1、數據通信基礎知識和技術講解第二章：數據通信基礎知識信號與通信模擬通信與數字通信信號的頻譜與帶寬，信道的帶寬及最大數據傳輸率等傳輸介質多路復用技術數據交換技術信號變換第三章：物理層接口（RS232C串口）2.1 基本概念信號是消息或數據的電磁編碼。信號的時域特性表示為時間t的函數，信號的數學描述一般是以時間t為自變量，以某種物理量（如電壓）為因變量。分為模擬信號與數字信號。通信通信的任務是將表示消息的信號從發(fā)送方傳遞到 接收方。分為模擬通信與數字通信。 x(nT)(b) 數字信號(a) 模擬信號 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 模擬通信信源調制器信道解調器信宿噪聲 模擬通信：利用模擬信號來傳遞消息。實質上是一種信號變換器，由于信源產生的是模擬信號，所以調制器的功能是將其調制到某個頻段以便進行遠距離傳輸或多路復用。包括傳輸介質和介質兩端的傳輸設備2.1.3 數字通信 信源編碼器 噪聲 發(fā)送端時鐘 信 源 信道編碼器 信 宿 調 制 信 道 解 調 信道譯碼器 信源譯碼器 接收端時鐘 數字通信：利用數字信號來傳遞消息。是對傳輸的數字信號進行檢錯或糾錯編碼,以便接收方能進行差錯檢測和糾正。信源編碼器的主要作用：一是進行模/數轉換；二是降低信號的數碼率。它使變換后的信號能在傳輸介質中傳輸，或提高信道的傳輸效率發(fā)送端和接

3、收端使用各自的時鐘；接收時鐘與發(fā)送時鐘必須保持同步數字通信的主要特點優(yōu)點抗干擾能力強，可實現高質量的遠距離傳輸；能適應各種傳輸業(yè)務；能實現高保密傳輸；傳輸設備的集成化和微型化；缺點占用信道的帶寬大；而且需要復雜的同步技術。 例子：一路模擬電話占用4KHz信道帶寬，而一路數字電話所需要的數據傳輸率是64Kbps，所需占用的信道帶寬要遠遠大于4KHz。模擬放大與數字再生2.2 數據通信基礎理論2.2.1 信號的頻譜和帶寬任何信號通過信道時都會發(fā)生衰減；如果所有頻率分量被等量衰減，那么結果信號雖在振幅上有所衰減，但沒有畸變。然而：信道對不同頻率的信號其衰減幅度是不相同的，因而會發(fā)生畸變。一般來說，頻

4、率越高的信號，其衰減幅度越大2.2.2 信道的截止頻率與帶寬2.2.3 信道的最大數據傳輸率2.2.1 信號的頻譜和帶寬傅立葉已經證明：任何一個周期為T的函數f(t)都是由無窮多個正弦和余弦函數合成，即： f(t)= 其中： n= arctg(bn/ an)此處f=1/T是基頻，an和bn是n次正弦諧波和余弦諧波的振幅。f(t)基本概念頻域圖（頻率-最大振幅圖）把f(t)各次諧波的振幅An按照頻率高低依次排列起來所形成譜狀圖形,稱為信號f(t)的頻譜圖。信號帶寬信號頻域圖所覆蓋的頻率范圍稱為信號的帶寬我們將信號大部分能量集中的那段頻帶稱為信號的 有效帶寬，簡稱為帶寬(Bandwidth)；任何

5、信號都有一定的帶寬。絕對帶寬和有效帶寬常見信號的帶寬話音信號話音信號的標準帶寬為300Hz3400Hz。音樂信號（CD音質）要求的帶寬是20Hz 20KHz。電視信號電視信號的帶寬為幾Hz4MHz。單脈沖信號其帶寬為無窮大二進制信號一般情況下，其帶寬依賴于“0”、“1”序列的順序以及具體的數字編碼方式。脈沖信號頻譜圖信號的脈沖寬度與其帶寬成反比，因此信號的數據率越高，信號的帶寬也就越寬。2.2.2 信道的截止頻率與帶寬信道帶寬是指該系統不失真?zhèn)鬏斝盘柕念l率范圍我們把信號在經過信道時其中某個頻率分量的振幅衰減到原來的0.707(即信號的能量衰減到原來的一半)時所對應的頻率稱為信道的截止頻率fc。

6、 (cut-off frequency)即低通信道的有效帶寬(0fc）任何信道都有fc，信道的截止頻率或帶寬是由其固有的物理特性決定的。信道截止頻率10lg 2 3結論信道的帶寬決定對其通過信號的帶寬，因而對于有限帶寬信道必須限制信號的帶寬，即限制信號的數據傳輸率；否則輸出信號就會畸變。以01100010為周期信號的頻譜 信道的最大數據傳輸率 基本概念碼元速率調制速率，波特率，信號單元速率信號每秒鐘傳輸的脈沖（碼元）數：數據傳輸率信息速率信號每秒鐘傳輸的信息量（比特/秒）： V為信號的電平級數兩者的關系：碼元同步脈沖t碼元1碼元2碼元3碼元4碼元5信號碼元(Code Cell)：時間軸上的一個

7、信號編碼單元信息量的度量香農規(guī)定：一個消息所荷載信息量I，等于它所表示 事件發(fā)生的概率P的倒數的對數。信息量的計算公式：I=loga(1/P)= -loga(P)信息量的單位：如果對數以2為底，單位為比特（b）。如果對數以e為底，單位為奈特（nat)。如果對數以10為底，單位為哈特萊（Hartley）。事件發(fā)生的概率越高，信息量越少。Nyquist定理Nyquist（1924）推導出帶寬為H的理想(無噪聲)信道的最大數據傳輸率為Rmax = 2H*log 2V (bps) 其中V為信號電平的量化等級。 公式說明數據傳輸率隨信號編碼級數增加而增加。例子一個帶寬為3000Hz的無噪聲信道在傳輸二進

8、制數字信號其最大數據傳輸率不超過6000bps。Shannon定理Shannon（1948）推導出對于帶寬為H，信噪比為S/N的有噪聲信道，其最大數據傳輸率Rmax為：其中信號功率與噪聲功率的比值稱為信噪比(Signal-to-Noise Ratio)；我們一般使用分貝(dB)來表示信噪比。例子：一個帶寬為3000Hz信噪比為30dB的信道其最大數據傳輸率不超過C=3000*log2(1+1000) 30KbpsS/NdB = 10 log10 S/NRmax = H*log 2 (1 + S/N) (bps)結論若把信息傳輸速率增加到信息容量以上，哪怕超過一點，那么被正確接受的概率就會趨于零

9、。在實際信道上能夠達到的信息傳輸速率要比香農的極限傳輸速率低不少。這是因為在實際的信道中，信號還要受到其他損傷，如各種系統外的噪聲干擾以及在傳輸和處理中產生的其他失真等。當信噪比太小，不能保證通信質量時，可用增加帶寬來提高信道容量，即以帶寬換功率。無論信號編碼分多少級，香農公式給出了信道能達到的最高傳輸速率，原因是噪聲的存在將使編碼級數不可能無限增加。2.3 傳輸介質數據傳輸總是通過某種傳輸媒體在發(fā)送設備和接收設備之間進行。傳輸媒體可以劃分為導線的或無導線的兩類。無論屬于哪一種類別，通信都以電磁波的形式發(fā)生。使用導線媒體，波的傳播被限制到一條物理通路；導線媒體的例子有雙絞線、同軸電纜和光導纖維

10、。無導線媒體提供發(fā)射電磁波的手段，但不約束傳播的通路；無導線傳播的例子有通過空氣、真空和海水的通信。常用的無線通信系統有無線電、微波、衛(wèi)星、紅外線、激光等等。 2.3.1 雙絞線雙絞線由兩條互相絕緣的銅線組成，其典型粗細為直徑1mm，這兩條線像螺紋一樣擰在一起，這樣可以減少鄰近線路的電氣干擾。雙絞線最常見的應用是電話系統。雖然雙絞線主要是用來傳輸模擬聲音信息的,但同樣適用于數字信號的傳輸,特別適用于較短距離的信息傳輸。采用雙絞線的局域網的帶寬取決于所用導線的質量、長度、銅線的粗細及傳輸技術。一般可以在幾公里內達到幾兆bps的傳輸率。雙絞線可分為屏蔽雙絞線STP(IBM)和非屏蔽雙絞線UTP（

11、EIA/TIA）雙絞線雙絞線EIA/TIA為雙絞線電纜定義了五種不同質量的型號。計算機網絡綜合布線使用第三、四、五類。這五種型號如下：第一類：主要用于傳輸語音（一類標準主要用于八十年代初之前的電話線纜），不用于數據傳輸。第二類：傳輸頻率為1MHz，用于語音傳輸和最高傳輸速率4Mbps的數據傳輸，常見于使用4Mbps規(guī)范令牌傳遞協議的舊的令牌網。第三類:指目前在ANSI和EIA/TIA568標準中指定的電纜。該電纜的傳輸頻率為16MHz,用于語音傳輸及最高傳輸速率為10Mbps的數據傳輸，主要用于10base-T。雙絞線第四類:該類電纜的傳輸頻率為20MHz,用于語音傳輸和最高傳輸速率16Mbp

12、s的數據傳輸，主要用于基于令牌的局域網和10base-T/100base-T。第五類:該類電纜增加了繞線密度,外套一種高質量的絕緣材料,傳輸頻率為100MHz,用于語音傳輸和最高傳輸速率為100Mbps的數據傳輸，主要用于100base-T和10base-T網絡，這是最常用的以太網電纜。 3類和5類UTP的關鍵差別在于單位距離上的螺旋的數目。5類旋得較緊，一般為每英寸3-4轉，而3類則一般是每英尺3-4轉；旋得越緊，價格越貴，但性能也好得多。 另外還有超5類雙絞線電纜，通過對其“信道”性能測試結果表明，與普通5類雙絞線電纜比較，它的近端串擾、衰減和結構回波等主要性能指標都有很大提高。 屏蔽雙絞

13、線以鋁箔屏蔽以減少干擾和串音需要配有支持屏蔽功能的特殊連接器和相應的安裝技術。100m內可達155Mbps，但價格高。主要用于IBM網絡產品（16Mbps速率)，并未普遍流行起來。 2.3.2 同軸電纜同軸電纜基帶電纜特性阻抗50歐姆，主要用于傳輸數字信號，可作為計算機局域網的傳輸介質，速率可達10Mbps有可分為粗纜和細纜，粗纜無中繼傳輸距離可達500m，安裝難度大，但可靠。細纜無中繼傳輸距率185m，安裝時需切斷電纜，不可靠。寬帶電纜（CATV電纜）特性阻抗為75歐姆，主要用于傳輸模擬信號，可用于有線電視的傳輸線路。頻帶高達300MHz或更高，傳輸距離可達100km。光纖及光纜構成光反射原

14、理2.3.3 光纖傳輸與計算的比較Compution：每10年增長1個數量級Communication：每10年增長2個數量級帶寬頻率范圍：180370 THz數據傳輸率：100*10Gbps = 1 Tbps原因：光/電、電/光轉換的速度跟不上光電子技術/光子技術通過光纖中光的波長m/1.3m/1.55 m (250 300THz)單模光纖和多模光纖多模光纖（multi-mode fiber）使用普通發(fā)光二極管作為光源中繼距離2公里內芯直徑稍大直徑為m/125m單模光纖（single-mode fiber）使用激光源中繼距離100公里內芯直徑與光源波長相近直徑為810m光纖示意圖單模光纖與多

15、模光纖的比較光纖信道的一般組成光纖的特點優(yōu)點高帶寬、高數據傳輸率，衰減小對電磁干擾EMI、竊聽不敏感（安全、可靠）抗腐蝕重量輕，原料豐富，生產成本低。缺點單向傳輸光纖接口價格昂貴工藝復雜、安裝技術復雜2.3.4 無線介質無線介質是指信號通過空氣傳輸，信號不被約束在一物理導體內。由無線介質組成無線傳輸系統，主要包括：無線電微波（地面微波、衛(wèi)星微波）紅外線激光 無線電波頻段劃分無線電、微波、衛(wèi)星語音紅外線光紫外X、伽瑪射線0 3kHz 300GHz430750THz無線電無線通信就是利用地面發(fā)射的無線電波通過電離層的反射而到達接收端的一種遠距離通信方式。無線通信使用的頻率一般在3MHz 至300M

16、Hz。無線電波的傳播特性與頻率有關。在低頻上，無線電波能輕易地繞過一般障礙物，但其能量隨著傳播距離的增大而急劇遞減。在高頻上，無線電波趨于直線傳播并易受障礙物的阻擋，還會被雨水吸收。微波對于頻率在100MHz以上的無線電波，其能量將集中于一點并沿直線傳播，這就是微波。微波通信是利用無線電波在對流層的視距范圍內進行信息傳輸的一種通信方式，它使用的頻率范圍一般在300MHz至3GHz左右。由于微波只能沿直線傳播，所以微波的發(fā)射天線和接收天線必須精確對準，而且每隔一段距離就需要一個中繼站。中繼站之間的距離與微波塔的高度成正比例。對于100m高的微波塔，中繼站之間的距離可以達到80km。 地面微波接力

17、地球兩個地面站之間傳送距離：50 -100 km地面站之間的直視線路 微波傳送塔地球同步衛(wèi)星35860公里地球與地面站相對固定位置使用3個衛(wèi)星覆蓋全球傳輸延遲時間長衛(wèi)星通信衛(wèi)星通信：微波通信的特殊形式，它以距地面 35860km 的同步衛(wèi)星為中繼站，實現地球上18000km 范圍內的多點之間的連接。主要由衛(wèi)星、 地球站、上下行線組成。頻率范圍在 330GHz波段下行線上行線C3.74.25.9256.425Ku11.712.21414.5Ka17.72127.531L1.5451.55851.64651.66衛(wèi)星頻帶（GHz）甚小口徑地球終端VSATVSAT網通常由一個衛(wèi)星轉發(fā)器、一個大型主站

18、和大量的VSAT小站組成，能單雙向傳輸數據、語音、圖像、視頻等多媒體綜合業(yè)務。尤其適用于大量分散的業(yè)務量較小的用戶共享主站，所以許多部門和企業(yè)多使用VSAT網來建設內部專用網。多路復用復用多個信息源共享一個公共信道 主要目的減少線路成本，提高線路利用率DEMUX復用器解復用器共享信道MUX2.4 多路復用頻分多路復用FDM(Frequency Division Multiplexing)主干線路的頻帶被劃分為若干邏輯信道，每個用戶獨占某些頻段；調頻廣播以及有線電視。波分多路復用WDM(Wave Division Multiplexing)FDM在光纖介質中的應用；光纖系統使用的衍射光柵可以是無

19、源的。時分多路復用TDM(Time Division Multiplexing）每個用戶輪流瞬間地占有主干線路的整個帶寬；在數字通信系統中，對主干線路的多路復用只能采用TDM，因為數字信號的頻譜有可能占居整個信道帶寬。多路復用統計(異步）TDM:用戶不固定占用某個通道，有空槽就將數據放入，可節(jié)省帶寬。FDM頻分多路復用FDM圖FDMWDM時分多路復用TDM圖統計時分多路復用ABCD待發(fā)數據t1 t2 t3A1B1C1D1C2D2A2B2周期1周期2同步 TDM帶寬浪費A1B1C2B2周期1周期2統計TDM可用帶寬TDM的缺點：某用戶無數據發(fā)送，其他用戶也不能占用該通道，將會造成帶寬浪費。改進：

20、統計時分多路復用（STDM），用戶不固定占用某個通道，有空槽就將數據放入。電話通信網的傳輸技術光纖電纜明線光纖電纜明線基 站用戶用戶線市 內 交 換 設 備移 動 交 換 局基 站長 途 交 換 設 備多 路 復 用 設 備地 球 站微 波 站終 端 增 音 設 備用戶用戶線市 內 交 換 設 備移 動 交 換 局基 站長 途 交 換 設 備多 路 復 用 設 備地 球 站微 波 站終 端 增 音 設 備基 站增 音 設 備通信衛(wèi)星64kbps單路PCMCCITT標準（T，E系列）57680路564992kbps96路6312kbps1920路13926kbps480路34368kbps120

21、路8448kbps30路2048kbps672路44736kbps480路32064kbps24路1544kbps2444444北美日本歐洲日本北美7PDH數字傳輸系統T1線路幀格式E1幀格式0121631125 ms = 32 時隙 = 2.048 Mbps幀同步信令信道30 路話音數據信道 + 2 路控制信道同步數字體系SDH最早由美國貝爾通信所提出，稱為SONET,1988年CCITT改名為SDH，規(guī)定了標準光信號多路復用的數字業(yè)務同步幀結構和傳輸速率的系列等級、信號格式操作規(guī)程。它在幀結構內安排了豐富的比特開銷用于網絡維護，操作和管理采用大量的軟件進行智能化便于實現低速信號的分流和插入

22、。新研制的SONET標準則是OC-192（大約10 Gbps）以及更高的級別。兩種標準幾乎同等SONET/SDH復用級別SONET多路復用2.5 數據交換技術電路交換(Circuit Switching)傳統電話網報文交換(Message Switching)報文指具有完整消息含義的數據單元。例如電報，電子郵件，數據文件等。分組交換(Packet Switching)分組大小有嚴格的上限。例如，網。電路交換節(jié)點incoming linksoutgoing linksNode電路交換原理在采用電路交換技術的網絡中，傳輸雙方在傳輸之前通過呼叫建立一條物理線路，該線路的帶寬是固定的而且該物理線路一直

23、保持到雙方通話結束才釋放。特點電路交換技術有兩大優(yōu)點，第一是傳輸延遲小，唯一的延遲是物理信號的傳播延遲；第二是一旦線路建立便不會發(fā)生沖突。電路交換的缺點首先是建立物理線路所需的時間比較長；其次是在電路交換系統中，物理線路的帶寬是預先分配好的。報文（Message）交換原理報文交換不事先建立物理電路，當發(fā)送方有數據要發(fā)送時，它把要發(fā)送的數據當作一個整體交給中間交換設備，中間交換設備先將報文存儲起來，然后選擇一條合適的空閑輸出線將數據轉發(fā)給下一個交換設備，如此循環(huán)往復直至將數據發(fā)送到目的結點。 特點不限制報文的大小，這就要求各個中間結點必須使用磁盤等外設來緩存較大的數據塊。報文轉發(fā)可能會長時間占用

24、線路，導致報文在中間結點的延遲非常大，這使得報文交換技術不適合交互式通信。 分組交換原理是報文交換技術的改進；在分組交換網中，將用戶的數據劃分成一個個分組(packet)，而且分組的大小有嚴格的上限，這樣使得分組可以被緩存在交換設備的內存而不是磁盤中。特點吞吐率較高，非常適合于交互式通信。 實現方式數據報(Datagram)每個Packet單獨尋址虛電路(Virtual Circuit)在傳輸雙方先建立一條虛電路，所有Packet沿著同一條虛電路到達目的地：實例分組交換節(jié)點incoming linksoutgoing linksNodeMemory電路和分組交換示意圖三者的比較電路交換和分組交

25、換的比較帶寬分配電路交換技術靜態(tài)預留帶寬（物理線路）；而分組交換技術動態(tài)申請和釋放帶寬（虛電路）。透明性電路交換是完全透明的。發(fā)送方和接收方可以使用任何速率(當然是在物理線路支持的范圍內)、幀格式來進行數據通信。而在分組交換中，發(fā)送方和接收方按一定的數據速率和幀格式進行通信。計費方式在電路交換中，通信費用取決于通話時間和距離，而與通話量無關；而在分組交換中，通信費用主要按通信流量(如字節(jié)數)來計算，適當考慮通話時間和距離。信號變換話音模擬傳輸模擬數字調制解調模擬模擬編碼解碼數字數字數字編碼數字模擬信號，模擬信號數字信號，模擬信號數字信號，數字信號模擬信號，數字信號101010102.6 調制解

26、調器計算機發(fā)出的二進制數據在模擬用戶線上直接傳輸時會發(fā)生信號的衰減和畸變；因此在計算機與用戶電話線之間必須引入Modem；撥號Modem就是對數字信號進行調制以便數字信號能夠在普通模擬話音信道上進行傳輸的設備調制就是用載波的一個參量的變化來反映調制信號變化的過程，實現調制過程的設備叫做調制器；從已調制信號恢復出原始信號的過程叫解調，相應的設備叫解調器。調制原理相位調制解調原理2.6.1 調制方式多級調制方法1 -單參量多級調制0110000+90+180+27011數據率 = 信號速率 log2M M：調制級數+900 0100 00+2700 11+1800 104-PSK4v2v-2v-4

27、v正交幅度QAM調制16-QAM(正交振幅調制) :使用振幅和相位的16種組合045 16-QAM的星座圖90180270135315225多級調制方法2 多參量多級調制2.6.2 Modem標準傳輸速率( 9600bps, 14.4kbps, 33.6kbps, 56kbps)調制方式(調幅、調頻、調相、正交幅度調制)數據壓縮CCITT規(guī)范：規(guī)范，使用Huffman編碼技術MNP(Microcom Networking Protocol)規(guī)范：MNP 5可以實現2：1的壓縮比，MNP 7的壓縮比可以達到3：1。差錯控制CCITT規(guī)范：規(guī)范MNP 規(guī)范：MNP 10級是功能非常齊全的差錯控制協

28、議，用于向蜂窩電話這樣的噪聲環(huán)境。物理接口(RS-232-C，RS-449，V.35)ITU有關Modem的標準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的分類按調制信號電話撥號Modem（人工呼叫/應答、自動呼叫/應答）專線Modem（2線、4線）射頻Modem（Cable Modem）Optical Modem（光調制解調器）按調制方式調幅/調頻/調相/正交幅度調制按數據傳輸方式同步Modem/異步Modem按傳輸方式單工/半雙工/全雙工3.23.92.83.41.24.2343314011100011011001100 原始信號 PAM脈沖 PCM 脈沖 （有量化誤差）011100011011001100 PCM 輸出 模/數轉換PCM 轉換波形