数据通信基础知识

一、概述
本章主要介绍数据通信的一些基础知识，包括数据通信模型、常用传输介质的构成和特性、编码技术以及数据传输技术，在难点分析中讲述了读者应了解和掌握的具体知识点，以期使读者对计算机网络的硬件连接技术和与之相关的通信技术的概念、实现原理、特点与应用领域有一定的认识。
二、基本概念
1．数据通信模型
数据通信模型一般包括：源、发送器、传输系统、接收器和目的站，如图1-l所示。


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2．常用传输介质的构成和特性
· 双绞线：双绞线(Twisted Pair Line，TPL)是综合布线工程中最常用的一种传输介质。双绞线由两根具有绝缘保护层的铜导线按一定密度互相绞在一起，这样可降低信号干扰的程度，每一根导线在传输中辐射的电波都会被另一根线上发出的电波抵消。双绞线既可以用于传输模拟信号，也可以用于传输数字信号。局域网中的双绞线在100kbit／s速率下的传输距离可达lkm。双绞线比同轴电缆或光纤的价格便宜得多。双绞线根据是否具有屏蔽性分为非屏蔽双绞线(Unshilded Twisted Pair，UTP)和屏蔽双绞线(Shielded Twisted Pair，STP)两类。
· 同轴电缆：是由一根空心的圆柱型的外导体围绕单根内导体构成的。内导体为实芯或多芯硬质铜线，外导体为硬金属或金属网。内导体和外导体之间由绝缘材料隔离，外导体外还有皮套或屏蔽物。有两种同轴电缆被广泛使用，一种是50 电缆，用于数字传输，由于多用于基带传输，也叫基带同轴电缆；另一种是75 电缆，用于模拟传输，一般用于电视信号的传输，称为宽带同轴电缆。
· 光纤：光纤和同轴电缆相似，中心是光传播的玻璃纤芯。纤芯是采用超纯的熔凝石英玻璃拉成的比人头发丝还细的芯线，它质地脆、易断裂。在多模光纤中，需要外加一保护层。纤芯外面包围着一层折射率比纤芯低的玻璃封套，以使光纤保持在纤芯内。再外面的是一层薄的塑料外套，用来保护封套。光纤不受电磁干扰或噪声影响。光纤有单模和多模之分。纤芯的直径是15μm～100μm，而单模光纤纤芯的直径为8μm～l0μm。光纤通常被扎成束，外面有外壳保护。
· 无线介质：是指通过大气传输电磁波的三种技术，即微波、红外线和激光。这三种技术都需要在发送方和接收方之间有一条视线通路。
3．编码技术
· 模拟信号：是指模拟数据在某个区间产生连续的值。例如，声音和视频就是强度连续变化的信号。大多数用传感器收集的数据，例如温度和压力都是连续值。
· 数字信号：是指数字数据产生离散的值。例如，文本信息和整数。
· 调制解调：当需要在只能传输模拟信号的线路上传输数据信号时(例如，通过一条公用电话线将数据从一台计算机传输到另一台计算机)，在发送方，数据开始是数字数据，但是由于电话线只能传输模拟信号，所以数据必须进行数字到模拟的转换。这个转换过程就叫作调制。在接收方需要进行模拟到数字的转换，使它还原为原来的数字数据这个过程叫作解调。整个从数字数据到模拟信号再到数字数据的过程称作调制解调。调制解调有三种基本形式：幅移键控法(AmplitudeShift Keying，ASK)、频移键控法(Frequency Shift Keying，FSK)和相移键控法(PhaseShift Keying，PSK)。
· 不归零(Non-Return to Zero，NRZ)编码：在用数字信号传输数字数据时，信号的电平是根据它所代表的二进制数值决定的。一个正电压值代表1，而一个负电压值代表0，因而信号的电平依赖于它所代表的数值。
· 曼彻斯特编码：在曼彻斯特编码中，每个比特中间引入跳变来同时代表不同数值和同步信息。一个负电平到正电平的跳变代表0，而一个正电平到负电平的跳变则代表1。通过这种跳变使曼彻斯特编码获得了同步信息和数字编码。
· 差动曼彻斯特编码：在差动曼彻斯特编码中，用两个比特之间的跳变来代表不同的数值，在间隙中有跳变的代表0，没有跳变的代表1。比特中间的跳变只用来表示同步信息，不同的数值通过在比特间隙是否跳变来表示。
4．数据传输技术
· 多路复用：在计算机网络系统中，当传输介质的能力超过传输单一信号的情况时，为了有效地利用传输系统，希望一个信道能够同时传输多路信号。多路复用，就是把许多信号在单一的传输线路上进行传输。一般普遍使用三种多路复用技术，即频分多路复用(FDM)、时分多路复用(TDM)和统计时分多路复用(STDM)。
· 同步传输：是使接收端接收的每一位数据信息都要和发送端准确地保持同步，中间没有间断，实现这种同步方法又有自同步法和外同步法。
· 异步传输：是基于字节的，每字节作为一个单位通过链路传输，因为没有同步脉冲，接收方不可能通过计时方式来预测下一个字节何时到达，因而在每个字节的开头都要附加一个0，通常称为起始位，在每个字节尾部还加上一个或多个1，被称为停止位。
· 单工通信：是指在通信链路上的两个站点，只能一个发送信息，另一个接收。
· 半双工通信：在通信链路上的两个站点都可以发送和接收信息，但是不能同时发送和接收，当其中一个站点在发送信息时，另一个站点只能接收，反之亦然。
· 全双工通信：在通信链路上的两个站点可以同时发送和接收信息，即一个站点发送信息的同时也能接收信息。
三、难点分析
(1) 掌握关于数据通信基本原理和技术名词、基本概念和技术要点。具体要求包括：数据和信息的界定、信息处理和数据处理的差别、信息网络与计算机网络的关系、模拟数据和数字数据。
(2) 主要了解双绞线、同轴电缆、光纤以及无线介质等传输介质的特性、分类、特点及其适用范围，通过它们了解所用通信线路的性质以及噪声干扰问题，以便设计一个良好的数据通信系统或计算机网络系统。
(3) 传输介质的分类如下所示：


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(4) 双绞线、同轴电缆、光纤以及无线介质的性能如表1-1所示。


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(5) 应掌握关于数据传输技术的基本概念和内容。具体包括：基带传输、频带传输和宽带传输；数字数据与数字信号；常用的编码；数字数据调制成模拟信号的方法和模拟信号的解调；同步传输与异步传输；常用的多路复用技术。