二数据通信基础

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频率
可 用 频 段 子信道A 子信道B 子信道C 子信道D
示 图 意子 2 图信 6 道 时间
FDM
图2.24 FDM子信道示意图
FDM系统的原理示意图如图2-7所示,它假设有6个 输入源,分别输入6路信号到频分多路器FDMMUX,多路器将每路信号调制在不同的载波频率上 (例如f1,f2,…,f6)。每路信号以其载波频率为 中心,占用一定的带宽,此带宽范围称作一个通道, 各通道之间通常用保护频带隔离,以保证各路信号 的频带间不发生重叠。
源1 源2 源3 源4 源5 源6 通道(1) 目标 1
FDM
多 路 复 用 器
MUX
通道(2) 通道(3) 通道(4) 通道(5) 通道(6)
多 路 复 用 器
MUX
目标 2 目标 3 目标 4 目标 5 目标 6
图 2 原 理 7 -
2.3.2 时分多路复用
TDM是将传输时间划分为许多个短的互不重叠的 时隙,而将若干个时隙组成时分复用帧,用每个 时分复用帧中某一固定序号的时隙组成一个子信 道,每个子信道所占用的带宽相同,每个时分复 用帧所占的时间也是相同的(如图2-8所示), 即在同步TDM中,各路时隙的分配是预先确定的 时间且各信号源的传输定时是同步的。对于TDM, 时隙长度越短,则每个时分复用帧中所包含的时 隙数就越多,所容纳的用户数也就越多,其原理 如图2-9所示。
(3)信号(Signal)简单地讲就是携带信息的传输介质。在通 信系统中我们常常使用的电信号、电磁信号、光信号、载波 信号、脉冲信号、调制信号等术语就是指携带某种信息的具 有不同形式或特性的传输介质。
2.数据通信系统的模型
图2-1 单向通信系统 图2-1 通信系统模型
图 2-1 为单向通信系统,从通信的双方信息交互的 方式来看,可以有以下三种基本方式:
双绞线的制作分为工作站至工作站和工作站至集线 器两种:工作站至集线器的双绞线,其 8 芯线一一 对应;工作站至工作站的双绞线,按照图2-10所示 的连线制作。
橘 白 绿 蓝 褐 白蓝 白 绿白 褐

RJ-45 色序图 下面是 PC 机不经过 HUB 直接通过网线相连的参考图
3 类 UTP 线
Pin#8 Pin#1
第2章 数据通信基础
2.1 概述
2.2
2.3
数据调制与编码
多路复用技术
2.4
2.5
异步与同步通信
数据传输介质
2.6
2.7
差错控制与校验
信息交换技术
本章学习目标
了解模拟传输与数字传输的基本原理 熟悉异步与同步通信的接口标准 掌握常用数据编码及多路复用技术 掌握信息交换技术
2.1 概述
2.1.1 数据通信的基本概念 2.1.2 数据通信系统的主要质量指标
2.3 多路复用技术
2.3.1 频分多路复用 2.3.2 时分多路复用
2.3.1 频分多路复用
当介质的有效带宽超过被传输的信号带宽时,可以把多个信 号调制在不同的载波频率上,从而在同一介质上实现同时传 送多路信号,即将信道的可用频带(带宽)按频率分割多路 信号的方法划分为若干互不交叠的频段,每路信号占据其中 一个频段,从而形成许多个子信道(图2-6);在接收端用 适当的滤波器将多路信号分开,分别进行解调和终端处理, 这种技术称为频分多路复用(FDM,Frequency Division Multiplexing)。
2.5 数据传输介质
2.5.1 双绞线 2.5.2 同轴电缆
2.5.3 光纤
2.5.4 无线电短波通信 2.5.5 地面微波接力通信 2.5.6 红外线和激光 2.5.7 卫星通信
2.5.8 VSAT卫星通信
2.5.1 双绞线
表2-3是UTP电缆的常见类型,10BaseT局域网中主 要使用3类和5类线,它们的有效传输距离一般在 100m左右。另外还有超5类双绞线电缆,通过对其 “信道”性能测试结果表明,与普通5类双绞线电 缆比较,它的近端串扰、衰减和结构回波等主要性 能指标都有很大提高。
图2-4
10进制数字 4bit码 0 0 0 0 0
4B/5B编码方式
15 1 1 1 1 0 0 2 1 0
5bit码 1 5bit码的波形 (NRZ方式) 经差分编码 后的光信号 1
1
1
1
0
1
1
1
0
1
1
0
1
0
0
1
1
1
0
1
1
1
0
1
1
0
1
0
0
图2.8 4B/5B编码方式
2.2.2 数字数据的模拟信号编码
克服不归零制编码缺点的一种编码方案是曼彻斯特 (Manchester)编码(见图2-3(b)),它是一种 自同步编码方式,包括数据信息和时钟信息。 另一种曼彻斯特编码的变种叫做差分曼彻斯特编码 (见图2-3(c)),它的编码规则是:若码元为1, 则其前半个码元的电平与上一个码元的后半个码元 的电平一样;但若码元为 0 ,则其前半个码元的电 平与上一个码元的后半个码元的电平相反。不论码 元是1或0,在每个码元的正中间时刻,一定要有 一次电平的转换。差分曼彻斯特编码需要较复杂的 技术,但可以获得较好的抗干扰性能。
通常情况下,并行通信用于距离较近的情况,串行 通信用于距离较远的情况。在并行数据传输中,至 少有8个数据位同时从一个设备传送到另一个设备, 发送设备将8个数据位通过8条数据线传送给接收设 备。接收设备在收到这些数据后,不需经过任何改 变就可以直接使用。计算机内部的总线数据传送通 常都是以并行方式进行传输的。在串行数据传输中, 每次由源地传到目的地的数据只有一位,与同时传 输好几位数据的并行传输相比,串行数据传输的传 输速度要比并行传输慢,但在实际应用中往往选择 串行数据传输,这是因为实现串行数据传输的硬件 具有经济性和实用性。
图2-3
1 高H 低L 0
常用数字信号编码
1 1 0 0
“1”高电平
“0”低电平 (a)不归零制编码
高H
中间跳 “0”上跳
低L (b)曼彻斯特编码 高H
“1”下跳
中间总有跳变
低L (c)差分曼彻斯特编码
“0”开头跳
2.4B/5B编码
在光纤分布式数据接口(FDDI,Fiber Distributed Data Interface)中采用了独特的4B/5B编码。这种编码的特点是 将欲发送的数据流每4bit作为一个组,然后按照4B/5B编码 规则将其转换成相应5bit码。 5bit码共有32种组合,但只采用其中的24种,16种对应4bit 码的16种,8种用作控制码,以表示帧的开始和结束、光纤 线路的状态(静止、空闲、暂停)等。标准4B/5B编码对照 表见表 2-1 ,用于 100MbpsFDD1PMD 的 4B/5B 编码控制码表 见表2-2。 现用不归零编码画出4bit码和5bit码的对应波形,5bit码经差 分编码后,转换成光信号,如图2-4所示。
图2-2
通信系统实例
图2-2是通信系统的一个实例,工作站通过公 共电话网PSTN与一个服务器进行通信。在 此模型中,数据通信系统要完成的一系列关 键任务为:
(1)接口规范 (2)同步 (3)传输系统利用率 (4)差错检测和校验 (5)灾难恢复 (6)寻址和路由 (7)网络安全 (8)网络管理
2.1.2 数据通信系统的主要质量指标
1.模拟通信系统的质量指标 (1)有效性 (2)可靠性 2.数字通信系统的质量指标 (1)传输速率 (2)差错率
2.2 数据调制与编码
2.2.1 数字数据的数字信号编码 2.2.2 数字数据的模拟信号编码
2.2.3 模拟数据的数字信号编码
2.2.1 数字数据的数字信号编码
•数字通信系统的任务是传输数字信息, 数字信息可能来自数据终端设备的原始数 据信号,也可能来自模拟信号经数字化处 理后的脉冲编码信号。
(1 )单向通信。又称单工通信,即只能有一个方向的通信, 而没有反方向的交互。无线电广播或有线电广播以及电视广 播就属于这种类型。 (2)双向交替通信。又称半双工通信,即通信的双方都可 以发送信息,但不能双方同时发送(或同时接收),这种通 信方式往往是一方发送另一方接收。 (3)双向同时通信。又称全双工通信,即通信双方可以同 时发送和接收信息。
2.1.1 数据通信的基本概念
1.信息、数据和信号 2.数据通信系统的模型
1.信息、数据和信号
(1)信息(Information)是客观事物属性和相互联系特性的表 征,它反映了客观事物的存在形式和运动状态。 (2)数据(Data)一般可以理解为“信息的数字化形式”或 “数字化的信息形式”。狭义的“数据”通常是指具有一定 数字特性的信息,如统计数据、气象数据、测量数据及计算 机中区别于程序的计算数据等。但在计算机网络系统中,数 据通常被广义地理解为在网络中存储、处理和传输的二进制 数字编码。
图2-5 对基带数字信号的几种调制方法
基带信号
0
1
0
0
1
1
1
0
0
幅移键控 ASK
频移键控 FSK
相移键控 PSK
2.2.3 模拟数据的数字信号编码
脉冲编码调制(PCM,Pulse Code Modulation)是 波形编码中最重要的一种方式,在光纤通信、数字 微波通信、卫星通信等均获得了极为广泛的应用, 现在的数字传输系统大多采用PCM体制。PCM最初 并不是用来传送计算机数据的,采用它是为了解决 电话局之间中继线不够,使一条中继线不只传送一 路而是可以传送几十路电话。PCM过程主要由采样、 量化与编码三个步骤组成。
•传输数字信息的方法是按传输波形来分 类的。
1.基带方式 2.4B/5B编码
1.基带方式
对于码型的选择,通常要考虑以下的因素: 对于传输频带低端受限的信道,线路传输码型的 频谱中不应含有直流分量; 信号的抗噪声干扰能力强,产生误码时,在译码 中产生的误码扩散或误码增值小; 便于从信号中提取位同步定时信息; 尽量减少基带信号频谱中高频分量,以节省传输 频带,并减小串扰; 编译码的设备应尽量简单。
光纤
实际上,只要射到光纤表面的光线的入射角大于某 一临界角度,就可以产生全反射,并且百度文库以存在许 多条不同角度入射的光线在一条光纤中传输,这种 光纤就称为多模光纤(Multimode Fiber),如图 2-12所示。
(a)折射角大于入射角
(b)光波在纤芯中传播
(c)62.5/125μm渐变 增强型多模光纤
图2-8
TDM子信道示意图
图2-9
TDM原理
2.4 异步与同步通信
•同步就是接收端按发送端发送的每个码元的起止时间及重复 频率来接收数据,并且要校准自己的时钟以便与发送端的发送 取得一致,实现同步接收。
•数据传输的同步方式一般分为位同步、字符同步,字符同步 通常是识别每一个字符或一帧数据的开始和结束;位同步则识 别每一位的开始和结束。 •在异步通信中,发送端可以在任意时刻发送字符,字符之间 的间隔时间可以任意变化。该方法是将字符看作一个独立的传 送单元,在每个字符的前后各加入1~3位信息作为字符的开始 和结束标志位,以便在每一个字符开始时接收端和发送端同步 一次,从而在一串比特流中可以把每个字符识别出来。
图2-10
双绞电缆
2.5.2 同轴电缆
典型的同轴电缆(Coaxial Cable)由一根内 导体铜质芯线外加绝缘层、密集网状编织导 电金属屏蔽层以及外包装保护塑橡材料组成, 其结构如图2-11所示。
表2-4是作者在网络工程施工中常常用到的一 些IEEE802.3 10BaseT系列网络拓扑经验
2.5.3
通过调制振幅、频率和相位等载波特性或者这些特 性的某种组合,来对数字数据进行编码。最基本的 数字数据→模拟信号调制方式有以下三种(如图25所示)。 (1)幅移键控方式(ASK,Amplitude-Shift Keying)
(2)频移键控方式(FSK,Frequency-Shift Keying)
(3)相移键控方式(PSK,Phase-Shift Keying)
频率 组成子信道A的时隙
源1 源2 源3
目标1
可 用 频 段
A BCD A BCD A BCD A BCD
源4 源5
多 路 复 用 器 MUX
1 23 4 56 12 3 4 5 6
多 路 复 用 器 MUX
目标2 目标3 目标4 目标5 目标6
时分复用帧
源6 时间
图2.28 TDM子信道示意图
图2.29 TDM原理
图2-12 多模光纤
多模光纤和5类双绞线的衰减与频率关系如图 2-13所示,当传输频率超过100MHz时,5类双 绞线随着频率的增加衰减愈来愈大;而光纤 在300MHz以内,衰减基本不变。
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