四.数据通讯基本概念
●数据(Data):传递(携带)信息的实体。
●信息(Information):是数据的内容或解释。
●信号(Signal):数据的物理量编码(通常为电编码)，数据以信号的形式传播。
●模拟信号与数字信号
●基带(Base band)与宽带(Broad band)
●信道(Channel):传送信息的线路(或通路)
●比特(bit):信息量的单位。比特率为每秒传输的二进制位个数。
●码元(Code Cell):时间轴上的一个信号编码单元
●同步脉冲:用于码元的同步定时，识别码元的开始。同步脉冲也可位于码元的中部，一个码元也可有多个同步脉冲相对应。
●波特(Baud):码元传输的速率单位。波特率为每秒传送的码元数(即信号传送速率)。
1 Baud = log2M (bit/s)
其中M是信号的编码级数。也可以写成:Rbit = Rbaud log2M
上式中:Rbit-比特率，Rbaud-波特率。
一个信号往往可以携带多个二进制位，所以在固定的信息传输速率下，比特率往往大于波特率。换句话说，一个码元中可以传送多个比特。
例如，M=16，波特率为9600时，数据传输率为38.4kbit/s
●误码率:信道传输可靠性指标，是概率值
信息编码:将信息用二进制数表示的方法。
数据编码:将数据用物理量表示的方法。
例如:字符‘A’的ASCII编码(是信息编码的一种)为01000001
●带宽:带宽是通信信道的宽度，是信道频率上界与下界之间之差，是介质传输能力的度量，在传统的通信工程中通常以赫兹(Hz)为单位计量。
在计算机网络中，一般使用每秒位数(b/s 或bps) 作为带宽的计量单位。主要单位:Kb/s，Mb/s，Gb/s，一个以太局域网理论上每秒可以传输1千万比特，它的带宽相应为10Mb/s。
●时延
△信息从网络的一端传送到另一端所需的时间
△时延之和=处理时延+排队时延 +发送时延+传播时延
△处理时延=分组首部和错误校验等处理(微秒)
△排队时延=数据在中间结点等待转发的延迟时间
△发送时延=数据位数/信道带宽
△传播时延=d/s(毫秒)d:距离 s:传播速度≈光速
●时延带宽乘积:某一链路所能容纳的比特数。
时延带宽乘积=带宽×传播时延。例如，某链路的时延带宽乘积为100万比特，这意味着第一个比特到达目的端时，源端已发送了100万比特。
●往返时延 (Round-Trip Time ，RTT)
从信源发送数据开始，到信源收到信宿确认所经历的时间RTT≈2×传播时延，传输可靠性两个含义:
1、数据能正确送达
2、数据能有序送达(当采用分组交换时)
信息通信系统传输
1、信道及其主要特征:数字信道和模拟信道
●数字信道:以数字脉冲形式(离散信号)传输数据的信道。
●模拟信道:以连续模拟信号形式传输数据的信道。
模拟信号和数字信号
●模拟信号:时间上连续，包含无穷多个信号值
●数字信号:时间上离散，仅包含有限数目的信号值
周期信号和非周期信号
●周期信号:信号由不断重复的固定模式组成(如正弦波)
●非周期信号:信号没有固定的模式和波形循环(如语音的音波信号)。
2、数字数据的传输方式
●基带传输:不需调制，编码后的数字脉冲信号直接在信道上传送。例如:以太网
●宽带传输:数字信号需调制成频带模拟信号后再传送，接收方需要解调。例如:通过电话模拟信道传输。例如:闭路电视的信号传输。
3、数据同步方式:目的是使接收端与发送端在时间基准上一致 (包括开始时间、位边界、重复频率等)。 有三种同步方法:位同步、字符同步、帧同步。 ●位同步:目的是使接收端接收的每一位信息都与发送端保持同步，有下面两种方式: △外同步——发送端发送数据时同时发送同步时钟信号，接收方用同步信号来锁定自己的时钟脉冲频率。 △自同步——通过特殊编码(如曼彻斯特编码)，这些数据编码信号包含了同步信号，接收方从中提取同步信号来锁定自己的时钟脉冲频率。 ●字符同步:以字符为边界实现字符的同步接收，也称为起止式或异步制。每个字符的传输需要:1个起始位、5～8个数据位、1，1.5，2个停止位。 ●字符同步的性能评估: △频率的漂移不会积累，每个字符开始时都会重新同步。 △每两个字符之间的间隔时间不固定。 △增加了辅助位，所以效率低。例如，采用1个起始位、 8个数据位、 2个停止位时，其效率为8/11<72%。 ●帧同步:识别一个帧的起始和结束。 △帧(Frame)数据链路中的传输单位——包含数据和控制信息的数据块。 △面向字符的——以同步字符(SYN，16H)来标识一个帧的开始，适用于数据为字符类型的帧。 △面向比特的——以特殊位序列(7EH，即01111110)来标识一个帧的开始，适用于任意数据类型的帧。
4、信道最大数据传输率 ●奈奎斯公式:用于理想低通信道 C = 2W×log2 M C = 数据传输率，单位bit/s W = 带宽，单位Hz M = 信号编码级数 奈奎斯公式为估算已知带宽信道的最高数据传输速率提供了依据。 ●非理想信道 实际的信道上存在损耗、延迟、噪声。损耗引起信号强度减弱，导致信噪比S/N降低。延迟会使接收端的信号产生畸变。噪声会破坏信号，产生误码。持续时间0.01s的干扰会破坏约560个比特(56Kbit/s) △香农公式:有限带宽高斯噪声干扰信道 C = W log2 (1+S/N) S/N: 信噪比 例:信道带宽W=3.1KHz，S/N=2000，则 C = 3100*log2(1+2000) ≈ 34Kbit/s 即该信道上的最大数据传输率不会大于34Kbit/s ●奈奎斯公式和香农公式的比较 △C = 2W log2M 数据传输率C随信号编码级数增加而增加。 △C = W log2(1+S/N) 无论采样频率多高，信号编码分多少级，此公式给出了信道能达到的最高传输速率。 原因:噪声的存在将使编码级数不可能无限增加。
5、数据编码
●编码与调制的区别
△用数字信号承载数字或模拟数据——编码
△用模拟信号承载数字或模拟数据——调制
●数字数据的数字信号编码:把数字数据转换成某种数字脉冲信号常见的有两类:不归零码和曼彻斯特编码。
△不归零码(NRZ，Non-Return to Zero)二进制数字0、1分别用两种电平来表示，常常用-5V表示1，+5V表示0。缺点:存在直流分量，传输中不能使用变压器;不具备自同步机制，传输时必须使用外同步。
△曼彻斯特编码(Manchester Code)用电压的变化表示0和1，规定在每个码元的中间发生跳变:高→低的跳变代表0，低→高的跳变代表1。每个码元中间都要发生跳变，接收端可将此变化提取出来作为同步信号。这种编码也称为自同步码(Self-Synchronizing Code)。缺点:需要双倍的传输带宽(即信号速率是数据速率的2倍)。
△差分曼彻斯特编码(Differential ～)每个码元的中间仍要发生跳变，用码元开始处有无跳变来表示0和1 ，有跳变代表0，无跳变代表1。
●数字数据的调制编码，三种常用的调制技术:
△幅移键控ASK (Amplitude Shift Keying)
△频移键控FSK (Frequency Shift Keying)
△相移键控PSK (Phase Shift Keying)
基本原理:用数字信号对载波的不同参量进行调制。
载波 S(t) = Acos(ωt+ψ)
S(t)的参量包括: 幅度A、频率ω、初相位ψ，调制就是要使A、ω或ψ随数字基带信号的变化而变化。
△ASK:用载波的两个不同振幅表示0和1。
△FSK:用载波的两个不同频率表示0和1。
△PSK:用载波的起始相位的变化表示0 和1。
●模拟数据的数字信号编码
采样定理:如果模拟信号的最高频率为F，若以2F的采样频率对其采样，则采样得到的离散信号序列就能完整地恢复出原始信号。
要转换的模拟数据主要是电话语音信号，语音信号要在数字线路上传输，必须将语音信号转换成数字信号。这需要经过三个步骤:
△采样:按一定间隔对语音信号进行采样
△量化:对每个样本舍入到量化级别上
△编码:对每个舍入后的样本进行编码
编码后的信号称为PCM信号
6、多路复用技术
复用:多个信息源共享一个公共信道。为何要复用?——提高线路利用率。
适用场合:当信道的传输能力大于每个信源的平均传输需求时。
复用类型
△频分复用FDM (Frequency Division Multiplexing)
△波分复用WDM (Wave Division Multiplexing)
△时分复用TDM (Time Division Multiplexing)
●频分复用原理:整个传输频带被划分为若干个频率通道，每路信号占用一个频率通道进行传输。频率通道之间留有防护频带以防相互干扰。
●波分复用——光的频分复用。原理:整个波长频带被划分为若干个波长范围，每路信号占用一个波长范围来进行传输。
●时分复用原理:把时间分割成小的时间片，每个时间片分为若干个时隙，每路数据占用一个时隙进行传输。由于每路数据总是使用每个时间片的固定时隙，所以这种时分复用也称为同步时分复用。
时分复用的典型例子CM信号的传输，把多个话路的PCM话音数据用TDM的方法装成帧(帧中还包括了帧同步信息和信令信息)，每帧在一个时间片内发送，每个时隙承载一路PCM信号。
●统计(异步)TDM——STDM
TDM的缺点:某用户无数据发送，其他用户也不能占用该时隙，将会造成带宽浪费。
改进:用户不固定占用某个时隙，有空时隙就将数据放入。
7、差错控制
与语音、图像传输不同，计算机通信要求极低的差错率。产生差错的原因:
△信号衰减和热噪声
△信道的电气特性引起信号幅度、频率、相位的畸变;
△信号反射，串扰;
△冲击噪声，闪电、大功率电机的启停等。
差错控制的基本方法是:接收方进行差错检测，并向发送方应答，告知是否正确接收。差错检测主要有两种方法:
●奇偶校验(Parity Checking)
在原始数据字节的最高位增加一个奇偶校验位，使结果中1的个数为奇数(奇校验)或偶数(偶校验)。例如1100010增加偶校验位后为11100010，若接收方收到的字节奇偶校验结果不正确，就可以知道传输中发生了错误。此方法只能用于面向字符的通信协议中，只能检测出奇数个比特位错。
●循环冗余校验 (CRC, Cyclic Redundancy Check)
差错检测原理:将传输的位串看成系数为0或1的多项式。收发双方约定一个生成多项式G(x)，发送方在帧的末尾加上校验和，使带校验和的帧的多项式能被G(x)整除。接收方收到后，用G(x)除多项式，若有余数，则传输有错。校验和是16位或32位的位串，CRC校验的关键是如何计算校验和。
●差错控制技术
△自动请求重传Automatic Repeat Request (ARQ)
△停等 ARQ
△Go-back-N ARQ
△选择重传 ARQ
1.双绞线
由螺旋状扭在一起的两根绝缘导线组成,线对扭在一起可以减少相互间的辐射电磁干扰。双绞线是最常用的传输媒体,早就用于电话通信中的模拟信号传输,也可用于数字信号的传输。
(1)物理特性。双绞线芯一般是铜质的,能提供良好的传导率。
(2)传输特性。双绞线既可以用于传输模拟信号,也可以用于传输数字信号。
双绞线上也可直接传送数字信号,使用T1线路的总数据传输速率可达1.544Mbpso达到更高数据传输率也是可能的,但与距离有关。
双绞线也可用于局域网,如10BASE一T和100BASE-T总线,可分别提供10Mbps和100Mbps的数据传输速率。通常将多对双绞线封装于一个绝缘套里组成双绞线电缆,局域网中常用的3类双绞线和5类双绞线电缆均由4对双绞线组成,其中3类双绞线通常用于10BASE-T总线局域网,5类双绞线通常用于100BASE-T总线局域网。
(3)连通性。双绞线普遍用于点到点的连接,也可以用于多点的连接。作为多点媒体使用时,双绞线比同轴电缆的价格低,但性能较差,而且只能支持很少几个站。
(4)地理范围。双绞线可以很容易地在15公里或更大范围内提供数据传输。局域网的双绞线主要用于一个建筑物内或几个建筑物间的通信,在10016ps速率下传输距离可达1公里。但10Mbps和100Mbps传输速率的1OBASE-T和100BASE-T总线传输距离均不超过100米。
(5)抗干扰性。在低频传输时,双绞线的抗干扰性相当于或高于同轴电缆,但在超过10~100ldfZ时,同轴电缆就比双绞线明显优越。
2.同轴电缆
同轴电缆也像双绞线一样由一对导体组成,但它们是按"同轴"形式构成线对。最里层是内芯,向外依次为绝缘层、屏蔽层,最外则是起保护作用的塑料外套,内芯和屏蔽层构成一对导体。同轴电缆分为基带同轴电缆(阻抗500)和宽带同轴电缆(阻抗750)。基带同轴电缆又可分为粗缆和细缆两种,都用于直接传输数字信号;宽带同轴电缆用于频分多路复用的模拟信号传输,也可用于不使用频分多路复用的高速数字信号和模拟信号传输。闭路电视所使用的CATV电缆就是宽带同轴电缆。
(1)物理特性。单根同轴电缆的直径约为1.02~2.54cm,可在较宽的频率范围内工作。
(2)传输特性。基带同轴电缆仅用于数字传输,并使用曼彻斯特编码,数据传输速率最高可达1OMbps。宽带同轴电缆既可用于模拟信号传输又可用于数字信号传输,对于模拟信号,带宽可达300~450阳也。一般,在CATV电缆上,每个电视通道分配6阳也带宽,每个广播通道需要的带宽要窄得多,因此在同轴电缆上使用频分多路复用技术可以支持大量的视、音频通道。
(3)连通性。同轴电缆适用于点到点和多点连接。基带500电缆每段可支持几百台设备,在大系统中还可以用转接器将各段连接起来;宽带750电缆可以支持数千台设备,但在高数据传输率下(50Mbp@)使用宽带电缆时,设备数目限制在20~30台。
(4)地理范围。传输距离取决于传输的信号形式和传输的速率,典型基带电缆的最大距离限制在几公里,在同样数据速率条件下,粗缆的传输距离较细缆的长。宽带电缆的传输距离可达几十公里。
(5)抗干扰性。同轴电缆的抗干扰性能比双绞线强。
3.光纤
光纤是光导纤维的简称,它由能传导光波的石英玻璃纤维外加保护层构成。相对于金属导线来说具有重量轻、线径细的特点。用光纤传输电信号时,在发送端先要将其转换成光信号,而在接收端又要由光检测器还原成电信号。
(1)物理特性。在计算机网络中均采用两根光纤(一来一去)组成传输系统。按波长范围(近红外范围内)可分为三种:0.85IAIn波长区(0.8~0.91im)、1.3lim波长区(1.25~1.351Am)和1.551im波长区(1.53~1.5811m)。不同的波长范围光纤损耗特性也不同,其中0.85IAIn波长区为多模光纤通信方式,1.5§IAm波长区为单模光纤通信方式,1.31im波长区有多模和单模两种方式。
(2)传输特性。光纤通过内部的全反射来传输一束经过编码的光信号,内部的全反射可以在任何折射指数高于包层媒体折射指数的透明媒体中进行。实际上光纤作为频率范围从1014~1015险的波导管,这一范围覆盖了可见光谱和部分红外光谱。光纤的数据传输率可达Gbps级,传输距离达数十公里。目前,一条光纤线路上只能传输一个载波,随着技术进一步发展,会出现实用的多路复用光纤。
(3)连通性。光纤普遍用于点到点的链路。总线拓扑结构的实验性多点系统已经建成,但是价格还太贵。原则上讲,由于光纤功率损失小、衰减少的特性以及有较大的带宽潜力,因此一段光纤能够支持的分接头数比双绞线或同轴电缆多得多。
(4)地理范围。从目前的技术来看,可以在6~8公里的距离内不用中继器传输,因此光纤适合于在几个建筑物之间通过点到点的链路连接局域网络。
(5)抗干扰性。光纤具有不受电磁干扰或噪声影响的独有特征,适宜在长距离内保持高数据传输率,而且能够提供很好的安全性。
由于光纤通信具有损耗低、频带宽、数据传输率高、抗电磁干扰强等特点,对高速率、距离较远的局域网也是很适用的。目前采用一种波分技术,可以在一条光纤上复用多路传输,每路使用不同的波长,这种波分复用技术WDM (Wavelength Division Multiplexing)是一种新的数据传输系统。
4.无线传输媒体
无线传输媒体通过空间传输,不需要架设或铺埋电缆或光纤,目前常用的技术有:无线电波、微波、红外线和激光。便携式计算机的出现,以及在军事、野外等特殊场合下移动式通信联网的需要,促进了数字化元线移动通信的发展,现在已开始出现无线局域网产品。
微波通信的载波频率为2GHz~40GHz范围。因为频率很高,可同时传送大量信息,如一个带宽为2阳fz的频段可容纳500条话音线路,用来传输数字数据,速率可达数Mbps。微波通信的工作频率很高,与通常的无线电波不一样,是沿直线传播的。由于地球表面是曲面,微波在地面的传播距离有限。直接传播的距离与天线的高度有关,天线越高传播距离越远,超过一定距离后就要用中继站来接力。红外通信和激光通信也像微波通信一样,有很强的方向性,都是沿直线传播的。这三种技术都需要在发送方和接收方之间有一条视线(Lineof Sight)通路,故它们统称为视线媒体。所不同的是,红外通信和激光通信把要传输的信号分别转换为红外光信号和激光信号直接在空间传播。这三种视线媒体由于都不需要铺设电缆,对于连接不同建筑物内的局域网特别有用。这三种技术对环境气候较为敏感,例如雨、雾和雷电。相对来说,微波对一般雨和雾的敏感度较低。
卫星通信是微波通信中的特殊形式,卫星通信利用地球同步卫星做中继来转发微波信号。卫星通信可以克服地面微波通信距离的限制,一个同步卫星可以覆盖地球的1/3以上表面,三个这样的卫星就可以覆盖地球上全部通信区域,这样,地球上的各个地面站之间都可互相通信。由于卫星信道频带宽,也可采用频分多路复用技术分为若干子信道,有些用于由地面站向卫星发送(称为上行信道),有些用于由卫星向地面转发(称为下行信道)。卫星通信的优点是容量大,传输距离远;缺点是传播延迟时间长,对于数万公里高度的卫星来说,以200m/μs或5μs/Km的信号传播速度来计算,从发送站通过卫星转发到接收站的传播延迟时间约要花数百毫秒(ms),这相对于地面电缆的传播延迟时间来说,两者要相差几个数量级。
5.传输媒体的选择
传输媒体的选择取决于以下诸因素:网络拓扑的结构、实际需要的通信容量、可靠性要求、能承受的价格范围。
双绞线的显著特点是价格便宜,但与同轴电缆相比,其带宽受到限制。对于单个建筑物内的低通信容量局域网来说,双绞线的性能价格比可能是最好的。
同轴电缆的价格要比双绞线贵一些,对于大多数的局域网来说,需要连接较多设备而且通信容量相当大时可以选择同轴电缆。
光纤作为传输媒体,与同轴电缆和双绞线相比具有一系列优点:频带宽、速率高、体积小、重量轻、衰减小、能电磁隔离、误码率低等,因此,在国际和国内长话传输中的地位日益提高,并已广泛用于高速数据通信网。随着光纤通信技术的发展和成本的降低,光纤作为局域网的传输媒体也得到了普遍采用,光纤分布数据接口FDDI就是一例。
目前,便携式计算机已经有了很大的发展和普及,由于可随身携带,对可移动的无线网的需求将日益增加0元线数字网类似于蜂窝电话网,人们随时随地可将计算机接入网络,发送和接收数据。移动无线数字网的发展前景将是十分美好的。
