ch2l3 物理层、通信系统

1、 大学计算机基础大学计算机基础 金可音金可音 欢迎学生使用欢迎学生使用计算机与通信学院School of Computer and Communication计算机网络原理计算机网络原理计算机网络原理计算机网络原理第第3讲讲 数据通信基础数据通信基础(1)【第【第2章章 物理层（第物理层（第1讲）】讲）】 计算机网络原理计算机网络原理 金可音金可音 欢迎学生使用欢迎学生使用 计算机与通信学院计算机与通信学院上讲小结（快速提问上讲小结（快速提问1）上讲的重点是什么？上讲的重点是什么？ 计算机网络原理计算机网络原理 金可音金可音 欢迎学生使用欢迎学生使用 计算机与通信学院计算机与通信学院上讲要点复

2、习（快速提问上讲要点复习（快速提问2） 为什么采用层次结构为什么采用层次结构 层次体系结构举例层次体系结构举例 物理层的作用物理层的作用 数据链路层的作用数据链路层的作用 网络层的作用网络层的作用 传输层的作用传输层的作用 什么是协议什么是协议 什么是协议数据单元什么是协议数据单元、一般格式、一般格式 协议三要素协议三要素 什么是第什么是第N层的虚通信层的虚通信 什么是实通信什么是实通信 协议、接口的区别协议、接口的区别？ 什么是什么是SAP、服务原语、服务原语 TCP/IP体系结构层次划分体系结构层次划分 计算机网络原理计算机网络原理 金可音金可音 欢迎学生使用欢迎学生使用 计算机与通信学院

3、计算机与通信学院本讲预习情况检查（快速提问本讲预习情况检查（快速提问3）掌握掌握物理层的作用、四类特性物理层的作用、四类特性数据通信系统的模型数据通信系统的模型信息、数据和信号、模拟量与数字量信息、数据和信号、模拟量与数字量信道信道模拟传输、基带传输模拟传输、基带传输模拟通信、数据通信（基带通信、载波模拟通信）模拟通信、数据通信（基带通信、载波模拟通信） 和数字通信和数字通信了解了解串行通信和并行通信、通信的双工性串行通信和并行通信、通信的双工性基带调制、带通调制基带调制、带通调制振幅调制、频率调制、相位调制振幅调制、频率调制、相位调制脉冲编码调制技术脉冲编码调制技术 PCM信道的极限信息传输

4、速率信道的极限信息传输速率 计算机网络原理计算机网络原理 金可音金可音 欢迎学生使用欢迎学生使用 计算机与通信学院计算机与通信学院第第2章教材分析章教材分析 二部分内容（教材章节）二部分内容（教材章节）第第1层：物理层（第层：物理层（第1节）节）第第0层：数据通信基础（第层：数据通信基础（第2、3、4、5、6节）节） 是本章主要内容是本章主要内容 安排安排第第3讲：物理层和数据通信基础讲：物理层和数据通信基础(1) 物理层（物理层（2.1）、通信系统（）、通信系统（2.2, 2.5.1 ）第第4讲：数据通信基础讲：数据通信基础(2) 传输介质（传输介质（2.3） 、信道复用（、信道复用（2.4

5、） 宽带接入技术（宽带接入技术（2.6），复习），复习 计算机网络原理计算机网络原理 金可音金可音 欢迎学生使用欢迎学生使用 计算机与通信学院计算机与通信学院本章特点本章特点 学习特点学习特点术语多术语多涉及电子、通信的原理涉及电子、通信的原理 学习要求：学习要求：一般了解（不是本课程的重点）一般了解（不是本课程的重点） 本章主要给出结论和基本原理本章主要给出结论和基本原理 计算机网络原理计算机网络原理 金可音金可音 欢迎学生使用欢迎学生使用 计算机与通信学院计算机与通信学院本讲内容及其安排本讲内容及其安排 1 物理层的基本概念（物理层的基本概念（ 2.1 ） 2 数据通信的基础知识（数据通信

6、的基础知识（ 2.2 ）2.1 数据通信系统模型（数据通信系统模型（ 2.2.1 ）2.2 信道信道 （ 2.2.2 ）2.3 通信类型和信号调制（通信类型和信号调制（调整了教材调整了教材） 2.3.1 基本概念（基本概念（ 2.2.2 ） 2.3.2 数字传输系统和数字化（数字传输系统和数字化（2.5.1的一部分的一部分） 2.3.3 载波模拟通信和带通调制（载波模拟通信和带通调制（ 2.2.2的细化的细化 ） 2.3.4 基带通信和基带调制（补充）基带通信和基带调制（补充）2.4 信道的极限容量（信道的极限容量（ 2.2.3 ） 计算机网络原理计算机网络原理 金可音金可音 欢迎学生使用欢迎

7、学生使用 计算机与通信学院计算机与通信学院1. 物理层的基本概念（物理层的基本概念（ 2.1 ） 物理层物理层（复习）（复习）物理层协议：入网设备与信道连接的标准物理层协议：入网设备与信道连接的标准目的：不同厂家的的入网设备与不同信道可以方便地目的：不同厂家的的入网设备与不同信道可以方便地连接（提供信道对计算机系统的独立性连接（提供信道对计算机系统的独立性)信道信道 传输介质传输介质 物理物理层协议层协议 物理物理层协议层协议MoDem或网卡或网卡 (DCE)MoDem或网卡或网卡 (DCE)入网设备入网设备（DTE）(计算机计算机)入网设备入网设备（DTE）(计算机计算机) 计算机网络原理计

8、算机网络原理 金可音金可音 欢迎学生使用欢迎学生使用 计算机与通信学院计算机与通信学院1. 物理层的基本概念续物理层的基本概念续 物理层的主要任务：物理层的主要任务： 确定与传输媒体的四类接口特性确定与传输媒体的四类接口特性 （连接标准：不仅仅是硬件连接）（连接标准：不仅仅是硬件连接） 机械特性机械特性(mechanical characteristics) 描述接口所用接线器的形状和尺寸、引线数目和排列、描述接口所用接线器的形状和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等等。固定和锁定装置等等。电气特性电气特性(electrical characteristics) 描述在接口电缆的各条线上出现

9、的电压的范围。描述在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。功能特性功能特性(functional characteristics) 描述某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义。描述某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义。过程特性过程特性(procedural characteristics) 描述对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。描述对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。 计算机网络原理计算机网络原理 金可音金可音 欢迎学生使用欢迎学生使用 计算机与通信学院计算机与通信学院物理层物理层 传统的物理层协议传统的物理层协议RS-232RS-449X.21 计算机网络原理计算机网络原理 金可音

10、金可音 欢迎学生使用欢迎学生使用 计算机与通信学院计算机与通信学院串行通信和并行通信串行通信和并行通信 p36 并行传输：用多条传输介质同时传送多位数据。并行传输：用多条传输介质同时传送多位数据。计算机内部用并行传输计算机内部用并行传输主要用于近距离传输主要用于近距离传输(如主机与打印机如主机与打印机) 串行传输：串行传输：用一条传输介质同一时刻只能传送一位数据。用一条传输介质同一时刻只能传送一位数据。 远距离传输，用串行通信远距离传输，用串行通信计算机之间串行通信：需要串计算机之间串行通信：需要串并转换并转换 计算机网络原理计算机网络原理 金可音金可音 欢迎学生使用欢迎学生使用 计算机与通信

11、学院计算机与通信学院并行通信（自学）并行通信（自学） 一般，利用并行端口（一般，利用并行端口（LPT）在两台设备）在两台设备间进行通信，一次可以传输间进行通信，一次可以传输8位数据位数据 用于近距离通信用于近距离通信发送端发送端接收端接收端 计算机网络原理计算机网络原理 金可音金可音 欢迎学生使用欢迎学生使用 计算机与通信学院计算机与通信学院串行通信（自学）串行通信（自学） 使用使用COM口，由串行通信适配器进行转换。口，由串行通信适配器进行转换。 网络中采用串行通信，网卡负责串网络中采用串行通信，网卡负责串/并转换。并转换。 用于远距离通信用于远距离通信 本课程，只讨论串行通信本课程，只讨论

12、串行通信发送端接收端并串转换串并转换1 1 0 1 0 0 1 1 计算机网络原理计算机网络原理 金可音金可音 欢迎学生使用欢迎学生使用 计算机与通信学院计算机与通信学院2 数据通信的基础知识（数据通信的基础知识（ 2.2 ） 2.1 数据通信系统模型（数据通信系统模型（ 2.2.1 ） 2.2 信道信道 （ 2.2.2 ） 2.3 通信类型和信号调制（通信类型和信号调制（调整了教材调整了教材）2.3.1 基本概念（基本概念（ 2.2.2 ）2.3.2 数字传输系统和数字化（数字传输系统和数字化（2.5.1）2.3.3 载波模拟通信和带通调制（载波模拟通信和带通调制（ 2.2.2的细化的细化

13、）2.3.4 基带通信和基带调制（基带通信和基带调制（补充补充） 2.4 信道的极限容量（信道的极限容量（ 2.2.3 ） 计算机网络原理计算机网络原理 金可音金可音 欢迎学生使用欢迎学生使用 计算机与通信学院计算机与通信学院2.1 数据通信系统模型（数据通信系统模型（ p37 2.2.1 ）传输系统输入信息输入数据发送的信号接收的信号输出数据信源信宿发送器接收器调制解调器PC 机公用电话网调制解调器数字信号模拟信号模拟信号 正文正文数据通信系统源系统目的系统传输系统输出信息PC 机数字信号 计算机网络原理计算机网络原理 金可音金可音 欢迎学生使用欢迎学生使用 计算机与通信学院计算机与通信学院

14、术语术语 信息信息(information)：人们关心的事物特征的状态：人们关心的事物特征的状态 数据数据(data)：存储和交换信息的载体存储和交换信息的载体信息是数据的内容，数据是信息的形式信息是数据的内容，数据是信息的形式数字数据：用数字数据：用0,1串对信息的编码串对信息的编码 信号信号(signal)：数据在通信传输时的形式：数据在通信传输时的形式(本课程本课程) （数据的电气的或电磁的表现数据的电气的或电磁的表现）信号信号(电、磁、光电、磁、光)中包含了所要传递的信息中包含了所要传递的信息 。传输系统输入信息输入数据输出数据源点终点发送器接收器输出信息发送的信号接收的信号 计算机网

15、络原理计算机网络原理 金可音金可音 欢迎学生使用欢迎学生使用 计算机与通信学院计算机与通信学院术语（续）术语（续） 模拟模拟(Analog)量量： 值域是连续空间，如温度（实数），值域是连续空间，如温度（实数），sin函数函数 数字数字(Digital)量量（离散量）：（离散量）： 取值是不连续的，如文本取值是不连续的，如文本(字符集字符集)、人数（整数）、人数（整数）一天的温度一天的温度时间时间t温度温度C0811班的人数班的人数时间时间t人数人数n 计算机网络原理计算机网络原理 金可音金可音 欢迎学生使用欢迎学生使用 计算机与通信学院计算机与通信学院数字量与模拟量可以近似地互相转换数字量与

16、模拟量可以近似地互相转换一天的温度一天的温度时间时间t温度温度C一天的温度一天的温度时间时间t温度温度C 模拟量转换为数字量：模数（模拟量转换为数字量：模数（A/D）转换）转换 数字量转换为模拟量：数模（数字量转换为模拟量：数模（D/A）转换）转换 数字数据可以表示：数字数据可以表示：离散信息：如，整数、文字离散信息：如，整数、文字模拟信息：如，温度、声音模拟信息：如，温度、声音 计算机网络原理计算机网络原理 金可音金可音 欢迎学生使用欢迎学生使用 计算机与通信学院计算机与通信学院术语：模拟传输、数字传输术语：模拟传输、数字传输 模拟信号和模拟传输：模拟信号和模拟传输：用连续变化的物理量用连续

17、变化的物理量(模拟信号模拟信号)传输数据传输数据 数字信号和数字传输（又称为数字信号和数字传输（又称为“基带传输基带传输” ）：）：用不连续的物理状态用不连续的物理状态(数字信号数字信号)传输数据传输数据0 1 0 0 1 0 1 1t数字信号数字信号模拟信号模拟信号 计算机网络原理计算机网络原理 金可音金可音 欢迎学生使用欢迎学生使用 计算机与通信学院计算机与通信学院术语：基带术语：基带(baseband)信号信号 基带信号：原意为基带信号：原意为“来自信源的信号来自信源的信号” 计算机等设备（信源）提供的是数字信号，计算机等设备（信源）提供的是数字信号，所以，计算机通信将数字信号称为基带信

18、号。所以，计算机通信将数字信号称为基带信号。包含较多的低频成分，甚至有直流成分包含较多的低频成分，甚至有直流成分 计算机网络原理计算机网络原理 金可音金可音 欢迎学生使用欢迎学生使用 计算机与通信学院计算机与通信学院2.2 信道信道 （教材教材p38 2.2.2 ） 链路链路(link)传输介质传输介质 两端的一对通信设备两端的一对通信设备如，铜线如，铜线 两端的两端的modem链路1链路2链路3 通路通路(Path)一组前后连接的链路一组前后连接的链路逻辑链路信道逻辑链路信道（channel） ：链路协议（见第三章）链路协议（见第三章） ，有方向，有方向一条电路可以含多条信道（参见一条电路可

19、以含多条信道（参见2.4 信道复用技术）信道复用技术）如，一根电话线含如，一根电话线含30条话路条话路 计算机网络原理计算机网络原理 金可音金可音 欢迎学生使用欢迎学生使用 计算机与通信学院计算机与通信学院信道按传输方式分类信道按传输方式分类 模拟信道（模拟信道（analog channel ）：）： 采用模拟传输的信道（用模拟信号传输数据）采用模拟传输的信道（用模拟信号传输数据） 数字信道（数字信道（digital channel ）：）： 采用数字传输的信道（用数字信号传输数据）采用数字传输的信道（用数字信号传输数据） 计算机网络原理计算机网络原理 金可音金可音 欢迎学生使用欢迎学生使用

20、计算机与通信学院计算机与通信学院通信的双工性通信的双工性 单向通信（单工通信）单向通信（单工通信）只能有一个方向的通信。只能有一个方向的通信。 双向交替通信（半双工通信）双向交替通信（半双工通信）通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送(当然也就不能同时接收当然也就不能同时接收)。 双向同时通信（全双工通信）双向同时通信（全双工通信）通信的双方可以同时发送和接收信息。通信的双方可以同时发送和接收信息。包含二条信道：一条发送信道，一条接收信道包含二条信道：一条发送信道，一条接收信道可以认为，是二条半双工信道可以认为，是二条半双工信道 计算机网络原理

21、计算机网络原理 金可音金可音 欢迎学生使用欢迎学生使用 计算机与通信学院计算机与通信学院2.3 通信类型和信号调制（调整了教材）通信类型和信号调制（调整了教材） 说明：本小节是对教材的调整和补充说明：本小节是对教材的调整和补充 内容：内容：2.3.1 基本概念（基本概念（ 2.2.2 ） 模拟通信、数据通信和数字通信模拟通信、数据通信和数字通信 调制（编码）的概念调制（编码）的概念2.3.2 数字传输系统和数字化（数字传输系统和数字化（2.5.1的一部分）的一部分） 2.3.3 载波模拟通信和带通调制（载波模拟通信和带通调制（ 2.2.2的细化的细化 ）2.3.4 基带通信和基带调制（补充）基

22、带通信和基带调制（补充） 计算机网络原理计算机网络原理 金可音金可音 欢迎学生使用欢迎学生使用 计算机与通信学院计算机与通信学院2.3.1 基本概念（基本概念（ 2.2.2 ）主要的通信类型（三类四种）：主要的通信类型（三类四种）： 模拟通信：直接模拟通信：直接用模拟信号传输模拟数据用模拟信号传输模拟数据 （如，市内电话，本课程不讨论）（如，市内电话，本课程不讨论） 数据通信：传输数字数据数据通信：传输数字数据（计算机通信是数据通信）（计算机通信是数据通信）基带（数据）通信：基带（数据）通信：用数字信号传输数字数据用数字信号传输数字数据载波（数据）通信：载波（数据）通信：用载波模拟信号传输数字

23、数据用载波模拟信号传输数字数据（又称为载波模拟通信）（又称为载波模拟通信） （后面介绍）（后面介绍）数据通信的优点：抗干扰性好数据通信的优点：抗干扰性好 数字通信：用数据通信方法数字通信：用数据通信方法传输模拟数据传输模拟数据先将模拟数据先将模拟数据“模数转换模数转换”(A/D)为数字数据为数字数据再进行数据通信再进行数据通信传输后，再将传输后，再将数字数字数据数据“数模转换数模转换”(D/A)为为模拟模拟数数据据 计算机网络原理计算机网络原理 金可音金可音 欢迎学生使用欢迎学生使用 计算机与通信学院计算机与通信学院模拟通信、数据通信模拟通信、数据通信C 采用数字信道的数据通信（基带通信）采用

24、数字信道的数据通信（基带通信）现代长途电话系统现代长途电话系统解调解调数字数据数字数据调制调制电脑电脑数字信号数字信号数字信号数字信号数字数据数字数据电脑电脑A 模拟信道的模拟通信模拟信道的模拟通信早期的电话系统早期的电话系统模拟信号模拟信号电话电话电话电话模拟信号模拟信号B 采用模拟信道的数据通信（载波通信）采用模拟信道的数据通信（载波通信）早期的电话系统早期的电话系统数字数据数字数据调制调制模拟信号模拟信号电脑电脑数字数据数字数据解调解调模拟信号模拟信号电脑电脑 计算机网络原理计算机网络原理 金可音金可音 欢迎学生使用欢迎学生使用 计算机与通信学院计算机与通信学院数字通信及其优点数字通信及

25、其优点 例如，目前的电话系统例如，目前的电话系统长途通信线路已实现了长途通信线路已实现了数字传输数字传输电话机到市话交换机之间的用户线上：电话机到市话交换机之间的用户线上：模拟传输模拟传输A 模拟信道的模拟通信模拟信道的模拟通信早期的电话系统早期的电话系统模拟信号模拟信号电话电话电话电话模拟信号模拟信号D 采用数据通信技术传输模拟数据采用数据通信技术传输模拟数据(数字通信数字通信)数据通信（数据通信（B或或C）A/D数字数据数字数据电电话话模拟数据模拟数据D/A数字数据数字数据模拟数据模拟数据电电话话 计算机网络原理计算机网络原理 金可音金可音 欢迎学生使用欢迎学生使用 计算机与通信学院计算机

26、与通信学院课后学生分析比较课后学生分析比较 区别区别1数字数字传输传输：用数字信号传输（数字或模拟）数据：用数字信号传输（数字或模拟）数据数字数字通信通信： 特指特指用数字传输或载波模拟传输方式用数字传输或载波模拟传输方式传输传输模拟模拟数据数据 区别区别2数据数据通信：传输通信：传输数字数字数据数据数字数字通信：传输通信：传输模拟模拟数据（用数据通信方法）数据（用数据通信方法） 计算机网络原理计算机网络原理 金可音金可音 欢迎学生使用欢迎学生使用 计算机与通信学院计算机与通信学院小结小结类类 型型信道信道传输信号传输信号被传输数据被传输数据模拟通信模拟通信模拟信道模拟信道模拟信号模拟信号模拟

27、数据模拟数据数据数据通信通信基带通信基带通信数字信道数字信道数字信号数字信号数字数据数字数据载波通信载波通信模拟信道模拟信道载波模拟信号载波模拟信号数字数字通信通信基带通信基带通信数字信道数字信道数字信号数字信号模拟数据模拟数据载波通信载波通信模拟信道模拟信道载波模拟信号载波模拟信号 计算机网络原理计算机网络原理 金可音金可音 欢迎学生使用欢迎学生使用 计算机与通信学院计算机与通信学院调制（编码）的概念调制（编码）的概念传输系统发送的信号接收的信号输出数据信源信宿发送器接收器信源编码输入数据信道编码信道译码信源译码 为了使传输的信号适应信道的特性，需要将待传送为了使传输的信号适应信道的特性，需

28、要将待传送的数据转换为满足一定要求的信号，称为的数据转换为满足一定要求的信号，称为编码编码（编码，有时，也称为调制）（编码，有时，也称为调制） 计算机网络原理计算机网络原理 金可音金可音 欢迎学生使用欢迎学生使用 计算机与通信学院计算机与通信学院2.3.2 数字传输系统和数字化（数字传输系统和数字化（2.5.1） 属于信源编码技术属于信源编码技术 计算机网络原理计算机网络原理 金可音金可音 欢迎学生使用欢迎学生使用 计算机与通信学院计算机与通信学院数字通信（复习）数字通信（复习） 用数据通信方法传输模拟数据用数据通信方法传输模拟数据先将模拟数据模数转换（先将模拟数据模数转换（A/D）为数字数据

29、）为数字数据再进行数据通信再进行数据通信传输后，再将传输后，再将数字数字数据数模转换（数据数模转换（D/A）为）为模拟模拟数据数据A 模拟信道的模拟通信模拟信道的模拟通信早期的电话系统早期的电话系统模拟信号模拟信号电话电话电话电话模拟信号模拟信号D 数字通信数字通信数据通信（数据通信（B或或C）A/D数字数据数字数据电电话话模拟数据模拟数据D/A数字数据数字数据模拟数据模拟数据电电话话 计算机网络原理计算机网络原理 金可音金可音 欢迎学生使用欢迎学生使用 计算机与通信学院计算机与通信学院如何将模拟数据转换为数字数据如何将模拟数据转换为数字数据? 用用编码解码器编码解码器CoDec把模拟数据变换

30、为数字信号把模拟数据变换为数字信号（脉冲）（脉冲） 常用的技术：脉冲编码调制技术常用的技术：脉冲编码调制技术 PCM （ Pulse Code Modulation ），简称），简称脉码调制脉码调制 计算机网络原理计算机网络原理 金可音金可音 欢迎学生使用欢迎学生使用 计算机与通信学院计算机与通信学院PCM调制技术调制技术（三步曲）（三步曲）1 03、编码编码(幅值幅值0/1化化)1、采样采样(时间离散化时间离散化)6.24636.24632、量化量化(幅值离散化幅值离散化)6 计算机网络原理计算机网络原理 金可音金可音 欢迎学生使用欢迎学生使用 计算机与通信学院计算机与通信学院PCM (Pu

31、lse Code Modulation)小结小结 对模拟数据采样、量化、编码对模拟数据采样、量化、编码 三步曲：三步曲：采样采样（时间离散化）：如，（时间离散化）：如， 1us采样一次采样一次例，一次采样，得到一个幅值连续的值例，一次采样，得到一个幅值连续的值y=6.2463量化量化（幅值离散化）：（幅值离散化）：例，将连续的值例，将连续的值y转换为幅值离散的值转换为幅值离散的值y=6编码编码（幅值（幅值0/1化）化）例，将离散的值例，将离散的值y转换为转换为0,1编码编码y=0000 0110 计算机网络原理计算机网络原理 金可音金可音 欢迎学生使用欢迎学生使用 计算机与通信学院计算机与通信

32、学院例：将模拟语音转变为数字电话信号例：将模拟语音转变为数字电话信号 根据采样定理，只要采样频率不低于模拟信号最高根据采样定理，只要采样频率不低于模拟信号最高频率的频率的2倍，就可以从采样脉冲信号无失真地恢复倍，就可以从采样脉冲信号无失真地恢复出原来的信号。出原来的信号。 例：一路电话例：一路电话采样采样: 语音信号的最高频率为语音信号的最高频率为3.4 kHz， 取采样频率为取采样频率为8 kHz 6.8kHz, 采样周期为采样周期为1/8000秒，即，秒，即， 每每125 s采样一次。采样一次。量化量化:将模拟信号分成将模拟信号分成128级级编码编码:每次采样用每次采样用7位二进制数表示。

33、位二进制数表示。 计算机网络原理计算机网络原理 金可音金可音 欢迎学生使用欢迎学生使用 计算机与通信学院计算机与通信学院2.3.3 载波模拟通信和带通调制载波模拟通信和带通调制（ 2.2.2的细化的细化 ） 本课程本课程编码：属于信源编码技术编码：属于信源编码技术 将模拟数据转换为数字数据将模拟数据转换为数字数据调制：属于信道编码技术调制：属于信道编码技术 带通调制：带通调制：将数字数据转换为模拟信号，用于载波模拟传输将数字数据转换为模拟信号，用于载波模拟传输 基带调制：基带调制：将数字数据转换为数字信号，用于基带传输将数字数据转换为数字信号，用于基带传输 计算机网络原理计算机网络原理 金可音

34、金可音 欢迎学生使用欢迎学生使用 计算机与通信学院计算机与通信学院2.3.3 载波模拟通信和带通调制载波模拟通信和带通调制（ 2.2.2的细化的细化 ） 问题的提出：问题的提出：基带信号的带宽大，在模拟电话通信系统（频率范围基带信号的带宽大，在模拟电话通信系统（频率范围3003400HZ）无法传输）无法传输如何用模拟电话系统传输数字信号如何用模拟电话系统传输数字信号 （带通）调制解调：将计算机输出的数字信号转换（带通）调制解调：将计算机输出的数字信号转换为频率范围为为频率范围为4KHZ的（带通）模拟信号来传输。的（带通）模拟信号来传输。调制（调制（Modulation） : 发送前，把数字数据

35、转换为（装载到）模拟信号发送前，把数字数据转换为（装载到）模拟信号解调（解调（Demodulation) : 接收时，把模拟信号转换为（提取出）数字数据接收时，把模拟信号转换为（提取出）数字数据完成上述功能的设备就称为调制解调器完成上述功能的设备就称为调制解调器Modem 计算机网络原理计算机网络原理 金可音金可音 欢迎学生使用欢迎学生使用 计算机与通信学院计算机与通信学院 载波通信的优点载波通信的优点 可以利用原有的通信资源进行计算机通信可以利用原有的通信资源进行计算机通信20世纪，家庭主要通过电话接入网上网。世纪，家庭主要通过电话接入网上网。 不需放大可传输较远。不需放大可传输较远。 载波

36、模拟信号频带窄，占用的信道带宽少载波模拟信号频带窄，占用的信道带宽少便于实现多路复用便于实现多路复用(见见 2.4)一条物理信道同时传送多路载波模拟信号一条物理信道同时传送多路载波模拟信号载波传输又称为宽带传输。载波传输又称为宽带传输。 计算机网络原理计算机网络原理 金可音金可音 欢迎学生使用欢迎学生使用 计算机与通信学院计算机与通信学院调制原理调制原理 用正弦信号用正弦信号(模拟信号模拟信号)运载数字信息运载数字信息这个正弦信号称为载波信号这个正弦信号称为载波信号 正弦载波信号正弦载波信号y(t) =A Sin ( 2ft +)是模拟信号是模拟信号正弦函数的三个重要参量：正弦函数的三个重要参

37、量： 幅度幅度A、频率、频率f、初相角、初相角。 调制：用待发送的数字信号控制正弦载波的某个参调制：用待发送的数字信号控制正弦载波的某个参量，使这些参量随数字信号变化，得到频率范围为量，使这些参量随数字信号变化，得到频率范围为4K的载波模拟信号的载波模拟信号调制波仍是模拟信号，适合于模拟线路传送。调制波仍是模拟信号，适合于模拟线路传送。 计算机网络原理计算机网络原理 金可音金可音 欢迎学生使用欢迎学生使用 计算机与通信学院计算机与通信学院载波通信系统的简单模型载波通信系统的简单模型模拟模拟线路线路信源信源调调制制解解调调器器1 0 11 0 1 调调制制解解调调器器信宿信宿噪声噪声1 0 1

38、1 0 1通信子网调制解调器调制解调器调制解调器调制解调器 计算机网络原理计算机网络原理 金可音金可音 欢迎学生使用欢迎学生使用 计算机与通信学院计算机与通信学院三种最基本的调制方法三种最基本的调制方法 根据调制参数的不同：根据调制参数的不同： 最基本的二元制调制方法有以下三种：最基本的二元制调制方法有以下三种：调幅调幅(AM):载波的载波的振幅振幅随基带数字信号而变化随基带数字信号而变化 调频调频(FM):载波的载波的频率频率随基带数字信号而变化随基带数字信号而变化调相调相(PM):载波的载波的初相角初相角随基带数字信号而变化随基带数字信号而变化 调幅调幅=移幅键控移幅键控ASK(Ampli

39、tude Shift Keying)Amplitude Shift Keying)调频调频=移频键控移频键控FSK(Frequency Shift KeyingFrequency Shift Keying)调相调相=移相键控移相键控PSK(Phase Shift KeyingPhase Shift Keying) 正弦函数的三个重要参量：正弦函数的三个重要参量： 幅度幅度A、频率、频率f、初相角、初相角 计算机网络原理计算机网络原理 金可音金可音 欢迎学生使用欢迎学生使用 计算机与通信学院计算机与通信学院（1） 调幅调幅AM/幅移键控幅移键控ASK ASK：( Amplitude-Shift

40、Keying) 用二进制数据控制载波的幅度用二进制数据控制载波的幅度如，振幅为如，振幅为A表示表示1，振幅为，振幅为0表示表示0载波载波发生器发生器 k1 0 0 1 数码序列数码序列1 0 0 1振幅调制功能框图振幅调制功能框图 计算机网络原理计算机网络原理 金可音金可音 欢迎学生使用欢迎学生使用 计算机与通信学院计算机与通信学院（2） 调频调频FM/移频键控移频键控FSK FSK(Frequency Shift KeyingFrequency Shift Keying) 用二进制数据控制载波的频率用二进制数据控制载波的频率如：如：1270Hz的载波信号的载波信号f1表示表示1 1070Hz

41、的载波信号的载波信号f2表示表示0载波载波f1发生器发生器 k载波载波f2发生器发生器1 0 0 1 数码序列数码序列1 0 0 1频率调制功能框图频率调制功能框图 计算机网络原理计算机网络原理 金可音金可音 欢迎学生使用欢迎学生使用 计算机与通信学院计算机与通信学院（3） 调相调相PM/移相键控移相键控PSK PSK(Phase Shift Keying) PSK(Phase Shift Keying) ：用二进制数据控制载波的初相角用二进制数据控制载波的初相角:如：初相角为如：初相角为0 表示表示1，初相角为，初相角为 表示表示0载波载波f1发生器发生器 k1 0 0 1 数码序列数码序列

42、1 0 0 1反向器反向器相位调制功能框图相位调制功能框图 计算机网络原理计算机网络原理 金可音金可音 欢迎学生使用欢迎学生使用 计算机与通信学院计算机与通信学院2.3.4 基带通信和基带调制（补充教材）基带通信和基带调制（补充教材） 为什么要基带调制为什么要基带调制基带信号含有很宽的频带基带信号含有很宽的频带包括低频分量、甚至包括直流分量包括低频分量、甚至包括直流分量 许多数字信道不能直接传送这些基带信号许多数字信道不能直接传送这些基带信号发送、接收的时钟有误差，连续发送多个数字信号，发送、接收的时钟有误差，连续发送多个数字信号，会产生接收错误会产生接收错误 发送发送100个码元，接收到个码

43、元，接收到101个个 发送的第发送的第100位是位是1，接收的是，接收的是0 需要位同步信号需要位同步信号 计算机网络原理计算机网络原理 金可音金可音 欢迎学生使用欢迎学生使用 计算机与通信学院计算机与通信学院补充：位同步的概念补充：位同步的概念 (难点，非重点难点，非重点) 问题的提出问题的提出接收数据：按双方约定的周期接收数据：按双方约定的周期T采样信号采样信号实际系统，任二个时钟不可能完全相等实际系统，任二个时钟不可能完全相等当二个时钟误差累积值较大时当二个时钟误差累积值较大时 （如，超过码元宽度（如，超过码元宽度T的一半），的一半），就产生差错就产生差错(比特重读或漏读比特重读或漏读)

44、。t发送发送 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 TsTr接收接收 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 0发送方时钟发送方时钟Ts 接收方时钟接收方时钟Tr产生差错产生差错 计算机网络原理计算机网络原理 金可音金可音 欢迎学生使用欢迎学生使用 计算机与通信学院计算机与通信学院曼特斯特曼特斯特(Manchester)编码编码（ 3.3.2，P80 ） 每个码元中间有跳变，既作数据信号，又作位同步每个码元中间有跳变，既作数据信号，又作位同步 0:先低后高，先低后高，1:先高后低先高后低（或，（或，0:0:先高后低，先高后低，1:1:先低后高）先低后高）曼特斯特码曼特斯特码二进制编码二进

45、制编码比特流比特流 1 0 0 0 1 1 0 计算机网络原理计算机网络原理 金可音金可音 欢迎学生使用欢迎学生使用 计算机与通信学院计算机与通信学院2.4 信道的极限容量（信道的极限容量（ 2.2.3 ） 复习第复习第1讲：讲：速率：每秒钟传送的信息量速率：每秒钟传送的信息量 (比特数，二进制位数比特数，二进制位数)。 单位：单位： b/s，bit/s, bps也称为信息传输速率，发送速率、数据速率也称为信息传输速率，发送速率、数据速率又称为又称为“比特率比特率R”、比特传输率、比特传输率 这里的这里的“容量容量”：指速率（信息传输速率）：指速率（信息传输速率） 本小节：本小节：码元传输率（

46、波特率码元传输率（波特率 ）N元码元码信道的最高码元传输速率信道的最高码元传输速率信道的极限信息传输速率信道的极限信息传输速率 计算机网络原理计算机网络原理 金可音金可音 欢迎学生使用欢迎学生使用 计算机与通信学院计算机与通信学院术语：码元术语：码元 码元码元(code)信号的基本单位（在时间域不可再分）信号的基本单位（在时间域不可再分）教材：在使用时间域（或简称为时域）的波形表示数教材：在使用时间域（或简称为时域）的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形字信号时，代表不同离散数值的基本波形 计算机网络原理计算机网络原理 金可音金可音 欢迎学生使用欢迎学生使用 计算机与通信学院计算机与

47、通信学院波特率波特率B（码元传输率）（码元传输率） 波特率波特率B（码元率、调制速率、波形速率或符号速率码元率、调制速率、波形速率或符号速率 ）：）：每秒传输的码元数。每秒传输的码元数。单位：单位： 码元个数码元个数/每秒，简称每秒，简称Baud、波特、波特 直观理解：在图示波形下，直观理解：在图示波形下，波特率脉冲信号的突变次数波特率脉冲信号的突变次数信号每秒钟变化的次数。信号每秒钟变化的次数。0 1 0 1 0 1 0 1 0 1t 计算机网络原理计算机网络原理 金可音金可音 欢迎学生使用欢迎学生使用 计算机与通信学院计算机与通信学院区别区别 比较比较1码元码元率率B：码元传输率：码元传输

48、率=信号传输率信号传输率比特比特率率R：比特传输率：比特传输率=信息传输率信息传输率 比较比较2：波特：波特(Baud)和比特和比特(bit)是两个不同的概念。是两个不同的概念。 波特波特是码元传输的速率单位是码元传输的速率单位 （每秒传多少个码元）。（每秒传多少个码元）。比特比特是信息量的单位。是信息量的单位。 计算机网络原理计算机网络原理 金可音金可音 欢迎学生使用欢迎学生使用 计算机与通信学院计算机与通信学院N元码元码 码元：最小的码元：最小的信号单位信号单位 N元码：一个码元可以表示元码：一个码元可以表示N个不同的状态个不同的状态 0 1 1 1 0 0 1 0四元码，四四元码，四个状

49、态：右图，个状态：右图， 例：例： 0V00， 2V01， 4V10， 6V11一个码元含一个码元含2bit信息信息 二元码：二个状态，例：二元码：二个状态，例：0V0，5V脉冲脉冲1 二元码的一个码元含二元码的一个码元含1bit信息信息 （Bit=比特：比特：信息量的单位信息量的单位 ） 计算机网络原理计算机网络原理 金可音金可音 欢迎学生使用欢迎学生使用 计算机与通信学院计算机与通信学院N元码元码 例，八元码，八个状态：例，八元码，八个状态：用用8种不同相位调整的载波信号种不同相位调整的载波信号3位位0/1码有八个状态码有八个状态所以，一个八元码可以表示所以，一个八元码可以表示3bit信息

50、信息 结论：一个结论：一个n元码的码元可以表示（元码的码元可以表示（logn）bit信息信息 计算机网络原理计算机网络原理 金可音金可音 欢迎学生使用欢迎学生使用 计算机与通信学院计算机与通信学院比特率比特率R与波特率与波特率B的关系的关系 一个一个n元码的码元可以表示（元码的码元可以表示（logn）bit信息信息 所以，所以，R=B log n （n元码）元码） 例：二元码：例：二元码：R=B，比特率和波特率相同，比特率和波特率相同， 例例:八元码：八元码：R=B log 83B,每个码元表示每个码元表示3位信息，比特率是波特率的倍。位信息，比特率是波特率的倍。 计算机网络原理计算机网络原理

51、 金可音金可音 欢迎学生使用欢迎学生使用 计算机与通信学院计算机与通信学院（1）信道的最高码元传输速率）信道的最高码元传输速率 数字信号通过实际信道时会有衰减和失真数字信号通过实际信道时会有衰减和失真实际的信道实际的信道（带宽受限、有噪声、干扰和失真）（带宽受限、有噪声、干扰和失真）发送信号波形发送信号波形接收信号波形接收信号波形发送信号波形发送信号波形实际的信道实际的信道（带宽受限、有噪声、干扰和失真）（带宽受限、有噪声、干扰和失真）接收信号波形接收信号波形失真较大时，接收方无法识别失真较大时，接收方无法识别 0、1失真较小时，接收方可以识别失真较小时，接收方可以识别 0、1（码间串扰）（码

52、间串扰） 计算机网络原理计算机网络原理 金可音金可音 欢迎学生使用欢迎学生使用 计算机与通信学院计算机与通信学院信道的最高码元传输速率信道的最高码元传输速率 码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远，在码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远，在信道的输出端的波形的失真就越严重。信道的输出端的波形的失真就越严重。所以，信道所能传输的最高码元传输是有限的所以，信道所能传输的最高码元传输是有限的 参考：原理上参考：原理上失真：不同频率的分量衰减不同失真：不同频率的分量衰减不同发送信号波形发送信号波形实际的信道实际的信道（带宽受限、有噪声、干扰和失真）（带宽受限、有噪声、干扰和失真）接收信号波形接收

53、信号波形 计算机网络原理计算机网络原理 金可音金可音 欢迎学生使用欢迎学生使用 计算机与通信学院计算机与通信学院预备知识：二种理想信道预备知识：二种理想信道 理想低通信道理想低通信道 理想带通信道理想带通信道不能通过能通过0频率(Hz)W (Hz) fc不能通过能通过0频率(Hz)W (Hz) 不能通过f1 f2 计算机网络原理计算机网络原理 金可音金可音 欢迎学生使用欢迎学生使用 计算机与通信学院计算机与通信学院信道的最高码元传输速率信道的最高码元传输速率，奈氏，奈氏(Nyquist)准则准则 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 BaudW 是理想低通信道

54、的带宽，单位为赫芝(Hz) 例，例，带宽W=3K不能通过能通过0频率(Hz)W (Hz) Fc=3k最高码元传输速率最高码元传输速率 = 2W6k如果采用二元码，最高信息传输速率为如果采用二元码，最高信息传输速率为6000bit 计算机网络原理计算机网络原理 金可音金可音 欢迎学生使用欢迎学生使用 计算机与通信学院计算机与通信学院应用应用 奈氏准则制约了码元传输率，奈氏准则制约了码元传输率，提高码元的信息量提高码元的信息量提高信息传输率提高信息传输率提高码元信息量的方法之一：多元码提高码元信息量的方法之一：多元码不能通过能通过0频率(Hz)W (Hz) Fc=3k 最高码元传输速率最高码元传输

55、速率 = 2W6k如果采用二元码，最高信息传输速率为如果采用二元码，最高信息传输速率为6000bit如果如果采用八元码，最高信息传输速率为采用八元码，最高信息传输速率为18000bit 计算机网络原理计算机网络原理 金可音金可音 欢迎学生使用欢迎学生使用 计算机与通信学院计算机与通信学院说明说明 实际的信道所能传输的最高码元速率，实际的信道所能传输的最高码元速率， 比奈氏准则给出的上限值要低。比奈氏准则给出的上限值要低。 计算机网络原理计算机网络原理 金可音金可音 欢迎学生使用欢迎学生使用 计算机与通信学院计算机与通信学院（2）信道的极限信息传输速率：）信道的极限信息传输速率：香农定理香农定理先给出结论，并加以比较。先给出结论，并加以比较。 信道带宽信道带宽W不变时，不变时，奈氏准则：给出最高奈氏准则：给出最高码元码元传输速率传输速率 2W启发：提高码元的信息量启发：提高码元的信息量提高信息传输率提高信息传输率香农定理：给出最高香农定理：给出最高信息信息传输速率传输速率（ 教材教材p40L1 ） 启发：提高信号的功率启发：提高信号的功率提高信息传输率提高信息传输率， 计算机网络原理计算机网络原理 金可音金可音 欢迎学生使用欢迎学生使用 计算机与通信学院计算机与通信学院信道的极限信息传输速率信道的极限信息传输速率（ 教材教材p40 ） 带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极