第3章：物理层

1、2022-5-3012022-5-302本章学习要求u掌握：物理层与物理层协议的基本概念。掌握：物理层与物理层协议的基本概念。u掌握：掌握：数据通信的基本概念。数据通信的基本概念。u了解：无线与卫星通信技术的基本概念。了解：无线与卫星通信技术的基本概念。u掌握：数据编码的类型和基本方法。掌握：数据编码的类型和基本方法。u了解：基带传输的基本概念。了解：基带传输的基本概念。u掌握：频带传输的基本概念。掌握：频带传输的基本概念。u掌握：多路复用的分类与特点。掌握：多路复用的分类与特点。u掌握：广域网中的数据交换技术。掌握：广域网中的数据交换技术。u掌握：同步数字体系掌握：同步数字体系SDH的基本概

2、念。的基本概念。2022-5-3033.1 物理层与物理层协议的基本概念u通信子网分为点通信子网分为点- -点通信线路通信子网与广播信点通信线路通信子网与广播信道通信子网道通信子网; ;u广域网主要采用点到点通信线路，局域网与城域广域网主要采用点到点通信线路，局域网与城域网一般采用广播信道网一般采用广播信道; ;u由于技术上存在较大的差异，因此在物理层和数由于技术上存在较大的差异，因此在物理层和数据链路层协议上出现了两个分支，一类是基于点据链路层协议上出现了两个分支，一类是基于点- -点通信线路，另一类是基于广播信道。点通信线路，另一类是基于广播信道。2022-5-3043.1.2 物理层基本

3、服务功能u物理层设计时主要考虑的是如何在传输介质上传输各种数据物理层设计时主要考虑的是如何在传输介质上传输各种数据的的比特流比特流；u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，设计物理层的主要目的是向数据链路层的差异，设计物理层的主要目的是向数据链路层屏蔽屏蔽通信技通信技术的术的差异性差异性；u数据链路实体通过与物理层的接口，将数据传送给物理层，数据链路实体通过与物理层的接口，将数据传送给物理层，通过物理层按比特流的顺序，将信号传输到另一个数据链路通过物理层按比特流的顺序，将信号传输到另一个数据链路实体。实体。 数据链路层数

4、据链路层物理层物理层数据链路层数据链路层物理层物理层1000110111100000112022-5-3053.1.3 物理层向数据链路层提供的服务 u建立物理连接：建立、维护与释放建立物理连接：建立、维护与释放 ；u物理连接：点物理连接：点- -点连接与多点连接点连接与多点连接 ；u数据传输：全双工、半双工与单工方式数据传输：全双工、半双工与单工方式 ；u数据传输方式：串行传输方式与并行传输方式数据传输方式：串行传输方式与并行传输方式 ；串行传输方式的物理数据服务单元是位；串行传输方式的物理数据服务单元是位；并行传输方式的物理数据服务单元是并行传输方式的物理数据服务单元是N N位，位，N N

5、为并为并行连接的物理通道数。行连接的物理通道数。 2022-5-3063.2 数据通信的基本概念u通信的目的是交换信息，通信的目的是交换信息， 信息信息的载体可以是数字、文字、语的载体可以是数字、文字、语音、图形或图像；音、图形或图像； u为了传送信息，首先要将字母、数字、语音、图形或图像用为了传送信息，首先要将字母、数字、语音、图形或图像用二进制代码的二进制代码的数据数据来表示；来表示； u为了传输数据，必须将它们用模拟或数字为了传输数据，必须将它们用模拟或数字信号信号编码的方式表编码的方式表示；示；u数据通信是指在不同计算机之间传送表示字母、数字、符号数据通信是指在不同计算机之间传送表示字

6、母、数字、符号的二进制代码的二进制代码0、1比特序列的模拟或数字信号的过程。比特序列的模拟或数字信号的过程。 3.2.1 信息、数据与信号1.信息的基本概念信息的基本概念2022-5-307信息编码标准uASCII ASCII 码被国际标准化组织码被国际标准化组织ISOISO接受，成为国际接受，成为国际标准标准ISO 646ISO 646，又称为国际又称为国际5 5号码号码; ;u它用于计算机内码，也用做数据通信中的编码标它用于计算机内码，也用做数据通信中的编码标准准; ;uASCIIASCII码采用码采用7 7位二进制比特编码，可以表示位二进制比特编码，可以表示128128个字符个字符; ;

7、u字符分为图形字符与控制字符两类。图形字符包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、运算符号、商用符号等。括数字、字母、运算符号、商用符号等。 2022-5-308多媒体网络应用u利用数字通信系统来实现多媒体信息的传输是通利用数字通信系统来实现多媒体信息的传输是通信技术研究的重要内容之一；信技术研究的重要内容之一；u与文本、图形信息传输相比较，语音、图像信息与文本、图形信息传输相比较，语音、图像信息传输要求数据通信系统具有高速率与低延时的特传输要求数据通信系统具有高速率与低延时的特性；性；u多媒体技术在网络中的应用，将对数据通信系统多媒体技术在网络中的应用，将对数据通信系统提出

8、更高的要求。提出更高的要求。 2022-5-3092.信号 信号概念及分类u信号是数据在传输过程中信号是数据在传输过程中电信号电信号的表示形式；的表示形式；u模拟信号模拟信号（analog signal）:用连续变化的电平用连续变化的电平表示信号；表示信号；u数字信号数字信号（digital signal）:用两种不同的电平用两种不同的电平表示信号；表示信号；u根据传输介质上传输的信号类型不同，通信系统根据传输介质上传输的信号类型不同，通信系统可分为模拟通信系统与数字通信系统两种。可分为模拟通信系统与数字通信系统两种。 2022-5-30100V(t)V(t)t t0V(t)V(t)t t模拟

9、信号波形模拟信号波形数字信号波形数字信号波形模拟信号与数字信号波形2022-5-3011信号表示与组成u信号都是以波的形式表现的，它可以表示成振幅信号都是以波的形式表现的，它可以表示成振幅与时间的函数与时间的函数: : F=f(t) F=f(t)u无论模拟信号还是数字信号，信号都是由不同频无论模拟信号还是数字信号，信号都是由不同频率正弦信号组合而成，即任何信号都是由多种频率正弦信号组合而成，即任何信号都是由多种频率的正弦成分组成。率的正弦成分组成。 tttttf11117sin715sin513sin31sin式中式中1=21=2f f1 1，11称为基波频率，简称基称为基波频率，简称基频，频

10、，11的倍数称为谐波的倍数称为谐波 2022-5-3012（a）时域图(b)频域图时域图与频域图2022-5-3013信号带宽 信号带宽信号带宽是指组成信号的正弦成分的最高频率是指组成信号的正弦成分的最高频率减去最低频率的差。减去最低频率的差。2022-5-30143.2.2 数据传输类型与通信方式 网络中两台计算机的通信过程网络中两台计算机的通信过程2022-5-3015网络通信系统设计中要解决的几个基本问题u数据传输类型数据传输类型模拟通信模拟通信数字通信数字通信u数据通信方式数据通信方式串行通信、并行通信串行通信、并行通信单工通信、半双工或全双工通信单工通信、半双工或全双工通信u同步方式

11、同步方式同步通信同步通信异步通信异步通信2022-5-3016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)2022-5-3017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2022-5-3018同步通信与异步通信 在数据重组时，接收端需从收到的比特流中识别在数据重组时，接收端需从收到的比特流中识别数据边界，分离数据，这一功能称为数据边界，分离数据，这一功能称为同步同步。常用的。常用的同步方法有：同步通

12、信和异步通信。同步方法有：同步通信和异步通信。2022-5-3019同步通信 在同步通信中，信息不是以字符而是以数据块的在同步通信中，信息不是以字符而是以数据块的方式进行传输。在数据块开始处加上同步控制字符，方式进行传输。在数据块开始处加上同步控制字符，结束处加上终止控制字符，中间为一串数据，这种结束处加上终止控制字符，中间为一串数据，这种同步称为同步称为同步通信同步通信。 同步通信适用于快速和较大规模的数据传输。同步通信适用于快速和较大规模的数据传输。2022-5-3020异步通信数据传输时数据传输时以字符以字符为单位，在字符开始处加上起为单位，在字符开始处加上起始位始位“0”“0”，结束处

13、加上结束位，结束处加上结束位“1”“1”，字符之间的，字符之间的间距任意，接收端根据起止定界符分离字符。这种间距任意，接收端根据起止定界符分离字符。这种同步称为同步称为异步通信异步通信，也称为，也称为字符同步字符同步。字符字符0 1 1 0 1 0 1 0 1 12022-5-3021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12022-5-30223.2.3 传输介质 传输介质是网络中信息传输媒体，不同类型的传输介质是网络中信息传输媒体，不同类型的传输介质，传输

14、速率、通信距离、可连接的节点数传输介质，传输速率、通信距离、可连接的节点数等均不相同。常用的传输介质有：双绞线、同轴电等均不相同。常用的传输介质有：双绞线、同轴电缆、光纤、缆、光纤、无线与卫星通信信道无线与卫星通信信道等。等。2022-5-3023 双绞线是由两根绝缘芯线按一定密度相互绞绕双绞线是由两根绝缘芯线按一定密度相互绞绕组成，每根绝缘芯线由各种颜色塑料绝缘层的金属组成，每根绝缘芯线由各种颜色塑料绝缘层的金属导线构成。将多对（导线构成。将多对（2 2对或对或4 4对）双绞线封装在一个对）双绞线封装在一个塑料封套内，便形成了双绞线电缆。塑料封套内，便形成了双绞线电缆。一、双绞线的主要特性

15、绝缘外皮 铜线 双绞线 2022-5-3024u双绞线可分为非屏蔽双绞线（双绞线可分为非屏蔽双绞线（UTPUTP、Unshielded Unshielded Twisted-PairTwisted-Pair）和屏蔽双绞线（和屏蔽双绞线（STPSTP、Shielded Shielded Twicted-PairTwicted-Pair在外层封套内加一层金属屏蔽层）。在外层封套内加一层金属屏蔽层）。u双绞线按电气性能划分可分为：三类、四类、五类、双绞线按电气性能划分可分为：三类、四类、五类、超五类、六类、七类双绞线等类型。超五类、六类、七类双绞线等类型。1.双绞线分类2022-5-3025非屏蔽双

16、绞线和屏蔽双绞线2022-5-3026u安普（安普（AMPAMP）：）：是最常见的品牌，质量好、价格是最常见的品牌，质量好、价格便宜。便宜。u西蒙（西蒙（SiemonSiemon）：）：它相比安普品牌来说，档次要它相比安普品牌来说，档次要高许多，质量、技术特性都高出一个档次，当然高许多，质量、技术特性都高出一个档次，当然其价格也高许多。其价格也高许多。u朗讯（朗讯（LucentLucent）：）：用于高端网络组建。用于高端网络组建。u丽特（丽特（NORDX/CDTNORDX/CDT）：）：它在各项性能参数上都较它在各项性能参数上都较高。高。2.双绞线主要的品牌2022-5-30273.双绞线性

17、能指标 在计算机局域网中，双绞线最长距为在计算机局域网中，双绞线最长距为100100米米。在。在计算机网络中常用超计算机网络中常用超5 5类和类和6 6类两种双绞线电缆，这类两种双绞线电缆，这两类双绞线电缆都是由两类双绞线电缆都是由4 4对双绞线组成。对双绞线组成。3 3类双绞线类双绞线速率可达速率可达1010MbpsMbps，5 5类双绞线速率可达类双绞线速率可达100100MbpsMbps，超超5 5类（类（5 5类类e e）最高传输速率为最高传输速率为10001000MbpsMbps，6 6类双绞线最类双绞线最高传输速率为高传输速率为2.42.4GbpsGbps2022-5-3028二、

18、同轴电缆的主要特性 同轴电缆由一对导体按照同轴电缆由一对导体按照“同轴同轴”的形式构成线的形式构成线对，其结构如下图所示：对，其结构如下图所示：塑料封皮塑料封皮绝缘层绝缘层屏蔽层屏蔽层铜心铜心 其中最内层是铜芯导体，轴心被绝缘层环形包裹，其中最内层是铜芯导体，轴心被绝缘层环形包裹，绝缘层又被外层导体环形包裹，最外层用绝缘塑料绝缘层又被外层导体环形包裹，最外层用绝缘塑料包封。包封。2022-5-3029同轴电缆分类u基带同轴电缆：电缆阻抗基带同轴电缆：电缆阻抗5050，通常用于局域网通常用于局域网数字信号传输，数据传输速率最高可达数字信号传输，数据传输速率最高可达1010MbpsMbps。基带同

19、轴电缆又分粗缆和细缆两种，在基带同轴电缆又分粗缆和细缆两种，在1010MbpsMbps的的数据传输速率下，粗缆的传输距离可数据传输速率下，粗缆的传输距离可500500米，细米，细缆为缆为185185米；米；u宽带同轴电缆：阻抗为宽带同轴电缆：阻抗为7575，通常用于传输公用通常用于传输公用有线电视（有线电视（CATVCATV）的模拟信号，模拟信号的最高的模拟信号，模拟信号的最高带宽可达带宽可达450450MHzMHz，可采用多路频分复用技术可采用多路频分复用技术（FDMFDM）传输多路信号。传输多路信号。2022-5-30301光纤组成光纤组成光纤的材质是极细小的玻璃纤维（光纤的材质是极细小的

20、玻璃纤维（50-100 50-100 umum），），它由三部分组成：它由三部分组成：u纤芯：玻璃纤维，用于传送光波信号；纤芯：玻璃纤维，用于传送光波信号；u包层：具有较低的折射率物质，当光波在纤芯包层：具有较低的折射率物质，当光波在纤芯中传送时，便是通过包层与纤芯的接触面进行中传送时，便是通过包层与纤芯的接触面进行反射；反射；u保护外套：不透光的材质，用于隔绝外来的干保护外套：不透光的材质，用于隔绝外来的干扰，并用于保护纤芯。扰，并用于保护纤芯。三、光纤电缆的主要特性2022-5-3031光纤芯包层外部保护层(a)(a)保护层包层光纤芯(b)(b)光纤组成示意图2022-5-30322.光纤

21、系统组成在光波传输过程中，在发送端要先将电信号转换在光波传输过程中，在发送端要先将电信号转换成光信号，在接收端再用光检测器将光信号还原成成光信号，在接收端再用光检测器将光信号还原成电信号，因而光纤系统由三部分组成：电信号，因而光纤系统由三部分组成：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2022-5-3033单模光纤与多模光纤 u光纤有多模光纤和单模光纤。光纤有多模光纤和单模光纤。u多模光纤通过纤芯和包层的边界折射进行传播，在光纤多模光纤通过纤芯和包层的边界折射进行传播，在光纤内部有多条光线同时传播，故称为多模光纤；内部有多条光线同时传播，故称为多模光纤；u单模光纤中的光线以

22、直线传播而不发生反射。单模光纤中的光线以直线传播而不发生反射。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2022-5-3034多多 模模 式式单单 模模 式式适合近距离低速率传输适合近距离低速率传输适合长距离高速率传输适合长距离高速率传输芯粗芯粗芯细芯细价格较低价格较低价格昂贵价格昂贵散射大，效率较低散射大，效率较低散射小，效率较高散射小，效率较高单模光纤与多模光纤性能比较2022-5-3035四、无线与卫星通信技术电磁波由低频率至高频率可分为直流、低频、无线电磁波由低频率至高频率可分为直流、低频、无线电电、微波微波( (MW)MW)、红外线红外线

23、( (IR)IR)、可见光、紫外线可见光、紫外线( (UV)UV)、X-X-射线射线、 - -射线等。射线等。MW2022-5-3036电磁波传播方式与无线通信u电磁波的传播有两种方式：电磁波的传播有两种方式：无线方式：在自由空间中传播；无线方式：在自由空间中传播；有线方式：在同轴电缆、双绞线、光纤中传输。有线方式：在同轴电缆、双绞线、光纤中传输。u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）。）。2022-5-30371. 微

24、波通信 u视距传播视距传播u电离层反射电离层反射地球表面地球表面电离层2022-5-30382. 蜂窝无线通信 多址接入方法：u频分多址接入（频分多址接入（FDMA）u时分多址接入（时分多址接入（TDMA）u码分多址接入（码分多址接入（CDMA） 小小区区基基站站区区群群2022-5-30393. 卫星通信 卫星地球表面卫星发送多点接收多点接收2022-5-30403.3 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3.3.1 数据编码类型2022-5-3041信道u物理信道是指用来传输信号的物理通路，由物

25、物理信道是指用来传输信号的物理通路，由物理介质和有关通信设备组成。理介质和有关通信设备组成。u逻辑信道：实际传输信号的通路。一个物理信逻辑信道：实际传输信号的通路。一个物理信道可以分割成多路逻辑信道。道可以分割成多路逻辑信道。发收2022-5-3042信号是由多种频率的正弦成分组成。这些正弦频信号是由多种频率的正弦成分组成。这些正弦频率成分称为信号的频谱。率成分称为信号的频谱。一般情况，模拟信号（连续信号）的频率分量是一般情况，模拟信号（连续信号）的频率分量是离散的；而数字信号（离散信号）的频率分量是连续离散的；而数字信号（离散信号）的频率分量是连续的。所以，数字脉冲信号的带宽为无穷大，即数字

26、信的。所以，数字脉冲信号的带宽为无穷大，即数字信号占满整个信道，一条通信信道在某一时刻只能传输号占满整个信道，一条通信信道在某一时刻只能传输一路数字信号，而模似信号只占一定范围的带宽。一路数字信号，而模似信号只占一定范围的带宽。 信号的频谱2022-5-3043（a）时域图(b)频域图时域图与频域图2022-5-3044一、正弦波一、正弦波正弦波是最基本的连续信号，其函数为：正弦波是最基本的连续信号，其函数为： u（t）= umsin（t+0）3.3.2 模拟数据编码方法 其中其中: :um为振幅为振幅( (信号峰值信号峰值) )、为频率（信号重复的速为频率（信号重复的速率）、率）、0为初相位

27、（单个周期起始位置）。为初相位（单个周期起始位置）。2022-5-3045二、载波传输技术1.1.载波载波载波是指用来载送数据的信号。一般都用最基本载波是指用来载送数据的信号。一般都用最基本的正弦波作为载波。的正弦波作为载波。数据数据调制器调制器解调器解调器数据数据载波产生器载波产生器载波产生器载波产生器2022-5-30462.载波传输工作原理u发送端的载波产生器输出正弦波信号给调制器；发送端的载波产生器输出正弦波信号给调制器；u调制器根据数据内容改变正弦波信号的物理特性调制器根据数据内容改变正弦波信号的物理特性(振幅、频率、初相振幅、频率、初相)，送出信号；，送出信号；u解调器收到信号后，

28、把它与正弦波比较，过滤出解调器收到信号后，把它与正弦波比较，过滤出物理特性上的变动；物理特性上的变动；u解调器根据信号物理特性上的变动，还原出数据解调器根据信号物理特性上的变动，还原出数据内容。内容。2022-5-3047三、模拟数据编码方法 u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（传输音频范围（300Hz3400Hz）的模拟信号，无法直接传的模拟信号，无法直接传输计算机的数字信号；输计算机的数字信号；u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

29、须首先将数字信号转换成模拟信号；据信号的传输，必须首先将数字信号转换成模拟信号；u将发送端数字数据信号变换成模拟数据信号的过程称为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调制制，将调制设备称为调制器（将调制设备称为调制器（modulator）；）；u将接收端模拟数据信号还原成数字数据信号的过程称为将接收端模拟数据信号还原成数字数据信号的过程称为解解调调，将解调设备称为解调器（将解调设备称为解调器（demodulator）；）；u同 时 具 备 调 制 与 解 调 功 能 的 设 备 称 为同 时 具 备 调 制 与 解 调 功 能 的 设 备 称 为 调 制 解 调 器调 制 解 调

30、 器（modem）。2022-5-3048u在调制过程中，选择在调制过程中，选择音频范围内音频范围内的某一角频率的某一角频率的正（余）弦信号作为载波。的正（余）弦信号作为载波。u通过变化通过变化3 3个电参量（振幅、频率、相位），来实个电参量（振幅、频率、相位），来实现模拟数据信号编码的目的。现模拟数据信号编码的目的。 模拟信号编码实现方法2022-5-30491. 振幅键控（amplitude 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 0振幅键控振幅键控ASKASK信号实现容易，技术简

31、单，但抗干扰能信号实现容易，技术简单，但抗干扰能力较差。力较差。 数 字 信 号 模 拟 信 号 振幅不同振幅不同2022-5-30502.移频键控（ frequency-shift keying ，FSK ） u um msinsin（1 1t+t+0 0） 数字数字1 1 u u（t t）= = u um msinsin（2 2t+t+0 0） 数字数字0 0移频键控移频键控FSKFSK信号实现容易，技术简单，抗干扰能力信号实现容易，技术简单，抗干扰能力较强，是目前最常用的调制方法之一。较强，是目前最常用的调制方法之一。频率不同频率不同2022-5-30513.移相键控（phase-shi

32、ft keying，PSK） 绝对调相绝对调相 u um msinsin（t+t+0 0） 数字数字1 1 u u（t t）= = u um msinsin（t+t+ ） 数字数字0 0初相不同初相不同2022-5-3052移相键控移相键控可以分为：移相键控可以分为：u绝对调相绝对调相u相对调相相对调相u二相调相二相调相u多相调相多相调相 2022-5-305301001000+0+0+0+0212+数据(a)ASK(b)FSK(c)PSK(绝对)(d)PSK(相对)121“1”“1”改变初相，改变初相，“0”“0”初相不变。初相不变。模拟数据信号的编码方法2022-5-30543.3.3 数

33、字数据编码方法u基带传输基带传输在基本在基本不改变不改变数字数据信号频带（即波数字数据信号频带（即波形）的情况下直接传输数字信号，可以达到很高形）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与系统效率的数据传输速率与系统效率; ;u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（NRZNRZ）；归零码（归零码（RZRZ）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。2022-5-3055一、基本概念u单极性码：只用一种电压（单极性码：只用一种电压

34、（+ +E E或或- -E E）和和0 0电压表电压表示数据；示数据；u双极性码：用双极性码：用+ +E E和和- -E E两种电压表示数据；两种电压表示数据；u不归零信号：在传输一位数据所占用的时钟周不归零信号：在传输一位数据所占用的时钟周期内，信号电压保持不变；期内，信号电压保持不变；u归零信号：在传输一位数据所占用的时钟周期归零信号：在传输一位数据所占用的时钟周期结束前（如半周期时刻），信号电压提前回到结束前（如半周期时刻），信号电压提前回到0 0；2022-5-3056二、常用码型1.1.单极性不归零码（单极性不归零码（NRZNRZ码）码）数据代码中的数据代码中的“1”“1”用用+ +

35、E E（或或- -E E）电压表示，电压表示，“0”“0”用用0 0电压表示。适用于短距离传输。电压表示。适用于短距离传输。TTLTTL串行传输采串行传输采用这种方式传输。用这种方式传输。0 0 11110 10 0 10 0 +E0 2022-5-30572.2.单极性归零码（单极性归零码（RZRZ码）码）数据代码中的数据代码中的“1”“1”用用+ +E E电电压压表示，并提前回到零，表示，并提前回到零，“0”“0”用用0 0电电压压表示。表示。二、常用码型0 0 11110 10 0 10 0 +E0 2022-5-30583.3.双极性不归零码（双极性不归零码（NRZNRZ码）码）数据代

36、码中的数据代码中的“1”“1”用用+ +E E电压表示，电压表示，“0”“0”用用- -E E电电压表示。压表示。RS232RS232采用这种方式传输。采用这种方式传输。二、常用码型0 0 11110 10 0 10 0 +E-E2022-5-30594.4.双极性归零码（双极性归零码（RZRZ码）码）数据代码中的数据代码中的“1”“1”用用+ +E E电电压压表示，表示，“0”“0”用用- -E E电电压压表示，且在每位数据传输周期内提前回到零。表示，且在每位数据传输周期内提前回到零。二、常用码型0 0 11110 10 0 10 0 +E-E2022-5-30605. 5. 曼彻斯特码曼彻

37、斯特码数据代码中的数据代码中的“1”“1”前半周期用前半周期用- -E E电电压压，后，后半周期用半周期用+ +E E电压表示，电压表示，“0” “0” 前半周期用前半周期用+ +E E，后半周期用后半周期用- -E E电压表示。电压表示。二、常用码型0 0 11110 10 0 10 0 +E-E2022-5-3061曼彻斯特（manchester）编码曼彻斯特编码的规则：u 每比特的周期每比特的周期T分为前分为前T/2与后与后T/2两部分；两部分；u 通过通过前前T/2传送该比特的传送该比特的反反码，通过码，通过后后T/2传送该传送该比特的比特的原原码；码；曼彻斯特编码的优点：u 每个比特

38、的中间有一次电每个比特的中间有一次电压压跳变，两次电跳变，两次电压压跳变的跳变的时间间隔可以是时间间隔可以是T/2或或T；u 利用电利用电压压跳变可以产生收发双方的同步信号；发送跳变可以产生收发双方的同步信号；发送时无需另发同步信号。时无需另发同步信号。2022-5-30626.差分曼彻斯特（difference manchester）编码u差分曼彻斯特编码是对曼彻斯特编码的改进。差分曼彻斯特编码是对曼彻斯特编码的改进。u 每比特的中间跳变仅做同步之用；每比特的中间跳变仅做同步之用；u每比特的值根据其开始边界是否发生跳变来决定每比特的值根据其开始边界是否发生跳变来决定;u 一个比特开始处出现电

39、一个比特开始处出现电压压跳变跳变表示传输二进制表示传输二进制0,不不发生跳变发生跳变表示传输二进制表示传输二进制1。2022-5-3063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2022-5-30643.3.4 脉冲编码调制方法 u采样采样u量化量化u编码编码D8D7D6D5D4D3D2D100.51.01.5At0.270.30.620.61.281.31.521.51.261.30.730.70.410.40.120.1(a)样本量化级二进制编码编码信号00010100011111011111110101100011361

40、31513741D1D2D3D4D5D6D7D8(b)2022-5-3065u声音分为声音分为128个量化级；个量化级；u每个量化级采用每个量化级采用7位二进制编码表示；位二进制编码表示；u采样速率为采样速率为8000样本样本/秒；秒；u数据传输速率应达到数据传输速率应达到7位位8000/秒秒 =56kb/s；u如果每个量化级采用如果每个量化级采用7+1=8位二进制编码表示位二进制编码表示;u数据传输速率应达到数据传输速率应达到8位位8000/秒秒 = 64kb/s。PCM用于数字语音系统（即语音数字化）2022-5-30663.4 基带传输技术 u数字信号数字信号( (脉冲信号脉冲信号) )

41、的的固有频带固有频带称做基本频带称做基本频带, ,简称为简称为基基带带, ,数字脉冲信号也叫基带信号数字脉冲信号也叫基带信号; ;u在数字通信信道上，直接在数字通信信道上，直接传送基带信号传送基带信号的方法称为基带的方法称为基带传输传输; ;u在发送端，基带传输的数据经过编码器变换变为直接传在发送端，基带传输的数据经过编码器变换变为直接传输的基带信号，例如曼彻斯特编码或差分曼彻斯特编码输的基带信号，例如曼彻斯特编码或差分曼彻斯特编码信号信号; ;u在接收端由解码器恢复成与发送端相同的矩形脉冲信号在接收端由解码器恢复成与发送端相同的矩形脉冲信号; ;u基带传输是一种最基本的数据传输方式。基带传输

42、是一种最基本的数据传输方式。 2022-5-30673.4.2通信信道带宽对基带传输的影响 u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；u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。 E(t)E(t)E(t)E(t)E(t)E(t)E(t)E(t)E(t)E(t)000000ttttt1 2 3 4 5 6 7 8 9 1001100010(a)(b)(c)(d)(e)0 10 1 20 1 2 3 40 1 2 3 4 5 6 7 8ttttt2022-5-30683.4.3 数据传输速率的定义与信道速率的极限数据传输速率

43、的定义数据传输速率的定义u数据传输速率是指每秒钟传输数据传输速率是指每秒钟传输二进制编码二进制编码的比特数，的比特数，单位为比特单位为比特/ /秒，记做秒，记做b/sb/s（bpsbps）；u常用的数据传输速率单位有：常用的数据传输速率单位有： 1 1Kb/s = 1Kb/s = 110103 3 b/sb/s 1Mb/s = 1 1Mb/s = 110106 6 b/sb/s 1Gb/s = 1 1Gb/s = 110109 9 b/sb/s 1Tb/s = 1 1Tb/s = 1101012 12 b/sb/s2022-5-3069信道速率的极限值u奈奎斯特准则：奈奎斯特准则：二进制数据信

44、号二进制数据信号的最大数据传输速率的最大数据传输速率R Rmaxmax与通信信道带宽与通信信道带宽B B（B=fB=f，单位单位HzHz）的关系：的关系： R Rmaxmax=2Blog=2Blog2 2Mb/s=2Bb/sMb/s=2Bb/s。 其中其中M M为码元的离散值个数。为码元的离散值个数。u香农定理：在有随机热噪声的信道上传输数据信号时，香农定理：在有随机热噪声的信道上传输数据信号时，数据传输速率数据传输速率R Rmaxmax与信道带宽与信道带宽B B，信噪比信噪比S/NS/N的关系：的关系： R Rmaxmax= Blog= Blog2 2（1+S/N1+S/N）b/s b/s

45、。2022-5-30703.5 频带传输技术3.5.1电话交换网的结构2022-5-30713.5.2 频带传输的定义 u利用模拟信道传输数据信号的方法称为利用模拟信道传输数据信号的方法称为频带传输频带传输；u调制解调器（调制解调器（modemmodem）是频带传输中最典型的通信设备；是频带传输中最典型的通信设备；u调制解调器的作用是：在数据的发送端将计算机中的数字信号调制解调器的作用是：在数据的发送端将计算机中的数字信号转换成能在电话线上传输的模拟信号；在接收端将从电话线路转换成能在电话线上传输的模拟信号；在接收端将从电话线路上接收到的模拟信号还原成数字信号。上接收到的模拟信号还原成数字信号

46、。 2022-5-3072 3.5.3 调制解调器的基本工作原理 当为当为1 1时，振荡器有信号输出时，振荡器有信号输出当为当为0 0时，振荡器有信号输出时，振荡器有信号输出2022-5-3073011070Hz1270Hz012025Hz2225Hz上频带下频带fol=1170Hzfoh=2125Hz电话交换网通频带2022-5-30743.6 多路复用技术 多路复用的基本概念多路复用的基本概念2022-5-30753.6.1 多路复用技术的分类u频分多路复用频分多路复用FDMu波分多路复用波分多路复用WDMu时分多路复用时分多路复用TDM2022-5-30763.6.2 频分多路复用（适合

47、模拟传输）u在一条通信线路设计多路通信信道在一条通信线路设计多路通信信道; ;u每路信道的信号以不同的载波频率进行调制每路信道的信号以不同的载波频率进行调制; ;u各个载波频率是不重叠的各个载波频率是不重叠的, ,那么一条通信线路就可以同时独立那么一条通信线路就可以同时独立地传输多路信号。地传输多路信号。 1Channel 330031001Channel 21Channel 16064687260646872Channel 1Channel 3Channel 2频率(KHz)(c)频率(KHz)(b)频率(Hz)(a)2022-5-3077 3.6.3 波分多路复用 u光纤通道（光纤通道（f

48、iber optic channel）技术采用了波长分隔多路复技术采用了波长分隔多路复用方法，简称为波分复用用方法，简称为波分复用WDM;u在一根光纤上复用在一根光纤上复用80路或更多路的光载波信号称为密集波分复用路或更多路的光载波信号称为密集波分复用DWDM； u目前一根单模光纤的数据传输速率最高可以达到目前一根单模光纤的数据传输速率最高可以达到20Gb/s 。共享光纤光栅光栅功率波长共享光纤的波谱功率波长光纤1的波谱功率波长光纤2的波谱光纤1光纤2光纤3光纤4功率波长光纤3的波谱功率波长光纤4的波谱2022-5-30783.6.4 时分多路复用（适合数字传输） u时分多路复用是将信道用于传

49、输的时间划分为若干个时间片；时分多路复用是将信道用于传输的时间划分为若干个时间片；u每个用户分得一个时间片；每个用户分得一个时间片；u在其占有的时间片内，用户使用通信信道的全部带宽。在其占有的时间片内，用户使用通信信道的全部带宽。 信道 24信道 1信道2信道3信道401193比特帧(125微秒）帧开始位7位数据位校验位2022-5-3079贝尔系统的T1载波u24路音频信道复用在一条通信线路上；路音频信道复用在一条通信线路上；u每路音频模拟信号在送到多路复用器之前，要通过一个每路音频模拟信号在送到多路复用器之前，要通过一个PCM编码器；编码器；u编码器每秒取样编码器每秒取样8000次；次；u

50、24路路PCM信号的每一路轮流将一个字节插入到帧中；信号的每一路轮流将一个字节插入到帧中；u每个字节的长度为每个字节的长度为8位，其中位，其中7位是数据位，位是数据位，1位用于信道控位用于信道控制；制；u每帧由每帧由248=192位组成，附加一位作为帧开始标志位，位组成，附加一位作为帧开始标志位，所以每帧共有所以每帧共有193位；位；u发送一帧需要发送一帧需要125毫秒；毫秒；uT1载波的数据传输速率为载波的数据传输速率为1.544Mb/s。 2022-5-3080uT1T1载波为北美标准，采用载波为北美标准，采用2424路的路的PCMPCM的载波技术；的载波技术；uE1E1载波为欧洲标准，采

51、用载波为欧洲标准，采用3030路语音信道和路语音信道和2 2路传送控路传送控制信道，每个包括制信道，每个包括8 8位二进制数。位二进制数。u32328=2568=256位，传输时间为位，传输时间为125125毫秒，故传输速率毫秒，故传输速率=256/125=2.048=256/125=2.048Mb/sMb/s。贝尔系统的E1载波2022-5-3081时分多路复用的分类 u同步时分多路复用同步时分多路复用 u统计时分多路复用统计时分多路复用(异步时分多路复用异步时分多路复用) 124.n13.n.1234.n时间片1时间片2时间片n125.m41257.m.1234.m时间片1时间片2时间片n

52、2022-5-30823.7 广域网中的数据交换技术u广域网中的数据交换技术广域网中的数据交换技术线路交换（线路交换（circuit exchangingcircuit exchanging）存储转发（存储转发（store-and-forward exchangingstore-and-forward exchanging）交交换换u存储转发交换技术存储转发交换技术报文（报文（message exchangingmessage exchanging）报文分组交换（报文分组交换（packet exchangingpacket exchanging ） 2022-5-30833.7.1 线路交换方

53、式u线路交换是面向连接的服务；线路交换是面向连接的服务；u两台计算机通过通信子网进行数据交换之前，首先要两台计算机通过通信子网进行数据交换之前，首先要在通在通信子网中信子网中建立一个建立一个实际的物理线路连接实际的物理线路连接；u线路交换在数据传输过程中要经过建立连接、数据传输与线路交换在数据传输过程中要经过建立连接、数据传输与释放连接的三个阶段；释放连接的三个阶段；u线路交换方式的优点是：通信实时性强，适用于交互式会线路交换方式的优点是：通信实时性强，适用于交互式会话类通信；话类通信；u线路交换方式的缺点是：对突发性通信不适应，系统效率线路交换方式的缺点是：对突发性通信不适应，系统效率低，系

54、统不具有存储数据的能力，不能平滑交通量。低，系统不具有存储数据的能力，不能平滑交通量。 2022-5-3084u线路交线路交换过程换过程示意图示意图2022-5-30853.7.2 存储转发交换方式存储转发交换方式与线路交换方式的主要区别u发送的数据与目的地址、源地址、控制信息按照一定发送的数据与目的地址、源地址、控制信息按照一定格式组成一个数据单元（报文或报文分组）进入通信格式组成一个数据单元（报文或报文分组）进入通信子网；子网；u通信子网中的结点是通信控制处理机，它负责完成数通信子网中的结点是通信控制处理机，它负责完成数据单元的接收、差错校验、存储、路选和转发功能。据单元的接收、差错校验、

55、存储、路选和转发功能。2022-5-3086存储转发方式的优点u由于通信子网中的通信控制处理机可以由于通信子网中的通信控制处理机可以存储分组存储分组，多个分组，多个分组可以共享通信信道，线路利用率高；可以共享通信信道，线路利用率高；u通信子网中通信子网中通信控制处理机通信控制处理机具有路由选功能，可以动态选择具有路由选功能，可以动态选择报文分组通过通信子网的最佳路径；报文分组通过通信子网的最佳路径；u可以平滑通信量，提高系统效率；可以平滑通信量，提高系统效率；u分组在通过通信子网中的每个通信控制处理机时，均要进行分组在通过通信子网中的每个通信控制处理机时，均要进行差错检查与纠错处理，因此可以减

56、少传输错误，提高系统可差错检查与纠错处理，因此可以减少传输错误，提高系统可靠性；靠性；u通过通信控制处理机可以对不同通信通过通信控制处理机可以对不同通信速率速率的线路进行转换，的线路进行转换，也可以对不同的也可以对不同的数据代码格式数据代码格式进行变换。进行变换。 2022-5-3087报文与报文分组u数据通过通信子网传输时可以有报文（数据通过通信子网传输时可以有报文（messagemessage）与报文分组（与报文分组（packetpacket）两种方式；两种方式；u报文传输：不管发送数据的长度是多少，都把它报文传输：不管发送数据的长度是多少，都把它当作当作一个逻辑单元一个逻辑单元发送；发送

57、；u报文分组传输：报文分组传输：限制限制一次传输数据的最大一次传输数据的最大长度长度，如果传输数据超过规定的最大长度，发送结点就如果传输数据超过规定的最大长度，发送结点就将它分成多个报文分组发送。将它分成多个报文分组发送。2022-5-3088报文和报文分组结构 u由于分组长度较短，在传输出错时，检错容易并且重发由于分组长度较短，在传输出错时，检错容易并且重发花费的时间较少；花费的时间较少；u限定分组最大数据长度，有利于提高存储转发结点的存限定分组最大数据长度，有利于提高存储转发结点的存储空间利用率与传输效率；储空间利用率与传输效率；u公用数据网采用的是分组交换技术公用数据网采用的是分组交换技

58、术。报报文文分分组组：报报文文：报文号目的地址源地址校验报文号目的地址源地址报文分组数据校验报文分组号数据2022-5-30893.7.3 数据报方式 u数据报是分组存储转发的一种形式；数据报是分组存储转发的一种形式；u在数据报方式中，分组传送之间不需要预先在源在数据报方式中，分组传送之间不需要预先在源主机与目的主机之间建立主机与目的主机之间建立“线路连接线路连接”；u源主机所发送的每一个分组都可以独立地选择一源主机所发送的每一个分组都可以独立地选择一条传输路径；条传输路径；u每个分组在通信子网中可能是通过不同的传输路每个分组在通信子网中可能是通过不同的传输路径到达目的主机。径到达目的主机。2

59、022-5-3090数据报方式的工作原理示意图 2022-5-3091数据报工作方式的特点u同一报文的不同分组可以由不同的传输路径通过通信同一报文的不同分组可以由不同的传输路径通过通信子网；子网；u同一报文的不同分组到达目的结点时可能出现乱序、同一报文的不同分组到达目的结点时可能出现乱序、重复与丢失现象；重复与丢失现象；u每一个分组在传输过程中都必须带有目的地址与源地每一个分组在传输过程中都必须带有目的地址与源地址；址；u数据报方式报文传输延迟较大，适用于突发性通信，数据报方式报文传输延迟较大，适用于突发性通信，不适用于长报文、会话式通信。不适用于长报文、会话式通信。 2022-5-30923

60、.7.4 虚电路方式 u虚电路方式试图将虚电路方式试图将数据报方式数据报方式与与线路交换方式线路交换方式结合起结合起来来，充分发挥两种方法的优点，以达到最佳的数据交，充分发挥两种方法的优点，以达到最佳的数据交换效果换效果; ;u数据报方式在分组发送之前，发送方与接收方之间不数据报方式在分组发送之前，发送方与接收方之间不需要预先建立连接。虚电路方式在分组发送之前，需需要预先建立连接。虚电路方式在分组发送之前，需要在发送方和接收方建立一条逻辑连接的虚电路要在发送方和接收方建立一条逻辑连接的虚电路; ;u虚电路方式与线路交换方式相同，整个通信过程分为虚电路方式与线路交换方式相同，整个通信过程分为以下