计算机网络-数据通信基础及物理层

计算机网络第3章数据通信基础与物理层第3章数据通信基础与物理层3.1物理层的基本概念3.2数据通信的基本概念

3.2.1数据通信系统的基本概念

3.2.2数据通信系统的模型

3.2.3数据通信系统的主要质量指标

3.3数据传输方式

3.3.1并行、串行传输

3.3.2单工、半双工和全双工通信

3.3.3异步传输与同步传输

3.3.4基带传输与数字信号编码

3.3.5频带传输与模拟信号编码

3.3.6模拟数据的数字信号编码第3章数据通信基础与物理层（续）

3.4多路复用技术

3.4.1频分多路复用

3.4.2时分多路复用

3.4.3波分多路复用

3.4.4码分多路复用3.5传输介质

3.5.1传输介质的分类

3.5.2有线传输介质

3.5.3无线传输介质3.6宽带接入技术3.6.1拨号连接

3.6.2ADSL

3.6.3光纤同轴混合网HFC第3章数据通信基础与物理层（续）

3.6.4代理服务器接入3.1物理层的基本概念物理层的主要任务描述为确定与传输媒体的接口的一些特性，即：机械特性指明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。电气特性指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。功能特性指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义。规程特性指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。

3.2数据通信的基本概念

3.2.1数据通信的基本概念数据(data)——运送信息的实体。信号(signal)——数据的电气的或电磁的表现。“模拟的”(analogous)——连续变化的。“数字的”(digital)——取值是离散数值。调制——把数字信号转换为模拟信号的过程。解调——把模拟信号转换为数字信号的过程。模拟的和数字的数据、信号模拟数据模拟信号放大器调制器模拟数据数字信号

PCM编码器数字数据模拟信号调制器数字数据数字信号

数字发送器数据通信——发送方将要发送的数据转换成信号通过物理信道传输到数据接收方的过程，分为模拟数据通信和数字数据通信。源点——数据的发送方终点——数据的接收方信道——在源点和终点之间建立的一条传输信号的物理通道3.2.2数据通信系统的模型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源点终点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比特流数字比特流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3.2.3数据通信系统的主要质量指标模拟通信系统的质量指标有效性有效性是用有效传输带宽来度量，频带宽度越窄，有效性越好可靠性可靠性是用接收端最终的输出信噪比来度量，信噪比越大，通信质量越高。数字通信系统的质量指标数字通信系统中，有效性用传输速率来表示，可靠性用差错率（误码率）来衡量。几个重要基本概念：码元——承载信息的基本信号单位，一个表示数据有效值状态的脉冲信号就是一个码元，其单位为波特信道容量——一个信道能够达到的最大的传输速率，它表示信道的传输能力。在通信领域中，信道容量常指信道在单位时间内可传输的最大码元数，以码元速率（或波特）来表示数据传输速率——通信系统单位时间内传送的二进制代码的位（比特）数，因此又称比特率，单位用比特/秒表示，记为b/s或b/s。设T为传输的电脉冲的宽度或周期，N为一个脉冲信号所有可能的状态数，则数据传输速率为：RS

=log2

N

（b/s）调制速率——调制后模拟电信号每秒钟的变化次数，它等于调制周期（即时间间隔）的倒数，单位为波特（Baud）。

若用T（秒）表示调制周期，则调制速率为Rb=1/T（Baud），即1波特表示每秒钟传送一个码元。误码率——二进制码元在传输过程中被传错的概率误码率的计算公式为：Pe=Ne/N式中Pe表示误码率，Ne表示被传错的码元数，N表示传输的二进制码元总数。上式只有在N取值很大时才有效。“带宽”——本来是指信号具有的频带宽度，单位是赫（或千赫、兆赫、吉赫等）。现在“带宽”是数字信道所能传送的“最高数据率”的同义语，单位是“比特每秒”，或b/s(bit/s)。数字信号流随时间的变化在时间轴上信号的宽度随带宽的增大而变窄。每秒

106

个比特时间1

01

0

111s带宽为1Mb/s时间每秒

4

106

个比特0.25s带宽为4Mb/s时延发送时延（传输时延）发送数据时，数据块从结点进入到传输媒体所需要的时间。信道带宽数据在信道上的发送速率。常称为数据在信道上的传输速率。发送时延=数据块长度（比特）信道带宽（比特/秒）时延(delay或latency)传播时延电磁波在信道中需要传播一定的距离而花费的时间。信号传输速率（即发送速率）和信号在信道上的传播速率是完全不同的概念。传播时延=信道长度（米）信号在信道上的传播速率（米/秒）时延(delay或latency)处理时延交换结点为存储转发而进行一些必要的处理所花费的时间。结点缓存队列中分组排队所经历的时延是处理时延中的重要组成部分。处理时延的长短往往取决于网络中当时的通信量。有时可用排队时延作为处理时延。时延(delay或latency)数据经历的总时延就是发送时延、传播时延和处理时延之和：总时延=发送时延+传播时延+处理时延三种时延所产生的地方1011001…发送器队列在链路上产生传播时延结点

B结点

A在发送器产生发送时延(即传输时延)在队列中产生处理时延数据从结点A向结点B发送数据链路3.3数据传输方式

3.3.1并行、串行传输并行传输数字信号以成组的方式在多个并行信道上进行的传输，数据由多条数据线同时传送与接收，每个比特使用单独的一条线路。优点：传送速率快，发收双方间不存在字符同步的问题；缺点：需要多个并行信道，增加了设备的成本，而且并行线路的电平相互干扰也会影响传输质量，不适合做较长距离的通信。数据以成组方式在多个并行信道上同时传输。在并行传输中，一次传送一个字符，所以不存在字符同步问题。例子：计算机中的总线并行通信信道b0b1

b2b3

b4b5b6

b7

发送端b0b1

b2b3

b4b5b6

b7

接收端串行传输数据流以串行方式在一条信道上传输。存在字符同步问题例子：电话线路传送数据信号发送端b0b1b2b3b4b5b6b7

接收端串行通信信道串行通信与并行通信的比较在相同的发送时钟下，并行通信的数据传输速率将大于串行通信。并行通信需要多个并行信道，实现昂贵。并行通信方式适合于近距离通信（如计算机中）而在远程通信中一般采用串行通信方式。串/并与并/串转换

当计算机通过串行信道相互通信时，在发送方要进行并/串转换，而在接收端要进行串/并转换计算机串行信道计算机并行传输并行传输串行传输并/串转换串/并转换3.3.2单工、半双工和全双工通信单工通信数据传送只能在一个固定的方向上进行，任何时候都不能改变方向。例子：广播、电视发送单向通道接收半双工通信信号可以双向进行，但不可同时进行，一个时间只能有一个方向的传送例子：对讲机、计算机—终端发送接收双向通道接收发送双工通信信号可以同时进行双向发送例子：

计算机—计算机发送接收双向通道接收发送3.3.3异步传输与同步传输异步传输方式以字符为单位进行传输的，即每个字符都独立传输，且每一字符的起始时刻可以为任意。每个字符在传输时都在字符前加上起始位和在字符后加上结束位，以表示一个字符的开始和结束。异步传输方式同步传输方式以固定的时钟节拍来连续串行发送数字信号HDLC中的同步传输方式3.3.4基带传输与数字信号编码基带信号——将数字信号1或0直接用两种不同的电压来表示，然后送到线路上去传输。基带传输——通信信道中直接传输基带信号的传输方式数字信号编码——用两种码元分别表示二进制数字符号“0”和“1”，每位二进制符号和一个码元相对应。表示二进制数字的码元的形式不同，产生的编码方法也不同，这里主要介绍曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码。差分曼切斯特编码曼彻斯特编码3.3.5频带传输与模拟信号编码频带传输——先将基带信号（数字信号）进行调制后变换成便于在模拟信道中传输的、具有较高频率范围的信号，这种信号称为频带信号（也叫模拟信号），再将这种频带信号在信道中传输。在接收端再将该频带信号通过解调还原成基带信号。调制——进行波形变换，利用基带信号对高频震荡载波的参量进行修改。最基本的调制方法：调幅、调频和调相调幅(AM)：载波的振幅随基带数字信号而变化。调频(FM)：载波的频率随基带数字信号而变化。调相(PM)：载波的初始相位随基带数字信号而变化。

对基带数字信号的几种调制方法010011100基带信号调幅调频调相3.3.6模拟数据的数字信号编码

模拟数据的数字信号编码常用的方法有脉冲编码调制（PCM）和增量调制（△M）

PCM方法以取样定理为基础，将模拟数据数字化。例如对音频信号进行数字化编码，一般包括取样、量化、和编码3个过程。语音数字化的示例模拟信源数字信道模拟信宿模拟信号PCM编/解码器PCM编/解码器数字信号模拟信号PCM的采样模拟信号数字化的第一步按一定的时间间隔，将模拟信号的电平幅度取出来作为样本，让其表示原始信号。采样定理：若以至少两倍于最高有效信号频率的速率对模拟信号进行采样，则其样本包含足以重构原模拟信号的所有信息。（fs≥2fo）PCM的量化模拟信号数字化的第二步--将采样样本按量化级进行离散化的过程。通过将采样所得样本与预先规定的量化级进行比较，进行取整定级。量化级的多少取决于量化的精度。级数越高，量化精度越高，但所需的编码位数相应越多。PCM的编码模拟信号数字化的第三步。用相应位数的二进制代码表示采样样本的量化级。量化级数越多，所需的编码位数相应志越多。

e.g.：

8级—3位，16级—4位

T1（128级）--7位3.4多路复用技术

频分复用、时分复用和统计时分复用频分复用：所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源。时分复用：所有用户在不同的时间占用同样的频带宽度。

频分复用频率时间频率1频率2频率3频率4频率5时分复用频率时间BCDBCDBCDBCDAAAA在

TDM

帧中的位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧…TDM帧时分复用频率时间CDCDCDAAAABBBBCD在

TDM

帧中的位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧…TDM帧时分复用频率时间BDBDBDAAAABCCCCD在

TDM

帧中的位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧…TDM帧时分复用频率时间BCBCBCAAAABCDDDD在TDM帧中的位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧…TDM帧时分复用可能会造成

线路资源的浪费ABCDaabbcdbcattttt4个时分复用帧#1④③②①acbcd时分复用#2#3#4用户统计时分复用

STDM用户ABCDabcdttttt3个STDM帧#1④③②①acbabbcacd#2#3统计时分复用1550nm01551nm11552nm21553nm31554nm41555nm51556nm61557nm701550nm11551nm21552nm31553nm41554nm51555nm61556nm71557nm2.5.2波分复用WDM波分复用就是光的频分复用。82.5Gb/s1310nm20Gb/s复用器分用器EDFA120km2.5.3码分复用CDM常用的名词是码分多址CDMA(CodeDivisionMultipleAccess)。各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此彼此不会造成干扰。这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力，其频谱类似于白噪声，不易被敌人发现。每一个比特时间划分为m个短的间隔，称为码片(chip)。

码片序列(chipsequence)每个站被指派一个惟一的mbit码片序列。如发送比特1，则发送自己的mbit码片序列。如发送比特0，则发送该码片序列的二进制反码。

例如，S站的8bit码片序列是00011011。发送比特1时，就发送序列00011011，发送比特0时，就发送序列11100100。S站的码片序列：(–1–1–1+1+1–1+1+1)CDMA的重要特点每个站分配的码片序列不仅必须各不相同，并且还必须互相正交(orthogonal)。在实用的系统中是使用伪随机码序列。码片序列的正交关系令向量S表示站S的码片向量，令T表示其他任何站的码片向量。两个不同站的码片序列正交，就是向量S和T的规格化内积(innerproduct)都是0：码片序列的正交关系举例令向量S为(–1–1–1+1+1–1+1+1)，向量T为(–1–1+1–1+1+1+1–1)。把向量S和T的各分量值代入(2-4)式就可看出这两个码片序列是正交的。任何一个码片向量和该码片向量自己的规格化内积都是1。一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是–1。正交关系的另一个重要特性CDMA的工作原理S站的码片序列S110ttttttm

个码片tS站发送的信号SxT站发送的信号Tx总的发送信号Sx+Tx规格化内积S

Sx规格化内积S

Tx数据码元比特发送端接收端3.5传输介质

3.5.1传输介质的分类传输介质包括有线传输介质和无线传输介质两大类。

有线传输介质将信号约束在一个物理导体之内，如双绞线、同轴电缆和光纤等。无线传输介质如无线电波、红外线、激光等由于不能将信号约束在某个空间范围之内，故又被称为无线介质。3.5.2有线传输介质双绞线屏蔽双绞线STP(ShieldedTwistedPair)无屏蔽双绞线UTP(UnshieldedTwistedPair)

同轴电缆50

同轴电缆75

同轴电缆光缆各种电缆铜线铜线聚氯乙烯套层聚氯乙烯套层屏蔽层绝缘层绝缘层外导体屏蔽层绝缘层