一端按EIA/TIA 568B線序），該雙絞線連接的兩個設備可為_(64)_。（64） A.網卡與網卡 B.網卡與交換機 C.網卡與集線器D.交換機的以太口與下一級交換機的UPLINK口2004年下半年網絡工程師上午試卷 【參考答案】 ：（64）A 下圖中畫出曼徹斯特編碼和差分曼徹斯特編碼的波形圖，實際傳送的比特串

29、為（28）。A0 1 1 0 1 0 0 1 1B0 1 1 1 1 0 0 1 0C1 0 0 1 0 1 1 0 0D1 0 0 0 0 1 1 0 1【參考答案】：（28）A2005年上半年網絡工程師上午試卷若信息碼字為 11100011 ，生成多項式 G(X)=X 5 +X 4 +X+1 ，則計算出的 CRC 校驗碼為 _(16)_ 。 （ 16 ） A. 01101 B. 11010 C. 001101 D. 0011010 【參考答案】（16）B2005下半年網絡工程師上午試卷使用海明碼進行前向糾錯，如果冗余位為4位，那么信息位最多可以用到（26）位，假定碼字為a6a5a4a3a2

30、a1a0，并且有下面的監督關系式： S2=a2+a4+a5+a6 S1=a1+a3+a5+a6 S0=a0+a3+a4+a6若S2S1S0=110，則表示出錯位是（27）。(26)A6 B8 C、11 D16(27)Aa3 Ba4 Ca5 Da6【參考答案】（26）C （27）C2005年上半年網絡工程師上午試卷 光纖通信中使用的復用方式是_(27)_。E1載波把32個信道按_(28)_方式復用在一條4.048Mb/s的高速信道上，每條話音信道的數據速率是_(29)_(27) A、時分多路 B、空分多路 C、波分多路 D、頻分多路(28) A、時分多路 B、空分多路C、波分多路D、頻分多路(29) A、56Kb/s B、64Kb/sC、128 Kb/sD、512Kb/s2004年下半年網絡工程師上午試卷 【參考答案】 （27）C （28）A （29）B 10個96Kbs的信道按時分多路復用在一條線路