计算机网络教程(高传善)第二章

第二章物理层,数据通信的基础理论传输技术物理传输媒体物理层接口标准举例,2.1数据通信的基础理论,通信系统模型带宽与傅里叶分析信道的最大数据速率,2.1.1通信系统模型,信源,信道,反变换器,变换器,Modem(Modulator和Demodulator)调制解调器Codec(Coder和Decoder)编码解码器,2.1.1通信系统模型(续),单工(simplex)通信一端只发送，而另一端只接收。双工(duplex)通信此时信源与信宿合为一体，变换器与反变换器也合为一体。又分全双工(fullduplex)和半双工(halfduplex),2.1.1通信系统模型(续),模拟信号例电话线（信道）上传送的按照话音强弱幅度连续变化的电波就是一种连续变化的电信号。数字信号计算机产生的电信号则是电脉冲序列串，每一瞬间的电压取值只可能是离散的有限个，比如说是+3v或0v两种不同的值。按照信道中传输的是模拟信号还是数字信号，可以相应地把信道分为两类：模拟信道和数字信道,2.1.2带宽与傅立叶分析,将数字信号不经调制直接放到模拟信道上进行传输，会引起信号的失真（distortion，又译为畸变）任何实际的模拟信道所能传输的信号的频率都有一定的范围，称之为该信道通频带的宽度或称为带宽（bandwidth）。注意：这一术语也可以用来表示容量，这时单位是比特每秒。,2.1.2带宽与傅立叶分析(续),信道的带宽是由传输媒体和有关的附加设备与电路的频率特性综合决定的。一个低通信道，若对于从0到某个截止频率fc的信号通过时振幅不会衰减或衰减很小，而超过此截止频率的信号通过时就会大大衰减，则此信道的带宽为fcHz。,2.1.2带宽与傅立叶分析(续),有失真，但可识别失真大，无法识别,实际的信道（带宽受限、有噪声、干扰和失真）,发送信号波形,接收信号波形,2.1.2带宽与傅立叶分析(续),傅立叶分析,基波频率f=1/T,2.1.2带宽与傅立叶分析(续),以传输ASCII字符“b”为例,被传输的位模式是“01100010”,则g(t)可表示为:,2.1.2带宽与傅立叶分析(续),An(振幅)的平方与对应频率处传输的能量成正比。,2.1.2带宽与傅立叶分析(续),信道带宽和数字信号失真的关系,信道的带宽越宽，则它传输数字信号时失真越小。反之，若信道的带宽是固定的，则用它来直接传输数字信号的数据速率越高则失真越大。,2.1.3信道的最大数据速率,1.奈奎斯特定理1924年奈奎斯(H.Nyquist)特推导出一个有限带宽无噪声信道的最大数据传输速率公式：C=2Hlog2L(b/s)其中：H-信道带宽，L-该信号包含的状态数C-最大数据传输速率,给出了在假定的理想条件下，为了避免码间串扰，码元的传输速率的上限值。,2.1.3信道的最大数据速率(续),C=2Hlog2L=2*6kHz*log24=24kb/s,例：如果一个理想低通信道带宽为6kHz，并通过4个电平的数字信号，则在无噪声的情况下，信道的容量为：,2.1.3信道的最大数据速率(续),2.香农定理1948年香农(C.Shannon)进一步研究了受噪声（服从高斯分布）干扰的信道的情况，给出了香农公式：C=Hlog2(1+S/N)(b/s)其中：H-信道带宽，C-最大数据传输速率S/N信号功率和噪声功率的比值由于S/N比较大，故用10lg(S/N)分贝(dB)来计量,2.1.3信道的最大数据速率(续),C=4000*log2(1+1030/10)=4k*log2100140kb/s,例：信噪比为30dB，带宽为4000Hz的随机噪声信道的最大数据传输速率为：,2.1.3信道的最大数据速率(续),波特率(又称调制速率或码元速率)是单位时间内调制信号波形的变换次数。B=1/T单位是波特(Baud)比特率(又称数据传输速率或信道容量)是指单位时间传送的比特数，表示单位时间内通过信道的信息量。单位是比特/秒(b/s或bps)如果一个信号有L个状态，每个波形持续时间为T(s)，比特率C为：,3.波特率和比特率,2.2传输技术,模拟传输与数字传输数字调制技术脉码调制技术多路复用技术数字信号编码技术,2.2.1模拟传输与数字传输,模拟传输是一种不考虑其内容的模拟信号传输方式。在传输过程中，信号由于噪声的干扰和能量的损失总会发生畸变和衰减。放大器多级放大器数字传输则不一样，关心的是信号的内容0和1变化模式的数据就可以采用。方波脉冲式的数字信号会衰减,也会更容易发生畸变转发器(repeater)：再生器(regenerator),2.2.1模拟传输与数字传输(续),在长距离通信中，数字传输技术逐步取代模拟传输技术已是一种必然的趋势。但是，在如局域网这种近距离的通信中，由于衰减和畸变不太严重，甚至于不必经过放大器中继，模拟传输技术仍有一席之地。,2.2.2数字调制技术,通信系统中基带信号：由信源产生的原始电信号基带信号往往包含有较多的低频成分，甚至有直流成分，而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量。因此必须对基带信号进行调制(modulation)在调制过程中基带信号又称调制信号调制的过程就是按调制信号（基带信号）的变化规律去改变载波某些参数的过程,2.2.2数字调制技术(续),调制的方法分两大类正弦型高频信号作为载波的正弦波调制模拟调制：调制信号为连续型的正弦波调制数字调制：调制信号为数字型的正弦波调制用脉冲串作为载波的脉冲调制,2.2.2数字调制技术(续),正弦振荡的载波可用Asin(2nft+)来表示，使其幅度A、频率f或相位随基带信号变化而变化，就可在载波上进行调制了。幅度调制频率调制相位调制混合调制,2.2.2数字调制技术(续),1.幅度调制(AmplitudeModulation),幅度调制技术简单，实现容易，但抗干扰能力差，传输速率低。,2.2.2数字调制技术(续),2.频率调制(FrequencyModulation),频率调制抗干扰能力优于调幅，但频带利用率不高，也只在传输较低速率的数字信号时得到广泛应用。,2.2.2数字调制技术(续),在音频3003000Hz的范围内一分为二。图中每对频率周围的阴影区表示每个方向已调信号的实际带宽。阴影部分重叠极少，也就意味着相互干扰很小,贝尔公司的108系列调频方式的调制解调器,2.2.2数字调制技术(续),3.相位调制(PhaseModulation),相位调制技术具有较优的抗噪声性能和频率利用率，在中、高速数据传输中广泛应用。,多相调制,二相,四相,八相,2.2.2数字调制技术(续),4.混合调制,8相2电平,各种调制方式可适当地组合使用。最常用的有调相与调幅的结合，正交调制QAM(QuadratureAmplitudeModulation)就是调相和调幅组合,2.2.2数字调制技术(续),(b)V.32for9600bps.(c)V.32bisfor14,400bps.,2.2.2数字调制技术(续),在数据通信中调幅、调频和调相常相应地称为：幅移键控ASK(AmplitudeShiftKeying)频移键控FSK(FrequencyShiftKeying)相移键控PSK(PhaseShiftKeying),2.2.3脉码调制技术,在发送端将模拟信号变换为数字信号的装置称为编码器（Coder），而在接收端将收到的数字信号复原成模拟信号的装置则称为解码器(Decoder)。既能编码又能解码的装置，即编码解码器（Codec）。将模拟信号变换为数字信号的常用方法是脉码调制PCM(PulseCodeModulation)。脉码调制的过程由取样、量化和编码三步构成。,2.2.3脉码调制技术(续),脉码调制PCM体制最初是为了在电话局之间的中继线上传送多路的电话。由于历史上的原因，PCM有两个互不兼容的国际标准，即北美的24路PCM（简称为T1）和欧洲的30路PCM（简称为E1）。我国采用的是欧洲的E1标准。E1的速率是2.048Mb/s，而T1的速率是1.544Mb/s。当需要有更高的数据率时，可采用复用的方法。,2.2.3脉码调制技术(续),取样按一定的时间间隔采样测量模拟信号幅值若模拟信号的带宽是HHz,则取样频率达到2H就足以捕获可恢复原有模拟信号的信息量化将取样点处测得的信号幅值分级取整的过程将信号的最大可能幅值等分为若干级(2n级)，把测得的幅值按此分级舍入取整到一个正整数。编码将量化后的整数值用二进制数来表示,2.2.3脉码调制技术(续),左图是4kHz的音频模拟信号，故125s取样一次。量化时按最大幅值等分为16级来进行，其量化误差小于等于最大幅值的1/32。量化后的整数用4位二进制来编码，故得到的脉码为：00101000111111000101001101000101,2.2.3脉码调制技术(续),差分脉码调制DPCM(DifferentialPulseCodeModulation),输出不是数字化的幅度本身，而是当前值和前一个值之差。这种压缩方法的一种变形只考虑每个取样值是大于或是小于前一个值。,2.2.3脉码调制技术(续),增量调制(DeltaModulation),用0或1就可以分别表示新的取样值是大于或是小于前一个取样值，这样只需传送一个比特。这个技术假设两个相邻取样值间的变化是小的，如果信号变化太快，增量编码将遇到麻烦。,2.2.3脉码调制技术(续),预测性编码(PredictiveEncoding),改进是从前面的几个值预测将要到来的下一个值，然后对实际信号值和预测值间的差进行量化和编码。发送器和接收器必须使用同样的预测算法。它缩短了编码数字的长度，因而减少了需要发送的比特数。,一般说来，越是复杂的编码方法实现起来也就更困难，编码解码器的价格也就更贵,2.2.4多路复用技术,频分多路复用时分多路复用波分多路复用,把多路信号在单一的传输线路和用单一的传输设备来进行传输的技术。,2.2.4多路复用技术(续),1.频分多路复用（FDMFrequencyDivisionMultiplexing）,在物理信道能提供比单个原始信号宽得多的带宽的情况下，我们就可将该物理信道的总带宽分割成若干个和传输的单个信号带宽相同（或略为宽一点）的子信道传输一路信号。,多路的原始信号在频分复用前，首先要通过频谱搬移技术，将各路信号的频谱搬移到物理信道频谱的不同段上，这可以通过频率调制时采用不同的载波来实现。,2.2.4多路复用技术(续),2.2.4多路复用技术(续),群(group)：12个4kHz音频通道复用在带宽为48KHz的线路上。超群(supergroup)：5个群复用在带宽为240KHz的线路上。主群(mastergroup)：5个或10个超群复用。,2.2.4多路复用技术(续),2.时分多路复用（TDMTimeDivisionMultiplexing）,将一条物理的传输线路按时间分成若干时间片轮换地为多路信号所使用。与FDM区别：每一时间片由复用的一个信号占用，而FDM是同一时间同时发送各路信号。性质上：特别适合于数字信号的场合，可用一组定时的时间选通门来执行信号的复合与分离。,2.2.4多路复用技术(续),频分多路复用中各路信号在微观上是并行传输的。时分多路复用在微观上是串行传输，而在宏观上是并行的。,2.2.4多路复用技术(续),T1载波（北美）和E1载波（欧洲）,T1载波：每125us产生193比特，构成一帧。每样本每信道7个数据位,1位信令信息总带宽=(7+1)*24+1*8000=1544000bps=1.544Mbps,2.2.4多路复用技术(续),T1线路：数据速率为1.544Mb/s。T2线路：4条T1线路复用，速率为6.312Mb/s。T3线路：7条T2线路构成44.736Mb/s的T3线路。,E1载波：每125us产生256比特(32个子信道)，总的数据速率为2.048Mb/s。,2.2.4多路复用技术(续),3.波分多路复用（WDMWave-lengthDivisionMultiplexing）,波长与频率有着一一对应的关系，实质上波分多路复用就是在光信道上采用的一种频分多路复用的变种。区别：光复用采用的技术与设备不同于电复用。,2.2.4多路复用技术(续),2.2.4多路复用技术(续),4.码分多路复用（CDMCodeDivisionMultiplexing）,通常被称为码分多址CDMA（CodeDivisionMultipleAccess，又译为码分多路访问特点：有很强的抗干扰能力且隐蔽性好，主要用于军事通信，但现在随着技术的发展己成为第三代民用移动通信的首选原型技术,2.2.4多路复用技术(续),CDMA原理：,给每个用户分配一个唯一的m位代码，称为码片序列(chipsequence)传输位“1”时就把码片序列发送出去，传输位“0”时就把码片序列的补码发送出去特殊挑选：码片应相互具有正交性，从而使得不同的用户可以在同一时间同一频带的公共信道上传输不同的信息知道某一用户的码片序列的接收器可以从所有收到的信号中检测到该用户信息，并将其分离出来,2.2.5数字信号编码技术,1.曼彻斯特编码（ManchesterEncoding）为了自带位同步（或称比特同步）信号而采用的一种编码方法。在曼彻斯特编码中每个比特持续时间分为两半，在发送比特1时，前一半时间电平为高，而后一半时间电平为低；在发送比特0时则正好相反。这样，在每个比特持续时间的中间肯定有一次电平的跳变，接收方可以通过检测该跳变来保持与发送方的比特同步。,2.2.5数字信号编码技术(续),2.差分曼彻斯特编码（DifferentialManchesterEncoding）是基本曼彻斯特编码的变形。每位持续时间的中间仍然有电平跳变；用位持续时间的开始处有无电平跳变来分别表示0或1。,2.2.5数字信号编码技术(续),曼彻斯特码,差分曼彻斯特码,曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码已被某些局域网的标准采用。缺点是在每比特的持续时间内将可能出现多达两次跳变，编码效率只有50%。差分方法具有更好的抗干扰性，但设备更复杂。,2.2.5数字信号编码技术(续),3.4B/5B编码：实际上是用5比特的码组来编码4比特的输入数据。特点：每个5比特码组中不含多于3个“0”，或者不会少于2个“1”。具体将5比特码组转换成电信号的波形采用了NRZI（NonReturntoZero,Invertonones）方式，即不归零制。4B/5B的编码效率已经提高到80%。已广泛使用于100Mb/s以太网和光纤分布式数据接口环网FDDI(FiberDistributedDataInterface)中,2.2.5数字信号编码技术(续),2.3物理传输媒体,medium，在这里指的是通信中实际传送信息的物理载体，早期有的书中也译为介质计算机网络中采用的物理传输媒体可分为导向(guided)和非导向(unguided)两大类，俗称有线和无线双绞线、同轴电缆和光纤是常用的三种导向媒体无线电通信、微波通信、红外通信、激光通信以及卫星传送信息的载体都是属于非导向媒体（无形的，不占用空间，统称为spacefree的媒体）,2.3物理传输媒体(续),双绞线同轴电缆光纤无线电传输媒体卫星通信,2.3.1双绞线,双绞线(twistedpair)特点：,最经常使用的物理媒体相对于其它有线物理媒体（同轴电缆和光纤）来说，价格便宜也易于安装与使用其性能一般也较差（指它的传输距离、抗干扰性能和带宽或数据速率而言）,2.3.1双绞线(续),屏蔽双绞线STP(ShieldedTwistedPair),非屏蔽双绞线UTP(UnshieldedTwistedPair),2.3.1双绞线(续),双绞线的连接器也已标准化，最常用的是RJ11（RegisteredJack）和RJ45(4pairs),2.3.1双绞线(续),双绞线是分类(category)的:Category3：支持10Mbps，普通以太网Category5：支持100Mbps，快速以太网Category5e(350MHz)：即超5类线，数据速率可达1000Mbps，用于千兆以太网(GigabitEthernet)现在已有更高性能的6类非屏蔽双绞线(UTP6)，可用来支持千兆以太网,2.3.1双绞线(续),双绞线连接方式:直通方式1：白橙2：橙3：白绿4：蓝5：白蓝6：绿7：白棕8：棕交叉方式,2.3.2同轴电缆,同轴电缆(coaxialcable),基带(baseband)同轴电缆用于数字信号的传送(50)宽带(broadband)同轴电缆用于模拟信号的传送(75)(CATV),2.3.2同轴电缆(续),同轴电缆连接器,同轴电缆与双绞线比较，价格贵，但带宽、数据速率高、传输距离长和抗干扰能力强。目前为高性能双绞线所代替。,2.3.3光纤,光纤是一根很细的可传导光线的纤维媒体，其半径仅几微米至一、二百微米。制造光纤的材料可以是超纯硅、合成玻璃或塑料,2.3.3光纤(续),光纤中光线从光源进入光导体后有两种传输方式:,多模（multimode）光纤：光线沿着光纤以多种角度不断被包层反射而向前传播。,单模（singlemode）光纤：光线主要沿着光纤的轴心向前传播。,单模光纤中由于减少了反射过程中光能量被包层材料的吸收，损耗小，通常能传输更长的距离和达到更高的数据速率。单模光纤较多模光纤更细。,2.3.3光纤(续),光纤相对于双绞线和同轴电缆等导媒体的优点：,轻便低衰减和大容量电磁隔离光纤本身化学性质稳定适合于在远距离的通信连接不易，抽头分支困难。对于距离不太大、配置又经常变动的局域网来说光纤还不会完全取代金属传导媒体。,2.3.3光纤(续),从双绞线开始，基带同轴电缆、宽带同轴电缆、多模光纤直至单模光纤，性能是由低至高、价格也从廉到贵。,2.3.4无线传输媒体,1.无线电通信,(a)在VLF,LF和MF波段里，无线电波沿地表传播(b)在HF波段，电波被电离层反射,在HF和VHF波段可以进行长距离通信，发射功率不需太大，但抗干扰能力差。,2.3.4无线传输媒体,蜂窝式的无线电话网第二代：2G全球移动通信系统GSM(GlobalSystemforMobilcommunication)二代半：2.5G码分多址CDMA(CodeDivisionMultipleAccess)或通用分组无线电业务GPRS(GeneralPacketRadioService)第三代：3G宽带码分多址W-CDMA,2.3.4无线传输媒体(续),2.微波通信,微波指利用1GHz左右的电磁波来进行通信。通信容量大，受外界干扰小，灵活性好，投资相对省，保密性差。,2.3.4无线传输媒体(续),3.红外线,4.激光传输,无需申请频率，具有定向的特点，但对天气比较敏感。,价格便宜且制造容易，无需申请频率，安全性较好，不宜用于室外。,2.3.5卫星通信,1.卫星通信,一种特殊的微波通信，与一般地面微波通信的不同在于使用地球同步卫星作为中继站来转发微波信号。,2.3.5卫星通信(续),通信卫星和它们的一些特性，包括离地球的高度、上下往返的延时间、为覆盖整个地球所需的卫星数。,(GeostationaryEarthOrbit)地球同步轨道,(Medium-EarthOrbit)中间地球轨道,(Low-EarthOrbit)低地球轨道,2.3.5卫星通信(续),主要的卫星波段,C波段最早被用于商用通信卫星，目前已相当拥挤Ku波段相对来说还不太拥挤，但这个波段的微波易被雨水吸收Ka波段也有类似Ku波段问题，且设备造价昂贵，政府和军用的通信卫星一般使用这个波段,2.3.5卫星通信(续),卫星通信特点：,频带宽，容量大覆盖范围广通信机动灵活传播损耗大，延迟时间长(270ms)保密性差,2.3.5卫星通信(续),卫星通信的新发展：,低成本的微型地面站的出现，又称甚小口径终端VSAT（VerySmallApertureTerminal）系统,2.3.5卫星通信(续),低轨道卫星的铱（Iridium）计划,采用发射数十颗低轨道卫星的办法，当某一颗卫星移动超出地面某一固定点的视野时，保证有另一颗卫星进入来代替它。(77-66)利用了蜂窝式无线网思想。,2.3.5卫星通信(续),(a)空间中继(b)地面中继,2.3.5卫星通信(续