文章目录

数据通信基础
- 数据通信系统
- 通信方式与通信制式
- - 通信方式
  - 通信制式
- 数据的同步方式
- - 异步传输控制(字符同步方式)
  - 同步传输控制
数据传输介质
- 双绞线
- 同轴电缆
- 光纤
- 网络综合布线
- - 网络综合布线概念
  - 综合布线产品系列
信道复用技术
- 频分多路复用 (FDM)
- 时分多路复用 (TDM)
- 统计时分多路复用（STDM）
- 波分多路复用(WDM)
- 码分多路复用（CDM）&码分多址复用（CDMA）
宽带接入技术
- 宽带接入技术概述
- - 为什么要接入互联网
  - 存在的问题
  - 接入方式
  - 接入网
  - 目前可提供的宽带接入技术
- 数字用户线xDSL接入技术
- - ADSL
  - 其他DSL接入技术
- 光纤同轴混合HFC接入技术
- FTTx接入技术
- 宽带无线接入（BWA）技术
数据编码技术
- 数据与信号
- 数据的编码与传输方式
- - 数据的四种传输方式
  - 数字数据的数字编码与传输
  - 调制方法（数字数据的模拟编码与传输）
  - 模拟数据的数字编码与传输
原创声明

数据通信基础

数据通信系统

基本组成：

发送端：实现数据的产生及发送，亦称为信源
中间设备：泛指转发器、网桥、交换机、路由器、网关等
介质：传输介质，实现数据传输的物理通路
报文：泛指在传输信道上承载的具有特定结构的数据单元
接收端：实现数据的接收，亦称为信宿
协议：通信的各方为进行数据交换必须共同遵循的规则

通信方式与通信制式

通信方式

并行通信

每个数据编码的各个比特都是同时发送的。

通常用于计算机系统内部及与外设之间大量频繁的数据传输

串行通信

比特(bit)的逐位传送(从低位到高位)。

线路成本低、无串扰，远距离数据传输较好的选择

远距离网络传输？

—— 线路的成本、串扰等原因，一般不采用并行通信。

通信制式

单工通信

利用一条物理信道(2线制）进行单向信息传输。

多用于测试或控制环境下的数据传输

半双工通信

可以进行双向传输，但由于只有一条物理信道(2线制)，因此，同一时刻只限于一个方向传输。

广泛应用于交互式会话通信情况下

全双工通信

通信双方在任何时刻，均可进行双向通信，无任何限制。

需要两条以上的物理信道(3线制或4线制)

可以构成全双工网络

数据的同步方式

什么叫同步？

数据发送者和数据接收者协调一致，密切配合。

为什么要同步？

如果发送端和接收端的时钟不同步，即使只有极小的误差，随着时间的增加，误差逐渐积累，终究会造成收发之间的失步。

同步技术直接影响着通信的质量

如何同步？

接收端不但要知道一组二进制位的开始与结束，还需要知道每位的持续时间，这样才能做到用合适的采样频率适时采样所接收到的数据。—— 与发送端同步

能否利用各自的时钟信号同步？

由于发送端和接收端的时钟信号不可能绝对一致，因此不够可靠。—— 往往需要另外采取一定的同步手段。

异步传输控制(字符同步方式)

如何使接收端能准确判断出数据的开始与结束

以一个字符作为数据传输的基本单位，首末分别增加1位起始位和1位停止位，表示字符的开始和结束。—— 通常，起始位是“0”，结束位是“1”

数据传输形式

位的持续时间

由于位数少，不至于失步，不考虑。

同步传输控制

以“数据块”(几千个数据位)为单位进行传输。

特定要求

由于单位大，为了防止发送端和接收端的失步，发送时钟和接收时钟必须高度同步。

如何使接收端能准确判断出数据的开始与结束

做法：在数据块前面加一个确定长度的位模式，称为前文，数据结束后也加上后文—— 帧

位持续时间

自同步法，即从所接收的数据中提取时钟的特征。因为其发送数据中包含着发送时钟信号。——实现了双方采样点的同步

帧的接收过程

接收端检测到前文后，即说明有数据到达，接收端利用从数据中提取的时钟信号作为接收时钟，按顺序接收前文后的数据信息，直至接收到后文为止。

效率高

数据传输介质

双绞线

4对铜线，每对按螺旋结构排列

电磁干扰(串扰)最小

3类/5类/5e类/6类，屏蔽/非屏蔽，100米远

同轴电缆

现已很少使用

光纤

原理：光信号，在玻璃等纤维中全反射传输，光电转换

分类：

单模（纤芯：8~10μm，光源：单色(激)光，带宽大，传输距离远，主要用于城域网/广域网）
多模（纤芯：10~75μm，光源：多色(可见)光，带宽小，传输距离近，主要用于园区网）
光纤跳线：SC/ST/FC/MT-RJ/LC连接器

通信光缆

多芯（2/4/8/12/16等）光纤，保护层，钢丝，护套

网络综合布线

网络综合布线概念

结构化综合布线系统（Premises Distribution System，PDS）最早由贝尔（Bell）实验室首先提出，并于20世纪80年代末期率先推出产品。

什么是PDS

将分布在网络不同覆盖区域的所有线缆按照一定的标准和结构，并通过专用的器件集成起来，不仅满足网络设备连接的需要，而且方便网络设备的灵活调整和网络的维护。在形式上呈现一种立体交叉的层次化结构。

说明：电信网络、数据网络、监控网络目前大多因分别设计而呈分离状态。结构化综合布线系统主要指数据网络。

特点：网络综合布线系统本身与网络设备独立。每个部分都是相对独立的单元（模块化），所有连接器件都是标准化的，每个单元的改变都不会影响其它子系统。

情况比较：

情况1：按照网络连接原理：设备在哪里，线就布到哪里。

后果：一旦增加设备或设备位置发生变化就要增加或者重新布线。

情况2：按照结构化综合布线要求：先按结构化综合布线的规范将线路部署好，然后再将不同位置的设备接入到网络。

效果：

布线层次清晰，标注明确，便于管理和维护。
如果增加设备或设备位置发生变化，不必重新布线，只要简单的调整配线间或设备间的跳接即可。

综合布线产品系列

机柜、配线架、理线器、信息面板、跳线、工具。

信道复用技术

概念：信道复用即信道共享

目的：充分利用信道的容量，提高信道的利用率。

逻辑思想：把单条物理信道划分成多条逻辑信道，每一条逻辑信道传输一路数据，那么，一条物理信道就可以传输多路数据。

使用设备：各种不同形式的“多路复用器”

技术实现：

频分多路复用 (FDM)
时分多路复用 (TDM)
统计时分多路复用（STDM）
波分多路复用(WDM)
码分多路复用（CDM）&码分多址复用（CDMA）

频分多路复用 (FDM)

按信号占用的频谱范围对信道的(频)带宽(度)进行分割。

在传输多路信号时，通过调制技术将不同路的信号搬到不同频段，使每路信号占用互不重叠的频率范围，在共享信道传输完成后，再利用解调技术将各路信号搬回原来的频段上。

更适于模拟数据信号的传输

时分多路复用 (TDM)

多路信号对信道的传输时间进行周期性分割，每路信号占用互不重叠的时间片。

利用不同时隙传送不同路信号

主要特点：

各路信号在频谱上是重叠的(占用同样带宽)
但在时间上是不重叠的。

更适合于数字信号的传输

传输形式：

T1载波系统：将24路音频信道复用在一条通信线路上。24路PCM信号的每一路，轮流将一个字节插入到帧中。每帧由24×8＝192位组成，附加一位作为帧开始标志位，每帧共有193位。发送一帧需要125毫秒，T1载波的数据传输速率为：193/125=1.544Mbps 。

30路的E1载波系统

效率分析：由于数据的突发性，用户对分配到的时隙利用率不高。

统计时分多路复用（STDM）

统计时分多路复用 STDM (Statistic TDM)—— 不固定分配时隙，而是按需动态分配时隙。

特点：

每路的帧无固定插入位置
每个帧必须给出地址信息，以便识别

波分多路复用(WDM)

按信号的波长(频率)对光纤信道的(频)带宽(度)进行分割。

—— 通过调制技术使不同路的光信号具有不同的波长，在共享信道传输完成后，再利用解调技术将各路信号恢复为原来的波长。

波分多路复用原理示意图：

码分多路复用（CDM）&码分多址复用（CDMA）

码分多路复用CDM (Code Division Multiplexing)

码分多址复用CDMA (Code Division MultipleAccess)

利用不同的编码(码形)实现多目标信息传输的系统。该技术建立在正交编码、相关接收的理论基础上。

各个目标的数字化信号，经正交PN码扩频调制，使频谱扩展几百倍至上千倍，然后分别调制到上千兆赫兹的同一频率的载波上发送；接收端利用PN码的正交特性进行相关解扩，再经窄带滤波，恢复出与本地PN码所对应的目标信号。

主要特点：

扩频后，信号功率分布在很宽的频带中，接收不易发生“阻塞”现象
抗干扰能力强，保密性好，误码率低
使用的载波频率不需要向有关部门申请

宽带接入技术

宽带接入技术概述

为什么要接入互联网

Internet网上资源和服务越来越丰富
人们已经不满足于在单一的物理网络范围内进行相互通信和共享资源

进行更大范围的信息传递和获取更广泛的资源

存在的问题

信息高速公路的最后一公里问题

直接连接到Internet的主干网或区域网上是不太现实的

接入方式

通过接入网

接入形式：

接入网

接入网的形式

计算机网：传输数字信号
公共电话网：传输语音/传真信号
广播电视网：传输视频信号。

目前可提供的宽带接入技术

局域网接入技术
借助于公共电话网的xDSL接入技术
基于广播电视网的光纤-同轴电缆混合HFC接入技术
光纤接入技术
无线网接入技术
移动网接入技术
微波接入技术
电力载波接入技术

数字用户线xDSL接入技术

ADSL

ADSL即非对称数字用户线

在现有的普通电话线上提供：

6~8Mbit/s的高速下行速率
640Kbit/s~1Mbit/s的上行速率
传输距离可达2.7km-3.6km

形式：

AAA服务器的作用

负责接收用户的连接请求（同时提供用户名和密码）
对用户身份进行认证
并为客户端返回所有为用户提供服务所必须的配置信息

如何确保在不安全的网络上传输信息的安全性

客户端和AAA服务器之间的所有交互都需要经过共享保密字的认证

在客户端和AAA服务器之间的任何用户密码都是被加密后传输的

基于RADIUS协议的典型认证授权工作过程
1、用户输入用户名、密码等信息到客户端

2、客户端产生一个“接入请求（Access-Request）”报文到AAA服务器，其中包括用户名、口令、客户端（NAS）ID 和用户访问端口的ID。口令经过MD5算法进行加密

3、AAA服务器对用户进行认证

4、若认证成功，AAA服务器向客户端发送允许接入包（Access-Accept），否则发送拒绝接入包（Access-Reject）

5、若客户端接收到允许接入包，则为用户建立连接，对用户进行授权和提供服务，并转入6；若接收到拒绝接入包，则拒绝用户的连接请求，结束协商过程

6、客户端发送计费请求包给AAA服务器

7、AAA服务器接收到计费请求包后开始计费，并向客户端回送开始计费响应包

8、用户断开连接，客户端发送停止计费包给AAA服务器

9、AAA服务器接收到停止计费包后停止计费，并向客户端回送停止计费响应包，完成该用户的一次计费，记录计费信息

ADSL实现原理

ADSL调制解调器使用频分多路复用技术，将用户电话线带宽划分为3个频段:

0~4kHz用于传送电话信号
20~50kHz用于传送上行数字信息
140~1100kHz用于速率为8Mbps的下行数字信息的传输

其中150~500kHz用于速率为1.5Mbps的下行数字信息的传输

将数字用户线路改造成为具有3条独立信道的通信管道，彼此可以互不干扰的传输各自的数据

接入方式：

家庭用户：一般提供**虚拟拨号(无固定IP)**接入方式
局域网用户：一般提供专线(静态IP)接入方式

采用协议：PPPoE协议

其他DSL接入技术

HDSL（High-bit-rate DSL）通过使用2对双绞线以全双工方式进行传输，支持N×64kbps的各种速率，最高可达E1（2.048Mbps)速率，传输距离可达3.6km
SDSL（Single-line DSL）即为HDSL的单线对版本，性能与HDSL基本相同
RADSL（Rate Adaptive DSL）即速率自适应技术，它允许服务提供者调整xDSL连接的带宽，以解决线长和传输质量问题，适应实际需要。下行速率的范围为640kbps到12Mbps，上行速率范围为128kbps到1Mbps。它利用一对双绞线同时支持语音和数据传输，而且支持同步和非同步两种传输方式
VDSL（Very-high-data-rate DSL）为超高速数字用户线技术，该技术可以支持在相对较短的距离内（如300m）达到最高52-55 Mbps的下行传输速率和6.4Mbps的上行速率。当用户线路长度在1000-1500m时，下行速率可以达到13 Mbps或更高；上行速率可以达到1.3 Mbps，甚至更高

光纤同轴混合HFC接入技术

主干网为光缆，将光信号从局端传输到居民小区
光信号转换为电信号后，再通过同轴电缆传输到用户家中
用户则使用电缆调制解调器Cable Modem(机顶盒）接入到网络

目前，HFC网络的频带划分情况：

5~42MHz为上行通道，用于传输VOD信令、IP电话和状态信息等
54~550 MHz为下行通道，用于传输模拟电视节目，按照每路带宽为6~8 MHz，可以传送各种不同制式的电视信号达60-80路
550~750 MHz：用于传送数字视频信号以及各种双向交互通信业务
750~1000 MHz：用于未来可能出现的各种双向通信业务

性能指标

Cable Modem的下行速率：3~10Mbps
最高可达36Mbps；而上行速率一般为0.2~2 Mbps，最高可达10Mbps

HFC网络的有利条件

模拟信号与数字信号可以共存
已经基本实现对现有的CATV网络的双向传输改造

存在的主要问题

由于上行信道采用共享方式，因此存在传输冲突问题；而且下行信道的带宽也略显不足。

FTTx接入技术

光接入网（OAN）：从本地交换机到用户之间全部或部分采用光纤通信的系统。

同xDSL的表示方式相似，FTTx是光纤接入技术的总称。

光纤到路边（Fiber To The Curb，FTTC）
光纤到小区（Fiber To The Zone，FTTZ）
光纤到楼（Fiber To The Building，FTTB）
光纤到户（Fiber To The Home，FTTH）

FTTC、FTTZ、FTTB接入技术的共同特点：

光纤到达相应的位置后就通过光电转换器转换成电信号，然后再通过双绞线（或同轴电缆等）分配给每个用户。

FTTH是家庭接入的最终解决方案，速率可以达到155Mbps

宽带无线接入（BWA）技术

宽带无线接入服务：带宽超过2Mbps的无线接入技术。

802.11无线局域网（WLAN）重点解决小范围内的移动结点通信问题。但由于用户数和覆盖范围的限制，无法用于大范围的无线接入
802.16无线城域网（WMAN）的重点是解决更大范围的固定结点数据通信问题。标准的颁布和WiMAX技术的成熟，城域宽带无线接入技术快速进入实际应用

无线广域网（MWAN）

覆盖全国或全球范围内的无线网络，可以使笔记本电脑、智能手机、PDA或其它设备在网络覆盖的任何位置接入到互联网。

与无线局域网和无线城域网相比，除了可以提供更大范围的无线接入外，还主要体现在快速移动性上
从目前的应用来看，其信息传输速率并不高，一般无法满足多媒体应用的需要，只能适用于手机、PDA等处理能力较低的弱终端，而对于具有高强处理能力的笔记本电脑来说，是不太适宜的
典型的无线广域网包括卫星通信系统、GSM和CDMA移动通信系统，以及3G、3G+和4G技术。无线广域网的标准为IEEE802.20

数据编码技术

数据与信号

数据：信息被记录/存储状态
信号：数据在传输过程中
模拟数据：连续变化的，没有突变，如一段录音/视频
数字数据：离散形式的，用0/1两个完全不同的状态表示
模拟信号：在时间上和幅度上连续变化的
数字信号：在时间上和幅度上不连续变化
数字传输：以数字信号的形式传输

数据的编码与传输方式

数据的四种传输方式

数字数据的数字传输方式
数字数据的模拟传输方式
模拟数据的数字传输方式
模拟数据的模拟传输方式：无需编码与解码，不作讨论

数字数据的数字编码与传输

基带信号：从数据终端设备送出的未经任何转换的脉冲数字信号。

基带传输：直接传送基带信号，无需转换成频带信号。

但往往要转换成更适于传输的数字信号形式

局域网广泛应用

NRZ非归零码
RZ码
AMI码：
2B1Q码：
8B6T码
MLT-3码

曼彻斯特编码

在每一数据位的中间产生一次信号跳变

低-高：1，高-低：0

同时表示数据的发送时钟，用于实现同步

自同步编码，无需用另外一条信道去发送同步信号

以太网发送的数据都使用曼彻斯特(Manchester)编码

差分曼彻斯特编码

改进的曼彻斯特编码。位中心的跳变只表示时钟，每位开始有无跳变表示数据。

有跳变：0，无跳变：1

基带传输的缺陷

基带信号含有大量的低频成份和直流分量
基带信号的抗干扰能力也不支持在模拟线路(如电话线路)上进行远距离传输

必须采取某种措施将基带数字信号调制到模拟线路的频带范围内，转换成频带信号再行传输。

调制器：将基带脉冲信号转换成连续载波信号的设备。

已调信号：经过调制后的信号。

解调器：将连续载波信号转换成基带脉冲信号的设备

调制解调器：同时具备调制与解调功能，实现两个相反方向转换的设备

信号的调制就是利用基带信号对载波波形的某些参数进行控制，使这些参数随基带脉冲信号的变化而变化

调制方法（数字数据的模拟编码与传输）

调幅(AM)：载波的振幅随基带数字信号的变化而变化
调频(FM)：载波的频率随基带数字信号的变化而变化
调相(PM)：载波的初始相位随基带数字信号的变化而变化

模拟数据的数字编码与传输

多媒体数据包括：语音、图像、视频

多媒体数据的存储、处理与传输方式：

数字化（减少存储量，提高传输效率）
压缩

数字化的方法：

脉冲编码调制(PCM，Pulse Code Modulation)
增量调制(DM，Delta Modulation)

PCM方法应用的多，以此为例介绍。

脉冲编码调制(PCM)方法

三个步骤：

采样

采样频率越高，恢复原始信号的精度越高。

若采样频率为信号频率的2倍，就可以准确再现原始信号

量化

将信号分为若干量化级，8、16、32或更多

将采样样本值与量化级值进行比较，确定所属的量化级

经过量化处理后的样本值成为离散的量级值，已不是连续值

编码

用相应位数的二进制代码表示量化后的采样样本的量级。

如果有K个量化级，则所需的二进制位数为log2Klog_2Klog2K。

PCM典型应用

将语音分为128个量化级，采用7位二进制编码表示。采样速率为8000样本／秒，数据传输速率可达：7×8000bit/s＝56kbps

原创声明

文章作者：Zam9036

文章链接：https://zam9036.gitee.io/2020/03/09/32-Physical-layer-computer-network-knowledge-summary-2

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