2022版《义务教育语文课程标准》“课程理念”部分试题及答案

第2章 数据通信的基础知识 计算机网络基础 第2章 数据通信的基础知识 〖主要内容〗数据通信基本概念，多路复用技术，编码技术，数据交换技术，差错检 测与校正。 〖教学重点〗数据通信概念，数据编码技术，循环冗余码，FDM和TDM。 数据通信是通过某种类型的介质把数据从一个地点向另一个地点传送的通信方式。是以信息处理技术和计算机技术为基础的通信方式，为计算机网络的应用和发展提供了技术支持和可靠的通信环境。 2.1 基本概念 2.1.1 数据通信定义及特点 数据通信是计算机与计算机或计算机与其他数据终端之间存储、处理、传输和交换信息的一种通信技术，是计算机技术与通信技术相结合的产物，它克服了时间和空间上的限制，使人们可以利用终端在远距离同时使用计算机，大大提高了计算机的利用率，扩大了计算机的应用范围，也促进了通信技术的发展。 1. 数据通信的定义 数据通信是依照通信，路由数据传输技术在两个功能单元之间传递数据信息。 2. 数据通信的特点 · 数据通信实现的是机与机或人与机之间的通信 · 数据传输的准确性和可靠性要求高 · 传输速率高，要求接续和传输响应时间快 · 数据通信具有灵活的接口能力以满足各式各样的计算机和终端间的相互通信 2.1.2 信息、数据和信号 通信的目的是为了交换信息，因此只要保证被传输的二进制码（信息在计算机中的表示）在传输过程中不出现错误。 数据：指被传输的二进制代码 信息：是数字、字母和符号的组合。 · 信息的载体可以包含语音、音乐、图形图像、文字和数据等到多种媒体。信息在传递过程中通常用二进制代码表示的（如ASCII码） 信号：是数据在传输过程中的表示形式，有模拟信号和数字信号两种 · 在通信系统中，数据以模拟信号（波形连续变换的电信号）或数字信号（离散信号）的形式由一端传输到另一端 模拟通信系统：指传输模拟信号的系统 数字通信系统：指传输数字信号的系统 2.1.3 数据通信系统的基本结构 1. 基本概念 信源：指产生和发送信息的一端 信宿：指接收信息的一端 · 信源与信宿通过通信线路（即两节点间连线称为链路）进行通信的 信道：是指两地间传输数据信号的通路，即信号的传输通道，包括传输媒体和通信设备 通路：是指从信源到信缩的一串节点和通信连线 物理信道和逻辑信道：物理信道是指用来传送信号或数据的物理通路，它由传输介质及有关通信设备组成。逻辑信道也是网络上的一种通路，在信号的接收和发送之间不仅存在一条物理上的传输介质，而且在此物理信道的基础上，还在节点内部实现了其他“连接”，通常把这些“连接”称为逻辑信道。因此，同一物理信道上可以提供多条逻辑信道；而每一逻辑信道上只允许一路信号通过。 网络节点分转节点和访问节点两类。转节点是支持网络连接性能的节点，它通过通信线路来转接和传递信息。访问节点是信息交换的源节点和目标节点，起信源和信宿的作用。(关于节点与结点区别) 2. 数据通信系统的基本结构 通信系统中若没有噪声则是一种理想模型，而实际上噪声是或多或少存在的，因此为了保证在信源和信宿之间能够实现正确的信息传输与交换，除了使用一些克服干扰以及差错的检测和控制方法外，还要借助于其他各种通信技术来解决这个问题，如调制、编码、复用等等。 注： 数据通信的基本目的是在两用户之间交换信息。数据通信系统是指以电子计算机为中心，用通信线路连接分布在远地的数据终端设备而完成数据通信的系统。 数据通信系统也可以看成是这样三个基本组成部分：数据终端设备DTE、数据电路终端设备DCE和传输信道。 数据终端设备DTE：是数据通信系统的输入和输出设备，其主要功能是完成数据的输入与输出、数据处理和存储以及通信控制等。 数据电路终端设备DCE是数据信号的变换设备，其作用是在电信传输网络能提供的信道特性和质量的基础上实现正确的数据传输，并实现收发之间的同步。如调制解调器设备 2.1.3.1 模拟通信系统 模拟通信系统是指传输模拟信号的数据通信系统，通常由信源、调制器、信道、解调器、信宿以及噪声组成。如：普通的电话、广播、电视等。 模拟通信系统工作原理：将信源所产生的原始模拟信号经过调制后再通过信道传输，到达信宿后再通过解调器将信号解调出来。 2.1.3.2 数字通信系统 数字通信系统是指传输数据信号的数据通信系统，由信源、信源编码器、信道编码器、调制器、信道、解调器、信道译码器、信源译码器、信宿、噪声源组成。如：计算机通信、数字电话、数字电视等。 在数字通信系统中，若信源发出的是模拟信号，则要经过信源编码器对模拟信号进行调制编码使其成为数字信号；若信源发出的是数字信号，仍然要进行数字编码。 信源编码有两个作用：一是实现数/模转换，一是降低信号的误码率。信源译码则是其逆过程。 信道编码是为了能够自动地检测出错误或纠正错误所采用的检错编码或纠错编码。信道译码则是其逆过程。 从信道编码器输出的数字信号还是基带信号，除了近距离能够直接传输外，通常为了与采用的信道相匹配，要将基带信号经过调制变换成频带信号再传输，这就是调制器的任务；解调器正是它的逆过程。 2.1.4 通信信道的分类 1. 按传输介质分类 (1) 有线信道：是指使用有形的媒体作为传输介质的信道，如电话线、双绞线、同轴电缆和光缆。 (2) 无线信道：是指以电磁波在空间传播方式传送信息的信道，如无线电、微波、红外线和卫星通信信道。 2. 按传输信号类型分类 (1) 模拟信道：是指能传输模拟信号的信道。如语音信号。若利用模拟信道传送数字信号要经过数/模（A/D）转换。 (2) 数字信道：是指能传输离散数字信号的信道，如计算机间的通信。利用数字信道传输数字信号虽然不需要进行转换但仍然要进行数字编码。 3. 按使用方式分类 (1) 专用信道：是指一种连接于用户设备之间的固定电路，通常是由电信部门或国家建立的，如铁路 (2) 公用信道：也即公共交换信道，是指一种通过交换机转接、为大量用户提供服务的信道，如公共电话交换网。 2.1.5 数据通信的技术指标 2.1.5.1 数据通信速率 1. 传输速率： 是指数据在信道中传输的速度。分为RB和Rb · 码元速率RB：每秒中传送的码元数，即波特率，波特/秒（Baud/s） · 信息速率Rb：每秒中传送的信息量，即比特率，比特/秒（bit/s或bps） 两者关系如下：Rb=RBlog2M （其中M为采用的进制） 例：对于采用八进制进行传输信号，则其信息速率就是码元速率的3倍。 2. 码元速率与信息速率的比较方法： · 确定进制码元间的关系：如数字信号采用四级电平即四进制，则一个四进制码元对应二个二进制码元（4=22） · 确定数字信号对应的电平：如数字信号为01100001110110，则四进制数据为1201312，其电平符号（用A、B、C、D由高到低表示）为CBDCACB · 画出波形图： 2.1.5.2 误码率和误比特率 误码率Pe：是指码元在传输过程中，错误码元占总传输码元的概率。（多进制系统中） 误比特率Pb：是指在信息传输过程中，错误的比特数占总传输的比特数的概率。（二进制系统中） 2.1.5.3 信道带宽与信道容量 信道带宽：是指信道中传输的信号在不失真的情况下所占用的频率范围，即信道频带，用赫兹Hz表示，信道带宽是由信道的物理特性所决定的 信道容量：是指单位时间内信道上所能传输的最大比特数，用比特/秒（bit/s或bps）表示 注： (1) 数据传输速率定义 数据传输速率在数值上等于每秒钟传输构成数据代码的二进制比特数，计作bps。 对于二进制数据传输速率S＝1/T （T为发送每一比特所需要的时间） (2) 带宽与数据传输速率 1924年，柰奎斯特推导出具有理想低通矩形特性的信道，在无噪声情况下的最高速率与带宽关系的公式，这就是柰奎斯特准则。 柰奎斯特准则指出：如果间隔为π/ω（ω＝2πf）通过理想通信信道传输脉冲信号，则前后码元之间不产生相互窜扰。因此对于二进制数据信号的最大数据传输速率Rmax与通信信道带宽B（B＝f）的关系为：Rmax=2f（bps） 香农定理指出：在有噪声的信道上传输数据信号时，数据传输速率Rmax与信道带宽B、信噪比S/N（S为信道中传送信号的平均功率、N为信道中的随机噪声功率）的关系是：Rmax＝Blog2(1+S/N)。 (3) 时延(delay或latency) 时延是指一个报文或分组从一个网络(或一条链路)的一端传送到另一端所需的时间。 时延是由以下几个不同的部分组成的： A．传播时延 传播时延是从一个站点开始发送数据到目的站点开始接收数据所需要的时间。传播时延的计算公式是： 传播时延＝信道长度÷信道上的传播速率 B．发送时延 发送时延是发送数据所需要的时间，即从一个站点开始接收数据到数据接收结束所需要的时间。发送时延的计算公式是： 发送时延 = 数据块长度÷信道带宽 C．排队时延 这是数据在交换结点等候发送在缓存的队列中排队所经历的时延。 D．传输时延/总时延 数据经历的总时延就是以上三种时延之和： 总时延/传输时延= 传播时延 + 发送时延 + 排队时延 网络性能的两个度量——传播时延和带宽——相乘，就得到另一个很有用的度量：传播时延带宽积，即[(传播时延)×(带宽)]。链路的时延带宽积又称为以比特为单位的链路长度。 在计算机网络中，往返时延也是一个重要的性能指标，它表示从发送端发送数据开始，到发送端收到来自接收端的确认，总共经历的时延。 2.2 数据的传输 2.2.1 串/并行通信 并行通信：是指数字信号以成组的方式在多个并行信道上同时进行传输。 · 优点：传输速度快、收发双方不存在字符同步问题 · 缺点：由于采用多条并行线路，增加了费用、并行线路间存在电平干扰 · 适用范围：近距离和高速率的通信（是计算机内的主要传输方式） 串行通信：是指数据以比特流逐位在一条信道上传输 · 优点：费用低（一条线路） · 缺点：传输效率低（为并行通信速率的1/8）、收发双方要保证同步 · 适用范围：计算机之间通信和远程通信（它是通信线路的主要传输方式） 2.2.2 通信线路的连接方式 1. 点对点的线路连接 点对点的线路连接就是在发送端和接收端之间采用一条线路连接。 线路形式：专用线路、租用线路或交换线路 连接类型：点对点连接、点对多点式集中连接 2. 多点线路连接 多点线路连接是指各个站点通过一条公共通信线路连接 线路形式：空间分享线路（同时发送数据）、时间分享线路（轮流发送数据） 连接类型：点对多点式连接、多点对多点复用式连接 2.2.3 信道的通信方式 单工通信：指单向通信信道，数据信号仅沿一个方向传输，发送方只发不收而接收方只收不发（只能是单方向的）。如：无线电广播和电视 半双工通信：指信号可以沿两个方向传送（在不同的时刻）,但同一时刻一个信道只允许单方向传送，即两个方向的传输只能交替进行。如：对讲机、步话机、计算机网络端到端的通信 全双工通信：指数据可以同时沿相反的两个方向进行双向传输，如：电话机 2.2.4 信号的传输方式 1. 基带传输 基带是指离散矩形波固有的频带 基带信号是指离散矩形波（用0、1表示的离散矩形波信号） 基带传输是指在信道中直接传输数字信号的传输方式，且传输媒体的整个带宽都被基带信号占用，双向地传输信息。 基带传输的频带可以从0Hz（直流）到几百MHz，甚至几千MHz，由于传输线路的电容对传输信号的波形影响很大，因此传输距离不大于2.5KM，否则就要使用再生重发器增加功率来延长传输距离，所以电话通信线路一般是不能满足基带传输要求的。 2. 频带传输 频带传输是指将数字信号调制成音频信号（300～3400Hz）后再进行发送和传输，到达接收端时再把音频信号解调成原来的数字信号的传输方式。 由此可见，频带传输首先要把信源端的数字信号调制成可长途传输的模拟信号，即数/模转换；而在信宿端则正好相反，即模/数转换。 特点：发送端和接收端要安装调制解调器，频带传输的主要技术就是调制与解调。 3. 宽带传输 宽带传输是指比音频带更宽的频带传输 常将音频信号、视频信号和数字信号这三个子频带通过75Ω的电视同轴电缆CATV或光纤传输媒体同时进行传输。 特点：传输距离远 2.3 数据传输的同步技术 在数据通信系统中，当发送端与接收端采用串行通信时，通信双方交换数据要有高度的协同动作，即保证传输数据速率、每个比特的持续时间和间隔均相同，这就是同步问题。 同步就是要接收方按照发送方发送的每个码元/比特起止时刻和速率来接收数据。 数据传输的同步技术有：异步方式和同步方式 1. 异步方式（起止式同步方式） 每传送1个字符（7或8位）都要在每个字符码前加1个起始位，以表示字符代码的开始；在字符代码和校验码后面加1或两个停止位，表示字符结束。接收方根据起始位和停止位来判断一个字符的开始和结束，从而起到通信双方的同步作用。 特点：实现容易，传输一个字符要多使用2～3位，适用于低速通信（≤1200bps） 2. 同步方式 同步传输方式的信息格式是一组字符或一个二进制位组成的数据块（帧）。 在发送一组字符或数据块之前先发送一同步字符SYN（ASCII码为16H，以01101000表示）或一个同步字节（01111110），用于接收方进行同步检测，从而使收发双方进入同步状态 特点：数据传输效率高，不使用附加位，适用于高速数据传输线路系统（≥2400bps） 2.4 数据的编码和调制技术 计算机数据在传输过程中的数据编码类型主要取决于它采用的通道信道所支持的数据通信类型。 网络中的通信信道分为模拟信道和数字信道，数字的编码方法包括数据的编码与调制和模拟数据的编码与调制。 数据的编码方法是指数据的编码和调制 2.4.1 数字数据的调制 为了利用模拟语音通信的电话交换网实现计算机的数字数据的传输，必须首先将数字信号转换成模拟信号，也就是要对数字数据进行调制。 调制（Modulation）指发送端将数字数据信号变换模拟信号的过程 调制器（Modulator）指调制设备 解调（Demodulation）指接收端将模拟信号还原成数字数据信号的过程 解调器（Demodulator）指解调设备 调制解调器(Modem)指同时具有调制和解调功能的设备 模拟信号是具有一定频率的连续的载波波形，用 表示（书上有错）。 数字数据调制的基本方法有：幅移键控、频移键控和相移键控 1. 幅移键控（Amplitude Shift Keying，ASK） ASK是通过改变载波信号的幅度值来表示数字信号“1”、“0”的，即f和φ恒定，用幅度A进行调制，A1（取1）表示“1”，A2（取0）表示“0” 适用于小于1200bps低速话音线路 2. 频移键控（Frequency Shift Keying，FSK） FSK是通过改变载波信号的频率来表示数字信号“1”、“0”的，即A和φ恒定，用频率f进行调制，f1表示“1”，f2表示“0” 适用于高到1200bps传输，3～30MHz​高频无线电传送和局域网广播网络 3. 相移键控（Phase Shift Keying，PSK） PSK是通过改变载波信号的相位值来表示数字信号“1”、“0”的，即A和f恒定，用相位φ进行调制 （1） 绝对调相：φ为0时表示“1”，φ为π时表示“0” （2）相对调相：为“0”时相位不变，为“1”时相位偏移π 2.4.2 数字数据的编码 数字信号的基带传输是指利用数字通信信道直接传输数字数据的方法 数字信号编码有：不归零码、曼彻斯特编码、差分曼彻斯特编码 1. 不归零编码（NRZ） NRZ有两种之分：单极性NRZ和双极性NRZ，前者的信息0用零电平表示，后者用正电平表示，这里讲的是双极性NRZ 缺点：发送和接收方不能保持同步 2. 曼彻斯特编码（Manchester） 特点：每一位二进制信号的中间都有跳变，若从低电平跳变到高电平，表示数字信号“1”；若从高电平跳变到低电平，表示数字信号“0” 优点：每一个比特中间的跳变可以作为接收端的时钟信号，以保持接收端和发送端之间的同步 3. 差分曼彻斯特编码（Difference Manchester） 特点：每一位二进制信号的跳变依然提供收发端之间的同步，但每位二进制数据的取值，要根据其开始边界是否发生跳变来决定，若一个比特开始存在跳变则表示“0”，无跳变为“1”。 2.4.3 模拟数据的调制 模拟数据的基带信号具有比较低的频率，不宜直接在信道中传输，需要对信号进行调制，将信号搬移到适合信道传输的频率范围内，接收端将接收的已调信号再搬回到原来信号的频率范围内，恢复成原来的消息。 模拟数据的基本调制技术主要包括：调幅AM、调频FM和调相PM 2.4.4 模拟数据的编码 模拟数据数字化的主要方法是脉冲编码调制（Pulse Code Modulation，PCM） PCM技术的典型应用是语音数字化，如模拟电话机、Modem上网 PCM（脉冲编码调制）工作过程为：抽样、量化和编码 1. 抽样 模拟信号是电平连续变化的信号。每隔一定的时间间隔，采集模拟信号的瞬时电平值作为样本表示模拟数据在某一区间随时间变化的值。抽样频率以奈奎斯特抽样定理为依据。 2. 量化 量化是将取样样本幅度按量化级决定取值的过程。量化级取决于系统的精度要求，可分为8级、16级或更多的量化级 3. 编码 编码是用相应位数的二进制代码表示量化后的采样样本的量级 PCM用于数字化语音系统，它将声音分为128个量化级，采用7位二进制编码表示，再使用1个比特进行差错控制，采样速率为8000次/秒，因此一路话音的数据传输速率为8×8000bps=64kbps 2.5 数据交换技术 用户间通信是非对称的，常在某段时间内进行大量传输，即数据交换。解决方法是：将各地终端连接到一个具有某种交换能力的通信网上，若该网有若干条信道，而交换设备则能将网络的各个信道按用户需求连接起来。 数据通信子网的交换方式可以分为电路交换和存储转发交换（报文交换、分组交换）两类。 2.5.1 电路交换 电路交换(Circuit Switching)，也称线路交换，是一种直接的交换方式，为一对需要进行通信的节点之间提供一条临时的专用通道，即提供一条专用的传输通道，既可以是物理通道又可以是逻辑通道，这条通道是由节点内部电路对节点间传输路径经过适当选择、连接而完成的，是一条由多个节点和多条节点间传输路径组成的链路。 电路交换过程分为三个阶段：电路建立、数据传输、电路拆除 这个过程类似于“打电话”过程： 电路交换的特点： · 电路建立后不存在其它延迟，适用于大批数据连续传输 · 电路连通后提供给用户的是“透明通路”，所谓“透明”是指传输通路未对用户信息进行任何修正或解释 · 信息传送的吞吐量大，即可以根据信息量的大小选择所需要的传输速率通道 电路交换的缺点： · 电路信道利用率低，是因为建立的传输通路别人是不能使用的 · 网络资源的利用率低，是因为所占用的带宽是固定的 · 通信双方的收发速度、编码方法、信息格式和传输控制等要一致。 · 呼叫建立时间长且存在呼损 适用：信息量大的场合 2.5.2 存储转发交换 存储转发交换(Store and Forward Switching)方式可分为报文存储转发交换与报文分组存储转发交换方式，报文分组存储转发交换方式又分为数据报与虚电路方式 2.5.2.1 报文交换(Message Switching) 报文交换广泛应用于数字数据通信 报文由传输的数据和报头组成，报头中有源地址和目标地址 工作原理：交换机把来自用户的报文暂时存放在节点的存储设备之中，等输出电路空闲时，再根据报文中所指的目的地址转发到下一个合适的节点，如此往复，直到报文到达目标数据终端为止。 报文交换的特点： · 源节点和目标节点在通信时不需要建立一条专用的通路（采用多路复用技术） · 用户不需要叫通对方就可发送报文，无呼损 · 容易实现不同类型终端之间通信，用户间输入输出电路速率及电码格式可以不同 · 数据传输的可靠性高，即每个节点要进行检错和纠错 · 电路利用率高，可根据电路情况有选择地选择不同速度高效传输 报文交换的缺点： · 与电路交换相比，不存在建立和拆除电路的等待和时延，存在交换机的时延，不利于实时通信 · 要求节点具备足够的报文数据存储能力，增加了设备费用，如小型机或微机 适用：公共电报、电子信箱业务 2.5.2.2 分组交换(Packet Switching) 分组交换属于“存储/转发”交换方式，即把报文分割成若干较短的按一定格式组成的分组。 分组是一组包含数据和呼叫控制信号的二进制数，把它作为一个整体加以转接，这些数据、呼叫控制信号以及可能附加的差错控制信息都是按规定的格式排列的。 分组交换采用两种方式：数据报分组交换或虚电路分组交换 适用：计算机、终端连网 注：分组交换是计算机网络中广泛使用的交换技术。 分组数据是暂时存储在节点的内存中。 节点暂时存储的是一个个分组数据而不是整个数据文件。 分组交换采用的是动态分配信道的策略，从而极大地提高了通信线路的利用率。 由于存储/转发时因排队会有一定的时延。 2.5.2.3 交换高速技术 帧中继 ATM（异步传输模式） 2.6 信道复用技术 复用是用一对传输线传送几路或多路信息的方法 信道复用的目的是让不同的计算机连接到相同的信道上，以共享信道资源。其主要目的是为了有效地利用带宽。 采用多路复用技术，使多路数据信号共同使用一条电路进行传输，即利用一个物理信道同时传输多个信号。 常用的方式有：频分复用FDM、时分复用TDM、波分复用WDM和码分复用CDM 2.6.1 频分多路复用FDM 频分多路复用FDM是把信道的可用频带分成多个互不交叠的频段，每个信号占用其中一个频段，接收时用适当的滤波器分离出不同信号，分别进行解调接收。 使用例：无线电广播、无线电视、有线电视 2.6.2 时分多路复用TDM 时分多路复用TDM是按传输信号的时间进行分割的，它使不同的信号在不同时间内传送，即将整个传输时间分为许多时间间隔（称为时隙），每个时间片被一路信号占用。 TDM分为同步时分复用STDM、异步时分复用ATDM 1. 同步时分复用STDM STDM将传输信号的时间按特定长度连续划分成特定时间段（一个周期），再将每一时间段划分成等长度的多个间隙，每个时隙以固定的方式分配给各路数字信号，各路数字信号在每一时间段都顺序分配到一个时隙。 2. 异步时分复用ATDM ATDM是只有当某一路用户数据发送时才把时隙分配给它；当用户暂停发送数据时，则不给它分配时隙。电路的空闲时隙可用于其他用户的数据传输。 2.6.3 波分多路复用WDM 波分多路复用WDM主要用于全光纤网组成的通信系统，即光的频分复用，即把光波长分割复用，在一根光纤中同时传输多波长光信号的技术。其实现方法是：在发送端将不同的光信号组合起来通过光纤进行传输，而在接收端将其复原。 2.6.4 码分多路复用CDM 码分多路复用CDM又称为码分多址CDMA，是一种共享信道的方法，每个用户可在同一时间使用同样的频带进行通信，但使用的是基于码型的分割信道的方法，即每个用户分配一个地址码，各个码型互不重叠，通信各方之间不会相互干扰，且抗干扰能力强。 主要用于无线通信系统，特别是移动通信系统 2.7 网络传输媒体 2.7.1 传输介质类型和特性 传输介质是网络中连接收发双方的物理通路，也是通信中实际传送信息的载体。 1. 计算机网络传输媒体类型 · 有线媒体：双绞线、同轴电缆、光纤 · 无线媒体：无线电波、微波、红外线 2. 传输介质特性 物理特性：对传输介质物理结构的描述 传输特性：传输介质允许传送数字或模拟信号，以及调制技术、传输容量与传输的频率范围。 连通特性：允许点——点或多点连接 地理特性：传输介质的最大传输距离 抗干扰性：传输介质防止噪声与电磁干扰对传输影响的能力 相对价格：器件、安装与维护费用 2.7.2 双绞线 1. 物理特性 双绞线是由一对或多对绝缘铜导线组成的，为了减少信号传输中串扰及电磁干扰（EMI）影响的程度，通常将这些绝缘铜导线按一定的密度互相缠绕在一起（防止串音或电磁干扰）。一对线可以作为一条通信线路。 双绞线分为非屏蔽双绞线UTP（指外面没有金属屏蔽）和屏蔽双绞线STP两种 2. 传输特性 UTP可分为6类，其中3、4、5类最为常用 1类UTP：主要用于电话连接，通常不用于数据传输 2类UTP：通常用在程控交换机和告警系统，最高带宽为1MHz 3类UTP：也称为声音级电缆，最高带宽为16MHz，适用于语音及10Mbps以下的数据传输 4类UTP：最大带宽为20MHz，适用于语音及16Mbps以下的数据传输 5类UTP：也称为数据级电缆，带宽为100MHz，适用于语音及100Mbps高速数据传输 6类UTP：是一种新型的电缆，最大带宽可达1000MHz，适用于高速以太网的骨干线路 3. 连通性 4. 可用于点——点连接，也可多点连接 5. 地理范围 双绞线做远程中继线时，最大距离为15KM；用于10Mbps局域网时最大距离为100M。 6. 抗干扰性 取决于一束线中相邻线对的扭曲长度及适当的屏蔽，其误码率在10－5～10－6。 7. 价格 最低 2.7.3 同轴电缆 1. 物理特性 同轴电缆是由绕同一轴线的两个导体所组成的，即内导体（铜芯导线）和外导体（屏蔽层），外导体的作用是屏蔽电磁干扰和辐射，两导体之间用绝缘材料隔离。 2. 传输特性 常用的同轴电缆有两大类：基带同轴电缆（用于局域网传输数字信号的同轴电缆（50Ω的粗缆和50Ω的细缆））、宽带同轴电缆（用于宽带传输模拟信号的75Ω电缆）。 3. 连通性 可用于点——点连接，也可多点连接 4. 地理范围 基带同轴电缆最大距离限制在几公里范围内；宽带同轴电缆最大距离可达几十公里左右 5. 抗干扰性 同轴电缆的结构使得它的抗干扰能力较强，基带同轴电缆的误码率低于10－7，宽带同轴电缆的误码率低于10－9 6. 价格 介于双绞线与光缆之间 2.7.4 光纤 1. 物理特性 光导纤维（Fiber Optics）是一种由石英玻璃纤维或塑料制成的且直径很细（50～100微米）的柔软、能传导光信号的媒体。 光纤由一束玻璃芯组成，外面包了一层折射率较低的反光材料，称为覆层，其作用是不让光信号折射出去 2. 传输特性 光缆通过内部的全反射来传输一束经过编码的光信号。光纤传输系统的结构如图： 说明：发送端的光源有两种：一是发光二极管LED，一是注入型激光二极管ILD；接收端的检波器（将光信号转换为电信号）也有两种：光电二极管PIN检波器和APD检波器。 光纤分为两种：多模光纤和单模光纤 多模光纤采用发光二极管产生可见光作为光源，其定向性差，是通过光的反射向前传播的，传输距离在2KM以内 单模光纤采用注入式激光二极管作为光源，其定向性强，是以单一的模式无反射地沿轴向传播 单模光纤的性能优于多模光纤。 3. 连通性 最普遍的连接方法是点——点连接，也可用于多点连接 4. 地理范围 在6～8KM的距离内 5. 抗干扰性 光纤的抗干扰能力极强，其误码率低于10－10，因此传输的安全性与保密性极好。 6. 价格 最高 2.7.5 无线电传输 2.7.5.1 电磁波的概念 电磁波是德国物理学家赫兹根据英国物理学家麦克斯韦的电磁场理论方程在1887年通过实验加以的，电磁波的频率范围是104～1024Hz。 描述电磁波的参数有：波长λ、频率f和光速C（3×108m/s），三者关系是：λ×f＝C 电磁波的传播方式有两种方式：通过无线方式传播（在自由空间中传播）、通过有线方式传播（在有限的空间区域内传播）。 电磁波按照频率由高到低排列可分为无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X—射线和γ射线。目前主要用于通信的主要有无线电波、微波、红外线、可见光。 普通双绞线可以传输低频与中频信号，同轴电缆可以传输低频到特高频信号，光纤可以传输可见光信号。 2.7.5.2 无线通信 无线通信所使用的频段覆盖从低频到特高频。其中，调频无线通信使用中波MF（300KHz～3MHz），调频无线电广播使用甚高频VHF（30M～300MHz），电视广播使用甚高频到特高频VHF（30M～3GHz）。 高频无线电信号由天线发出后，沿两条路径在空间传播。其中，地波沿地表面传播，天波则在地球与地球电离层之间来回发射。其它频段类似。 缺点：易受天气等因素的影响，信号幅度变化较大，容易被干扰。 优点：技术成熟，应用广泛，能用较小的发射功率传输较远的距离。 2.7.5.3 微波通信 无线电微波通信在数据通信中占有重要地位，微波频率范围为100MHZ～10GHZ的信号叫做微波信号，对应的信号波长为3M～3CM。 由于微波在空间是直线传播的，而地球表面是个曲面，因此传播距离只有50KM左右，为了增大传播距离，使用较高的天线塔（如100M的天线塔其传播距离为100KM）。为实现远距离通信必须在一条无线电通信信道的两个终端之间建立若干个中继站，中继站把前一站送来的信号经过放大后再发送到下一站，即为地面微波“接力”通信。 微波信号传输的特点是：（1）只能进行视距离传播；（2）大气对微波信号的吸收与散射影响较大。 2.7.5.4 蜂窝无线通信 美国贝尔实验室在1947年就提出了蜂窝无线移动通信的概念，1977年完成了可行性技术论证，1978年完成了芝加哥先进移动电话系统AMPS的试验，并且在1983年正式投入运营。 早期的移动通信系统采用大区制的强覆盖区即建立一个无线电台基站，架设很高的天线塔（高于30M），使用很大的发射功率（50～200W），覆盖范围可以达到30～50KM。 如果将一个大区制覆盖的区域划分成多个小区（cell），每个小区制设立一个基站（BS），通过基站在用户的移动台（MS）之间建立通信。小区覆盖的半径较小，一般为1～10KM，因此可用较小的发射功率实现双向通信。这样，由多个小区构成的通信系统的总容量将大大提高。由若干小区构成的覆盖区叫做区群。由于区群的结构酷似蜂窝，因此人们将小区制移动通信系统叫做蜂窝移动通信系统。 蜂窝移动通信系统的发展：第一代为模拟方式，是指用户的语音信息的传输以模拟语音方式出现的；第二代为数字方式，是涉及语音信号的数字化与数字信息的处理、传输问题；目前正在开发第三代。 在无线通信环境中的电磁波覆盖区内，如何建立用户的无线信道的连接就是多址连接问题，解决多址接入的方法称为多址接入技术。在蜂窝移动通信系统中，多址接入方法主要有3种：频分多址接入FDMA、时分多址接入TDMA、码分多址接入CDMA。 2.7.5.5 卫星通信 卫星通信系统是通过卫星微波形成的点——点通信线路，是由两个地球站（发送站、接收站）与一颗通信卫星组成的。地面发送站使用上行链路向通信卫星发射微波信号。卫星起到一个中继器的作用，它接收通过上行链路发送来的微波信号，经过放大后使用下行链路（与上行链路具有不同的频率）发送回地面接收站。 由于发送站要通过卫星转发信号到接收站，因此就存在传输延时，一般从发送站到卫星的延时值在250～300ms，典型值为270ms，所以卫星通信系统的传输延时为540ms。 商用卫星通信是在地球站之间利用位于3.59×104km高空的人造同步地球卫星作为中继器的一种微波接力通信。其覆盖跨度达1.8万多公里，如在地球赤道上空的同步轨道上等距离放置3颗相隔120度的卫星，就能基本上实现全球的通信。 2.8 通信接口及设备 通信设备之间通过接口进行相互连接，为了能够正确连接，因此每个接口都要使用相同的。 常用的通信设备接口标准有：EIA(美国电子工业协会) RS-232（串行口）、EIA RS-499、ITU-T建议的X.21（Modem） 2.8.1 EIA RS-232接口 使用RS-232C接口实现数据通信是串行通信中应用最为广泛的标准，用来发送和接收数据的计算机或终端系统称为数据终端设备DTE；用来实现信息的收集、处理和变换的设备称为数据通信设备DCE 2.8.2 RS-232接口的特性 EIA RS-232又称为串行口，通常用来连接的设备是COM口的鼠标、COM口的打印机和调制解调器Modem，除此之外还可以用来连接计算机进行通信达到数据共享。 RS-232使用9针或25针的D型连接器DB-9或DB-25，采用的是信号电平0（+5～+15V）和1（-5～-15V），适用于不大于15M的近距离通信，最大速率为19.2Kbps。 RS-232接口的各针脚的功能定义见课本P:46表2-3和表2-4 2.8.3 RS-232接口的应用 1. 异步应用 当两个数据终端计算机DTE通过电话线进行异步通信并使用调制解调器作为数据通信设备时，计算机与调制解调器之间的连接如P:47图2-37所示 通信信号主要有：信号地、载波检测、请求发送、数据传输设备准备、数据终端准备、允许发送、发送数据、振铃指示、接收数据 2. 同步应用 当进行同步应用时必须使用DB-25针接口的第17和第24针提供外同步的时钟信号 3. 空Modem连接 当近距离的DTE之间不使用Modem进行通信时，可采用空Modem连接方法，即直接将两台计算机通过导线将RS-232串行口连接起来进行通信（连接方法是串口交叉连线，指发送和接收数据的针脚进行交叉连接，而其它针脚直接对应连接）。 2.8.4 调制解调器 Modem是为了数字信号在具有有限带宽的模拟信道上进行远距离传输而设计的，是一种数据通信设备DCE，其主要功能是进行信号的调制和解调。 调制解调器的分类有多种方法：按通信设备分类（拨号和专用Modem）、按速度分类（低速1200bps以下、中速、高速9600bps以上）、按数据传输方式分类（同步和异步Modem）、按连接方式分类（内置式和外置式Modem）。 Modem的标准主要是按ITU-T V序列建议的Modem标准，如现今使用的56kbpsModem就是V.90标准。 2.9 差错控制技术 2.9.1 差错的产生 根据数据通信系统的模型，当数据从信源发出经过通信信道传输时，由于信道总存在着一定的噪声，数据到达信宿端后，接收的信号实际上是数据信号和噪声信号的叠加。接收端在取样时钟作用下接收数据，并根据阈值电平判断信号电平。如果噪声对信号的影响非常大时，就会造成数据的传输错误。 1. 通信信道中的噪声分类 · 热噪声是由传输媒体的电子热运动产生的，这类噪声主要是信道中存在的随机噪声（白噪声）引起的随机性差错；特点是随机存在，幅度小，与频率无关，而且是单个码元出现差错，码元间互不影响。 · 冲击噪声是由外界电磁干扰引起的，这类噪声主要是信道中的脉冲干扰、信号衰落和瞬时中断等因素造成的突发性差错；特点是幅度大，持续时间长，而且是成批码元突发性错误，前后码元的差错具有一定的相关性。 2. 造成差错的原因 在数据通信系统中产生传输差错是由随机差错和突发性差错共同构成的，可能的原因有： · 在数据通信中，信号在物理信道上的线路本身的电气特性随机产生的信号幅度、频率、相位的畸形和衰减 · 电气信号在线路上产生反射噪声的回波效应 · 相邻线路之间的串线干扰 · 大气中的闪电、电源开关的跳火、自然界磁场的变化以及电源的波动等外界因素 2.9.2 差错的控制技术 由于通信系统中数据传输存在传输差错，因此就要提高传输可靠性、降低误码率，减少数据传输的差错发生，主要有两种途径： · 改善传输信道的物理特性，即提高通信线路和通信设备的质量，如电特性 · 采取检、纠错技术，即使用差错控制技术 2.9.2.1 差错控制技术 差错控制方法是使构成传输数据的编码或编码组具有一定的逻辑性，接收端根据接受编码所发生的逻辑性错误来识别和纠正差错。 1. 前向差错控制（前向纠错FEC） 基本原理是：发送端将信息编成具有检错和纠错能力的码字并发送出去，接收端通过所接收到的码字（数据中的差错编码）进行检测，判断数据是否出错；若有错则确定差错所在具体位置，并加以自动纠正。 缺点：需要较多的冗余码元，传输效率有所下降 2. 自动反馈重发（ARQ） ARQ的工作原理是：发送端对所发送的序列进行差错编码，接收端根据检验序列的编码规则检测接收信息是否有错，若有错则通过反馈信道要求发送端重发有错的信息，直到接收端认可为止，从而达到纠正错误的目的。 缺点：需要双向信道，且实时性较差 3. 混合纠错方式（HEC） 是上述两种纠错方式的综合，其基本思想是发送端发送具有一定纠错能力的码字，接收端对所收到的数据进行检测。若发现错误，就对少量的能纠正的错误进行纠正，而对于超过纠错能力的差错通过反馈重发方式予以纠正。 注：由此可见，不论采用什么方式的差错控制技术都是以牺牲传输效率为代价的。 2.9.2.2 检错及纠错原理 1. 无抗干扰能力的信息码 信源产生的信息码一般是由0、1序列表示的，其中0或1称为码元。 假定在一码组中任一码字均是由n个码元组成的，则码组个数N＝2n构成了一个全码集，若将全码集中所有码组用来代表信息编码，就不具有抗干扰的能力。 为了更好地说明，假设由3个码元组成8（23）个码组的全码集，使用立方体的8个顶角表示，如图所示，若在数据传输过程中任一码组中发生一个或多个码元错误时就会变成另一码组，如码组010在传输过程中第3个码元出现错误，则接收端接收的信息是011，这样接收端就无法判断原有的信息是010还是001、111（因为接收端不知道错误发生在哪一码元），可见这种全码编码不具备抗干扰能力。 2. 具有检错与纠错能力的编码（汉明码） 仔细分析全码编码方案，之所以不具有抗干扰能力是由于其中任一码组出错时都会变成另一码组，若在编码时减少使用的码组个数，使一个码组出错时不再是变成另一码组而是变成了一个无用的信息，这样接收端就会判断数据传输过程中出现了错误，甚至纠正错误。 码距是指在两个不同码组间对应码元不同的个数，其值等于对应码元模二加的总和。 汉明距离d是指任意两个码组间的最小距离。 说明：以3位二进制码组为例加以说明 · 若使用全码编码，则汉明距离d＝1，因为任意两个码组010与011的模二加（异或）为1，没有抗干扰能力。 · 若使用非相邻的四个顶点（000）、（011）、（101）、（110）。则d＝2，具有1位抗干扰能力，也即只能检测到错误，但无法进行纠正，同时若发生两位出错则无法检测到错误。 · 若使用相距最远的两个顶点（110）、（001）作为码元，则d＝3，具有2位抗干扰能力 · 抗干扰理论基本关系，即码距d与抗干扰能力的共享如下： 3. 抗干扰码的分类 差错控制中的编码一般可分为两类：一是能使接收端检出错误的码，一是使接收端不但能检出错误，而且能予以纠正的码。 实际操作的依据是抗干扰编码理论基本关系，也就是调整其汉明距离的大小使之满足d值的要求。要增大d值，可采用在原有信息序列中添加监督码元的思想，依据添加方法的不同，抗干扰码的分类有两种。 (1) 按照对信源的输出信号序列处理方式不同分类 A） 分组码 基本思想：是把信息序列以每k个码元分组，并通过编码器在每k个码元后按一定规则产生r个监督码元，则码组总的码元数为n=k+r，其表示（n,k）如下： an-1an-2……ar ar-1ar-2……a0 K个监督位 R个监督位 码长n=k+r 编码器产生监督码元的规则（监督方程）为：C1＝C2，C0＝C2 eq \o\ac(○,+)C3 例：假设采用（4，2）分组码，请写出编码器输出的码字 因为n=4,k=2，则r=n-k=4-2=2，即要产生两个监督码元 k个码元产生的信息组C3C2可能是（00）、（01）、（10）、（11） 则其相应的分组码依次为：（0000）、（01111）、（1001）、（1110） B） 卷积码 把信源输出信息序列以每个q个码元分段，通过编码器输出长为p（p>q）的一段码段。它与分组码最大的不同是：该码段的p-q个监督元不仅与本段信息有关，而且也与前m段的信息元有关，形成了前后约束关系，常用(p,q,m)表示。 (2) 根据监督元与信息之间的关系分类 A） 线性码 监督码元与信息码元间的关系可用线性关系表示，如分组码 B） 非线性码 编码器的监督方程或检验方程中，信息元与监督元之间的关系为非线性。 如一个（4，2）分组码的检验方程可以是：C1＝C2＋C3C2，C0＝C2C3+1，则C3C2四个信息组（00）、（10）、（01）、（11）相对应的码字分别是：（0001）、（1001）、（0111）、（1111） 2.9.2.3 差错编码 差错控制采用冗余编码方案来检测和纠正信息传输中产生的错误。 冗余编码思想就是：把要发送的有效数据在发送时按照所使用的某种差错编码规则加上控制码（冗余码），当信息到达接收端后，再按照相应的校验规则检验收到的信息是否正确。 差错检测编码有等重码、奇偶校验码、水平垂直奇偶检验码（方阵校验码）、循环冗余检验码CRC、卷积码等 1. 等重码（恒比码） 即码集中每个码组中的“1”和“0”的个数保持恒定比例。如电报码 2. 奇偶校验码 采用奇偶校验码时，在每个字符的数据位（字符代码）传输之前，先检测并计算出数据位中“1”的个数（奇数或偶数），并根据使用的是奇校验还是偶校验来确定校验位，然后将其附加在数据位之后进行传输。当接收端接收到数据后，重新计算数据位中包含“1”的个数，再通过奇偶校验位就可以判断出数据是否出错。 特点：只能检测单个比特出错的情况 3. 水平垂直奇偶检验码(方阵检验码) 即行列监督码，其码字中的每个码元受到行和列的两次监督。也就是把若干要发送的码组排列方阵，在每行和列按奇或偶的方式检验，然后一行一行地发出去，接收端同样按行和列排列方阵，若不符合发送端的要求，即有错。这样就可以在一定条件下纠正某一交叉位的错误。 4. CRC循环冗余码 先将要发送的信息数据与一个通信双方共同约定的数据进行除法运算，并根据余数得出一个校验码，然后将这个校验码附加在信息数据帧之后发送出去。接收端在接收数据后，将包括校验码在内的数据帧再与约定的数据进行除法运算，若余数为“0”则表示接收数据正确；否则传输出错。 CRC是一种重要而又典型的线性分组码，其特点是：码集中任一码组（全0除外）循环一位（左移是下一编码或右移是上一编码）后仍为该码集中另一码组。 例：（7，3）的CRC循环冗余码为： 码组 信息位 监督位 1 000 0000 2 001 1101 3 011 1010 4 111 0100 5 110 1001 6 101 0011 7 010 0111 8 100 1110 该(7,3)CRC的检验方程是：C3=C6 eq \o\ac(○,+)C4、C2=C5 eq \o\ac(○,+)C3、C1=C4 eq \o\ac(○,+)C2、C0=C3 eq \o\ac(○,+)C1，如第3组码组右移一位为第2组码组，而左移一位则为第四组码组。 由于循环码是线性分组码，因此可以用代数方法来研究，如第四码组可以是：1·X6+1·X5+1·X4+0·X3+1·X2+0·X1+0·X0。 若CRC为(n,k)，则发送端的信息码m(x)就是一个k-1次幂多项式，监督码g(x)就是一个n-k次幂多项式，现在要产生CRC循环冗余检验码f(x)，就要将信息码m(x)左移n-k位就可得到n－1次幂多项式f(x)，f(x)应该能够整除g(x)（称为生成多项式），但是m(x)左移后在右边留下n-k位空白，这样f(x)除以g(x)的余数多项式r(x)就应当是空白处的内容。 例：设CRC位(15,10)，信息码为m(x)＝1010001101，生成多项式g(x)＝110101，求CRC循环冗余码 解：由于g(x)为5次，则在m(x)后补5个0，成为f(x)＝101000110100000，用f(x)去模二整除g(x)得到余数r(x)＝01110，因此最后的CRC循环冗余码为101000110101110。 接收端用接收的CRC循环冗余码f(x)去模二整除g(x)，若余数多项式r(x)为0则传输无误，否则就是传输出错了。 例：若接收端用接收的CRC循环冗余码f(x)＝101110110101101011，生成多项式g(x)＝1110011，问传输数据帧是否正确？ 解：因为f(x)除以g(x)的余数r(x)＝001000，不等于0则传输出错。 t A 连续的模拟信号 1 0 1 0 1 1 离散的数字信号 t A 信源 信宿 噪声（干扰） 信道 调制器 噪声源 信道 信源 解调器 信宿 噪声源 信道 信源�编码器 调制器 信源 信道�编码器 调制器 信道�译码器 信源�译码器 信宿 A B C D 传输出错的码元数 传输的总码元数 Pe= 传输出错的比特数 传输的总比特数 Pb= 发端 收端 0 1 1 1 0 0 1 0 b0 b7 b2 b1 b3 b4 b5 b6 发端 收端 0 1 1 1 0 0 1 0 b0 b7 b2 b1 b3 b4 b5 b6 SA SB SA 集中器 SB …… SB SA SB SB SB SB SA SA SB 复用器 复用器 1 10110101 0 停止位 起始位 计算机 计算机 数据位：B5H 同步字符 同步字符 01101000 11011010……1101101101 01101000 计算机 计算机 数据帧 通信信道 数字信道�模拟信道 数字信号编码与调制�模拟信号编码与调制 0 1 1 0 0 1 数字数据 幅移键控ASK 频移键控FSK 绝对相移键控PSK 相对相移键控PSK 0 1 1 1 0 1 0 0 1 数字数据 不归零码 差分�曼彻斯特编码 曼彻斯特编码 PCM编码 模拟信号 数字信号 数据交换 电路交换 �存储转发交换 报文交换�分组交换 拿起话筒 听到拔号音 拔号 程控交换机 听到电话声 拿起话筒 接听电话 呼叫过程 应答过程 电路建立（固定的电路） 数据传输（通话） 电路拆除（通话完毕，交换机释放） 计算机tsm 多路复用器tsm 多路复用器tsm 计算机tsm 一条传输线路 传输多路信号 光纤1 光纤2 光纤3 光纤4 共享光纤 棱镜/光栅 棱镜/光栅 绝缘外套 屏蔽层 绝缘材料 铜芯 光电转换 光电转换 输入 PIN LED 接收端 发送端 光信号 光纤 输出 多模光纤 单模光纤 公用电话网PSTN 计算机 计算机 调制解调器 调制解调器 DTE DCE DCE DTE � eq \o\ac(○,1)�� eq \o\ac(○,2)�� eq \o\ac(○,3)�� eq \o\ac(○,4)�� eq \o\ac(○,5)�� eq \o\ac(○,6)�� eq \o\ac(○,7)�� eq \o\ac(○,8)�� eq \o\ac(○,9)�� eq \o\ac(○,10)�� eq \o\ac(○,11)�� eq \o\ac(○,12)�� eq \o\ac(○,13)� � eq \o\ac(○,14)�� eq \o\ac(○,15)�� eq \o\ac(○,16)�� eq \o\ac(○,17)�� eq \o\ac(○,18)�� eq \o\ac(○,19)�� eq \o\ac(○,20)�� eq \o\ac(○,21)�� eq \o\ac(○,22)�� eq \o\ac(○,23)�� eq \o\ac(○,24)�� eq \o\ac(○,25)� � eq \o\ac(○,1)�� eq \o\ac(○,2)�� eq \o\ac(○,3)�� eq \o\ac(○,4)�� eq \o\ac(○,5)� � eq \o\ac(○,6)�� eq \o\ac(○,7)�� eq \o\ac(○,8)�� eq \o\ac(○,9)� (110) (100) (101) (001) (011) (010) (000) (111) L+1 （可检测L位差错码集） 2T+1 （能纠正T位差错） L+T+1 （既能检测L位又能纠正T位差错） D≥ _1144851966.unknown