6.1.2 数据信号的传输
数据信号的传输主要涉及数据传输的方式和传输的介质。
1．数据传输的方式
在通信系统中，要把数字数据或模拟数据从一个地方传到另一个地方需借助于一定的物理信号，如电磁波和光，而物理信号可以是连续的模拟信号，也可以是离散的数字信号。
要传送的数据可通过编码形成两种信号（模拟信号和数字信号）中的一种，从而产生4种数据传输形式，即模拟信道传输模拟信道、模拟信道传输数字信号、数字信道传输模拟信号、数字信道传输数字信号。
（1）基带传输
基带传输又叫数字传输，是指把要传输的数据转换为数字信号，使用固定的频率在信道上传输。例如计算机网络中的信号就是基带传输的。
这种数字信号就称基带信号。传送数据时，以原封不动的形式，把基带信号送入传输线路，称为基带传输。
使用基带传输时，首先要解决信号的编码问题，即如何将数字数据用物理信号（如电信号）的波形来表示，用来表示数字数据的电信号的波形可以有多种形式。数字信号是离散的不连续的电压或电流的脉冲序列，每个脉冲代表一个信号单元，或称为码元。对于二进制的数据信号来说，用两种码元分别表示二进制数字符号“1”和“0”，每个二进制符号与一个码元相对应。表示二进制数字信息的码元的形式不同，便产生出不同的编码方案。下面主要介绍单极性不归零码、双极性不归零码、单极性归零码、双极性归零码、曼彻斯特码和差分曼彻斯特码等。
1）单极性不归零码
图6-10所示为单极性不归零码，在每一码元时间间隔内，有电流发出表示二进制1，无电流发出则表示二进制的0。每一个码元时间的中心是采样时间，判决门限为半幅度电平，即0.5。若接收信号的值在0.5与1.0之间，就判为1。若在0与0.5之间就判为0。
图6-10 单极性不归零码
2）双极性不归零码
图6-11所示为双极性不归零码，在每一码元时间间隔内，发正电流表示二进制的1，发负电流则表示二进制的0。正的幅值和负的幅值相等，所以称为双极性不归零码。这种情况的判决门限定为零电平。接收信号的值如在零电平以上，判为1，如在零电平以下判为0。
图6-11 双极性不归零码
单极性不归零码和双极性不归零编码信号是在一个码元全部时间内发出或不发出电流，或在全部码元时间内发出正电流或负电流，属于全宽码，即每一位码占用全部的码元宽度，即不归零。如重复发送“1”，就要连续发送正电流，如重复发送“0”，就要连续不送电流或连续发送负电流。
3）单极性归零码
图6-12所示为单极性归零码，在每一码元时间间隔内，当发送“1”时，发出正电流，但是发电流的时间短于一个码元的时间，即发一个窄脉冲。当发送“0”时，仍然完全不发送电流。这样发送“1”时有一部分时间不发电流，幅度降为零电平，故称为归零码。
4）双极性归零码
图6-13所示为双极性归零码，在每一码元时间间隔内，当发送“1”时，发出正的窄脉冲。当发送“0”时，发出负的窄脉冲。
图6-12 单极性归零码
图6-13 双极性归零码
双极性归零码的另一种形式称为交替双极性归零码（AMI）。在发送过程中，发送“1”窄脉冲的极性总是交替的，即如果发送前一个“1”用正脉冲，则发送后一个“1”用负脉冲，而发送“0”时不发脉冲。
5）曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码
曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码如图6-14所示。曼彻斯特编码是一种双相码，用低到高的电平转换表示0，用高到低的电平转换表示1（注意：某些网络方向教材中关于此相反的描述也是正确的），因此它也可以实现自同步，常用于以太网（802.310M以太网）。
图6-14 曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码
差分曼彻斯特编码是在曼彻斯特编码的基础上加上了翻转特性，遇0翻转，遇1不变，常用于令牌环网。要注意的一个知识点是：使用曼码和差分曼码时，每传输1bit的信息，就要求线路上有2次电平状态变化（2Baud），因此要实现100Mbit/s的传输速率，就需要有200MHz的带宽，即编码效率只有50%。
6）4B/5B编码、8B/6T编码和8B/10B编码
在带宽资源宝贵的广域网，以及速度要求更高的局域网中主用mBnB编码，也就是将m位数据编码成n位符号（代码位）。
4B/5B编码、8B/6T编码和8B/10B编码的比较如表6-1所示。
表6-1 应用编码标准
以上各种编码各有优缺点，如下所述。
·脉冲宽度越大，发送信号的能量就越大，这对于提高接收端的信噪比有利。
·脉冲时间宽度与传输频带宽度成反比关系，归零码的脉冲比全宽码的窄，因此它们在信道上占用的频带就较宽，归零码在频谱中包含了码元的速率，也就是说，发送频谱中包含有码元的定时信息。
·双极性码与单极性码相比，直流分量和低频分量减少了，如果数据序列中“1”和“0”的位数相等，那么双极性码就没有直流分量，交替双极性码也没有直流分量，这一点对于传输是有利的。
·曼彻斯特码和差分曼彻斯特码在每一个码元中均有跃变。没有直流分量，利用这些跃变可自动计时，因而便于同步。
在数据通信中，选择什么样的数据编码要根据传输的速度、信道的带宽、线路的质量以及实现的价格等因素综合考虑。
（2）频带传输
基带相对的是频带传输，又叫模拟传输，是指信号在电话线等这样的普通线路上，以正弦波形式传播的方式。我们现有的电话、模拟电视信号等，都是属于频带传输。
信号每秒钟变化的次数叫频率，单位为赫兹（Hz）。信号的频率有高有低，从低频到高频的范围叫频带，不同的信号有不同的频带。
频带传输是指把数字设备上发出的数字信号调制成模拟信号后再发送、传输，到达接收端时再把模拟信号解调成原来的数字信号来进行传输。
使用模拟信号传输数字数据时，需要借助于调制解调装置，把数字信号（基带脉冲）转换成模拟信号，使其变为适合于电话线路传输的信号。调制就是用基带脉冲对载波信号的某些参量进行控制，使这些参量随基带脉冲变化。经过调制的信号称为已调信号。已调信号通过电话线路传输到接收端，在接收端通过解调恢复为基带脉冲。
任何载波信号有振幅（A）、频率（f）和相位（P）3个参数。相应地，把数字信号转换成模拟信号就有振幅调制（Amplitude Shift Keying，ASK）、频率调制（Frequency Shift Keying，FSK）和相位调制（Amplitude Phase Keying，PSK）3种基本技术。
1）振幅调制
振幅调制又称为振幅键控，它是用数字基带信号控制正弦载波信号的振幅。当传输的基带信号为“1”时，振幅调制信号的振幅保持某个电平不变，即有载波信号输出。当传输的基带信号为“0”时，振幅调制信号的振幅为零，即没有载波信号输出。振幅调制实际上相当于用一个受数字基带信号控制的开关来开启和关闭正弦载波信号的输出。
2）频率调制
频率调制又称为频率键控，它是用数字基带信号控制正弦载波信号的频率f。当传输的基带信号为“1”时，频率调制信号的角频率为2πf1 。当传输的基带信号为“0”时，频率调制信号的角频率为2πf2 。
3）相位调制
相位调制又称为相位键控，它是用数字基带信号控制正弦载波信号的相位。相位调制又可分为绝对相移调制和相对相移调制。
绝对相移调制是利用正弦载波的不同相位直接表示数字。当传输的基带信号为“1”时，绝对相移调制信号和载波信号的相位差为0。当传输的基带信号为“0”时，绝对相移调制信号和载波信号的相位差为π。
相对相移调制是利用前后码元信号相位的相对变化来传送数字信息。当传输的基带信号为“1”时，后一个码元信号和前一个码元信号的相位差为π。当传输的基带信号为“0”时，后一个码元信号和前一个码元信号的相位差0。
幅度键控、频移键控、相移键控三种调制技术的特性和说明如表6-2所示。
表6-2 调制技术及其特性
4）多相位调制技术
在高速调制技术中主要通过采取多个相位值使每个码元能够表示的二进制位数增多，从而提高数据传输速率。例如，可以使用（0°、90°、180°、270°）4个相位，也可以取（45°、135°、225°、315°）4个相位来表示00、01、10、11。前一种方案刚好90°的倍数，因此称为正交相移键控（Quadrature Phase Shift Keying，QPSK），后者则为普通的四相键控（Quadrature Phase Shift Keying，DPSK）。另外ASK、FSK、PSK三种基本调制技术经常结合使用，最常见的组合是PSK与ASK。
2．传输介质
数据通信系统中可以使用各种传输介质来组成物理信道，由于传输介质特性的不同，应用场合也不同。
双绞线和光纤介质是目前在网络中使用最广的物理传输介质，作为通信专业互联网方向学员应该熟知其基本的特征，除此以外还有同轴电缆和无线信道。
（1）双绞线
双绞线由互相绝缘的一对铜导线扭绞在一起组成，均匀的扭绞可以减少线对之间的电磁干扰，双绞线适用于短距离传输。
双绞线分为屏蔽双绞线（Shielded Twisted Pair，STP）和非屏蔽双绞线（Unshielded Twisted Paired，UTP）。非屏蔽双绞线由不同颜色的4对双绞线组成。屏蔽双绞线的外层有铝箔包裹着，需要支持屏蔽功能的特殊连接器和适当的安装技术，但是传输速率比相应的非屏蔽双绞线高。
由于双绞线价格便宜，安装容易，适用于结构化综合布线，所以得到了广泛使用。通常在局域网中使用的非屏蔽双绞线的传输速率是10Mbit/s和100Mbit/s，随着网卡技术的发展，当短距离应用时，传输速率可以达到1000Mbit/s。
在当前结构化综合布线中，最常用的是5类或超五类（超5类也称为“5e”）双绞线。图6-15所示为超五类非屏蔽双绞线图。
Cat5类特性如下。
·适用于100Mbit/s的100Base-TX和100Base-T4。
·支持高达100MHz的数据通信。
·传输频率为100MHz。
·用于语音传输和最高传输速率为1000Mbit/s的数据传输。
·主要用于100base-T和10base-T网络。
对五类线信号耗损较大的因素是距离和近端串扰。在一些可靠性要求较高、对速率要求更高的网络会用到六类甚至七类双绞线，图6-16所示为六类STP示意图。
图6-15 Cat 5E UTP
图6-16 Cat 6 STP
六类线向下兼容三类、五类、超五类布线产品，同时满足混合使用的要求。该类双绞线提供2倍于超五类的带宽，改善了在串扰以及回波损耗方面的性能。6类线与5类和超5类标准存在如下不同之处。
·最高工作带宽200MHz。
·可承载1000Mbit/s速率的传输。
·按照250MHz下检测进行设计。
·可作为UTP和STP的解决方案。
·包括超5类的所有测试。
一般双绞线包括如下几种物理特性。
·衰减：沿链路的信号损失度量。衰减与线缆的长度相关，随着长度的增加，信号衰减也随之增加。衰减用分贝dB作为单位，表示源传送端信号到接收端信号强度的比率。
·近端串扰（Near End Cross Talk，NEXT）：当电流在一条导线中流通时，会产生一定的电磁场，干扰相邻导线上的信号。频率越高这种影响就越大。双绞线就是利用两条导线绞合在一起后，因为相位相差180度的原因而抵消相互间的干扰的。绞距越短，抵消效果越佳，也就越能支持较高的数据传输速率。
·直流电阻：直流环路电阻会消耗一部分的信号，并将其转变成热量。它是指一对导线电阻的和。
·特性阻抗：与环路直流电阻不同，特性阻抗包括电阻及频率为1～100MHz的电感阻抗，它与一对电线间的距离及绝缘体的电气性能有关。
·衰减串扰比（Attenuation-To-Crosstalk Ratio，ACR）：它由最差的衰减量与NEXT量值的差值计算出。ACR值较大时，表示抗干扰的能力更强。一般要求大于10dB。
不管是五类双绞线还是六类双绞线，其双绞线的最大传输距离为100m。如果要加大传输距离，在两段双绞线之间可安装中继器，最多可安装4个中继器。如安装4个中继器连接5个网段，则最大传输距离可达500m。
（2）光纤
光纤由能传送光波的纯石英玻璃制成。光纤由纤芯、包层和涂覆层构成，包层的折射率略低于纤芯，进入光纤的光波在纤芯与包层的界面上形成全反射，从而不断地向前传播。
光纤信道中的光源可以是发光二极管（Light-Emitting Diode，LED）和注入式激光二极管（Injection Laser Diode，ILD）。这两种器件在有电流通过时都能发出光脉冲，光脉冲通过光纤传播到达接收端。接收端有一个光检测器——光电二极管，它遇光时产生电信号，这样就形成了一个单向的光传输系统。
1）光纤的结构
光纤是由成同心圆的双层透明介质构成的一种纤维。使用最广泛的介质材料是石英玻璃，内层介质称为纤芯，其折射率高于外层介质（称为包层）。通过在石英玻璃中掺锗、磷、氟、硼等杂质的方法调节纤芯或包层的折射率。通信用光纤的传输波长主要为0.8～1.7μm的近红外光。光纤的芯径因类型而异，通常为数微米到100μm，外径大多数约为125μm。它的外面有塑料被覆层。从结构上来看，它是一个空心、与纤芯同轴的圆柱形介质，其作用是保证光全反射只发生在纤芯内，使光信号封闭在纤芯中传输，如图6-17所示。
光缆由单根或多根光纤组合并加以增强和保护制成，如图6-18所示。光缆的制造方法与电缆相似。
图6-17 光纤结构
图6-18 8芯光纤光缆图
光纤通信是以相干性和方面性极好的激光束来作为载体携带信息，并利用光纤来进行传输的通信方式。由于光纤的传光性能优异，传输带宽极大，现在已形成了以光纤通信为主，微波、卫星和电缆通信为辅的信息传输格局。
2）光纤的优点
光纤通信与电缆或微波等通信方式相比，主要区别有二，一是用很高的频率的光波作为载波；二是利用光纤作为传输介质。光纤通信是现代信息传输的重要方式之一。它具有容量大、中继距离长、保密性好、不受电磁干扰和节省铜材等优点。
·光波的频率高，可供利用的频带极宽，尤其适合高速宽带信息的传输，在高速通信干线、宽带综合业务通信网络中，发挥着越来越大的作用。
·光纤传输损耗小，例如1.55μm光纤的损耗通常只有0.2dB。因而可以大大增加通信无中继距离。
·光纤重量很轻，直径很小，即使做成光缆，在芯数相同的条件下，其重量还是比电缆轻得多，体积也小得多。
·光纤泄露小，保密性好。光纤传输是限制在光纤内，光能几乎不会向外辐射，因此不存在光缆中各光纤之间的信号串扰，很难被窃听，信号传输质量髙，保密性好。
·光纤抗电磁干扰性能好。光纤是由电绝缘的石英材料制成的，通信线路不受各种电磁场的干扰和闪电雷击的损害，适合用于特殊环境。
·节约金属材料，有利于资源合理使用。在地球上，制造光纤的石英的储量非常丰富。
3）光纤的缺点
同时光纤的弯曲半径不宜过小，否则可能会引起较大的衰减；光纤的连接操作技术要求高，需要专用设备；光纤的分路、耦合操作较困难、烦琐，对于这些缺点，现已在一定程度上得到克服，它们不影响光纤通信的使用。
4）光纤的分类
光波在光纤中以多种传播模式传播，不同的传播模式有不同的电磁场分布和不同的传播路径，这样的光纤叫多模光纤。光波在光纤中以什么模式传播，与纤芯和包层的相对折射率、纤芯的直径以及工作波长有关。如果纤芯的直径小到与光波波长处于同一数量级时，则光纤就成为光波导，光波在其中无反射地沿直线传播，这种光纤叫单模光纤。通常在远距离传输中使用单模光纤。
光纤分类可根据材料、波长、传输方式、纤芯的折射率分布、制造方法的不同，可将其分为多种。在这里只重点介绍按照传输方式、按照纤芯直径、按光纤横截面的折射率分布来分类。
按照传输方式可分为多模光纤和单模光纤。光纤中传播的模式是光纤中存在的电磁波场场型，或者说是光场场型。各种场型都是光波导中经过多次反射和干涉的接口。各种模式是不连续的，离散的。由于驻波才能在光纤中稳定的存在，它的存在反映在光纤横截面上就是各种形状的光场，即各种光斑。若是一个光斑，我们称这种光纤为单模光纤，若为两个以上光斑，我们称之为多模光纤。
多模光纤其中心玻璃芯较粗（50μm或62.5μm），可传多种模式的光。但其模间色散较大，这就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，一般只有几千米，其结构如图6-19所示。
图6-19 多模光纤
如果光纤的直径减小到只有一个光的波长大小，则光纤就像一根波导那样，它可使光线沿直线传播，而不会产生多次反射。单模光纤就是按这样的原理制成的，如图6-20所示。单模光纤的纤芯很细，直径只有几微米，制造成本较高。同时，单模光纤的光源使用定向型很好的激光二极管。因此，单模光纤的损耗较小，传输距离远。
图6-20 单模光纤
单模光纤的带宽一般都在几十吉赫以上，比多模光纤大得多，纤芯直径很小（约为8～10μm），包层直径依然为125μm。
按照纤芯直径来划分，可分为50/125（μm）缓变型多模光纤、62.5/125（μm）缓变增强型多模光纤、8.3/125（μm）缓变型单模光纤。注意：50/62.5/8.3（μm）均为光纤光芯直径，125μm均为光纤玻璃包层的直径数。
按照光纤芯的折射率分布来划分，可分为阶跃型光纤（StepIndexFiber，SIF）、梯度行光纤（Graded Index Fiber，GIF）、环形光纤、W形光纤
（3）同轴电缆
如图6-21所示，同轴电缆的芯线为铜质导线，外包一层绝缘材料，再外面是由细铜丝组成的网状导体，最外面加一层塑料外皮，芯线与网状导体同轴，故名同轴电缆。同轴电缆的这种结构使它具有高带宽和较好的抗电磁干扰性能。
图6-21 同轴电缆视图
在局域网中常用的同轴电缆有两种。一种是特性阻抗为50Ω的同轴电缆，用于数字传输。这种间轴电缆又分为粗缆和细缆，粗缆适用于大型局域网，它的传输距离长，可靠性高，安装时不需要切断电缆，用夹板装置夹在计算机需要连接的位置。但粗缆必须安装外收发器，安装难度大，总体造价高。细缆容易安装，造价低，但安装时需要切断电缆，装上BNC接头，再连接在T型连接器两端。
50Ω同轴电缆多用于基带传输，因此此种电缆也叫基带同轴电缆。由于在传输过程中基带信号容易发生畸变和衰减，因此传输距离不能很长。
另一种同轴电缆是特性阻抗为75Ω的CATV电缆，用于传输模拟信号，这种电缆也叫宽带同轴电缆。这里的宽带是泛指模拟传输的电缆网络。对于带宽为400MHz的同轴电缆，典型的数据速率为100～150Mbit/s。也可以采用频分多路技术（Frequency Division Multiplexing，FDM），把整个带宽划分为多个独立的信道，分别传输数据、语音和视频信号，实现多种通信业务。这种传输方式称为综合传输，适合于在办公自动化环境中应用。
对以上几种介质的特征进行汇总，表6-3列出了有线传输介质的主要特征。
表6-3 有线传输介质及其特性
（4）无线信道
由双绞线、同轴电缆和光纤等传输介质组成的信道可称为有线信道。无线信道是通过空间传播信号，包括微波、红外线和短波信道。
1）微波
微波通信系统可分为地面微波系统和卫星微波系统，两者的功能相似，但通信能力有很大差别。地面微波系统有在视距范围内的两个互相对准方向的抛物面天线，长距离通信则需要多个中继站组成微波中继链路。在计算机网络中使用地面微波系统可以扩展有线信道的连通范围，例如，在大楼顶上安装微波天线，使得两个大楼中的局域网互相连通，这可能比挖地沟埋电缆花费更少。
通信卫星可看做是悬在太空中的微波中继站。卫星上的转发器把波束对准地球上的一定区域，在此区域中的卫星地面站之间就可通信。地面站以一定的频段（称为上行频段）向卫星发送信息，卫星上的转发器将接收到的信号放大并变换到另一个频段（称为下行频段）上发回地面接收站。这样的卫星通信系统可以在一定的区域内组成广播式通信网络，特别适合于海上、空中、矿山、油田等经常移动的工作环境。卫星传输运营商可以将卫星信道划分成许多子信道出租给商业用户，用户安装甚小孔径终端系统组成卫星专用网，地面上的集中站作为收发中心与用户交换信息。
微波通信的频段为吉兆段的低端，一般是1~11GHz，因而它具有带宽高、容量大的特点。由于使用了高频率，因此可使用小型天线，便于安装和移动。不过微波信号容易受到电磁干扰，地面微波通信也会造成相互之间的干扰，大气层中的雨雪会大量吸收微波信号，当长距离传输时会使得信号衰减以致无法接收。另外，通信卫星为了保持与地球自转的同步，一般停在35800km的高空。这样长的距离会造成大约240～280ms的时延，在利用卫星信道组网时，长时延是必须考虑的因素。
2）红外线
红外线传输系统利用墙壁或屋顶反射红外线从而形成整个房间内的广播通信系统。这种系统使用红外线光发射器和接收器，如用于电视机的遥控装置。红外线通信的设备相对便宜，可获得高的带宽。其缺点是传输距离有限，且易受室内空气状态（如烟雾等）的影响。
红外线是太阳光线中众多不可见光线中的一种，由德国科学家霍胥尔于1800年发现，又称为红外热辐射，它将太阳光用三棱镜分解，在各种不同颜色的色带位置上放置了温度计，试图测量各种颜色的光的加热效应。结果发现，位于红光外侧的那支温度计升温最快。因此得到结论：太阳光谱中，红光外侧必定存在看不见的光线，这就是红外线。
红外线的波长范围为0.75～1000μm。红外线可分为三部分，即近红外线，波长为0.75～1.50μm；中红外线，波长为1.50～6.0μm；远红外线，波长为6.0～l000μm。
利用红外线来传输信号的通信方式叫红外线通信。由于红外线能像可见光一样集中成束发射出去，因此红外线通信有3个最突出的优点，如下。
·不易被人发现和截获，保密性强。
·几乎不会受到电气、天电、人为干扰，抗干扰性强。
·红外线通信机体积小，重量轻，结构简单，价格低廉。
但是它必须在直视距离内通信，且传播受天气的影响。在不能架设有线线路，而使用无线电又怕暴露自己的情况下，使用红外线通信是比较好的。
3）无线电
无线电是一种在空气和真空这样的自由空间进行传播的电磁波。无线电的频带是有限的。上限为在300GHz（吉赫兹），而下限频率在各类规范中不统一，常见的说法有三种分别为3kHz~300GHz（国际电信联盟规定）、9kHz~300GHz、10kHz~300GHz。
无线点技术实际上是利用无线电波传播信号的技术。无线电技术的原理在于，导体中电流强弱的改变会产生无线电波。利用这一现象，通过调制可将信息加载于无线电波之上。当电波通过空间传播到达收信端，电波引起的电磁场变化又会在导体中产生电流。通过解调将信息从电流变化中提取出来，就达到了信息传递的目的。
无线电波是一种电磁波，速度等于光速。人们通过频率或者波长来对无线电波进行分类，如下。
·长波：长波波长>1000m，频率处于30～300kHz之间。
·中波：中波波长100～1000m，频率处于300kHz～3MHz之间。
·短波：短波波长10～100m，频率处于3～30MHz。
·超短波：超短波波长1～10m，频率处于30～300MHz，又称米波。
·微波：微波波长1mm~1m，频率处于300MHz～300GHz之间。
无线电波容易产生，传播距离远，可以被电离层反射，因此被广泛用于通信。同时，无线电波可以进行全方位的发送，因此接收装置安装简单。无线电广泛用于电视、电话、广播，甚至是加热饭菜等，而在军事上可以用其来进行导航、雷达辨别物体等。
由于各波段的传播特性各异，因此，可以各波段的无线电波可以用于不同的通信系统。例如，中波主要沿地面传播，绕射能力强，适用于广播和海上通信。而短波具有较强的电离层反射能力，适用于环球通信。超短波和微波的绕射能力较差，可作为视距或超视距中继通信。
无线电波也有其弱点，低频的无线电波穿透障碍的能力强，但是随着传输距离的增加其能量迅速减弱。而高频的无线电波则容易受障碍物、天气影响大。而所有无线电波容易被干扰。用户之间的串扰也是一个大的问题。