第三章 数据传输技术.docx

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第三章数据传输技术

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3.1数据传输的基本概念

3.1.1信息、数据和信号

数据传输的基本概念之一是理解信息、数据和信号这三个术语的含义。

信息（Information）一词也可译成资讯。

从通信的意义上理解，信息可用来解除不确定度。

为了定量地研究通信系统的运行状况，客观地评价各种通信方式的优缺点，需要对信息进行度量。

著名的美国数学家、信息论的奠基人香农（C.E.Shannon）给出了关于度量信息的公式，即信息量I为

若上式的对数以2为底，则信息量的单位为比特（bit）。

由上式可知，一个消息所承载的信息量I等于它所表示的事件发生的概率P的倒数的对数。

如果一个消息为必然事件，即该事件发生的概率为1，则该消息所传递的信息量为零。

数据（Data）是任何描述物体、概念、形态的事实、数字、符号和字母,可定义为有意义的实体，它涉及到事物的形式。

数据中包含着信息，信息可通过解释数据而产生。

从形式上，数据可分为模拟数据和数字数据两种,如图3.1.1所示。

模拟数据是指在某个区间内连续的值。

例如，声音或视频都是强度连续变化的波形；又如，用传感器采集到的数据，包括温度和压力等，都是连续的。

数字数据泛指离散的值，诸如文字、整数等。

信号（Signal）是数据的电磁（或电子）编码。

通信系统中所使用的信号指的是电、磁信号，即随时间变化的电压、电流或磁场。

从数学角度来看，信号通常是时间的函数，在时域上可划分为连续函数和离散函数。

从通信的信号形式上看，信号是传递消息的载体，信号可分为以下两种：

·模拟信号：

指连续变化的电信号，例如语音信号、当前的电视信号等；

·数字信号：

指离散的一系列电脉冲，如计算机所用的二进制代码“1”和“0”表示的信号。

模拟信号和数字信号都可以在合适的传输介质上进行传输。

我们常用“信道”一词来表示向某一方向传送数据的传输介质。

由于目前使用的传输介质有多种，它们在传输特性上存在着差别,因此，数据传输设备采用不同的信号变换技术，以取得满意的数据传输质量。

与信号的分类相似，现代通信网中的信道也可分为两种：

·数字信道，主要用于传输数字信号，具有64kb/s或较高速率的同步数字传输通路；

·模拟信道，用于传输模拟信号，具有通频带为300～3400Hz的长途载波电话通路或实线通路。

3.1.2传输方式

信号的传输方式分为并行传输与串行传输。

1.并行传输

并行传输指的是数据以成组的方式，在多条并行信道上同时进行传输，如图3.1.2（a）所示。

例如,一个采用8单位二进制码构成一个字符进行并行传输的系统，需采用8个信道并行传输，一次传送8位，即一个字符，因此收、发双方不存在字符同步的问题，不需要额外的措施来实现收发双方的字符同步，这是并行传输的主要优点。

在实用中，需另外加一条控制信号,即“选通”脉冲，它在数据信号发出之后传送，用以通知接收设备所有的位已经发送完毕，可对各条信道上的信号进行取样了。

并行传输常用于计算机内部数据总线或PC微机与打印机接口，但由于使用的线路多，成本较高，不适宜远距离传输。

图3.1.2传输方式

（a）并行传输；（b）串行传输

2.串行传输

串行传输指的是组成字符的若干位二进制码排列成数据流,以串行的方式在一条信道上传输，如图3.1.2（b）所示。

通常传输顺序为由低位到高位，传完这个字符再传下一个字符，因此收、发双方必须保持字符同步，以使接收方能够从接收的数据比特流中正确区分出与发送方相同的字符，这是串行传输必须解决的问题。

串行传输只需要一条传输信道，易于实现，是目前远程通信主要采用的一种传输方式。

3.2传输介质及其特性

上一章在ISO/OSI―RM中简述了物理层的基本功能,涉及到物理层规程或建议，直接面向着各种不同的通信方式,各式各样的传输介质。

特别需注意这些物理层功能并不是指具体所要连接的计算机等设备和传输介质,因此在实际的计算机等数据终端设备（DTE，DataTerminalEquipment）之间的通信必须通过具体的通信设备和传输介质来完成信息的传输。

可见，传输介质是计算机通信与网络的基本组成部分，在远程传输工程的投资成本中占有很大的比例。

因此，如何利用传输介质是网络技术和应用的一个基本问题。

传输介质可以分为线传输介质（有线线路）和软传输介质（无线信道）两类。

前者包括双绞线、同轴电缆及光缆等；后者主要包括地面微波、卫星微波、无线电波及红外传输技术等。

传输介质的特性影响着数据的传输质量，不同的传输介质具有不同的传输特性，可从物理结构、连通性、抗干扰性、可允许直连最长距离以及价格等方面来衡量。

从传输系统的设计目标来看，首先关注的是能符合应用的数据传输速率和传输距离。

一般来说，数据传输速率愈高，允许传输距离愈远而价格合理为优选。

3.2.1线传输介质

1.双绞线

双绞线（TP，TwistedPair）是由线对扭绞而成的，其结构如图3.2.1所示。

芯线为软铜线，一般线径为0.4～1.4mm不等。

采用双绞线的好处是可减少相邻线对间的电磁串扰（与扭绞距有关）。

多对双绞线封装后构成对称电缆。

由于价格相对便宜，应用十分广泛，在市话用户线、部分中继线以及部分长途载波线路中仍然使用双绞线或对称电缆。

图3.2.1双绞线

电话通信对称电缆中双绞线对数的可选范围为2~1800对，市话用户线采用双绞线的传输距离可达1～5km。

双绞线既可用来传输模拟信号，也可用于传输数字信号。

当双绞线用来传输信号时，其传输距离与双绞线的线径有关。

导线加粗，其传输距离相对可较远，但导线的成本也增加。

通常，电话系统的用户在一个载波话路带宽为4kHz（实际有效带宽为0.3～3.4kHz）的通路上传输数据时，其一般速率为2400～9600b/s（需要加Modem）。

目前，经过特别设计的双绞线，如在计算机局域网中，采用三类无屏蔽双绞线（3＃UTP，UnshieldedTwistedPair）在基带传输距离100m内其允许数据传输速率也可达10Mb/s；五类无屏蔽双绞线（5＃UTP）在基带传输距离100m内其允许数据传输速率已可高达100～155Mb/s。

无屏蔽双绞线的传输特性如表3.2.1所示。

千兆局域网中一般选用超5类、6类或7类双绞线。

为了改善双绞线的抗电磁干扰性能,可在双绞线的外面包上用金属丝编织的屏蔽层，称为有屏蔽双绞线（STP，ShieldedTwistedPair）。

表3.2.1无屏蔽双绞线类型和传输特性

在局域网中常用的EIA/TIA568AUTP内4对8线的编号与线色如图3.2.2所示。

图3.2.2局域网UTP内4对8线的编号与线色

2.同轴电缆

同轴电缆（CoaxialCable）是由同轴管内的内导体和外导体构成的一种通信传输介质。

同轴管的内导体采用半硬铜线（单芯）或多股线扭绞而成，外导体采用软铜线或铝带纵包而成，内外导体间用聚乙烯塑料制成的垫片绝缘，如图3.2.3所示。

同轴电缆的低频串音及抗干扰特性不如对称双绞线电缆，但随着频率升高，外导体的屏蔽作用增强，其串音和抗干扰能力大为改善，因此它适用于高频大通路长途干线。

通常，根据内外导体直径的尺寸，可分为中同轴电缆（2.6/9.5mm）、小同轴电缆（1.2/4.4mm）及微同轴电缆（0.7/2.9mm）。

目前，中同轴电缆载波电话系统最高可传送10800条话路（或13200条话路）。

我国国内主要采用1800路和4380路载波电话系统，线路最高传输频率分别为8.428MHz和21.664MHz。

小同轴电缆造价相对较低，使用灵活，常用的载波系统可达3600路，而我国国内主要采用300路和960路系统，线路最高传输频率分别为1.3MHz和4.188MHz。

微同轴电缆主要用于数字通信中传输二次群（120话路）、三次群（480话路）的脉冲编码调制（PCM）数字信号。

此外，在计算机局域网、共用天线电视（CATV）中，同轴电缆也得到了广泛的应用，其型号及特性如表3.2.2所示。

表3.2.2局域网所用同轴电缆的型号及特性

由表3.2.2中可见，同轴电缆可用于基带（Baseband）和宽带（Broadband）传输。

同轴电缆（RG―8/RG―11）的特性阻抗为50Ω，通常用于传输基带的数字信号。

所谓“基带”，是指未经频率变换的传输频带。

在局域网中使用这种基带粗同轴电缆，加中继器可在2.5km内以10Mb/s传送基带的数字信号。

同轴电缆（RG―59U）的特性阻抗为75Ω，它可用于有线电视（CATV）传输系统，采用频分复用技术来传送模拟信号，其频率高达300～450MHz，传输距离可达100km（需加多级放大器）；

如要传送数字信号，则需进行信号变换，即将数字信号变换成模拟信号，才能在电缆上分频传输。

一般，每秒传送1比特要用1Hz的带宽，这取决于编码方式和所用的传输系统。

通常在300MHz的电缆上可支持300kb/s～150Mb/s的数据传输速率。

3.光缆

光纤（OpticalFiber）是一种光传输介质，由于可见光的频率高达108MHz，因此光纤传输系统具有足够的传输带宽。

光缆是由一束光纤组装而成的，用于传输调制到光载频上的已调信号。

光缆的结构示意如图3.2.4所示。

图3.2.4四芯光缆示意图

（a）光缆结构剖面图；（b）光波在纤芯中传播

光纤通常由纯净的石英玻璃拉成细丝构成，主要由纤芯和包层构成双层通信圆柱体，其直径（含包层）仅为0.2mm，因此，必须加上加强芯和填充物,增加其机械强度。

必要时在光纤内可接入远供电源线，最后加封包带层和外护套,以满足工程施工和应用的强度要求。

实际上，只要使射到光纤表面的光线入射角大于某一个临界角度，就可以产生全反射，如图3.2.4（b）所示。

含有许多条不同入射角的光线在一条光纤中传输，这种光纤称为多模光纤（MMF）。

若光纤的直径足够细，如使用一个光的波长，则光纤就会像波导那样，能使光线一直向前传播，这种光纤称为单模光纤（SMF）。

一个简单的光收发系统如图3.2.5所示。

在光纤的发送端需要光源，可选用发光二极管（或半导体注入型激光管）作电→光转换，即在电脉冲的作用下产生光脉冲。

在接收端利用光电二极检波管（或雪崩光电二极管）做成光电检测器完成光→电转换，即检测到光脉冲后将其还原成电脉冲。

一条裸纤只能支持单方向点到点的传输。

由于发光二极管产生的可见光定向性较差，因而常用于多模光纤系统；而半导体注入型激光管能产生一个超辐射的极窄光束，即单一波长的激光，因而常用于单模光纤系统。

图3.2.5光收发系统

光纤的传输特性主要用损耗和色散来衡量。

损耗是光信号在光纤中传播时单位长度的衰减，通常用dB/km来表示；光纤的损耗会影响传输的中继距离。

色散则是光信号到达接收端的时延差，即脉冲展宽；色散会影响传输码率（即传输带宽）。

光纤的频带特性以兆赫千米（MHz·km）来表示。

研究表明，单模光纤在光波长为1.3μm或1.5μm时，其损耗分别为0.5dB/km和0.2dB/km，从而使中继站的距离延长到50～100km，码速可增加到2.4Gb/s，接近于0，此时的最大传输距离：

海底光缆可达1000～10000km，地面光缆为100～1000km，而在大城市中继为10～70km。

自AT&T公司率先公布了采用光放大器和单光子相结合的方法后，在13000km的距离内，单模光纤的传输速率已达20Gb/s。

光纤作传输介质用于通信，其主要优点是：

（1）传输速率极高，频带极宽，传送信息的容量极大。

（2）光纤不受电磁干扰和静电干扰等影响，即使在同一光缆中，各光纤间几乎没有干扰；

易于保密；光纤的衰减频率特性平坦，对各频率的传输损耗和色散几乎相同，因而接收端或中继站不必采取幅度和时延等均衡措施。

（3）光纤的原料为石英玻璃砂（即二氧化硅），原料充足。

光纤上传输光信号，因此光纤适宜无分叉的点到点连接。

相对双绞线、同轴电缆，光缆每公里的单价较贵。

随着生产成本的日益降低，光缆必将成为21世纪全球信息基础设施的主要传输介质。

3.2.2软传输介质

1.无线电波

无线电波是一个广义的术语，从含义上讲，无线电波是全向传播的，而微波则是定向传播的。

无线电波的频段分配见表3.1.3。

表3.1.3无线电波频段和波段名称

无线电波的不同频段可用于不同的无线通信方式。

（1）频率范围3～30MHz通称为高频（HF）段，可用于短波通信。

它是在地面发射无线电波，通过电离层的多次反射到达接收端的一种通信方式。

由于电离层随季节、昼夜以及太阳黑子活动情况而变化，所以通信质量难以达到稳定。

当用高频段作数据传输时，邻近的传输码元将会引起干扰。

（2）频率范围30～300MHz为甚高频（VHF）段，频率范围300～3000MHz为特高频（UHF）段。

在这两个频率范围内，电磁波可穿过电离层，不会因反射而引起干扰，因而可用于数据通信。

例如，夏威夷ALOHA系统使用两个频率：

上行频率为407.35MHz,下行频率为413.35MHz，两个信道的带宽均为100kHz，可传输数据率为9600b/s,其传输是以分组形式进行的，所以也称ALOHA系统为无线分组通信（PacketRadioCommunication）。

此外，蜂窝无线电移动通信（CellularRadioMobileCommunication）系统已得到了广泛的应用。

例如，蜂窝式移动电话模拟系统有多种制式提供服务，其中TACS制式的基站发射频段为935～960MHz；移动台发射频率范围为890～915MHz，收发间隔45MHz，频道间隔为25kHz，可有1000个频道用于通话。

另一种蜂窝式移动电话数字系统，如GSM，是基于数字射频调制技术、时分多址或码分多址技术的，它提高了系统容量和传送质量，有利于引入ISDN业务。

2.地面微波

地面微波的工作频率范围一般为1～20GHz，它是利用无线电波在对流层的视距范围内进行传输的。

由于受到地形和天线高度的限制，两微波站间的通信距离一般为30～50km。

当用于长途传输时，必须架设多个微波中继站，每个中继站的主要功能是变频和放大，这种通信方式称为微波接力通信，如图3.2.6所示。

目前，模拟微波通信主要采用调频制，每个射频波道可开通300、600、1800、2700及3600条话路。

也可采用单边带调幅制，每个射频波道可最多开通6000条话路。

微波天线的通用类型是抛物型“碟”，其直径为3m，两天线间直径距离l为

式中，k为调整因子，考虑微波随地球的曲面而折射的因素，取经验值k为4/3；h为天线高度（m）。

微波损耗随距离平方的对数关系变化，可用下式来表示：

式中，λ为波长。

数字微波系统大多采用相移键控（PSK）调制方式，有4相制和8相制，目前国内长途干线主要采用4GHz的960路系统和6GHz的1800路系统。

微波通信可传输电话、电报、图像、数据等信息，其主要特点是：

（1）微波波段频率高，其通信信道的容量大，传输质量较平稳，但遇到雨、雪天气时会增加损耗。

（2）与电缆通信相比，微波接力信道能通过有线线路难于跨越或不易架设的地区（如高山或深水），故有较大的灵活性，抗灾能力也较强；但通信隐蔽性和保密性不如电缆通信。

2.卫星微波

通信卫星是现代电信的重要通信设施之一，它被置于地球赤道上空35784km处的对地静止的轨道上，与地球保持相同的转动周期，故称为同步通信卫星。

实际上，它是一个悬空的微波中继站，用于连接两个或多个地面微波发射/接收设备（称之为卫星通信地球站，简称为地球站）,如图3.2.7所示。

图3.2.7卫星微波中继通信

卫星通信是利用同步通信卫星作为中继站，接收地球站送出的上行频段信号，然后以下行频段信号转发到其他地球站的一种通信方式。

通过卫星一跳（Hop）一跳（Hop）指从地面至卫星、卫星返地面的传输过程。

可连通地面最长达1.3×104km的两个地球站间的通信。

根据1992年世界无线电行政大会规定，固定卫星业务（FSS）常用下列三个频段：

1）C频段

上行：

5925～6425MHz,带宽500MHz

下行：

3700～4200MHz,带宽500MHz

从1984年起，为扩展卫星固定通信业务（FSS）用的频谱，其频段调整为：

上行：

1区5725～7075MHz,带宽1350MHz

2、3区5850～7075MHz,带宽1225MHz

下行：

1～3区3400～4200MHz,4500～4800MHz,带宽合计为1100MHz

2）Ku频段

上行：

1～3区14.0～14.25GHz,带宽250MHz

14.25～14.50GHz,带宽250MHz

下行：

1～3区10.95～11.20GHz,带宽250MHz

11.45～11.70GHz,带宽250MHz

2区11.7～11.95GHz,带宽250MHz

11.95～12.2GHz,带宽250MHz

3区12.2～12.5GHz,带宽300MHz

1、3区12.5～12.75GHz,带宽250MHz

3）Ka频段

上行：

29.5～30GHz,带宽500MHz

下行：

19.7～20.2GHz,带宽500MHz

目前，应用较多的是C频段。

通常将可用的频段带宽（如500MHz）分为36MHz的转发器频带，因此，一星可含12个或更多的转发器，实现多信道卫星通信。

今后发展的方向是Ku频段。

卫星微波通信的主要特点是：

·通信覆盖区域广，距离远；

·从卫星到地球站是广播型信道，易于实现多址传输；

·通信卫星本身和发射卫星的火箭费用很高，且受电源和元器件寿命等因素的限制，同步卫星的使用寿命一般多则七八年，少则四五年；

·卫星通信的传输时延大，一跳的传播时延约为270ms，利用卫星微波作数据传输时，必须要考虑这一特点。

此外，甚小孔径卫星终端（VSAT，VerySmallApertureSateliteTerminals），中、低轨道卫星移动通信系统，如铟（Indium）系统、全球卫星系统、ICO（IntermediateCircularOrbit）系统等还可提供频段租赁服务。

4.红外线技术

红外线（Infrared）技术已经在计算机通信中得到了广泛应用，例如两台笔记本电脑对接红外接口即可传输文件。

红外线链路只需一对收发器，在调制不相干的红外光（1012~1014Hz）后，即可在视线距离的范围内传输。

红外线传输具有很强的方向性，可防止窃听、插入数据等，但对环境（如雨、雾）干扰特别敏感。

3.3数据调制与编码

数据传输是实现数据通信的基础，源站的数据通过调制或编码变成信号，沿传输介质传播到目的地。

模拟数据和数字数据都可用模拟信号或数字信号来表示，图3.3.1表示了模拟数据、数字数据与模拟信号、数字信号的对应关系。

图3.3.2数字数据的模拟信号调制

3.3.1数字数据的模拟信号调制

调制解调器（Modem）是一种信号变换设备，数字数据通过Modem可变为模拟信号，以利于在模拟信道中传送，如图3.3.2所示。

基本的调制方法有下列三种：

（1）幅移键控法（ASK，AmplitudeShiftKeying）:

用载波频率不同的幅度来表示两个二进制值，如图3.3.3（a）所示。

图3.3.3基本的调制方法

（a）ASK;（b）FSK;（c）PSK

（2）频移键控法（FSK，FrequencyShiftKeying）:

用不同的载波频率（相同幅度）来表示两个二进制值，如图3.3.3（b）所示。

（3）相移键控法（PSK，PhaseShiftKeying）:

用不同的载波相位（相同幅度）来表示两个二进制值，如图3.3.3（c）所示。

在现代调制技术中，常将上述基本调制方法加以组合应用，以求在给定的传输带宽内提高数据的传输速率。

数据传输速率是衡量系统传输能力的主要指标。

数据传输速率表示单位时间内传送二进制“1”和“0”的数量（单位b/s），记作C。

调制速率则表示调制信号波形变换的程度，即单元信号码元周期T的倒数（单位为baud,波特），记作B。

C与B之间的关系如下：

单路调制

多路调制

式中,m为调制的通路数，i表示通路序号，N表示不同的码元数，lbN为每个码元的比特数。

从传输速率以及抗干扰能力来看，PSK最优，FSK其次，ASK最差。

现代通信中所采用的先进的格栅调制技术可使数据传输速率高达33.6kb/s。

3.3.2数字数据的数字信号编码

计算机通信中的二进制数字的基本表示方法是：

“1”表示正电压；“0”表示无电压，称之为不归零（NRZ，NonReturntoZero）码，如图3.3.5（a）所示。

数字数据编码的目标是将二进制数“1”、“0”经过编码成为数字信号，使其特性有利于传输，其示意图如图3.3.4所示。

典型的几种数字数据的数字信号编码如图3.3.5所示。

图3.3.4数字数据的数字信号编码

图3.3.5典型的数字数据的数字信号编码

1.不归零见一反转码

不归零见一反转（NRZI，NonReturntoZero，Invertonone）码是NRZ码的变种，如图3.3.5（b）所示。

其编码规则为：

·二进制数“1”表示在每个周期开始时进行电平的转换（低-高或高-低）；

·二进制数“0”表示在每个周期开始时无信号转换。

2.替换标志反向编码

替换标志反向（AMI，AlternateMarkInversion）编码采用了多级二进制编码技术，即码元选用两个以上的信号电平，如图3.3.5（c）所示。

其编码规则为：

·二进制数“1”表示正-负交换出现；

·二进制数“0”表示无信号。

3.伪三元码

伪三元（Pseudoternary）码也采用多级二进制编码技术，如图3.3.5（d）所示。

其编码规则为：

·二进制数“0”表示正-负交换出现；

·二进制数“1”表示无信号。

4.曼彻斯特（Machester）编码

曼彻斯特码是采用双相位技术来实现的，如图3.3.5（e）所示。

其编码规则为：

·每个比特的中间有跳变（极性转换）；

·二进制数“0”表示由低到高的跳变；

·二进制数“1”表示由高到低的跳变。

5.差分曼彻斯特编码

差分曼彻斯特码是采用双相位技术来实现的，如图3.3.5（f）所示。

其编码规则为：

·每个比特的中间有跳变（极性转换）；

·二进制数“0”表示每比特的开始有跳变；

·二进制数“1”表示每比特的开始无跳变。

曼彻斯特码、差分曼彻斯特码都是归零码（RZ），其特点是：

自同步；无直流分量；差错检测；最大调制率是NRZ的两倍。

10Mb/s的以太网中使用曼彻斯特码，标记环网中使用差分曼彻斯特码。

除了上述介绍的几种典型数字数据的数字信号编码，数字通信PCM中还常使用HDB3线路码，在高速以太网中使用4B/5B、8B/10组合码（在第6章专题介绍）。

3.3.3模拟数据的数字信号编码

使用数字信号对模拟数据进行编码，其典型的实例是在程控电话交换设备的用户接口电路上采用脉冲编码调制（PCM，PulseCodedModulation），如图3.3.6所示。

脉冲编码调制的过程如下（参见图3.3.7）：

图3.3.6脉冲编码调制

图3.3.7脉冲编码调制过程

（1）取样（Sampling）。

一个连续变化的模拟数据，设其最高频率或带宽为Fmax，则取样定理为：

若取样频率≥2Fmax，则取样后的离散序列就可无失真地恢复出原始的连续模拟信号。

（2）量化（Quantizing）。

量化即分级处理，将取样所得的脉冲信号幅度按量级比较，进行“取整”。

（3）编码（