1、2章数据通信基础章数据通信基础第第2章数据通信基础章数据通信基础2.1数据通信的基本概念2.2传输介质及其主要特性2.3数字调制技术2.4差错控制方法2.5本章小结12章数据通信基础章数据通信基础2.1数据通信的基本概念数据通信技术是计算机网络技术的基础。在进一步深入学习各种具体的计算机网络技术之前，有必要了解一些数据通信的基本概念。2.1.1 信息、数据和信号信息、数据和信号1.信息和数据的概念构建计算机网络的一个基本目的是使分布在不同地点的计算机之间能够相互通信，通信是指分布在不同空间或时间域的结点之间相互交换信息。在这里，信息的含义比较广，包括多种常用的形式，例如语音、音频、视频、数据文
2、件、网页等等。在空间域中两个结点之间通信的例子包括打电话、从家庭或办公室的计算机访问Internet、收看电视、收听广播等。在时间域中两个结点之间通信的例子包括访问某种存储介质，比如唱片、CD、DVD、硬盘等。计算机内部采用二进制数据表示方式，是一个纯粹的数字世界。为了在计算机网络中传输信息，首先需要将信息转换成二进制形式，这个过程称为数据编码。目前，最为流行的数据编码标准是美国信息交换标准代码（ASCII:American Standard Code for Information Interchange）。ASCII码是一种字符编码方案，最初起源于英文字母表，用来表示计算机、通信设备以及其
3、他设备中的文本数据。22章数据通信基础章数据通信基础ASCII码采用7位二进制比特编码，总共可以定义128个字符的编码，包括95个可打印字符和33个不可打印的控制字符，完整的采用十六进制形式表示的ASCII码表如表2.1所示。表2.1最左列的07表示ASCII码的高三位（b6b5b4）；表头第一行的0F表示ASCII码的低四位（b3b2b1b0）。一个字符的ASCII码总共有七位，可以表示为：b6b5b4b3b2b1b0。本节采用（.）hex的形式表示十六进制数。ASCII码表中的95个可打印字符包括数字、英文大小写字母、基本标点符号、运算符号等。这些可打印字符有一些规律，对于记忆ASCII码
4、表很有帮助。例如，在ASCII码表中，数字“0”的十六进制编码为（30）hex，其二进制编码为011 0000，其ASCII码值为48；小写字母“a”的十六进制编码为（61）hex，其二进制编码为110 0001，其ASCII码值为97；大写字母“A”的十六进制编码为（41）hex，相应的二进制编码为100 0001，其ASCII码值为65。由于ASCII码表中数字和字母的排列是按顺序排列的，因此知道“0”、“a”、“A”这三个字符的ASCII码，就可以推算出全部十个数字和英文大小写字母，总共62个字符的ASCII码。32章数据通信基础章数据通信基础ASCII码表中的控制字符代表一些无法打印出
5、来的信息，主要包括两类：控制外部设备（如打印机、键盘等）的信息与表示数据传输过程中数据流的元信息（meta-information）。在表2.1中，第一类控制字符的例子包括：编码为（08）hex的控制字符BS，代表Backspace（退格键）；编码为（0D）hex的控制字符CR，代表Carriage Return（回车键）；编码为（1B）hex的控制字符ESC，代表Escape（返回键）。第二类控制字符的例子包括：编码为（02）hex的控制字符STX，意为Start of Text，表示文本的开始；编码为（03）hex的控制字符ETX，意为End of Text，表示文本的结束；编码为（04）
6、hex的控制字符EOT，意为End of Transmission，表示传输结束。42章数据通信基础章数据通信基础例如，在某计算机网络中如果结点A要给结点B发送“Computer Network”（注意：Computer和Network这两个单词都是首字母大写，而且两个单词之间有一个空格）文本，如果不考虑校验位的话，由发送端结点A通过计算机网络发给结点B的是经过ASCII码编码的二进制比特序列：“100 0011 110 1111 110 1101 111 0000 111 0101 111 0100 110 0101 111 0010 010 0000 100 1110 110 0101 1
7、11 0100 111 0111 110 1111 111 0010 110 1011”。假定在该比特序列的传输过程中无差错产生，在接收端结点B正确接收到了该二进制比特序列，则根据ASCII码的编码规则，可将接收到的数据解读为“Computer Network”，从而成功地完成一次从结点A到结点B的数据通信。通过上述的例子还可以看出信息信息和数据数据这两个概念之间的区别。数据代表事物定性或定量的属性，其表现形式可以是数字、字符、符号，甚至是图形。数据是知识的最低层的抽象表示形式，是一种原始的输入。单独的数据本身不能表示任何意义，只有把相互独立的数据关联并组织起来，才能使之传达和表示某种意义，这
8、种能够表达某种意义的由若干数据构成的集合称为信息。换言之，信息是数据加工处理之后的结果，信息是由数据导出的知识。在上述的数据传输例子中，结点A给结点B发送的文本“Computer Network”是信息信息，而在计算机网络中实际传输的二进制比特流“100 0011 110 1111 110 1101 111 0000 111 0101 111 0100 110 0101 111 0010 010 0000 100 1110 110 0101 111 0100 111 0111 110 1111 111 0010 110 1011”则是数据数据。值得指出的是，ASCII码既是计算机内部数据表示的
9、编码标准，同时也是计算机网络内结点之间数据通信的编码标准。现代的许多其他字符编码方案都源于ASCII码。52章数据通信基础章数据通信基础2.信号的概念计算机网络技术是计算机技术与通信技术的一个交叉领域。计算机系统关注的是如何将信息转换为数据以及相应的转换方法，例如将包含数字、字母、符号的文本信息通过ASCII码编码方案转换为相应的二进制比特序列。通信系统则侧重于研究如何通过各种传输介质在不同的计算机之间传输经过转换后的数据，例如，如何在有线或无线的传输介质上传输上述的二进制比特序列。广义地讲，信号是指能够表示信息的数量变化或电脉冲。例如，电流的幅度、频率、电压、电流强度、电场强度、光线、声音等
10、等都可以通过其变化作为表示信息的信号。从理论上讲，信号分为离散时间信号（discrete-time signal）和连续时间信号（continuous-time signal）两类。如果信号的值仅在一些离散的时间点上具有定义，则这种信号称为离散时间信号。离散时间信号是从整数集合（或者整数集合的一个子集）到实数集合的一个函数映射。连续时间信号是指在某一时间间隔内（通常是无限长的时间间隔）的所有时间点上都有定义的信号。62章数据通信基础章数据通信基础在计算机网络中，信号是指数据在计算机网络通信信道的传输过程中的电信号表示形式，分为模拟信号模拟信号（analog signal）和数字信号数字信号（d
11、igital signal）两种。模拟信号是指任何特征值随时间连续变化的信号。模拟信号通常使用传输介质的某种物理特性来传达信号所表示的信息。在电子传输系统内，最常用于信号传输的介质特性是电压，其次是频率、电流、电荷等。传统的电话系统就是采用模拟信号来传输语音信息的。典型的模拟信号如图2.1所示。模拟信号的主要优点是具有非常高的清晰度，具有潜在的无限高的信号分辨率。相对于数字信号，模拟信号的信号密度更高。模拟信号的另一个优点是对信号的处理更简单，例如模拟信号可以直接由模拟设备进行处理。模拟信号的主要缺点是信号的噪声（noise）问题。随着信号在传输过程中的不断复制与中继，或者信号经过远距离传输，
12、随机噪声不断积累，最终变得非常严重。严重的噪声会导致信号损失和变形，降低数据传输的质量。这些噪声引发的信号差错是无法恢复的，因为在放大信号的同时，噪声、变形、干扰也被放大。尽管模拟信号具有比数字信号分辨率高的优势，但是信号噪声带来的负面影响远远超过这些优点所带来的好处。72章数据通信基础章数据通信基础数字信号是一种表示一系列离散值的物理信号，例如比特流、经过采样和模数转换的数字化模拟信号。常见的数字信号形式是若干离散电压值交替变换构成的电脉冲序列。在计算机系统中，数字信号是指采用两种电压值的变化表示布尔值的两种状态（0和1）的波形。即使这种波形的载体是模拟的电压形式，这种信号还是称为数字信号，
13、因为它们仅采用两个离散值来表示数据。典型的数字信号如图2.2所示。相对于模拟信号，数字信号具有许多明显的优势优势：数字信号更容易传输，数字信号的传输速率更高，数字信号具有更高的可靠性，数字传输的效率更高，数字信号传输过程中产生的差错更少。但是，数字系统通常比完成同样功能的模拟系统更加复杂，往往需要更高的带宽。82章数据通信基础章数据通信基础模拟信号和数字信号之间可以相互转换，将数字信号转换为模拟信号的过程称为调制调制（modulation）。反之，将模拟信号转换为数字信号的过程称为解调解调（demodulation）。平常所用的调制解调器调制解调器（modem:modulator-demodu
14、lator）就是典型的在模拟信号和数字信号之间进行转换的设备。从计算机出来的数字信号，在发送到模拟通信通道上之前需要经过调制解调器的调制，将其转换为模拟信号之后在模拟信道上传输。数据在到达接收方的计算机结点之后，必须经过调制解调器进行解调，把信号从模拟信号转换成数字信号之后再交给接收方计算机处理。调制解调器的基本工作过程如图2.3所示。92章数据通信基础章数据通信基础2.1.2 数据通信的方式数据通信的方式数据通信的方式是数据通信的关键问题，主要包括以下几个方面：数据通信采用串行通信还是并行通信的方式？数据通信采用单工还是双工通信方式？如果采用双工通信方式，数据通信采用半双工还是全双工通信方式
15、？1.串行通信与并行通信在通信和计算机科学领域内，数据通信按照发送数据时所采用的通信信道的个数可以分为串行通信（serial communication）和并行通信（parallel communication）两种方式。串行通信是指通过一个通信信道或者计算机总线顺序进行的逐位发送数据的过程。串行通信的工作方式如图2.4(a)所示。与串行通信不同，并行通信在一条数据链路上采用多个并行的信道，能够将由多个比特构成的数据作为一个整体同时传输，并行通信的工作方式如图2.4(b)所示。串行通信和并行通信的本质区别在于用于同时传输数据的物理层通信信道所采用的独立线缆的个数不同。102章数据通信基础章数据
16、通信基础112章数据通信基础章数据通信基础串行通信是最早出现的在多个设备之间进行数据通信的通信方式。从最早的IBM PC以及各种兼容机开始，几乎所有的计算机上都配有一个或多个串口（serial port）和一个并口（parallel port）。顾名思义，串口采用串行的方式发送和接收数据，一次只发送或接收一位数据。与并行通信方式相比，串行通信的数据传输速率较慢。但是，由于结构简单并且成本较低，串行通信仍然是比较流行的数据通信方式，有许多外部设备通过串口与计算机进行数据连接和通信，例如：调制解调器、鼠标、网桥、路由器等。串行通信主要用于远程通信以及大多数的计算机网络通信系统，在此类通信系统中，因
17、传输线缆的成本因素以及数据同步的难度而基本排除了并行通信的可能性。与串口不同，并口采用8条相互独立的数据线传输数据，可以同时发送和接收8位数据。相对于串行通信而言，并行通信最主要的优点是数据传输速率高。在不考虑其他影响因素的情况下，理论上理想的并行数据链路的数据传输速率是单条数据线路的数据传输速率乘以并行链路中所包含的数据线路数。并行通信也存在一些缺点：并行传输线路之间会相互干扰，而且这种干扰随着通信线路长度的增加越来越严重。因此，采用并行通信的数据连接的传输距离上限往往比串行通信线路的上限短。122章数据通信基础章数据通信基础2.单工通信与双工通信在数据通信中，通信方式根据数据传输的方向与时
18、间的关系可以分为单工通信单工通信（simplex communication）和双工通信双工通信（duplex communication）两种。单工通信是指信号只能按一个方向传输的通信方式，主要应用于广播式通信网络中。在此类通信系统中，数据的接收方不需要给数据的发送方（即广播方）返回任何数据。在单工通信系统中，只有一端发送数据，另一端只负责接收数据。日常生活中的无线电广播和电视就是典型的单工通信的例子。单工通信的工作方式如图2.5所示。132章数据通信基础章数据通信基础与单工通信方式相对，双工通信允许信号进行双向传输。电话就是一个典型的双工通信的例子，既可以通过话筒向对方讲话，又可以通过听筒
19、收听到对方的讲话，语音信号可以双向传输。根据在同一时刻系统中允许数据传输的方向的情况，双工通信又进一步分为半双工通信（half-duplex communication）和全双工通信（full-duplex communication）。半双工通信系统允许数据双向传输，但是在任一时刻只允许数据按一个方向传输，不支持数据双向同时传输。半双工通信典型的工作模式是：通信的一方开始接收对方发来的信号，然后向对方发出应答，但是在向对方发送应答数据之前必须等待对方结束数据传输工作。半双工通信系统就像只有一条车道的道路，在道路的两端设有交通控制系统，在其控制下，道路允许车辆双向通行，但是在任何时刻只允许一个
20、方向的车辆通行。常见的半双工通信的例子是两路无线电对讲机，任一时刻对讲的两端只能有一方讲话，只有此方向的本次通话结束之后，将通信信道的使用权转交给对方，对方才能开始通话。在自动运行的通信系统中，如双向数据链路中，可以采用硬件严格控制半双工系统中通信时间的分配，从而避免因信道切换而导致的信道资源的浪费。例如，先由数据链路一端的结点A传输数据，时长为1秒；之后，由数据链路另一端的结点B传输数据，时长同样为1秒；如此循环。半双工通信的工作方式如图2.6所示142章数据通信基础章数据通信基础152章数据通信基础章数据通信基础全双工通信系统允许数据双向传输。与半双工通信不同，全双工通信支持数据双向同时传
21、输。全双工系统就好像是一条双向两车道的道路，每条车道供一个方向的车辆使用。日常生活中的固定电话和手机网络都是全双工通信系统，在这样的通信系统中讲话和收听可以同时进行。前边提到的半双工通信方式例子中的两路对讲机系统也可以设计为全双工通信方式，例如，使用某一频率发送数据，而使用另一频率接收数据，从而实现数据发送和接收双向同时进行。全双工以太网采用两对双绞线进行数据通信，其中的一对双绞线用来发送数据，另一对双绞线用来接收数据。这种通信方式不仅有效地提高了网络连接的数据传输能力，而且将传输线缆变成一个无冲突的数据传输通道。全双工通信的工作方式如图2.7所示。全双工通信方式有许多优点。首先，能够避免数据
22、通信过程中的时间浪费。由于全双工通信通过无冲突的双向数据通道进行数据传输，通信中没有冲突产生，因此不需要进行数据重传。其次，整体的双向数据传输能力更高，因为数据发送和接收功能分别由两个独立的数据通道完成。最后，结点无需等待对方结点传输结束之后才能发送数据，每个结点都可以使用独立的线路发送数据。162章数据通信基础章数据通信基础2.2 传输介质及其主要特性计算机网络物理层的主要目的是在计算机之间传输比特流（bit stream）。计算机网络可以使用的物理层传输介质有许多种，各种传输介质分别具有不同的特性，比如带宽、传输时延、价格、是否易于安装与维护等等。计算机网络传输介质总体上可分为两大类：导向
23、传输介质导向传输介质（guided transmission media）和无导向传输介质无导向传输介质（unguided transmission media）。导向传输介质是指将信号在一条物理的线路上进行传输的介质，例如双绞线、同轴电缆、光纤等。在导向传输介质中信号能量沿一定方向的介质线路传播，如沿铜导线或光纤传播。在导向传输介质内，信号主要以电压、电流或者光子的形式进行传播。导向传输介质主要适用于点到点的网络通信。无导向传输介质通过天线在大气、真空，或者水等自由空间传输信号，例如地面无线通信、卫星通信、激光通信等。在无导向传输介质中信号没有固定的传播路径，主要以电磁波的形式在自由空间进行
24、传播。无导向传输介质主要用于广播式网络通信。本节介绍几种常见的网络传输介质：双绞线双绞线、同轴电缆同轴电缆、光纤光纤以及无线与卫星通信无线与卫星通信。172章数据通信基础章数据通信基础2.2.1 双绞线双绞线在诸多网络传输介质中，人们最早使用并且至今仍然常见的传输介质是双绞线（twisted pair）。一对双绞线包含两根相互绝缘的铜导线，每根铜导线通常约1毫米粗。两根铜导线以螺旋方式互相缠绕，就像DNA的分子结构一样。因为两根平行的导线就能构成一个天然的天线，所以要将两根铜导线缠绕起来。当两根导线缠绕在一起之后，不同螺旋之间的电磁干扰相互消减，有效地降低了线缆整体的信号能量辐射。在双绞线中，
25、信号通常是以两根导线间电压差的形式进行传输的，由于外部噪声对同一对双绞线内的两根导线的影响相同，两根导线之间的电压差不变，这使双绞线具有更好的抵抗外部噪声的能力。双绞线的结构如图2.8所示。双绞线最常见的应用是在电话网络系统中，几乎所有的电话机都是通过双绞线与电话公司连接的。话音传输以及ADSL方式的Internet访问都可以通过双绞线完成。双绞线无需放大信号就可传输数千米长的距离，但是，一旦传输距离更长的话，信号就会衰减，当信号强度衰减到一定程度时就需要中继器（repeater）进行信号放大。182章数据通信基础章数据通信基础双绞线既可以传输模拟信号，也可以传输数字信号。双绞线的带宽取决于其
26、导线的粗细以及传输的距离。通常在几千米的距离范围内，双绞线可以达到若干Mbps（1 Mbps=106 bit per second）的传输速率。双绞线分为两大类：屏蔽双绞线屏蔽双绞线（STP:Shielded Twisted Pair）和非屏蔽双绞线非屏蔽双绞线（UTP:Unshielded Twisted Pair）。屏蔽双绞线屏蔽双绞线是20世纪80年代初由IBM公司推出的，其结构特点是每对导线以及整个线缆都有一个屏蔽层。因为屏蔽层能够有效地降低外部干扰带来的影响以及与相邻线缆之间的串扰，所以屏蔽双绞线的优点是能够提供高质量的信号，适用于对信号质量和系统性能有严格要求的应用环境。屏蔽双绞线
27、的缺点是线缆外形粗大笨重，价格高，因此并未得到广泛使用。屏蔽双绞线的结构如图2.9所示。192章数据通信基础章数据通信基础非屏蔽双绞线非屏蔽双绞线是使用非常广泛的传输介质。EIA/TIA（美国电子工业协会和美国通信工业协会）为双绞线定义了五种不同的类型，其中比较常用的是三类线（Category 3）和五类线（Category 5）。三类线简称Cat 3，适用于语音传输和最高传输速率为10 Mbps的数据传输，主要用于10 Base-T网络。五类线简称Cat 5，适用于语音传输和最高传输速率为100 Mbps的数据传输，主要用于10 Base-T和100 Base-T网络，是最常用的以太网传输介
28、质。事实上，Cat 5与Cat 3双绞线采用相同的导线，其中Cat 5双绞线缠绕的密度更大一些，即每厘米旋转的圈数更多，这样做的好处是能够减弱线缆的串扰，从而在更远的传输距离上获得更高的信号质量。相对于Cat 3双绞线，Cat 5双绞线更适合于高速计算机网络通信，特别是100 Mbps和1 Gbps的高速以太局域网。目前，大多数办公环境和家庭局域网都采用Cat 5双绞线。一对Cat 5双绞线包括两根螺旋形缠绕的相互绝缘的铜导线。通常将四对这样的导线套在一个塑料保护层内，既集束了四对八根导线，又对这些导线起到了保护作用。非屏蔽双绞线的结构如图2.10(a)所示。Cat 5双绞线的结构和外观如图2
29、.10(b)所示。202章数据通信基础章数据通信基础不同的局域网标准对双绞线内部导线的具体使用也不相同。例如，100 Mbps的以太网仅使用四对导线中的两对，每个数据传输方向使用一对。为了达到更高的传输速率，1 Gbps的以太网使用全部四对导线进行同时的双向数据传输。人们正在研究更高级别的双绞线，如六类线（Category 6），甚至七类线（Category 7）。这些双绞线具有更高的带宽，并且对信号的传输质量和系统性能等诸多指标提出了更高的要求。六类线以及更高级别的双绞线支持500 MHz的信号传输频率，能够支持10 Gbps的高速连接。212章数据通信基础章数据通信基础2.2.2 同轴电缆
30、同轴电缆 除了双绞线之外，另一种常见的传输介质是同轴电缆（coaxial cable），简称coax。同轴电缆的线芯是一根铜导线，铜芯之外包着一层绝缘层。绝缘层之外套着一层圆柱形的导体，通常由交织在一起的金属丝网构成，这一层是屏蔽层。屏蔽层之外是同轴电缆的外保护层。称其为“同轴”是因为同轴电缆内部的铜芯导线与外部的屏蔽层共享同一个轴线。同轴电缆的结构和外观如图2.11所示。222章数据通信基础章数据通信基础目前广泛使用的同轴电缆有两种：基带同轴电缆基带同轴电缆（baseband coaxial cable）和宽带宽带同轴电缆同轴电缆（broadband coaxial cable）。基带同轴电
31、缆也被称为50 同轴电缆，直径约1厘米，比较轻，容易弯折。这种电缆之所以叫做“基带”，是因为在基带同轴电缆中比特流直接在线缆上传输，传输之前无需将信号搬移到不同的频带上。基带同轴电缆通常用于数字信号的传输，如局域网中。通常在学校或者办公室接入局域网的计算机所采用的传输介质要么是非屏蔽双绞线，要么就是基带同轴电缆。如果与网卡相连的接头与电话接头相似，并且网线外观与电话线类似，那么传输介质使用的是非屏蔽双绞线。如果与网卡相连的是一个“T”形接头，而且有网线从“T”形接头的两端接出来，那么传输介质使用的是基带同轴电缆。由于使用非屏蔽双绞线需要引入额外的网络设备，如集线器，因此在局域网中使用基带同轴电
32、缆比使用非屏蔽双绞线的成本要低一些。宽带同轴电缆也叫做75 同轴电缆。相对于基带同轴电缆，宽带同轴电缆直径更粗，质量更重，而且更硬一些，不像基带同轴电缆那样容易弯折。这种同轴电缆之所以叫做“宽带”，是因为数字信号在传输之前首先由发送器搬移到某个特定的频带上，然后发送器将得到的模拟信号发送给一个或多个接收器。宽带同轴电缆通常用于模拟信号的传输和有线电视网络。宽带同轴电缆曾经广泛用于局域网中，如今在一些老的局域网中还能够看到宽带同轴电缆。目前，对局域网而言，基带同轴电缆更受欢迎，因为基带同轴电缆价格更低，而且更易于安装和布线。今天，在有线电视系统中还可以看到宽带同轴电缆的使用。从20世纪90年代中
33、期开始，有线电视运营商开始通过同轴电缆提供Internet访问服务，这使75 同轴电缆在数据通信中扮演着更加重要的角色。232章数据通信基础章数据通信基础相对于其他的无线电传输线路，同轴电缆具有明显的优势。在理想的同轴电缆中，承载信号的电磁场仅存在于内部的铜导线芯和外部的金属屏蔽层之间的空间里。因此，可以将同轴电缆铺设在金属物体的附近，这样做不会产生像其他无线电传输线路所产生的信号能量损失。同轴电缆还能够对信号提供防止外部电磁干扰的保护。相对于非屏蔽双绞线而言，同轴电缆具有更好的干扰屏蔽性能，并且具有更大的带宽。同轴电缆能够以更高的传输速率将信号传播到更远的距离。同轴电缆的结构，特别是其金属屏
34、蔽层的构造和设计，使同轴电缆兼具高带宽和出色的噪声抗扰度两大优点。同轴电缆的带宽取决于线缆的质量和长度，当今的同轴电缆的带宽可以达到若干千兆赫兹。同轴电缆的主要应用包括：连接无线电收发器与天线的馈线、计算机网络连接、有线电视信号传输等。过去，同轴电缆曾广泛应用于模拟电话网络、有线电视网络、传统的低速局域网（网络传输速率低于10 Mbps）中。现在，在电话网络中，曾经作为长距离电话传输线路的同轴电缆已经基本上被光缆所取代；在有线电视网络中，大多数同轴电缆也已被光缆取代，一般情况下仅有入户线仍然使用同轴电缆；而在计算机局域网中，同轴电缆已经被传输速率达到100 Mbps的双绞线全面取代。242章数
35、据通信基础章数据通信基础2.2.3 光纤光纤光纤（optical fiber）的物理结构与同轴电缆相似，但是没有同轴电缆的金属屏蔽层。光纤的中心是一根玻璃线芯，它是光在光纤中传播的通道。玻璃线芯之外包裹着一层比线芯的折射率更低的玻璃包层（cladding），使得所有光线都在玻璃线芯内传播。包层之外是一层很薄的塑料保护层，用来保护线芯和包层。单根光纤的结构如图2.12(a)所示。把多根光纤集束起来，并在外面包裹一层外保护层，这样集中了多根光纤的线缆称为光缆（optical fiber cable）。图2.12(b)给出一条包含三根光纤的光缆结构示意图。252章数据通信基础章数据通信基础图2.13
36、(a)描述了光线在光纤中发生全反射的过程。在图2.13(b)中只画出了一条光线沿光纤利用全反射原理进行传输的过程。由于任何以大于临界值的入射角射入光纤的光线都可以发生全反射，因此，可以在一根光纤中同时传播多路光线，每条光线采用不同的入射角（注：每个入射角都大于临界值），其中的每一条光线称为一个模（mode）。这种同时采用多条光线以不同的入射角度进行信号传输的光纤称为多模光纤（multimode fiber）。多模光纤的玻璃线芯直径通常为50到几百微米，大概像人的头发丝一样粗。如果光纤的玻璃线芯更细，如直径仅为若干个光波波长时，光线在光纤中不再反射，而是沿直线传播。把采用一条光线以单一的入射角度
37、进行信号传输的光纤称为单模光纤（single-mode fiber）。单模光纤的玻璃线芯直径约为8到10微米。相对于多模光纤，单模光纤价格更高，广泛应用于远距离传输。目前，实际应用中的单模光纤能够以100 Gbps的传输速率将数据传输100千米，中间无需中继放大。在实验室中，对于稍短一些的传输距离，单模光纤可以达到比100 Gbps更高的数据传输速率。由多根光纤集束而成的光缆传输数据的速度在180 000千米/秒200 000千米/秒，每千米的时间延迟为5.0微秒5.5微秒。例如，采用光缆传输1000千米，往返只需11毫秒。262章数据通信基础章数据通信基础目前，光纤主要应用于主干网络的长距离
38、数据传输、高速局域网以及高速Internet接入。采用光纤通信的光传输系统由三部分组成：光发射器（optical transmitter）、传输介质与光接收器（optical receiver）。光发射器也被称为光源，负责把计算机输出的电信号转换成光信号。通常，用一个光脉冲表示比特“1”，没有光脉冲表示比特“0”。传输介质就是光纤，是一根非常细的玻璃纤维。光接收器的主要原件是一个光检测器，负责把光信号转换成电信号，当光线射到光检测器上时，光检测器产生相应的电脉冲。把光源和光检测器分别接到光纤的两端，就可以构成一个单向数据传输系统。在这个系统中，接收的是电信号，然后把电信号转换成光脉冲的形式在光
39、纤中传播，在接收端再把输出的光信号转换成电信号。一个典型的光传输系统的工作过程光传输系统的工作过程如图2.14所示。272章数据通信基础章数据通信基础双绞线和同轴电缆本质上都是用铜导线芯来传输信号的。相对于铜导线型的传输介质，光纤具有许多优点光纤具有许多优点。首先首先，光纤具有更高的带宽。许多高端网络出于对带宽的考虑必须使用光纤。其其次次，光纤传输信号衰减较慢。采用光纤传输信号，大约每隔50千米需要一个中继器进行信号放大。如果采用铜导线型的传输介质，大约每隔5千米就需要一个中继器进行信号放大。中继设备的减少会极大降低整个网络系统的构造成本。第三第三，光纤不受外部电压波动和电磁干扰等因素的影响。
40、第四第四，光纤能够更好地抵御空气中有害化学物质的腐蚀，这对于布线环境比较恶略的网络系统非常重要。第五第五，光纤非常细，而且质量很轻。1千米长的1000根双绞线重量约为8000千克。如果采用光纤，只需两根光纤就可以超过一千根双绞线的数据传输容量，而1千米长的两根光纤重量仅为100千克，是双绞线重量的1/80。线缆重量的显著减少会极大地降低线路支撑系统的安装和维护费用。对于新铺设的通信线路来说，采用光纤无疑是更好的选择，因为其安装成本比双绞线或同轴电缆等铜质导线低得多。正因为光纤既细又轻，目前光纤在电话网络中得到了非常广泛的应用。最后最后，光纤通信的安全性更高。光线在光纤内传输的过程中不散逸，从光
41、纤外部很难窃听到传输的信号内容。282章数据通信基础章数据通信基础当然，光纤也有一些不足光纤也有一些不足。首先首先，光纤传输技术较新，并非所有的工程技术人员都能掌握相关的知识和技能。其次其次，光纤不能过度弯折，否则很容易损坏。第三第三，光传输从本质上是一种单向传输，双向通信系统必须要求两根光纤或者在一根光纤上划分两个频带。最后最后，光纤接口比电接口价格更高。虽然光纤有上述的一些缺点，但是光纤的优点更加明显。目前，光纤通信是发展最快的通信技术。在未来的数据通信系统中，无论是短距离通信还是中远距离通信，光纤都势必得到广泛的应用。292章数据通信基础章数据通信基础2.2.4 无线通信信道无线通信信道
42、在信息时代，随着技术的不断发展，许多用户不再满足于只从固定的地点访问网络，有些用户希望随时随地都保持在线状态。对于这样的移动用户，传统的网络传输介质都无法满足其需求。这些移动用户希望能够摆脱地面通信设施的束缚，随时随地通过其移动设备（比如笔记本、掌上电脑等）从网上获取信息。对于这些用户而言，无线通信技术提供了解决的方法。1.电磁波谱与通信众所周知，当电子移动的时候会产生电磁波，电磁波能够沿空气（甚至在真空中）传播。英国著名的物理学家麦克斯韦（James Clerk Maxwell）于1865年预言了电磁波的存在。1887年，德国物理学家赫兹（Heinrich Rudolf Hertz）首次通过
43、实验的方法产生并观察到了电磁波，证实了麦克斯韦的预言。任何无线通信系统的工作过程都基于以下基本原理：在一个电路上连接一个合适大小的天线，通过天线将电磁波广播出去，在一定距离之外由接收器接收电磁波。302章数据通信基础章数据通信基础波在每秒钟内振动的次数称为频率，用f表示，单位为赫兹Hz（用以纪念海因里希赫兹）。波的连续两个极大值（或极小值）之间的距离称为波长，通常用希腊字母表示。在真空中，无论频率如何，所有电磁波的传播速度都相同，这个速度称为光速，用c表示，约为3108 米/秒。光速是宇宙中的绝对速度上限，没有任何物体或信号能够移动得比光速更快。在铜质导线（比如双绞线和同轴电缆）或光纤中，电磁
44、波的传播速度降为光速的2/3，而且电磁波的传播速度变得与电磁波的频率相关。电磁波的频率f、波长和光速c这三个参数之间的基本关系是：f=c由于光速c是一个常量，所以可以由已知的f求出，或者由已知的求出f。如果波长以m为单位，频率f以MHz为单位，则可以用以下的经验公式粗略计算和f的值：300例如，频率为100 MHz的电磁波的波长约为3米，频率为1000 MHz的电磁波的波长约为0.3米；波长为0.1米的电磁波的频率约为3000 MHz。312章数据通信基础章数据通信基础电磁波谱与各种传输介质类型之间的关系如图2.15所示。在电磁波谱中，无线电、微波、红外线和可见光都可以通过调制波的振幅、频率或
45、者相位来传输信息。紫外线、X射线和射线由于频率更高，因此更加适合信息传输，但是其缺点是难以产生和调制，不便于穿越楼宇等大型建筑，并且对生物有一定的危险性。322章数据通信基础章数据通信基础2.无线电传输无线电波容易生成，能够长距离传输，并且能够很容易地穿透楼宇等大型建筑物进行传播，因此无线电波被广泛应用于室内和室外的各种通信系统中。无线电波的一个传输特点是全方向性，无线电波可以从信号源向所有方向传播，因此无线电波的发射器和接收器不必在物理上校准对齐。无线电波的另一个特点是其传输特性与波的频率相关。低频无线电波穿透障碍物的能力很强，但信号能量随传输距离的增加急剧衰减下降；高频无线电波通常沿直线传
46、播，遇到障碍物会反弹，而且更易被雨以及其他障碍物吸收。无论是低频无线电波还是高频无线电波，都很容易受来自马达和其他电气设备的干扰。无线电波的信号衰减与导向传输介质不同。对于导向传输介质，如光纤、同轴电缆、双绞线等，每单位距离的信号衰减幅度相同。例如，双绞线每传输100米，信号衰减为20 dB。对于无线电波，信号传输距离每增加一倍，信号按照固定的幅度衰减，例如传输距离每增大一倍，信号衰减6 dB。这一特性意味着无线电波的传输距离更长，但是信号传输途中的干扰是一个很大的问题。正因为如此，各个国家对无线电波的使用都采取了非常严格的管制措施。332章数据通信基础章数据通信基础在频率较低的频段，例如VL
47、F（甚低频）、LF（低频）、MF（中频）等，无线电波沿地面传播，称为地波地波，如图2.16(a)所示。地波可以传播大约1000千米。日常生活中的调幅广播就采用MF频段的无线电波，由于低频无线电波波长较长，很容易穿透楼房等建筑物，因此人们可以在室内清晰地收听广播。低频无线电波的地波传输也有一些缺点：首先，相距较远跨度较大的两地之间信号接收效果往往不是很好；其次，利用低频段无线电波进行数据通信通常带宽比较窄。在频率较高的频段，例如HF（高频）和VHF（甚高频），无线电波的地波往往被地面吸收。但是，另一部分向天空方向传播的无线电波（称为天波天波）射向大气层中的电离层。电离层距地面高度约70千米500
48、千米，其中含有大量离子和自由电子，能使无线电波改变传播速度，发生折射、反射和散射，足以反射电磁波。从地面发出的高频无线电波射向电离层之后，经电离层反射，又返回地面，如图2.16(b)所示。业余无线电爱好者就使用这些频段进行远距离通信。此外，在军事领域内也常常使用HF和VHF频带进行通信。342章数据通信基础章数据通信基础3.微波传输如图2.15所示，微波通信利用的是电磁波谱中从1 GHz到30 GHz的频段，通过简便换算公式可知微波通信对应的波长为30厘米1厘米。对于频率高于100 MHz的电磁波，其传输路线基本是直线传播，而且便于集束传播。由于微波的波长很短，如果将发射端的天线直接对准接收端
49、的天线，则可将其集中成很窄的波束进行发射。因此，微波广泛应用于点到点式通信。由于发射端和接收端直接进行点到点的通信，相邻的微波设备可以使用相同的频率，不会出现低频无线电波那样的频率干扰。点到点式微波通信可以集中能量，信噪比较高，但是要求发射端和接收端的天线必须相互对准。事实上，在光纤通信出现之前的几十年中，微波通信一直是远距离电话传输系统的主要技术手段。目前，微波仍然广泛应用于远距离电话通信、移动电话、电视信号传输等领域。面对光纤通信的迅猛发展，之所以微波通信仍然广为使用，是因为相对于光纤而言微波传输具有几个明显的优势。首先，微波通信价格相对较低。采用微波通信，只需竖起两个发射塔并在塔上安装天
50、线即可，其造价远比在拥挤的市区内或者穿山越岭铺设50千米长的光纤要低。其次，不存在通信网络线路的使用权问题。采用微波通信，只需每隔50千米购买一小块足以竖立发射塔的地皮即可，不需要从电话公司那里租用通信网络线路的使用权。这两点都极大地降低了微波通信系统的工程造价。352章数据通信基础章数据通信基础但是，微波传输也存在一些缺点缺点。首先首先，由于微波是直线传输，相邻的两个发射塔不能相距太远，否则会受到地球曲面的影响。如果两个相邻的发射塔相隔过远的话，中间需要安装微波信号中继器。发射塔越高，中继器之间的距离越远。如果发射塔高为100米，中继器之间的距离可以达到80千米。其次其次，微波穿透楼房等建筑
