第一部分 数据通信
第二章：数据通信基础知识
信号与通信
模拟通信与数字通信
信号的频谱与带宽，信道的带宽及最大数据传输率等
传输介质
多路复用技术
数据交换技术
信号变换
第三章：物理层接口（RS232C串口）
基本概念
信号
是消息或数据的电磁编码。信号的时域特性表示为时间t的函数，信号的数学描述一般是以时间t为自变量，以某种物理量（如电压）为因变量。
分为模拟信号与数字信号。
通信
通信的任务是将表示消息的信号从发送方传递到
接收方。
分为模拟通信与数字通信。
x(
nT)
(b)
数字信号
(a)
模拟信号
1 0
0 1
1 0
0 1
1
1
f(t)
t
nT
1 0 0 1 1 0 0 1 1 1
模拟通信
信源
调制器
信道
解调器
信宿
噪声
模拟通信：利用模拟信号来传递消息。
实质上是一种信号变换器，由于信源产生的是模拟信号，所以调制器的功能是将其调制到某个频段以便进行远距离传输或多路复用。
包括传输介质和介质两端的传输设备
数字通信
信
源
编
码
器
噪声
发送端时钟
信
源
信
道
编
码
器
信
宿
调
制
信
道
解
调
信
道
译
码
器
信
源
译
码
器
接收端时钟
数字通信：利用数字信号来传递消息。
是对传输的数字信号进行检错或纠错编码,以便接收方能进行差错检测和纠正。
信源编码器的主要作用：一是进行模/数转换；二是降低信号的数码率。
它使变换后的信号能在传输介质
中传输，或提高信道的传输效率
发送端和接收端使用各自的时钟；
接收时钟与发送时钟必须保持同步
数字通信的主要特点
优点
抗干扰能力强，可实现高质量的远距离传输；
能适应各种传输业务；
能实现高保密传输；
传输设备的集成化和微型化；
缺点
占用信道的带宽大；而且需要复杂的同步技术。
例子：一路模拟电话占用4KHz信道带宽，而一路数字电话所需要的数据传输率是64Kbps，所需占用的信道带宽要远远大于4KHz。
模拟放大与数字再生
数据通信基础理论
信号的频谱和带宽
任何信号通过信道时都会发生衰减；如果所有频率分量被等量衰减，那么结果信号虽在振幅上有所衰减，但没有畸变。
然而：信道对不同频率的信号其衰减幅度是不相同的，因而会发生畸变。一般来说，频率越高的信号，其衰减幅度越大
信道的截止频率与带宽
信道的最大数据传输率
信号的频谱和带宽
傅立叶已经证明：任何一个周期为T的函数f(t)都是由无穷多个正弦和余弦函数合成，即：
f(t)=
其中：
n= arctg(bn/ an)
此处f=1/T是基频，an和bn是n次正弦谐波和余弦谐波的振幅。
f(t)
基本概念
频域图（频率-最大振幅图）
把f(t)各次谐波的振幅An按照频率高低依次排列起来所形成谱状图形,称为信号f(t)的频谱图。
信号带宽
信号频域图所覆盖的频率范围称为信号的带宽
我们将信号大部分能量集中的那段频带称为信号的
有效带宽，简称为带宽(Bandwidth)；
任何信号都有一定的带宽。
绝对带宽和有效带宽
常见信号的带宽
话音信号
话音信号的标准带宽为300Hz～3400Hz。
音乐信号（CD音质）
要求的带宽是20Hz ~ 20KHz。
电视信号
电视信号的带宽为几Hz～4MHz。
单脉冲信号
其带宽为无穷大
二进制信号
一般情况下，其带宽依赖于“0”、“1”序列的顺序以及具体的数字编码方式。
脉冲信号频谱图
信号的脉冲宽度与其带宽成反比，因此信号的数据率越高，信号的带宽也就越宽。
信道的截止频率与带宽
信道带宽是指该系统不失真传输信号的频率范围
我们把信号在经过信道时其中某个频率分量的振幅衰减到原来的(即信号的能量衰减到原来的一半)时所对应的频率称为信道的截止频率fc。 (cut-off frequency)即低通信道的有效带宽(0~fc）
任何信道都有fc，信道的截止频率或带宽是由其固有的物理特性决定的。
信道截止频率
10lg 2 3
结论
信道的带宽决定对其通过信号的带宽，因而对于有限带宽信道必须限制信号的带宽，即限制信号的数据传输率；否则输出信号就会畸变。
以01100010为周期信号的频谱
信道的最大数据传输率
基本概念
码元速率
调制速率，波特率，信号单元速率
信号每秒钟传输的脉冲（码元）数：
数据传输率
信息速率
信号每秒钟传输的信息量（比特/秒）：
V为信号的电平级数
两者的关系：
码元(Code Cell)：时间轴上的一个信号编码单元
码元
同步脉冲
t
码元1
码元2
码元3
码元4
码元5
信号
信息量的度量
香农规定：一个消息所荷载信息量I，等于它所表示
事件发生的概率P的倒数的对数。
信息量的计算公式：I=loga(1/P)= -loga(P)
信息量的单位：
如果对数以2为底，单位为比特（b）。
如果对数以e为底，单位为奈特（nat)。
如果对数以10为底，单位为哈特莱（Hartley）。
事件发生的概率越高，信息量越少。
Nyquist定理
Nyquist（1924）推导出带宽为H的理想(无噪声)信道的最大数据传输率为
Rmax = 2H*log 2V (bps)
其中V为信号电平的量化等级。
公式说明数据传输率随信号编码级数增加而增加。
例子
一个带宽为3000Hz的无噪声信道在传输二进制数字信号其最大数据传输率不超过6000bps。
Shannon定理
Shannon（1948）推导出对于带宽为H，信噪比为S/N的有噪声信道，其最大数据传输率Rmax为：
其中信号功率与噪声功率的比值称为信噪比(Signal-to-Noise Ratio)；我们一般使用分贝(dB)来表示信噪比。
例子：一个带宽为3000Hz信噪比为30dB的信道其最大数据传输率不超过C=3000*log2(1+1000) ≈30Kbps
S/NdB = 10 log10 S/N
Rmax = H*log 2 (1 + S/N) (bps)
结论
若把信息传输速率增加到信息容量以上，哪怕超过一点，那么被正确接受的概率就会趋于零。
在实际信道上能够达到的信息传输速率要比香农的极限传输速率低不少。这是因为在实际的信道中，信号还要受到其他损伤，如各种系统外的噪声干扰以及在传输和处理中产生的其他失真等。
当信噪比太小，不能保证通信质量时，可用增加带宽来提高信道容量，即以带宽换功率。
无论信号编码分多少级，香农公式给出了信道能达到的最高传输速率，原因是噪声的存在将使编码级数不可能无限增加。
传输介质
数据传输总是通过某种传输媒体在发送设备和接收设备之间进行。传输媒体可以划分为导线的或无导线的两类。无论属于哪一种类别，通信都以电磁波的形式发生。使用导线媒体，波的传播被限制到一条物理通路；导线媒体的例子有双绞线、同轴电缆和光导纤维。无导线媒体提供发射电磁波的手段，但不约束传播的通路；无导线传播的例子有通过空气、真空和海水的通信。常用的无线通信系统有无线电、微波、卫星、红外线、激光等等。
双绞线
双绞线由两条互相绝缘的铜线组成，其典型粗细为直径1mm，这两条线像螺纹一样拧在一起，这样可以减少邻近线路的电气干扰。双绞线最常见的应用是电话系统。
虽然双绞线主要是用来传输模拟声音信息的,但同样适用于数字信号的传输,特别适用于较短距离的信息传输。采用双绞线的局域网的带宽取决于所用导线的质量、长度、铜线的粗细及传输技术。一般可以在几公里内达到几兆bps的传输率。
双绞线可分为屏蔽双绞线STP(IBM)和非屏蔽双绞线UTP（ EIA/TIA）
双绞线
双绞线
EIA/TIA为双绞线电缆定义了五种不同质量的型号。计算机网络综合布线使用第三、四、五类。这五种型号如下：
第一类：主要用于传输语音（一类标准主要用于八十年代初之前的电话线缆），不用于数据传输。 第二类：传输频率为1MHz，用于语音传输和最高传输速率4Mbps的数据传输，常见于使用4Mbps规范令牌传递协议的旧的令牌网。 第三类:指目前在ANSI和EIA/TIA568标准中指定的电缆。该电缆的传输频率为16MHz,用于语音传输及最高传输速率为10Mbps的数据传输，主要用于10base-T。
双绞线
第四类:该类电缆的传输频率为20MHz,用于语音传输和最高传输速率16Mbps的数据传输，主要用于基于令牌的局域网和10base-T/100base-T。 第五类:该类电缆增加了绕线密度,外套一种高质量的绝缘材料,传输频率为100MHz,用于语音传输和最高传输速率为100Mbps的数据传输，主要用于100base-T和10base-T网络，这是最常用的以太网电缆。
3类和5类UTP的关键差别在于单位距离上的螺旋的数目。5类旋得较紧，一般为每英寸3-4转，而3类则一般是每英尺3-4转；旋得越紧，价格越贵，但性能也好得多。
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。
屏蔽双绞线
以铝箔屏蔽以减少干扰和串音需要配有支持屏蔽功能的特殊连接器和相应的安装技术。100m内可达155Mbps，但价格高。
主要用于IBM网络产品（16Mbps速率)，并未普遍流行起来。
同轴电缆
同轴电缆
基带电缆
特性阻抗50欧姆，主要用于传输数字信号，可作为计算机局域网的传输介质，速率可达10Mbps有可分为粗缆和细缆，粗缆无中继传输距离可达500m，安装难度大，但可靠。细缆无中继传输距率185m，安装时需切断电缆，不可靠。
宽带电缆（CATV电缆）
特性阻抗为75欧姆，主要用于传输模拟信号，可用于有线电视的传输线路。频带高达300MHz或更高，传输距离可达100km。
光纤及光缆构成
光反射原理
光纤
传输与计算的比较
Compution：每10年增长1个数量级
Communication：每10年增长2个数量级
带宽
频率范围：180~370 THz
数据传输率：100*10Gbps = 1 Tbps
原因：光/电、电/光转换的速度跟不上
光电子技术/光子技术
通过光纤中光的波长
μm/μm/ μm (250~ 300THz)
单模光纤和多模光纤
多模光纤（multi-mode fiber）
使用普通发光二极管作为光源
中继距离2公里
内芯直径稍大
直径为μm/125μm
单模光纤（single-mode fiber）
使用激光源
中继距离100公里
内芯直径与光源波长相近
直径为8～10μm
光纤示意图
单模光纤与多模光纤的比较
光纤信道的一般组成
光纤的特点
优点
高带宽、高数据传输率，衰减小
对电磁干扰EMI、窃听不敏感（安全、可靠）
抗腐蚀
重量轻，原料丰富，生产成本低。
缺点
单向传输
光纤接口价格昂贵
工艺复杂、安装技术复杂
无线介质
无线介质是指信号通过空气传输，信号不被约束在一物理导体内。
由无线介质组成无线传输系统，主要包括：
无线电
微波（地面微波、卫星微波）
红外线
激光
无线电波频段划分
无线电、微波、卫星
语音
红外线
光
紫外
X、伽玛射线
0 3kHz 300GHz
430～750THz
无线电
无线通信就是利用地面发射的无线电波通过电离层的反射而到达接收端的一种远距离通信方式。无线通信使用的频率一般在3MHz 至300MHz。
无线电波的传播特性与频率有关。在低频上，无线电波能轻易地绕过一般障碍物，但其能量随着传播距离的增大而急剧递减。在高频上，无线电波趋于直线传播并易受障碍物的阻挡，还会被雨水吸收。
微波
对于频率在100MHz以上的无线电波，其能量将集中于一点并沿直线传播，这就是微波。
微波通信是利用无线电波在对流层的视距范围内进行信息传输的一种通信方式，它使用的频率范围一般在300MHz至3GHz左右。
由于微波只能沿直线传播，所以微波的发射天线和接收天线必须精确对准，而且每隔一段距离就需要一个中继站。
中继站之间的距离与微波塔的高度成正比例。对于100m高的微波塔，中继站之间的距离可以达到80km。
地面微波接力
地球
两个地面站之间传送
距离：50 -100 km
地面站之间的直视线路
微波传送塔
地球同步卫星
35860
公里
地球
与地面站相对固定位置
使用3个卫星覆盖全球
传输延迟时间长
卫星通信
卫星通信：微波通信的特殊形式，它以距地面 35860km
的同步卫星为中继站，实现地球上18000km
范围内的多点之间的连接。主要由卫星、
地球站、上下行线组成。频率范围在
3～30GHz
～
～
L
～31
～21
Ka
14～
～
Ku
～
～
C
上行线
下行线
波段
卫星频带（GHz）
甚小口径地球终端VSAT
VSAT网通常由一个卫星转发器、一个大型主站和大量的VSAT小站
组成，能单双向传输数据、语音、图像、视频等多媒体综合业务。
尤其适用于大量分散的业务量较小的用户共享主站，所以许多部门
和企业多使用VSAT网来建设内部专用网。
多路复用
复用——多个信息源共享一个公共信道
主要目的－减少线路成本，提高线路利用率
DEMUX
复用器
解复用器
共享信道
MUX
多路复用
频分多路复用FDM(Frequency Division Multiplexing)
主干线路的频带被划分为若干逻辑信道，每个用户独占某些频段；
调频广播以及有线电视。
波分多路复用WDM(Wave Division Multiplexing)
FDM在光纤介质中的应用；
光纤系统使用的衍射光栅可以是无源的。
时分多路复用TDM(Time Division Multiplexing）
每个用户轮流瞬间地占有主干线路的整个带宽；
在数字通信系统中，对主干线路的多路复用只能采用TDM，因为数字信号的频谱有可能占居整个信道带宽。
多路复用
统计(异步）TDM:用户不固定占用某个通道，有空槽就将数据放入，可节省带宽。
FDM
频分多路复用FDM图
FDM
WDM
时分多路复用TDM图
统计时分多路复用
A
B
C
D
待发数据
t1 t2 t3
A1
B1
C1
D1
C2
D2
A2
B2
周期1
周期2
同步 TDM
带宽浪费
A1
B1
C2
B2
周期1
周期2
统计TDM
可用带宽
TDM的缺点：某用户无数据发送，其他用户也不能占用该通道，将会造成带宽浪费。
改进：统计时分多路复用（STDM），用户不固定占用某个通道，有空槽就将数据放入。
电话通信网的传输技术
光纤
电缆
明线
光纤
电缆
明线
基 站
用户
用户线
市 内 交 换 设 备
移 动 交 换 局
基 站
长 途 交 换 设 备
多 路 复 用 设 备
地 球 站
微 波 站
终 端 增 音 设 备
用户
用户线
市 内 交 换 设 备
移 动 交 换 局
基 站
长 途 交 换 设 备
多 路 复 用 设 备
地 球 站
微 波 站
终 端 增 音 设 备
基 站
增 音 设 备
通信卫星
CCITT标准（T，E系列）
64kbps
单路
PCM
×5
7680路
564992kbps
96路
6312
kbps
1920路
13926kbps
480路
34368kbps
120路
8448kbps
30路
2048kbps
672路
44736kbps
480路
32064kbps
24路
1544kbps
×24
×4
×4
×4
×4
×4
北美
日本
欧洲
日本
北美
×7
PDH数字传输系统
T1线路帧格式
E1帧格式
0
1
2
16
31
125 ms = 32 时隙 = Mbps
帧同步
信令信道
30 路话音数据信道 + 2 路控制信道
同步数字体系SDH
最早由美国贝尔通信所提出，称为SONET,1988年CCITT改名为SDH，规定了标准光信号多路复用的数字业务同步帧结构和传输速率的系列等级、信号格式操作规程。它在帧结构内安排了丰富的比特开销用于网络维护，操作和管理采用大量的软件进行智能化便于实现低速信号的分流和插入。新研制的SONET标准则是OC-192（大约10 Gbps）以及更高的级别。两种标准几乎同等
SONET/SDH复用级别
SONET多路复用
数据交换技术
电路交换(Circuit Switching)
传统电话网
报文交换(Message Switching)
报文指具有完整消息含义的数据单元。例如电报，电子邮件，数据文件等。
分组交换(Packet Switching)
分组大小有严格的上限。例如，网。
电路交换节点
incoming links
outgoing links
Node
电路交换
原理
在采用电路交换技术的网络中，传输双方在传输之前通过呼叫建立一条物理线路，该线路的带宽是固定的而且该物理线路一直保持到双方通话结束才释放。
特点
电路交换技术有两大优点，第一是传输延迟小，唯一的延迟是物理信号的传播延迟；第二是一旦线路建立便不会发生冲突。
电路交换的缺点首先是建立物理线路所需的时间比较长；其次是在电路交换系统中，物理线路的带宽是预先分配好的。
报文（Message）交换
原理
报文交换不事先建立物理电路，当发送方有数据要发送时，它把要发送的数据当作一个整体交给中间交换设备，中间交换设备先将报文存储起来，然后选择一条合适的空闲输出线将数据转发给下一个交换设备，如此循环往复直至将数据发送到目的结点。
特点
不限制报文的大小，这就要求各个中间结点必须使用磁盘等外设来缓存较大的数据块。
报文转发可能会长时间占用线路，导致报文在中间结点的延迟非常大，这使得报文交换技术不适合交互式通信。
分组交换
原理
是报文交换技术的改进；
在分组交换网中，将用户的数据划分成一个个分组(packet)，而且分组的大小有严格的上限，这样使得分组可以被缓存在交换设备的内存而不是磁盘中。
特点
吞吐率较高，非常适合于交互式通信。
实现方式
数据报(Datagram)
每个Packet单独寻址
虚电路(Virtual Circuit)
在传输双方先建立一条虚电路，所有Packet沿着同一条虚电路到达目的地：实例
分组交换节点
incoming links
outgoing links
Node
Memory
电路和分组交换示意图
三者的比较
电路交换和分组交换的比较
带宽分配
电路交换技术静态预留带宽（物理线路）；而分组交换技术动态申请和释放带宽（虚电路）。
透明性
电路交换是完全透明的。发送方和接收方可以使用任何速率(当然是在物理线路支持的范围内)、帧格式来进行数据通信。而在分组交换中，发送方和接收方按一定的数据速率和帧格式进行通信。
计费方式
在电路交换中，通信费用取决于通话时间和距离，而与通话量无关；而在分组交换中，通信费用主要按通信流量(如字节数)来计算，适当考虑通话时间和距离。
信号变换
话音
模拟传输
模拟
数字
调制解调
模拟
模拟
编码解码
数字
数字
数字编码
数字
模拟信号，模拟信号
数字信号，模拟信号
数字信号，数字信号
模拟信号，数字信号
1010
1010
调制解调器
计算机发出的二进制数据在模拟用户线上直接传输时会发生信号的衰减和畸变；因此在计算机与用户电话线之间必须引入Modem；
拨号Modem就是对数字信号进行调制以便数字信号能够在普通模拟话音信道上进行传输的设备
调制就是用载波的一个参量的变化来反映调制信号变化的过程，实现调制过程的设备叫做调制器；从已调制信号恢复出原始信号的过程叫解调，相应的设备叫解调器。
调制原理
相位调制解调原理
调制方式
多级调制方法1 -单参量多级调制
01
10
00
0
+90
+180
+270
11
数据率 = 信号速率 × log2M
M：调制级数
+900 01
00 00
+2700 11
+1800 10
4-PSK
4v
2v
-2v
-4v
正交幅度QAM调制
多级调制方法2 –多参量多级调制
16-QAM(正交振幅调制) :使用振幅和相位的16种组合
0
45
16-QAM的星座图
90
180
270
135
315
225
Modem标准
传输速率( 9600bps, , , 56kbps)
调制方式(调幅、调频、调相、正交幅度调制)
数据压缩
CCITT规范：CCITT 规范，使用Huffman编码技术
MNP(Microcom Networking Protocol)规范：MNP 5可以实现2：1的压缩比，MNP 7的压缩比可以达到3：1。
差错控制
CCITT规范：CCITT 规范
MNP 规范：MNP 10级是功能非常齐全的差错控制协议，用于向蜂窝电话这样的噪声环境。
物理接口(RS-232-C，RS-449，)
ITU有关Modem的标准
ITU bis 2400bps
ITU 4800bps
ITU 9600bps QAM (16points)
ITU QAM (64points)
ITU 12bits/Sample
ITU 14bits/Sample
ITU Compress
ITU 56kbps
Modem的分类
按调制信号
电话拨号Modem（人工呼叫/应答、自动呼叫/应答）
专线Modem（2线、4线）
射频Modem（Cable Modem）
Optical Modem（光调制解调器）
按调制方式
调幅/调频/调相/正交幅度调制
按数据传输方式
同步Modem/异步Modem
按传输方式
单工/半双工/全双工
模/数转换
3
4
3
3
1
4
011
100
011
011
001
100
原始信号
PAM脉冲
PCM 脉冲
（有量化误差）
011100011011001100
PCM 输出
PCM 转换波形图
B
A
C
D
A
B
C
D
模拟话音
采样时钟
PAM 信号
PCM 信号
采样电路
量化和编码
数字化声音
脉码调制PCM(Pulse Coded Modulation)
模拟话音
采样时钟
PAM 信号
PCM 信号
采样电路
量化和编码
数字化声音
--话音信道带宽<4KHz
--采样时钟频率：8KHz (> 2倍话音最大频率)
--量化级数：256级 (8位二进制码表示)
--数据率：8000次/s*8bit = 64Kb/s
∴每路PCM信号的速率 = 64000bps
三种数字编码的波形图
0
1
0
0
1
1
0
0
0
1
1
时钟
NRZ
Manchester
差分
Manchester
曼彻斯特编码
规定在每个码元的中间发生跳变：
高 →低的跳变——0，低→高的跳变——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，使接收端的时钟与发送设备的时钟保持一致。
∴曼彻斯特编码也称为自同步码（Self-Synchronizing Code）。它具有自同步机制，无需外同步信号。
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
差分曼彻斯特编码(Differancial Manchester code)
与曼彻斯特编码相同，在每个码元的中间，信号都会发生跳变；不同之处在于：
用在码元开始处有无跳变来表示0和1 ：
码元开始处有跳变——0
码元开始处无跳变——1
小结（1）
信号是消息(或数据)的一种电磁编码，信号按其因变量的取值是否连续可分为模拟信号和数字信号，相应的将通信分为模拟通信和数字通信。
傅立叶已经证明：任何信号(不管模拟信号还是数字信号)都是由各种不同频率的谐波组成的，任何信号都有相应的带宽。而且任何信道在传输信号时都会对信号产生衰减，因此，任何信道在传输信号时都存在一个数据传输率的限制，这就是奈奎斯特Nyquist定理和香农Shannon定理所要告诉我们的结论。
小结（2）
传输介质是计算机网络与数据通信的最基本的组成部分。为了提高传输介质的利用率，我们可以使用多路复用技术，多路复用技术有频分多路复用、波分多路复用和时分多路复用三种，它们用在不同的场合。
数据交换技术包括电路交换、报文交换和分组交换三种，它们有各自的优缺点。
Modem是用于在模拟电话网上传输计算机的二进制数据，Modem的调制方式有调幅、调频、调相以及正交幅度调制，而且Modem还支持数据压缩和差错控制。
小结（3）
脉码调制PCM将模拟信号变换为数字信号，通常分为三个过程：采样、量化和编码。
