第2章物理层

1、南阳理工学院计算机科学技术系 第第2章章 物理层物理层 南阳理工学院计算机科学技术系 本本 章章 学学 l掌握：物理层与物理层协议的基本概念。掌握：物理层与物理层协议的基本概念。 l掌握：数据通信的基本概念。掌握：数据通信的基本概念。 l了解：无线与卫星通信技术的基本概念。了解：无线与卫星通信技术的基本概念。 l掌握：数据编码的类型和基本方法。掌握：数据编码的类型和基本方法。 l了解：基带传输的基本概念。了解：基带传输的基本概念。 l掌握：频带传输的基本概念。掌握：频带传输的基本概念。 l掌握：多路复用的分类与特点。掌握：多路复用的分类与特点。 l掌握：广域网中的数据交换技术。掌握：广域网中的

2、数据交换技术。 南阳理工学院计算机科学技术系 l通信子网分为点通信子网分为点- -点通信线路通信子网与广播信道通信点通信线路通信子网与广播信道通信 子网子网; ; l广域网主要采用点到点通信线路，局域网与城域网一广域网主要采用点到点通信线路，局域网与城域网一 般采用广播信道般采用广播信道; ; l由于技术上存在较大的差异，因此在物理层和数据链由于技术上存在较大的差异，因此在物理层和数据链 路层协议上出现了两个分支，一类是基于点路层协议上出现了两个分支，一类是基于点- -点通信线点通信线 路，另一类是基于广播信道。路，另一类是基于广播信道。 南阳理工学院计算机科学技术系 l物理层设计时主要考虑的

3、是如何在连接开放系统的传物理层设计时主要考虑的是如何在连接开放系统的传 输介质上传输各种数据的比特流；输介质上传输各种数据的比特流； l计算机网络可以利用的物理传输介质与传输设备存在计算机网络可以利用的物理传输介质与传输设备存在 着很大的差异，设计物理层的主要目的是向数据链路着很大的差异，设计物理层的主要目的是向数据链路 层屏蔽通信技术的差异性；层屏蔽通信技术的差异性； l数据链路实体通过与物理层的接口，将数据传送给物数据链路实体通过与物理层的接口，将数据传送给物 理层，通过物理层按比特流的顺序，将信号传输到另理层，通过物理层按比特流的顺序，将信号传输到另 一个数据链路实体。一个数据链路实体。

4、 l物理层位于传输媒体（传输介质）之上，它的作用是物理层位于传输媒体（传输介质）之上，它的作用是 尽量屏蔽具体物理设备或传输媒体的差异，为上层尽量屏蔽具体物理设备或传输媒体的差异，为上层 （数据链路层）提供统一的服务。因此，物理层的主（数据链路层）提供统一的服务。因此，物理层的主 要任务是确定与传输媒体的接口的一些特性，即，要任务是确定与传输媒体的接口的一些特性，即，机 械特性、电气特性、功能特性、规程特性 南阳理工学院计算机科学技术系 机械特性 规定了物理连接时 对插头和插座的几 何尺寸、插针或插 孔芯数及排列方式、 锁定装置形式等。 各类已被ISO标准化了的 DCE连接器的几何尺寸及 插孔

5、芯数和排列方式。 南阳理工学院计算机科学技术系 电气特性 规定了在物理连接上导线的电气连接及有关 的电路的特性，一般包括：接收器和发送器 电路特性的说明、表示信号状态的电压/电流 电平的识别、最大传输速率的说明、以及与 互连电缆相关的规则等。 南阳理工学院计算机科学技术系 功能特性 规定了接口信号的来源、作用以及其它信号 之间的关系。指明某条线上出现的某一电平 的电压表示何种意义 过程特性 规定了使用交换电路进行数据交换的控制步 骤，这些控制步骤的应用使得比特流传输得 以完成。指明对于不同功能的各种可能事件 的出现顺序。 南阳理工学院计算机科学技术系 2. 1. 3 物物 理理 层层 向向 数

6、数 l物理连接的建立、维护与释放物理连接的建立、维护与释放 ； l物理连接分为点物理连接分为点-点连接与多点连接点连接与多点连接 ； l数据传输分为全双工、半双工与单工方式数据传输分为全双工、半双工与单工方式 ； l数据传输分为串行传输方式与并行传输方式数据传输分为串行传输方式与并行传输方式 ； l串行传输方式的物理数据服务单元是位；串行传输方式的物理数据服务单元是位； l并行传输方式的物理数据服务单元是并行传输方式的物理数据服务单元是N位，位，N为并行连为并行连 接的物理通道数。接的物理通道数。 南阳理工学院计算机科学技术系 l信息信息(Information) 是人们对现实世界的事物的存是

7、人们对现实世界的事物的存 在方式及其运动状态的认识。在方式及其运动状态的认识。 l数据数据(data)运送消息的实体。运送消息的实体。是把事件的某些属是把事件的某些属 性规范化后的表现形式性规范化后的表现形式; ;最原始，计算机能表示的。最原始，计算机能表示的。 各种需要传输和处理的信息（文字，图像、声音、各种需要传输和处理的信息（文字，图像、声音、 动作等）。动作等）。 l信号信号(signal)数据的电气的或电磁的表现。数据的电气的或电磁的表现。 南阳理工学院计算机科学技术系 雪 六角形 凉 白色 信息信息 数据数据 信号信号 信息：信息：人对雪花和马的认识人对雪花和马的认识 数据：数据：

8、文字，二进制数，十进制数文字，二进制数，十进制数 信号：信号：电压，光，磁场强度电压，光，磁场强度 南阳理工学院计算机科学技术系 2. 模模 拟拟 信信 号号 模拟信号（模拟信号（analog signal）的信号电平是连续变化的；）的信号电平是连续变化的； 时间上连续，时间上连续， 包含无穷多个值包含无穷多个值 数字信号（数字信号（digital signal）是用两种不同的电平去表示）是用两种不同的电平去表示0、1比特序列比特序列 的电压脉冲信号表示的电压脉冲信号表示,时间上离散，仅包含有限数目的预定值时间上离散，仅包含有限数目的预定值 南阳理工学院计算机科学技术系 模拟信号：优点是它能对

9、细节进行表示，但是噪声、或 来自其他源的干扰，会严重地影响模拟信号，比数字信号 更易于出错，因此模拟信号对于数据发送并不是最佳选择。 随着信号的传播，随着信号的传播，信号能量信号能量会逐渐减少，这就是信号会逐渐减少，这就是信号 的的衰减衰减。模拟信号和数字信号存在着衰减。为了。模拟信号和数字信号存在着衰减。为了补偿衰减补偿衰减， 要经常对数字信号和模拟信号进行要经常对数字信号和模拟信号进行转发，转发，也即使将信号也即使将信号重重 新放大新放大，以使它们传播得更远。，以使它们传播得更远。 南阳理工学院计算机科学技术系 模拟信号的转发：在模拟信号转发过程中会出现这样的问题 当它被转发时信号幅度将增

10、强，同时伴随的被累积的噪 声幅度也将增强，这种杂乱无章的增强将使得模拟信号变形 更加严重。下图显示了因噪声而变形并在随后又被放大的模 拟信号的波形。 因噪声变形继而被放大的模拟信号因噪声变形继而被放大的模拟信号 南阳理工学院计算机科学技术系 数字信号：由脉冲值为1 或0 的精确电压组成，如同在任何 二进制系统中用1 和0 组合来对信息进行编码一样，在数 字信号中每个脉冲被称为一个二进制数或位。一个位只 能有两种可能值：1 或0 。 相对于模拟信号，数字信号传输数据时更可靠些。 数字数字信号的转发：相对于模拟信号，数字信号被转发时，实际 上是将原始信号以不变形的、并且无噪声的放大形式重新发送，

11、该过程也被称之为波形再生。再生一个数字信号的设备被称之 为中继器。 网络仅仅收发由精确脉冲所表示的1 和0 两种模式，因为 数字传输要比依靠可变电压的模拟传输可靠得多，并且数字发 送几乎不受噪声影响。所以大部分网络仅限于使用数字传输。 因噪声而变形的数字信号进而被转发因噪声而变形的数字信号进而被转发 南阳理工学院计算机科学技术系 为了衡量数据传输的有效性和可靠性，数据通信系 统有以下性能指标：数据传输速率、带宽、波 特率、误码率等。 数据通信系统的性能指标主要有以下几项 ： l波特率 码元的传输速率 l比特率 信息的传输速率 l信道容量 信道能达到的最大传输能力。 l误码率 数据通信系统的传输

12、可靠性的指标 南阳理工学院计算机科学技术系 1 码元：承载信息量的基本信号单位。一码元就是一个单位码元：承载信息量的基本信号单位。一码元就是一个单位 电脉冲。电脉冲。 一码元所承载的信息量，由脉冲信号所能表示的数据有效离一码元所承载的信息量，由脉冲信号所能表示的数据有效离 散值的个数决定的。散值的个数决定的。 例：一个码元（脉冲）仅可取例：一个码元（脉冲）仅可取0 0和和1 1两个有效值时，则该两个有效值时，则该 码元只能携带一位（码元只能携带一位（bitbit）二进制信息，）二进制信息，-1 -1 位信息量位信息量 一个码元（脉冲）可取一个码元（脉冲）可取0000、0101、1010、111

13、1四个有效值时，四个有效值时， 则该码元能携带二位（则该码元能携带二位（bitbit）二进制信息。）二进制信息。-2-2位信息位信息 量量 一个码元（脉冲）可取一个码元（脉冲）可取000000、001001、010.010.、011011、100100、 101101、110110、111111八个有效值时，则该码元能携带三位（八个有效值时，则该码元能携带三位（bitbit） 二进制信息。二进制信息。-3-3位信息量位信息量 南阳理工学院计算机科学技术系 结论：结论： 一个码元（脉冲）可取一个码元（脉冲）可取M个有效值时，则该码元个有效值时，则该码元 能携带能携带 log M（ （bit）二进

14、制信息）二进制信息 南阳理工学院计算机科学技术系 码码 元元 和和 比比 码元码元 . 比特位比特位 信道 南阳理工学院计算机科学技术系 l码元传输速率码元传输速率 码元传输速率，又称为码元速率或传码率。其定义为码元传输速率，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，单位为每秒钟传送码元的数目，单位为“波特波特”, ,常用符号常用符号 “BaudBaud”表示，简写为表示，简写为“B B”。 l数据传输速率（比特数据传输速率（比特(bit)(bit)率）率） 每秒能传输构成代码的位每秒能传输构成代码的位(bit)(bit)数。数。 单位为比特单位为比特/ /秒秒 （bit/sbi

15、t/s）、位）、位/ /秒。简记为秒。简记为b/sb/s或或bpsbps； l调制速率：调制速率： 线路上单位时间内传送的波形（码元）个数。波形变线路上单位时间内传送的波形（码元）个数。波形变 换的次数。单位是波特（换的次数。单位是波特（baudbaud）. .又称波特率或码元速率又称波特率或码元速率 l 数据速率数据速率= =码元速率码元速率loglog M M为一个码元所取的离散值个数或信号的编级数为一个码元所取的离散值个数或信号的编级数 南阳理工学院计算机科学技术系 信信 道道 l信道容量表征一个信道传输数据的能力,单位也用位/秒 (bps)。信道容量与数据传输速率的区别在于,前者表示信

16、 道的最大数据传输速率,是信道传输数据能力的极限,而后 者则表示实际的数据传输速率。 南阳理工学院计算机科学技术系 l练习练习 ： 假设某信道的最大码元传输速率为假设某信道的最大码元传输速率为2400baud，采用四电，采用四电 平的编码方式，该信道的最高数据传输速率是多少？平的编码方式，该信道的最高数据传输速率是多少？ 南阳理工学院计算机科学技术系 2 信信 l信道带宽：指的是网络信号可使用的最高频率与最低频 率之差、或者说是“频带的宽度 ，单位是赫（或千赫、 兆赫、吉赫等）。 南阳理工学院计算机科学技术系 传传 输输 媒媒 l任何传输媒体都只能传输某些频率范围内的信号，即具 有一个有限的带

17、宽。 l如果媒体带宽小于信号的有效带宽，接收将会失真。 南阳理工学院计算机科学技术系 l现在“带宽”是数字信道所能传送的“最高数据率” 的同义语，单位是“比特每秒”，或 b/s (bit/s)。 l更常用的带宽单位是 l千比每秒，即 kb/s （103 b/s） l兆比每秒，即 Mb/s（106 b/s） l吉比每秒，即 Gb/s（109 b/s） l太比每秒，即 Tb/s（1012 b/s） 南阳理工学院计算机科学技术系 练 有有600MB600MB（兆字节）的数据，要甲地传送到乙地。设信息（兆字节）的数据，要甲地传送到乙地。设信息 传送的速率是传送的速率是56Kb/s56Kb/s，则从甲到

18、乙要多长时间？如果信息，则从甲到乙要多长时间？如果信息 传送的速率是传送的速率是10Mb/s10Mb/s呢？呢？ 南阳理工学院计算机科学技术系 练练 1、设数据信号码元长度为83310-6秒，如采用16电平传输， 试求数据传信速率和调制速率？ 解：RB=1/T=1/（83310-6 ）=1200Bd R=1200log216=4800bps 2、一个二进制数字信号码元时间长度为0.1s，在传输过程 中平均2.5秒产生一个错码，求其平均误码率。 解：2.5秒传输码元数为：2.5/0.1*10-6=2.5106 所以，平均误码率为：1/(2.5106 ) =410-7 南阳理工学院计算机科学技术系

19、 l发送时延（传输时延 ） 发送数据时，数据块从结点 进入到传输媒体所需要的时间。 l信道带宽 数据在信道上的发送速率。常称为数据在 信道上的传输速率。 发送时延 = 数据块长度（比特） 信道带宽（比特/秒） 南阳理工学院计算机科学技术系 l传播时延 电磁波在信道中需要传播一定的距离而花费 的时间。 l数据传输速率（即发送速率）和信号在信道上的传播速率 是完全不同的概念。 传播时延 = 信道长度（米） 信号在信道上的传播速率（米/秒） 南阳理工学院计算机科学技术系 l处理时延 交换结点为存储转发而进行一些必要的 处理所花费的时间。 l结点缓存队列中分组排队所经历的时延是处理时延中 的重要组成部

20、分。 l处理时延的长短往往取决于网络中当时的通信量。 l有时可用排队时延作为处理时延。 南阳理工学院计算机科学技术系 l数据经历的总时延就是发送时延、传播时延和处 理时延之和： 总时延 = 发送时延 + 传播时延 + 处理时延 南阳理工学院计算机科学技术系 1 0 1 1 0 0 1 发送器 队列 在链路上产生 传播时延 结点 B 结点 A 在发送器产生发送时延 (即传输时延) 在队列中产生 处理时延 数据 从结点 A 向结点 B 发送数据 链路 南阳理工学院计算机科学技术系 习习 收发两端之间的传输距离为1000km，信号在媒体上 的传播速率为2108m/s 。试计算以下两种情况的发送时 延

21、和传播时延： （1）数据长度为107bit，数据发送速率为100kb/s。 （2）数据长度为103bit，数据发送速率为1Gb/s。 南阳理工学院计算机科学技术系 答答 （1）发送时延： ts=107105=100s 传播时延： tp=106(2*108)=0.005s （2）发送时延： ts=103109=0.000001s 传播时延： tp=106(2*108)=0.005s 结论：结论： 若数据长度大而发送速率低，则在总的时延中，发若数据长度大而发送速率低，则在总的时延中，发 送时延往往大于传播时延；送时延往往大于传播时延； 但若数据长度短而发送速率高，则传播时延就可能但若数据长度短而发

22、送速率高，则传播时延就可能 是总时延中的主要成分。是总时延中的主要成分。 南阳理工学院计算机科学技术系 l链路的时延带宽积又称为以比特为单位的链路长度。 表示发送端连续发送数据，则发送的第一个比特即将 到达终点时，发送端就已经发送了“时延带宽积 ”个 比特 （传播）时延 链路 带宽 时延带宽积 = 传播时延 带宽 时延带宽积 南阳理工学院计算机科学技术系 习习 假设信号在媒体上的传播速率为2.3108m/s。媒 体长度l分别为： (1)10cm（网卡） (2)100m（局域网） (3)100km（城域网） (4)5000km（广域网） 试计算当带宽为1Mb/s和10Gb/s时在以上媒体中正 在

23、传输的比特数。 南阳理工学院计算机科学技术系 南阳理工学院计算机科学技术系 l利用率有信道利用率和网络利用率两种。 l信道利用率指出某信道有百分之几的时间是被利用的 （有数据通过）。完全空闲的信道的利用率是零。 l信道利用率并非越高越好。 时延 D 利用率 U 1 0 D0 时延 急剧 增大 结论：信道或网络利用率过高会产生非常大的时延。 图：时延与利用率的关系图：时延与利用率的关系 南阳理工学院计算机科学技术系 网络中两台计算机的通信过程网络中两台计算机的通信过程 南阳理工学院计算机科学技术系 l数据传输类型数据传输类型 模拟通信模拟通信 数字通信数字通信 l数据通信方式数据通信方式 串行通

24、信、并行通信串行通信、并行通信 单工通信、半双工或全双工通信单工通信、半双工或全双工通信 l同步方式同步方式 同步通信同步通信 异步通信异步通信 南阳理工学院计算机科学技术系 发送端接收端 串行通信信道 (a) 发送端 b0 b1 b2 b3 b4 b5 b6 b7 b7b6b5b4b3b2b1b0 接收端 b0 b1 b2 b3 b4 b5 b6 b7 并 行 通 信 信 道 (b) 数据一位位地按顺序传送， 一次只能传送一位。实现 容易，但传输速度慢，通 常用于远程通信。串行传 输又分为：同步传输和异 步传输。 几位数据同时几位数据同时从一个设备从一个设备 发往另一设备，传输速度发往另一设

25、备，传输速度 快。计算机快。计算机内部内部常用（并常用（并 行数据传输线称为行数据传输线称为“总总 线线”）。亦用于）。亦用于短距传输。短距传输。 南阳理工学院计算机科学技术系 发送接收单向通道 双向通道 双向通道 (a) (b) (c) 发送 接收 发送 接收 接收 发送 接收 发送 南阳理工学院计算机科学技术系 SYNSYN. 一个或多个 SYN字符 控制字符数据字符控制字符 终止位 (逻辑 “0”) 起始位 (逻辑 “1”) t b0b1b2b3b4b5b6 字节5字节4字节3 字节2字节1 南阳理工学院计算机科学技术系 1. 异异 异步传输方式又称为起止式同步方式，它是以字符 为单位进

26、行同步的，以字符为传输单位的。 所谓异步传输是指字符与字符（一个字符结束 到下一个字符开始）之间的时间间隔是可变的，并 不需要严格地限制它们的时间关系。 南阳理工学院计算机科学技术系 异异 步步 传传 l优点： l每一个字符本身就包括了本字符的同步信息，不需要 在线路两端设置专门的同步设备。 l实现简单，控制容易，如果出现错误，只需重发一个 字符即可。 l因此，异步传输适用于面向字符的、低速的异步通信 场合。例如，计算机与Modem之间的通信就是采用这 种方式。 l缺点 l通信开销大，每传输一个字符都要额外附加23位， 通信效率比较低。 南阳理工学院计算机科学技术系 2. 同同 l同步传输方式

27、是以固定的时钟节拍来连续串行发送数字 信号的一种方法。其数据格式如下图所示： l同步传输方式中，要求收发两端的时钟都必须在每个比特 上保持一致。 l在同步传输中，数据的发送一般以帧为单位。 l传送时在每个帧的帧首加两个或两个以上同步字符sync， 帧内每个字符前后不附加起止位。 l同步字符sync是一个独特的比特组合，用于通知接收方一 个帧已经到达。 lsync除了具有起始位的功能外，还能确保接收方的采样速 度和比特的到达速度保持一致，收、发方一般采用同一同 步时钟。 南阳理工学院计算机科学技术系 同同 步步 传传 l同步传输方式的传输效率高，开销小，但收发双方需 建立同步时钟，实现和控制比较

28、复杂；在传输的数据 中有一位出错，就必须重新传输整个数据块。 l同步传输方式适合于高速场合。 l同步传输有面向字符和面向位两种方式。 南阳理工学院计算机科学技术系 练练 1、异步传输中，假定停止位为2位，1位偶校 验，数据位为8位，传输效率为多少？ 解：=8/（1+1+2+8）=66.6% 2、异步传输中，假定停止位为1位，无偶校 验，数据位为8位，传输效率为多少？ 南阳理工学院计算机科学技术系 l双绞线双绞线 l屏蔽双绞线屏蔽双绞线 STP (Shielded Twisted Pair)STP (Shielded Twisted Pair) l无屏蔽双绞线无屏蔽双绞线 UTP (Unshie

29、lded Twisted Pair)UTP (Unshielded Twisted Pair) l同轴电缆同轴电缆 l5050 同轴电缆同轴电缆 l7575 同轴电缆同轴电缆 l光纤电缆光纤电缆 l无线与卫星通信信道无线与卫星通信信道 南阳理工学院计算机科学技术系 l把两根互相绝缘的铜导线并排放在一起,然后用规则的方 法绞合起来就构成了双绞线。 l各个线对绞和的目的是为了使各线对之间的电磁干扰最小。 l双绞线比较适合于短距离的信号传输，既可以传输模拟信 号，也可以传输数字信号。 南阳理工学院计算机科学技术系 平平 行行 导导 线线 l如果两条导线互相平行，离噪声源（如电动机）近的导线中产生的噪

30、声电平 就会比另一条导线中的更高，从而导致负载不平衡以及信号损益。 南阳理工学院计算机科学技术系 双双 绞绞 线线 l导线绞合并不保证一定能消除噪声，但是能显著减弱它的影响。 l所以“双绞”的作用是减少相邻导线的电磁干扰。 南阳理工学院计算机科学技术系 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 非屏蔽双绞线 UTP屏蔽双绞线 STP n局域网中所使用的双绞线有:屏蔽双绞线 和非屏蔽双绞线。 南阳理工学院计算机科学技术系 l常用的双绞线，根据其电气性能，可以分为六类。 l最常用的双绞线有3类和5类，均由4对双绞线组成，3 类双绞线传输速率可达10bps，5类双绞线传输速率

31、 可达100bps。它们之间的区别在于单位长度的绞合 次数不同：3类的绞合长度为7.5cm10cm，5类为 0.6cm0.85cm。 l5类双绞线的最大传输距离是100m。 南阳理工学院计算机科学技术系 常用的双绞线的类别 . 南阳理工学院计算机科学技术系 RJ-45RJ-45水晶头结构水晶头结构 常见的双绞线以太网端口使用的是RJ-45端口。 南阳理工学院计算机科学技术系 l最常用的双绞线有3类和5类，均由4对双绞线组成。 EIA(Electronic Industries Association, 电子工业协会) TIA(Telecommunications Industry Associ

32、ation, 电信工业协会)的布 线标准中规定了两种双绞线的线序：568A与568B。 注意：注意：如果不按标准连接，虽然线路也能接通，但是线路内部各线如果不按标准连接，虽然线路也能接通，但是线路内部各线 对之间的干扰不能有效消除，从而导致信号传送出错率升高，最终对之间的干扰不能有效消除，从而导致信号传送出错率升高，最终 影响网络整体性能。影响网络整体性能。 南阳理工学院计算机科学技术系 l直通线(straight-through cable) 一根网线，两端的线序相同叫直通线，即两端线序均为 568A或均为568B标准。 l交叉线：(crossover cable) 一根网线，一端为568B

33、线序，另一端为568A线序，即1-3， 2-6对调。 南阳理工学院计算机科学技术系 南阳理工学院计算机科学技术系 直通线和交叉线直通线和交叉线 的应用的应用 Hub：集线器 Switch：交换机 Router：路由器 n在实践中，一般可以这么理解： 1. 同种类型设备之间使用交叉线连接，不同类型设备之 间使用直通线连接； 2. 路由器和PC属于DTE类型设备，交换机和Hub属于DCE 类型设备； 南阳理工学院计算机科学技术系 l光纤（光导纤维）是一种直径为8m100m的柔软、能 传导光波的介质，多种玻璃和塑料可以用来制造光纤， 其中使用超高纯度石英玻璃纤维制作的光纤可以得到最 低的传输损耗。

34、l在折射率较高的单根光纤外面,用折射率较低的包层包裹 起来，就可以构成一条光纤通道；多条光纤组成一束， 就构成一条光缆。 四四 芯芯 光光 缆缆 南阳理工学院计算机科学技术系 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 南阳理工学院计算机科学技术系 光光 纤纤 的的 高折射率 (纤芯) 低折射率 (包层) 光线在纤芯中传输的方式是不断地全反射 南阳理工学院计算机科学技术系 l按光纤传输模式的不同，可以分为： l（1）单模光纤（直径8m10m） l（2）多模光纤（通常为50m或62.5m） l只要从纤芯中射到纤芯表面的光线的入射角大

35、于临界 角，就可产生全反射。因此，可以存在许多条不同角 度入射的光线在一条光纤中传输。这种光纤就称为多 模光纤。 l若光纤的直径减小到只有一个光的波长，它可使光线 一直向前传播，而不会产生多次反射。这样的光纤就 称为单模光纤。 南阳理工学院计算机科学技术系 输入脉冲 输出脉冲单模光纤 多多 模模 光光 纤纤 输入脉冲 输出脉冲 多模光纤 南阳理工学院计算机科学技术系 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： l （1）传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别 经济。 l （2）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。 l （3）无串音干扰，保密性好

36、，不易被窃听或截取数 据。 l （4）体积小，重量轻。 l （5）光纤对接需专用设备，光电接口也较贵。 南阳理工学院计算机科学技术系 一般来说，多芯光纤并 不直接连接到计算机的 网卡上，而是连接到一 种叫做光端器的设备上。 这时就需要使用一种俗 称“光纤跳线”的专用 连接线，连接光端器和 计算机上的网卡。 光纤跳线也是光纤，一 根光纤跳线中只含有一 根光纤，只能进行单向 的数据传输。一般连接 一台计算机需要两根光 纤软跳线，一根发送数 据，一根接收数据。 光电转换 LED 发送端 输入光电转换 PIN 接收端 输出 光纤 光信号 南阳理工学院计算机科学技术系 有两种类型，皆为施加 电压便可发射

37、光束的半 导体装置。 lLED (发光二极管) 价廉，工作温度范围较 大，工作寿命较长，但 只能发射发散的光线， 只在短距离内使用。 lILD (注入式激光二极管) 根据激光原理工作，光 线具有高度集中性，高 效高数据速率长距离 南阳理工学院计算机科学技术系 l电磁波的传播有两种方式：电磁波的传播有两种方式： 以无线方式一种是在自由空间中传播；以无线方式一种是在自由空间中传播； 以有线方式在同轴电缆、双绞线、光纤中传输。以有线方式在同轴电缆、双绞线、光纤中传输。 l目前目前以无线方式进行以无线方式进行通信的主要有：通信的主要有： 无线（无线（radio）；）； 微波（微波（microwave）

38、；）； 红外（红外（infrared）；）； 可见光（可见光（visible light）。）。 南阳理工学院计算机科学技术系 l卫星通信系统由卫星和地 球站两部分组成。 l卫星在空中起中继站的作 用，即把地球站发上来的 电磁波放大后再返送回另 一地球站。 l地球站则是卫星系统与地 面公众网的接口，地面用 户通过地球站出入卫星系 统形成链路。 南阳理工学院计算机科学技术系 卫卫 星星 通通 信信 的的 l优点： l通信范围大； l不易受陆地灾害影响； l建设速度快，通信容量大，通信距离远； l易于实现广播和多址通信； l电路和话务量可灵活调整，且通信费用与通信距离无关； l同一信道可用于不同方

39、向和不同区域。 l缺点： l信号到达有延迟； l10 GHz以上频带受天气的影响； l天线受太阳噪声的影响； l安全保密性较差，造价高。 南阳理工学院计算机科学技术系 数据编码方法 模拟数据编码 数字数据编码 振幅键控ASK 移频键控FSK 移相键控PSK 非归零码NRZ 曼彻斯特编码 差分曼彻斯特编码 南阳理工学院计算机科学技术系 模拟数据和数字数据都可以用模拟信号或数字信号来表示， 因而也可以用其中任意一种形式传输。 南阳理工学院计算机科学技术系 l在计算机通信网中，为了利用廉价的公共电话交换网（在计算机通信网中，为了利用廉价的公共电话交换网（模拟信道模拟信道）进行远程通信，必）进行远程通

40、信，必 须使用须使用调制解调器调制解调器进行信号变换。进行信号变换。 l调制器调制器：把要发送的：把要发送的基带信号基带信号转换为频率范围在转换为频率范围在 3003400 Hz 3003400 Hz 之间的之间的模拟信号模拟信号（载波信号，载波信号，载波通常是正弦波或余弦波）载波通常是正弦波或余弦波），以，以 便在电话用户线上传送。便在电话用户线上传送。 l解调器解调器：把电话用户线上传送来的：把电话用户线上传送来的模拟信号模拟信号转换为转换为数字信号数字信号。 南阳理工学院计算机科学技术系 l传统的电话通信信道是为传输语音信号设计的，只适传统的电话通信信道是为传输语音信号设计的，只适 用于

41、传输音频范围（用于传输音频范围（300Hz3400Hz）的模拟信号，无）的模拟信号，无 法直接传输计算机的数字信号；法直接传输计算机的数字信号； l为了利用模拟语音通信的电话交换网实现计算机的数为了利用模拟语音通信的电话交换网实现计算机的数 字数据信号的传输，必须首先将数字信号转换成模拟字数据信号的传输，必须首先将数字信号转换成模拟 信号；信号； l将发送端数字数据信号变换成模拟数据信号的过程称将发送端数字数据信号变换成模拟数据信号的过程称 为调制，将调制设备称为调制器（为调制，将调制设备称为调制器（modulator）；）； l将接收端模拟数据信号还原成数字数据信号的过程称将接收端模拟数据信

42、号还原成数字数据信号的过程称 为解调，将解调设备称为解调器（为解调，将解调设备称为解调器（demodulator）；）； l同时具备调制与解调功能的设备称为调制解调器同时具备调制与解调功能的设备称为调制解调器 （modem）。 南阳理工学院计算机科学技术系 l数字数据在模拟模拟信道上发送时必须先把数字数据模数字数据在模拟模拟信道上发送时必须先把数字数据模 拟化，模拟是借助于载波实现的。载波信号可以表示为拟化，模拟是借助于载波实现的。载波信号可以表示为 余弦波形式：余弦波形式： lS(t)=Acos(2ft+ ) ， l3个可以改变的电参量：个可以改变的电参量： 振振 幅幅 A 幅移键控法；幅移

43、键控法； 角频率 角频率 f 频移键控法；频移键控法； 相相 位位 相移键控法相移键控法 l可以通过变化可以通过变化3个电参量，来实现模拟数据信号编码的个电参量，来实现模拟数据信号编码的 目的。目的。 南阳理工学院计算机科学技术系 l幅移键控幅移键控(ASK) 又称幅度调制，就是用被传输的数字数据又称幅度调制，就是用被传输的数字数据 去调制载波信号的振幅。去调制载波信号的振幅。 l若载波信号为若载波信号为 Acos(2ft+)，则振幅调制信号可以表示为：，则振幅调制信号可以表示为： 00 1)ft2cos(A ) t ( S 当当数数字字信信号号为为 当当数数字字信信号号为为 幅移键控幅移键控

44、 数字数据为数字数据为1 1 数字数据为数字数据为0 0 数字数据数字数据 0 1 0 0 1 0 1 1 南阳理工学院计算机科学技术系 l频率键控(FSK) 又称频率调制，就是用被传输的数字数据 去调制载波信号的频率。 l若载波信号为 Acos(2ft+) ，则频率调制信号可以表示为： 0)tf2cos(A 1)tf2cos(A )t (S 2 1 当当数数字字信信号号为为 当当数数字字信信号号为为 0 1 0 0 1 0 1 1 南阳理工学院计算机科学技术系 l相移键控(PSK) 又称相位调制，就是用被传输的数字数 据去调制载波信号的相位。 l若载波信号为 Acos(2ft+) ，则相位调

45、制信号可以表示 为： 0)ft2cos(A 1)ft2cos(A )t(S 当当数数字字信信号号为为 当当数数字字信信号号为为 0 1 0 0 1 0 1 1 南阳理工学院计算机科学技术系 南阳理工学院计算机科学技术系 l一种常用于ADSL（非对称数字用户线路）和无线通信的模 拟信号传输技术。 l调幅(ASK)和调相(PSK)技术的综合(同时改变正弦波三个特 性中的振幅和相位)。理论上可以有无数的状态组合。 南阳理工学院计算机科学技术系 6 4 南阳理工学院计算机科学技术系 2. 6. 2 数数 字字 l计算机发出的数字信号是用不同的电平表示的计算机发出的数字信号是用不同的电平表示的0 0、1

46、 1比比 特序列的，形成矩形脉冲信号，这种没有经过调制的特序列的，形成矩形脉冲信号，这种没有经过调制的 原始数字信号称为原始数字信号称为“基带信号基带信号”，基带传输时，基带传输时, ,需要解需要解 决数字数据的数字信号表示以及收发两端之间的信号决数字数据的数字信号表示以及收发两端之间的信号 同步问题。最常用的数字信号编码技术有以下几种：同步问题。最常用的数字信号编码技术有以下几种： l在基带传输数字数据信号的编码方式主要有：在基带传输数字数据信号的编码方式主要有： 非归零码非归零码NRZ； 曼彻斯特（曼彻斯特（manchester）编码；）编码； 差分曼彻斯特差分曼彻斯特（differenc

47、e manchester）编码。编码。 mB/nB编码 南阳理工学院计算机科学技术系 1 不不 归归 零零 编编 码码 N o n r e t l非归零（Non-Return to Zero，NRZ）码是用信号的幅值来表示 二进制数据，负电平用于示一个二进制值，正电平用于表示另 一个二进制值 l由比特值决定信号的电平。NRZ码是最容易实现的，实际上是直 接将计算机发出的信号加到通信线路上，未作任何处理，代价 也最低。但NRZ码的缺点是接收方无法判断一位的开始和结束， 即不具备同步特性 南阳理工学院计算机科学技术系 同同 步：步： 问问 请看下图到底有几个”1”（用高电平表 示）? 当一台设备发

48、送一个比特的数字信号时，它将在一定的周期内（假 定为T）产生一个持续的信号。一个内置的时钟负责定时。接收设 备必须知道信号的周期，这样它才能在每个T 时间单元内对信号进 行采样。它也有一个负责定时的内置时钟。剩下的就是确保收发两 端的两个时钟使用同样的T 。任何物理设备都存在着设计上的局限 性和缺陷。几乎可以肯定任何两个时钟都存在着微小的差别，这使 得设备无法对传输信号作十分精确的采样。 南阳理工学院计算机科学技术系 2 曼曼 彻彻 斯斯 特特 编编 码码 M a n c h 每个比特间隔的中间 位置处都存在一个跳 变。这种中间处的跳 变既含有时钟信息， 也含有数据信息：从 低到高的跳变代表1

49、， 从高到低的跳变代表0 (注意有些系统也可能 相反)。 南阳理工学院计算机科学技术系 曼曼 彻彻 斯斯 特特 编编 码码 l优点： l接收方容易利用每个数据位中间位置的跳变生成同步 时钟信号，勿需单独传送时钟，又称自带时钟码； l利用跳变的相位容易判断“0”和“1”； l因为每个数据位中间都有跳变，因此无直流分量。 l缺点： l曼彻斯特编码的传输效率减少了一半。 l10 Mb/s以太网（Ethernet）采用的就是曼彻斯特编码。 南阳理工学院计算机科学技术系 比特间隔中间 位置处的跳变 仅含有时钟信 息。在比特间 隔开始处如果 出现跳变表示 0，如果没有 跳变表示1。 南阳理工学院计算机科学

50、技术系 01001011数据数据 (a)非归零码 同步时钟 (b)曼彻斯特编码 (c)差分曼彻斯特编码 南阳理工学院计算机科学技术系 4. m B / lmB/nB（其中m= 5104 b/s 由于信噪比为由于信噪比为30dB30dB，所以有：，所以有： 1010loglog10 10(S/N)=30 (S/N)=30成立，计算得成立，计算得S/N=1000S/N=1000； B=5103 Hz 南阳理工学院计算机科学技术系 l复用(multiplexing)是将多个信源的彼此无关的信号，组合在 一条物理信道上进行传送的技术。 南阳理工学院计算机科学技术系 l常用的多路复用技术有：常用的多路复

51、用技术有： l频分多路复用频分多路复用（FDM，Frequency Division Multiplexing） l时分多路复用时分多路复用（TDM，Time Division Multiplexing） l波分多路复用波分多路复用（WDM，Wavelength Division Multiplexing） 1.码分多路复用码分多路复用（CDM，Code Division Multiple） 南阳理工学院计算机科学技术系 l按照频率区分信号的方法，把传输频带分为若干个较窄的频带，每 个频带构成一个子信道，独立地传输信息。用户在分配到一定的频 带后，在通信过程中自始至终都占用这个频带。 l频分复

52、用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源。 l为了避免两个相邻频段的信号互相干扰，频段之间要保留一定的隔 离频带，称为保护带。 频率 时间 频带 1 频带 2 频带 3 频带 4 频带 5 频分复用的用途：主要用于模拟信道的复用。如有线电视 南阳理工学院计算机科学技术系 南阳理工学院计算机科学技术系 时时 分分 频率 时间 B C DB C DB C DB C DAAAA A 在 TDM 帧中 的位置不变 TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧 TDM 帧 南阳理工学院计算机科学技术系 时时 分分 频率 时间 C DC DC DAAAABBBB C D B 在 TDM 帧中 的位置不变 T

53、DM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧 TDM 帧 南阳理工学院计算机科学技术系 时时 分分 频率 时间 BDBDBDAAAA BCCCC D C 在 TDM 帧中 的位置不变 TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧 TDM 帧 南阳理工学院计算机科学技术系 时时 分分 频率 时间 B CB CB CAAAA B CDDDD D 在 TDM 帧中 的位置不变 TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧 TDM 帧 南阳理工学院计算机科学技术系 A B C D a ab d b ca t t t t t b 4 个时分复用帧 #1 a c cd 时分复用 #2#3#4 用 户 b c C没有 信

54、息 D没有 信息 A没有 信息 D没有 信息 A没有 信息 B没有 信息 D没有 信息 B没有 信息 C没有 信息 1234 使用时分复用系统传送计算机数据时，由于计算 机数据的突发性质，用户对分配到的子信道的利用率 一般是不高的。 南阳理工学院计算机科学技术系 用户 A B C D a b c d t t t t t 3 个 STDM 帧 #1 a c b ab bcacd #2#3 统计时分复用又称为异步时分多路复用，允许动态地分配 时间片。根据用户对时间片的需求来分配时间片，没有数据传 输的用户不分配时间片。同时对每个时间片加上用户标识，以 区别该时间片属于该用户。 . 南阳理工学院计算

55、机科学技术系 练练 l10个9.6Kb/s的信道按时分多路复用在一条线路上传输，如 果忽略控制开销，在同步TDM情况下，复用线路的带宽应 该是（1）；在统计TDM情况下，假定子信道只有30%的时 间忙，复用线路的控制开销为10%，那么复用线路的带宽 应该是（2）。 （1）A32Kb/sB64Kb/sC72Kb/sD96Kb/s （2）A32Kb/sB64Kb/sC72Kb/sD96Kb/s 答案：（答案：（1）D，（，（2）A 南阳理工学院计算机科学技术系 1550 nm 0 1551 nm 1 1552 nm 2 1553 nm 3 1554 nm 4 1555 nm 5 1556 nm 6

56、 1557 nm 7 0 1550 nm 1 1551 nm 2 1552 nm 3 1553 nm 4 1554 nm 5 1555 nm 6 1556 nm 7 1557 nm 8 2.5 Gb/s 1310 nm 20 Gb/s 复 用 器 分 用 器 EDFA 120 km 光调制器光解调器 波分复用就是光的频分复用。波分复用就是光的频分复用。 2. 7. 3 波波 分分 南阳理工学院计算机科学技术系 l常用的名词是码分多址 CDMA (Code Division Multiple Access)。 l各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此彼此不会造 成干扰。每个用户可以在同样的时间使

57、用同样的频带进 行通信。 l这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力，其频谱类似 于白噪声，不易被敌人发现。 l采用CDMA可提高通信的语音质量和数据传输的可靠性， 减少干扰对通信的影响，降低手机的平均发射功率等等。 南阳理工学院计算机科学技术系 南阳理工学院计算机科学技术系 l每个站分配的码片序列不仅必须各不相同，并且还必须互相 正交(orthogonal)。 l在实用的系统中是使用伪随机码序列。 南阳理工学院计算机科学技术系 l令向量 S 表示站 S 的码片向量，令 T 表示其他任何站的码片 向量。 l两个不同站的码片序列正交，就是向量 S 和T 的规格化内积 (inner product)都

58、是 0： 0 1 1 m i iiT S m TS (2-3) n例：令向量 S 为(1 1 1 +1 +1 1 +1 +1)，向量 T 为 (1 1 +1 1 +1 +1 +1 1)。 n把向量 S 和 T 的各分量值代入(2-3)式就可看出这两个码片 序列是正交的。 南阳理工学院计算机科学技术系 l任何一个码片向量和该码片向量自己的规格化内积都是1 。 l一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是 1。 m i m i i m i ii m S m SS m 11 22 1 1) 1( 111 SS 南阳理工学院计算机科学技术系 S 站的码片序列 S 110 t t t t t t m 个码片 tS 站发送的信号 Sx T 站发送的信号 Tx 总的发送信号 Sx + Tx 规格化内积 S Sx 规格化内积 S Tx 数据码元比特 发 送 端 接 收 端 南阳理工学院计算机科学技术系 l当S站发送比特1时，在接收端计算内积的结果是1； l当S站发送比特0时，在接收站计算内积的结果是1； l当S站没有发送数据时，在接收站计算内积的结果是0。 南阳理工学院计算机科学技术系 例：共有4个站进行码分多址CDMA通信。4个站的码片序列为： A：（1 1 1 1 1 1 1 1 ） B：（1 1 1 1 1 1 1 1 ） C：（1 1 1 1 1 1