《数据通信技术概述》课件

数据通信技术概述本课程全面介绍数据通信的基本概念、理论与实用技术，涵盖从基础理论到前沿应用的完整知识体系数据通信作为信息社会的重要基础设施，在现代社会中发挥着越来越重要的作用课程主讲李斯伟，胡成伟本课程将通过个专题模块，系统地介绍数据通50信技术的各个方面，包括基础理论、传输技术、编码调制、宽带通信以及新兴技术等内容课程目标掌握数据通信基础理论理解通信系统构成深入理解数据通信的基本概全面掌握数据通信系统的组成念、原理和核心技术，建立扎结构、工作原理和各个组件的实的理论基础，为后续学习和功能，能够分析和设计基本的实践应用奠定坚实基础数据通信系统学习现代技术应用课程内容概览数据通信基础第1-10节涵盖数据通信的基本概念、定义、系统组成和发展历程，建立完整的知识框架数据传输技术第11-20节深入学习各种传输媒体、传输模式和传输技术，理解数据传输的基本原理数据编码与调制第21-30节掌握数据编码技术和信号调制方法，了解信号处理的核心技术宽带数据通信第31-40节学习宽带接入技术、网络质量保障和宽带业务应用等内容新兴通信技术第41-50节探索物联网、5G、量子通信等前沿技术的原理和应用前景第一部分数据通信基础基本概念与定义系统组成与结构发展历程与趋势数据通信是指在计算机系统之间或计数据通信系统由信源、发送设备、传从早期的电报通信到现代的互联网时算机与终端设备之间进行数据传输的输媒体、接收设备和信宿等基本组件代，数据通信技术经历了快速发展，技术它是现代信息社会的重要基构成，各组件协调工作完成数据的可正朝着高速化、智能化和泛在化方向础，支撑着各种信息系统的正常运靠传输演进行数据通信的定义计算机间信息传输终端设备与计算机交换不同设备间数据传送数据通信最基本的形式是计算机与计算终端设备与计算机之间的信息交换是数随着物联网技术的发展，不同类型设备机之间的信息传输这种传输可以是本据通信的重要应用场景包括个人电间的数据传送变得越来越重要传感地网络内的数据交换，也可以是跨越广脑、智能手机、平板电脑等终端设备与器、智能家电、工业设备等各种设备都域网的远程通信现代企业的业务系服务器之间的数据交互这种通信模式需要进行数据通信，形成了复杂的设备统、数据库同步、文件共享等都依赖于支撑着网页浏览、移动应用、在线服务互联网络这种通信方式等日常应用数据通信系统的组成信源与信宿信源是产生信息的源头，信宿是接收信息的目的地发送与接收设备负责信号的调制、解调和格式转换等处理传输媒体承载信号传输的物理媒介，如光纤、电缆等通信协议规范数据传输格式和控制规则的标准数据通信的历史发展1早期电报通信19世纪中期，电报技术的出现标志着远距离数据通信的开始摩尔斯电码成为最早的数字编码方式，为后续数据通信技术奠定了基础电报网络连接了世界各地，实现了跨洲际的信息传输2数字计算机网络兴起20世纪60年代，随着计算机技术的发展，ARPANET等早期计算机网络开始出现这些网络采用分组交换技术，为现代互联网奠定了技术基础计算机网络的出现彻底改变了数据通信的方式3互联网时代数据通信20世纪90年代互联网的普及，使数据通信进入了新时代TCP/IP协议族成为全球标准，万维网的出现使数据通信变得更加便民宽带接入技术的发展大大提高了数据传输能力4与物联网时代5G21世纪以来，移动通信技术快速发展，5G技术的商用化开启了万物互联的新时代物联网、云计算、人工智能等技术的融合，推动数据通信向智能化、泛在化方向发展数据通信的重要性信息社会基础设施支撑现代社会运行的核心技术经济发展关键驱动力推动数字经济快速发展数字化转型支撑各行业数字化转型的技术基础数据通信技术已成为现代社会不可或缺的基础设施它不仅支撑着信息社会的正常运行，还是推动经济发展的重要驱动力在数字化转型的浪潮中，数据通信技术为各行各业提供了强有力的技术支撑，使得远程办公、在线教育、数字医疗等新兴业务模式成为可能数据通信系统的分类同步与异步通信按传输模式分类•同步统一时钟控制串行与并行通信点对点与多点通信•异步独立时钟控制按传输方式分类按连接方式分类•串行数据逐位传输•点对点两设备直连•并行数据同时传输•多点多设备共享信道数据通信的指标参数1Gbps带宽信道传输能力的基本指标30dB信噪比信号质量的重要衡量标准10^-9误码率传输可靠性的关键参数800Mbps吞吐量实际数据传输效率指标第二部分数据传输技术传输基础理论1信号传输的基本原理和规律传输媒体技术各种有线和无线传输媒体传输方法与模式不同的数据传输方式和技术数据传输技术是数据通信的核心组成部分，涉及信号在各种传输媒体中的传播机制、传输方式的选择以及传输质量的保障等重要内容深入理解这些技术对于设计和优化数据通信系统具有重要意义数据传输的基本形式点对点传输两个设备之间建立专用的通信链路，提供独占的传输通道这种方式具有高安全性和稳定性，常用于重要的数据传输场景，如银行系统间的数据交换、企业总部与分支机构间的专线连接等广播传输一个发送方同时向多个接收方传输相同的数据广播传输在局域网中应用广泛，如网络地址分配、系统更新通知等电视广播、无线电广播也采用这种传输方式，实现一对多的信息分发多点传输多个设备共享同一传输媒体，通过特定的访问控制机制协调数据传输以太网就是典型的多点传输网络，多个设备连接到同一网段，使用协议避免冲突，实现高效的数据共享CSMA/CD传输媒体类型有线传输媒体无线传输媒体双绞线是最常见的有线媒体，成本低廉且易于安装，广泛应用于无线电波覆盖范围广，适用于移动通信和广播应用微波具有方局域网建设同轴电缆具有良好的屏蔽性能，适用于宽带网络和向性强、频率高的特点，常用于点对点的长距离通信链路红外有线电视系统光纤传输距离远、带宽大，是现代长距离高速通线传输安全性高但距离有限，多用于近距离设备间通信信的首选媒体•无线电波移动通信，覆盖广泛•双绞线经济实用，局域网主流•微波点对点长距离通信•同轴电缆抗干扰强，宽带应用•红外线近距离安全传输•光纤高速长距离，发展趋势双绞线传输技术非屏蔽双绞线（）屏蔽双绞线（）线缆分类与特性UTP STP线缆结构简单、成本低廉，是在基础上增加了金属屏蔽类线支持传输，类线可达UTP STPUTP5100Mbps6局域网布线的主流选择通过双绞层，显著提高了抗电磁干扰能力，类线能够支持不同1Gbps710Gbps的结构设计有效减少电磁干扰，支适用于工业环境、医疗设备等对信类别的线缆在带宽、传输距离、价持到的传输速率广泛号质量要求较高的场所虽然成本格等方面存在差异，需要根据实际10Mbps10Gbps应用于办公楼宇、家庭网络等环较高，但在恶劣环境中表现优异应用需求选择合适的线缆类型境同轴电缆传输基带同轴电缆宽带同轴电缆应用与特性分析基带同轴电缆直接传输数字信号，不宽带同轴电缆采用模拟信号传输，需同轴电缆具有良好的屏蔽性能和较宽需要调制特性阻抗通常为欧姆，要调制解调器进行信号转换特性阻的频带，抗干扰能力强于双绞线但50适用于以太网等局域网应用传输距抗为欧姆，主要用于有线电视系统安装复杂、成本较高，在局域网应用75离可达米，支持的数据传输和宽带接入网络，支持多个频道的同中逐渐被双绞线和光纤替代，主要保50010Mbps速率时传输留在有线电视等特定领域光纤传输技术光纤传输原理光纤利用全反射原理在纤芯中传输光信号，具有传输距离远、带宽大、抗电磁干扰等优势光信号在纤芯与包层的界面发生全反射，实现信号的高质量长距离传输单模与多模光纤单模光纤纤芯直径小（约微米），只允许一种模式传播，传输距离9可达数十公里多模光纤纤芯较大（微米），支持多种模式传50-

62.5播，适用于短距离高速传输光纤通信系统完整的光纤通信系统包括光发射机、光纤链路、光放大器和光接收机系统采用波分复用技术可实现多路信号同时传输，大幅提高传输容量和效率无线传输技术无线电波传播频段划分应用无线电波在自由空间中传播，受到距无线频谱被划分为不同频段，分别用于离、频率、环境等因素影响不同频段广播、移动通信、雷达、卫星通信等应具有不同的传播特性，需要合理选择频用频谱资源有限且宝贵，需要通过国率以获得最佳传输效果际协调和国内管理实现有效利用典型应用场景优势与挑战无线传输广泛应用于移动通信、网Wi-Fi无线传输具有移动性好、部署灵活等优络、蓝牙设备、卫星通信等领域技5G势，但也面临信号衰减、干扰、安全性术的发展进一步拓展了无线传输的应用等挑战现代无线技术通过先进的调制边界，支持物联网、自动驾驶等新兴应编码和多天线技术不断提升性能用数据传输的基本模式单工通信全双工通信数据只能在一个方向上传输，如广播电视、无线电广播等单向信息传数据可以同时在两个方向上传输，如现代电话系统、光纤通信等提输系统发送方持续发送信息，接收方只能接收，无法反馈供最高的通信效率，支持实时双向交互半双工通信数据可以双向传输，但同一时刻只能在一个方向上传输如对讲机、早期的以太网等，需要通过协议控制传输方向的切换串行传输与并行传输串行传输特点并行传输特点数据按位依次传输，只需要一条数据线，成本低、布线简单现多个数据位同时传输，理论上速度更快，但需要多条数据线，成代串行接口如、采用高频时钟，传输速度可以很高串本较高信号间的时序同步是并行传输的关键技术挑战，时钟偏USB SATA行传输的抗干扰能力强，适用于长距离传输移会影响传输质量典型应用包括接口、串口通信、网络通信等随着技术发传统的并行接口如打印机端口、早期的硬盘接口等在长距离传USB展，串行传输在高速应用中表现出色，逐渐成为主流选择输中，并行线路间的干扰和信号偏移问题更加明显，限制了其应用范围同步传输与异步传输同步传输机制发送方和接收方使用统一的时钟信号，数据连续传输无间隔传输效率高，适用于高速大容量数据传输需要专门的时钟同步机制，系统复杂度较高异步传输机制每个数据字符独立传输，通过起始位和停止位标识字符边界不需要专门的时钟线，系统简单灵活适用于低速、间歇性的数据传输场景传输效率对比同步传输由于无需额外的起止位，传输效率较高，可达95%以上异步传输由于每个字符都需要起止位，传输效率约为80%左右可靠性与应用同步传输在高速网络中广泛应用，如光纤通信、高速以太网等异步传输在串口通信、早期调制解调器等场景中仍有应用，具有良好的兼容性第三部分数据编码与信号调制技术信号调制技术将基带信号变换为适合信道传输的频带信号数据编码技术•模拟调制方式将数字信息转换为适合传输的信号格式•数字调制技术•基带编码方法高级调制编码•编码效率优化现代通信系统采用的先进技术•多载波调制•自适应编码数据编码的基础概念编码的目的与作用数据编码的主要目的是将数字信息转换为适合在特定传输媒体上传输的信号形式编码可以提高传输效率、增强抗干扰能力、实现错误检测和纠正功能基本编码类型编码类型主要分为源编码、信道编码和线路编码源编码用于压缩和表示信息，信道编码用于纠错，线路编码用于适配传输媒体特性编码与解码过程编码过程将原始数据按照特定规则转换为编码序列，解码过程则是编码的逆过程，从接收到的信号中恢复原始数据过程中需要考虑同步、纠错等因素常见编码标准国际标准化组织制定了多种编码标准，如ASCII、Unicode等字符编码，以及各种数字通信中使用的线路编码标准，确保设备间的兼容性数字数据编码编码编码曼彻斯特编码NRZ RZ不归零编码是最简单的编码归零编码在每个位周期内都将时钟信号与数据信号结合，方式，高电平表示1，低电平回到零电平，便于时钟恢复每个位用电平跳变表示位1表示0编码简单但存在时钟但占用更多带宽信号在位用高到低跳变表示，位0用低恢复困难的问题，连续的0或1周期的前半部分表示数据，到高跳变表示提供可靠的会导致信号失去同步适用后半部分归零提供良好的时钟恢复能力，广泛应用于于短距离、低速传输场景同步特性但传输效率较低以太网等网络技术差分曼彻斯特编码在曼彻斯特编码基础上改进，用跳变的有无表示数据位开始处有跳变表示0，无跳变表示1具有更好的抗干扰能力，适用于令牌环网络等应用场景模拟数据编码增量调制技术差分脉冲编码DPCM增量调制是DPCM的简化版本，只编码信号的脉冲编码调制PCMDPCM编码相邻采样值的差值而非绝对值，利上升或下降趋势编码简单、实时性好，但PCM是将模拟信号转换为数字信号的标准方用信号的相关性减少编码位数特别适用于对于信号变化剧烈的情况可能产生过载失法通过采样、量化和编码三个步骤，将连语音和图像等具有强相关性的信号，可以显真适用于语音通信等实时性要求高的应续的模拟信号转换为离散的数字码流采样著降低数据量而保持较好的质量用频率必须满足奈奎斯特定理，即至少为信号最高频率的两倍基带传输与频带传输基带传输特点频带传输特点基带传输直接在信道中传送数字信号，不需要调制过程信号占频带传输需要将基带信号调制到载波频率上，占用特定的频带范用从零频开始的频带，适用于短距离传输具有系统简单、成本围适用于长距离传输和无线通信可以实现频分复用，在同一低廉的优势，但传输距离受限传输媒体上传输多路信号典型应用包括局域网中的双绞线传输、计算机内部总线通信等广泛应用于无线通信、卫星通信、光纤长距离传输等场景虽然基带传输的信号容易受到衰减和干扰，需要采用中继器或放大器系统复杂度增加，但传输距离远、抗干扰能力强，是现代通信系进行信号再生统的主要选择数字调制技术幅移键控（）频移键控（）ASK FSK通过改变载波信号的幅度来传输数字信息实现简单但抗噪声能力较通过改变载波频率来传输数字信息抗噪声能力较强，广泛应用于低速差，主要用于光纤通信等高质量信道二进制ASK用有无载波表示数字1数据传输二进制FSK用两个不同频率分别表示数字1和0，解调相对简和0单相移键控（）正交幅度调制（）PSK QAM通过改变载波相位来传输数字信息频谱效率高，抗干扰能力强BPSK同时调制载波的幅度和相位，实现高频谱效率16-QAM可传输4比特，用0度和180度相位表示数字信息，QPSK用四个相位状态可传输2比特信64-QAM可传输6比特广泛应用于高速数据传输和数字电视广播系统息高级调制技术调制64-QAM最高频谱效率，比特符号6/调制16-QAM平衡性能与复杂度，比特符号4/调制QPSK3四相相移键控，比特符号2/高级调制技术通过增加调制阶数提高频谱效率，但同时对信噪比要求更高系统需要根据信道质量自适应选择调制方式，在传输速率和可靠性之间找到最佳平衡点现代通信系统普遍采用自适应调制编码技术，根据信道条件动态调整调制参数多载波调制技术原理载波正交性OFDM正交频分复用将高速数据流分解为多个相邻子载波在符号周期内保持正交，避低速子流，分别在正交的子载波上传1免载波间干扰通过精确的频率规划和输可以有效对抗多径衰落和符号间干2同步技术确保正交性，提高频谱利用效扰率系统结构OFDM实际应用发送端采用将频域信号转换为时域，IFFT4广泛应用于、移动通信、OFDM Wi-Fi4G/5G接收端用进行逆变换系统包括串并FFT数字电视广播等系统结合技术可MIMO转换、调制、、并串转换等关键模IFFT进一步提高系统容量和可靠性块扩频通信技术直接序列扩频用高速伪随机序列扩展信号频谱，提高抗干扰能力跳频扩频载波频率按伪随机序列快速跳变，分散干扰影响扩频技术优势强抗干扰能力、低检测概率、多址接入能力无线通信应用、、等系统的核心技术GPS CDMAWi-Fi编码与调制技术比较第四部分宽带数据通信1000M千兆宽带现代家庭宽带接入主流速率95%覆盖率中国光纤宽带网络覆盖水平10G企业专线高端商用宽带接入能力5G移动宽带第五代移动通信技术标准宽带数据通信概述宽带定义与标准国际电信联盟将宽带定义为能够同时传输多种信息类型的高速数据连接中国将25Mbps以上的接入速率定义为宽带，发达国家标准已提升至100Mbps以上宽带通信发展历程从56K拨号上网到ADSL、光纤接入，宽带技术不断演进2000年代ADSL普及，2010年代光纤入户大规模部署，目前正向千兆宽带和5G融合发展核心网络演进路径核心网从传统的电路交换向分组交换演进，IP化、云化、智能化成为主要趋势SDN、NFV等新技术重构网络架构，提高网络灵活性和效率宽带业务需求驱动视频流媒体、云计算、物联网等新兴业务推动宽带需求快速增长疫情期间远程办公、在线教育的普及进一步加速了宽带发展和应用创新宽带接入技术分类有线宽带接入无线宽带接入光纤宽带接入包括DSL、电缆调制解调器等技包括Wi-Fi、4G/5G、卫星宽带等基于光纤传输技术，提供最高术，利用现有的电话线或有线技术，提供移动性和灵活部署的带宽和最佳的服务质量电视网络提供宽带服务技术的优势特别适用于偏远地FTTH、FTTB等部署模式满足不成熟、部署成本相对较低，但区、移动场景和临时网络部同场景需求，是宽带接入技术传输距离和速率受到一定限署，是有线宽带的重要补充的发展方向和主要趋势制，正逐步被光纤技术替代各类技术比较不同接入技术在带宽、成本、部署复杂度、服务质量等方面各有特点实际部署中常采用多技术融合的方式，为用户提供最适合的接入解决方案宽带接入技术DSL技术原理技术特点ADSL VDSL非对称数字用户线利用现有电话甚高速数字用户线是技术的升DSL线的高频段传输数据，实现语音级版本，传输速率大幅提升和数据业务的同时传输采用频可提供的对称传输VDSL2100Mbps分复用技术，下行速率可达能力，但传输距离限制在公里

1.5，上行速率达技以内，适用于短距离高速接入场24Mbps

3.5Mbps术成熟且部署成本低景频谱分配与限制技术通过精确的频谱规划避免与语音业务的干扰传输速率与距离成DSL反比关系，线路质量对性能影响显著需要专业的线路调测和维护确保服务质量电缆宽带接入标准发展DOCSIS电缆数据服务接口规范从

1.0发展到

4.0版本，传输能力不断提升DOCSIS

3.1支持10Gbps下行和1Gbps上行，DOCSIS

4.0进一步提升至10Gbps全双工电缆调制解调器电缆调制解调器是用户端设备，负责数字信号与射频信号的转换支持多载波聚合技术，可同时使用多个频道提高传输速率，具备自适应均衡功能带宽分配机制电缆网络采用共享带宽模式，用户间竞争使用网络资源网络运营商通过流量管理和QoS机制确保服务质量，高峰时段可能出现速率下降现象网络架构HFC混合光纤同轴网络结合了光纤的高带宽和同轴电缆的广覆盖优势光纤连接到社区节点，同轴电缆连接到用户家庭，实现成本效益的宽带部署光纤宽带接入技术应用10G PON部署模式FTTH10G PON提供10Gbps的传输能力，满足与比较EPON GPON光纤到户是光纤接入的最终目标，未来高带宽业务需求支持混合速技术原理PON以太网无源光网络基于以太网协提供最佳的用户体验部署包括ODN率接入，新老设备可共存部署在无源光网络采用点到多点的树形拓议，兼容性好、成本较低吉比特光分配网络建设、ONU设备安装、室5G前传、企业专线、高端用户接入扑结构，一根光纤可服务多个用无源光网络采用专用协议，QoS能力内布线等环节需要考虑建筑结等场景中发挥重要作用户网络中只有源端设备需要供更强、传输效率更高两种技术各构、用户需求、投资回报等多种因电，中间传输节点为无源器件，降有优势，在不同市场和应用场景中素低了网络建设和维护成本，提高了并存发展系统可靠性无线宽带接入技术技术演进移动宽带技术Wi-Fi技术从标准发展到，传输速率不断提升提供高速移动数据服务，下行速率可达技术实现Wi-Fi

802.11Wi-Fi6/7Wi-Fi64G LTE1Gbps5G支持理论速率，采用、等先进技术提高网络了、、三大应用场景，支持增强移动宽带、海量

9.6Gbps OFDMAMU-MIMO eMBBmMTC uRLLC效率进一步引入信道、调制等技术物联网、低时延高可靠通信需求Wi-Fi7320MHz4K-QAM企业级网络采用控制器统一管理，支持无缝漫游、负载均固定无线接入为偏远地区提供宽带解决方案卫星宽带通Wi-Fi5G FWA衡、安全认证等功能利用频段缓解频谱拥挤，为高过低轨道卫星星座实现全球覆盖，为海洋、沙漠等特殊环境提供Wi-Fi6E6GHz密度部署提供解决方案通信服务。