2高等计算机网络与安全第二讲ppt课件

1、高等计算机网络与平安1/103第二讲 物理层简介主讲教师：王雷2021年10月高等计算机网络与平安2/103上讲内容回想：计算机网络的定义计算机网络的分类计算机网络的演化历程计算机网络的开展趋势OSI模型TCP/IP模型OSI与TCP/IP模型的区别高等计算机网络与平安3/103本讲内容提要：物理层的功能信息、数据与信号传输介质数字数据的通讯方式数字数据的编码方法模拟信道的数字数据传输速率多路复用技术数据交换技术广域网高等计算机网络与平安4/103一.物理层的功能简介 1.物理层的主要功能：利用传输介质为通讯的节点之间建立、管理与释放物理衔接；对信号进展调制或转换，使得用户设备中的信号定义能与

2、信道上实践传送的信号相匹配，以便这些信号可以经由物理线缆例如：双绞线、同轴电缆、光纤等或是无线信道来进展传送；实现比特流的透明传输，为数据链路层提供效力。高等计算机网络与平安5/103一.物理层的功能简介(Cont.) 2.物理层的主要目的： 物理层是 OSI 参考模型中的第一层，是整个开放系统的根底，它是唯不断接提供原始比特流传输的层。 物理层设计的目的：是为了保证当发送方发送的信号为二进制“1时，接纳方接纳到的也是二进制“1，而不是二进制“0。 高等计算机网络与平安6/103二.信息、数据与信号 1.信息、数据与信号的根本概念信息Information是指对客观事物的反映，可以是对物质的形

3、状、大小、构造、性能等的描画，也可以是物质与外部的联络。信息的载体是数字、文字、语音、图形、以及图像等。计算机及其外围设备所产生和交换的信息都是由二进制代码表示的字母、数字或控制符号的组合。高等计算机网络与平安7/103二.信息、数据与信号数据Data是指对客观事物的符号表示。 在计算机科学中，数据是指一切能输入到计算机并被计算机程序所处置的符号的总称， 是用于输入电子计算机进展处置，具有一定意义的数字、字母、符号以及模拟量等的通称。高等计算机网络与平安8/103二.信息、数据与信号信号Signal是数据在传输过程中的电信号的表示方式，数据必需转换为相应的信号才干在计算机网络中进展传输。按照在

4、传输介质上传输的信号类型不同，信号可以分为模拟信号和数字信号两类。 高等计算机网络与平安9/103二.信息、数据与信号 模拟信号Analog Signal：是指在时间或幅度上延续的信号，因此，通常又称为延续信号。 例如：通讯中在用户线上传送的音频信号，是用电流的频率直接反映声音的频率，用电流的强弱直接反映声音的分贝值，其幅度取值是随着用户声音大小的延续变化而延续变化的，其波形为正弦波 。高等计算机网络与平安10/103二.信息、数据与信号 数字信号Digital Signal：是指在时间上与幅度上都是离散的、不延续的信号，因此通常又称为离散信号。 例如：由计算机或终端等数字设备直接发出的二进制

5、信号，其幅度取值只需两种，即“1或“0，分别用高或低电平或低或高电平表示，其波形为方波。高等计算机网络与平安11/103二.信息、数据与信号模拟信号波形图数字信号波形图高等计算机网络与平安12/103二.信息、数据与信号 2.基带、频带与宽带传输信号每秒钟变化的次数称为频率Frequency，频率的单位为赫兹Hz。信号包含的最高频率与最低频率之间的频率范围称为频带Band，不同的信号具有不同的频带。高等计算机网络与平安13/103二.信息、数据与信号 2.基带、频带与宽带传输信源模拟信源、数字信源所发出的没有经过调制频谱搬移与变换的原始电信号无论是数字信号还是模拟信号称为基带信号Base Ba

6、nd Signal，数字信号也被称为数字基带信号。 基带信号所固有的频带，称为根本频带，简称为基带Base Band。高等计算机网络与平安14/103二.信息、数据与信号 2.基带、频带与宽带传输Cont.在信道中直接传送基带信号的方式，称为基带传输Base Band Transmission。在基带传输中，整个信道只传输一种信号，因此，基带传输的信道利用率很低。由于在近间隔范围内基带信号的衰减不大，从而信号内容不会发生变化。因此，在传输间隔较近时，计算机网络通常都采用基带传输方式。高等计算机网络与平安15/103二.信息、数据与信号 2.基带、频带与宽带传输Cont.例如：从计算机到监视器、

7、打印机等外设的信号就是采用基带传输的。另外，大多数的局域网，如：以太网、令牌环网等，也都运用基带传输，常见的网络设计规范10BaseT所运用的就是基带信号。基带信号的频谱中由于含有丰富的低频分量乃至直流零频分量，例如：语音信号为3003400Hz， 图像信号为06MHz，因此，出于抗干扰和提高数据传输率的思索，基带信号不适宜用于远间隔通讯。高等计算机网络与平安16/103二.信息、数据与信号 2.基带、频带与宽带传输Cont.在远间隔通讯时，通常所采用的传输方式为频带传输Frequency Band Transmission，即：首先将基带信号变换调制成便于在模拟信道中传输的、具有较高频率范围

8、的模拟信号称为频带信号，Frequency Band Signal，然后再将这种频带信号在模拟信道中进展传输。显然，模拟信道不适用于直接传输频带很宽、但能量集中在低频段的数字基带信号。频带传输在传输系统的发送端和接纳端都需求设置调制解调器Modem 。高等计算机网络与平安17/103二.信息、数据与信号小知识：为什么在远间隔通讯时，要采用频带传输？即：为什么在远间隔通讯时，要将基带信号变换调制成具有较高频率范围的频带信号，才便于在模拟信道中进展传输？由 电磁波速率电磁波波长*电磁波频率 可知，当电磁波频率越高时，电磁波波长越短，此时的电磁波由于波长短，能量大，因此可以进展远间隔传输 。高等计算

9、机网络与平安18/103二.信息、数据与信号 2.基带、频带与宽带传输Cont.相对普通说的频带传输而言，比音频4KHZ还要宽的频带称为宽带Broad Band。运用这种宽频带传输的系统，称为宽带传输系统Broad Band Transmission System。显然，宽带传输系统多是模拟信号传输系统，传输的是模拟信号。高等计算机网络与平安19/103二.信息、数据与信号 2.基带、频带与宽带传输Cont. 与基带传输相比，宽带传输具有以下几个方面的优点： 能在一个信道中同时传输声音、图像和数据信息，从而使得系统可具有多种用途。 一条宽带信道能划分为多条逻辑基带信道，实现多路复用，因此，宽带

10、传输系统中信道的容量大大添加了。 宽带宽频带传输的间隔比基带传输的间隔更远。高等计算机网络与平安20/103二.信息、数据与信号 3.数据通讯系统的普通组成模型数据通讯是指在不同的计算机之间传送表示字符、数字、语音、图像的二进制代码的过程。按照在传输介质上传输的信号类型不同，数据通讯系统可分为模拟通讯系统与数字通讯系统两种。其中， 信道中传输模拟信号的系统称为模拟通讯系统， 信道中传输数字信号的系统那么称为数字通讯系统。高等计算机网络与平安21/103二.信息、数据与信号 3.数据通讯系统的普通组成模型通讯系统的普通组成模型如以下图所示：高等计算机网络与平安22/103二.信息、数据与信号 4

11、.模拟通讯系统的组成模型模拟通讯系统的组成可由通讯系统普通模型略加改动而成，主要完成了以下两种重要变换：延续音讯到电信号相互变换；例如：把声音转换为电信号的麦克风。基带信号模拟基带信号到调制信号频带信号的变换。高等计算机网络与平安23/103二.信息、数据与信号 4.模拟通讯系统的组成模型为了完成基带信号到频带信号的变换，如以下图所示，在模拟通讯系统中需求将通讯系统普通组成模型中的发送与接纳设备分别用调制器、解调器来替代。高等计算机网络与平安24/103二.信息、数据与信号 5.数字通讯系统的组成模型与分类在数字通讯系统中，假设信源产生的是数字信号例如：计算机或终端等数字设备直接发出的二进制信

12、号，而传输运用的是模拟信道例如：公用线路等，那么称为数字信号的频带传输通讯系统。假设信源产生的是数字信号，而传输运用的也是数字信道，那么称为数字信号的数字基带传输通讯系统。假设信源产生的是模拟信号，而传输运用的是数字信道，那么称为模拟信号数字化后的数字基带传输通讯系统。高等计算机网络与平安25/103二.信息、数据与信号 5.数字通讯系统的组成模型与分类Cont.数字信号频带传输通讯系统：数字信号频带传输通讯系统的组成模型如以下图所示。高等计算机网络与平安26/103二.信息、数据与信号 5.数字通讯系统的组成模型与分类Cont.数字基带传输通讯系统：数字基带传输通讯系统的组成模型如以下图所示

13、。高等计算机网络与平安27/103二.信息、数据与信号 5.数字通讯系统的组成模型与分类Cont.模拟信号数字化后的数字基带传输通讯系统：模拟信号数字化后的数字基带传输通讯系统的组成模型如以下图所示。高等计算机网络与平安28/103二.信息、数据与信号 5.数字通讯系统的组成模型与分类Cont.要实现模拟信号在数字基带传输通讯系统中的传输，必需在发送端将模拟信号数字化，即进展模/数转换；在接纳端需进展相反的转换，即数/模转换。模拟信号的数字化需求三个步骤：抽样、量化和编码： 高等计算机网络与平安29/103二.信息、数据与信号 5.数字通讯系统的组成模型与分类Cont.抽样Sampling：是

14、指用每隔一定时间的信号样值序列来替代原来在时间上延续的模拟信号， 也就是把在时间延续的模拟信号转换为在时间上离散，幅度上延续的模拟信号。高等计算机网络与平安30/103二.信息、数据与信号 5.数字通讯系统的组成模型与分类Cont.量化Quantification：是指用有限个幅度值来近似采样得到的延续变化的幅度值，从而把模拟信号的延续幅度变为有限数量的有一定间隔的离散幅度。 高等计算机网络与平安31/103二.信息、数据与信号 5.数字通讯系统的组成模型与分类Cont.编码Coding：是指按照一定的规律，把量化后的幅度值用二进制数字表示，然后转换成二值或多值的数字信号流。 这样得到的数字信

15、号，才可经过电缆、微波干线、卫星通道等数字线路传输。由此可知，在基带传输中，需求对数字信号进展编码来表示数据。高等计算机网络与平安32/103二.信息、数据与信号 6.数字通讯的优缺陷 数字通讯的主要优点如下： 抗干扰才干强：由于在数字通讯中，传输的信号幅度是离散的，以二进制为例，信号的取值只需两个，这样接纳端只需判别两种形状。 过失可控：数字信号在传输过程中出现的错误过失，可经过纠错编码技术来控制，以提高传输的可靠性。高等计算机网络与平安33/103二.信息、数据与信号 6.数字通讯的优缺陷 易加密：数字信号与模拟信号相比，它容易进展加密和解密。因此，数字通讯的严密性好。 易于与现代技术相结

16、合：由于计算机技术、数字存贮技术、数字交换技术以及数字处置技术等现代技术飞速开展，许多设备、终端接口等产生的均是数字信号，因此，极易与数字通讯系统相衔接。高等计算机网络与平安34/103二.信息、数据与信号 数字通讯的主要缺陷如下： 频带利用率不高：数字通讯中，数字信号占用的频带宽，例如：以系统为例，一路模拟通常只占据 4kHz 带宽，但一路接近同样话音质量的数字能够要占据20-60kHz的带宽。因此，在系统传输带宽一定的前提之下，模拟的频带利用率要高出数字5-15倍。 高等计算机网络与平安35/103二.信息、数据与信号 系统设备比较复杂：在数字通讯中，为了准确地恢复信号，接纳端需求严厉的同

17、步系统，以坚持接纳端和发送端之间具有严厉的节拍一致、编组一致。因此，数字通讯系统及其设备普通都比较复杂。不过，随着新的宽带传输信道如光纤的采用、以及窄带调制技术与超大规模集成电路的开展，数字通讯的这些缺陷目前曾经弱化。高等计算机网络与平安36/103三.传输介质 物理层的目的是将原始的位流从一台机器传输到另一台机器，有多种物理介质可用于实践的传输过程。每一种传输介质都有本人不同的特性，包括带宽、延迟、造价等。按照物理形状的不同，传输介质大致上可以分为有线传输介质和无线传输介质两种。高等计算机网络与平安37/103三.传输介质 1.有线传输介质 有线传输介质是指在两个通讯设备之间实现的物理衔接部

18、分，它能将信号从一方传输到另一方，有线传输介质主要有双绞线、同轴电缆和 光纤：高等计算机网络与平安38/103三.传输介质 双绞线Twisted Pair：双绞线是一种把两条相互绝缘的铜导线纽绞起来而组成的通讯线路，双绞线的这种构造既可减小流过电流所辐射的能量，也可防止来自其他通讯线路上的信号的干涉。通常，双绞线可分为屏蔽STPShielded Twisted Pair和非屏蔽UTPUnshielded Twisted Pair的两种，其中：非屏蔽双绞线UTP定义了五种质量类别，而在计算机网络中常用的有以下三种：第三类传输特性最高规定16MHz 、第四类20MHz 、第五类非屏蔽双绞线155M

19、Hz 。高等计算机网络与平安39/103三.传输介质 1.有线传输介质同轴电缆Coaxial Cable：同轴电缆是一种由一对同轴导线所组成的通讯线路。同轴电缆的频带宽，损耗小，具有比双绞线更强的抗干扰才干和更好的传输性能。按特性阻抗值不同，同轴电缆主要包括75欧姆宽带同轴电缆和50欧姆基带同轴电缆两种。在局域网中常用基带电缆，其数据传输率为10Mb/s，主要用于总线拓扑构造。高等计算机网络与平安40/103三.传输介质光纤Optical Fiber：在通讯系统中，目前最为普遍运用的是石英系光纤，普通由纤芯光的通路、包层多层反射玻璃，将光线反射到纤芯、以及维护层组成。光纤常用于点到点的远间隔传

20、输。由于光纤在任何时候都只能单向传输，因此，实现双向通讯光阴纤必需成对出现。高等计算机网络与平安41/103三.传输介质 用光纤来传输电信号时，在发送端先要将其转换成光信号，而在接纳端那么要由光检波器复原成电信号。按光在光纤中的传输方式，光纤可分为单模光纤Single Mode Fiber和多模光纤Multi Mode Fiber两种。其中，“模是指以一定角速度进入到光纤之中的一束光。高等计算机网络与平安42/103三.传输介质 2.无线传输介质 无线传输介质是指在两个通讯设备之间不运用任何物理衔接，而是经过空间传输的一种技术。 无线传输介质主要包括微波、红外线和激光等。高等计算机网络与平安4

21、3/103三.传输介质 地面微波：微波的频率范围为300MHz-300GHz，在这个范围内，它在空中主要沿直线传播，可经电离反射到很远的地方。由于微波在空中是直线传播，而地球外表是个曲面，因此传输间隔遭到限制。假设两个站点间相距太远，由于地球本身会妨碍电磁波的传输，因此，需求经过微波中继站的串联运用来完成远程通讯效力。高等计算机网络与平安44/103三.传输介质 卫星微波：卫星通讯是微波通讯与空间电子技术开展的产物，卫星通讯系统由地球和卫星站两部分组成。卫星在空中起着微波中继站的作用，用于把地球站发上来的电磁波放大后再返送回另一地球站。卫星首先从一个频率上行链5.93-6.42GHz接纳地面传

22、输来的信号，将其放大或再生之后，再从另一个频率下行3.7-2.2GHz将信号发送到地面站。卫星微波具有广播性质，但由于传输间隔较远，因此，有1/4秒的传输延迟。高等计算机网络与平安45/103三.传输介质 红外传输：主要利用950nm近红外波段的红外线作为传输媒介。由于红外线的波长较短750nm至1mm之间，因此，对妨碍物的衍射才干差，只合顺运用在需求短间隔最多1-2米范围内无线通讯的场所，进展点对点的直线数据传输，红外传输的传输速率最快可达16Mbps。高等计算机网络与平安46/103三.传输介质 激光传输：激光除了在光纤通讯中可以作为光源外，还能用于在直线间进展数据传输，由于激光的聚焦性好

23、，利用激光可以在很长的间隔间进展直线的数据传输，这对于衔接两栋无遮挡建筑物内的计算机网络或控制网络是非常方便的，尤其对于只需暂时设置的衔接更有优势。但是，由于激光不具有穿透性，对环境变化比较敏感，雾、雪和雨等大气变化都会影响传输效果，因此，实践运用中能够需求随时对激光发射器和接纳器进展调整与维护。高等计算机网络与平安47/103四.数字数据的通讯方式在数字数据通讯中，按每次传送的数字数据位数，通讯方式可分为并行通讯和串行通讯。按照数据在线路上的传输方向，那么其通讯方式又可分为单工通讯、半双工通讯与全双工通讯。高等计算机网络与平安48/103四.数字数据的通讯方式1.串行与并行通讯 并行通讯Pa

24、rallel Commuca：如以下图所示，在并行通讯方式中一次同时传送8位二进制数据，因此，从发送端到接纳端需求8根数据线。并行方式主要用于近间隔通讯，例如：在计算机内部的数据通讯通常是以并行方式进展的。并行方式的优点是传输速度快，处置简单。高等计算机网络与平安49/103四.数字数据的通讯方式1.串行与并行通讯串行通讯Serial Communication：在串行通讯方式中一次只传送一位二进制的数据，因此，从发送端到接纳端只需求一根传输线。串行方式虽然传输率低，但适宜于远间隔传输，因此在网络中普遍采用串行通讯方式。高等计算机网络与平安50/103四.数字数据的通讯方式2.单工通讯、半双工

25、或全双工通讯 单工通讯Simplex Communication：单工通讯方式只支持数据在一个方向上传输，又称为单向通讯。例如：无线电广播和电视广播都是单工通讯。 半双工通讯Half Duplex Communication：半双工通讯方式允许数据在两个方向上传输，但在同一时辰，只允许数据在一个方向上传输，因此，半双工通讯实践上是一种可切换方向的单工通讯，这种方式普通用于计算机网络的非主干线路中。高等计算机网络与平安51/103四.数字数据的通讯方式 全双工通讯Duplex Communication：全双工通讯方式允许数据同时在两个方向上传输，又称为双向同时通讯，即通讯的双方可以同时发送和接

26、纳数据。例如：现代通讯系统PSTN中采用的就是全双工通讯方式。这种通讯方式主要用于计算机与计算机之间的通讯。高等计算机网络与平安52/103四.数字数据的通讯方式3.同步与异步通讯 串行通讯的数据是逐位传送的，发送方发送的每一位都具有固定的时间间隔，这就要求接纳方也要按照发送方同样的时间间隔来接纳每一位。按照串行数字的不同时钟控制方式，串行通讯又可分为同步通讯和异步通讯两种方式。高等计算机网络与平安53/103四.数字数据的通讯方式同步通讯Synchronous Communication：同步通讯方式要求接纳端时钟频率和发送端时钟频率一致。发送端发送延续的比特流。异步通讯Asynchrono

27、us Communication：异步通讯时不要求接纳端时钟和发送端时钟同步。发送端发送完一个字节长度为5至8位后，可经过恣意长的时间间隔再发送下一个字节。高等计算机网络与平安54/103五.数字数据的编码方法 在基带传输中，需求对数字信号进展编码来表示数据，其中，数字数据信号的编码方式主要有非归零码NRZ、曼彻斯特Manchester编码、和差分曼彻斯特Difference Manchester编码：高等计算机网络与平安55/103五.数字数据的编码方法非归零码NRZNon Return Zero：NRZ码的编码原理如以下图所示，其中：以低电平表示0，高电平表示1。NRZ码的缺陷：无法判别一

28、位的开场与终了，如：无法从继续的高电平中解析出1的个数，因此，为保证收发双方的同步，还必需在发送NRZ码的时候，用另一个信道同时传送同步信号。高等计算机网络与平安56/103五.数字数据的编码方法 曼彻斯特Manchester编码：曼彻斯特编码又称裂相码、双向码，是一种用电平跳变来表示1或0的编码方法， 其编码原理如以下图所示，每比特的周期T分为前T/2与后T/2两部分，前T/2传送该比特的反码，后T/2传送该比特的原码，其中：低电平表示0，高电平表示1 。 由于曼彻斯特码在每个时钟位都必需有一次变化，因此，其编码的效率仅可到达50%左右。高等计算机网络与平安57/103五.数字数据的编码方法

29、 曼彻斯特编码方法主要具有以下的优点：1每个比特的中间有一次电平跳变，两次电平跳变的时间间隔可以是T/2或T；2利用电平跳变可以产生收发双方的同步信号；3曼彻斯特编码是一种自同步的编码方式，即时钟同步信号就隐藏在数据波形中。在曼彻斯特编码中，每一位的中间有一跳变，该跳变既可作为时钟信号，又可作为数据信号。因此，发送曼彻斯特编码信号时无需另发同步信号。高等计算机网络与平安58/103五.数字数据的编码方法 差分曼彻斯特Difference Manchester编码：差分曼彻斯特编码是对曼彻斯特编码的一种改良，虽然保管了曼彻斯特编码作为“自含时钟编码的优点， 其编码原理如以下图所示，其中：每比特的

30、中间跳变仅做同步之用；每比特的值根据其开场边境能否发生跳变来决议，假设一个比特开场处出现电平跳变表示传输二进制0，而不发生跳变那么表示传输二进制1。高等计算机网络与平安59/103五.数字数据的编码方法 差分曼彻斯特编码的主要优点为：比曼切斯特编码的电平跳变次数要少，因此，更适宜与传输高速的信息，被广泛用于宽带高速网中。高等计算机网络与平安60/103六.模拟信道的数字数据传输速率1.常用的数据传输速率单位 数据传输速率是描画数据传输系统的重要技术目的之一。数据传输速率在数值上等于每秒钟传输构成数据代码的二进制比特数，单位为比特/秒，记为bps或b/s，常用的数据传输速率单位有：Kbps、Mb

31、ps、Gbps与Tbps，其中：1Kbps = 1103 bps；1Mbps = 1106 bps；1Gbps = 1109 bps；1Tbps = 11012 bps。高等计算机网络与平安61/103六.模拟信道的数字数据传输速率2.信道、信号带宽与信道带宽 信道Channel：是指信号传输的物理通道。 信号带宽：是指信号频谱的宽度，即：信号的最高频率分量与最低频率分量之差， 例如：一个由数个正弦波叠加成的方波信号，该信号的最低频率分量为其基频，假定为：f=2KHz，其最高频率分量为其7次谐波频率，即为：7f=72=14KHz，因此，该信号的带宽为：7f - f =14-2=12KHz。 高

32、等计算机网络与平安62/103六.模拟信道的数字数据传输速率2.信道、信号带宽与信道带宽信道带宽：信道带宽限定了允许经过该信道的信号下限频率和上限频率，即限定了一个频率通带。例如：一个信道允许的通带为 1.5KHz至 15KHz，其带宽为 13.5KHz，由于2KHz1.5KHz且14KHz15KHz，因此，上面这个方波信号的一切频率成分当然能从该信道经过，假设不思索衰减、时延以及噪声等要素，经过此信道的该信号会毫不失真。只需最低频率分量和最高频率分量都在信道带宽的频率范围内的恣意信号都能经过该信道 。高等计算机网络与平安63/103六.模拟信道的数字数据传输速率2.信道、信号带宽与信道带宽

33、假设信号与信道带宽一样且频率范围一致，信号能不损失频率成分地经过信道。 假设带宽一样但频率范围不一致时，该信号的频率分量一定不能完全经过该信道此时，可以思索经过频谱搬移也就是调制来实现 。 高等计算机网络与平安64/103六.模拟信道的数字数据传输速率2.信道、信号带宽与信道带宽 假设带宽不同且信号带宽小于信道带宽，同时，信号的一切频率分量均包含在信道的通带范围内，那么信号能不损失频率成分地经过。 假设带宽不同且信号带宽大于信道带宽，同时，集中信号大部分能量的主要频率分量包含在信道的通带范围内，经过信道的信号会损失部分频率成分，但仍能够被识别，正如数字信号的基带传输和语音信号在信道传输那样。高

34、等计算机网络与平安65/103六.模拟信道的数字数据传输速率2.信道、信号带宽与信道带宽 假设带宽不同且信号带宽大于信道带宽，同时，集中信号相当多能量的频率分量不在信道的通带范围内，这些信号频率成分将被滤除，信号失真甚至严重畸变。 不论带宽能否一样，假设信号的一切频率分量都不在信道的通带范围内，那么信号将无法经过。 高等计算机网络与平安66/103六.模拟信道的数字数据传输速率2.信道、信号带宽与信道带宽 不论带宽能否一样，假设信号频谱与信道通带交错，且只需部分频率分量经过，那么信号将会失真。 例如：以信道为例，假定其频率范围从3003300Hz，即：信道带宽为3kHz，而语音信号频谱那么普通

35、为100Hz7KHz的范围。那么信道将语音信号频谱掐头去尾。 由于语音信号的主要能量集中在中心的一些频率分量附近，因此，经过信道传输的语音信号虽有失真，但仍能分辨。高等计算机网络与平安67/103六.模拟信道的数字数据传输速率3.奈奎斯特准那么与香农定律 在现代网络技术中，人们总是以“带宽来表示信道的数据传输速率，“带宽与“速率几乎成了同义词。 信道带宽与数据传输速率的关系可以奈奎斯特Nyquist准那么与香农Shanon定律描画。 高等计算机网络与平安68/103六.模拟信道的数字数据传输速率3.奈奎斯特准那么与香农定律 奈奎斯特准那么：二进制数据信号的最大数据传输速率Rmax与通讯信道带宽

36、H单位Hz的关系为Rmax=2Hlog2V，其中V表示不同码元的个数。 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Rmax与信道带宽H，信噪比S/N的关系为Rmax=Hlog21+S/N，其中S/N为信噪比，10lgS/N的值为分贝。高等计算机网络与平安69/103六.模拟信道的数字数据传输速率3.奈奎斯特准那么与香农定律 奈奎斯特定理描画了有限带宽、无噪声信道的最大数据传输速率与信道带宽的关系。 香农定理描画了有限带宽、有随机热噪声信道的最大传输速率与信道带宽、信噪比间的关系。 显然，信道数据传输速率的上限：为分别根据奈奎斯特准那么和香农定理所得数据传输速率Rmax之间的最

37、小值。 高等计算机网络与平安70/103六.模拟信道的数字数据传输速率3.奈奎斯特准那么与香农定律 另外，由奈奎斯特准那么可知，要想提高信道的数据传输速率，仅仅依托提高采样率是不能够的，由于奈奎斯特准那么阐明，即使对于完美的3KHz传输线路，假设每个码元仅包含一位即：用0伏电压表示逻辑0，用1伏电压表示逻辑1，那么采样率超越6KHz是没有意义的。 因此，要想获得更高的数据传输速率，只需利用调制Modulation技术尽能够提高每次采样发送的信息的位数，即码元的长度。高等计算机网络与平安71/103六.模拟信道的数字数据传输速率4.数字调制技术的三种根本方式 所谓调制，是指在发送端将数字数据信号

38、变换成模拟数据信号的过程。担任调制的设备称为调制器Modulator。 在数字信号的频带传输系统中，为了在模拟信道中传输数字信号，必需先在发送端将数字信号转换成模拟信号，然后再在接纳端将模拟数据信号复原成数字数据信号。 高等计算机网络与平安72/103六.模拟信道的数字数据传输速率4.数字调制技术的三种根本方式 将模拟数据信号复原成数字数据信号的过程称为解调，担任解调的设备称为解调器Demodulator，而同时具备调制与解调功能的设备那么称为调制解调器Modem，调制解调器是频带传输中最典型的通讯设备。 目前主要的数字调制技术将数字信号变换为模拟信号的技术有以下三种根本方式，即：移幅键控法A

39、SK、移频键控法FSK、移相键控法PSK。高等计算机网络与平安73/103六.模拟信道的数字数据传输速率4.数字调制技术的三种根本方式 幅度键控ASKAmplitude Shift Keying：即按载波的幅度遭到数字数据的调制而取不同的值，例如：对应二进制0，载波振幅为0；对应二进制1，载波振幅为1。调幅技术实现起来简单，但容易受增益变化的影响，是一种低效的调制技术。在线路上，通常只能到达1200bps的速率。 高等计算机网络与平安74/103六.模拟信道的数字数据传输速率4.数字调制技术的三种根本方式 频移键控FSKFrequency Shift Keying：即按数字数据的值0或1调制载

40、波的频率。例如：对应二进制0的载波频率为F1，而对应二进制1的载波频率为F2。该技术抗干扰性能好，但占用带宽较大。高等计算机网络与平安75/103六.模拟信道的数字数据传输速率4.数字调制技术的三种根本方式 相移键控PSKPhase Shift Keying：即按数字数据的值调制载波相位。 例如：用180度相移表示1，用0度相移表示0。 这种调制技术的抗干扰性能最好，且相位的变化也可以作为定时信息来同步发送机和接纳机的时钟，并对传输速率起到加倍的作用。高等计算机网络与平安76/103六.模拟信道的数字数据传输速率4.数字调制技术的三种根本方式为了获得更高的速度，目前的高级调制解调器都组合运用了

41、几种调制技术，以便在每个波特每秒采样的次数称为波特中传输尽能够多的位。通常，多个振幅和相位组合起来即可传输几位/波特。高等计算机网络与平安77/103六.模拟信道的数字数据传输速率4.数字调制技术的三种根本方式 基于振幅和相位组合的调制方法可以用星座图Constellation Diagram来表示。在星座图中，图中每个点代表了信道中传输的正弦载波信号不同振幅与相位的组合。高等计算机网络与平安78/103六.模拟信道的数字数据传输速率4.数字调制技术的三种根本方式四种常见的基于振幅和相位组合的调制方法及其星座图表示。 QPSK正交相移键控，Quadrature Phase Shift Keyi

42、ng调制技术：对应的星座图包含振幅与相位的4种组合，因此每次采样可发送长度为2位的信息，即用4种组合分别表示 (0,0)、(0,1)、(1,0)、(1,1) 。高等计算机网络与平安79/103六.模拟信道的数字数据传输速率4.数字调制技术的三种根本方式 QAM-16正交振幅调制，Quadrature Amplitude Modulation调制技术：对应的星座图包含振幅与相位的16种组合，因此每次采样可发送长度为4位的信息，即用4种组合分别表示 (0,0,0,0)(1,1,1,1)。高等计算机网络与平安80/103六.模拟信道的数字数据传输速率4.数字调制技术的三种根本方式 QAM-64调制技

43、术：对应的星座图包含振幅与相位的64种组合，因此每次采样可发送长度为6位的信息，即用4种组合分别表示 (0,0,0,0,0,0)(1,1,1,1,1,1)。 高等计算机网络与平安81/103六.模拟信道的数字数据传输速率4.数字调制技术的三种根本方式 QAM-128调制技术：对应的星座图包含振幅与相位的128种组合，因此每次采样可发送长度为8位的信息，即用4种组合分别表示 (0,0,0,0,0,0,0,0)(1,1,1,1,1,1,1,1) 。高等计算机网络与平安82/103六.模拟信道的数字数据传输速率4.数字调制技术的三种根本方式基于奈奎斯特准那么可知，针对话音信道带宽4000Hz，采用Q

44、PSK、QAM-16、QAM-64、QAM-128四种不同调制技术，那么信道的数据传输速率分别可达16Kbps、32 Kbps、48 Kbps、64 Kbps。显然，星座图中的点越多，那么采用该调制技术，将使得信道的数据传输速率越大。但是，星座图中的点越多，也使得噪声对信号影响也就越大，因此，星座图中的点不能够无限制增多。高等计算机网络与平安83/103七.多路复用技术多路复用Multiplexing是指两个或多个用户共享一条公用信道的一种机制。经过多路复用技术，多个终端能共享一条高速信道，从而到达节省信道资源的目的。多路复用技术主要包括以下几种：频分多址FDMAFrequency Divis

45、ion Multiple Access，时分多址TDMATime Division Multiple Access，码分多址CDMACode Division Multiple Access、波分多址WDMAWavelength Division Multiple Access。高等计算机网络与平安84/103七.多路复用技术1.频分多址FDMA技术 如以下图所示，FDMA技术把通讯系统的总频段划分成假设干个等间隔的信道也称频道分配给不同的用户运用。每一个频道都可以传输语音通话、数字效力和数字数据，且这些频道之间互不交叠，相邻频道之间无明显的串扰。FDMA的特点是信道不独占，而时间资源共享，每

46、一子信道运用的频带互不重叠。高等计算机网络与平安85/103七.多路复用技术2.时分多址TDMA技术 TDMA时分多路复用技术是将信道用于传输的时间划分为假设干个时隙；每个用户分得一个时隙；在其占有的时隙内，用户运用通讯信道的全部带宽。 TDMA的特点是独占时隙，而信道资源共享，每一个子信道运用的时隙不重叠。高等计算机网络与平安86/103七.多路复用技术2.时分多址TDMA技术 例如，贝尔系统的T1载波采用TDMA技术将24路音频信道复用在一条通讯线路上； 每路音频模拟信号在送到多路复用器前要经过一个PCM编码器，编码器每秒取样8000次； 24路PCM信号的每一路轮番将一个字节插入到帧Fr

47、ame中；每个字节的长度为8位，其中7位是数据位，1位用于信道控制；每帧由248=192位组成，附加一位作为帧开场标志位，所以每帧共有193位； 每次取样发送一帧，因此，发送一帧需求125微秒；因此，T1载波的数据传输速率为1.544Mbps=193位/125微秒。高等计算机网络与平安87/103七.多路复用技术3.码分多址CDMA技术 码分多址CDMA技术也称扩频多址SSMA， Spread Spectrum Multiple Access技术，是指将原信号的频带扩宽，再经调制后发送出去；接纳端接纳到经扩频的宽带信号后，作相关处置，再将其解扩为原始数据信号。高等计算机网络与平安88/103七

48、.多路复用技术3.码分多址CDMA技术码分多址技术也是一种共享信道的方法，每个用户可在同一时间运用同样的频带进展通讯，但运用的是基于码型的分割信道的方法，即每个用户分配一个地址码，且各个码型互不重叠，通讯各方之间不会相互关扰。CDMA的特点：是一切子信道在同一时间可以运用整个信道进展数据传输，它在信道与时间资源上均为共享，因此，信道的效率高，系统的容量大。高等计算机网络与平安89/103七.多路复用技术3.码分多址CDMA技术CDMA的原理：任何一个发送方都要把本人发送的0、1代码串中的每一位都分成m个更短的时隙或称芯片Chip，通常m取64片或128片，也就是将原先要发送的信号速率或带宽提高

49、了64倍或128倍。另外，这种芯片序列是双极型表示的，即0用-1表示，1用+1表示。高等计算机网络与平安90/103七.多路复用技术3.码分多址CDMA技术假定每个站点都有本人独一的芯片序列，用符号S来表示站点S的m维芯片序列，S表示它的补码也是一个m维芯片序列，且一切芯片序列都是两两正交的。即：假设S和T是两个不同的芯片序列，用ST表示两者之间的“点积，其中，所谓“点积就是指对双极型芯片序列中的m位相乘之和、再除以m的结果。那么每个芯片序列和其本身的点积结果为1如：SS=+1，和其补码的点积结果为1如：SS =+1，而与其它不同的芯片序列的点积结果为0如：ST=0。高等计算机网络与平安91/

50、103七.多路复用技术3.码分多址CDMA技术 例如：假定 S =-1,-1,-1,-1， T =+1,-1,+1,-1，那么有：SS =-1,-1,-1,-1-1,-1,-1,-1=-1*-1+-1*-1+-1 *-1+-1*-1/4=+1SS =-1,-1,-1,-1+1,+1,+1,+1=-1*+1+-1*+1+-1 *+1+-1*+1/4=-1ST =-1,-1,-1,-1+1,-1,+1,-1=-1*+1+-1*-1+-1 *+1+-1*-1/4=0ST =-1,-1,-1,-1-1,+1,-1,+1=-1*-1+-1*+1+-1 *-1+-1*+1/4=0高等计算机网络与平安92/

51、103七.多路复用技术3.码分多址CDMA技术 上述这种芯片序列所具有的特性称为正交性，而构造满足正交性的芯片序列的编码那么称为 Walsh码，Walsh码可以从一个二进制Walsh矩阵导出。 根据上述芯片序列的正交特性，假设一个站点要发送数字1时就发送其芯片序列本身，要发送数字0时就发送其芯片序列的补码。 当有多个终端同时发送信号时，那么信号将会在空中进展叠加。高等计算机网络与平安93/103七.多路复用技术3.码分多址CDMA技术例如：假定站点A、B的芯片序列分别是-1,-1,-1,-1和+1,-1,+1,-1，假设站点A、B发送的数字都为1即：站点A、B均发送其芯片序列本身，那么信号叠加后将变