计算机网络课件第3章物理层n

1、1第第3章章 物理层物理层 23.1 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规定了规定了DTE和和DCE之间

2、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4n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53.2 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(Data)：传递传递(携带携带)信息的实体。信息的实体。n

3、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)6n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(Code 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7t

4、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8n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：

5、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/s9n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

6、。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01000001t10n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，

7、Mb/s，Gb/sn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。11n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）（

8、毫秒）d d: :距离距离 s s: :传播速度传播速度光速光速12n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=时延带宽乘积13n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nRTT2

9、2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)15n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

10、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：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

11、：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

12、传输数据的信道。18n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ta) 模拟信号tb) 数字信号19n周期信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）。ttTTTTTT周期信号周期信号2

13、0n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21n数字通信的优点数字通信的优点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

14、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，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

15、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

16、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n帧同步帧同步25n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

17、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。26n字符同步：以字符为边界实现字符的同步字符同步：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27n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

18、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，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 bit8bit8bit8-32m28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

19、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 STX A DLE DLE B DLE DLE C ETX29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0111111001111101101111100

20、01111110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nNyquist 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 MC = 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HzM = 信号编码级数信号编码级数M 最大数据率最大数据率

21、(C) 2 6200 bps 4 12400 bps 8 18600 bps16 24800 bps32 31000 bps31n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)32nShannon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 =

22、3100*log2(1+2000) 34Kbit/s 即该信道上的最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/sS/N: 信噪比信噪比C = W log2 (1+S/N)33Nyquist公式和公式和Shannon公式的比较公式的比较nC = 2W log2Mn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

23、的存在将使编码级数不可能无限增加。加。343.3 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

24、铝箔屏蔽以减少 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36n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37n细同轴细同轴nD=1.02cm，10Mbit/sn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，10Mbit/sn每段每段500m

25、、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

26、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

27、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125um42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

28、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 km46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473.4 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

29、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49n编码与调制的区别编码与调制的区别n用数字信号承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

30、据发送方发送方接收方接收方50ModulatorDemodulator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511）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

31、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。52n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1n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-Synchronizi

32、ng 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）。53n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154n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NRZManchester差分差分Manchester552）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

33、 (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) = Acos( 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56nASK：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1nFSK：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1nPSK：用载波的起始相位

34、的变化表示：用载波的起始相位的变化表示0 和和157多级调制方法1 -单参量多级调制0110000+90+180+27011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 0100 00+2700 11+1800 104-PSK58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045 16-QAM的星座图的星座图9018027013531522559D/AA/DA/DD/AD/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，

35、信道容量极限值约的量化噪声，信道容量极限值约 35kbpsD/AA/DD/A V.90(56kbps)交换机交换机1交换机交换机2ISP V.34(28.8-33.6kbps)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56Kbps603）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

36、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) 61n话音信道带宽话

37、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：数据率：8000次次/s*8bit = 64kbit/sn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62PCM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343314011100011011001100 PCM 脉冲脉冲 （有量化误差）（有量化误差）3.23.92.83.41.24.2 PAM脉冲脉冲63PCM 转换波形图BACDA AB BC CD D模拟话音模拟话

38、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路量化和编码量化和编码数字化声音数字化声音643.5 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65n复用类型复用类型n频分复用频分复用FDM (Frequency Divi

39、sion Multiplexing)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)66n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。CH2CH1CH3原带宽原带宽CH1CH2CH3移频后带宽移频后带宽MUXCH1 CH2 CH3带宽复用信号带宽复用信号f复用器复用器67n波分复

40、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。F2F1F3 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68n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。A2A1A3原始信号D2D1D3数字化信号MUX复用后的数据流复用后的数据流

41、时隙号时隙号1231D3D2D1时间片时间片12时间片时间片2D1时隙时隙D2复用器复用器69n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70n统计统计(异步异步)TDMST

42、DMnTDM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。ABCD待发数据待发数据t1 t2 t3A1B1C1D1C2D2A2B2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TDM可用带宽C271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

43、、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/sn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可承载可承载7680个话路，数据率约为个话路，数据率约为565Mbit/sn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

44、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。72E1-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可以用于计算机通信733.6 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

45、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、分组交换分组交换74通信线路中的交换技术BDCAEF75n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

46、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%。76n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

47、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

48、发。77n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；

49、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。78n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 3ABCD分组交换分组交换分组分组4 4t t79n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