计算机网络-物理层

1、物理层学习目标：n掌握物理层基本概念掌握物理层基本概念n熟悉传输媒体熟悉传输媒体n了解数据通信的基本概念和主要技术了解数据通信的基本概念和主要技术n熟悉常用的物理接口熟悉常用的物理接口n掌握一些重要参数的计算方法掌握一些重要参数的计算方法教学内容教学内容：n物理层基本概念物理层基本概念n传输媒体传输媒体n数据通信基础数据通信基础n常用物理层标准常用物理层标准 物理层基本概念物理层基本概念-对象对象DTE（Data Terminal Equipment）数据终端设备）数据终端设备 DCE（Data Circuit-terminating Equipment）数字电路）数字电路 端接设备端接设备连

2、接模拟传输系统，连接模拟传输系统，V系列标准，连接数字传输系统，系列标准，连接数字传输系统，X系列系列标准。标准。接口：关于接口：关于DTE与与DCE（数字电路终接设备）和（数字电路终接设备）和DSE（数字（数字服务设备）的标准服务设备）的标准DTE-DCE接口n数据终端设备DTE：具有数据处理能力以及发送和接收数据能力的设备，可以是计算机、终端或I/O设备。产生数据及必须的控制字符，并送到DCE。n数字电路端接设备DCE：数据通信设备，DTE和传输媒体之间的中间设备，负责发送和接收在传输介质上的信号，提供DTE和传输媒体之间信号变换和编码的功能，并负责建立、保持和释放数据链路。物理层基本概念

3、物理层基本概念-组织组织n CCITT（ITU）电气、功能、规程特性n ISO 机械特性n EIA 组合特性物理层基本概念物理层基本概念定义定义ISO/OSI ISO/OSI 关于物理层的定义：关于物理层的定义： 物理层提供机械的、电气的、功能的物理层提供机械的、电气的、功能的和规程的特性，目的是启动、维护和关和规程的特性，目的是启动、维护和关闭数据链路实体之间进行比特传输的物闭数据链路实体之间进行比特传输的物理连接。这种连接可能通过中继系统，理连接。这种连接可能通过中继系统，在中继系统内的传输也是在物理层的。在中继系统内的传输也是在物理层的。物理层基本服务功能物理层基本服务功能n物理层设计时

4、主要考虑的是如何在连接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开放系统的传输介质上传输各种数据的比特流；比特流；n计算机网络可以利用的物理传输介质与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层屏蔽通信层的主要目的是向数据链路层屏蔽通信技术的差异性；技术的差异性；n数据链路实体通过与物理层的接口，将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，将信号传输到另一个数据链流的顺序，将信号传输到另一个数据链路实体。路实体。 物

5、理层基本概念物理层基本概念-功能功能n建立、维护、拆除物理信道建立、维护、拆除物理信道 n与外部媒体接口与外部媒体接口 机械特性：接口所用接线器的形状和尺寸、引线数目和排列、机械特性：接口所用接线器的形状和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置尺寸。固定和锁定装置尺寸。电气特性：接口线上电压值范围、速率、阻抗、距离、电气特性：接口线上电压值范围、速率、阻抗、距离、0和和1电电压的含义。压的含义。功能特性：接口线的名称、功能、意义。功能特性：接口线的名称、功能、意义。规程特性：对不同功能的各种可能事件的出现顺序、动作顺序。规程特性：对不同功能的各种可能事件的出现顺序、动作顺序。n透明传输透明传输物

6、理层基本概念物理层基本概念接口特性接口特性机械特性机械特性 主要定义物理连接的边界点，即接插装置。主要定义物理连接的边界点，即接插装置。规定物理连接时所采用的规格、引脚的数量和规定物理连接时所采用的规格、引脚的数量和排列情况。排列情况。物理层基本概念物理层基本概念接口特性接口特性电气特性电气特性 规定传输二进制位时，线路上信号的电规定传输二进制位时，线路上信号的电压高低、阻抗匹配、传输速率和距离限制。压高低、阻抗匹配、传输速率和距离限制。三种电气连接方式三种电气连接方式n 不平衡接口不平衡接口CCITTV.28建议书建议书 特点：所有电路共用一条信号地线、串音特点：所有电路共用一条信号地线、串

7、音干扰大干扰大 速率速率20kbps 距离距离15m物理层基本概念物理层基本概念接口特性接口特性三种电气连接方式三种电气连接方式n 平衡接口平衡接口CCITTV.11建议书建议书 特点：每一条信号线均有各自的信号回路（无特点：每一条信号线均有各自的信号回路（无公共地、自带地）、串扰小公共地、自带地）、串扰小 速率可达速率可达10Mbps 距离可达距离可达1000m（速率（速率100kbps）n 半平衡接口半平衡接口CCITTV.10建议书建议书 特点：同方向的信号线共用一条地线特点：同方向的信号线共用一条地线 速率速率300Kbps 距离距离10m（300Kbps）、）、 1000m（3Kbp

8、s）物理层基本概念物理层基本概念接口特性接口特性功能特性功能特性 主要定义各条物理线路的功能。主要定义各条物理线路的功能。 n 模拟接口：每线一个功能模拟接口：每线一个功能n 数字接口：每线功能可多个，共数字接口：每线功能可多个，共4 4类：类： 数据数据 控制控制 定时定时 地线地线物理层基本概念物理层基本概念接口特性接口特性规程特性规程特性 定义各条物理线路的工作规程和时序关系定义各条物理线路的工作规程和时序关系描述工具： 列线图 状态图 流程图教学内容教学内容：n物理层基本概念物理层基本概念n传输媒体传输媒体 n数据通信基础数据通信基础n常用物理层标准常用物理层标准 传输介质传输介质n传

9、输介质特性传输介质特性n常用的传输介质常用的传输介质 双绞线双绞线 同轴电缆同轴电缆 光导纤维光导纤维 无线介质无线介质介质特性介质特性 n物理特性：物理构造物理特性：物理构造n传输特性：允许传输数字还是模拟信号，传输特性：允许传输数字还是模拟信号， 调制技术、传输容量、传输频率范围。调制技术、传输容量、传输频率范围。n连通特性：允许点连通特性：允许点- -点或多点连接点或多点连接n地理特性：最大传输距离地理特性：最大传输距离n抗干扰性：防止噪声与电磁干扰的能力。抗干扰性：防止噪声与电磁干扰的能力。n价格：也是影响选择的一个重要因素。价格：也是影响选择的一个重要因素。 包括器件、安装与维护费用

10、。包括器件、安装与维护费用。双绞线组成和结构n双绞线（双绞线（Twisted Pair）也称为双扭线，是计）也称为双扭线，是计算机网络中使用最为普遍的传输介质；算机网络中使用最为普遍的传输介质；n现在双绞线广泛应用于模拟信号和数字信号的现在双绞线广泛应用于模拟信号和数字信号的传输，尤其是模拟信号的传输在几公里之内都传输，尤其是模拟信号的传输在几公里之内都不需要使用放大器。不需要使用放大器。 n双绞线电缆中封装着一对或一对以上的双绞线，双绞线电缆中封装着一对或一对以上的双绞线，为了降低信号的干扰程度，每一对双绞线一般为了降低信号的干扰程度，每一对双绞线一般由两根绝缘铜导线相互扭绕而成，每根铜导线

11、由两根绝缘铜导线相互扭绕而成，每根铜导线的绝缘层颜色各不相同，以示区别。的绝缘层颜色各不相同，以示区别。5类4对UTP结构及截面图n双绞线一般可以分为双绞线一般可以分为 非屏蔽双绞线（非屏蔽双绞线（UTP） 屏蔽双绞线（屏蔽双绞线（STP）nSTP又分为又分为3类（类（Category 3）和）和5类两种，类两种，而而UTP分为分为3类、类、4类、类、5类、超类、超5类、类、6类类及及7类几种类几种双绞线双绞线分类分类铜线绝缘层外屏蔽层外部保护层（a a）屏屏蔽蔽双双绞绞线线铜线绝缘层外部保护层（b b）非非屏屏蔽蔽双双绞绞线线屏蔽双绞线和非屏蔽双绞线的区别n屏蔽双绞线电缆的外面由一层金属材料

12、包裹，以减屏蔽双绞线电缆的外面由一层金属材料包裹，以减小辐射，防止信息被窃听，同时具有较高的数据传小辐射，防止信息被窃听，同时具有较高的数据传输速率（输速率（5类类STP在在100m内可达到内可达到155Mbit/s，而而5类类UTP只能达到只能达到100Mbit/s）。但屏蔽双绞线）。但屏蔽双绞线电缆的价格相对较高，安装时要比非屏蔽双绞线困电缆的价格相对较高，安装时要比非屏蔽双绞线困难，必须使用特殊的连接器，技术要求也比非屏蔽难，必须使用特殊的连接器，技术要求也比非屏蔽双绞线电缆高。双绞线电缆高。n非屏蔽双绞线电缆外面只需一层绝缘胶皮，因而重非屏蔽双绞线电缆外面只需一层绝缘胶皮，因而重量轻、

13、易弯曲、易安装，组网灵活，非常适用于结量轻、易弯曲、易安装，组网灵活，非常适用于结构化布线，所以在无特殊要求的计算机网络布线中，构化布线，所以在无特殊要求的计算机网络布线中，常使用非屏蔽双绞线电缆。常使用非屏蔽双绞线电缆。双绞线双绞线实例实例双绞线双绞线实例实例具有以太网卡的计算机背面具有以太网卡的计算机背面双绞线双绞线实例实例 一个一个10/100M双绞线以太网接口，指示灯的状双绞线以太网接口，指示灯的状态显示接口连接在一个态显示接口连接在一个10M以太网上以太网上同轴电缆结构n同轴电缆（同轴电缆（Coaxial Cable）由一根空心的圆柱网状铜）由一根空心的圆柱网状铜导体和一根位于中心轴

14、线位置的铜导线组成的，铜导线、导体和一根位于中心轴线位置的铜导线组成的，铜导线、空心圆柱导体和外界之间分别用绝缘材料隔开空心圆柱导体和外界之间分别用绝缘材料隔开。内导体绝缘层外屏蔽层外部保护层同轴电缆分类按照特征阻抗分为：按照特征阻抗分为：n 50同轴电缆同轴电缆 基带同轴电缆，又分为粗缆和细缆基带同轴电缆，又分为粗缆和细缆n 75同轴电缆同轴电缆 宽带同轴电缆，用于有线电视模拟信宽带同轴电缆，用于有线电视模拟信号传输号传输 同轴电缆连接方式n在利用细缆连接计算机时，对连接设备及连接方法一般有以下的要求：图4-4 细缆网络连接拓扑图细缆网络连接拓扑图细缆网络连接拓扑图同轴电缆连接方式n在利用粗

15、缆连接计算机时，对连接设备及连接方法一般有以下的要求粗缆网络连接拓扑图宽带同轴电缆 75同轴电缆也称为宽带同轴电缆宽带同轴电缆，宽带系统是宽带系统是指采用了频分复用和模拟传输技术的同轴电缆网络指采用了频分复用和模拟传输技术的同轴电缆网络。 宽带同轴电缆网络拓扑结构光纤的通信原理n通信中，由光发送机产生光束，将表示数字代码的通信中，由光发送机产生光束，将表示数字代码的电信号转变成光信号，并将光信号导入光纤，光信电信号转变成光信号，并将光信号导入光纤，光信号在光纤中传播，在另一端由光接收机负责接收光号在光纤中传播，在另一端由光接收机负责接收光纤上传出的光信号，并进一步将其还原成为发送前纤上传出的光

16、信号，并进一步将其还原成为发送前的电信号。的电信号。n光纤收发器集成了光发送机和光接收机的功能：既光纤收发器集成了光发送机和光接收机的功能：既负责光的发送也负责光的接收。负责光的发送也负责光的接收。光纤电缆的主要特性光纤电缆的主要特性光纤芯包层外部保护层(a)(a)保护层包层光纤芯(b)(b)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n光纤通常由纯度极高的石英玻璃拉成细丝，主要光纤通常由纯度极高的石英玻璃拉成细丝，主要由位于中心轴线上的纤芯和包裹在外面的包层组由位于中心轴线上的纤芯和包裹在外面的包层组成。成。 图4-9 光波在光纤中的传输情况一种类型的室外光缆截面示意图光纤的分

17、类和特点单模光纤和多模光纤单模光纤和多模光纤 在计算机网络中根据传输点模数的不同，光纤在计算机网络中根据传输点模数的不同，光纤分为单模光纤和多模光纤两种，分为单模光纤和多模光纤两种，“模模”也称为模也称为模式（式（mode），是指以一定角度进入光纤的一束），是指以一定角度进入光纤的一束光。可以让多条光波以不同的入射角（但必须大光。可以让多条光波以不同的入射角（但必须大于临界值）进入同一条纤芯进行传输，将这类光于临界值）进入同一条纤芯进行传输，将这类光纤称为多模光纤。但也存在一种情况，即当光纤纤称为多模光纤。但也存在一种情况，即当光纤的直径减小到只允许一个波长的光波传输时，这的直径减小到只允许一

18、个波长的光波传输时，这时的光纤就如同一根波导体，光波在其中没有反时的光纤就如同一根波导体，光波在其中没有反射，而是沿直线传输，将这种光纤称为单模光纤。射，而是沿直线传输，将这种光纤称为单模光纤。 单模光纤与多模光纤的比较单模光纤与多模光纤的比较 输入脉冲输出脉冲（a）多模光纤（a）多模光纤（b）单模光纤（b）单模光纤输入脉冲输出脉冲多模光纤与单模光纤的主要区别：多模光纤与单模光纤的主要区别：n 单模光纤采用激光二极管（单模光纤采用激光二极管（LD）作为光源，）作为光源，而多模光纤采用发光二极管（而多模光纤采用发光二极管（LED）为光）为光源；源；n 多模光纤的芯线粗，传输速率低、距离短，多模光

19、纤的芯线粗，传输速率低、距离短，整体的传输性能差，但成本低，一般用于整体的传输性能差，但成本低，一般用于建筑物内或地理位置相邻的环境中；建筑物内或地理位置相邻的环境中；n 单模光纤的纤芯相应较细，传输频带宽、单模光纤的纤芯相应较细，传输频带宽、容量大、传输距离长，但需激光源，成本容量大、传输距离长，但需激光源，成本较高，通常在建筑物之间或地域分散的环较高，通常在建筑物之间或地域分散的环境中使用。境中使用。室内光缆和室外光缆n室内光缆的抗拉强度较小，保护层较差，室内光缆的抗拉强度较小，保护层较差，但重量较轻，且较便宜，主要用于建筑但重量较轻，且较便宜，主要用于建筑物内部的布线。物内部的布线。n与

20、室内光缆相比，室外光缆的抗拉强度与室内光缆相比，室外光缆的抗拉强度较大，保护层较厚重，并且通常为铠装较大，保护层较厚重，并且通常为铠装（即金属皮包裹）。室外光缆主要适用（即金属皮包裹）。室外光缆主要适用于建筑物之间或广域网的远距离布线。于建筑物之间或广域网的远距离布线。根据布线方式的不同，室外光缆又分为根据布线方式的不同，室外光缆又分为直埋式光缆、架空式光缆和管道式光缆直埋式光缆、架空式光缆和管道式光缆三类。三类。光纤通信的特点n数据传输速率高（可达数据传输速率高（可达Gbit/s）n传输距离远（无中继传输距离达几十至上传输距离远（无中继传输距离达几十至上百公里）百公里）在远距离的网络布线中得

21、到广泛应用在远距离的网络布线中得到广泛应用 局域网布线中一般使用局域网布线中一般使用62.5m /125m、50m/125m、100m/140m规格的规格的多模光纤和多模光纤和8.3m/125m规格的单模光规格的单模光纤。纤。通信用光波波段频率范围频率范围10141015三种波长三种波长850nm、1300nm、1550nm的传播特性最好，属于红外频谱。的传播特性最好，属于红外频谱。1300和和1550nm是长波长是长波长低损耗波段。局域网使用低损耗波段。局域网使用850nmLED光源，速率光源，速率100mbps,距距离几公里。离几公里。 与铜质电缆相比较，光纤通信明显具有其他与铜质电缆相比

22、较，光纤通信明显具有其他传输介质无法比拟的优点。传输介质无法比拟的优点。n 传输信号的频带宽，通信容量大；传输信号的频带宽，通信容量大；n 信号衰减小，传输距离长；信号衰减小，传输距离长；n 抗干扰能力强，应用范围广；抗干扰能力强，应用范围广；n 抗化学腐蚀能力强，适用于一些特殊环境下的布线；抗化学腐蚀能力强，适用于一些特殊环境下的布线；n 原材料资源丰富。原材料资源丰富。 当然，光纤也存在着一些缺点：如质地脆，机械当然，光纤也存在着一些缺点：如质地脆，机械强度低；切断和连接技术要求较高等，这些缺点也强度低；切断和连接技术要求较高等，这些缺点也限制了目前光纤的普及，尤其是实现光纤到桌面的限制了

23、目前光纤的普及，尤其是实现光纤到桌面的连接。连接。无线介质无线介质n电磁波的传播有两种方式：电磁波的传播有两种方式： 非导向传输媒体非导向传输媒体 以无线方式在自由空间中传播；以无线方式在自由空间中传播； 导向传输媒体导向传输媒体 以有线方式在同轴电缆、双绞线、光纤中传以有线方式在同轴电缆、双绞线、光纤中传输。输。n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） 红外（红外（infrared） 可见光（可见光（visible light）电磁波的频谱及其在通信中的应用当电子运行时，便会产生可以自由传播的电磁波。当电子

24、运行时，便会产生可以自由传播的电磁波。电磁波于电磁波于1887年由德国物理学家赫兹年由德国物理学家赫兹（Heinrich Hertz）首先发现。）首先发现。电磁波每秒的震荡次数称为频率（电磁波每秒的震荡次数称为频率（frequency），），一般用一般用f表示，单位为赫兹（表示，单位为赫兹（Hz）。）。电磁波两个相邻波峰（或波谷）之间的距离称为波电磁波两个相邻波峰（或波谷）之间的距离称为波长（长（wavelength），一般用），一般用表示。表示。在真空中，所有的电磁波以相同的速率传播，和它在真空中，所有的电磁波以相同的速率传播，和它的频率无关，该传播速率被称为光速（的频率无关，该传播速率被称

25、为光速（speed of light），用），用c表示，大约为表示，大约为3108m/s。c是一是一个理想值，是一个权限速度，在光纤介质中传输个理想值，是一个权限速度，在光纤介质中传输时只有真空速率的时只有真空速率的2/3。n频率频率f、波长、波长及光速及光速c之间的关系为：之间的关系为： fcn电磁波可承载的信息量与它的带宽相关。电磁波可承载的信息量与它的带宽相关。在当前技术条件下，当采用较低的频率时，在当前技术条件下，当采用较低的频率时，每赫兹可以编码几个比特；当采用较高频每赫兹可以编码几个比特；当采用较高频率时，每赫兹的编码可以达到率时，每赫兹的编码可以达到Gbit/s数数量级。这也是为

26、什么光纤能够成为目前网量级。这也是为什么光纤能够成为目前网络传输介质中的佼佼者的一个重要原因。络传输介质中的佼佼者的一个重要原因。电磁波的频谱及其在通信中的应用无线电传输无线电波的特性与其频率有关。在无线电波的特性与其频率有关。在VLF、LF和和MF频段上，无线电波沿着地面传播，其频段上，无线电波沿着地面传播，其传播的特点是：传播的特点是：n 工作频率较低；工作频率较低；n 传播距离远，在较低频率时可以达到传播距离远，在较低频率时可以达到1000km；n 通过障碍物的穿透能力较强；通过障碍物的穿透能力较强；n 能量会随着距离的增大而急剧减小。能量会随着距离的增大而急剧减小。 在在HF和和VHF

27、频段上，无线电波会被地面吸收。频段上，无线电波会被地面吸收。这时，可以通过地面上空的电离层的反射来传播。这时，可以通过地面上空的电离层的反射来传播。无线电信号通过地面上的发送站发送出去，当到无线电信号通过地面上的发送站发送出去，当到达地面上空（约距地球达地面上空（约距地球100500km）电离层时，）电离层时，无线电波被反射回地面，再被地面的接收站接收无线电波被反射回地面，再被地面的接收站接收到，具体的传输特点是：到，具体的传输特点是：n 工作频率较高；工作频率较高；n 无线电波趋于直接传播；无线电波趋于直接传播；n 但通过障碍物的穿透能力较弱；但通过障碍物的穿透能力较弱；n 会被空气中的水蒸

28、气和自然界的雨水吸收。会被空气中的水蒸气和自然界的雨水吸收。无线电波传播方式微波传输n微波的频段为微波的频段为300MHz300GHz，但，但多使用多使用240GHz的频段。微波在空气中的频段。微波在空气中主要以直线方式传播，同时微波会穿透主要以直线方式传播，同时微波会穿透地面上空的电离层，所以它不能像无线地面上空的电离层，所以它不能像无线电波那样使用电离层的反射来传播，而电波那样使用电离层的反射来传播，而必须通过站点来传播。微波通信主要有必须通过站点来传播。微波通信主要有地面微波接力通信和卫星通信两类。地面微波接力通信和卫星通信两类。地面微波接力通信n由于微波是以直线方式在大气中传播，由于微

29、波是以直线方式在大气中传播，所以在地面上的传播距离一般不会超过所以在地面上的传播距离一般不会超过50km。为了实现微波的远距离传播，。为了实现微波的远距离传播，就需要在一条通信信道的两个端点之间就需要在一条通信信道的两个端点之间架设多个微波中继站，中继站在接收到架设多个微波中继站，中继站在接收到前一个中继站（或端点）的信号后，对前一个中继站（或端点）的信号后，对其进行放大，然后再转发给下一个中继其进行放大，然后再转发给下一个中继站（或站点），起到了信号的接力作用，站（或站点），起到了信号的接力作用，所以将这种通信方式称为地面微波接入所以将这种通信方式称为地面微波接入通信。通信。 卫星通信n微波

30、通信的另一种方式是卫星通信。卫星微波通信的另一种方式是卫星通信。卫星通信是利用人造地球卫星作为中继站，转通信是利用人造地球卫星作为中继站，转发无线微波信号，在多个地面站之间进行发无线微波信号，在多个地面站之间进行的通信。目前用来转发信号的通信卫星几的通信。目前用来转发信号的通信卫星几乎都是静止卫星或同步卫星，即卫星环绕乎都是静止卫星或同步卫星，即卫星环绕地球一周的时间恰好等于地球自转一周的地球一周的时间恰好等于地球自转一周的时间，卫星相对于地面站来说呈静止状态。时间，卫星相对于地面站来说呈静止状态。 一个典型的卫星通常拥有一个典型的卫星通常拥有1220个转发器。每个个转发器。每个转发器的频段为

31、转发器的频段为3650MHz，一个转发器可用来，一个转发器可用来传输传输56Mbit/s的数据，或的数据，或800路路64kbit/s的数字的数字化语音信道。而且不同的转发器之间一般不会产生化语音信道。而且不同的转发器之间一般不会产生干扰。干扰。微波通信方式卫星通信卫星通信 卫星地球表面卫星发送多点接收多点接收蜂窝无线通信蜂窝无线通信 多址接入方法：多址接入方法：n频分多址接入（频分多址接入（FDMA）n时分多址接入（时分多址接入（TDMA）n码分多址接入（码分多址接入（CDMA） 教学内容教学内容：n物理层基本概念物理层基本概念n传输媒体传输媒体 n数据通信基础数据通信基础n常用物理层标准常

32、用物理层标准 数据通信基础数据通信基础n数据通信模型数据通信模型n信号基本概念信号基本概念 n数据编码技术数据编码技术n信号分析信号分析n模拟传输与数字传输模拟传输与数字传输n多路复用技术多路复用技术n 同步数字体系同步数字体系SDHSDH数据通信模型数据通信模型简单的通信模型简单的通信模型模型中关键部分模型中关键部分源：产生要发送的数据的设备。发送器：对信号进行转换或编码以产生能在特定传输系统中传输的电磁信号。传输系统：连接源和目的地的传输线或复杂的网络。接收器：从传输系统接收信号并转换成目的站设备能处理的信号。目的站:：从接收器输入数据的设备。数据通信的基本概念数据通信的基本概念n通信的目

33、的是交换通信的目的是交换信息信息， 信息的载体可以是数字、信息的载体可以是数字、文字、语音、图形或图像，计算机产生的信息一般文字、语音、图形或图像，计算机产生的信息一般是字母、数字、语音、图形或图像的组合；是字母、数字、语音、图形或图像的组合； n为了传送这些信息，首先要将字母、数字、语音、为了传送这些信息，首先要将字母、数字、语音、图形或图像用二进制代码的图形或图像用二进制代码的数据数据来表示；来表示； n为了传输二进制代码的数据，必须将它们用模拟或为了传输二进制代码的数据，必须将它们用模拟或数字数字信号信号编码的方式表示；编码的方式表示；n数据通信数据通信是指在不同计算机之间传送表示字母、

34、数是指在不同计算机之间传送表示字母、数字、符号的二进制代码字、符号的二进制代码0、1比特序列的模拟或数比特序列的模拟或数字信号的过程。字信号的过程。 信息编码标准信息编码标准nASCII 码被国际标准化组织码被国际标准化组织ISO接受，接受，成为国际标准成为国际标准ISO 646，又称为国际，又称为国际5号号码码;n它用于计算机内码，也用做数据通信中它用于计算机内码，也用做数据通信中的编码标准的编码标准;nASCII码采用码采用7位二进制比特编码，可以位二进制比特编码，可以表示表示128个字符个字符;n字符分为图形字符与控制字符两类。图字符分为图形字符与控制字符两类。图形字符包括数字、字母、运

35、算符号、商形字符包括数字、字母、运算符号、商用符号等。用符号等。 信号的概念信号的概念 信号是数据在传输过程中的表示形式一般是电信号信号是数据在传输过程中的表示形式一般是电信号n模拟信号模拟信号：（：（analog signalanalog signal）某一参量可以取无限多）某一参量可以取无限多个值，并直接和信息对应的信号。如语音激励话筒产生个值，并直接和信息对应的信号。如语音激励话筒产生的信号不但在时间上连续，且幅度由无穷多个值，值的的信号不但在时间上连续，且幅度由无穷多个值，值的大小与语声强弱一一对应。大小与语声强弱一一对应。n数字信号数字信号：某一参量只能取有限个值，并常常不直接或：某

36、一参量只能取有限个值，并常常不直接或不准确和信息对应的信号。如电报码信号幅度只能取不准确和信息对应的信号。如电报码信号幅度只能取0 0和和1 1，它靠取值变化的排列表示消息，间接和消息发生，它靠取值变化的排列表示消息，间接和消息发生关系。关系。n模拟信号和数字信号区分的关键是表示信息的信号参量模拟信号和数字信号区分的关键是表示信息的信号参量的的取值数量取值数量。取值无限是模拟信号，取值有限是数字信。取值无限是模拟信号，取值有限是数字信号。号。n按照在传输介质上传输的信号类型，通信系统分为按照在传输介质上传输的信号类型，通信系统分为模拟模拟通信系统通信系统与与数字通信系统数字通信系统两种。两种。

37、n模拟信号波型模拟信号波型n数字信号波型数字信号波型0V(t)V(t)t t0V(t)V(t)t t信号的描述信号的描述 频谱和带宽频谱和带宽频谱频谱：信号所含的频率范围：信号所含的频率范围带宽带宽：频谱的宽度，即信道所包含最高频率与最低频：频谱的宽度，即信道所包含最高频率与最低频率的频差。率的频差。码元码元：信号的基本单位（波形）：信号的基本单位（波形）产生形式产生形式： 模拟信号模拟信号 数字信号数字信号传送方式传送方式基带信号基带信号：数字信号直接用不同的电压表示送到线路：数字信号直接用不同的电压表示送到线路上去，数据通信中，表示计算机二进制的比特序列上去，数据通信中，表示计算机二进制的

38、比特序列的数字数据信号是典型的矩形脉冲信号。的数字数据信号是典型的矩形脉冲信号。宽带信号宽带信号：将基带信号调制后形成频分复用模拟信号：将基带信号调制后形成频分复用模拟信号信道的概念信道的概念 链路链路：通信点之间的物理连接线路和设备。：通信点之间的物理连接线路和设备。信道信道：信号的传输通路。包括通信设备和传输介质。：信号的传输通路。包括通信设备和传输介质。一条物理链路可能包含若干信道（至少一条发送一条物理链路可能包含若干信道（至少一条发送信道和一条接收信道）。信道和一条接收信道）。分类分类：按传输信号：模拟信道、数字信道：按传输信号：模拟信道、数字信道 按传输介质：有线信道、无线信道按传输

39、介质：有线信道、无线信道 按信道使用权：公用信道、专用信道按信道使用权：公用信道、专用信道任何传输设备电压不可能瞬时改变，所以每个传输任何传输设备电压不可能瞬时改变，所以每个传输系统都不可能传输频率过高的谐波。信道的带宽系统都不可能传输频率过高的谐波。信道的带宽限制了可以在信道中通过的谐波的频率。限制了可以在信道中通过的谐波的频率。信号的概念信号的概念 失真失真：输出信号与输入信号的波形不同。：输出信号与输入信号的波形不同。(如果两者如果两者只差常数因子或有限的时延，认为不失真。只差常数因子或有限的时延，认为不失真。)引起信号失真的引起信号失真的3个因素个因素：n 衰减（衰减（attenuat

40、ion）n 时延时延(delay)n 噪声噪声(noise)度量噪声采用度量噪声采用信噪比信噪比S/N,S是信号功率，是信号功率，N是噪声功是噪声功率。通常使用下式度量：率。通常使用下式度量： （S/N）dB = 10 log10(S/N) 单位：分贝单位：分贝噪声是影响通信质量的一个主要因素噪声是影响通信质量的一个主要因素。传输的概念传输的概念 n传输传输：用电信号把数据从发送端传送到接收端的：用电信号把数据从发送端传送到接收端的过程。传输信道给数据信号提供了通路，但可能过程。传输信道给数据信号提供了通路，但可能会使信号畸变，带来噪声和干扰，造成传输差错，会使信号畸变，带来噪声和干扰，造成传

41、输差错，传输介质的不同还会使传输速率受到限制。传输介质的不同还会使传输速率受到限制。n传输速率传输速率：每秒所能传送的位数即：每秒所能传送的位数即b/sn信道和信号的关系：信道和信号的关系：串行通信与并行通信 发送端接收端串行通信信道(a)发送端b0b1b2b3b4b5b6b7b7b6b5b4b3b2b1b0接收端b0b1b2b3b4b5b6b7并行通信信道(b)单工、半双工与全双工通信 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同步通信与异步通信物理级同步物理级同步/异步异步 ，解决通信的收发双方在时间基准，解决通信的收发双方在时间基准上的一致性问题上

42、的一致性问题 同步同步SYN n比特同步比特同步，采用同步网卡，同步，采用同步网卡，同步MODEM，发送和，发送和接收方使用相同的时钟，数据流传输方式是连续的接收方使用相同的时钟，数据流传输方式是连续的比特流，没有损失，效率高。差错控制采用比特流，没有损失，效率高。差错控制采用CRC循循环冗余校验，用于干线和重要用户。环冗余校验，用于干线和重要用户。 异步异步 并非不要同步，而是起止同步并非不要同步，而是起止同步n字节同步字节同步，收发不需要同步，可用非同步，收发不需要同步，可用非同步MODEM和和LCU，经济。数据每，经济。数据每8个比特插一个起始同步比个比特插一个起始同步比特，一个终止同步

43、比特。效率特，一个终止同步比特。效率4/5。差错控制采用。差错控制采用偶校验和块校验。适于通信量不大的一般用户。偶校验和块校验。适于通信量不大的一般用户。同步通信与异步通信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”)tb0b1b2b3b4b5b6字节5字节4字节3字节2字节1数据编码技术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n传统的电话通信信道是为传输语音信号设计的，传统的电话通信信道是为传输语音信号设计的，只适用于传输音频范围（只适用于传输音频范围（300H

44、z3400Hz）的）的模拟信号，无法直接传输计算机的数字信号；模拟信号，无法直接传输计算机的数字信号；n为了利用模拟语音通信的电话交换网实现计算机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的数字数据信号的传输，必须首先将数字信号转换成模拟信号；换成模拟信号；n将发送端数字数据信号变换成模拟数据信号的过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 器程 称 为 调 制 ， 将 调 制 设 备 称 为 调 制 器（modulator）；）；n将接收端模拟数据信号还原成数字数据信号的过将接收端模拟数据信

45、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 器程 称 为 解 调 ， 将 解 调 设 备 称 为 解 调 器（demodulator）；）；n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）。n在调制过程中，选择音频范围内的某一角在调制过程中，选择音频范围内的某一角频率频率的正（余）弦信号作为的正（余）弦信号作为载波载波，该正，该正（余）弦信号可以写为：（余）弦信号可以写为： u（t）= umsin（t+0）n3个可以改变的电参量：个可以改变的电参量： 振振 幅幅 um 角频率角频率 相相 位位 n可以通

46、过变化可以通过变化3个电参量，来实现模拟数个电参量，来实现模拟数据信号编码的目的。据信号编码的目的。 模拟数据编码方法 振幅键控（振幅键控（amplitude shift keying , ASKamplitude shift keying , ASK） u um msinsin（1 1t+t+0 0） 数字数字1 1 u u（t t）= = 0 0 数字数字0 0n振幅键控振幅键控ASKASK信号实现容易，技术简单，但抗干信号实现容易，技术简单，但抗干扰能力较差。扰能力较差。 u um msinsin（1 1t+t+0 0） 数字数字1 1 u u（t t）= = u um msinsin（

47、2 2t+t+0 0） 数字数字0 0n移频键控移频键控FSK信号实现容易，技术简单，抗信号实现容易，技术简单，抗干扰能力较强，是目前最常用的调制方法之干扰能力较强，是目前最常用的调制方法之一。一。 移频键控移频键控(frequency-shift keying (frequency-shift keying ，FSK)FSK) 移相键控（移相键控（phase-shift keyingphase-shift keying，PSKPSK） n绝对调相绝对调相 u um msinsin（t+0t+0） 数字数字1 1 u u（t t）= = u um msinsin（t+t+ ） 数字数字0 0n

48、移相键控可以分为移相键控可以分为： 绝对调相绝对调相 相对调相相对调相 二相调相二相调相 多相调相多相调相 模拟数据编码方法 01001000+0+0+0+0212+数据(a)ASK(b)FSK(c)PSK(绝对)(d)PSK(相对)121数字数据编码方法n基带传输在基本不改变数字数据信号频带的情况下基带传输在基本不改变数字数据信号频带的情况下直接传输数字信号，可以达到很高的数据传输速率直接传输数字信号，可以达到很高的数据传输速率与系统效率与系统效率; ;n长串长串0 0或或1 1的接收，无法在比特流中提取同步信号。的接收，无法在比特流中提取同步信号。需要编码，目的是在码元波形中产生变化。需要

49、编码，目的是在码元波形中产生变化。n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（difference manchester）编码编码编码规则曼彻斯特（曼彻斯特（Manchester）编码）编码：规则规则：每个码元分成两个相等的间隔，定义：每个码元分成两个相等的间隔，定义0从高电平翻转到低电平，从高电平翻转到低电平，1从低电平翻转到从低电平翻转到高电平。高电平。差分曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码：规则规则：每个码元分成两个相等的间隔，：每个码元分成两个相等的

50、间隔， 码元码元1前半个码元与上一个码元的后半码前半个码元与上一个码元的后半码元电平一样，后半码元电平跳变。元电平一样，后半码元电平跳变。 码元码元0前半个码元与上一个码元的后半码前半个码元与上一个码元的后半码元电平相反，后半码元电平跳变。元电平相反，后半码元电平跳变。数字数据编码信号的波形01001011数数据据(a)非归零码同步时钟(b)曼彻斯特编码(c)差分曼彻斯特编码信号分析周期信号的谐波分析周期信号的谐波分析周期信号：周期信号：s(t+T)=s(t) 周期：满足关系的最小周期：满足关系的最小Tn如正弦、余弦函数如正弦、余弦函数 Acos(2ft+) A是振幅，是振幅，f是频率单位是频

51、率单位Hz(赫兹，每秒周期数赫兹，每秒周期数)，是初是初始相位，周期始相位，周期T=1/f，以秒为单位。，以秒为单位。信号分析周期为周期为T的信的信号号s(t)可以表可以表示为傅里叶级示为傅里叶级数数信号分析结论结论：一切正常周期信号（满足狄里克雷条件断点、极：一切正常周期信号（满足狄里克雷条件断点、极值）值）s(t)都可以由正弦、余弦波叠加而成。这些波的都可以由正弦、余弦波叠加而成。这些波的频率由低到高分别为频率由低到高分别为f0，2f0，3f0, ，所有这些频率，所有这些频率构成构成s(t)的频谱，的频谱，f0称为基频。信号频率区间的大小，称为基频。信号频率区间的大小，也就是频谱的宽度称信

52、号的带宽。实际信号的带宽一也就是频谱的宽度称信号的带宽。实际信号的带宽一般是无限的，但影响小的高频成分往往可以忽略，因般是无限的，但影响小的高频成分往往可以忽略，因此可以认为它们的带宽是有限的。如话音信号频率成此可以认为它们的带宽是有限的。如话音信号频率成分中，高于分中，高于4000Hz的可以忽略。的可以忽略。谐波分析谐波分析：将周期信号按上述方法分解，叫周期信号的：将周期信号按上述方法分解，叫周期信号的谐波分析。谐波分析。信号分析意义意义：由傅里叶变换和傅里叶级数得到时域函：由傅里叶变换和傅里叶级数得到时域函数在频域上的表示。即将振幅和相位表示为数在频域上的表示。即将振幅和相位表示为频率的函

53、数。利用频域可以把构成信号的各频率的函数。利用频域可以把构成信号的各个频率成分表示得十分清楚，在通信研究中个频率成分表示得十分清楚，在通信研究中有重要意义。有重要意义。谐波振幅意义谐波振幅意义：反映能量大小，能量集中于低：反映能量大小，能量集中于低次谐波。次谐波。方波的傅里叶级数方波的傅里叶级数结论结论：组成方波的谐波无穷：组成方波的谐波无穷多，但频率越高振幅越小，高频的影响比较多，但频率越高振幅越小，高频的影响比较小。小。通信信道带宽对基带传输的影响 n通信信道带宽对数据信号传输中失通信信道带宽对数据信号传输中失真的影响很大；真的影响很大；n信道带宽越宽，信号传输的失真越信道带宽越宽，信号传

54、输的失真越小。小。 n通信信道带宽对数据信号传输中失真的影响很大；通信信道带宽对数据信号传输中失真的影响很大；n信道带宽越宽，信号传输的失真越小。信道带宽越宽，信号传输的失真越小。 信号分析模拟信号数字化过程模拟信号数字化过程：首先将模拟信号抽样，使它成：首先将模拟信号抽样，使它成为一系列时间上离散的抽样值，然后将这些值量化为一系列时间上离散的抽样值，然后将这些值量化并编码，变换成数字信号在数字通信系统中传送。并编码，变换成数字信号在数字通信系统中传送。采样定理采样定理：模拟信号带宽：模拟信号带宽W，Ts是采样间隔，当采样是采样间隔，当采样率率fs=1/Ts=2W时，由采样数据就可以恢复原先的

55、时，由采样数据就可以恢复原先的模拟信号。模拟信号。 如话音采样率如话音采样率8000次次/s，采样间隔为，采样间隔为125us，话音信号频率在话音信号频率在300-3400Hz之间。之间。采样定理意义采样定理意义：确定信道带宽与信道数据传输速率的：确定信道带宽与信道数据传输速率的关系，带宽关系，带宽W的信道只能传输带宽为的信道只能传输带宽为W的信号而不的信号而不失真。由采样定理，信道在单位时间内必须能够传失真。由采样定理，信道在单位时间内必须能够传输输2W个采样数据，否则不能保真。所以信道传输数个采样数据，否则不能保真。所以信道传输数据最大速率是据最大速率是2W。如果采样数据是。如果采样数据是

56、M值的，信道传值的，信道传输的二进制数据最大速率是输的二进制数据最大速率是2WLog2M(bps)信道速率的极限值奈魁斯特（奈魁斯特（Nyquist）原理）原理：（奈氏准则）：（奈氏准则） 理想信道最高传输速率理想信道最高传输速率 = 2W Log2M (bps)（或）（或） 理想低通信道的最高码元传输速率理想低通信道的最高码元传输速率 = 2W Band(波特波特)Band(波特、调制速率波特、调制速率)是码元传输速率的单位，是码元传输速率的单位，1波特波特为每秒传送为每秒传送1个码元。个码元。含义含义：每赫带宽的理想低通信道的最高码元传输速率是每：每赫带宽的理想低通信道的最高码元传输速率是

57、每秒传送秒传送2个码元个码元信道速率的极限值比特和波特的关系比特和波特的关系：n波特是码元传输速率的单位，比特是信息量的单位波特是码元传输速率的单位，比特是信息量的单位概念不同。概念不同。数量关系数量关系n一个码元表示一个码元表示n个比特，个比特，M Band的码元传输速率的码元传输速率对应的信息传输速率为对应的信息传输速率为Mn bpsn二元调制中，一个码元表示一个比特，码元和数据二元调制中，一个码元表示一个比特，码元和数据传输速率相同，多元调制中两者不同。传输速率相同，多元调制中两者不同。 例：四相调制中，例：四相调制中，n=2，T=833*10-6s的单位脉的单位脉冲冲(周期、间隔周期、

58、间隔)。则。则 W=1/T=1/(833*10-6)=1200 Hz S=2Wn = 4/(833*10-6)=4800b/s信道速率的极限值奈氏准则说明一个任意信号通过带宽为奈氏准则说明一个任意信号通过带宽为W的低通滤波的低通滤波器，每秒采样器，每秒采样2W次就能完整重现这个被滤波的信次就能完整重现这个被滤波的信号，以高于号，以高于2W次的速度对此线路采样是无意义的，次的速度对此线路采样是无意义的，因为高频分量已被滤波器滤掉无法恢复了。因为高频分量已被滤波器滤掉无法恢复了。注意：注意：n奈魁斯特的结论是理论值，实际信道所能传输的最奈魁斯特的结论是理论值，实际信道所能传输的最高码元速率低于奈氏

59、给出的上限高码元速率低于奈氏给出的上限n奈魁斯特定理是一个数学性质，不涉及技术处理。奈魁斯特定理是一个数学性质，不涉及技术处理。如果有一个函数，它的傅立叶频谱不包含高于如果有一个函数，它的傅立叶频谱不包含高于f的的正弦或余弦，那么以正弦或余弦，那么以2f的频率采样该函数，可以获的频率采样该函数，可以获得该函数所包含的全部信息。适用于所有介质。得该函数所包含的全部信息。适用于所有介质。信道速率的极限值信道容量信道容量：信道所能传输的最高速率，表示信道能达到的最：信道所能传输的最高速率，表示信道能达到的最大传输能力。受信道带宽的限制。用每秒传输的二进制位大传输能力。受信道带宽的限制。用每秒传输的二

60、进制位（bit/s）表示。）表示。香农（香农（Shannon）公式）公式：带宽受限有白噪声（热噪声）信道：带宽受限有白噪声（热噪声）信道的极限信息传输速率的极限信息传输速率C C(bit/s) = Wlog2(1+S/N) （S/N）分贝）分贝=10log10S/N ） S是信号功率，是信号功率，N是噪声功率，信噪比是噪声功率，信噪比S/N,单位：分贝。单位：分贝。意义：意义：n在一定带宽的信道上，理论上在一定带宽的信道上，理论上1秒内无差错传递的最大信秒内无差错传递的最大信息量为息量为C。n信道的信噪比越大，信息的极限传输速率就越高。信道的信噪比越大，信息的极限传输速率就越高。n只要信息传输