第 3 讲 数据通信基础

知识回顾计算机网络的体系结构

– 计算机网络体系结构的形成– 协议与划分层次– 具有五层协议的体系结构– 实体、协议、服务和服务访问点

TCP/IP 的体系结构

本讲内容物理层的基本概念数据通信的基础知识

– 数据通信系统的模型– 有关信道的几个基本概念– 信道的最高码元传输速率– 信道的极限信息传输速率

通信介质– 双绞线、光纤等

物理层的定义物理层的定义

– ISO/OSI 关于物理层的定义：物理层提供机械的、电气的、功能的和规程的特性，目的是启动、维护和关闭数据链路实体之间进行比特传输的物理连接。这种连接可能通过中继系统，在中继系统内的传输也是在物理层的。

物理层的功能物理层的功能

– 在两个网络设备之间提供透明的比特流传输。研究内容

– 物理连接的启动和关闭，正常数据的传输，以及维护管理。物理层的四个重要特性

– 机械特性 (mechanical characteristics)

– 电气特性 (electrical characteristics)

– 功能特性 (functional characteristics)

– 规程特性 (procedural characteristics)

物理层的特性（ 1 ） 机械特性

– 主要定义物理连接的边界点，即接插装置。规定物理连接时所采用的规格、引脚的数量和排列情况。

– 常用的标准接口• ISO 2110 ， 25 芯连接器， EIA RS-232-C ， EIA RS-366-A

• ISO 2593 ， 34 芯连接器， V.35 宽带 MODEM

• ISO 4902 ， 37 芯和 9 芯连接器， EIA RS-449

• ISO 4903 ， 15 芯连接器， X.20 、 X.21 、 X.22

电气特性– 规定传输二进制位时，线路上信号的电压高低、阻抗匹配、传输

速率和距离限制。– 早期的标准是在边界点定义电气特性，例如 EIA RS-232-C 、 V.2

8 ；最近的标准则说明了发送器和接受器的电气特性，而且给出了有关对连接电缆的控制。

物理层的特性（ 2 ）功能特性

– 主要定义各条物理线路的功能。– 线路的功能分为四大类：

• 数据• 控制• 定时• 地

规程特性– 主要定义各条物理线路的工作规程和时序关系。

典型的物理层标准接口（ 1 ） 1960 年美国电子工业协会 EIA 提出 RS-232 ， 1963 年提

出 RS-232-A ， 1965 年提出 RS-232-B ， 1969 年提出 RS-232-C 。用于 DTE/DCE 之间的接口。

RS-232-C 的不足与改进– 不足

• 传输性能低，距离短，速率低。– 改进

• 重新设计， X.21 ；• 以 RS-232-C 为基础改进， 1977 年提出 RS-449 。

RS-232-C 的电路图

RS-232-C 的实物图

典型的物理层标准接口（ 3 ）

EIA RS-449/422-A/423-A

EIA RS-449 是为替代 RS-232-C 而提出的物理层标准接口。实际上是一体化的三个标准。

主要改进– 改善了性能，加长了接口电缆距离，加大了数据传输率；– 增加了新的接口功能，例如，回送检查；– 解决了机械接口问题。

典型的物理层标准接口（ 4 ）机械特性

– 37 芯或 9 芯连接器。电气特性

– 与 RS-232-C 相连，采用非平衡型电气特性 RS-423-A ， 20Kbps 以下

– 其他情况，采用平衡型电气特性 RS-422-A 和 RS-423-A ， 20Kbps ~ 2Mbps

功能特性– 定义了 30 条功能线。

规程特性– 基本上以 RS-232-C 为基础

典型的物理层标准接口（ 5 ）CCITT X.21

X.21 ：在公共数据网 PDN 中进行同步操作的 DTE/DCE 之间的通用接口。

1980 年的 X.21 由两部分组成：– “ 通用接口”：真正的物理层部分；– 用于电路交换网络的呼叫控制规程，用于 DTE 之间的连

接，涉及到许多数据链路层和网络层的功能。

典型的物理层标准接口（ 6 ） 机械特性

– 15 针连接器， ISO 4903 。 电气特性

– 采用非平衡型电气特性和平衡型电气特性。– 传输速率： 600 ， 2400 ， 4800 ， 9600 ， 48000bps

– DTE 使用非平衡型电气特性和平衡型电气特性； DCE 使用平衡型电气特性

功能特性– 定义了 8 条功能线。

规程特性– 分成四个工作阶段：空闲，呼叫控制，数据传送，清除

数据通信系统的模型

传输系统输

入信息

输入数据

发送的信号

接收的信号

输出数据

源点 终点发送器 接收器

调制解调器PC 机

公用电话网

调制解调器

数字比特流 数字比特流模拟信号 模拟信号

正文 正文

数据通信系统

源系统 目的系统传输系统

输出信息

PC 机

术语数据 (data)—— 运送信息的实体。信号 (signal)—— 数据的电气的或电磁的表现。 模拟的 (analogous)—— 连续变化的。数字的 (digital)—— 取值是离散数值。调制——把数字信号转换为模拟信号的过程。解调——把模拟信号转换为数字信号的过程。

基本概念单向通信（单工通信）

– 只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。双向交替通信（半双工通信）

– 通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送 (当然也就不能同时接收 ) 。

双向同时通信（全双工通信）– 通信的双方可以同时发送和接收信息。

基带信号– 就是将数字信号 1 或 0 直接用两种不同的电压来表示，然后送

到线路上去传输。 宽带信号

– 则是将基带信号进行调制后形成的频分复用模拟信号。

模拟的和数字的数据、信号

模拟数据 模拟信号放大器调制器

模拟数据 数字信号 PCM编码器

数字数据 模拟信号调制器

数字数据 数字信号 数字发送器

数字数据的调制信号编码

信道的最高码元传输速率 任何实际的信道都不是理想的，在传输信号时会产生各种失

真以及带来多种干扰。 码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远，在信道的输

出端的波形的失真就越严重。 码元：数字信号中每一位的通称。通常又称为“位”或“ Bi

t” 。即可以用二进制表示，也可以用其它进制的数表示。 在数字通信中常常用时间间隔相同的符号来表示一位二进制

数字。这样的时间间隔内的信号称为二进制码元，而这个间隔被称为码元长度。

码元传输速率，又称为码元速率或传码率。其定义为每秒钟传送码元的数目，单位为 " 波特 ", 常用符号 "Baud" 表示，简写为 "B" 。

数字信号通过实际的信道

失真不严重

失真严重

实际的信道（带宽受限、有噪声、干扰和失真）

输入信号波形 输出信号波形( 失真不严重 )

输入信号波形

实际的信道（带宽受限、有噪声、干扰和失真）

输出信号波形( 失真严重 )

奈氏 (Nyquist) 准则

每赫带宽的理想低通信道的最高码元传输速率是每秒 2 个码元。 Baud 是波特，是码元传输速率的单位， 1 波特为每秒传送 1 个码元。 频率变化较缓慢的就是低频（频率低，时间长，速度就慢），频率是

时间的倒 数。 低通信道或通信链路 , 如果频带在 0 ~f 之间 , 上限频率可以无穷大 , 则

称它为低通信道 ; 如果频带范围是 f1~ f 2 , 则称它为带通信道。

理想低通信道的最高码元传输速率 = 2W Baud

W 是理想低通信道的带宽，单位为赫 (Hz)

不能通过能通过0

频率 (Hz)W (Hz)

另一种形式的奈氏准则

每赫带宽的理想低通信道的最高码元传输速率是每秒 1 个码元。 “ 理想低通信道”就是信号的所有低频分量，只要其频率不超过某

个上限值，都能够不失真地通过此信道。而频率超过该上限值的所有高频分量都不能通过该信道。

“ 带通信道”只允许 上下限之间 的信号频率成分不失真的通过，其他频率成分不能通过。

理想带通特性信道的最高码元传输速率 = W Baud

W 是理想带通信道的带宽，单位为赫 (Hz)

不能通过能通过0 频率 (Hz)

W (Hz)

不能通过

注意事项 实际的信道所能传输的最高码元速率，要明显地低于奈氏

准则给出上限数值。波特 (Baud) 和比特 (bit) 是两个不同的概念。

– 波特是码元传输的速率单位（每秒传多少个码元）。码元传输速率也称为调制速率、波形速率或符号速率。

– 比特是信息量的单位。信息的传输速率“比特 / 秒”与码元的传输速率“波特”在

数量上却有一定的关系。若 1 个码元只携带 1 bit 的信息量，则“比特 / 秒”和

“波特”在数值上相等。若 1 个码元携带 n bit 的信息量，则 M Baud 的码元传输

速率所对应的信息传输速率为 M n b/s 。

信道的极限信息传输速率 香农 (Shannon) 用信息论的理论推导出了带宽受限且有高斯白噪

声干扰的信道的极限、无差错的信息传输速率。– 高斯白噪声：如果一个噪声，它的幅度分布服从高斯分布，而它的功率谱密度又是均匀分布的，则称它为高斯白噪声。

信道的极限信息传输速率 C 可表达为 C = W log2(1+S/N) b/s

– W 为信道的带宽（以 Hz 为单位）；– S 为信道内所传信号的平均功率；– N 为信道内部的高斯噪声功率。

可以用香农公式来计算电话线的数据传输速率。– 通常音频电话连接支持的带宽 B=3KHz ，而一般链路典型的信噪比

是 30dB ，即 S/N=1000 ，因此有 C=3000×log2（ 1001），近似等于 30Kbps ，因此如果电话网的信噪比没有改善或不使用压缩方法，“ Modem”将达不到更高的速率。

香农公式 香农在信息论中指出，如果信源的信息速率 R小于或者等于

信道容量 C ，那么，在理论上存在一种方法可使信源的输出能够以任意小的差错概率通过信道传输。

信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高。

只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定可以找到某种办法来实现无差错的传输。

若信道带宽 W 或信噪比 S/N 没有上限（当然实际信道不可能是这样的），则信道的极限信息传输速率 C 也就没有上限。

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很多。

奈氏准则和香农公式在数据通信系统中的作用范围

源系统 传输系统 目的系统

传输系统源点 终点发送器 接收器

输入信息

输出信息

输入数据

输出数据

发送的信号

接收的信号

码元传输速率受奈氏准则的限制

信息传输速率受香农公式的限制

无线电 微波 红外线

可见光 紫外线

X射线 射线

双绞线同轴电缆

卫星

地面微波 调幅无线电

调频无线电

海事无线电

光纤

电视

(Hz)f

(Hz)f

LF MF HF VHF UHF SHF EHF THF波段

104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016

100 102 104 106 108 1010 1012 1014 1016 1018 1020 1022 1024

移动无线电

电信领域使用的电磁波的频谱

导向传输媒体双绞线

– 屏蔽双绞线 STP (Shielded Twisted Pair)

– 无屏蔽双绞线 UTP (Unshielded Twisted Pair)

同轴电缆– 50 同轴电缆– 75 同轴电缆

光缆

各种电缆

铜线 铜线聚氯乙烯 套层

聚氯乙烯套层

屏蔽层绝缘层绝缘层

外导体屏蔽层 绝缘层绝缘保护套层

内导体

无屏蔽双绞线 UTP 屏蔽双绞线 STP

同轴电缆

双绞线实物（ 1 ）

双绞线实物（ 2 ）

光纤光纤不仅具有通信容量非常大的优点，而且还具

有其他的一些特点：– 传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济。

– 抗雷电和电磁干扰性能好。这在有大电流脉冲干扰的环境下尤为重要。

– 无串音干扰，保密性好，也不易被窃听或截取数据。

– 体积小，重量轻。

四芯光缆剖面的示意图

四芯光缆剖面的示意图

光线在光纤中的折射

折射角

入射角

包层（低折射率的媒体）

包层（低折射率的媒体）

纤芯（高折射率的媒体）

包层纤芯

输入脉冲 输出脉冲单模光纤

多模光纤与单模光纤

输入脉冲 输出脉冲多模光纤

光纤知识多模光纤 (Multi Mode Fiber) ：中心玻璃芯较粗 (50 或 62.5

μm) ，可传多种模式的光。但其模间色散较大，限制了传输数字信号的频率，而且随距离的增加会更加严重。例如：600MB/KM 的光纤在 2KM 时则只有 300MB 的带宽了。因此，多模光纤传输的距离就比较近，一般只有几公里。

单模光纤 (Single Mode Fiber) ：中心玻璃芯很细 (芯径一般为 9 或 10μm) ，只能传一种模式的光。因此，其模间色散很小，适用于远程通讯，但还存在着材料色散和波导色散，这样单模光纤对光源的谱宽和稳定性有较高的要求，即谱宽要窄，稳定性要好。 1.31μm 常规单模光纤的主要参数是由国际电信联盟 ITU－ T 在 G652建议中确定的，因此这种光纤又称 G652光纤。

当采用光纤连网时，常常将一段段点到点的链路串接起来构成一个环路，通过 T形接头连接到计算机。

– T形接头有两种：无源的和有源的。无源的 T形接

头由于完全是无源的，因此非常可靠。

– 有源的 T形接头实际上就是一个有源转发器。

光纤

使用有源转发器的光纤环路

光纤实物

非导向传输媒体 无线传输所使用的频段很广。短波通信主要是靠电离层的反射，但短波信道的通

信质量较差。微波在空间主要是直线传播。

– 地面微波接力通信– 卫星通信

Guided Transmission Data

• Magnetic Media

• Twisted Pair

• Coaxial Cable

• Fiber Optics

Wireless Transmission

• The Electromagnetic Spectrum

• Radio Transmission

• Microwave Transmission

• Infrared and Millimeter Waves

• Lightwave Transmission

本讲小结数据通信系统的模型有关信道的几个基本概念信道的最高码元传输速率信道的极限信息传输速率

作业上交作业：

– P61,2-01,2-03,2-04,2-05,2-06,2-09