《数据通信基础》PPT课件

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1、第 3讲 数据通信基础 知识回顾l计 算 机 网 络 的 体 系 结 构 计 算 机 网 络 体 系 结 构 的 形 成 协 议 与 划 分 层 次 具 有 五 层 协 议 的 体 系 结 构 实 体 、 协 议 、 服 务 和 服 务 访 问 点lTCP/IP 的 体 系 结 构 本 讲 内 容l物 理 层 的 基 本 概 念l数 据 通 信 的 基 础 知 识 数 据 通 信 系 统 的 模 型 有 关 信 道 的 几 个 基 本 概 念 信 道 的 最 高 码 元 传 输 速 率 信 道 的 极 限 信 息 传 输 速 率l通 信 介 质 双 绞 线 、 光 纤 等 物理层的定义l 物

2、理 层 的 定 义 ISO/OSI 关 于 物 理 层 的 定 义 ： 物 理 层 提 供 机 械的 、 电 气 的 、 功 能 的 和 规 程 的 特 性 ， 目 的 是 启动 、 维 护 和 关 闭 数 据 链 路 实 体 之 间 进 行 比 特 传输 的 物 理 连 接 。 这 种 连 接 可 能 通 过 中 继 系 统 ，在 中 继 系 统 内 的 传 输 也 是 在 物 理 层 的 。 物理层的功能l 物 理 层 的 功 能 在 两 个 网 络 设 备 之 间 提 供 透 明 的 比 特 流 传 输 。l 研 究 内 容 物 理 连 接 的 启 动 和 关 闭 ， 正 常 数 据 的

3、 传 输 ， 以 及 维 护 管 理 。l 物 理 层 的 四 个 重 要 特 性 机 械 特 性 (mechanical characteristics) 电 气 特 性 (electrical characteristics) 功 能 特 性 (functional characteristics) 规 程 特 性 (procedural characteristics) 物理层的特性（1）l 机 械 特 性 主 要 定 义 物 理 连 接 的 边 界 点 ， 即 接 插 装 置 。 规 定 物 理 连 接 时 所 采用 的 规 格 、 引 脚 的 数 量 和 排 列 情 况 。 常 用

4、的 标 准 接 口 ISO 2110， 25芯 连 接 器 ， EIA RS-232-C， EIA RS-366-A ISO 2593， 34芯 连 接 器 ， V.35宽 带 MODEM ISO 4902， 37芯 和 9芯 连 接 器 ， EIA RS-449 ISO 4903， 15芯 连 接 器 ， X.20、 X.21、 X.22l 电 气 特 性 规 定 传 输 二 进 制 位 时 ， 线 路 上 信 号 的 电 压 高 低 、 阻 抗 匹 配 、 传 输速 率 和 距 离 限 制 。 早 期 的 标 准 是 在 边 界 点 定 义 电 气 特 性 ， 例 如 EIA RS-232

5、-C、 V.28； 最 近 的 标 准 则 说 明 了 发 送 器 和 接 受 器 的 电 气 特 性 ， 而 且 给 出 了 有关 对 连 接 电 缆 的 控 制 。 物理层的特性（2）l功 能 特 性 主 要 定 义 各 条 物 理 线 路 的 功 能 。 线 路 的 功 能 分 为 四 大 类 ： 数 据 控 制 定 时 地l规 程 特 性 主 要 定 义 各 条 物 理 线 路 的 工 作 规 程 和 时 序 关 系 。 典型的物理层标准接口（1）l 1960年 美 国 电 子 工 业 协 会 EIA提 出 RS-232， 1963年 提 出RS-232-A， 1965年 提 出 RS

6、-232-B， 1969年 提 出 RS-232-C。用 于 DTE/DCE之 间 的 接 口 。l RS-232-C的 不 足 与 改 进 不 足 传 输 性 能 低 ， 距 离 短 ， 速 率 低 。 改 进 重 新 设 计 ， X.21； 以 RS-232-C为 基 础 改 进 ， 1977年 提 出 RS-449。 RS-232-C的电路图 RS-232-C的实物图 典型的物理层标准接口（3）EIA RS-449/422-A/423-AlEIA RS-449 是 为 替 代 RS-232-C而 提 出 的 物 理 层 标准 接 口 。 实 际 上 是 一 体 化 的 三 个 标 准 。

7、l主 要 改 进 改 善 了 性 能 ， 加 长 了 接 口 电 缆 距 离 ， 加 大 了 数 据 传 输 率 ； 增 加 了 新 的 接 口 功 能 ， 例 如 ， 回 送 检 查 ； 解 决 了 机 械 接 口 问 题 。 典型的物理层标准接口（4）l 机 械 特 性 37芯 或 9芯 连 接 器 。l 电 气 特 性 与 RS-232-C相 连 ， 采 用 非 平 衡 型 电 气 特 性 RS-423-A， 20Kbps以 下 其 他 情 况 ， 采 用 平 衡 型 电 气 特 性 RS-422-A 和 RS-423-A， 20Kbps 2Mbpsl 功 能 特 性 定 义 了 30条

8、 功 能 线 。l 规 程 特 性 基 本 上 以 RS-232-C为 基 础 典型的物理层标准接口（5）CCITT X.21lX.21： 在 公 共 数 据 网 PDN中 进 行 同 步 操 作 的DTE/DCE之 间 的 通 用 接 口 。l1980年 的 X.21由 两 部 分 组 成 ： “ 通 用 接 口 ” ： 真 正 的 物 理 层 部 分 ； 用 于 电 路 交 换 网 络 的 呼 叫 控 制 规 程 ， 用 于 DTE之 间 的 连接 ， 涉 及 到 许 多 数 据 链 路 层 和 网 络 层 的 功 能 。 典型的物理层标准接口（6）l 机 械 特 性 15针 连 接 器

9、， ISO 4903。l 电 气 特 性 采 用 非 平 衡 型 电 气 特 性 和 平 衡 型 电 气 特 性 。 传 输 速 率 ： 600， 2400， 4800， 9600， 48000bps DTE使 用 非 平 衡 型 电 气 特 性 和 平 衡 型 电 气 特 性 ； DCE使 用 平 衡 型电 气 特 性l 功 能 特 性 定 义 了 8条 功 能 线 。l 规 程 特 性 分 成 四 个 工 作 阶 段 ： 空 闲 ， 呼 叫 控 制 ， 数 据 传 送 ， 清 除 数据通信系统的模型 传 输系 统输 入信息 输入数据 发 送的 信 号 接 收的 信 号 输出数据源 点 终

10、点发 送 器 接 收 器调 制 解 调 器PC 机 公 用 电 话 网 调 制 解 调 器数 字 比 特 流 数 字 比 特 流模 拟 信 号 模 拟 信 号 正 文 正 文数 据 通 信 系 统源 系 统 目 的 系 统传 输 系 统 输出信息PC 机 术语l 数 据 (data) 运 送 信 息 的 实 体 。l 信 号 (signal) 数 据 的 电 气 的 或 电 磁 的 表 现 。 l 模 拟 的 (analogous) 连 续 变 化 的 。l 数 字 的 (digital) 取 值 是 离 散 数 值 。l 调 制 把 数 字 信 号 转 换 为 模 拟 信 号 的 过 程 。

11、l 解 调 把 模 拟 信 号 转 换 为 数 字 信 号 的 过 程 。 基本概念l 单 向 通 信 （ 单 工 通 信 ） 只 能 有 一 个 方 向 的 通 信 而 没 有 反 方 向 的 交 互 。l 双 向 交 替 通 信 （ 半 双 工 通 信 ） 通 信 的 双 方 都 可 以 发 送 信 息 ， 但 不 能 双 方 同 时 发 送 (当 然 也 就 不 能同 时 接 收 )。l 双 向 同 时 通 信 （ 全 双 工 通 信 ） 通 信 的 双 方 可 以 同 时 发 送 和 接 收 信 息 。l 基 带 信 号 就 是 将 数 字 信 号 1 或 0 直 接 用 两 种 不

12、同 的 电 压 来 表 示 ， 然 后 送 到线 路 上 去 传 输 。 l 宽 带 信 号 则 是 将 基 带 信 号 进 行 调 制 后 形 成 的 频 分 复 用 模 拟 信 号 。 模拟的和数字的数据、信号 模 拟 数 据 模 拟 信 号放 大 器调 制 器模 拟 数 据 数 字 信 号 PCM编 码 器数 字 数 据 模 拟 信 号调 制 器 数 字 数 据 数 字 信 号 数 字发 送 器 数字数据的调制信号编码 信道的最高码元传输速率 l 任 何 实 际 的 信 道 都 不 是 理 想 的 ， 在 传 输 信 号 时 会 产 生 各 种 失真 以 及 带 来 多 种 干 扰 。

13、l 码 元 传 输 的 速 率 越 高 ， 或 信 号 传 输 的 距 离 越 远 ， 在 信 道 的 输出 端 的 波 形 的 失 真 就 越 严 重 。l 码 元 ： 数 字 信 号 中 每 一 位 的 通 称 。 通 常 又 称 为 “ 位 ” 或“ Bit”。 即 可 以 用 二 进 制 表 示 ， 也 可 以 用 其 它 进 制 的 数 表 示 。l 在 数 字 通 信 中 常 常 用 时 间 间 隔 相 同 的 符 号 来 表 示 一 位 二 进 制数 字 。 这 样 的 时 间 间 隔 内 的 信 号 称 为 二 进 制 码 元 ， 而 这 个 间隔 被 称 为 码 元 长 度

14、。 l 码 元 传 输 速 率 ， 又 称 为 码 元 速 率 或 传 码 率 。 其 定 义 为 每 秒 钟传 送 码 元 的 数 目 ， 单 位 为 波 特 ,常 用 符 号 Baud表 示 ， 简写 为 B。 数字信号通过实际的信道 l失 真 不 严 重l失 真 严 重 实 际 的 信 道（ 带 宽 受 限 、 有 噪 声 、 干 扰 和 失 真 ）输 入 信 号 波 形 输 出 信 号 波 形(失 真 不 严 重 ) 输 入 信 号 波 形 实 际 的 信 道（ 带 宽 受 限 、 有 噪 声 、 干 扰 和 失 真 ） 输 出 信 号 波 形(失 真 严 重 ) 奈氏(Nyquist

15、)准则 l 每 赫 带 宽 的 理 想 低 通 信 道 的 最 高 码 元 传 输 速 率 是 每 秒 2 个 码 元 。l Baud 是 波 特 ， 是 码 元 传 输 速 率 的 单 位 ， 1 波 特 为 每 秒 传 送 1 个 码 元 。l 频 率 变 化 较 缓 慢 的 就 是 低 频 （ 频 率 低 ， 时 间 长 ， 速 度 就 慢 ） ， 频 率 是时 间 的 倒 数 。 l 低 通 信 道 或 通 信 链 路 ,如 果 频 带 在 0 f之 间 ,上 限 频 率 可 以 无 穷 大 ,则 称它 为 低 通 信 道 ;如 果 频 带 范 围 是 f1 f 2 ,则 称 它 为

16、带 通 信 道 。 理 想 低 通 信 道 的 最 高 码 元 传 输 速 率 = 2W Baud W 是 理 想 低 通 信 道 的 带 宽 ， 单 位 为 赫 (Hz) 不 能 通 过能 通 过0 频 率 (Hz)W (Hz) 另一种形式的奈氏准则 l 每 赫 带 宽 的 理 想 低 通 信 道 的 最 高 码 元 传 输 速 率 是 每 秒 1 个 码 元 。l “ 理 想 低 通 信 道 ” 就 是 信 号 的 所 有 低 频 分 量 ， 只 要 其 频 率 不 超 过 某 个上 限 值 ， 都 能 够 不 失 真 地 通 过 此 信 道 。 而 频 率 超 过 该 上 限 值 的 所

17、 有 高频 分 量 都 不 能 通 过 该 信 道 。 l “ 带 通 信 道 ” 只 允 许 上 下 限 之 间 的 信 号 频 率 成 分 不 失 真 的 通 过 ， 其他 频 率 成 分 不 能 通 过 。 理 想 带 通 特 性 信 道 的 最 高 码 元 传 输 速 率 = W Baud W 是 理 想 带 通 信 道 的 带 宽 ， 单 位 为 赫 (Hz) 不 能 通 过能 通 过0 频 率 (Hz)W (Hz) 不 能 通 过 注意事项 l 实 际 的 信 道 所 能 传 输 的 最 高 码 元 速 率 ， 要 明 显 地 低 于 奈 氏准 则 给 出 上 限 数 值 。l 波

18、 特 (Baud)和 比 特 (bit)是 两 个 不 同 的 概 念 。 波 特 是 码 元 传 输 的 速 率 单 位 （ 每 秒 传 多 少 个 码 元 ） 。 码 元 传 输 速 率也 称 为 调 制 速 率 、 波 形 速 率 或 符 号 速 率 。 比 特 是 信 息 量 的 单 位 。l 信 息 的 传 输 速 率 “ 比 特 /秒 ” 与 码 元 的 传 输 速 率 “ 波 特 ” 在数 量 上 却 有 一 定 的 关 系 。l 若 1 个 码 元 只 携 带 1 bit 的 信 息 量 ， 则 “ 比 特 /秒 ” 和 “ 波 特 ”在 数 值 上 相 等 。l 若 1 个

19、码 元 携 带 n bit 的 信 息 量 ， 则 M Baud 的 码 元 传 输 速率 所 对 应 的 信 息 传 输 速 率 为 M n b/s。 信道的极限信息传输速率 l 香 农 (Shannon)用 信 息 论 的 理 论 推 导 出 了 带 宽 受 限 且 有 高 斯白 噪 声 干 扰 的 信 道 的极限、无差错的信 息 传 输 速 率 。 高 斯 白 噪 声 ： 如 果 一 个 噪 声 ， 它 的 幅 度 分 布 服 从 高 斯 分 布 ， 而 它 的功 率 谱 密 度 又 是 均 匀 分 布 的 ， 则 称 它 为 高 斯 白 噪 声 。 l 信 道 的 极 限 信 息 传

20、输 速 率 C 可 表 达 为 C = W log2(1+S/N) b/s W 为 信 道 的 带 宽 （ 以 Hz 为 单 位 ） ； S 为 信 道 内 所 传 信 号 的 平 均 功 率 ； N 为 信 道 内 部 的 高 斯 噪 声 功 率 。 l 可 以 用 香 农 公 式 来 计 算 电 话 线 的 数 据 传 输 速 率 。 通 常 音 频 电 话 连 接 支 持 的 带 宽 B=3KHz， 而 一 般 链 路 典 型 的 信 噪 比 是 30dB， 即 S/N=1000， 因 此 有 C=3000 log2（ 1001） ，近 似 等 于 30Kbps， 因 此 如 果 电 话

21、 网 的 信 噪 比 没 有 改 善 或 不 使用 压 缩 方 法 ， “ Modem”将 达 不 到 更 高 的 速 率 。 香农公式l 香 农 在 信 息 论 中 指 出 ， 如 果 信 源 的 信 息 速 率 R小 于 或 者 等 于信 道 容 量 C， 那 么 ， 在 理 论 上 存 在 一 种 方 法 可 使 信 源 的 输 出能 够 以 任 意 小 的 差 错 概 率 通 过 信 道 传 输 。 l 信 道 的 带 宽 或 信 道 中 的 信 噪 比 越 大 ， 则 信 息 的 极 限 传 输 速率 就 越 高 。 l 只 要 信 息 传 输 速 率 低 于 信 道 的 极 限 信

22、 息 传 输 速 率 ， 就 一 定可 以 找 到 某 种 办 法 来 实 现 无 差 错 的 传 输 。 l 若 信 道 带 宽 W 或 信 噪 比 S/N 没 有 上 限 （ 当 然 实 际 信 道 不 可能 是 这 样 的 ） ， 则 信 道 的 极 限 信 息 传 输 速 率 C 也 就 没 有 上限 。l 实 际 信 道 上 能 够 达 到 的 信 息 传 输 速 率 要 比 香 农 的 极 限 传 输速 率 低 很 多 。 奈氏准则和香农公式在数据通信系统中的作用范围 源 系 统 传 输 系 统 目 的 系 统传 输系 统源 点 终 点发 送 器 接 收 器输入信息 输出信息输入数

23、据 输出数据发 送 的信 号 接 收 的信 号码 元 传 输 速 率 受奈 氏 准 则 的 限 制信 息 传 输 速 率 受香 农 公 式 的 限 制 无 线 电 微 波 红 外 线可 见 光 紫 外 线 X射 线 射 线双 绞 线 同 轴 电 缆 卫 星地 面 微 波 调 幅无 线 电 调 频无 线 电 海 事无 线 电 光 纤电 视(Hz)f (Hz)f LF MF HF VHF UHF SHF EHF THF波 段 104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016100 102 104 106 108 1010 1012

24、 1014 1016 1018 1020 1022 1024 移 动无 线 电 电信领域使用的电磁波的频谱 导向传输媒体l双 绞 线 屏 蔽 双 绞 线 STP (Shielded Twisted Pair) 无 屏 蔽 双 绞 线 UTP (Unshielded Twisted Pair) l同 轴 电 缆 50 同 轴 电 缆 75 同 轴 电 缆l光 缆 各种电缆铜 线 铜 线聚 氯 乙 烯 套 层 聚 氯 乙 烯套 层 屏 蔽 层绝 缘 层 绝 缘 层外 导 体 屏 蔽 层 绝 缘 层绝 缘 保 护 套 层 内 导 体无 屏 蔽 双 绞 线 UTP 屏 蔽 双 绞 线 STP同 轴 电

25、 缆 双绞线实物（1） 双绞线实物（2） 光纤l光 纤 不 仅 具 有 通 信 容 量 非 常 大 的 优 点 ， 而 且 还 具有 其 他 的 一 些 特 点 ： 传 输 损 耗 小 ， 中 继 距 离 长 ， 对 远 距 离 传 输 特 别 经 济 。 抗 雷 电 和 电 磁 干 扰 性 能 好 。 这 在 有 大 电 流 脉 冲 干 扰 的 环境 下 尤 为 重 要 。 无 串 音 干 扰 ， 保 密 性 好 ， 也 不 易 被 窃 听 或 截 取 数 据 。 体 积 小 ， 重 量 轻 。 包 带 层 加 强 芯 外 护 套远 供 电 源 线 光 纤 及 其 包 层 填 充 物四 芯

26、光 缆 剖 面 的 示 意 图 四芯光缆剖面的示意图 光线在光纤中的折射 折 射 角入 射 角 包 层（ 低 折 射 率 的 媒 体 ） 包 层（ 低 折 射 率 的 媒 体 ） 纤 芯（ 高 折 射 率 的 媒 体 ） 包 层 纤芯 输 入 脉 冲 输 出 脉 冲单 模 光 纤多模光纤与单模光纤输 入 脉 冲 输 出 脉 冲多 模 光 纤 光纤知识l 多 模 光 纤 (Multi Mode Fiber)： 中 心 玻 璃 芯 较 粗 (50或62.5m)， 可 传 多 种 模 式 的 光 。 但 其 模 间 色 散 较 大 ， 限 制 了传 输 数 字 信 号 的 频 率 ， 而 且 随 距

27、 离 的 增 加 会 更 加 严 重 。 例如 ： 600MB/KM的 光 纤 在 2KM时 则 只 有 300MB的 带 宽 了 。因 此 ， 多 模 光 纤 传 输 的 距 离 就 比 较 近 ， 一 般 只 有 几 公 里 。l 单 模 光 纤 (Single Mode Fiber)： 中 心 玻 璃 芯 很 细 (芯 径 一 般为 9或 10m)， 只 能 传 一 种 模 式 的 光 。 因 此 ， 其 模 间 色 散 很小 ， 适 用 于 远 程 通 讯 ， 但 还 存 在 着 材 料 色 散 和 波 导 色 散 ，这 样 单 模 光 纤 对 光 源 的 谱 宽 和 稳 定 性 有

28、较 高 的 要 求 ， 即 谱宽 要 窄 ， 稳 定 性 要 好 。 1.31m常 规 单 模 光 纤 的 主 要 参 数 是由 国 际 电 信 联 盟 ITU T在 G652建 议 中 确 定 的 ， 因 此 这 种 光纤 又 称 G652光 纤 。 l当 采 用 光 纤 连 网 时 ， 常 常 将 一 段 段 点 到 点 的 链路 串 接 起 来 构 成 一 个 环 路 ， 通 过 T形 接 头 连 接到 计 算 机 。 T形 接 头 有 两 种 ： 无 源 的 和 有 源 的 。 无 源 的 T形 接 头由 于 完 全 是 无 源 的 ， 因 此 非 常 可 靠 。 有 源 的 T形 接

29、 头 实 际 上 就 是 一 个 有 源 转 发 器 。 光纤 光 传 播 的 方 向 与 计 算 机 相 连铜 线 光 纤 光 纤 光 接 收 器（ 光 电 二 极 管 ） 光 发 送 器（ 发 光 二 极 管 LED）信 号 再 生 器（ 电 信 号 ） 接 口 的 结 构计 算 机 接 口 使用有源转发器的光纤环路 光纤实物 非导向传输媒体 l无 线 传 输 所 使 用 的 频 段 很 广 。l短 波 通 信 主 要 是 靠 电 离 层 的 反 射 ， 但 短 波 信 道 的 通信 质 量 较 差 。l微 波 在 空 间 主 要 是 直 线 传 播 。 地 面 微 波 接 力 通 信 卫

30、 星 通 信 Guided Transmission Data Magnetic Media Twisted Pair Coaxial Cable Fiber Optics Wireless Transmission The Electromagnetic Spectrum Radio Transmission Microwave Transmission Infrared and Millimeter Waves Lightwave Transmission 本讲小结l数 据 通 信 系 统 的 模 型l有 关 信 道 的 几 个 基 本 概 念l信 道 的 最 高 码 元 传 输 速 率l信 道 的 极 限 信 息 传 输 速 率 作业l上 交 作 业 ： P61,2-01,2-03,2-04,2-05,2-06,2-09