计算机网络-第3章-物理层nPPT课件

1、1 第第3章章 物理层物理层 2 3.1 物理层的基本概念物理层的基本概念 n功能：功能： n在物理媒体上传输原始的比特流在物理媒体上传输原始的比特流 n传输的数据单位：比特流传输的数据单位：比特流 n规定与传输媒体之间的机械、电气、功能和规规定与传输媒体之间的机械、电气、功能和规 程的特性程的特性 n不是传输媒体不是传输媒体 n为数据链路层提供服务为数据链路层提供服务 3 四个特性四个特性 n机械特性机械特性 n规定了规定了DTE和和DCE之间的连接方式，说明接口之间的连接方式，说明接口 所用接线器的形状和尺寸、引线数目和排列等所用接线器的形状和尺寸、引线数目和排列等 n电气特性电气特性 n

2、规定了规定了DTE和和DCE之间接口电路上信号发生器之间接口电路上信号发生器 与接收器之间的电气特性，正负逻辑，电平，与接收器之间的电气特性，正负逻辑，电平， 速率速率 4 n功能特性功能特性 nDTE和和DCE之间包括数据传送、控制、定时和之间包括数据传送、控制、定时和 接地等几类引线的功能接地等几类引线的功能 n规程特性规程特性 n规定了规定了DTE和和DCE之间接口电路所使用的规程。之间接口电路所使用的规程。 即信号时序的应答关系和操作过程的规则即信号时序的应答关系和操作过程的规则 5 3.2 数据通信的基础知识数据通信的基础知识 n数据及计算机通信术语数据及计算机通信术语 n数据数据(

3、Data)：传递传递(携带携带)信息的实体。信息的实体。 n信息信息(Information)：是数据的内容或解释。是数据的内容或解释。 n信号信号(Signal)：数据的物理量编码数据的物理量编码(通常为电编通常为电编 码码)，数据以信号的形式传播。，数据以信号的形式传播。 n模拟信号与数字信号模拟信号与数字信号 n基带基带(Base band)与宽带与宽带(Broad band) 6 n信道信道(Channel)：传送信息的线路传送信息的线路(或通路或通路) n比特比特(bit)：信息量的单位。比特率为每秒传输信息量的单位。比特率为每秒传输 的二进制位个数。的二进制位个数。 n码元码元(C

4、ode Cell)：时间轴上的一个信号编码单时间轴上的一个信号编码单 元元 7 t 码元码元1码元码元2码元码元3码元码元4码元码元5 信号信号 同步脉冲同步脉冲 同步脉冲：用于码元的同步定时，识别码元的开始同步脉冲：用于码元的同步定时，识别码元的开始 同步脉冲也可位于码元的中部同步脉冲也可位于码元的中部 一个码元也可有多个同步脉冲相对应一个码元也可有多个同步脉冲相对应 8 n波特波特(Baud)：码元传输的速率单位。波特率为每码元传输的速率单位。波特率为每 秒传送的码元数秒传送的码元数(即信号传送速率即信号传送速率)。 n1 Baud = log2M (bit/s) 其中其中M是信号的编码级

5、数。也可以写成是信号的编码级数。也可以写成 Rbit = Rbaud log2M 上式中：上式中：Rbit-比特率，比特率，Rbaud-波特率波特率 n一个信号往往可以携带多个二进制位，所以一个信号往往可以携带多个二进制位，所以 在固定的信息传输速率下，比特率往往大于在固定的信息传输速率下，比特率往往大于 波特率。波特率。 n换句话说，一个码元中可以传送多个比特。换句话说，一个码元中可以传送多个比特。 n例如，例如，M=16，波特率为，波特率为9600时，数据传输率时，数据传输率 为为38.4kbit/s 9 n误码率：误码率：信道传输可靠性指标，是概率值信道传输可靠性指标，是概率值 n信息编

6、码：信息编码：将信息用二进制数表示的方法。将信息用二进制数表示的方法。 n数据编码：数据编码：将数据用物理量表示的方法。将数据用物理量表示的方法。 n例如：字符例如：字符A的的ASCII编码编码(是信息编码的一种是信息编码的一种)为为 01000001，其数据编码可能为，其数据编码可能为 01000001 t 10 n带宽带宽 n带宽是通信信道的宽度，是信道频率上界与下带宽是通信信道的宽度，是信道频率上界与下 界之间之差，是介质传输能力的度量，在传统界之间之差，是介质传输能力的度量，在传统 的通信工程中通常以赫兹（的通信工程中通常以赫兹（Hz）为单位计量。）为单位计量。 n在计算机网络中，一般

7、使用每秒位数在计算机网络中，一般使用每秒位数(b/s 或或 bps) 作为带宽的计量单位。主要单位：作为带宽的计量单位。主要单位：Kb/s， Mb/s，Gb/s n一个以太局域网理论上每秒可以传输一个以太局域网理论上每秒可以传输1千万比千万比 特，它的带宽相应为特，它的带宽相应为10Mb/s。 11 n时延时延 n信息从网络的一端传送到另一端所需的时间信息从网络的一端传送到另一端所需的时间 n时延之和时延之和=处理时延处理时延+排队时延排队时延 +发送时延发送时延+传传 播时延播时延 n处理时延处理时延=分组首部和错误校验等处理（微秒）分组首部和错误校验等处理（微秒） n排队时延排队时延=数据

8、在中间结点等待转发的延迟时间数据在中间结点等待转发的延迟时间 n发送时延发送时延=数据位数数据位数/信道带宽信道带宽 n传播时延传播时延= =d/sd/s（毫秒）（毫秒）d d: :距离距离 s s: :传播速度传播速度光速光速 12 n时延带宽乘积时延带宽乘积 n某一链路所能容纳的比特数某一链路所能容纳的比特数 n时延带宽乘积时延带宽乘积=带宽带宽传播时延传播时延 n例如，某链路的例如，某链路的时延带宽乘积为时延带宽乘积为100万比特，万比特， 这意味着第一个比特到达目的端时，源端已这意味着第一个比特到达目的端时，源端已 发送了发送了100万比特。万比特。 链路 带宽 传播时延 体积=时延带

9、宽乘积 13 n往返时延往返时延 (Round-Trip Time ，RTT) n从信源发送数据开始，到信源收到信宿确认从信源发送数据开始，到信源收到信宿确认 所经历的时间所经历的时间 nRTT22传播时延传播时延 n传输可靠性传输可靠性 n两个含义：两个含义： n数据能正确送达数据能正确送达 n数据能有序送达数据能有序送达(当采用分组交换时当采用分组交换时) 14 通信系统模型通信系统模型 n通信的三个要素：通信的三个要素：信源信源、信宿信宿和和信道信道 噪声噪声 信源信源发送器发送器信道信道接收器接收器信宿信宿 源系统源系统目的系统目的系统 数据通信系统的构成：数据通信系统的构成： 传输系

10、统传输系统(传输线路和传输设备传输线路和传输设备) 源系统源系统(信源信源+发送器发送器)和目的系统和目的系统(信宿信宿+接收器接收器) 15 n信息通过数据通信系统传输信息通过数据通信系统传输 n把携带信息的数据用物理信号形式通过信道传送到目的地。把携带信息的数据用物理信号形式通过信道传送到目的地。 n信息和数据信息和数据(0,1比特比特)一般不能直接在介质上传输。一般不能直接在介质上传输。 n编码：数据编码：数据适合传输的数字信号适合传输的数字信号便于同步、识别、纠错便于同步、识别、纠错 n调制：数字信号调制：数字信号适合传输的形式适合传输的形式按频率、幅度、相位按频率、幅度、相位 n解调

11、：接收波形解调：接收波形数字信号数字信号 n解码：数字信号解码：数字信号原始数据原始数据 信息信息数据数据信号信号在信道上传输在信道上传输信号信号数据数据信息信息 数据编码调制解调数据解码 16 数据通信基本过程数据通信基本过程 n包含两项内容：数据传输和通信控制包含两项内容：数据传输和通信控制 过程过程 与打电话的对比与打电话的对比 n建立物理连接建立物理连接 拨号，拨通对方拨号，拨通对方 n建立逻辑连接建立逻辑连接 互相确认身份互相确认身份 n数据传送数据传送 互相通话互相通话 n断开逻辑连接断开逻辑连接 互相确认要结束通话互相确认要结束通话 n断开物理连接断开物理连接 双方挂机双方挂机

12、17 信道及其主要特征信道及其主要特征 n数字信道和模拟信道数字信道和模拟信道 n数字信道：以数字脉冲形式（离散信号）传输数数字信道：以数字脉冲形式（离散信号）传输数 据的信道。据的信道。 n模拟信道：以连续模拟信号形式传输数据的信道。模拟信道：以连续模拟信号形式传输数据的信道。 18 n模拟信号和数字信号模拟信号和数字信号 n模拟信号模拟信号 n时间上连续，包含无穷多个信号值时间上连续，包含无穷多个信号值 n数字信号数字信号 n时间上离散，仅包含有限数目的信号值。最常见的时间上离散，仅包含有限数目的信号值。最常见的 是二值信号是二值信号 t a) 模拟信号 t b) 数字信号 19 n周期信

13、号和非周期信号周期信号和非周期信号 n周期信号周期信号 n信号由不断重复的固定模式组成信号由不断重复的固定模式组成（如正弦波）（如正弦波） n非周期信号非周期信号 n信号没有固定的模式和波形循环信号没有固定的模式和波形循环（如语音的音波信（如语音的音波信 号）号）。 t t TTT TTT 周期信号周期信号 20 n数字通信与模拟通信数字通信与模拟通信 n数字通信数字通信 n在数字信道上实现模拟信息或数字信息的传输在数字信道上实现模拟信息或数字信息的传输 n模拟通信模拟通信 n在模拟信道上实现模拟信息或数字信息的传输在模拟信道上实现模拟信息或数字信息的传输 21 n数字通信的优点数字通信的优点

14、 n抗噪声（干扰）能力强抗噪声（干扰）能力强 n可以控制差错，提高了传输质量可以控制差错，提高了传输质量 n便于用计算机进行处理便于用计算机进行处理 n易于加密、保密性强易于加密、保密性强 n可以传输语音、数据、影像，通用、灵活可以传输语音、数据、影像，通用、灵活 n计算机通信仅在不得已的情况下，才会采计算机通信仅在不得已的情况下，才会采 用模拟通信，如通过电话线拨号上网。用模拟通信，如通过电话线拨号上网。 22 通信方式通信方式数据流动的方向数据流动的方向 n单工单工：数据单向传输：数据单向传输（无线电广播）（无线电广播） n半双工半双工：数据可以双向交替传输，但不能在：数据可以双向交替传输

15、，但不能在 同一时刻双向传输同一时刻双向传输（对讲机）（对讲机） n全双工全双工：数据可以双向同时传输：数据可以双向同时传输（电话）（电话） n或者具有两条物理上独立的传输线路或者具有两条物理上独立的传输线路 n或者具有一条物理线路上的两个信道，分别用或者具有一条物理线路上的两个信道，分别用 于不同方向的信号传输于不同方向的信号传输 23 数字数据的传输方式数字数据的传输方式 n基带传输：不需调制，编码后的数字脉冲信号直基带传输：不需调制，编码后的数字脉冲信号直 接在信道上传送。接在信道上传送。 n例如：以太网例如：以太网 n频带传输：数字信号需调制成音频模拟信号后再频带传输：数字信号需调制成

16、音频模拟信号后再 传送，接收方需要解调。传送，接收方需要解调。 n例如：通过电话模拟信道传输例如：通过电话模拟信道传输 n宽带传输：数字信号需调制成频带为几十宽带传输：数字信号需调制成频带为几十MHZ到到 几百几百MHZ的模拟信号后再传送，接收方需要解调的模拟信号后再传送，接收方需要解调 n例如：闭路电视的信号传输例如：闭路电视的信号传输 24 数据同步方式数据同步方式 n目的是使接收端与发送端在时间基准上一目的是使接收端与发送端在时间基准上一 致致 (包括开始时间、位边界、重复频率等包括开始时间、位边界、重复频率等)。 n有三种同步方法：有三种同步方法： n位同步位同步 n字符同步字符同步

17、n帧同步帧同步 25 n位同步：目的是使接收端接收的每一位信位同步：目的是使接收端接收的每一位信 息都与发送端保持同步息都与发送端保持同步 n外同步外同步发送端发送数据之前发送同步时钟发送端发送数据之前发送同步时钟 信号，接收方用同步信号来锁定自己的时钟脉信号，接收方用同步信号来锁定自己的时钟脉 冲频率。冲频率。 n自同步自同步通过特殊编码通过特殊编码(如曼彻斯特编码如曼彻斯特编码)， 这些数据编码信号包含了同步信号，接收方从这些数据编码信号包含了同步信号，接收方从 中提取同步信号来锁定自己的时钟脉冲频率。中提取同步信号来锁定自己的时钟脉冲频率。 26 n字符同步：以字符为边界实现字符的同步字

18、符同步：以字符为边界实现字符的同步 接收，也称为起止式或异步制。接收，也称为起止式或异步制。 n每个字符的传输需要：每个字符的传输需要： n1个起始位个起始位 n58个数据位个数据位 n1，1.5，2个停止位个停止位 起始位起始位数据位数据位停止位停止位 间隔间隔, 不固定不固定 27 n帧同步：识别一个帧的起始和结束。帧同步：识别一个帧的起始和结束。 帧帧(Frame)是数据链路中的传输单位是数据链路中的传输单位包含数据和控制包含数据和控制 信息的数据块信息的数据块 n面向字符的面向字符的以同步字符以同步字符(SYN，16H)来标识一个帧来标识一个帧 的开始，适用于数据为字符类型的帧的开始，

19、适用于数据为字符类型的帧 n面向比特的面向比特的以特殊位序列以特殊位序列(7EH，即，即01111110)来标来标 识一个帧的开始，适用于任意数据类型的帧识一个帧的开始，适用于任意数据类型的帧 帧起始帧起始控制信息控制信息数据数据帧结束帧结束校验和校验和 0 n bit8bit8bit8-32m 28 带填充字符的首尾界符法：带填充字符的首尾界符法：以特定的字符序列为控制字段以特定的字符序列为控制字段 缺点：依赖于字符集，不通用，也无法扩展缺点：依赖于字符集，不通用，也无法扩展 例：例： Bisync 帧首帧首同步字符同步字符帧尾帧尾数据数据 传输帧 填充字符填充字符 SYN SYN DLE

20、STX A DLE DLE B DLE DLE C ETX 29 带填充位的首尾标志法带填充位的首尾标志法 ：采用统一的帧格式，以特定的采用统一的帧格式，以特定的 位序列进行帧同步和定界位序列进行帧同步和定界 物理层编码违例法：物理层编码违例法：IEEE802.5IEEE802.5，只适用于在物理媒体的，只适用于在物理媒体的 编码策略中采用了冗余技术的网络编码策略中采用了冗余技术的网络 优点：无需填充优点：无需填充 帧首帧首 01111110 0111110110111110001111110 帧尾帧尾数据数据 例例 ：HDLC 填充位填充位 30 信道最大数据传输率信道最大数据传输率 nNy

21、quist 公式公式：用于理想低通信道：用于理想低通信道 nNyquist公式为估算已知带宽信道的最高数据传输公式为估算已知带宽信道的最高数据传输 速率提供了依据。速率提供了依据。 n例如，话音级线路的例如，话音级线路的 带宽为带宽为3100Hz，根据，根据 上式计算的信道最大上式计算的信道最大 数据率如右表所示数据率如右表所示 C = 2W log2 M C = 数据传输率，单位数据传输率，单位bit/s W = 带宽，单位带宽，单位Hz M = 信号编码级数信号编码级数 M 最大数据率最大数据率 (C) 2 6200 bps 4 12400 bps 8 18600 bps 16 24800

22、 bps 32 31000 bps 31 n非理想信道非理想信道 n实际的信道上存在损耗、延迟、噪声。实际的信道上存在损耗、延迟、噪声。 n损耗损耗引起信号强度减弱，导致信噪比信噪比S/N降低降低。 n延迟延迟会使接收端的信号产生畸变信号产生畸变。 n噪声噪声会破坏信号，产生误码破坏信号，产生误码。 n持续时间0.01s的干扰会破坏约560个比特(56Kbit/s) 32 nShannon公式公式：有限带宽高斯噪声干扰信道：有限带宽高斯噪声干扰信道 n例：信道带宽例：信道带宽W=3.1KHz，S/N=2000，则，则 C = 3100*log2(1+2000) 34Kbit/s 即该信道上的最

23、大数据传输率不会大于即该信道上的最大数据传输率不会大于34Kbit/s S/N: 信噪比信噪比C = W log2 (1+S/N) 33 Nyquist公式和公式和Shannon公式的比较公式的比较 nC = 2W log2M n数据传输率数据传输率C随信号编码级数增加而增加。随信号编码级数增加而增加。 nC = W log2(1+S/N) n无论采样频率多高，信号编码分多少级，此公无论采样频率多高，信号编码分多少级，此公 式给出了信道能达到的最高传输速率。式给出了信道能达到的最高传输速率。 n原因：噪声的存在将使编码级数不可能无限增原因：噪声的存在将使编码级数不可能无限增 加。加。 34 3

24、.3 传输媒体传输媒体(介质介质) n双绞线双绞线 内导体芯线内导体芯线 绝缘绝缘 内屏蔽内屏蔽 外屏蔽外屏蔽 外套外套 -螺旋绞合的双导线，螺旋绞合的双导线， 1mm -每根每根4对、对、25对、对、1800对对 -典型连接距离典型连接距离100m（LAN） -RJ45插座、插头插座、插头 -优缺点优缺点： 成本低成本低 组装密度高、节省空间组装密度高、节省空间 安装容易（综合布线系统）安装容易（综合布线系统） 平衡传输（高速率）平衡传输（高速率） 抗干扰性一般抗干扰性一般 连接距离短连接距离短 35 屏蔽双绞线屏蔽双绞线 (STP) 非屏蔽双绞线非屏蔽双绞线 (UTP) 以铝箔屏蔽以减少

25、干扰和串音 双绞线外无任何屏蔽 层 常用的非屏蔽双绞线为3类(16Mbit/s) 和5类(155Mbit/s)两种 36 n同轴电缆同轴电缆 n基带同轴电缆基带同轴电缆 n阻抗50，用于数字传输 n宽带同轴电缆宽带同轴电缆 n阻抗75 ，用于模拟传输，主要用于CATV 铜芯铜芯 绝缘层绝缘层 外导体外导体 屏蔽层屏蔽层 保护套保护套 37 n细同轴细同轴 nD=1.02cm，10Mbit/s n每段每段185m、4中继、中继、5段（段（925m） n优缺点： n价格低 n安装方便（T型连接器、BNC接头、Terminator） n抗干扰能力较强 n可靠性差 n粗粗同轴同轴 nD=2.54cm，

26、10Mbit/s n每段每段500m、4中继、中继、5段（段（2500m） n优缺点：价格稍高 n安装方便（收发器、收发器电缆、Terminator） n抗干扰能力强 n连接距离中等 n可靠性好 38 光纤 依靠光波承载信息依靠光波承载信息 速率高，通信容量大速率高，通信容量大 仅受光电转换器件的限制（仅受光电转换器件的限制（100Gb/s） 传输损耗小，适合长距离传输传输损耗小，适合长距离传输 抗干扰性能极好，保密性好抗干扰性能极好，保密性好 轻便轻便 39 光纤传输原理光纤传输原理利用了光的反射利用了光的反射 光从一种介质入射到另一种介质时会产生折射。折射量取光从一种介质入射到另一种介质时

27、会产生折射。折射量取 决于两种介质的折射率。当入射角决于两种介质的折射率。当入射角临界值时产生全反射临界值时产生全反射 ，不会泄漏。，不会泄漏。 光纤：纤芯光纤：纤芯-折射率高、玻璃包层折射率高、玻璃包层-折射率低折射率低 亮度调制，有脉冲亮度调制，有脉冲-1，无脉冲，无脉冲-0 光传输系统：光源、介质、光检测器光传输系统：光源、介质、光检测器 光源光源: 850nm/1300nm/1500nm 发光二极管发光二极管 / 激光二极管激光二极管 介质介质: 光纤光纤 光检测器光检测器: 光电二极管光电二极管PIN/雪崩二极管雪崩二极管APD 单向传输，双向需两根光纤单向传输，双向需两根光纤 40

28、 光纤传送模式：光纤传送模式：MMF、SMF 光纤的直径减小 到一个光波波长 多束光线以不同的反射角传播多束光线以不同的反射角传播 单束光线沿直线传播单束光线沿直线传播 41 典型的光缆典型的光缆 玻璃封套玻璃封套塑料外套塑料外套 玻璃内芯玻璃内芯 玻璃内芯玻璃内芯 塑料外套塑料外套 玻璃封套玻璃封套 外壳外壳 常见规格：玻璃内芯常见规格：玻璃内芯50um缓变型缓变型MMF 62.5um缓变缓变/增强型增强型MMF 8.3um突变型突变型SMF 玻璃包层玻璃包层125um 42 高密度多芯光缆剖面结构 芯芯 封套封套 外套 加强芯 光纤光纤 外鞘外鞘 加强芯加强芯 光纤束光纤束 43 无线介质

29、无线介质 使用电磁波或光波携带信息使用电磁波或光波携带信息 无需物理连接无需物理连接 适用于长距离或不便布线的场合适用于长距离或不便布线的场合 易受干扰易受干扰 44 无线电 固定终端点（基站）和终 端之间是无线链路 BS 基站基站 用户计算机和终端用户计算机和终端 BS 基站覆盖的无线电区域 F1, F2, F3 = 使用的频率 45 地面微波接力 两个地面站之间传送两个地面站之间传送 距离：距离：50 -100 km 46 地球同步卫星 与地面站相对固定位置 使用3个卫星覆盖全球 传输延迟时间长 22,300 公里公里 47 3.4 模拟传输和数字传输模拟传输和数字传输 n不同类型的信号在

30、不同类型的信道上传输不同类型的信号在不同类型的信道上传输 有有4种情况种情况 数据：模拟数据、数字数据数据：模拟数据、数字数据 信号：模拟信号、数字信号信号：模拟信号、数字信号 信道：模拟信道、数字信道信道：模拟信道、数字信道 48 话音话音 移频移频,调制调制 模拟模拟 数字数字模拟模拟 模拟模拟 PCM编码编码 数字数字 数字数字 数字编码数字编码 数字数字 模拟数据，模拟信号模拟数据，模拟信号 数字数据，模拟信号数字数据，模拟信号数字数据，数字信号数字数据，数字信号 模拟数据，数字信号模拟数据，数字信号 10101010 调制调制 49 n编码与调制的区别编码与调制的区别 n用数字信号承

31、载数字或模拟数据用数字信号承载数字或模拟数据编码编码 n用模拟信号承载数字或模拟数据用模拟信号承载数字或模拟数据调制调制 EncoderDecoder 数字或数字或 模拟数据模拟数据 g(t) x(t) g(t) 数字或数字或 模拟数据模拟数据 发送方发送方接收方接收方 50 ModulatorDemodulator 数字或数字或 模拟数据模拟数据 模拟信号模拟信号 m(t) s(t) m(t) 数字或数字或 模拟数据模拟数据 载波 模拟信道模拟信道 发送方发送方接收方接收方 51 1）数字数据的数字信号编码）数字数据的数字信号编码 n把数字数据转换成某种数字脉冲信号把数字数据转换成某种数字脉

32、冲信号 n常见的有两类：常见的有两类：不归零码和曼彻斯特编码不归零码和曼彻斯特编码 n不归零码不归零码(NRZ，Non-Return to Zero) n二进制数字二进制数字0、1分别用两种电平来表示。分别用两种电平来表示。 n常常用常常用5V表示表示1，5V表示表示0。 n缺点：存在直流分量，传输中不能使用变压器；缺点：存在直流分量，传输中不能使用变压器； n不具备自同步机制，传输时必须使用外同步。不具备自同步机制，传输时必须使用外同步。 52 n曼彻斯特编码曼彻斯特编码(Manchester Code) n用电压的变化表示用电压的变化表示0和和1。 n规定在规定在每个码元的中间每个码元的中

33、间发生跳变：发生跳变： n高高低的跳变代表低的跳变代表0，低，低高的跳变代表高的跳变代表1 n每个码元中间都要发生跳变，接收端可将此变每个码元中间都要发生跳变，接收端可将此变 化提取出来作为同步信号。这种化提取出来作为同步信号。这种编码也称为自编码也称为自 同步码同步码(Self-Synchronizing Code)。 n缺点：需要双倍的传输带宽（即信号速率是数缺点：需要双倍的传输带宽（即信号速率是数 据速率的据速率的2倍）。倍）。 53 n差分曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码(Differential ) n每个码元的中间每个码元的中间仍要发生跳变仍要发生跳变 n用用码元开始处码元开始处有无跳

34、变来表示有无跳变来表示0和和1 ，有跳变代有跳变代 表表0，无跳变代表，无跳变代表1 54 n三种数字编码的波形图三种数字编码的波形图 01001100011 时钟时钟 NRZ Manchester 差分差分 Manchester 55 2）数字数据的调制编码）数字数据的调制编码 n三种常用的调制技术三种常用的调制技术： n幅移键控ASK (Amplitude Shift Keying) n频移键控FSK (Frequency Shift Keying) n相移键控PSK (Phase Shift Keying) n基本原理：用数字信号对载波的不同参量进行调制。 载波载波 S(t) = Aco

35、s( t+ ) nS(t)的参量包括：的参量包括： 幅度幅度A、频率频率 、初相位初相位 n调制就是要使调制就是要使A、 或或 随数字基带信号的变化而变化随数字基带信号的变化而变化 56 nASK：用载波的两个不同振幅表示：用载波的两个不同振幅表示0和和1 nFSK：用载波的两个不同频率表示：用载波的两个不同频率表示0和和1 nPSK：用载波的起始相位的变化表示：用载波的起始相位的变化表示0 和和1 57 多级调制方法1 -单参量多级调制 011000 0+90+180+270 11 数据率数据率 = 信号速率信号速率 x log2M M：调制级数：调制级数 +900 01 00 00 +27

36、00 11 +1800 10 4-PSK 58 多级调制方法2 多参量多级调制 16-QAM(正交振幅调制正交振幅调制) :使用使用振幅振幅和和相位相位的的16种组合种组合 0 45 16-QAM的星座图的星座图 90 180 270 135 315 225 59 D/A A/D A/D D/A D/AA/D V.34 (28.8-33.6kbps) 最大的噪声来源于最大的噪声来源于模数转换模数转换的量化噪声，信道容量极限值约的量化噪声，信道容量极限值约 35kbps D/A A/D D/A V.90 (56kbps) 交换机交换机1交换机交换机2 ISP V.34 (28.8-33.6kbp

37、s) 模拟模拟 模拟模拟数字数字 数字数字 数字数字 数字数字 模拟模拟 上行仍需上行仍需模数模数(A/D)转换转换，速率最高为，速率最高为35kbps；下行则可达；下行则可达56Kbps 60 3）模拟数据的数字信号编码）模拟数据的数字信号编码 n采样定理：采样定理： n如果模拟信号的最高频率为如果模拟信号的最高频率为F，若以，若以2F的采样频率对其采样，则的采样频率对其采样，则 采样得到的离散信号序列就能完整地恢复出原始信号。采样得到的离散信号序列就能完整地恢复出原始信号。 n要转换的模拟数据主要是电话语音信号要转换的模拟数据主要是电话语音信号 n语音信号要在数字线路上传输，必须将语音信号

38、转换成数语音信号要在数字线路上传输，必须将语音信号转换成数 字信号。这需要经过三个步骤：字信号。这需要经过三个步骤： n采样：按一定间隔对语音信号进行采样采样：按一定间隔对语音信号进行采样 n量化：对每个样本舍入到量化级别上量化：对每个样本舍入到量化级别上 n编码：对每个舍入后的样本进行编码编码：对每个舍入后的样本进行编码 n编码后的信号称为编码后的信号称为PCM信号信号 (脉码调制脉码调制, Pulse Coded Modulation) 61 n话音信道带宽话音信道带宽 2倍话音最大频率倍话音最大频率) n量化级数：量化级数：256级级 (用用8位二进制码表示位二进制码表示) n数据率：数

39、据率：8000次次/s*8bit = 64kbit/s n每路每路PCM信号的速率信号的速率 = 64000bit/s 采样电路采样电路量化和编码量化和编码 62 PCM转换过程举例 语音信号语音信号 011 100 011 011 001 100 PCM 输出输出 3 4 33 1 4 011100011011001100 PCM 脉冲脉冲 （有量化误差）（有量化误差） 3.2 3.9 2.8 3.4 1.2 4.2 PAM脉冲脉冲 63 PCM 转换波形图 B A C D A A B B C C D D 模拟话音模拟话音 采样时钟采样时钟 PAM 信号信号 PCM 信号信号 采样电路采样电

40、路量化和编码量化和编码 数字化声音数字化声音 64 3.5 信道复用技术信道复用技术 n复用：多个信息源共享一个公共信道复用：多个信息源共享一个公共信道 n为何要复用？为何要复用？提高线路利用率提高线路利用率 n适用场合：当信道的传输能力大于每个信源的平均传适用场合：当信道的传输能力大于每个信源的平均传 输需求时输需求时 n类比：公共运输系统类比：公共运输系统(铁路、海运、航空铁路、海运、航空) DEMUX 复用器复用器解复用器解复用器 共享信道共享信道MUX 信信 源源 信信 宿宿 65 n复用类型复用类型 n频分复用频分复用FDM (Frequency Division Multiplex

41、ing) n波分复用波分复用WDM (Wave Division Multiplexing) n时分复用时分复用TDM (Time Division Multiplexing) 66 n频分复用频分复用 n原理：整个传输频带被划分为若干个频率通道，每路原理：整个传输频带被划分为若干个频率通道，每路 信号占用一个频率通道进行传输。频率通道之间留有信号占用一个频率通道进行传输。频率通道之间留有 防护频带以防相互干扰。防护频带以防相互干扰。 CH2 CH1 CH3 原带宽原带宽 CH1 CH2 CH3 移频后带宽移频后带宽 MUX CH1 CH2 CH3 带宽复用信号带宽复用信号 f 复用器复用器

42、67 n波分复用波分复用光的频分复用光的频分复用 n原理：整个波长频带被划分为若干个波长范围，每路原理：整个波长频带被划分为若干个波长范围，每路 信号占用一个波长范围来进行传输。信号占用一个波长范围来进行传输。 F2 F1 F3 光谱光谱 F1F2F3 共享光纤的光谱共享光纤的光谱 光纤光纤2 光纤光纤3 光纤光纤1 共享光纤共享光纤 棱柱棱柱/衍射光栅衍射光栅 68 n时分复用时分复用 n原理：把时间分割成小的时间片，每个时间片分为若原理：把时间分割成小的时间片，每个时间片分为若 干个时隙，每路数据占用一个时隙进行传输。干个时隙，每路数据占用一个时隙进行传输。 A2 A1 A3 原始信号 D

43、2 D1 D3 数字化信号 MUX 复用后的数据流复用后的数据流 时隙号时隙号123 1 D3D2 D1 时间片时间片1 2 时间片时间片2 D1 时隙时隙 D2 复用器复用器 69 n由于每路数据总是使用每个时间片的固定由于每路数据总是使用每个时间片的固定 时隙，所以这种时分复用也称为时隙，所以这种时分复用也称为同步时分同步时分 复用。复用。 n时分复用的典型例子：时分复用的典型例子：PCM信号的传输信号的传输 n把多个话路的把多个话路的PCM话音数据用话音数据用TDM的方法装成的方法装成 帧帧(帧中还包括了帧同步信息和信令信息帧中还包括了帧同步信息和信令信息) n每帧在一个时间片内发送每帧

44、在一个时间片内发送 n每个时隙承载一路每个时隙承载一路PCM信号信号 70 n统计统计(异步异步)TDMSTDM nTDM的缺点：某用户无数据发送，其他用户也不能占的缺点：某用户无数据发送，其他用户也不能占 用该时隙，将会造成带宽浪费。用该时隙，将会造成带宽浪费。 n改进：用户不固定占用某个时隙，有空时隙就将数据改进：用户不固定占用某个时隙，有空时隙就将数据 放入。需地址信息。放入。需地址信息。 A B C D 待发数据待发数据 t1 t2 t3 A1B1C1D1C2D2A2B2 时间片时间片1 时间片时间片2 同步同步TDM 带宽浪费 A1B1B2 时间片时间片1时间片时间片2 统计统计TD

45、M 可用带宽 C2 71 时分复用时分复用数字载波复用标准数字载波复用标准 nT-标准标准 (北美、日本北美、日本) nE-标准标准 (欧洲、中国、南美欧洲、中国、南美) nE1(一次群一次群)标准标准 n每每125us为一个时间片，每时间片分为为一个时间片，每时间片分为32个通道。个通道。 n通道通道0用于同步，通道用于同步，通道16用于信令，其他用于信令，其他30个通道用于传输个通道用于传输30 个个PCM话音数据。话音数据。 nE1速率速率 = (32x8bit)/125us = 2.048 Mb/s n对对E1进一步复用，还可构成进一步复用，还可构成E2、E3、E4和和E5。 nE5可

46、承载可承载7680个话路，数据率约为个话路，数据率约为565Mbit/s n新的新的TDM标准是同步光网络标准是同步光网络(SONET)和和ITU-T的的 同步数字系列同步数字系列(SDH)。常用的线路速率为。常用的线路速率为(近似值近似值) 155Mbit/s，622Mbit/s，2.5Gbit/s和和10Gbit/s。 72 E1-帧格式 0121631 时间片时间片125 m ms = 32 时隙时隙 = 2.048 Mbps 帧同步帧同步 信令信令 30 路话音数据路话音数据(PCM数据数据) + 2 路控制路控制 用户话路用户话路用户话路用户话路 nE1线路也可以用于计算机通信线路也

47、可以用于计算机通信 73 3.6 交换技术交换技术 n什么是交换？什么是交换？ n交换就是按某种方式动态地分配传输线路资源交换就是按某种方式动态地分配传输线路资源 n例如，电话交换机在用户呼叫时为用户选择一例如，电话交换机在用户呼叫时为用户选择一 条可用的线路进行接续。用户挂机后则断开该条可用的线路进行接续。用户挂机后则断开该 线路，该线路又可分配给其它用户。线路，该线路又可分配给其它用户。 n为什么要采用交换技术？为什么要采用交换技术？ n节省线路投资，提高线路利用率节省线路投资，提高线路利用率 n实现交换的方法主要有：实现交换的方法主要有：电路交换电路交换、报文报文 交换交换、分组交换分组

48、交换 74 通信线路中的交换技术 B D C A E F 75 n电路交换电路交换 n交换设备在通信双方找出一条实际的物理线路的过程。交换设备在通信双方找出一条实际的物理线路的过程。 n特点：数据传输前需要建立一条端到端的通路。特点：数据传输前需要建立一条端到端的通路。 称为称为“面向连接的面向连接的” n过程：建立连接过程：建立连接通信通信释放连接释放连接 n优缺点：优缺点： n建立连接的时间长；建立连接的时间长； n一旦建立连接就独占线路，线路利用率低；一旦建立连接就独占线路，线路利用率低； n无纠错机制；无纠错机制； n建立连接后，传输延迟小。建立连接后，传输延迟小。 n不适用于计算机通

49、信，因为计算机数据具有突发性的特点，真不适用于计算机通信，因为计算机数据具有突发性的特点，真 正传输数据的时间不到正传输数据的时间不到10%。 76 n报文交换报文交换 n整个报文整个报文(Message)作为一个整体一起发送。作为一个整体一起发送。 n在交换过程中，交换设备将接收到的报文先存储，待在交换过程中，交换设备将接收到的报文先存储，待 信道空闲时再转发出去，一级一级中转，直到目的地。信道空闲时再转发出去，一级一级中转，直到目的地。 这种数据传输技术称为这种数据传输技术称为存储存储-转发转发。 n传输之前不需要建立端到端的连接，仅在相邻结点传传输之前不需要建立端到端的连接，仅在相邻结点

50、传 输报文时建立结点间的连接。输报文时建立结点间的连接。称为称为“无连接的无连接的” n缺点：缺点： n报文大小不一，造成存储管理复杂。报文大小不一，造成存储管理复杂。 n大报文造成存储转发的延时过长；大报文造成存储转发的延时过长； n出错后整个报文全部重发。出错后整个报文全部重发。 77 n分组交换（包交换）分组交换（包交换） n将报文划分为若干个大小相等的分组将报文划分为若干个大小相等的分组(Packet)进行存储进行存储 转发。转发。 n数据传输前不需要建立一条端到端的通路数据传输前不需要建立一条端到端的通路也是也是“无无 连接的连接的” n有强大的纠错机制、流量控制和路由选择功能。有强

51、大的纠错机制、流量控制和路由选择功能。 n优点：优点： n对转发结点的存储要求较低，可以用内存来缓冲分组对转发结点的存储要求较低，可以用内存来缓冲分组速度快；速度快； n转发延时小转发延时小适用于交互式通信；适用于交互式通信； n某个分组出错可以仅重发出错的分组某个分组出错可以仅重发出错的分组效率高；效率高； n各分组可通过不同路径传输，容错性好。各分组可通过不同路径传输，容错性好。 78 n三种交换方式的事件顺序三种交换方式的事件顺序 报文报文 ABCD 排队延迟排队延迟 报文交换报文交换 呼呼 叫叫 请请 求求 呼呼 叫叫 应应 答答 数数 据据 ABCD 寻路延迟寻路延迟 线路交换线路交换 分组分组1 分组分组2 分组分组3 3 ABCD 分组交换分组交换 分组分组4 4 t t 79 n异步传输模式异步传输模式ATM简介简介 nATM是一种高速分组交换技术，采用了以是一种高速分组交换技术，采用了以信元信元(Cell)为为 单位的存储转发方式，故又称为信元交换。单位的存储转发方式，故又称为信元交换。 nATM将话音、数据和图像等数据分解成长度固定的数将话音、数据和图像等数据分解成长度固定的数 据块，并在各数据块前加上地址、优先级等控制信息据块，并在各数据块前加上地址、优先级等控制信息 构成信元。构成信元。 n