第3章物理层.

1、计算机网络原理计算机网络原理主讲人主讲人 吴志聪吴志聪第三章第三章 物理层物理层l本章物理层是计算机网络体系结构中的最低层，其功本章物理层是计算机网络体系结构中的最低层，其功能是为数据链路层提供比特流传输服务，物理层与数能是为数据链路层提供比特流传输服务，物理层与数据通信系统有着直接的联系，主要介绍物理层接口与据通信系统有着直接的联系，主要介绍物理层接口与协议、传输介质、数据通信技术、数据编码技术和时协议、传输介质、数据通信技术、数据编码技术和时钟同步、调制解调器、钟同步、调制解调器、ADSL和数据交换技术。和数据交换技术。l3.1 物理接口与协议物理接口与协议l3.2 传输介质传输介质l3.

2、3 数据通信技术数据通信技术l3.4 数据编码技术数据编码技术l3.5 数据交换技术数据交换技术学习目的与要求学习目的与要求l要求了解物理层提供的为建立、维护和拆除物理链路所需的机要求了解物理层提供的为建立、维护和拆除物理链路所需的机械的、电气的、功能的和规程的特性；械的、电气的、功能的和规程的特性； l理解理解EIA RS-232C和和EIA RS-449接口标准；接口标准；l了解计算机网络中所采用的双绞线、同轴电缆、光导纤维、无了解计算机网络中所采用的双绞线、同轴电缆、光导纤维、无线通信等传输介质的传输特性；线通信等传输介质的传输特性；l理解理解数据传输速率、误码率、信道容量等主要指标的定

3、义并数据传输速率、误码率、信道容量等主要指标的定义并掌掌握握它们的计算方法；它们的计算方法；l理解理解各种通信方式、编码方式、时钟同步方法、多路复用技术、各种通信方式、编码方式、时钟同步方法、多路复用技术、异步传输和同步传输方法的工作原理和特点；异步传输和同步传输方法的工作原理和特点；l理解理解调制解调器和调制解调器和ADSL的工作原理及性能；的工作原理及性能；l理解理解电路交换、报文交换和分组交换技术的概念、工作原理和电路交换、报文交换和分组交换技术的概念、工作原理和各自的特点。各自的特点。3.1 物理接口与协议l课程内容与考核知识点课程内容与考核知识点l（1） 物理层的定义和功能，物理层的

4、定义和功能，DTE、DCE的定义。的定义。l（2）常用的）常用的25芯、芯、9芯连接器标准。芯连接器标准。l（3） 非平衡方式、采用差动接收器的非平衡方式及平衡方非平衡方式、采用差动接收器的非平衡方式及平衡方式三种电气连接方式。式三种电气连接方式。l（4）数据、控制、定时及接地四类接口信号线。）数据、控制、定时及接地四类接口信号线。l（5）规程特性。）规程特性。l（6） EIA RS-232C接口标准。接口标准。l（7） EIA RS-449及及EIA RS-422和和EIA RS-423接口标准。接口标准。l（8）100系列和系列和200系列接口标准，系列接口标准，X.21、X.21 bis

5、建议。建议。3.1.1物理层接口物理层接口（识记识记）l物理层协议规定了与建立、维持及断开物理信道所需物理层协议规定了与建立、维持及断开物理信道所需的机械的、电气的、功能性的和规程性的特性的机械的、电气的、功能性的和规程性的特性 。lOSI中定义为：在物理信道实体之间合理地通过中间中定义为：在物理信道实体之间合理地通过中间系统，为比特传输所需的物理连接的激活、保持和去系统，为比特传输所需的物理连接的激活、保持和去除提供机械的、电气的、功能的和规程性的手段。除提供机械的、电气的、功能的和规程性的手段。lX.25中定义为：利用物理的、电气的、功能的和规程中定义为：利用物理的、电气的、功能的和规程的

6、特性在的特性在DTE和和DCE之间实现对物理信道的建立、保之间实现对物理信道的建立、保持和拆除功能。持和拆除功能。l物理层的功能：通过物理信道在相邻网络节点之间正物理层的功能：通过物理信道在相邻网络节点之间正确的收、发比特流信息。确的收、发比特流信息。DTE和和DCE （识记识记）lDTE（Data Terminal Equipment）数据终端）数据终端设备，是对属于用户所有的连网设备或工作站，设备，是对属于用户所有的连网设备或工作站，它们是通信的信源和信宿；它们是通信的信源和信宿；lDCE（Data Communication Equipment ）数据电路终接设备或数据通信设备，是对为用

7、数据电路终接设备或数据通信设备，是对为用户提供入网连接点的网络设备的统称。户提供入网连接点的网络设备的统称。3.1.2 物理层的功能和提供的服务物理层的功能和提供的服务l机械特性机械特性l规定规定DTE-DCE连接器的几何尺寸、插针或插孔芯连接器的几何尺寸、插针或插孔芯数及排列方式、锁定装置形式等。数及排列方式、锁定装置形式等。l常用的常用的25芯、芯、9芯连接器标准芯连接器标准（识记识记）12345678910111213141516171819202122232425图2.50 EIA-232-D 25根引脚编号图电气特性电气特性l规定了电气连接及有关电路的特性。规定了电气连接及有关电路的

8、特性。lDTE和和DCE接口的各根导线的电气连接方式有三种：（领会）接口的各根导线的电气连接方式有三种：（领会）l非平衡方式非平衡方式l每个电路使用一个根导线，收发两个方向共用一根信号地线，会每个电路使用一个根导线，收发两个方向共用一根信号地线，会产生比较大的串扰。产生比较大的串扰。l采用差动接收器的非平衡方式采用差动接收器的非平衡方式l发送器使用非平衡方式，但接收器使用差动接收器，每个方向都发送器使用非平衡方式，但接收器使用差动接收器，每个方向都使用独立的信号地线，串扰信号较小。使用独立的信号地线，串扰信号较小。l平衡方式平衡方式l使用平衡发送器和差动接收器，每个电路采用两根导线，构成各使用

9、平衡发送器和差动接收器，每个电路采用两根导线，构成各自完全独立的信号回路，串扰信号减至最小。自完全独立的信号回路，串扰信号减至最小。(a)非平衡发送器非平衡发送器 接收器接收器 (b)非平衡发送器非平衡发送器 差动接收器差动接收器(c)平衡发送器平衡发送器 差动接收器差动接收器 RS-232C功能特性与规程特性功能特性与规程特性l功能特性功能特性l规定了接口信号的来源、作用以及其它信号之间的规定了接口信号的来源、作用以及其它信号之间的关系。关系。l接口信号按功能一般可分为数据信号线、控制信号接口信号按功能一般可分为数据信号线、控制信号线、定时信号线及接地线四类。线、定时信号线及接地线四类。 （

10、识记识记）l指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义。指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义。l规程特性规程特性l规定了使用交换电路进行数据交换的控制步骤，这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。些控制步骤的应用使得比特流传输得以完成。l指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。3.1.3 物理层协议举例物理层协议举例lEIA RS-232C是由美国电子工业协会是由美国电子工业协会EIA在在1969年颁布的串行物理接口标准。年颁布的串行物理接口标准。lRS的意思是的意思是“推荐标准推荐标准”l23

11、2是标识号码是标识号码l后缀后缀“C”则表示该推荐标准已被修改过的次数。则表示该推荐标准已被修改过的次数。lEIA RS-232C接口标准是一种串行物理接口标接口标准是一种串行物理接口标准，提供了一个利用公共电话网络作为传输介准，提供了一个利用公共电话网络作为传输介质，并通过调制解调器将远程设备连接起来的质，并通过调制解调器将远程设备连接起来的技术标准；技术标准；lEIA RS-232C用于控制用于控制DTE与与DCE之间的通信之间的通信公共电话公共电话交换网交换网DTE 计算机计算机DCE MODEMRS-232-C接接口口DTE 计算机计算机DCE MODEMRS-232-C接接口口零调制

12、解调器零调制解调器lEIA RS-232C用于两台近地设备的连接时，为用于两台近地设备的连接时，为使电缆两端的使电缆两端的DTE通过电缆看过方都好像是通过电缆看过方都好像是DCE，可以使用交叉跳线的电缆直接连接（零，可以使用交叉跳线的电缆直接连接（零调制解调器）。调制解调器）。零调制解调器零调制解调器RS-232C的的DTE-DTE连接连接 (a)为完整型连接 (b)为简单型连接 EIA RS-232C接口标准（领会）接口标准（领会）(1)机械特性：使用机械特性：使用25芯的标准连接器，实际应用中常做变芯的标准连接器，实际应用中常做变通性简化，可使用一个通性简化，可使用一个9芯的标准连接器将不

13、常用的信号芯的标准连接器将不常用的信号线舍弃。线舍弃。(2)电气特性：逻辑电气特性：逻辑“1”的电平为的电平为-15V-5V，逻辑，逻辑“0”的电的电平为平为+5V+15V，有更强的抗干扰性。最大距离仅有，有更强的抗干扰性。最大距离仅有15m。通信速率分为通信速率分为150、300、600、1200、2400、4800、9600和和19200bps等几档。等几档。(3)功能特性：定义了功能特性：定义了25芯标准连接器中的芯标准连接器中的20根信号根信号线，其中线，其中2根地线、根地线、4根数据线、根数据线、11根控制线、根控制线、3根定时信号线。根定时信号线。 下图是常用的下图是常用的10根信

14、号线：根信号线：(1) 保护地线(2) 发送数据(3) 接收数据(4) 请求发送(5) 清除发送(6) 数据设备 就绪(7) 信号地线(8) 载波检测(20) 数据终端 就绪(22) 振铃指示DTEDCE计算机或终端调制解调器(4)规程特性：规程特性：RS-232C的工作过程是在各根控制信的工作过程是在各根控制信号线有序的号线有序的“ON”和和“OFF”状态的配合下进行的。状态的配合下进行的。 EIA RS-232接口标准采用非平衡发送和接收方接口标准采用非平衡发送和接收方式，有两个较大的弱点，即数据传输速率最高不式，有两个较大的弱点，即数据传输速率最高不超过超过20Kbps，连接电缆的最大长

15、度不超过，连接电缆的最大长度不超过15m。EIA RS-449及及EIA RS-422和和EIA RS-423接口标准（领会）接口标准（领会）lEIA RS-422电气标准是平衡方式标准，采用电气标准是平衡方式标准，采用平衡发送器和差动接收器，采用完全独立的双平衡发送器和差动接收器，采用完全独立的双线平衡传输。线平衡传输。lEIA RS-423电气标准是非平衡标准，采用非电气标准是非平衡标准，采用非平衡发送器和差动接收器。平衡发送器和差动接收器。lEIA RS-422和和EIA RS-423是是EIA RS-449的子的子标准。标准。EIA RS-232C及及EIA RS-422和和EIA R

16、S-423接口标准比较接口标准比较接口标准接口标准电气标准电气标准信号电平信号电平传输速率传输速率传输距离传输距离EIA RS-232C非平衡方式非平衡方式15V（5V过过渡区渡区）20Kbps15mEIA RS-422平衡方式平衡方式6V（2V过过渡区渡区）10Mbps100Kbps10m1000mEIA RS-423差动接收器差动接收器的非平衡方的非平衡方式式6V（4V过过渡区渡区）100Kbps10Kbps10m100m100系列和系列和200系列接口标准系列接口标准（识记识记）l100系列接口标准是系列接口标准是DTE与不带自动呼叫设备与不带自动呼叫设备的的DCE（如调制解调器）之间的

17、接口；（如调制解调器）之间的接口；l传输速率为传输速率为200bps-9600bps是采用是采用25芯标准芯标准,电气电气特性采用特性采用V.28l传输速率达到传输速率达到48kbps时采用时采用34芯标准，电气特性芯标准，电气特性采用采用V.35l200系列接口标准是系列接口标准是DTE与带自动呼叫设备的与带自动呼叫设备的DCE （如网络控制器）之间的接口。（如网络控制器）之间的接口。l采用采用25芯标准，电气特性采用芯标准，电气特性采用V.28X.21、X.21 bis建议建议（识记识记）lITU对对DTE-DCE的接口标准有的接口标准有V系列和系列和X系列两大类系列两大类建议建议 lV系

18、列接口标准一般指数据终端设备与调制解调器或网络控系列接口标准一般指数据终端设备与调制解调器或网络控制器之间的接口制器之间的接口 ，除了数据线、还有控制线，接口复杂，除了数据线、还有控制线，接口复杂lX系列接口适用于公共数据网的宅内电路终接设备和数据终系列接口适用于公共数据网的宅内电路终接设备和数据终端设备之间的接口，定义的信号线少，是一种比较简单的接端设备之间的接口，定义的信号线少，是一种比较简单的接口口 lX.21是关于用户计算机的是关于用户计算机的DTE如何与数字化的如何与数字化的DCE交交换信号的数字接口标准；换信号的数字接口标准；l采用采用15芯标准连接器，支持最大的芯标准连接器，支持

19、最大的DTE-DCE电缆距离是电缆距离是300m，传输速度最大可达，传输速度最大可达10Mbps。lX.21 bis是用于公共数据网中的与是用于公共数据网中的与V系列调制解调器系列调制解调器接口的建议。接口的建议。 lX.21和和X.21 bis为三种类型的服务定义了物理电路，为三种类型的服务定义了物理电路，这三种服务是：租用电路服务，直接呼叫服务和设备这三种服务是：租用电路服务，直接呼叫服务和设备地址呼叫服务。地址呼叫服务。3.2 传输介质传输介质l传输介质是通信网络中发送方和接收方之间的传输介质是通信网络中发送方和接收方之间的物理通路物理通路,主要分为有线和无线两大类主要分为有线和无线两大

20、类:l有线有线:双绞线、同轴电缆、光纤双绞线、同轴电缆、光纤l无线无线:无线电、微波、红外、激光无线电、微波、红外、激光双绞线的结构双绞线的结构l双绞线是利用一对相互绝缘的金属导线互相绞合，从而抵御一部分外界电磁双绞线是利用一对相互绝缘的金属导线互相绞合，从而抵御一部分外界电磁波干扰。把两根绝缘的铜导线按一定密度互相绞在一起，每一根导线在传输波干扰。把两根绝缘的铜导线按一定密度互相绞在一起，每一根导线在传输中辐射的电磁波会被另一根线上发出的电磁波抵消，可以降低信号干扰的程中辐射的电磁波会被另一根线上发出的电磁波抵消，可以降低信号干扰的程度。度。“双绞线双绞线”的名字也是由此而来。如下图所示。的

21、名字也是由此而来。如下图所示。l在双绞线电缆内，不同线对具有不同的扭绞密度，一般情况下，扭线越密其在双绞线电缆内，不同线对具有不同的扭绞密度，一般情况下，扭线越密其抗干扰能力就越强。与其他传输介质相比，双绞线在传输距离、信道宽度和抗干扰能力就越强。与其他传输介质相比，双绞线在传输距离、信道宽度和数据传输速度等方面均受到一定限制，但价格较为低廉。数据传输速度等方面均受到一定限制，但价格较为低廉。双绞线的分类双绞线的分类l双绞线可分为双绞线可分为STP（Shielded Twisted Pair，屏蔽双绞线）和屏蔽双绞线）和UTP（Unshielded Twisted Paired，非屏蔽双绞线）

22、两大类。，非屏蔽双绞线）两大类。STP外面由一层金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输速率属材料包裹，以减小辐射，防止信息被窃听，同时具有较高的数据传输速率，但价格较高，安装也比较复杂；，但价格较高，安装也比较复杂；UTP无金属屏蔽材料，外面只有一层绝缘无金属屏蔽材料，外面只有一层绝缘胶皮包裹，价格相对便宜，组网灵活。除某些特殊场合（如受电磁辐射严重胶皮包裹，价格相对便宜，组网灵活。除某些特殊场合（如受电磁辐射严重、对传输质量要求较高等）在布线中使用、对传输质量要求较高等）在布线中使用STP外，一般情况下多采用外，一般情况下多采用UTP，所以如果没有特殊说

23、明，在应用中所指的双绞线一般是指所以如果没有特殊说明，在应用中所指的双绞线一般是指UTP。具体分类如。具体分类如下表所示。下表所示。双绞线的特点双绞线的特点l双绞线具有很多优点：直径小、重量轻、价格低、安装容双绞线具有很多优点：直径小、重量轻、价格低、安装容易、维护方便等，在计算机网络传输中应用广泛。但由于易、维护方便等，在计算机网络传输中应用广泛。但由于其传输距离短，传输速度慢，所以一般不应用于主干网，其传输距离短，传输速度慢，所以一般不应用于主干网，只用于一幢或几幢建筑物内的计算机之间的互连，特别适只用于一幢或几幢建筑物内的计算机之间的互连，特别适于局域网的通信。于局域网的通信。同轴电缆的

24、结构同轴电缆的结构l同轴电缆由一个空心圆柱体金属（外导体）套在一根硬铜同轴电缆由一个空心圆柱体金属（外导体）套在一根硬铜线（内导体）外面，内外导体之间填入由聚氯乙烯组成的线（内导体）外面，内外导体之间填入由聚氯乙烯组成的绝缘层，一般还在外面套上一个保护套。因为外导体和中绝缘层，一般还在外面套上一个保护套。因为外导体和中心轴芯线（内导体）的圆心在同一个轴心上，所以叫做同心轴芯线（内导体）的圆心在同一个轴心上，所以叫做同轴电缆，其结构如下图所示。同轴电缆之所以如此设计，轴电缆，其结构如下图所示。同轴电缆之所以如此设计，既是为了防止外部电磁波干扰正常信号的传递，也增强了既是为了防止外部电磁波干扰正常

25、信号的传递，也增强了数据传输的安全性。数据传输的安全性。同轴电缆的分类同轴电缆的分类l同轴电缆按直径分为粗缆与细缆。两者的对比如下图和下同轴电缆按直径分为粗缆与细缆。两者的对比如下图和下表所示。表所示。l粗缆的传输距离较远，而且传输衰耗小、标准传输距离长、可靠性高，粗缆的传输距离较远，而且传输衰耗小、标准传输距离长、可靠性高，所以适用于比较大型的局域网。安装时不需要切断电缆，可根据需求灵所以适用于比较大型的局域网。安装时不需要切断电缆，可根据需求灵活调整计算机接入网络的位置。活调整计算机接入网络的位置。l细缆安装则比较简单，造价低，但由于安装过程要切断电缆，两头须装细缆安装则比较简单，造价低，

26、但由于安装过程要切断电缆，两头须装上网络连接头（上网络连接头（BNC），然后接在），然后接在T型连接器两端，所以当接头多时容易型连接器两端，所以当接头多时容易产生接触不良的问题，这是细缆网中最常见的故障之一。产生接触不良的问题，这是细缆网中最常见的故障之一。同轴电缆的分类同轴电缆的分类l按用途分类按用途分类l同轴电缆按用途分为基带同轴电缆和宽带同轴电缆，即网络同轴电缆和视频同轴电缆按用途分为基带同轴电缆和宽带同轴电缆，即网络同轴电缆和视频同轴电缆。同轴电缆。l基带同轴电缆是为数据通信用的，用于传送基带数字信号，不使用基带同轴电缆是为数据通信用的，用于传送基带数字信号，不使用Modem，因此比宽

27、带同轴电缆经济，适合距离较短、速度要求较低的局，因此比宽带同轴电缆经济，适合距离较短、速度要求较低的局域网，其特性阻抗为域网，其特性阻抗为50 。l宽带同轴电缆用于模拟传输系统，它是公用天线电视系统宽带同轴电缆用于模拟传输系统，它是公用天线电视系统CATV中的标准中的标准传输电缆，在这种电缆上传输的信号采用频分复用的宽带信号。宽带同传输电缆，在这种电缆上传输的信号采用频分复用的宽带信号。宽带同轴电缆传输速率较高，传输距离较远，但成本较高，其特性阻抗为轴电缆传输速率较高，传输距离较远，但成本较高，其特性阻抗为75 。光纤的结构光纤的结构l光纤是一种细而柔软、能够传输光信号的通信媒体。光纤由内到外

28、分为三层光纤是一种细而柔软、能够传输光信号的通信媒体。光纤由内到外分为三层：中间是由透明的石英玻璃拉成的直径为：中间是由透明的石英玻璃拉成的直径为50100m 细丝作为纤芯，纤芯细丝作为纤芯，纤芯外再包裹一层折射率比纤芯低的包层，最外面是一层塑料护套，用来保护光外再包裹一层折射率比纤芯低的包层，最外面是一层塑料护套，用来保护光纤，如下图所示。纤，如下图所示。l由于光纤本身质地较脆，易断裂，直接与外界接触易产生接触伤痕，甚至被由于光纤本身质地较脆，易断裂，直接与外界接触易产生接触伤痕，甚至被折断，因此在实际通信线路中，光纤通常被捆扎成束做成光缆。光缆由内到折断，因此在实际通信线路中，光纤通常被捆

29、扎成束做成光缆。光缆由内到外的结构为：光纤、缓冲层及披覆；一根光缆可以包括一至数百根光纤，再外的结构为：光纤、缓冲层及披覆；一根光缆可以包括一至数百根光纤，再加上加强芯和填充物，最后加上包层和护套，大大提高其机械强度，满足了加上加强芯和填充物，最后加上包层和护套，大大提高其机械强度，满足了工程施工的强度要求。工程施工的强度要求。注意：注意： “光纤光纤”与与“光缆光缆”两个名词常被混淆。多数光纤在使用前必须由几层保护结构包覆，包覆后的缆线即两个名词常被混淆。多数光纤在使用前必须由几层保护结构包覆，包覆后的缆线即称为光缆。光纤外层的保护结构可防止周遭环境对光纤的伤害，如水、火、电击等。称为光缆。

30、光纤外层的保护结构可防止周遭环境对光纤的伤害，如水、火、电击等。光纤的传输原理光纤的传输原理l光导纤维是由两层折射率不同的玻璃组成的，内层纤芯玻璃的折射率高于其光导纤维是由两层折射率不同的玻璃组成的，内层纤芯玻璃的折射率高于其外部包层玻璃的折射率。当光线从高折射率的介质射向低折射率的介质时，外部包层玻璃的折射率。当光线从高折射率的介质射向低折射率的介质时，其折射角将大于入射角。因此，如果折射角足够大，就会出现全反射，光线其折射角将大于入射角。因此，如果折射角足够大，就会出现全反射，光线碰到包层时就会折射回纤芯，这个过程不断重复，光线在界面经过无数次的碰到包层时就会折射回纤芯，这个过程不断重复，

31、光线在界面经过无数次的全反射，以锯齿状路线在纤芯内向前传播，最后传至纤维的另一端，如下图全反射，以锯齿状路线在纤芯内向前传播，最后传至纤维的另一端，如下图所示。光纤就是利用这一原理传输信息的。所示。光纤就是利用这一原理传输信息的。光纤的分类光纤的分类l按制造光纤所用的材料不同，可将光纤分为石英系光纤、多组分玻璃光纤按制造光纤所用的材料不同，可将光纤分为石英系光纤、多组分玻璃光纤、塑料包层石英芯光纤、全塑料光纤和氟化物光纤。、塑料包层石英芯光纤、全塑料光纤和氟化物光纤。l按光在光纤中的传输模式可将光纤分为单模光纤和多模光纤。如下图和下按光在光纤中的传输模式可将光纤分为单模光纤和多模光纤。如下图和

32、下表所示。表所示。l按纤芯直径可将光纤分为按纤芯直径可将光纤分为50/125（m）渐变型多模光纤，）渐变型多模光纤，62.5/125（m）缓变增强型多模光纤和）缓变增强型多模光纤和8.3/125（m）突变型单模光纤。）突变型单模光纤。光纤通信系统及特点光纤通信系统及特点l如下图所示，在计算机网络中采用两根光纤（一来一去）组成传输系统。一如下图所示，在计算机网络中采用两根光纤（一来一去）组成传输系统。一般光导纤维电缆由一束光纤组成。在发送端将电信号转换成光信号，在接收般光导纤维电缆由一束光纤组成。在发送端将电信号转换成光信号，在接收端由光检波器还原成电信号，这样信息便可从发送端传到接收端。光源可

33、以端由光检波器还原成电信号，这样信息便可从发送端传到接收端。光源可以采用采用发光二极管发光二极管LED和激光二极管和激光二极管，但激光二极管要比普通发光二极管昂贵，但激光二极管要比普通发光二极管昂贵。l光纤有很多优点：频带宽，传输速率高，传输距离远，抗冲击和电磁干扰性光纤有很多优点：频带宽，传输速率高，传输距离远，抗冲击和电磁干扰性能好，数据保密性好，损耗和误码率低，体积小，重量轻等，所以被广泛用能好，数据保密性好，损耗和误码率低，体积小，重量轻等，所以被广泛用于电信系统中铺设主干线或计算机宽带网的主干网中。但它也存在如连接和于电信系统中铺设主干线或计算机宽带网的主干网中。但它也存在如连接和分

34、支困难，工艺和技术要求高，要配备光电转换设备，单向传输等缺点。由分支困难，工艺和技术要求高，要配备光电转换设备，单向传输等缺点。由于光纤是单向传输，要实现双向传输就需要两根光纤或一根有两个频段的光于光纤是单向传输，要实现双向传输就需要两根光纤或一根有两个频段的光纤，总体造价比较高。纤，总体造价比较高。3.2.4 无线传输介质无线传输介质l无线传输介质通过空间传输，不需要架设和铺无线传输介质通过空间传输，不需要架设和铺埋电缆或光缆埋电缆或光缆l常用技术按照频率由低到高排列有常用技术按照频率由低到高排列有l无线电波、微波、红外线、可见光无线电波、微波、红外线、可见光l由若干小区构成的覆盖区叫做区群

35、。由于区群由若干小区构成的覆盖区叫做区群。由于区群的结构酷似蜂窝，因此人们将小区制移动通信的结构酷似蜂窝，因此人们将小区制移动通信系统叫做蜂窝移动通信系统。在蜂窝移动通信系统叫做蜂窝移动通信系统。在蜂窝移动通信系统中，多址接入方法主要有系统中，多址接入方法主要有3种：频分多址接种：频分多址接入入FDMA、时分多址接入、时分多址接入TDMA与码分多址接与码分多址接入入CDMA。蜂窝移动通信网的设计，涉及。蜂窝移动通信网的设计，涉及OSl参考模型的物理层、数据链路层与网络层。参考模型的物理层、数据链路层与网络层。蜂窝移动通信系统蜂窝移动通信系统微波传输微波传输l微波通信的载波频率为微波通信的载波频

36、率为1OOMHz1OGHz范范围。因为频率高，可同时传送大量信息，用围。因为频率高，可同时传送大量信息，用来传输数字数据，速率可达数来传输数字数据，速率可达数Mbps微波传输塔卫星通信卫星通信 卫星通信具有通信距离远、费用与通信距离无关卫星通信具有通信距离远、费用与通信距离无关、覆盖面积大、不受地理条件的限制、通信信道、覆盖面积大、不受地理条件的限制、通信信道带宽带、可进行多址通信与移动通信的优点，因带宽带、可进行多址通信与移动通信的优点，因此获得了迅速的发展，并成为现代主要的通信手此获得了迅速的发展，并成为现代主要的通信手段之一。段之一。属于卫星和地面站之间的微波通信系属于卫星和地面站之间的

37、微波通信系统统卫星通信地球同步卫星地球同步卫星l与地面站相对固定位置与地面站相对固定位置l使用三颗卫星即可覆盖全球使用三颗卫星即可覆盖全球l传输延迟时间长（传输延迟时间长（270ms）l广播式传输广播式传输l应用领域：应用领域：l电视传输电视传输l长途电话长途电话l专用网络专用网络l广域网广域网35,784km地球地球3.3 数据通信技术数据通信技术l3.3.1 基本概念基本概念(模拟通信和数字通信模拟通信和数字通信)l3.3.2 通信信道通信信道l3.3.3 多路复用技术多路复用技术l3.3.4 异步传输和同步传输异步传输和同步传输3.3.1 基本概念基本概念l数据数据 l数据是对客观事实进

38、行描述与记载的物理符号。数据是对客观事实进行描述与记载的物理符号。l它是信息的载体，可以是数字、文字、语言、图形它是信息的载体，可以是数字、文字、语言、图形和图像等。和图像等。 l信息信息 l信息是数据的集合、含义与解释。信息是数据的集合、含义与解释。l信号信号 l信号是数据传输过程中的表现形式，即信号是数据信号是数据传输过程中的表现形式，即信号是数据的电编码或电磁编码。的电编码或电磁编码。l信号可以分为模拟信号与数字信号。信号可以分为模拟信号与数字信号。n模拟信号模拟信号n时间上和幅度取值都是连续的，包含无穷多个信号值时间上和幅度取值都是连续的，包含无穷多个信号值n模拟信号能在数字信道上传输

39、吗？模拟信号能在数字信道上传输吗？n数字信号数字信号n时间上离散，幅度上是经过量化的，仅包含有限数目的时间上离散，幅度上是经过量化的，仅包含有限数目的信号值。最常见的是二值信号。信号值。最常见的是二值信号。n数字信号能在模拟信道上传输吗？数字信号能在模拟信道上传输吗？模拟信号和数字信号模拟信号和数字信号l信道信道l一般都是用来表示向某一个方向传送信息的媒体。一般都是用来表示向某一个方向传送信息的媒体。l信道和电路并不等同。信道和电路并不等同。l信道分类信道分类l模拟信道模拟信道l只能传输模拟信号只能传输模拟信号l数字信道数字信道l只能传输数字信号只能传输数字信号l信道上传送的信号信道上传送的信

40、号l基带信号：将数字信号基带信号：将数字信号“1”和和“0”用两种不同的电平用两种不同的电平表示。表示。l宽带信号：将基带信号进行调制后形成的调制信号。宽带信号：将基带信号进行调制后形成的调制信号。有关信道的一些概念有关信道的一些概念l模拟传输模拟传输 l模拟传输指信道中传输的为模拟信号。模拟传输指信道中传输的为模拟信号。l当待传输的是模拟信号时，可以直接进行传输。当待传输的是模拟信号时，可以直接进行传输。l当待传输的是数字信号时，进入信道前要经过调当待传输的是数字信号时，进入信道前要经过调制解调器调制，变换为模拟信号。制解调器调制，变换为模拟信号。 l主要优点：主要优点：l信道的利用率较高。

41、信道的利用率较高。l主要缺点：主要缺点：l在传输过程中信号会衰减，会受到噪声干扰，且信号放大在传输过程中信号会衰减，会受到噪声干扰，且信号放大时噪声也会放大。时噪声也会放大。数据传输方式：模拟传输和数字传输数据传输方式：模拟传输和数字传输l数字传输数字传输 l数字传输指信道中传输的为数字信号。数字传输指信道中传输的为数字信号。l当待传输的信号是数字信号时，可以直接进行传输。当待传输的信号是数字信号时，可以直接进行传输。l当待传输的是模拟信号时，进入信道前要经过编码解码当待传输的是模拟信号时，进入信道前要经过编码解码器编码，变换为数字信号。器编码，变换为数字信号。 l主要优点：主要优点：l信号传

42、输不失真，误码率低，能被复用和有效地利用设备。信号传输不失真，误码率低，能被复用和有效地利用设备。l主要缺点：主要缺点：l传输数字信号比传输模拟信号所要求的频带要宽的多，因此数字传输数字信号比传输模拟信号所要求的频带要宽的多，因此数字传输的信道利用率较低。传输的信道利用率较低。数据传输方式：模拟传输和数字传输数据传输方式：模拟传输和数字传输3.3.2 通信信道通信信道l一个数字脉冲称为一个码元，代表不同离散数值的基本波形一个数字脉冲称为一个码元，代表不同离散数值的基本波形。l 如字母如字母A的的ASCII码是码是1000001，可用，可用7个脉冲来表示，亦可认为由个脉冲来表示，亦可认为由7个码

43、元组成个码元组成。l码元携带的信息量由码元取的离散值个数决定。码元携带的信息量由码元取的离散值个数决定。l若码元取若码元取“0”和和“1”两个离散值，则一个码元携带两个离散值，则一个码元携带1比特（比特（bit）的）的信息。若码元可取信息。若码元可取4个离散值，则一个码元携带个离散值，则一个码元携带2比特信息。比特信息。l一般的，一个码元携带的信息量一般的，一个码元携带的信息量n（比特）与码元取的离散值个数（比特）与码元取的离散值个数N具有如下关系：具有如下关系： n=log2N-5v=0 -5v=1-5v=0 -5v=1 1 0 1 0 1 1 0 11 0 1 0 1 1 0 11个码元取

44、2个离散值，n=log2N=log22 =1 ，发送8个码元等于发送了8位-5v =00 -2.5v=01-5v =00 -2.5v=01+2.5v=10 +5v =11+2.5v=10 +5v =1111 00 00 10 01 10 00 0111 00 00 10 01 10 00 01t1个码元取4个离散值， n=log2N=log24 =2，发送8个码元等于发送了16位3.3.2 通信信道通信信道l波特率波特率(baud rate) ：l信号每秒钟变化的次数，也称为调制速率、码元速率。信号每秒钟变化的次数，也称为调制速率、码元速率。l1波特为每秒传送波特为每秒传送1个码元。个码元。l

45、T为一个数字脉冲信号的宽度（全宽码）或重复周期（归零码）为一个数字脉冲信号的宽度（全宽码）或重复周期（归零码）l比特率比特率(bit rate) ：l每秒钟传送的二进制位数。每秒钟传送的二进制位数。TB1NBR2log3.3.2 通信信道通信信道l虽然数据传输速率和调制速率都是描述通信速度的指虽然数据传输速率和调制速率都是描述通信速度的指标但它们是完全不同的两个概念。标但它们是完全不同的两个概念。l打个比喻来说假如打个比喻来说假如调制速率调制速率是公路上单位时间经过的是公路上单位时间经过的卡车数卡车数，那么，那么数据传输速率数据传输速率便是单位时间里经过的卡便是单位时间里经过的卡车所装运的车所

46、装运的货物箱数货物箱数。如果一车装一箱货物则单位时。如果一车装一箱货物则单位时间经过的卡车数与单位时间里卡车所装运的货物箱数间经过的卡车数与单位时间里卡车所装运的货物箱数相等，如相等，如 果一车装多箱货物则单位时间经过的卡车果一车装多箱货物则单位时间经过的卡车数便小于单位时间里卡车所装运的货物箱数。数便小于单位时间里卡车所装运的货物箱数。l波特率与比特率的关系：波特率与比特率的关系：l取决于码元所含的信息量取决于码元所含的信息量n：比特率（比特率（bit/s）波特率）波特率*nl若每个码元的信息量为若每个码元的信息量为3位，则比特率是波特率的位，则比特率是波特率的3倍倍l若每个码元的信息量为若

47、每个码元的信息量为1位，则比特率和波特率相同位，则比特率和波特率相同思考一下：若每个码元可取的离散值有思考一下：若每个码元可取的离散值有8种，那么比特率是波特率种，那么比特率是波特率的多少倍？的多少倍？3.3.2 通信信道通信信道l信道容量信道容量l单位时间内信道上所能传输的最大单位时间内信道上所能传输的最大bit数，用数，用bps表示。表示。l频带宽频带宽l信道所允许通过频率的范围（最大频率最小频率），信道所允许通过频率的范围（最大频率最小频率），单位单位Hz。l如：人可以听到的声波频率为如：人可以听到的声波频率为20HZ20kHZ则听觉系统则听觉系统的带宽为的带宽为19980Hzl传输延迟

48、传输延迟l发送和接收处理时间发送和接收处理时间+电信号响应时间电信号响应时间+介质中转时间介质中转时间 l误码率误码率l衡量通信系统传输可靠性的指标衡量通信系统传输可靠性的指标NNePe/2022/5/25page 50信道最大数据传输率l早在1924年，尼奎斯特就认识到这一根本性限制，并推导出一个有限带宽无噪声信道的最大数据传输速率的表达式；l1948年，香农进一步把尼奎斯特的结论扩展到随机（动态）噪声影响的信道。2022/5/25page 51V 最大数据率 (C) 2 6000 bps 4 12000 bps 8 18000 bps16 24000 bps32 30000 bps64 3

49、6000 bps C =2H log2 VC = 最大数据传输率，单位b/s或bpsH = 带宽，单位HzV = 信号电平级数例如：话音级线路(3000 Hz)的信道容量计算，如右图所示。Nyquist公式为估算已知带宽无噪声信道的最高速率提供了依据。Nyquist 公式：用于理想低通信道2022/5/25page 52Shannel公式：高斯噪声干扰信道S/NdB 信噪比（dB分贝）的定义C =H log2 (1+SN)S/NdB = 10 log10 S/N例：信道带宽W=3KHz，信噪比为30dB（S/N=1000），则C=3000*log2(1+1000) 30KbpsC = 传输率，

50、单位b/sH = 带宽，单位Hz 1010dBNSNS 即：S = 信号功率N = 噪声功率2022/5/25page 53C = 2H log2V 此公式说明数据传输率C随信号编码级数增加而增加。C = H log2(1+S/N) 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。原因：噪声的存在将使编码级数不可能无限 增加。1. 带宽为带宽为4KHZ,如果有8种不同的种不同的物理状态表示数据,信噪比为30dB.那么按奈氏准则和香农定理计算,分别计算其最大限制的数据传输速率. C=2H*log2N=2*4K*log28=24Kbps 分贝(dB)的计算是:10log1

51、0S/N 即本题为:10log10S/N=30 则:S/N=1000C=H*log2(1+S/N)= 4K*log21001=40Kbps2. 对于对于带宽为6MHz的信道，若用4种不同的状态来表示数据，在不考虑热噪声的情况下，该信道的最大数据传输速率是多少？答：由无热噪声的奈奎斯特公式答：由无热噪声的奈奎斯特公式: C=2Hlog2N=2*6M*log24=24Mbps，即该信道的最大数据传输，即该信道的最大数据传输速率是速率是24Mbps。例题例题3.3.2 通信信道通信信道l串行传输串行传输l使用一条线路，逐个传输所有比特使用一条线路，逐个传输所有比特l适用于长距离通信适用于长距离通信l

52、并行传输并行传输l可以同时传输一组比特，每一比特使用单独的线路可以同时传输一组比特，每一比特使用单独的线路l适用于近距离通信适用于近距离通信3.3.2 通信信道通信信道l从通信双方信息交互的方式看，通信可分为：从通信双方信息交互的方式看，通信可分为：l单工单工l只能有一个方向的通信而没有反方向的交只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。无线电广播、有线电广播以及电视广互。无线电广播、有线电广播以及电视广播就属于该类型。播就属于该类型。l半双工半双工l通信的双方都可以发送信息，但不能双方通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送同时发送(当然也不可能同时接收当然也不可能同时接收)。l全双工全双

53、工l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。3.3.2 通信信道通信信道3.3.3 多路复用技术多路复用技术l定义：定义：l为了节省通信设备与费用，常常需要在一条物理通道为了节省通信设备与费用，常常需要在一条物理通道上同时传送多路信息，这种技术称为上同时传送多路信息，这种技术称为多路复用多路复用(Multiplexing)或称为或称为多路共传多路共传。n常用的方案有：常用的方案有：n频分多路复用 (FDM); 时分多路复用 (TDM)n波分多路复用 (WDM); 码分多路复用（CDM）l(1) 频分多路复用频分多路复用(FDM)l工作原理：工作原理：l通过调制将不同

54、信号的频率调制到不同的频率范围。通过调制将不同信号的频率调制到不同的频率范围。l把要传输的几路信息合在一起，形成一个合成的信号把要传输的几路信息合在一起，形成一个合成的信号后进行传输。后进行传输。l信道的可用频率带宽被分成几个互不交叠的频段，每信道的可用频率带宽被分成几个互不交叠的频段，每路信号占据一个频段。路信号占据一个频段。l在接收方再通过解调将信号重新还原成多路信号在接收方再通过解调将信号重新还原成多路信号3.3.3 多路复用技术多路复用技术3.3.3 多路复用技术多路复用技术3.3.3 多路复用技术多路复用技术l(2)时分多路复用时分多路复用(TDM)l适用于数字技术，采用分时技术。适

55、用于数字技术，采用分时技术。l工作原理：工作原理：l每路分配一个时隙每路分配一个时隙l用户在自己时隙到来的时候可发送数据。用户在自己时隙到来的时候可发送数据。l收发双方之间需要同步技术收发双方之间需要同步技术l时分多路复用工作示意图：时分多路复用工作示意图：3.3.3 多路复用技术多路复用技术lTDM的分类的分类l同步同步TDM : l时间片固定分配，适合固定速率传输时间片固定分配，适合固定速率传输l物理信道的时间片固定分配给几个用户进行数据传输物理信道的时间片固定分配给几个用户进行数据传输，每个用户在其对应的时间片到来时使用信道进行数，每个用户在其对应的时间片到来时使用信道进行数据发送。据发

56、送。 l优点：优点：实现简单。实现简单。l缺点缺点：存在带宽浪费现象。：存在带宽浪费现象。l同步同步TDM技术适合固定速率传输的数据通信系统技术适合固定速率传输的数据通信系统l异步异步TDM :l物理信道的时间片固定分配为几个，用户不固定占有物理信道的时间片固定分配为几个，用户不固定占有某个时间片。某个时间片。l当有用户需要进行数据传输的时候，为其分配一个时当有用户需要进行数据传输的时候，为其分配一个时间片；间片；l若该用户没有数据传输需求的时候，系统不分配时间若该用户没有数据传输需求的时候，系统不分配时间片给该用户，对应时间片可以分配给其它用户使用。片给该用户，对应时间片可以分配给其它用户使

57、用。l优点：优点：按需分配信道时间片，利用率高。按需分配信道时间片，利用率高。l缺点：缺点：实现复杂。实现复杂。l异步异步TDM技术适合可变速率传输的通信系统。技术适合可变速率传输的通信系统。 统计统计(异步异步)TDMSTDMT1T1载波载波lBellBell系统的系统的T1T1载波利用脉码调制载波利用脉码调制PCMPCM和时分和时分TDMTDM技术，使技术，使2424路采样声音信号复用一个通路采样声音信号复用一个通道。每一个帧包含道。每一个帧包含 193193位，每一帧用位，每一帧用 125us125us时间传送。时间传送。T1T1系统的数据传输速率为系统的数据传输速率为1.544Mbps

58、1.544Mbps。 E1-帧格式帧格式lT1、E1线路也可以用于计算机通信0121631帧同步帧同步信令信令30 路数字语音数据（路数字语音数据（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15173.3.3 多路复用技术多路复用技术lFDM和和TDM的区别的区别FDMTDM传输介质的带宽充足传输介质的带宽充足传输介质的位传输率即时传输介质的位传输率即时间充足间充足适合模拟信号的传输适合模拟信号的传输适合数字信号的传输适合数字信号的传输信号在宏观和微观上都信号在宏观和微观上都是并行传输是并行传输信号在宏观上是并行传输信号在宏观上是并行传输在微观上是串行传输在微观上是串

59、行传输主要使用调制技术主要使用调制技术主要使用时间片轮转技术主要使用时间片轮转技术l在一根光纤上同时传输多个波长不同的光载波在一根光纤上同时传输多个波长不同的光载波lWDM实际上是实际上是FDM的一个变种，用于光纤信道的的一个变种，用于光纤信道的复用。复用。(3) 波分多路复用波分多路复用(WDM)l工作原理：工作原理：l为每个用户分配一个单波长光载波信号，不同用户的光载波信为每个用户分配一个单波长光载波信号，不同用户的光载波信号波长不同；号波长不同；l各用户把数据采用调制技术与一个波长的光载波信号进行混合各用户把数据采用调制技术与一个波长的光载波信号进行混合，得到调制后的单波长光信号；，得到

60、调制后的单波长光信号；l相邻两路光载波信号的波长之间设立一定的隔离波长范围；相邻两路光载波信号的波长之间设立一定的隔离波长范围；l各用户的混合调制光信号通过各用户的混合调制光信号通过合波器合波器进行叠加，输出后的多波进行叠加，输出后的多波长光信号可以在一根光纤中同时传输，且互不干扰；长光信号可以在一根光纤中同时传输，且互不干扰；l光纤另外一端通过光纤另外一端通过分波器分波器，把各个波长的光信号分离出来，送，把各个波长的光信号分离出来，送给对应的接收用户；给对应的接收用户；l接收用户再采用解调技术把数据从光波信号中恢复出来。接收用户再采用解调技术把数据从光波信号中恢复出来。 (3) 波分多路复用