计算机网络第06讲

计算机网络

（第六讲）主讲：李勇二零一五年九月计算机网络讲义2计算机网络讲义2上次课主要内容数据通信的基本概念通信线路物理链路信息、数据与信号信道、带宽模拟数据与数字数据模拟信号与数字信号基带信号与宽带信号数字数据用数字信号编码数字数据用模拟信号编码模拟数据用数字信号编码计算机网络讲义3脉码调制PCM体制基本思想PCM的理论基础是采样定理。采用PCM进行数字化变换的过程

1、采样：每隔一定的时间间隔，把模拟信号的值取出来，获得幅度采样脉冲，采样过程遵循采样定理。

2、量化：决定采样值属于哪个量级，并将其幅度按量化级取整，使每个采样值多近似地量化为对应等级值。

3、编码：确定码元，将采样值转换成二进制编码。计算机网络讲义4采样采样定理 只有取样频率（fs）不低于模拟信号最高频率（fm）的2倍，才能从脉冲信号中无失真的恢复原来的模拟信号，采样周期为Ts。针对电话信号的采样

1、电话信号的最高频率为3.4kHz，为方便，取整为4kHz；

2、采用频率可定位8kHz，采用周期T=125us；

3、每秒为8000个离散脉冲信号，振幅对应于电话信号的数值。采样示意图计算机网络讲义5量化量化后的采样值为离散的整数值，而不是连续值。

1、采样值是不规范的；

2、通过量化将不规范的数值规范化为要求的整数值。对于量化后的采样值划分多少个量化级，要根据对精度的要求来决定。

1、常用的有8级、16级；

2、当前声音数字化常分为128个量级。计算机网络讲义6编码对量化的采样值进行编码

1、将每个采样值用相应的二进制编码来表示；

2、按照公式决定每个码元携带多少位数据。计算机网络讲义7利用PCM发送和接收信息在发送端，PCM系统的步骤是抽样、量化和编码；在接收端，PCM系统的步骤是畸变信号的再生、量化样值的重构和译码；为有效地利用传输线路，通常总是将许多个话路的PCM信号用时分复用TDM的方式成帧，然后再送到线路上进行传输。计算机网络讲义82.4.2信道极限容量寻找提高数据传输速率的途径一直是人们的努力方向。

1、数据以码元的形式在信道上传输；

2、如果在接收端能识别出原来的信号，失真对通信质量没有影响，否则则不然；

3、事实上，码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远，或噪声干扰越大，或传输媒体质量越差，在接收端的失真越严重。计算机网络讲义91、影响信道极限容量的因素影响码元在信道上传输速率的因素

1、信道能够通过的频率范围 （1）码间串扰问题。 （2）在任何信道中，码元的传输速率都是有上限的，传输速率超过此上限，就会出现严重的码间串扰问题，使接收端对码元的判决成为不可能。 （3）带宽越大，传输速率越高。

2、信噪比（1）信号的平均功率与噪声的平均功率之比，称为信噪比，常记为S/N。并用分贝作为度量单位。（2）信噪比越高，信号相对噪声越强，传输速率越高。

计算机网络讲义102、评估信道极限容量的理论利用奈奎斯特准则和香农定理解决信道的极限容量问题。

1、奈奎斯特准则

2、香农定理计算机网络讲义113、奈奎斯特准则奈奎斯特准则的提出。

1、1924年，AT&T工程师奈奎斯特推导出了奈氏准则；

2、针对理想信道。奈奎斯特准则的具体内容。如果一个任意的信号通过带宽为W的低通滤波器，那么每秒采样2W次就能完整地重现通过这个滤波器的信号。

计算机网络讲义124、香农定理香农定理内容（1948年）

1、噪声存在于所有电子设备和通信信道中，噪声会使接收端对码元的判决产生错误；

2、针对有噪声的信道；

3、信噪比就是信号的平均功率和噪声的平均功率之比，用分贝作为单位。计算机网络讲义135、香农定理的意义只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定可以找到某种方法来实现无差错的传输。计算机网络讲义146、小结信道的数据传输率是有上限的。可利用奈奎斯特准则和香农定理来评估信道的上限数据传输率

1、理想信道采用奈奎斯特准则确定信道极限容量

2、非理想信道采用香农定理确定信道极限容量计算机网络讲义152.4.3数据通信的基本方式数据通信的操作方式

1、单工通信

2、半双工通信

3、全双工通信数据传输模式

1、同步传输

2、异步传输计算机网络讲义16数据传输模式异步传输方式每传送一个字符，都要在每个字符前加一个起始位，而在每个字符后加停止位。这种方式的字符发送是独立的，所以又称为面向字符的异步传输方式。同步传输方式不加起始位和停止位，而是在发送字符前发送一组同步字符（同步标识），使双方进入发送和接收的同步状态。同步传输方式将字符组作为发送单位，在数据传输过程中提供额外的时间链路或在数据中加入时间信息解决时间漂移（滑动）的问题。计算机网络讲义172.4.4数据交换方式电路交换分组交换报文交换计算机网络讲义182.4.5多路复用技术所谓的多路复用可以理解为在同一条信道上传输多路信号。

1、多路：多个不同的信号源。

2、复用：同一信道上同时传输多个不同的信号。采用多路复用技术，在发送端，可用复用器（MUX）以将多路信号组合在一条信道上进行传输，到接收端再用分用器（DEMUX）将各路信号分离开来。多路复用极大地提高了信道的利用率。实现多路复用的前提是信道实际传输能力超过单个信号所要求的的能力。计算机网络讲义191、常用多路复用技术频分多路复用技术（FDM）时分多路复用技术（TDM）计算机网络讲义20频分复用基本思想频分复用（FDM，FrequencyDivisionMultiplexing）

1、将信道有效带宽划分成不同的频段；

2、在不同的频段上同时传输不同的频率的信号。频分复用是一种模拟信号技术，在信道有效带宽大于要传输的信号所需的带宽时使用。计算机网络讲义21频分复用的信道划分在频分复用中，各个频段都有一定的带宽称之为逻辑信道。为防止相邻信道信号频率覆盖造成的干扰，在相邻两个信号的频率段之间设立一定的保护带，保护带对应的频谱未被使用。计算机网络讲义22正交频分复用OFDMOFDM中的各个载波是相互正交的，每个载波在一个符号时间内有整数个载波周期，每个载波的频谱零点和相邻载波的零点重叠，这样便减小了载波间的干扰。由于载波间有部分重叠，所以它比传统的FDMA提高了频带利用率。计算机网络讲义23频分复用的应用频分复用在模拟信号传输系统中使用，不同的信号同时占用不同的频率资源。一旦为某个信号分配了频率资源，将不再改变。频分复用技术成熟，但不够灵活。常用的频分复用系统

1、电话系统

2、有线电视

3、ADSL计算机网络讲义24时分多路复用技术基本思想时分复用（TDM，TimeDivisionMultiplexing）是一种数字过程，当信道的最大数据传输率大于各路信号的数据传输率的总和时采用。时分复用将信道的使用时间划分成等长的时间片，每个信号轮流使用时间片；所有信号使用一次时间片的和为一个周期。每个周期内传输的数据可以看成一个时分复用帧。计算机网络讲义25时分复用的帧构成一个时分复用帧中包含N个信号的数据；

1、N个信号共享同一条信道；

2、在一定的时间内，可以看到N个信号“同时”使用同一条信道传输；

3、在时刻t0信道只接受一个信号的发送；

4、信号占用信道的全部带宽，适合基带传输；一般来讲，几个低速设备以时分复用的方式共享一条高速信道。计算机网络讲义26时分复用分类时分复用分为两类

1、同步时分复用（SynchronousTDM）采用固定时间片分配方式，将传输信号的时间按特定的长度连续地划分成特定的时间段，再将每个时间段划分成等长的多个时间片，每个时间片以固定的方式分配给各路数字信号。

2、异步时分复用（AsynchronousTDM），又称为统计时分复用（StatisticTDM）采用按需分配时间片的方式分配时间片，只有某路用户有数据发送时才将时间片分配给该用户；当没有数据传输时，将时间片动态分配给其他的用户；共享物理链路的用户数可以大于统计时分复用帧中的时间片数。计算机网络讲义27时分复用示例ABCDaabbcdbcattttt4个时分复用帧#1④③②①acbcd时分复用#2#3#4用户计算机网络讲义28统计时分复用示例用户ABCDabcdttttt3个STDM帧#1④③②①acbabbcacd#2#3统计时分复用计算机网络讲义29同步时分复用与统计时分复用总结同步时分复用可能会造成线路资源的浪费。采用统计时分复用的方式对同步时分复用进行改进，该方式可明显地提高信道利用率。计算机网络讲义302、其他的多路复用技术波分多路复用（WDM）码分多址技术（CDMA）计算机网络讲义312-1波分复用基本思想波分复用（WDM，WavelengthDivisionMultiplexing）

1、光在光纤中的传输已经达到了10Gbit/s，几乎达到了单个光载波信号传输的极限，但远远没有达到光纤的带宽（25000GHz）极限。

2、在借用了频分复用的概念之后，能作到在一个光纤上同时传输多个频率很接近的光载波信号，使传输速率提高。

3、在一根光纤上复用两路以上光载波信号称为波分复用（WDM）。（1）在光传输信号过程中，由于光的频率很高，表示不方便，因此，常用光的波长来表示所使用的光信号，因此，光纤的复用又称为波分复用。（2）事实上，光信号的波分复用就是光的的频分复用。计算机网络讲义322-2波分复用的发展随着技术的发展，在一根光纤上可以复用的路数越来越多，于是产生了密集波分复用（DWDM）技术。波分复用的讨论

1、不同的信号具有不同的频率。

2、不同频率的信号对应光信号中不同的波长；

3、因此，可以将不同频率的信号对应到不同波长的光信号上；

4、只要光纤可以传输不同波长的光信号，光的频分复用既波分复用就能够实现。计算机网络讲义332-3波分复用示例计算机网络讲义342-4码分复用基本思想各通信用户使用经过特殊挑选的不同码型，在同样的时间内使用同样的频带进行通讯，可以理解为码分复用。

1、由于各通信用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此各用户之间不会造成干扰。

2、事实上，码分复用（CDM）是另一种信道复用技术，也称为码分多址（CDMA）。

3、该方式具有很强的抗干扰能力。计算机网络讲义352-5码分复用工作原理工作原理

1、在CDMA中，每个比特时间再划分为m个短的间隙，称为码片。通常m的值为64或128；

2、使用CDMA的每一个站被指派一个唯一的mbit码片序列；

3、要发送1则发送mbit码片序列，如果发送0则发送mbit码片序列的反码；

4、按双极性码惯例，将0写成-1，1写成+1。

5、如果一个站要发送的数据率b（b/s），由于一个比特要转换成m个比特码片，因此该站的实际发送的数据率为mb（b/s）；

6、同时该站所占用的带宽也提高到原来的m倍，这种通信方式称为扩频；

7、扩频分为直接序列扩频和跳频扩频。计算机网络讲义362-6码分复用的特点CDMA的一个重要特点是每个分站分配的码片序列不仅必须各不相同，并且必须相互正交；

1、令向量S表示s站的码片序列向量，令T表示其他任何站的码片向量，则S和T的规格化内积都是0。

2、向量S和各站码片反码的向量内积也是0；

3、任何一个码片向量和该码片自己的规格化内积都是1；