数据通信技术

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1、1数据通信技术问题问题原由原由数据通信技术完成数据的编码、传输和处理，为计数据通信技术完成数据的编码、传输和处理，为计算机网络的应用提供必要的技术支持和可靠的通信算机网络的应用提供必要的技术支持和可靠的通信环境。那么，它是如何实现这些功能的呢？这就是环境。那么，它是如何实现这些功能的呢？这就是本章所要讨论的问题。本章所要讨论的问题。本章重点讨论数据通信系统和常用通信信道类型、本章重点讨论数据通信系统和常用通信信道类型、数据调制与编码技术、数据传输技术、多路复用技数据调制与编码技术、数据传输技术、多路复用技术、数据交换技术和差错控制等技术。术、数据交换技术和差错控制等技术。教学教学重点重点要求要

2、求掌握掌握:数据通信的基本概念数据通信的基本概念,数据传输与编码技术数据传输与编码技术.了解：了解：数据传输技术的发展趋势。数据传输技术的发展趋势。熟悉熟悉:多路复用技术、数据交换技术、差错控制技多路复用技术、数据交换技术、差错控制技 术等。术等。21 数据通信的基本概念数据通信的基本概念 6 差错控制技术差错控制技术 5 数据交换技术数据交换技术 4 多路复用技术多路复用技术 2 数据调制与编码技术数据调制与编码技术3 数据传输技术数据传输技术本章目录3知识结构数数据据通通信信技技术术数据通信的数据通信的基本概念基本概念数据交换数据交换技术技术数据传输带宽数据传输带宽数据传输介质数据传输介质

3、数字传输的质量参数数字传输的质量参数多路复用多路复用技术技术数据传输数据传输技术技术帧中继交换帧中继交换分组交换分组交换报文交换报文交换电路交换电路交换数据通信系统数据通信系统信息、数据与信号信息、数据与信号串行传输与并行传输串行传输与并行传输数字数据的模拟调制数字数据的模拟调制模拟数据的模拟调制模拟数据的模拟调制数字数据的数字编码数字数据的数字编码数据调制与数据调制与编码技术编码技术频分多路复用频分多路复用时分多路复用时分多路复用单向传输与双向传输单向传输与双向传输同步传输与异步传输同步传输与异步传输模拟数据的数字编码模拟数据的数字编码密集波分多路复用密集波分多路复用码分多路得用码分多路得用

4、差错控制差错控制技术技术 差错控制方法差错控制方法差错检测方法差错检测方法差错的产生于类型差错的产生于类型41数据通信的基本概念 1 1 1 1、信息信息信息信息 信息泛指那些通过各种方式传播的信息泛指那些通过各种方式传播的、可被感受的声音可被感受的声音、文文字字、图像图像、符号等所表征的某一特定事物的消息符号等所表征的某一特定事物的消息、情报或知识情报或知识。2 2 2 2、数据数据数据数据 数据是对客观事物的符号表示，在计算机科学中是指所有数据是对客观事物的符号表示，在计算机科学中是指所有输入到计算机中并被计算机程序处理的符号的总称。数据分为输入到计算机中并被计算机程序处理的符号的总称。数

5、据分为模拟数据和数字数据两种。模拟数据和数字数据两种。模拟数据：模拟数据：在时间和幅值取值上都是连续变化的在时间和幅值取值上都是连续变化的,例如例如声音、语音、视频和动画片等。模拟数据通常用传感器收集。声音、语音、视频和动画片等。模拟数据通常用传感器收集。数字数据：数字数据：在时间上是离散的在时间上是离散的,在幅值上是经过量话的在幅值上是经过量话的,它一般是由它一般是由0、1构成的二进制代码组成的数字序列。构成的二进制代码组成的数字序列。1.1 1.1 信息、数据与信号信息、数据与信号5 3 3 3 3、信号、信号、信号、信号 信号是数据的具体物理表现形式，它具有确定的物理描述信号是数据的具体

6、物理表现形式，它具有确定的物理描述,如电信号、光信号或磁场强度等。信号分为数字信号和模拟信如电信号、光信号或磁场强度等。信号分为数字信号和模拟信号两种。号两种。图图 2-2 2-2 模拟信号与数字信号波形模拟信号与数字信号波形ty（a）连续的模拟信号ty（b）离散的数字信号 模拟信号：模拟信号：是一种连续是一种连续变化的电脉冲序列，例如电话变化的电脉冲序列，例如电话语音信号、电视信号等，它是语音信号、电视信号等，它是随时间变化的函数曲线，如图随时间变化的函数曲线，如图2-22-2（a a）所示。所示。1.1信息、数据与信号信息、数据与信号 数字信号：数字信号：是离散的不是离散的不连续的电信号连

7、续的电信号,通常用通常用“高高”和和“低低”电平脉冲序列组成的编电平脉冲序列组成的编码来表示数据码来表示数据,如图如图2-2(b)2-2(b)所示所示。61.2数据通信系统 1 1 1 1、数据通信系统的基本结构、数据通信系统的基本结构、数据通信系统的基本结构、数据通信系统的基本结构 任何一个通信系统都可以看作是由发送设备、传输信道和任何一个通信系统都可以看作是由发送设备、传输信道和接收设备三大部分组成。我们把产生和发送信息的一端称为信接收设备三大部分组成。我们把产生和发送信息的一端称为信源，把接收信息的一端称为信宿，把信源传送到信宿的通信线源，把接收信息的一端称为信宿，把信源传送到信宿的通信

8、线路称为信道。路称为信道。在实际通信系统中，难免受到外界电磁波等噪音源的干扰在实际通信系统中，难免受到外界电磁波等噪音源的干扰影响。因此，数据通信系统的基本结构如图影响。因此，数据通信系统的基本结构如图2-32-3所示。所示。图图 2-3 2-3 通信系统的基本结构通信系统的基本结构数据数据+噪音噪音噪音源噪音源信信 源源信信 道道信信 宿宿71.2数据通信系统 2 2 2 2、数据通信类型、数据通信类型、数据通信类型、数据通信类型 在数据通信系统中，将传输模拟信号的系统称为模拟通信在数据通信系统中，将传输模拟信号的系统称为模拟通信系统，将传输数字信号的系统称为数字通信系统。系统，将传输数字信

9、号的系统称为数字通信系统。(1)(1)模拟通信系统：模拟通信系统：普通的电话、广播、电视等信号都属普通的电话、广播、电视等信号都属于模拟信号于模拟信号,由模拟信号所构成的通信系统属于模拟通信系统由模拟信号所构成的通信系统属于模拟通信系统。模拟通信系统通常由信源、调制器、信道、解调器、信宿以及模拟通信系统通常由信源、调制器、信道、解调器、信宿以及噪音源组成，其基本结构模型如图噪音源组成，其基本结构模型如图2-42-4所示。所示。图图 2-4 2-4 模拟通信系统结构模拟通信系统结构信信 源源调制器调制器解调器解调器信信 宿宿信信 道道噪音源噪音源81.2数据通信系统 (2)(2)数字通信系统：数

10、字通信系统：计算机通信、数字电话以及数字电视计算机通信、数字电话以及数字电视等信号都属于数字信号，由数字信号构成的通信系统属于数字等信号都属于数字信号，由数字信号构成的通信系统属于数字通信系统通信系统。数字通信系统通常由信源数字通信系统通常由信源、编码器编码器、信道信道、解码器、解码器、信宿以及噪音源组成，其基本结构模型如图信宿以及噪音源组成，其基本结构模型如图2-52-5所示。所示。图 2-5 数字通信系统基本结构图图 2-5 2-5 数字通信系统结构数字通信系统结构信信 源源编码器编码器解码器解码器信信 宿宿信信 道道噪音源噪音源 由于数字信号不适合远距离传输，所以在传输前将其变为由于数字

11、信号不适合远距离传输，所以在传输前将其变为模拟信号。因此，数字通信系统通常由信源、信源编码器、调模拟信号。因此，数字通信系统通常由信源、信源编码器、调制器、信道、解调器、信道译码器、信源译码器、信宿、噪音制器、信道、解调器、信道译码器、信源译码器、信宿、噪音源组成，其结构模型如图源组成，其结构模型如图2-62-6所示。所示。91.2数据通信系统 在数字通信系统中，调制器用于将发送端数字信号变换成模在数字通信系统中，调制器用于将发送端数字信号变换成模拟信号；解调器用于将模拟信号还原成数字信号。我们将具备调拟信号；解调器用于将模拟信号还原成数字信号。我们将具备调制与解调功能的设备称为调制解调器，它

12、在数据通信系统中的连制与解调功能的设备称为调制解调器，它在数据通信系统中的连接如图接如图2-72-7所示。所示。图 2-5 数字通信系统基本结构信信宿宿噪音源噪音源信信道道编编码码器器信信源源译译码码器器信信源源编编码码器器信信源源解解调调器器调调制制器器信信道道信信道道译译码码器器图图 2-6 数字通信系统结构模型数字通信系统结构模型101.2数据通信系统 以上介绍了数据通信技术的基本概念。事实上，无论是实以上介绍了数据通信技术的基本概念。事实上，无论是实现模拟通信现模拟通信,还是实现数字通信还是实现数字通信,都涉及到一系列的技术问题，都涉及到一系列的技术问题，包括数据调制与编码技术、数据传

13、输技术、多路复用技术、数包括数据调制与编码技术、数据传输技术、多路复用技术、数据交换技术、数据传输的差错检测与控制技术等。据交换技术、数据传输的差错检测与控制技术等。图图 2-7 2-7 调制解调器的功能作用调制解调器的功能作用电话线电话线电话交换网电话交换网计算机计算机Modem电话机电话机ModemModem电话机电话机计算机计算机电话线电话线112数据调制与编码技术 在计算机中的数据是用二进制在计算机中的数据是用二进制0 0、1 1比特序列表示的，在物比特序列表示的，在物理上是用低电平和高电平来呈现的。由于在线路上传输的数据理上是用低电平和高电平来呈现的。由于在线路上传输的数据有模拟数据

14、和数字数据，因而数据传输的通信信道有模拟信道有模拟数据和数字数据，因而数据传输的通信信道有模拟信道与数字信道之分。为了便于不同数据在不同的信道中传输与数字信道之分。为了便于不同数据在不同的信道中传输(适适应不同的传输特性应不同的传输特性),),在数据送入信道之前必须对其进行调制和在数据送入信道之前必须对其进行调制和编码。在通信系统中编码。在通信系统中,数据的调制和编码可分为数据的调制和编码可分为4 4种基本形式：种基本形式：1数字数据的模拟调制数字数据的模拟调制2模拟数据的模拟调制模拟数据的模拟调制3数字数据的数字编码数字数据的数字编码4模拟数据的数字编码模拟数据的数字编码122.1数字数据的

15、模拟调制 数数字字数数据据的的调调制制基基于于调调幅幅、调调频频、调调相相3 3种种调调制制技技术术，分分别别称称为为振振幅幅键键控控、移移频频键键控控和和移移相相键键控控。图图2-102-10显显示示了了对对数数字数据字数据“010010010010”进行不同调制方法的波形。进行不同调制方法的波形。图图 2-10 2-10 数字数据的调制原理示意图数字数据的调制原理示意图132.2模拟数据的模拟调制 对模拟数据进行模拟调制的目的：其一是将低频信号搬迁对模拟数据进行模拟调制的目的：其一是将低频信号搬迁到较高的频带进行传输；其二是将模拟信号放大；其三是通过到较高的频带进行传输；其二是将模拟信号放

16、大；其三是通过调制可以使用频分多路复用技术。模拟数据调制可通过调幅、调制可以使用频分多路复用技术。模拟数据调制可通过调幅、调频和调相调频和调相3 3种方法来实现，如图种方法来实现，如图2-112-11所示。所示。基带传输信号基带传输信号高频载波信号高频载波信号(a)a)振幅调制振幅调制(b)b)频率调制频率调制(c)c)相位调制相位调制图图 2-11 2-11 模拟信号的模拟凋制模拟信号的模拟凋制142.2模拟数据的模拟调制 1 1 1 1、振幅调制（、振幅调制（、振幅调制（、振幅调制（Amplitude modulationAmplitude modulationAmplitude modu

17、lationAmplitude modulation，AMAMAMAM）振振幅幅调调制制是是以以原原来来的的模模拟拟数数据据为为调调制制信信号号对对载载波波的的幅幅值值按按调调制制信信号号的的幅幅值值进进行行调调制制，调调制制后后载载波波信信号号的的频频率率和和相相位位不变不变,幅值随调制信号的幅值变化而变化幅值随调制信号的幅值变化而变化,如图如图2-11(2-11(a)a)所示。所示。2 2 2 2、频率调制（、频率调制（、频率调制（、频率调制（Frequency modulationFrequency modulationFrequency modulationFrequency modu

18、lation，FMFMFMFM）频频率率调调制制是是以以原原来来的的模模拟拟数数据据为为调调制制信信号号,对对载载波波的的频频率率按按调调制制信信号号的的频频率率进进行行调调制制,调调制制后后载载波波信信号号的的相相位位和和幅幅值值不不变变，频率随调制信号的幅值变化而变化，如图频率随调制信号的幅值变化而变化，如图2-11(2-11(b)b)所示。所示。3 3 3 3、相位调制（、相位调制（、相位调制（、相位调制（Phase modulationPhase modulationPhase modulationPhase modulation，PMPMPMPM）相相位位调调制制是是以以原原来来的的

19、模模拟拟数数据据为为调调制制信信号号,对对载载波波的的相相位位按按调调制制信信号号的的相相位位进进行行调调制制，调调制制后后载载波波信信号号的的频频率率和和幅幅值值不变不变,相位随调制信号的幅值变化而变化相位随调制信号的幅值变化而变化,如图如图2-11(2-11(c)c)所示。所示。152.3数字数据的数字编码 数字数据的数字编码就是如何把数字数据用物理信号的数字数据的数字编码就是如何把数字数据用物理信号的波形表示，是用高低电平的不同组合来表示二进制的方法。波形表示，是用高低电平的不同组合来表示二进制的方法。常用的编码方式主要有常用的编码方式主要有3 3种种：不归零编码不归零编码、曼彻斯特编码

20、曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码。和差分曼彻斯特编码。1 1 1 1、不归零码（、不归零码（、不归零码（、不归零码（Non-Return to ZeroNon-Return to ZeroNon-Return to ZeroNon-Return to Zero，NRZNRZNRZNRZ）不归零码是一种全宽码，即信号波形在一个码元全部时不归零码是一种全宽码，即信号波形在一个码元全部时间内发出或不发出电流，每一位码占全部码元的宽度。不归间内发出或不发出电流，每一位码占全部码元的宽度。不归零码可分为单极性和双极性两种：零码可分为单极性和双极性两种：单极性不归零码单极性不归零码(Single Polar

21、ity NRZ)Single Polarity NRZ)：是以无电是以无电压（无电流）表示压（无电流）表示“0 0”，而用恒定的正电压表示，而用恒定的正电压表示“1 1”。双极性不归零码双极性不归零码(Double Polarity NRZ)Double Polarity NRZ)：是以负电是以负电压表示压表示“0 0”，而用恒定的正电压表示，而用恒定的正电压表示“1 1”。以上反之亦然，即负电压表示以上反之亦然，即负电压表示“1 1”，正电压表示，正电压表示“0 0”。162.3数字数据的数字编码 2 2 2 2、曼彻斯特编码曼彻斯特编码曼彻斯特编码曼彻斯特编码 曼彻斯特编码是目前应用最广泛

22、的编码方法之一。其编码曼彻斯特编码是目前应用最广泛的编码方法之一。其编码规则是：每个比特的周期规则是：每个比特的周期T T分为前分为前T/2T/2与后与后T/2T/2两部分；通过前两部分；通过前T/2T/2传送该比特的反码，通过后传送该比特的反码，通过后T/2T/2传送该比特的原码。传送该比特的原码。3 3 3 3、差分曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码 是对曼彻斯特编码的改进是对曼彻斯特编码的改进,它将时钟和数据包含在信号中它将时钟和数据包含在信号中,在传输代码信息的同时将时钟同步信号一起传输到对方，所以在传输代码信息的同时将时钟同步信号一起传输到对方，所以都属于自

23、同步编码，其数据传输速率只有调制速率的都属于自同步编码，其数据传输速率只有调制速率的1/21/2。0 1 1 0 1 0 0 1tO曼彻斯特编码曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码 0 1 1 0 1 0 0 1tO17模拟信号模拟信号 PAMPAM信号信号 PAMPAM信号信号 数字信号数字信号2.4模拟数据的数字编码 模模拟拟数数据据的的数数字字编编码码是是把把模模拟拟数数据据转转换换为为数数字字信信号号的的编编码码方方法法。由由于于数数字字信信号号传传输输失失真真小小、误误码码率率低低、传传输输速速率率高高、便便于于计算机存储，所以将模拟数据数字化已成为必然趋势。计算机存储，所以

24、将模拟数据数字化已成为必然趋势。模模拟拟数数据据数数字字编编码码的的最最常常用用方方法法是是脉脉冲冲编编码码调调制制（Pulse Pulse Code Code ModulationModulation，PCM),PCMPCM),PCM的的工工作作过过程程包包括括3 3个个步步骤骤：采采样样、量化与编码，其相应的波形信号如图量化与编码，其相应的波形信号如图2-132-13所示。所示。图图 2-13 PCM2-13 PCM脉冲编码调制过程示意图脉冲编码调制过程示意图采样速采样速率率8000t/8000t/s s指定数指定数值给对值给对应的应的PAMPAM信号信号将量化将量化值进行值进行编码编码1

25、82.4模拟数据的数字编码 1 1 1 1、采样（、采样（、采样（、采样（SamplingSamplingSamplingSampling）采采样样是是模模拟拟信信号号数数字字化化的的第第一一步步。模模拟拟信信号号是是电电平平连连续续变变化化的的信信号号,采采样样是是隔隔一一定定的的时时间间间间隔隔,将将模模拟拟信信号号的的电电平平幅幅度度值值取出来作取出来作为样为样本本,让让其表示原来的信号其表示原来的信号。采采样频样频率率f f应为应为：f2Bf2B 或或 f fl lT2T2f f 式式中中：B B为为通通信信信信道道带带宽宽；T T为为采采样样周周期期；f f为为信信道道允允许许通通过

26、过的信号最高的信号最高频频率。率。2 2 2 2、量化（量化（量化（量化（QuantizingQuantizingQuantizingQuantizing）量量化化是是将将采采样样样样本本幅幅度度按按量量化化级级决决定定取取值值的的过过程程，经经量量化化后后的的样样本本幅幅度度为为离离散散的的量量化化级级值值已已不不是是连连续续值值。量量化化的的目目的是的是为为每一个每一个PAMPAM信号信号设设定一个信号定一个信号值值。192.4模拟数据的数字编码 量量化化之之前前要要将将信信号号分分为为若若干干量量化化级级,同同时时,要要规规定定好好每每一一级级对对应应的的幅幅度度范范围围。若若量量化化范

27、范围围在在0 0127,127,则则每每个个采采样样用用7 7位位二二进进制制(2(27 7128)128)来来表表示示,量量化化速速率率需需要要5600056000bps(80007)bps(80007)；若若量量化化的的范范围围在在0 0255,255,则则每每个个采采样样用用8 8位位二二进进制制（2 28 8256256）来表示，量化速率需要来表示，量化速率需要6400064000bpsbps（8000880008）。）。3 3 3 3、编码（编码（编码（编码（EncodingEncodingEncodingEncoding）编码是用相应位数的二进制代码表示量化后的采样样本编码是用相应

28、位数的二进制代码表示量化后的采样样本的量级。为了能精确地还原成原来的模拟信号，量化值编码的量级。为了能精确地还原成原来的模拟信号，量化值编码在传送数字至数模转换器时，其速率必须和采样时一样。经在传送数字至数模转换器时，其速率必须和采样时一样。经过转换后，信号才会和原来模拟信号波形接近。过转换后，信号才会和原来模拟信号波形接近。【例例2-22-2】声音的带宽为】声音的带宽为40004000HzHz，采用频率为采用频率为80008000次次/s s，用用8 8位二进制编码，则信道的数据传输速率为：位二进制编码，则信道的数据传输速率为：88000 880006400064000bpsbps64kbp

29、s64kbps。20 数据传输是网络通信的物质基础。数据传输技术涉及的内数据传输是网络通信的物质基础。数据传输技术涉及的内容很多，包括数据传输媒介、数据传输带宽、数据传输方式和容很多，包括数据传输媒介、数据传输带宽、数据传输方式和数据传输质量参数等。数据传输质量参数等。数据传输涉及的主要内容数据传输涉及的主要内容数据传输数据传输质量参数质量参数传输方式传输方式传输带宽传输带宽传输媒介传输媒介3数据传输技术 213.1数据传输介质 数据传输介质是网络中连接收发双方的物理通路，是数据数据传输介质是网络中连接收发双方的物理通路，是数据通信中实际传送信息的载体。网络中常用的传输介质有：同轴通信中实际传

30、送信息的载体。网络中常用的传输介质有：同轴电缆、双绞线、光纤、微波、卫星、红外线等。电缆、双绞线、光纤、微波、卫星、红外线等。1 1 1 1、同轴电缆（、同轴电缆（、同轴电缆（、同轴电缆（Coaxial CableCoaxial CableCoaxial CableCoaxial Cable）同轴电缆是局域网中最早使用而且应用十分广泛的传输介同轴电缆是局域网中最早使用而且应用十分广泛的传输介质，可以通过专用的中同轴电缆质，可以通过专用的中同轴电缆(俗称粗缆俗称粗缆)或小同轴电缆或小同轴电缆(俗称俗称细缆细缆)来组网，并广泛应用于局域网中。同轴电缆由内导体、绝来组网，并广泛应用于局域网中。同轴电

31、缆由内导体、绝缘层、屏蔽层及外部保护层组成，其结构如图缘层、屏蔽层及外部保护层组成，其结构如图2-142-14所示。所示。保护层、屏蔽层、绝缘层、导体保护层、屏蔽层、绝缘层、导体图图 2-14 2-14 同轴电缆结构示意图同轴电缆结构示意图 同轴电缆的最大优点是抗同轴电缆的最大优点是抗干扰性强干扰性强,而且支持多点连接。而且支持多点连接。缺点是物理可靠性不好，缺点是物理可靠性不好，所以现在基本上已被双绞线所所以现在基本上已被双绞线所替代。替代。223.1数据传输介质 2 2 2 2、双绞线（、双绞线（、双绞线（、双绞线（Twisted PairTwisted PairTwisted PairT

32、wisted Pair）双绞线的物理结构是由按规则螺旋结构排列的双绞线的物理结构是由按规则螺旋结构排列的2 2根、根、4 4根或根或8 8根绝缘导线组成。一对线可以作为一条通信线路，各个线对螺根绝缘导线组成。一对线可以作为一条通信线路，各个线对螺旋排列的目的是为了使各线对之间的电磁干扰最小。旋排列的目的是为了使各线对之间的电磁干扰最小。双绞线是模拟和数字数据通信最普通的传输媒体，它的主双绞线是模拟和数字数据通信最普通的传输媒体，它的主要应用范围是电话系统中的模拟话音传输，最适合于较短距离要应用范围是电话系统中的模拟话音传输，最适合于较短距离的信息传输，当超过几千米时信号因衰减可能会产生畸变，这

33、的信息传输，当超过几千米时信号因衰减可能会产生畸变，这时就要使用中继器（时就要使用中继器（RepeaterRepeater）来放大信号和再生波形。）来放大信号和再生波形。双绞线的价格在传输媒体中是最便宜的，并且安装简单，双绞线的价格在传输媒体中是最便宜的，并且安装简单，所以得到广泛的使用。在局域网中一般也采用双绞线作为传输所以得到广泛的使用。在局域网中一般也采用双绞线作为传输媒体。双绞线可分为媒体。双绞线可分为非屏蔽双绞线非屏蔽双绞线UTPUTP（Unshielded Twisted Unshielded Twisted PairPair）和）和屏蔽双绞线屏蔽双绞线STPSTP（Shielde

34、d Twisted PairShielded Twisted Pair）。）。233.1数据传输介质单模光纤单模光纤多模光纤多模光纤 3 3 3 3、光纤（、光纤（、光纤（、光纤（FiberFiberFiberFiber）光纤是光导纤维（光纤是光导纤维（Fiber OpticsFiber Optics）的简称，采用光导纤维）的简称，采用光导纤维作为传输介质，是网络传输介质领域中发展最快、性能最好、作为传输介质，是网络传输介质领域中发展最快、性能最好、应用前途最广泛的一种。光纤分为应用前途最广泛的一种。光纤分为单模单模（8.3/125um8.3/125um ）和）和多多模模（50/125um50

35、/125um，62.5/125um62.5/125um）两种。）两种。24名称名称传输介质传输介质最大段长度最大段长度每段节点数每段节点数10Base5粗同轴电缆500米10010Base2细同轴电缆185米3010Base-TUTP100米102410Base-F光纤2000米1024100Base-T4UTP100米100Base-TXUTP100米100Base-FX光纤2000米1000Base-SX光纤550米1000Base-LX光纤5000米1000Base-CXSTP25米1000Base-TUTP100米3.1数据传输介质253.2数据传输带宽 1 1 1 1、数据传输单位（

36、、数据传输单位（、数据传输单位（、数据传输单位（Data Transfer UnitData Transfer UnitData Transfer UnitData Transfer Unit）数据传输单位通常可用比特、码元、码字、码字来表示。数据传输单位通常可用比特、码元、码字、码字来表示。比比特特：是是二二进进制制的的缩缩写写，即即计计算算机机常常用用术术语语“位位”，在数据通信中用来度量消息的信息量。在数据通信中用来度量消息的信息量。码码元元：是是对对计计算算机机网网络络传传送送的的二二进进制制数数字字中中的的每每一一位位的通称。例如二进制数字的通称。例如二进制数字10000011000

37、001是由是由7 7个码元组成的序列。个码元组成的序列。码字：码字：在在7 7位位ASCIIASCII码中，码中，10000011000001这这7 7个码元组成的序个码元组成的序列代表字母列代表字母A A，通常将这个字母通常将这个字母A A称为称为“码字码字”。263.2数据传输带宽 2 2 2 2、数据传输速率（数据传输速率（数据传输速率（数据传输速率（Data Transfer SpeedData Transfer SpeedData Transfer SpeedData Transfer Speed）数数据据传传输输速速率率是是指指每每秒秒能能传传输输的的二二进进制制信信息息位位数数，

38、又又称称为为比比特特率率，用用bpsbps标标记记，表表示示每每秒秒传传输输的的二二进进制制位位数数，单单位位用用比特比特/每秒表示，它可由下式确定：每秒表示，它可由下式确定：式式中中：T T为为数数字字信信号号脉脉冲冲重重复复周周期期；N N为为一一个个脉脉冲冲信信号号代代表表的的有有效效状状态态数数，是是2 2的的整整数数倍倍。例例如如二二进进制制的的一一个个脉脉冲冲可可以以表表示示“0 0”和和“1 1”两两个个状状态态，故故N N2 2。LogLog2 2N N为为单单位位脉脉冲冲能能表表示的比特数，如示的比特数，如N N4 4时表示一个单位脉冲为时表示一个单位脉冲为2 2bitbit

39、。一一个个数数字字脉脉冲冲也也称称为为一一个个码码元元，N N为为一一个个码码元元所所取取的的有有效效离离散散值值个个数数,若若一一个个码码元元仅仅可可取取0 0和和1 1两两种种离离散散值值,则则N N2 2；若若一个码元可取一个码元可取0000、0101、1010、1111四种离散值，则四种离散值，则N N4 4。273.2数据传输带宽 【例例2-42-4】脉脉码码调调制制系系统统PCMPCM每每秒秒钟钟测测量量取取样样800800次次，量量化化电电平为平为256256个，求数据传输率。个，求数据传输率。解：信号周期解：信号周期T Tl l80008000，量化电平数量化电平数N N256

40、2562 28 8 当当一一个个码码元元仅仅取取两两种种离离散散值值时时，S=1S=1T T，表表示示数数据据传传输输速速率率等等于于码码元元脉脉冲冲的的重重复复频频率率。此此时时的的S S叫叫信信号号传传输输速速率率，也也称称码码元元率率、调调制制速速率率或或波波特特率率，单单位位为为波波特特(Baud)Baud)。若若信信号码元的宽度为号码元的宽度为T T秒，则码元速率定义为：秒，则码元速率定义为：283.3数据传输的质量参数 3 3 3 3、调制速率（、调制速率（、调制速率（、调制速率（Modulation SpeedModulation SpeedModulation SpeedMod

41、ulation Speed）调调制制速速率率也也称称为为波波形形速速率率或或码码元元速速率率，它它是是数数字字信信号号经经过过调调制制后后的的传传输输速速率率，表表示示数数据据传传输输过过程程中中线线路路上上每每秒秒钟钟传传送送的的波波形形个个数数。显显然然，波波形形持持续续时时间间越越短短，单单位位时时间间内内传传输输的的波波形形数数就就越越多多，则则数数据据传传输输速速率率也也越越高高。数数据据传传输输速速率率与与调调制制速速率率的区别与联系如图的区别与联系如图2-222-22所示。所示。模拟信道模拟信道解调器解调器调制速率调制速率传输速率传输速率计算机计算机调制器调制器计算机计算机图图

42、2-22 2-22 数据传输速率与调制速率的区别数据传输速率与调制速率的区别293.3数据传输的质量参数 4 4 4 4、信道带宽（信道带宽（信道带宽（信道带宽（Channel BroadbandChannel BroadbandChannel BroadbandChannel Broadband）信信道道带带宽宽是是指指信信道道中中传传输输的的信信号号在在不不失失真真的的情情况况下下所所占占用用的的频频率率范范围围，通通常常称称为为信信道道的的通通频频带带，单单位位用用赫赫兹兹（调调制制速速率率）表表示示。信信道道带带宽宽由由信信道道的的物物理理特特性性所所决决定定，例例如如电电话话线线路路

43、的的频频率率范范围围在在30030034003400HzHz，那那么么，它它的的带带宽宽范范围围也也在在30030034003400HzHz。信道宽度用信道宽度用W W表示。表示。5 5 5 5、信道容量（、信道容量（、信道容量（、信道容量（ChannelChannelChannelChannel Capacity Capacity）信信道道容容量量是是指指信信道道能能传传输输信信息息的的最最大大能能力力，一一般般用用时时间间内内最最大大可可传传送送的的字字节节数数来来表表示示。信信道道容容量量由由信信道道带带宽宽F F、可可使使用用的的时时间间T T以以及及信信道道质质量量决决定定。信信道道

44、容容量量和和信信道道带带宽宽具具有有正正比比关关系系，带带宽宽越越宽宽，则则容容量量越越大大，传传输输效效率率也也就就越越高高。关关于于信信道道容容量的计算有两条著名的定理。量的计算有两条著名的定理。303.3数据传输的质量参数 奈奈奎奎斯斯特特(Nyquist)Nyquist)定定理理：19421942年年,H.NyquistH.Nyquist证证明明，任任何何一一个个信信号号如如果果通通过过带带宽宽为为W W（HzHz）的的理理想想低低通通滤滤波波器器，若若每每秒秒取取样样2 2W W次次，就就可可以以完完整整地地重重现现该该滤滤波波过过后后的的信信号号。在在理理想想条条件件下下(无无噪噪

45、音音有有限限带带宽宽W W的的信信道道)，其其最最大大的的数数据据传传输输速速率率C C（信道容量）为：信道容量）为：式中：式中：N N为离散性信号或电平的个数。为离散性信号或电平的个数。【例例2-62-6】一一个个无无噪噪音音的的30003000HzHz信信道道传传输输二二进进制制信信号号，试试问问信信道容量（可允许的数据传输速率）是多少？道容量（可允许的数据传输速率）是多少？解解：由由于于传传输输的的二二进进制制信信号号是是“1 1”、“0 0”两两个个电电平平,即即N=2N=2，W=3000HzW=3000Hz，则信道容量：则信道容量：31 式式中中：RmaxRmax为为最最大大功功率率

46、；W W为为信信道道带带宽宽；L L为为信信道道上上传传输输的的信信号可取的离散值的个数。号可取的离散值的个数。【例例2-82-8】一一个个数数字字信信号号通通过过两两种种物物理理状状态态，经经信信噪噪比比为为2020dBdB的的3 3kHzkHz带宽信道传送，其数据率不会超过多少？带宽信道传送，其数据率不会超过多少？3.3数据传输的质量参数 香香农农（ShannonShannon）定定理理：19481948年年，Claude Claude ShannonShannon在在NyquistNyquist定定理理基基础础上上进进而而给给出出了了在在噪噪音音的的环环境境中中，信信道道容容量量将将与信

47、噪功率比有关。信道容量与信道带宽之间的关系：与信噪功率比有关。信道容量与信道带宽之间的关系：式式中中：N N为为噪噪音音功功率率；S S为为信信号号功功率率。信信道道传传输输的的信信息息多多少少完完全全由由带带宽宽所所决决定定。此此时时，信信道道中中的的每每秒秒所所传传输输的的最最大大比比特特数数由由奈奈奎斯特（奎斯特（NyquistNyquist）准则决定：准则决定：323.3数据传输的质量参数 解：按照解：按照ShannonShannon定理，已知信噪比电平为定理，已知信噪比电平为2020dBdB，信噪功率信噪功率比比S/NS/N，最大数据传输率为：最大数据传输率为：C=W Log2(1+

48、S/N)=3000 C=W Log2(1+S/N)=3000Log2(1+100)=19.88kbit/sLog2(1+100)=19.88kbit/s 6 6 6 6、误码率（、误码率（、误码率（、误码率（Error RatesError RatesError RatesError Rates）误误码码率率也也称称为为出出错错率率，是是指指数数据据通通信信系系统统在在正正常常工工作作情情况况下下信信息息传传输输的的错错误误率率。在在计计算算机机网网络络通通信信系系统统中中，要要求求误误码码率率低于低于1010-6-6。误码率可以用以下几种表示方法：。误码率可以用以下几种表示方法：误误比比特特

49、率率P Pb bb1(b1(接接收收的的错错误误比比特特数数)/)/b0(b0(传传输输总总比比特特数数接接收的错误比特数收的错误比特数)误码率误码率P Pe ee1(e1(接收码元中错误码元数接收码元中错误码元数)/)/e2(e2(传输总码元数传输总码元数)误字率误字率P Pw ww1(w1(接收的错误码字接收的错误码字)/)/w0(w0(传输总码字数传输总码字数)误组率误组率P PBwBwbw1(bw1(接收的错误组数接收的错误组数)/)/bw0(bw0(传输信息总组数传输信息总组数)333.3数据传输的质量参数 7 7 7 7、时延（时延（时延（时延（DelayDelayDelayDel

50、ay）时时延延是是指指一一个个报报文文或或分分组组从从一一条条链链路路的的一一端端传传送送到到另另一一端端所需的时间，它包括所需的时间，它包括3 3部分：部分：时延发送时延传播时延处理时延时延发送时延传播时延处理时延 发发送送时时延延：发发送送数数据据时时使使数数据据块块(分分组组或或报报文文)从从结结点点进进入到传输媒体所需要的时间。入到传输媒体所需要的时间。发送时延（传输时延）数据块长度发送时延（传输时延）数据块长度信道宽度信道宽度 传传播播时时延延：电电磁磁波波在在信信道道上上的的传传播播一一定定的的距距离离所所需需要要花花费的时间速度费的时间速度 传播时延信道长度传播时延信道长度/电磁

51、波在信道上的传播速度电磁波在信道上的传播速度(m/s)m/s)处处理理时时延延：数数据据在在交交换换结结点点为为存存储储转转发发而而进进行行一一些些必必要要处处理理所所花花费费的的时时间间。处处理理时时延延的的长长短短取取决决于于数数据据通通信信系系统统中中当当时的通信量。当通信量很大时时的通信量。当通信量很大时,还会发生溢出还会发生溢出,使分组丢失。使分组丢失。343.3数据传输的质量参数 【例例2-102-10】若若A A、B B两两台台计计算算机机之之间间的的距距离离为为10001000km,km,假假设设在在电电缆缆内内信信号号的的传传播播速速度度是是2102108 8m/s,m/s,

52、试试对对下下列列两两种种链链路路分分别计算发送时延和传播时延。别计算发送时延和传播时延。数据块长度为数据块长度为10108 8bitbit，数据发送速率为数据发送速率为1 1MbpsMbps；数据块长度为数据块长度为10001000bitbit，数据发送速率为数据发送速率为1 1GbpsGbps；解解：根根据据上上述述计计算算发发送送时时延延公公式式和和计计算算传传播播时时延延公公式式，分别求出不同链路的不同时延。分别求出不同链路的不同时延。发送时延发送时延10108 8bit/(1Mbps)bit/(1Mbps)100s100s 传播时延传播时延10001000bit/(210bit/(21

53、08 8m/s)m/s)5ms5ms 发送时延发送时延10001000bit/(1Gbps)bit/(1Gbps)1s1s 传播时延传播时延10001000km/(210km/(2108 8m/s)m/s)5ms5ms 通过此例说明，并非信道带宽越宽，数据在信道上跑的通过此例说明，并非信道带宽越宽，数据在信道上跑的速度越快。速度越快。353.4串行传输与并行传输 1 1 1 1、串行传输（、串行传输（、串行传输（、串行传输（Serial TransmissionSerial TransmissionSerial TransmissionSerial Transmission）串行串行传输传输是

54、指数据以串行方式，在一条信道上是指数据以串行方式，在一条信道上传输传输。在。在计计算机中，通常是用算机中，通常是用8 8位的二位的二进进制代制代码码来表示一个字符。在数来表示一个字符。在数据通信中，串行据通信中，串行传输传输方式如方式如图图2-232-23所示。所示。接接收收设设备备发发送送设设备备1234567812387645并行到串行的转换串行到并行的转换图图 2-23 2-23 串行传输示意图串行传输示意图363.4串行传输与并行传输接接收收设设备备发发送送设设备备12345678校验校验数据位1数据线 2 2 2 2、并行传输（、并行传输（、并行传输（、并行传输（Parallel T

55、ransmissionParallel TransmissionParallel TransmissionParallel Transmission）并行传输是指数据以成组的方式在多个并行信道上传输。并行传输是指数据以成组的方式在多个并行信道上传输。将表示一个字符的将表示一个字符的8 8位二进制代码同时通过位二进制代码同时通过8 8条并行的通信信道条并行的通信信道发送出去，这种工作方式称为并行通信，如图图发送出去，这种工作方式称为并行通信，如图图2-242-24所示。所示。图图 2-24 2-24 并行传输示意图并行传输示意图373.5同步传输与异步传输 在数据通信系统中，整个计算机通信系统能

56、否正确有效在数据通信系统中，整个计算机通信系统能否正确有效地工作，在相当程度上依赖于是否能很好地实现同步。目前地工作，在相当程度上依赖于是否能很好地实现同步。目前,串行通信的传输按通信约定的格式分为两种，即同步通信方串行通信的传输按通信约定的格式分为两种，即同步通信方式和异步通信方式。式和异步通信方式。1 1 1 1、同步传输（、同步传输（、同步传输（、同步传输（SynchronousSynchronousSynchronousSynchronous）位位同同步步：在在数数据据通通信信过过程程中中，接接收收端端根根据据发发送送端端发发送送数数据据的的起起止止时时间间和和时时钟钟频频率率来来校校

57、正正自自己己的的时时间间基基准准与与时时钟钟频频率率，这这个个过过程程就就叫叫做做位位同同步步。实实现现位位同同步步的的方方法法主主要要有有以以下下两种：两种：外外同同步步法法。是是在在发发送送端端发发送送一一路路数数据据信信号号的的同同时时，另另外外发发送送一一路路同同步步时时钟钟信信号号。接接收收端端根根据据接接收收到到的的同同步步时时钟钟信信号来校正时间基准与时钟频率，实现收发双方的位同步。号来校正时间基准与时钟频率，实现收发双方的位同步。383.5同步传输与异步传输 内同步法。内同步法。是从自含时钟编码的发送数据中提取同是从自含时钟编码的发送数据中提取同步时钟的方法，曼彻斯特编码与差分

58、曼彻斯特编码都是自含步时钟的方法，曼彻斯特编码与差分曼彻斯特编码都是自含时钟的编码方法。时钟的编码方法。字符同步字符同步：为保证收发双方正确传输字符为保证收发双方正确传输字符,将字符以将字符以组为单位传送，在每组字符之前加上一个用于同步控制的同组为单位传送，在每组字符之前加上一个用于同步控制的同步字符步字符SYNSYN，数据结束后加上后同步信号，接收端根据数据结束后加上后同步信号，接收端根据SYNSYN与与后同步信号确定数据字符的起始与终止。后同步信号确定数据字符的起始与终止。同步传输方式如图同步传输方式如图2-252-25所示。所示。图图 2-25 2-25 同步传输方式示意图同步传输方式示

59、意图1 10 01 11 10 01 10 01 10 01 11 10 01 11 10 00 0.1 11 11 11 10 01 10 01 11 10 01 11 10 01 10 00 00 01 11 11 11 11 11 10 00 01 11 11 11 11 11 10 0同步字节同步字节 数据帧数据帧 同步字节同步字节393.5同步传输与异步传输 2.2.2.2.异步传输（异步传输（异步传输（异步传输（asynchronousasynchronousasynchronousasynchronous）异步传输一次只传输一个字符异步传输一次只传输一个字符,每个字符用一位起始位

60、引每个字符用一位起始位引导、一位停止位结束。起始位为导、一位停止位结束。起始位为“0 0”,占一位占一位;停止位为停止位为“1 1”,占占1-21-2位。在没有数据发送时发送方可发送连续的停止位，接收位。在没有数据发送时发送方可发送连续的停止位，接收方根据方根据“1 1”至至“0 0”的跳变来判别一个新字符的开始的跳变来判别一个新字符的开始,然后接收然后接收字符中的所有位。异步传输方式如图字符中的所有位。异步传输方式如图2-262-26所示。所示。1 11 10 01 11 10 01 10 01 10 01 10 00 01 11 10 01 11 10 00 01 10 00 00 01

61、10 01 11 10 01 10 0 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 0 00 0数据传输方向停止位 数据位 起始位图图 2-26 2-26 同步传输方式示意图同步传输方式示意图40 指传送的信息始终是一个方向传送指传送的信息始终是一个方向传送,没反没反 方向的交互。其信道一般是二线制，一方向的交互。其信道一般是二线制，一 根用于传输数据根用于传输数据,另一根用于监测信号。另一根用于监测信号。允许数据在两个方向上传输允许数据在两个方向上传输,但在某一时但在某一时 刻，只允许数据在一个方向上传输刻，只允许数据在一个方向上传输,它实它实 际上是一种切换方向的单工通信。际上是一种切换方向的

62、单工通信。允许数据同时在两个方向上传输允许数据同时在两个方向上传输,它是两它是两 个单工通信方式的结合个单工通信方式的结合,它要求发送设备它要求发送设备 和接收设备都有独立的接收和发送能力和接收设备都有独立的接收和发送能力。3.6单向传输与双向传输单工数据传输单工数据传输半双工数据传输半双工数据传输全双工数据传输全双工数据传输 数据在通信线路上传输是有方向的，根据信号传送的方向数据在通信线路上传输是有方向的，根据信号传送的方向与时间关系，数据通信可分为三种基本工作方式：单工通信、与时间关系，数据通信可分为三种基本工作方式：单工通信、半双工通信与全双工通信。半双工通信与全双工通信。414多路复用

63、技术多多路路复复用用器器多多路路复复用用器器一一条条传传输输线线路路传传输输多多路路信信号号计计算算机机计计算算机机 传输信号要求的带宽与传输介质允许通过的带宽是不一样传输信号要求的带宽与传输介质允许通过的带宽是不一样的，为了节省开销，应当充分利用传输介质的带宽。在一条介的，为了节省开销，应当充分利用传输介质的带宽。在一条介质上同时传送多于一路以上信号的传输方式，叫做该介质的多质上同时传送多于一路以上信号的传输方式，叫做该介质的多路复用。多路复用传输技术的基本原理如图路复用。多路复用传输技术的基本原理如图2-30所示。所示。图图 2-30 2-30 多路复用基本原理多路复用基本原理示意图示意图

64、424.1频分多路复用 1 1 1 1、频分多路复用的概念、频分多路复用的概念、频分多路复用的概念、频分多路复用的概念 在物理信道的可用带宽超过单个原始信号所需带宽情况在物理信道的可用带宽超过单个原始信号所需带宽情况下，可将该物理信道的总带宽分割成若干个与传输单个信号下，可将该物理信道的总带宽分割成若干个与传输单个信号带宽相同的子信道，每个子信道传输一路信号，这就是频分带宽相同的子信道，每个子信道传输一路信号，这就是频分多路复用。频分多路复用的基本工作原理如图多路复用。频分多路复用的基本工作原理如图2-312-31所示。所示。图图 2-31 2-31 频分多路复用原理示意图频分多路复用原理示意

65、图信道（1）f1信道（2）f2信道（3）f3信道（4）f4信道（5）f5信道（6）f6多路多路复用复用器器多路多路复用复用器器源源1 1源源2 2源源3 3源源4 4源源5 5源源6 6目标目标1 1目标目标2 2目标目标3 3目标目标4 4目标目标5 5目标目标6 6信道带宽信道带宽BmBm警戒频带警戒频带BgBg434.1频分多路复用图图 2-32 2-32 频分多路技术实现示意图频分多路技术实现示意图104108kHz 108kHz 04Hz6064kHz 64kHz 04Hz100104kHz 104kHz 04Hz04Hz 108kHz 104108kHz04Hz 104kHz 10

66、0104kHz电话机1电话机n电话机204Hz 64kHz 6064kHz低通调制器带通多多路路复复用用器器低通调制器带通调制器带通低通带通调制器低通带通调制器低通调制器低通带通多多路路复复用用器器 2 2 2 2、频分多路复用的技术实现、频分多路复用的技术实现、频分多路复用的技术实现、频分多路复用的技术实现 频分多路复用主要用于电话模拟信号的传输。频分多路复用主要用于电话模拟信号的传输。频分多路复频分多路复用技术用于模拟信号的频分传输用技术用于模拟信号的频分传输，主要用于电话和电视主要用于电话和电视系统。系统。一根一根CATVCATV电缆的带宽大约是电缆的带宽大约是500MHz500MHz，可传送可传送8080个频道的电视节个频道的电视节目目。每个频道每个频道6MHz6MHz的带宽中又进一步划分为声音子通道、视频的带宽中又进一步划分为声音子通道、视频子通道以及彩色子通道，并留有警戒频带。子通道以及彩色子通道，并留有警戒频带。444.2时分多路复用 1 1 1 1、时分多路复用的概念、时分多路复用的概念、时分多路复用的概念、时分多路复用的概念 时分多路复用（时分多路复用（TDM）是将一