第3章：物理层

1、第 3 章 网络协议 - 数据通信基础（物理层）1【本章内容简介】数据通信是计算机网络的基础知识。本章系统的介绍物理层与物理层协议的基本概念、数据通信的基本概念、数据编码与传输技术、通信的传输介质及特性以及数据交换技术、多路复用技术。 【本章重点难点】重点掌握数据通信系统的概念及模型，数据编码及传输技术的类型以及数据交换技术。23.1 基本概念3.1.1 物理层的基本概念 n通信子网分为通信子网分为点点- -点通信线路通信子网点通信线路通信子网与与广播信道通信广播信道通信子网子网; ;n广域网主要采用点到点通信线路，局域网与城域网一般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

2、采用广播信道; ;n由于技术上存在较大的差异，因此在物理层和数据链路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，一类是基于点层协议上出现了两个分支，一类是基于点- -点通信线路，点通信线路，另一类是基于广播信道。另一类是基于广播信道。33.1.2 物理层基本服务功能n物理层设计时主要考虑的是如何在连接开放系统的传物理层设计时主要考虑的是如何在连接开放系统的传输介质上传输输介质上传输各种数据各种数据的比特流；的比特流；n计算机网络可以利用的物理传输介质与传输设备存在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着很大的差异

3、，设计物理层的主要目的是向数据链路层层屏蔽屏蔽通信技术的差异性；通信技术的差异性；n数据链路实体通过与物理层的接口，将数据传送给物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实体。一个数据链路实体。 4n用于物理层的协议常称为物理层规程（procedure）n可将物理层的主要任务描述为确定与传输媒体的接口相关的特性：n机械特性：接口的形状、尺寸、引脚数目、排列n电气特性：接口电缆的电压范围n功能特性：电平的电压表示何种意义n过程特性：对不同功能的各种可能事件的出现顺序53.1.3 物理层向

4、数据链路层提供的服务 n物理连接的建立、维护与释放物理连接的建立、维护与释放 ；n物理连接分为点物理连接分为点-点连接与多点连接点连接与多点连接 ；n数据传输分为全双工、半双工与单工方式数据传输分为全双工、半双工与单工方式 ；n数据传输分为串行传输方式与并行传输方式数据传输分为串行传输方式与并行传输方式 ；63.2 数据通信的基本概念3.2.1 信息、数据与信号1.信息的基本概念n通信的目的是交换信息，通信的目的是交换信息， 信息的信息的载体载体可以是数字、文可以是数字、文字、语音、图形或图像，计算机产生的信息一般是字字、语音、图形或图像，计算机产生的信息一般是字母、数字、语音、图形或图像的组

5、合；母、数字、语音、图形或图像的组合； n为了传送这些信息，首先要将字母、数字、语音、图为了传送这些信息，首先要将字母、数字、语音、图形或图像用形或图像用二进制代码的数据二进制代码的数据来表示；来表示； n为了传输二进制代码的数据，必须将它们用模拟或为了传输二进制代码的数据，必须将它们用模拟或数数字信号编码字信号编码的方式表示；的方式表示；n数据通信是指在不同计算机之间传送表示字母、数字、数据通信是指在不同计算机之间传送表示字母、数字、符号的二进制代码符号的二进制代码0、1比特序列的模拟或数字信号的比特序列的模拟或数字信号的过程。过程。 7信息编码标准nASCII 码码被国际标准化组织被国际标

6、准化组织ISO接受，成为国际标准接受，成为国际标准ISO 646，又称为国际又称为国际5号码号码;n它用于计算机内码，也用做数据通信中的它用于计算机内码，也用做数据通信中的编码标准编码标准;nASCII码采用码采用7位二进制位二进制比特编码，可以表示比特编码，可以表示128个字个字符符;n字符分为图形字符与控制字符两类。图形字符包括数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。字、字母、运算符号、商用符号等。 8多媒体网络应用n利用数字通信系统来实现利用数字通信系统来实现多媒体信息的传输多媒体信息的传输是通信技是通信技术研究的重要内容之一；术研究的重要内容之一

7、；n与文本、图形信息传输相比较，语音、图像信息传输与文本、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要求数据通信系统具有高速率与低延时高速率与低延时的特性；的特性；n多媒体技术在网络中的应用，将对数据通信系统提出多媒体技术在网络中的应用，将对数据通信系统提出更高的要求。更高的要求。 92.信号的概念 n信号是数据在传输过程中电信号的表示形式；信号是数据在传输过程中电信号的表示形式；n模拟信号（模拟信号（analog signal）的信号电平是连续变化的；的信号电平是连续变化的；n数字信号（数字信号（digital signal）是用两种不同的电平去表示是用两种不同的电平去表示0

8、、1比特序列的电压脉冲信号表示；比特序列的电压脉冲信号表示；n按照在传输介质上传输的信号类型，通信系统分为模拟按照在传输介质上传输的信号类型，通信系统分为模拟通信系统与数字通信系统两种。通信系统与数字通信系统两种。 10n模拟信号波型模拟信号波型n数字信号波型数字信号波型110V(t)V(t)t t0V(t)V(t)t t3.2.2 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 12网络通信系统设计中要解决的几个基本问题n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n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

9、或全双工通信单工通信、半双工或全双工通信n同步方式同步方式 同步通信同步通信 异步通信异步通信133.2.2 数据传输类型与通信方式 串行通信与并行通信 14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)单工、半双工与全双工通信 15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同步通信与异步通信16SYNSYN.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

10、2字节13.2.3 传输介质的主要类型n双绞线双绞线n同轴电缆同轴电缆n光纤电缆光纤电缆n无线与卫星通信信道无线与卫星通信信道17物理层下面的传输媒体无线电无线电微波微波红外线红外线可见光可见光紫外线紫外线X射线射线 射线射线双绞线双绞线同轴电缆同轴电缆卫星卫星地面微波地面微波 调幅调幅无线电无线电 调频调频无线电无线电 海事海事无线电无线电光纤光纤电视电视(Hz)f (Hz)fLFMFHFVHF UHF SHFEHFTHF波段波段104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016100 102 104 106 108 1010

11、 1012 1014 1016 1018 1020 1022 1024 移动移动无线电无线电 电信领域使用的电磁波的频谱电信领域使用的电磁波的频谱181. 双绞线的主要特性n 屏蔽双绞线屏蔽双绞线 STPn 非屏蔽双绞线非屏蔽双绞线UTP19铜线绝缘层外屏蔽层外部保护层（a）屏蔽双绞线（a）屏蔽双绞线铜线绝缘层外部保护层（b）非屏蔽双绞线（b）非屏蔽双绞线双绞线型号：双绞线型号：一类线（一类线（CAT1）：线缆最高频率带宽是）：线缆最高频率带宽是750kHZ，用，用于报警系统，或只适用于于报警系统，或只适用于语音传输语音传输二类线（二类线（CAT2）：线缆最高频率带宽是）：线缆最高频率带宽是1

12、MHZ，用，用于语音传输和最高传输速率于语音传输和最高传输速率4Mbps的数据传输的数据传输三类线（三类线（CAT3）：目前在）：目前在ANSI和和EIA/TIA568标准标准中指定的电缆，该电缆的传输频率中指定的电缆，该电缆的传输频率16MHz，最高传，最高传输速率为输速率为10Mbps（10Mbit/s），主要应用于），主要应用于10M以以太网太网四类线（四类线（CAT4）：该类电缆的传输频率为）：该类电缆的传输频率为20MHz，用于语音传输和最高传输速率用于语音传输和最高传输速率16Mbps的数据传输，的数据传输，未被广泛采用。未被广泛采用。1. 五类线（五类线（CAT5）：线缆最高频率

13、带宽为）：线缆最高频率带宽为100MHz，最高传输率为最高传输率为100Mbps，主要用于，主要用于100BASE-T和和1000BASE-T网络，最大网段长为网络，最大网段长为100m，采用，采用RJ形形式式的连接器。这是最常用的以太网电缆。的连接器。这是最常用的以太网电缆。20超五类线（超五类线（CAT5eCAT5e）：超）：超5 5类具有衰减小，串扰少，类具有衰减小，串扰少，并且具有更高的衰减与串扰的比值和信噪比、更小并且具有更高的衰减与串扰的比值和信噪比、更小的时延误差，性能得到很大提高。超的时延误差，性能得到很大提高。超5 5类线主要用于类线主要用于千兆以太网千兆以太网。 六类线（六

14、类线（CAT6CAT6）：该类电缆的传输频率为）：该类电缆的传输频率为1MHz1MHz250MHz250MHz，提供，提供2 2倍于超五类的带宽。六类布线的传输倍于超五类的带宽。六类布线的传输性能远远高于超五类标准，最适用于传输速率高于性能远远高于超五类标准，最适用于传输速率高于1Gbps1Gbps的应用。要求的的应用。要求的布线距离布线距离为：永久链路的长度为：永久链路的长度不能超过不能超过90m90m，信道长度不能超过，信道长度不能超过100m100m。 超六类或超六类或6A6A（CAT6ACAT6A）：目前和七类产品一样，国家）：目前和七类产品一样，国家还没有正式的检测标准，只是行业中有

15、此类产品。还没有正式的检测标准，只是行业中有此类产品。 七类线（七类线（CAT7CAT7）：带宽为）：带宽为600MHz600MHz，可能用于今后的，可能用于今后的10G10G以太网。以太网。 21p在双绞线标准中应用最广的是在双绞线标准中应用最广的是ANSI/EIA/ TIA-568AANSI/EIA/ TIA-568A和和ANSI/EIA/TIA-568BANSI/EIA/TIA-568B（实际上应为（实际上应为ANSI/EIA/TIA-568B.1ANSI/EIA/TIA-568B.1，简，简称为称为T568BT568B）。）。p这两个标准最主要的不同就是芯线序列的不同。这两个标准最主要

16、的不同就是芯线序列的不同。标准标准568B568B：白橙：白橙-1-1，橙，橙-2-2，白绿，白绿-3-3，蓝，蓝-4-4，白蓝，白蓝-5 5，绿，绿-6-6，白棕，白棕-7-7，棕，棕-8 -8 标准标准568A568A：白绿：白绿-1-1，绿，绿-2-2，白橙，白橙-3-3，蓝，蓝-4-4，白蓝，白蓝-5 5，橙，橙-6-6，白棕，白棕-7-7，棕，棕-8-8222. 同轴电缆（同轴电缆（Coaxial CableCoaxial Cable）p同轴电缆从用途上分可分为基带同轴电缆和宽带同轴同轴电缆从用途上分可分为基带同轴电缆和宽带同轴电缆。电缆。50 50 基带电缆和基带电缆和7575宽带

17、电缆两类。宽带电缆两类。p基带电缆仅仅用于数字传输，数据率可达基带电缆仅仅用于数字传输，数据率可达10Mbps10Mbps。总。总线型以太网就是使用线型以太网就是使用5050同轴电缆。同轴电缆。p在以太网中，在以太网中，5050细同轴电缆的最大传输距离为细同轴电缆的最大传输距离为185185米，粗同轴电缆可达米，粗同轴电缆可达10001000米。米。p7575同轴电缆常用于同轴电缆常用于CATVCATV网，称为网，称为CATVCATV电缆电缆 内导体绝缘层外屏蔽层外部保护层3. 光纤电缆的主要特性光线在光纤中的折射 折射角折射角入射角入射角 包层包层（低折射率的媒体）（低折射率的媒体） 包层包

18、层（低折射率的媒体）（低折射率的媒体） 纤芯纤芯（高折射率的媒体）（高折射率的媒体） 包层包层纤芯纤芯24光纤的工作原理高折射率高折射率( (纤芯纤芯) )低折射率低折射率( (包层包层) )光线在纤芯中传输的方式是不断地全反射光线在纤芯中传输的方式是不断地全反射光电转换LED发送端输入光电转换PIN接收端输出光纤光信号25光纤光纤优点：优点： 1 1、频带宽：可见光的频率达、频带宽：可见光的频率达100000GHz100000GHz，比，比VHFVHF频段高出频段高出一百多万倍。一百多万倍。2 2损耗低：最好的同轴电缆在传输损耗低：最好的同轴电缆在传输800MHz800MHz信号时，每公信号

19、时，每公里的损耗都在里的损耗都在40dB40dB以上。传输以上。传输1.31um1.31um的光，每公里损耗在的光，每公里损耗在0 035dB35dB以下。比同轴电缆的功率损耗要小一亿倍，使其以下。比同轴电缆的功率损耗要小一亿倍，使其能传输的距离要远得多。能传输的距离要远得多。3 3 抗干扰能力强抗干扰能力强: :光纤的基本成分是石英，不受电磁场的光纤的基本成分是石英，不受电磁场的作用作用. . 光纤传输对电磁干扰、工业干扰有很强的抵御能力。光纤传输对电磁干扰、工业干扰有很强的抵御能力。 输入脉冲输入脉冲输出脉冲输出脉冲单模光纤单模光纤多模光纤与单模光纤输入脉冲输入脉冲输出脉冲输出脉冲多模光纤

20、多模光纤27多模多模光纤光纤多模光纤容许不同模式的光于一根光纤上传输多模光纤容许不同模式的光于一根光纤上传输. .由于多模由于多模光纤的芯径较大，可使用较为廉价的耦合器及接线器，多光纤的芯径较大，可使用较为廉价的耦合器及接线器，多模光纤的纤芯直径为模光纤的纤芯直径为50m50m至至100m100m。多模光纤能够支持较长的传输距离，在多模光纤能够支持较长的传输距离，在10mbps10mbps及及100mbps100mbps的以太网中，多模光纤最长可支持的以太网中，多模光纤最长可支持20002000米的传输距离米的传输距离. .于于1G1G千兆网中，多模光纤最高可支持千兆网中，多模光纤最高可支持5

21、50550米的传输距离，米的传输距离，在在10G10G万兆网中，多模光纤最高可支持万兆网中，多模光纤最高可支持100100米以内的传输米以内的传输距离。距离。1310nm1310nm波长的光、波长的光、850nm850nm波长的光波长的光单模光纤单模光纤在工作波长中，只能传输一个传播模式的光纤。在有线在工作波长中，只能传输一个传播模式的光纤。在有线电视和光通信中，是应用最广泛的光纤。电视和光通信中，是应用最广泛的光纤。在在100Mbps100Mbps的以太网以至的以太网以至1G1G千兆网，单模光纤都可支持超千兆网，单模光纤都可支持超过过5000m5000m的传输距离。的传输距离。 由于光端机非

22、常昂贵，故采用单模光纤的成本会比多模由于光端机非常昂贵，故采用单模光纤的成本会比多模光纤电缆的成本高。光纤电缆的成本高。1310nm1310nm波长的光、波长的光、1550nm1550nm波长的光波长的光单模光纤只能使用激光器（单模光纤只能使用激光器（LDLD）作光源，其成本比多模）作光源，其成本比多模光纤使用的发光二极管（光纤使用的发光二极管（LEDLED）高很多。）高很多。p由于光纤的纤芯是石英玻璃的，极易弄断，因此在施工由于光纤的纤芯是石英玻璃的，极易弄断，因此在施工弯曲时，决不允许超过最小的弯曲半径。弯曲时，决不允许超过最小的弯曲半径。p其次，光纤的抗拉强度比电缆小，因此在操作光缆时，

23、其次，光纤的抗拉强度比电缆小，因此在操作光缆时，不允许超过各种类型光缆抗拉强度。不允许超过各种类型光缆抗拉强度。4. 无线与卫星通信技术n电磁波的传播有两种方式：电磁波的传播有两种方式： 以无线方式一种是在自由空间中传播；以无线方式一种是在自由空间中传播； 以有线方式在同轴电缆、双绞线、光纤中传输。以有线方式在同轴电缆、双绞线、光纤中传输。n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）。）。 30（1）微/短波通信 n微

24、波在空间主要是直线传播。 n地面微波接力通信：视视距传播距传播n卫星通信n短波通信主要是靠电离层的反射，但短波信道的通信质量较差。n电离层反射电离层反射31地球表面地球表面电离层（2） 蜂窝无线通信多址接入方法：多址接入方法：n频分多址接入（频分多址接入（FDMA）把分配给无线蜂窝电话通讯的频段分为30个信道，每一个信道都能够传输语音通话、数字服务和数字数据。是北美地区应用最广泛的蜂窝电话系统。如全接入通信系统TACS系统n时分多址接入（时分多址接入（TDMA）采用时分的多址技术。业务信道在不同的时间分配给不同的用户。如GSMn码分多址接入（码分多址接入（CDMA） 是采用扩频的码分多址技术。

25、所有用户在同一时间、同一频段上，根据不同的编码获得业务信道。是第三代数字无线通信系统标准之一32（3）卫星通信 33卫星地球表面卫星发送多点接收多点接收3.3 数据编码技术3.3.1 数据编码类型34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3.3.2 模拟数据编码方法 3501001000+0+0+0+0212+数据(a)ASK(b)FSK(c)PSK(绝对)(d)PSK(相对)121n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。为了解决这一问题，就必须对基带信号进

26、行调制(modulation)。 n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（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；n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，必须首先将信号的传输，必须首先将数字信号转换成模拟信号数字信号转换成模拟信号；n将发送端数字数据信号变换成模拟数据信号的过程称将发送端数字数据信号变换成模拟数据信号的过程称为为调制调制，将调制设备称为调制器（将

27、调制设备称为调制器（modulator）；）；n将接收端模拟数据信号还原成数字数据信号的过程称将接收端模拟数据信号还原成数字数据信号的过程称为为解调解调，将解调设备称为解调器（将解调设备称为解调器（demodulator）；）；n调制解调器（调制解调器（modem）36n在调制过程中，选择音频范围内的某一角频率在调制过程中，选择音频范围内的某一角频率的正的正（余）弦信号作为载波，该正（余）弦信号可以写为：（余）弦信号作为载波，该正（余）弦信号可以写为： u（t）= umsin（t+0）n3个可以改变的电参量：个可以改变的电参量： 振振 幅幅 um 角频率角频率 相相 位位 n可以通过变化可以通

28、过变化3个电参量，来实现模拟数据信号编码的个电参量，来实现模拟数据信号编码的目的。目的。 371. 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 0n振幅键控振幅键控ASKASK信号实现容易，技术简单，但抗干扰信号实现容易，技术简单，但抗干扰能力较差。能力较差。 382.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 2

29、t+t+0 0） 数字数字0 0n移频键控移频键控FSK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。 393.移相键控（phase-shift keying，PSK） n绝对调相绝对调相 u um msinsin（t+0t+0） 数字数字1 1 u u（t t）= = u um msinsin（t+t+ ） 数字数字0 0n移相键控可以分为移相键控可以分为： 绝对调相绝对调相 相对调相相对调相 二相调相二相调相 多相调相多相调相 40二进制相移键控2PSK （绝对调相）pPSK(相移键控)的一种。将距离

30、为180度的两个相位(如0度和180度)对应0和1, 是相位调制中最简单的一种。二进制差分相位键控(2DPSK) （相对调相）p简称为二相相对调相。它不是利用载波相位的绝对数值传送数字信息，而是用前后码元的相对载波相位值传送数字信息。p相对载波相位是指本码元初相与前一码元初相之差。41频带传输技术n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；n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；n调制解调器的作用是：调制解调器的作用是： 在数据的发送端将计算机中的在数据的发送端将计算机中的数字信号转

31、换数字信号转换成能在电话成能在电话线上传输的模拟信号；线上传输的模拟信号； 在接收端将从电话线路上接收到的在接收端将从电话线路上接收到的模拟信号还原模拟信号还原成数字成数字信号。信号。 42调制解调器的基本工作原理 43modem实现全双工通信的工作原理44011070Hz1270Hz012025Hz2225Hz上频带下频带fol=1170Hzfoh=2125Hz电话交换网通频带3.3.3 数字数据编码方法n基带传输在基本不改变数字数据信号频带（即波形）基带传输在基本不改变数字数据信号频带（即波形） 的情况下的情况下直接传输数字信号直接传输数字信号，可以达到很高的数据传，可以达到很高的数据传

32、输速率与系统效率输速率与系统效率; ;n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：p 非归零码非归零码NRZ； p 曼彻斯特（曼彻斯特（manchester）编码；编码；p 差分曼彻斯特差分曼彻斯特（difference manchester）编码。编码。451.非归零码NRZn1码和0码都有电流，1为正电流，0为负电流，正和负的幅度相等，判决门限为零电平。nNRZ码的缺点是码的缺点是无法判断一位的开始与结束无法判断一位的开始与结束，收发双，收发双方不能保持同步；方不能保持同步；n为保证收发双方的为保证收发双方的同步同步，必须在发送，必须在发送NRZ码的同

33、时，码的同时，用另一个信道同时传送同步信号；用另一个信道同时传送同步信号；n如果信号中如果信号中“1”与与“0”的个数不相等时，存在的个数不相等时，存在直流直流分量分量。 4601001011数据数据(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2.曼彻斯特（manchester）编码p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，位中间的跳变既作时钟信号，又作数据信号；从高到低跳变表示1，从低到高跳变表示0。n 0-10 n1-01 n信码 0 1 0 0 1 0 1 1 0 n双向码 10 01 10 10 0

34、1 10 01 01 10 曼彻斯特编码的规则曼彻斯特编码的规则：n 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；n 通过前通过前T/2传送该比特的反码，通过后传送该比特的反码，通过后T/2传送该比特传送该比特 的原码；的原码；4701001011数据数据(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2.曼彻斯特（manchester）编码曼彻斯特编码的优点曼彻斯特编码的优点：n 每个比特的中间有一次电平跳变，两次电平跳变的时每个比特的中间有一次电平跳变，两次电平跳变的时 间间隔可以是间间隔可以是T/2或或T；n 利用电平跳变可以产生收发双方的同步

35、信号；利用电平跳变可以产生收发双方的同步信号； 曼彻斯特编码信号又称做曼彻斯特编码信号又称做“自同步编码自同步编码”信号，发送曼信号，发送曼 彻斯特编码信号时无需另发同步信号。彻斯特编码信号时无需另发同步信号。 4801001011数据数据(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改进。差分曼彻斯特编码是对曼彻斯特编码的改进。n 在信号位开始时开始时不改变信号极性，表示逻辑1 n在信号位开始时开始时改变信号极性，表示逻辑0 ；n差分曼切斯特编码比曼切斯特编码的变化要少，因此更适

36、合与传输高速的信息，被广泛用于宽带高速网中。差分曼彻斯特编码与曼彻斯特编码不同点主要是：差分曼彻斯特编码与曼彻斯特编码不同点主要是：n 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；n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;n 一个比特开始处出现电平跳变表示传输二进制一个比特开始处出现电平跳变表示传输二进制0,不发生不发生跳变表示传输二进制跳变表示传输二进制1。 4901001011数据数据(a)非归零码同步时钟(b)曼彻斯特编码(c)差分曼彻斯特编码数字数据编码信号的波形5001001011数据数据(a)非归零码同步时钟(b)曼彻斯

37、特编码(c)差分曼彻斯特编码3.3.4模拟数据的数字传输脉冲编码调制方法PCM：n采样采样n量化量化n编码编码51D8D7D6D5D4D3D2D100.51.01.5At0.270.30.620.61.281.31.521.51.261.30.730.70.410.40.120.1(a)样本量化级二进制编码编码信号0001010001111101111111010110001136131513741D1D2D3D4D5D6D7D8(b)1 1、抽样、抽样/ /采样采样p抽样的过程就是把时间上连续的模拟信号变成一系列抽样的过程就是把时间上连续的模拟信号变成一系列时间上离散的抽样值得过程。时间上离

38、散的抽样值得过程。p经过抽样的信号能否重建原始信号要用抽样定理进行经过抽样的信号能否重建原始信号要用抽样定理进行约束。约束。 当当采样频率采样频率fs.maxfs.max大于信号中最高频率大于信号中最高频率fmaxfmax的的2 2倍倍时时(fs.max=2fmax)(fs.max=2fmax)，采样之后的数字信号完整地保，采样之后的数字信号完整地保留了原始信号中的信息。留了原始信号中的信息。p抽样定理是模拟信号数字化的基础抽样定理是模拟信号数字化的基础p分为：分为： 低通抽样低通抽样 带通抽样：带通抽样：承载信息的信号都是高频窄带信号，即承载信息的信号都是高频窄带信号，即f f0 0远远大远

39、远大于带宽于带宽B B，如果按照，如果按照NyquistNyquist采样定律，采样定律，f fs s取值会很高。取值会很高。带通采样定理可以解决这个问题。带通采样定理可以解决这个问题。522 2、量化、量化p量化的过程就是把抽样信号变成为幅度离散的数字信量化的过程就是把抽样信号变成为幅度离散的数字信号的过程。号的过程。p即用一组规定的电平，把即用一组规定的电平，把瞬时抽样值瞬时抽样值用最接近的电平用最接近的电平值来表示。值来表示。p均匀量化均匀量化：把输入信号的取值域等间隔分割的量化称：把输入信号的取值域等间隔分割的量化称为均匀量化。例如，输入动态范围被均匀地划分为为均匀量化。例如，输入动态

40、范围被均匀地划分为2n2n份。份。 p均匀量化的好处就是编解码的很容易，但要达到相同均匀量化的好处就是编解码的很容易，但要达到相同的信噪比占用的带宽要大。的信噪比占用的带宽要大。p为了克服均匀量化的缺点，实际中，往往采用非均匀为了克服均匀量化的缺点，实际中，往往采用非均匀量化。量化。 53非均匀量化：p非均匀量化是一种在输入信号的动态范围内量化间隔不相等的量化。非均匀量化是根据输入信号的概率密度函数来分布量化电平，改善量化性能。p非均匀量化器的输出端可以有较高的平均信号量化噪声功率比; p非均匀量化改善了小信号时的量化信噪比。p现代通讯系统中都用非均匀量化p在非线性量化中，采样输入信号幅度和量

41、化输出数据之间定义了两种对应关系：一种称为律压扩算法；一种成为A律压扩算法。pG.711标准建议的A律压扩主要用在中国大陆和欧洲等地区的数字电话通信中543、编码p最简单的编码方式是二进制编码。 p自然二进制码可以直接由数/模转换器转换成模拟信号，但某些情况使数字电路产生很大的尖峰电流脉冲，例如从十进制的3转换到4时二进制码的每一位都要变，格雷码没有这一缺点p自然二进制码与格雷码的对照表十进制数十进制数自然二进制数自然二进制数格雷码格雷码000000000100010001200100011300110010401000110501010111601100101701110100十进制数十进制

42、数自然二进制数自然二进制数格雷码格雷码81000110091001110110101011111110111110121100101013110110111411101001151111100055PCM用于数字语音系统用于数字语音系统：n对电话，CCITT规定抽样率为8KHz，每抽样值编8位码，即共有28=256个量化值，每话路PCM编码后的标准数码率是64kb/s。n8b(位位)8kHz(次次/秒秒) = 64kb/s563.4 基带传输技术 基带传输的定义 n在数据通信中，表示计算机二进制的比特序列的数字数在数据通信中，表示计算机二进制的比特序列的数字数据信号是典型的据信号是典型的矩形脉

43、冲信号矩形脉冲信号; ;n矩形脉冲信号的矩形脉冲信号的固有频带固有频带称做基本频带称做基本频带, ,简称为基带简称为基带, ,矩矩形脉冲信号就叫做形脉冲信号就叫做基带信号基带信号; ;n在数字通信信道上，直接传送基带信号的方法称为在数字通信信道上，直接传送基带信号的方法称为基带基带传输传输; ;n在发送端，基带传输的数据经过在发送端，基带传输的数据经过编码器编码器变换变为直接传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; ;n在接收端由在接收端由解码器解码器恢复成与发送端相同的矩形脉冲信号恢复成与发送端相同的矩形脉冲信

44、号; ;n基带传输是一种最基本的数据传输方式。基带传输是一种最基本的数据传输方式。 57信道的极限容量 n任何实际的信道都不是理想的，在传输信号时会产生各种失真以及带来多种干扰。 n码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远，在信道的输出端的波形的失真就越严重。 58数字信号通过实际的信道 n有失真，但可识别n失真大，无法识别 实际的信道实际的信道（带宽受限、有噪声、干扰和失真）（带宽受限、有噪声、干扰和失真）发送信号波形发送信号波形接收信号波形接收信号波形发送信号波形发送信号波形实际的信道实际的信道（带宽受限、有噪声、干扰和失真）（带宽受限、有噪声、干扰和失真）接收信号波形接收信号波形59信道

45、能够通过的频率范围n1924 年，奈奎斯特(Nyquist)就推导出了著名的奈氏准则。他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。n在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，否则就会出现码间串扰的问题，使接收端对码元的判决（即识别）成为不可能。n如果信道的频带越宽，也就是能够通过的信号高频分量越多，那么就可以用更高的速率传送码元而不出现码间串扰。 60(2) 信噪比 n香农(Shannon)用信息论的理论推导出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限、无差错的信息传输速率。n信道的极限信息传输速率 C 可表达为n C = W log2(1+S/N) b/s nW 为信道

46、的带宽（以 Hz 为单位）；nS 为信道内所传信号的平均功率；nN 为信道内部的高斯噪声功率。 61香农公式表明 n信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高。 n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办法来实现无差错的传输。 n若信道带宽 W 或信噪比 S/N 没有上限（当然实际信道不可能是这样的），则信道的极限信息传输速率 C 也就没有上限。n实际信道上能够达到的信息传输速率要比香农的极限传输速率低不少。 62请注意 n对于频带宽度已确定的信道，如果信噪比不能再提高了，并且码元传输速率也达到了上限值，那么还有办法提高信息的传输速率。这就是用编码的方法

47、让每一个码元携带更多比特的信息量。 63【例例3-2】音频电话连接支持的带宽音频电话连接支持的带宽B=3KHz，而一般，而一般链路典型的信噪比是链路典型的信噪比是30dB，求电话线的数据传输速率，求电话线的数据传输速率即信道容量。即信道容量。解：信噪比解：信噪比30dB，即，即S/N=1000 ，所以电话线的信道容量为所以电话线的信道容量为30kbps，kbpsBCNS30log3000log)10001(2)1(2643.5 信道复用技术3.5.1 多路复用技术的分类n频分多路复用频分多路复用FDM：n将多路信号以不同的载波频率调制和传送将多路信号以不同的载波频率调制和传送n无线电广播与电视

48、无线电广播与电视n时分多路复用时分多路复用TDMn将传输时间划分为多路时隙，每个将传输时间划分为多路时隙，每个 时隙为一路信号占用。时隙为一路信号占用。n数字通信系统，计算机网络、数字通信系统，计算机网络、PCM通信通信n波分多路复用波分多路复用WDMn将光纤信道划分为多个波段，在同一时刻进行多路传说的将光纤信道划分为多个波段，在同一时刻进行多路传说的复用技术。复用技术。n码分多路复用码分多路复用CDMn靠不同的编码区分各路原始信号的复用方式n移动通信、无线计算机网络65共享信道共享信道3.5.2 频分复用、时分复用和统计时分复用 n复用(multiplexing)是通信技术中的基本概念。 信

49、道信道A1A2B1B2C1C2信道信道信道信道A1A2B1B2C1C2复用复用分用分用(a) (a) 不使用复用技术不使用复用技术(b) 使用复用技术使用复用技术66频分复用 FDM(Frequency Division Multiplexing) n用户在分配到一定的频带后，在通信过程中自始至终都占用这个频带。n频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源（请注意，这里的“带宽”是频率带宽而不是数据的发送速率）。 频率频率时间时间频率频率 1频率频率 2频率频率 3频率频率 4频率频率 567频分多路复用n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; ;n每路信道的信号

50、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; ;n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那么一条通信线路就可以同时独立地传输多路信号。时独立地传输多路信号。n无线电广播和电视传输无线电广播和电视传输 681Channel 330031001Channel 21Channel 16064687260646872Channel 1Channel 3Channel 2频率(KHz)(c)频率(KHz)(b)频率(Hz)(a)时分复用TDM(Time Division Multiplexing) n时分复用则是将时间划分为一段段等长的时分复用帧（

51、TDM 帧）。每一个时分复用的用户在每一个 TDM 帧中占用固定序号的时隙。n每一个用户所占用的时隙是周期性地出现（其周期就是 TDM 帧的长度）。nTDM 信号也称为等时(isochronous)信号。n时分复用的所有用户是在不同的时间占用同样的频带宽度。69时分复用 频率频率时间时间B C DB C DB C DB C DAAAAA 在在 TDM 帧中帧中的位置不变的位置不变TDM 帧帧TDM 帧帧TDM 帧帧TDM 帧帧TDM 帧帧70时分复用 频率频率时间时间C DC DC DAAAABBBB C DB 在在 TDM 帧中帧中的位置不变的位置不变TDM 帧帧TDM 帧帧TDM 帧帧TD

52、M 帧帧TDM 帧帧71时分复用 频率频率时间时间BDBDBDAAAA BCCCC DC 在在 TDM 帧中帧中的位置不变的位置不变TDM 帧帧TDM 帧帧TDM 帧帧TDM 帧帧TDM 帧帧72时分复用 频率频率时间时间B CB CB CAAAA B CDDDDD 在在 TDM 帧中帧中的位置不变的位置不变TDM 帧帧TDM 帧帧TDM 帧帧TDM 帧帧TDM 帧帧73时分复用可能会造成线路资源的浪费 ABCDaabbcdb cattttt4 个时分复用帧个时分复用帧#1acbcd时分复用时分复用#2#3#4用户用户使用时分复用系统传送计算机数据时，使用时分复用系统传送计算机数据时，由于计算

53、机数据的突发性质，用户对由于计算机数据的突发性质，用户对分配到的子信道的利用率一般是不高的。分配到的子信道的利用率一般是不高的。 74统计时分复用 STDM(Statistic TDM) 用户用户ABCDabcdttttt3 个个 STDM 帧帧#1acbab bcacd#2#3统计时分复用统计时分复用75 时分多路复用 n应用：计算机网络在内的数字通信系统，如应用：计算机网络在内的数字通信系统，如PCM通信；通信；以及电话主干线路以及电话主干线路76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p时分复用的典型例子：时分复用的典型例子：PCMPCM（P

54、ulse Code ModulationPulse Code Modulation，脉，脉码调制）信号的传输，把多个话路的码调制）信号的传输，把多个话路的PCMPCM话音数据用话音数据用TDMTDM的方的方法装成帧（帧中还包括帧同步信息和信令信息），每帧在一法装成帧（帧中还包括帧同步信息和信令信息），每帧在一个时间片内发送，每个时隙承载一路个时间片内发送，每个时隙承载一路PCMPCM信号。信号。p电话网络（电话网络（PSTNPSTN）基于）基于TDMTDM技术，通常称为技术，通常称为TDMTDM访问网络。访问网络。p脉码调制脉码调制 PCM PCM 体制最初是为了在电话局之间的中继线上传体制最

55、初是为了在电话局之间的中继线上传送多路的电话。送多路的电话。p由于历史上的原因，由于历史上的原因，PCM PCM 有两个互不兼容的国际标准，即北有两个互不兼容的国际标准，即北美的美的 24 24 路路 PCMPCM（简称为（简称为 T1T1）和欧洲的）和欧洲的 30 30 路路 PCMPCM（简称为（简称为 E1E1）。）。pE1/T1 TDME1/T1 TDM最初应用于电话公司的数字化语音传输，最初应用于电话公司的数字化语音传输，E1/T1 E1/T1 TDMTDM目前也应用于广域网链路。目前也应用于广域网链路。pE1 TDME1 TDM支持支持2.048Mbit/s2.048Mbit/s通

56、信链路，将它划分为通信链路，将它划分为3232个时隙，每间隔为个时隙，每间隔为64Kbit/s64Kbit/s。pT1 TDMT1 TDM支持支持1.544Mbit/s 1.544Mbit/s 通信链路，将它划分为通信链路，将它划分为2424个时隙，每间隔为个时隙，每间隔为64Kbit/s64Kbit/s，其中，其中8Kbit/s8Kbit/s信道信道用于同步操作和维护过程。用于同步操作和维护过程。n我国采用的是欧洲的 E1 标准（30B+D）,提供30个B信道和一个D信道。n当需要有更高的数据率时，可采用复用的方法。 78nE1:nE1帧长256bit，32个时隙，每个 时隙8bitn每秒8

57、k个E1帧，8K*256=2048kbpsn每个时隙：8*8k=64kbn在用作语音交换机的数字中继时，这是E1最本来的用途，是把一条E1作为32个64K来用，但是时隙0和时隙15是用作signaling即信令的，所以一条E1可以传30路话音。n将整个2M用作一条链路，如DDN 2M； n将2M用作若干个64k及其组合，如128K，256K等 79T1nPCM T1形式服务提供24个信道，每个信道的速率是56K(23B+D)。n24路信道复用在一条通信线路上，路信道复用在一条通信线路上，PCM编码器取样编码器取样8kHz；n24路路PCM信号的每路一个字节，每个字节的长度为信号的每路一个字节，

58、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位用于信道控制；位用于信道控制；n每帧由每帧由248=192位组成，附加一位作为帧同步位，位组成，附加一位作为帧同步位，所以每帧共有所以每帧共有193位；位；n 193bit/帧帧*8kHz=1.544 Mbps80nISDNn综合业务数字网，Integrated Services Digital Networkn主要是语音服务n共有6种标准化的信道nA - 4kHz模拟电话信道nB - 64kb/s数字PCM信道，用于语音和数字nC - 8kb/s或16kb/s数字信道nD - 16kb/s数字信道，用于带外信令nE - 64kb

59、/s数字信道，用于ISDN内部信令nH - 384kb/s、1536kb/s或1920kb/s数字信道81nISDN三种标准化的组合n基本速率：2B+1D=144kb/s，主要用于为家庭或小单位提供服务。一个通路讲话，另一个通路传送数据n一次群速率：23B+1D（美国和日本）或30B+1D（欧洲），这里D为64kb/s。n混合：1A+1C，称之为N-ISDN，窄带ISDN，支持2Mkb/s以下的业务。nB-ISDN宽带ISDNnN-ISDN采用电话网，用双绞线；B-ISDN用光纤nN-ISDN使用电路交换；B-ISDN使用异步传输模式ATMnN-ISDN的比特率是事先设置的；B-ISDN使用虚

60、通路nN-ISDN无法传送高速图像；而B-ISDN可以82 1550 nm 0 1551 nm 1 1552 nm 2 1553 nm 3 1554 nm 4 1555 nm 5 1556 nm 6 1557 nm 70 1550 nm 1 1551 nm 2 1552 nm 3 1553 nm 4 1554 nm 5 1555 nm 6 1556 nm 7 1557 nm 波分复用 WDM(Wavelength Division Multiplexing) n波分复用就是光的频分复用。 8 2.5 Gb/s1310 nm20 Gb/s复复用用器器分分用用器器EDFA120 km光调制器光调制