网络工程师(第五版)-第二章 数据通讯基础 笔记

数据通讯基础

2.1 数据通信的基本概念

信源：通信的目的就是传递信息。通信中产生和发送信息的 一端。

信道：信源和信宿之间的通信线路。

噪声：，信息在传输过程中可能会受到外界的干扰，把这种干扰称为噪声。电信号会受电磁场干扰。

模拟数据取连续值，而数字数据取离散值。

模拟数据：是随时间连续变化的信号，这种信号的某种参 （如幅度、相位和频率等）可以表示要传送的信息。

话音信号、电视摄像机产生的图像信号等都是模拟信号。

数字数据：数字信号只取有限个离散值，而且数字信号之间的转换几乎是瞬时的，数字信号以某一瞬间的状态表示它们传送的信息。

模拟通信；如果信源产生的是模拟数据并以模拟信道传输。

数字通信：如果信源发出的是模拟数据且以数字信号的形式传输。

2.2 信道特性

2.2.1 信道带宽

信道带宽w： 等于高频f2减f1低频, 其中， f1是信道能通过的最低频率，f2信道能通过的最高频率.

码元：一个数字脉冲称为一个码元。

码元速率：表示单位时间内信号波形的变换次数，即单位时间内通过信道传输的码元个数。

码元速率的单位叫波特，所以码元速率也叫波特率。

尼奎斯特定理（无干扰）：

尼奎斯特定理指出最大码元速率为B：B等于2w（带宽）。

n：一个码员携带的信息量。

N：码员种类数。

数据速率：单位时间内在信道上传送的信息量（位数）称为数据速率。

R：表示数据速率，单位bps或者b/s。

香农定理（有干扰）：

C：数据速率。

S：信号平均功率。

N：噪声平均功率。

S/N：信噪比。

信噪比：

S：信号平均功率。

N：噪声平均功率。

2.3 传输介质

2.3.1 双绞线

双绞线：双绞线由粗约 1mm 的互相绝缘的一对铜导线绞扭在一起组成，对称均匀地绞扭可以减少

线对之间的电磁干扰。

双绞线分为屏蔽双绞线和无屏蔽双绞线。

2.3.2 同轴电缆

同轴电缆：的芯线为铜质导线，外包 层绝缘材料，再外面是由细铜丝组成的网状外导体，

最外面加 层绝缘塑料保护层。

2.3.3 光缆

光缆由能传送光波的超细玻璃纤维制成，外包一层比玻璃折射率低的材料

2.4 数据编码

二进制数字信息在传输过程中可以采用不同的代码，各种代码的抗噪声特性和定时功能各

不相同，实现费用也不一样。下面介绍几种常用的编码方案。

1. 单极性码

在这种编码方案中，只用正的（或负的）电压表示数据。

方法：是用不同的电压电平来表示两个二进制数字。

2. 极性码

在这种编码方案中，分别用正电压和负 电压表示二进制数 "O" "1"。

3 . 双极性码

在双极性编码方案中，信号在 个电平（正、负、零）之间变化。

一种典型的双极性码就是所谓的信号交替反转编码 (Alternate Mark Inversion, AMI) 。数据流中遇到" I "时使电平在正和负之间交替翻转 ，而遇到 "O" 时则保持零电平。

4. 归零码

在归零 Return to Zero, RZ) 中，码元中间的信号回归到零电平，因此，任意两个码元之间被零电平隔开。

5. 双相码

双相码要求每一位中都要有一个电平转换。

6. 不归零码（也叫：差分码）

不归零码 (Not Return to Zero, NRZ) 的规律是当" 1 "出现时电平翻转，"0" 出现时电平不翻转.

特点：电平的转换。

7. 曼彻斯特编码（重要）

曼彻斯特编码 (Manchester Code) 一种双相码。 高电平到低电平的转换

边表示 "O", 用低电平到高电平的转换边表示 "1 "'相反的表示也是允许的。位中间的电平转

换边既表示了数据代码，同时也作为定时信号使用。曼彻斯特编码用在以太网中。

8. 差分曼彻斯特编码（重要）

这种编码也是一种双相码，和曼彻斯特编码不同的是，这种码元中间的电平转换边只作为

定时信号，不表示数据。数据的表示在千每一位开始处是否有电平转换：有电平转换表示 "O",

无电平转换表示 "1" 。差分曼彻斯特编码用在令牌环网中。

9. 多电平编码

这种编码的码元可取多个电平之一，每个码元可代表几个二进制位。

10 . 4B/5B 编码

在曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码中，每位中间都有一次电平跳变，因此波特率是数据

速率的两倍。

2.5 数字调制技术

数字调制技术：概念数字数据不仅可以用方波脉冲传输，也可以用 拟信号传输 用数字数据调制模拟信号叫

字调制。

有三个参数：幅度，频移，相移。

1. 幅度键控 ASK

按照这种调制方式，载波的幅度受到数字数据的调制而取不同的值，例如对应二进制 "O",

载波振幅为 "O"; 对应二进制 "1 "'载波振幅取 "I" 。调幅技术虽然实现起来简单，但抗干扰

性能较差。

总结：相同振幅波（有波峰波谷）取二进制1。

2. 频移键控 FSK

按照数字数据的值调制载波的频率叫作频移键控。例如，对应 进制 "O" 的载波频率为

Ji, 对应二进制 "1" 的载波频率为儿。这种调制技术的抗干扰性能好，但占用的带宽较大。在

有些低速调制解调器中，用这种调制技术把数字数据变成模拟音频信号传送。

3. 相移键控 PSK

用数字数据的值调制载波相位，这就是相移键控 。例如，用 18 相移表示 "1 "; 相移

表示 。这种调制方式抗干扰性能好，而且相位的变化也可以作为定时信息来同步发送机和接

收机的时钟。码元只取两个相位值叫 相调制，码元可取 个相位值叫 相调制。 相调制时，

个码元代表两位二进制数（如表 2-3 所示） 采用 相或更多相的调制能提供较 的数据速率，

但实现技术更复杂。

4 . 正交幅度调制

就是把两个幅度相同但相位90° 的模拟信号合成为一个模拟信号。

2.7 通信方式和交换方式

2.7.1 数据通信方式

分为三种：

(1) 单工通信

在单工信道上，信息只能在 个方向传送，发送方不能接收，接收方也不能发送。

只能单方向传送。

例子：电视。

(2) 半双工通信

在半双工信道上，通信的双方可交替发送和接收信息，但不能同时发送和接收。

双方可交替传送，但是不能同时传送。如：对讲机。

(3) 全双工通信

同时进行双向信息传送的通信方式。

如电话。

2. 同步方式

传送过程中发送方和接收方必须在时间上保持同步才能传送信息。

(1) 异步传输（叫起止式）。即把各个字符分开传输，字符之间插入同步信息。

起始位作用：对接收方的时钟起 位作用。

校验位：是检查传输中的错误，一般使用奇偶校验。

停止位：告诉接收方该字符传送结束，然后接收方就可以检测后续字符的起始位了。

(2) 同步传输。异步传输不适合于传送大的数据块（例如磁盘文件），同步传输在传送连

续的数据块时比异步传输更有效。

2.7.2 交换方式

交换节点转发信息的方式可分为电路交换、报文交换和分组交换3种。

l. 电路交换

这种交换方式把发送方和接收方用一系列链路直接连通.。电话交换系统就是采用这种交换方式。

当交换机收到一个呼叫后就在网络中寻找一条临时通路供两端的用户通话，这条临时通路可能要经过若干个交换局的转接，并且一旦建立连接就成为这 对用户之

间的临时专用通路，其他用户不能打断，直到通话结束才拆除连接。

电路交换的特点：是建立连接需要等待较长的时间。由千连接建立后通路是专用的，因而不

会有其他用户的干扰，不再有 待延迟。这种交换方式适合千传输大 的数据，传输少量信息时效率不高。

2. 报文交换

这种方式不要求在两个通信节点之间建立专用通路。

报文交换的优点是不建立专用链路，线路是共 的，因而利用较高，这是由通信中 的等待时延换来的。

3. 分组交换

在这种交换方式中数据包有固定的长度，因而交换节点只要在内存中开辟一个小的缓冲区

就可以了。

在进行分组交换时，发送节点先要对传送的信息分组，对各个分组编号，加上源地

址和目标地址以及约定的分组头信息，这个过程叫作信息的打包。一次通信中的所有分组在网

络中传播又有两种方式，一种叫数据报 (Datagram), 种叫虚电路

(I) 数据报。

每个分组在网络中的传播路径完全是由网络当时的状况随机决定的。

(2) 虚电路。

发送端和接收端之间建立一条逻辑连接.

2.8 多路复用技术

多路复用技术是把多个低速信道组合成一个高速信道的技术。

2.8.1 频分多路复用

频分多路复用是在一条传输介质上使用多个频率不同的模拟载波信号进行多路传输，这些

载波可以进行任何方式的调制，如 ASK FSK PSK 以及它们的组合。

2.8.2 时分多路复用

时分多路复用 CTime Division Multiplexing, TDM) 要求各个子通道按时间片轮流地占用

整个带宽。

2.8.3 波分多路复用

波分多路复用 (Wave Division Multiplexing, WDM) 使用在光纤通信中，不同的子信道用不同波长的光波承载，多路复用信道同时传送所有子信道的波长。这种技术在网络中要使用能

够对光波进行分解和合成的多路器，

2.9 差错控制

必须考虑怎样发现和纠正信号传输差错。

2.9.1 检错码

奇偶校验是最常用的检错方法，其原理是在 位的 ASCII 代码后增加一位，使码字中个数成奇数（奇校验）或偶数（偶校验）。经过传输后，如果其中一位（甚至奇数个位）出错，

则接收端按同样的规则就能发现错误。

2.9.2 海明码

M：表示数据位

K：表示校验位

2.9.3 循环冗余校验码

所谓循环码是这样 组代码，其中任 有效码字经过循环移位后得到的码字仍然是有效

码字，不论是右移或左移，也不论移多少位。

WDM (Wave Division Multiplexing）波分多路复用 ：使用在光纤通信中，不同的子信道用

不同波长的光波承载，多路复用信道同时传送所有子信道的波长。这种技术在网络中要使用能

够对光波进行分解和合成的多路器。

TDM（ Time Division Multiplexing, TDM ）时分多路复用：要求各个子通道按时间片轮流地占用

整个带宽。

PCM (Pul seCode Modulation, ), 简称脉码调制：用编码解码器把模拟数据变换为数字信号的过程叫模拟数据的数字化。常用的数字化技术就是脉冲编码调制技术。

QAM（Quadrature Amplitude Modulation）正交幅度调制 ：就是把两个幅度相同但相位

90° 的模拟信号合成为一个模拟信号。

RZ（归零 Return to Zero,）：码元中间的信号回归到零电平，因此，任意两个码元之间被零电平隔开。

AMI（信号交替反转编码：）：数据流中遇到" I "时使电平在正和负之间交替翻转 ，而遇到 "O" 时则保持零电平。