第2章物理层

1、南阳理工学院计算机科学技术系第第2章章 物理层物理层南阳理工学院计算机科学技术系本本章章学学l掌握：物理层与物理层协议的基本概念。掌握：物理层与物理层协议的基本概念。l掌握：数据通信的基本概念。掌握：数据通信的基本概念。l了解：无线与卫星通信技术的基本概念。了解：无线与卫星通信技术的基本概念。l掌握：数据编码的类型和基本方法。掌握：数据编码的类型和基本方法。l了解：基带传输的基本概念。了解：基带传输的基本概念。l掌握：频带传输的基本概念。掌握：频带传输的基本概念。l掌握：多路复用的分类与特点。掌握：多路复用的分类与特点。l掌握：广域网中的数据交换技术。掌握：广域网中的数据交换技术。南阳理工学院

2、计算机科学技术系l通信子网分为点通信子网分为点- -点通信线路通信子网与广播信道通信点通信线路通信子网与广播信道通信子网子网; ;l广域网主要采用点到点通信线路，局域网与城域网一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般采用广播信道; ;l由于技术上存在较大的差异，因此在物理层和数据链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，一类是基于点路层协议上出现了两个分支，一类是基于点- -点通信线点通信线路，另一类是基于广播信道。路，另一类是基于广播信道。南阳理工学院计算机科学技术系l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

3、是如何在连接开放系统的传输介质上传输各种数据的比特流；输介质上传输各种数据的比特流；l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，设计物理层的主要目的是向数据链路层屏蔽通信技术的差异性；层屏蔽通信技术的差异性；l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。 l物理层位于传输媒体（传输介质）之上，它的作用是物理层位于

4、传输媒体（传输介质）之上，它的作用是尽量屏蔽具体物理设备或传输媒体的差异，为上层尽量屏蔽具体物理设备或传输媒体的差异，为上层（数据链路层）提供统一的服务。因此，物理层的主（数据链路层）提供统一的服务。因此，物理层的主要任务是确定与传输媒体的接口的一些特性，即，要任务是确定与传输媒体的接口的一些特性，即，机械特性、电气特性、功能特性、规程特性 南阳理工学院计算机科学技术系 机械特性 规定了物理连接时对插头和插座的几何尺寸、插针或插孔芯数及排列方式、锁定装置形式等。 各类已被ISO标准化了的DCE连接器的几何尺寸及插孔芯数和排列方式。 南阳理工学院计算机科学技术系 电气特性 规定了在物理连接上导线

5、的电气连接及有关的电路的特性，一般包括：接收器和发送器电路特性的说明、表示信号状态的电压/电流电平的识别、最大传输速率的说明、以及与互连电缆相关的规则等。南阳理工学院计算机科学技术系功能特性 规定了接口信号的来源、作用以及其它信号之间的关系。指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义过程特性规定了使用交换电路进行数据交换的控制步骤，这些控制步骤的应用使得比特流传输得以完成。指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。 南阳理工学院计算机科学技术系2.1.3 物物理理层层向向数数l物理连接的建立、维护与释放物理连接的建立、维护与释放 ；l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

6、连接 ；l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 ；l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 ；l串行传输方式的物理数据服务单元是位；串行传输方式的物理数据服务单元是位；l并行传输方式的物理数据服务单元是并行传输方式的物理数据服务单元是N位，位，N为并行连为并行连接的物理通道数。接的物理通道数。 南阳理工学院计算机科学技术系l信息信息(Information) 是人们对现实世界的事物的存是人们对现实世界的事物的存在方式及其运动状态的认识。在方式及其运动状态的认识。l数据数据(data)运送消息的实体。运送消息的实体。是把事

7、件的某些属是把事件的某些属性规范化后的表现形式性规范化后的表现形式; ;最原始，计算机能表示的。最原始，计算机能表示的。各种需要传输和处理的信息（文字，图像、声音、各种需要传输和处理的信息（文字，图像、声音、动作等）。动作等）。l信号信号(signal)数据的电气的或电磁的表现。数据的电气的或电磁的表现。南阳理工学院计算机科学技术系雪六角形凉白色信息信息数据数据信号信号信息：信息：人对雪花和马的认识人对雪花和马的认识数据：数据：文字，二进制数，十进制数文字，二进制数，十进制数信号：信号：电压，光，磁场强度电压，光，磁场强度南阳理工学院计算机科学技术系2.模模拟拟信信号号模拟信号（模拟信号（an

8、alog signal）的信号电平是连续变化的；）的信号电平是连续变化的； 时间上连续，时间上连续，包含无穷多个值包含无穷多个值数字信号（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、1比特序列比特序列的电压脉冲信号表示的电压脉冲信号表示,时间上离散，仅包含有限数目的预定值时间上离散，仅包含有限数目的预定值南阳理工学院计算机科学技术系模拟信号：优点是它能对细节进行表示，但是噪声、或来自其他源的干扰，会严重地影响模拟信号，比数字信号更易于出错，因此模拟信号对于数据发送并不是最佳选择。 随着信号的传播，随着信号的传播，信号能量信号能量会逐渐减少，这就

9、是信号会逐渐减少，这就是信号的的衰减衰减。模拟信号和数字信号存在着衰减。为了。模拟信号和数字信号存在着衰减。为了补偿衰减补偿衰减，要经常对数字信号和模拟信号进行要经常对数字信号和模拟信号进行转发，转发，也即使将信号也即使将信号重重新放大新放大，以使它们传播得更远。，以使它们传播得更远。南阳理工学院计算机科学技术系模拟信号的转发：在模拟信号转发过程中会出现这样的问题当它被转发时信号幅度将增强，同时伴随的被累积的噪声幅度也将增强，这种杂乱无章的增强将使得模拟信号变形更加严重。下图显示了因噪声而变形并在随后又被放大的模拟信号的波形。因噪声变形继而被放大的模拟信号因噪声变形继而被放大的模拟信号南阳理工

10、学院计算机科学技术系数字信号：由脉冲值为1 或0 的精确电压组成，如同在任何二进制系统中用1 和0 组合来对信息进行编码一样，在数字信号中每个脉冲被称为一个二进制数或位。一个位只能有两种可能值：1 或0 。 相对于模拟信号，数字信号传输数据时更可靠些。数字数字信号的转发：相对于模拟信号，数字信号被转发时，实际上是将原始信号以不变形的、并且无噪声的放大形式重新发送，该过程也被称之为波形再生。再生一个数字信号的设备被称之为中继器。网络仅仅收发由精确脉冲所表示的1 和0 两种模式，因为数字传输要比依靠可变电压的模拟传输可靠得多，并且数字发送几乎不受噪声影响。所以大部分网络仅限于使用数字传输。因噪声而

11、变形的数字信号进而被转发因噪声而变形的数字信号进而被转发南阳理工学院计算机科学技术系为了衡量数据传输的有效性和可靠性，数据通信系统有以下性能指标：数据传输速率、带宽、波特率、误码率等。数据通信系统的性能指标主要有以下几项 ：l波特率 码元的传输速率l比特率信息的传输速率l信道容量信道能达到的最大传输能力。 l误码率 数据通信系统的传输可靠性的指标南阳理工学院计算机科学技术系1 码元：承载信息量的基本信号单位。一码元就是一个单位码元：承载信息量的基本信号单位。一码元就是一个单位电脉冲。电脉冲。 一码元所承载的信息量，由脉冲信号所能表示的数据有效离一码元所承载的信息量，由脉冲信号所能表示的数据有效

12、离散值的个数决定的。散值的个数决定的。 例：一个码元（脉冲）仅可取例：一个码元（脉冲）仅可取0 0和和1 1两个有效值时，则该两个有效值时，则该码元只能携带一位（码元只能携带一位（bitbit）二进制信息，）二进制信息，-1 -1 位信息量位信息量 一个码元（脉冲）可取一个码元（脉冲）可取0000、0101、1010、1111四个有效值时，四个有效值时，则该码元能携带二位（则该码元能携带二位（bitbit）二进制信息。）二进制信息。-2-2位信息位信息量量 一个码元（脉冲）可取一个码元（脉冲）可取000000、001001、010.010.、011011、100100、101101、11011

13、0、111111八个有效值时，则该码元能携带三位（八个有效值时，则该码元能携带三位（bitbit）二进制信息。二进制信息。-3-3位信息量位信息量南阳理工学院计算机科学技术系结论：结论：一个码元（脉冲）可取一个码元（脉冲）可取M个有效值时，则该码元个有效值时，则该码元能携带能携带 log M（bit）二进制信息）二进制信息南阳理工学院计算机科学技术系码码元元和和比比码元码元.比特位比特位信道南阳理工学院计算机科学技术系l码元传输速率码元传输速率 码元传输速率，又称为码元速率或传码率。其定义为码元传输速率，又称为码元速率或传码率。其定义为每秒钟传送码元的数目，单位为每秒钟传送码元的数目，单位为“

14、波特波特”, ,常用符号常用符号“BaudBaud”表示，简写为表示，简写为“B B”。l数据传输速率（比特数据传输速率（比特(bit)(bit)率）率） 每秒能传输构成代码的位每秒能传输构成代码的位(bit)(bit)数。数。 单位为比特单位为比特/ /秒秒（bit/sbit/s）、位）、位/ /秒。简记为秒。简记为b/sb/s或或bpsbps；l调制速率：调制速率： 线路上单位时间内传送的波形（码元）个数。波形变线路上单位时间内传送的波形（码元）个数。波形变换的次数。单位是波特（换的次数。单位是波特（baudbaud）. .又称波特率或码元速率又称波特率或码元速率l 数据速率数据速率= =

15、码元速率码元速率loglog M M为一个码元所取的离散值个数或信号的编级数为一个码元所取的离散值个数或信号的编级数 南阳理工学院计算机科学技术系信信道道l信道容量表征一个信道传输数据的能力,单位也用位/秒(bps)。信道容量与数据传输速率的区别在于,前者表示信道的最大数据传输速率,是信道传输数据能力的极限,而后者则表示实际的数据传输速率。南阳理工学院计算机科学技术系l练习练习 ： 假设某信道的最大码元传输速率为假设某信道的最大码元传输速率为2400baud，采用四电，采用四电平的编码方式，该信道的最高数据传输速率是多少？平的编码方式，该信道的最高数据传输速率是多少？ 南阳理工学院计算机科学技

16、术系2 信信l信道带宽：指的是网络信号可使用的最高频率与最低频率之差、或者说是“频带的宽度 ，单位是赫（或千赫、兆赫、吉赫等）。南阳理工学院计算机科学技术系传传输输媒媒l任何传输媒体都只能传输某些频率范围内的信号，即具有一个有限的带宽。l如果媒体带宽小于信号的有效带宽，接收将会失真。南阳理工学院计算机科学技术系l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)。 l更常用的带宽单位是l千比每秒，即 kb/s （103 b/s）l兆比每秒，即 Mb/s（106 b/s）l吉比每秒，即 Gb/s（109 b/s）l太比每秒，即 Tb/s（101

17、2 b/s） 南阳理工学院计算机科学技术系练 有有600MB600MB（兆字节）的数据，要甲地传送到乙地。设信息（兆字节）的数据，要甲地传送到乙地。设信息传送的速率是传送的速率是56Kb/s56Kb/s，则从甲到乙要多长时间？如果信息，则从甲到乙要多长时间？如果信息传送的速率是传送的速率是10Mb/s10Mb/s呢？呢？南阳理工学院计算机科学技术系练练1、设数据信号码元长度为83310-6秒，如采用16电平传输，试求数据传信速率和调制速率？解：RB=1/T=1/（83310-6 ）=1200Bd R=1200log216=4800bps2、一个二进制数字信号码元时间长度为0.1s，在传输过程中

18、平均2.5秒产生一个错码，求其平均误码率。解：2.5秒传输码元数为：2.5/0.1*10-6=2.5106 所以，平均误码率为：1/(2.5106 ) =410-7南阳理工学院计算机科学技术系l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。l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）南阳理工学院计算机科学技术系l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。 l数据传输速率（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

19、（米/秒）南阳理工学院计算机科学技术系l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。 l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。l处理时延的长短往往取决于网络中当时的通信量。l有时可用排队时延作为处理时延。 南阳理工学院计算机科学技术系l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 + 处理时延南阳理工学院计算机科学技术系1 0 1 1 0 0 1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 发送数据链路南阳理工学院计算机科学技

20、术系习习 收发两端之间的传输距离为1000km，信号在媒体上的传播速率为2108m/s 。试计算以下两种情况的发送时延和传播时延：（1）数据长度为107bit，数据发送速率为100kb/s。（2）数据长度为103bit，数据发送速率为1Gb/s。南阳理工学院计算机科学技术系答答（1）发送时延： ts=107105=100s 传播时延： tp=106(2*108)=0.005s（2）发送时延： ts=103109=0.000001s 传播时延： tp=106(2*108)=0.005s结论：结论： 若数据长度大而发送速率低，则在总的时延中，发若数据长度大而发送速率低，则在总的时延中，发送时延往往

21、大于传播时延；送时延往往大于传播时延； 但若数据长度短而发送速率高，则传播时延就可能但若数据长度短而发送速率高，则传播时延就可能是总时延中的主要成分。是总时延中的主要成分。南阳理工学院计算机科学技术系l链路的时延带宽积又称为以比特为单位的链路长度。 表示发送端连续发送数据，则发送的第一个比特即将到达终点时，发送端就已经发送了“时延带宽积 ”个比特（传播）时延链路带宽时延带宽积 = 传播时延 带宽时延带宽积南阳理工学院计算机科学技术系习习假设信号在媒体上的传播速率为2.3108m/s。媒体长度l分别为：(1)10cm（网卡）(2)100m（局域网）(3)100km（城域网）(4)5000km（广

22、域网）试计算当带宽为1Mb/s和10Gb/s时在以上媒体中正在传输的比特数。南阳理工学院计算机科学技术系南阳理工学院计算机科学技术系l利用率有信道利用率和网络利用率两种。l信道利用率指出某信道有百分之几的时间是被利用的（有数据通过）。完全空闲的信道的利用率是零。l信道利用率并非越高越好。时延 D利用率 U10D0时延急剧增大结论：信道或网络利用率过高会产生非常大的时延。图：时延与利用率的关系图：时延与利用率的关系南阳理工学院计算机科学技术系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 南阳理工学院计算机科学技术系l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l数据通信方

23、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、半双工或全双工通信单工通信、半双工或全双工通信l同步方式同步方式 同步通信同步通信 异步通信异步通信南阳理工学院计算机科学技术系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)数据一位位地按顺序传送，一次只能传送一位。实现容易，但传输速度慢，通常用于远程通信。串行传输又分为：同步传输和异步传输。几位数据同时几位数据同时从一个设备从一个设备发往另一设备，传输速度发往另一设备，传输速度快。计算机快。计算机内部内部常用（并常用（并

24、行数据传输线称为行数据传输线称为“总总线线”）。亦用于）。亦用于短距传输。短距传输。南阳理工学院计算机科学技术系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南阳理工学院计算机科学技术系SYNSYN.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2字节1南阳理工学院计算机科学技术系1. 异异异步传输方式又称为起止式同步方式，它是以字符为单位进行同步的，以字符为传输单位的。 所谓异步传输是指字符与字符（一个字符结束到下一个字符开始）之间的时间间隔是可变的，并不需要严格地

25、限制它们的时间关系。 南阳理工学院计算机科学技术系异异步步传传l优点：l每一个字符本身就包括了本字符的同步信息，不需要在线路两端设置专门的同步设备。l实现简单，控制容易，如果出现错误，只需重发一个字符即可。l因此，异步传输适用于面向字符的、低速的异步通信场合。例如，计算机与Modem之间的通信就是采用这种方式。l缺点l通信开销大，每传输一个字符都要额外附加23位，通信效率比较低。 南阳理工学院计算机科学技术系2. 同同l同步传输方式是以固定的时钟节拍来连续串行发送数字信号的一种方法。其数据格式如下图所示：l同步传输方式中，要求收发两端的时钟都必须在每个比特上保持一致。l在同步传输中，数据的发送

26、一般以帧为单位。l传送时在每个帧的帧首加两个或两个以上同步字符sync，帧内每个字符前后不附加起止位。l同步字符sync是一个独特的比特组合，用于通知接收方一个帧已经到达。lsync除了具有起始位的功能外，还能确保接收方的采样速度和比特的到达速度保持一致，收、发方一般采用同一同步时钟。南阳理工学院计算机科学技术系同同步步传传l同步传输方式的传输效率高，开销小，但收发双方需建立同步时钟，实现和控制比较复杂；在传输的数据中有一位出错，就必须重新传输整个数据块。l同步传输方式适合于高速场合。l同步传输有面向字符和面向位两种方式。南阳理工学院计算机科学技术系练练1、异步传输中，假定停止位为2位，1位偶

27、校验，数据位为8位，传输效率为多少？解：=8/（1+1+2+8）=66.6%2、异步传输中，假定停止位为1位，无偶校验，数据位为8位，传输效率为多少？南阳理工学院计算机科学技术系l双绞线双绞线l屏蔽双绞线屏蔽双绞线 STP (Shielded Twisted Pair)STP (Shielded Twisted Pair)l无屏蔽双绞线无屏蔽双绞线 UTP (Unshielded Twisted Pair)UTP (Unshielded Twisted Pair) l同轴电缆同轴电缆l5050 同轴电缆同轴电缆l7575 同轴电缆同轴电缆l光纤电缆光纤电缆l无线与卫星通信信道无线与卫星通信信道

28、南阳理工学院计算机科学技术系l把两根互相绝缘的铜导线并排放在一起,然后用规则的方法绞合起来就构成了双绞线。l各个线对绞和的目的是为了使各线对之间的电磁干扰最小。l双绞线比较适合于短距离的信号传输，既可以传输模拟信号，也可以传输数字信号。南阳理工学院计算机科学技术系平平行行导导线线l如果两条导线互相平行，离噪声源（如电动机）近的导线中产生的噪声电平就会比另一条导线中的更高，从而导致负载不平衡以及信号损益。南阳理工学院计算机科学技术系双双绞绞线线l导线绞合并不保证一定能消除噪声，但是能显著减弱它的影响。l所以“双绞”的作用是减少相邻导线的电磁干扰。南阳理工学院计算机科学技术系铜线铜线聚氯乙烯 套层

29、聚氯乙烯套层屏蔽层绝缘层绝缘层非屏蔽双绞线 UTP屏蔽双绞线 STPn局域网中所使用的双绞线有:屏蔽双绞线和非屏蔽双绞线。南阳理工学院计算机科学技术系l常用的双绞线，根据其电气性能，可以分为六类。l最常用的双绞线有3类和5类，均由4对双绞线组成，3类双绞线传输速率可达10bps，5类双绞线传输速率可达100bps。它们之间的区别在于单位长度的绞合次数不同：3类的绞合长度为7.5cm10cm，5类为0.6cm0.85cm。l5类双绞线的最大传输距离是100m。南阳理工学院计算机科学技术系常用的双绞线的类别.南阳理工学院计算机科学技术系RJ-45RJ-45水晶头结构水晶头结构常见的双绞线以太网端口

30、使用的是RJ-45端口。南阳理工学院计算机科学技术系l最常用的双绞线有3类和5类，均由4对双绞线组成。EIA(Electronic Industries Association, 电子工业协会)TIA(Telecommunications Industry Association, 电信工业协会)的布线标准中规定了两种双绞线的线序：568A与568B。注意：注意：如果不按标准连接，虽然线路也能接通，但是线路内部各线如果不按标准连接，虽然线路也能接通，但是线路内部各线对之间的干扰不能有效消除，从而导致信号传送出错率升高，最终对之间的干扰不能有效消除，从而导致信号传送出错率升高，最终影响网络整体性

31、能。影响网络整体性能。南阳理工学院计算机科学技术系l直通线(straight-through cable) 一根网线，两端的线序相同叫直通线，即两端线序均为568A或均为568B标准。l交叉线：(crossover cable) 一根网线，一端为568B线序，另一端为568A线序，即1-3，2-6对调。 南阳理工学院计算机科学技术系南阳理工学院计算机科学技术系直通线和交叉线直通线和交叉线的应用的应用Hub：集线器Switch：交换机Router：路由器n在实践中，一般可以这么理解：1. 同种类型设备之间使用交叉线连接，不同类型设备之间使用直通线连接； 2. 路由器和PC属于DTE类型设备，交换

32、机和Hub属于DCE类型设备；南阳理工学院计算机科学技术系l光纤（光导纤维）是一种直径为8m100m的柔软、能传导光波的介质，多种玻璃和塑料可以用来制造光纤，其中使用超高纯度石英玻璃纤维制作的光纤可以得到最低的传输损耗。l在折射率较高的单根光纤外面,用折射率较低的包层包裹起来，就可以构成一条光纤通道；多条光纤组成一束，就构成一条光缆。四四 芯芯 光光 缆缆南阳理工学院计算机科学技术系折射角入射角 包层（低折射率的媒体） 包层（低折射率的媒体） 纤芯（高折射率的媒体） 包层纤芯南阳理工学院计算机科学技术系光光纤纤的的高折射率(纤芯)低折射率(包层)光线在纤芯中传输的方式是不断地全反射南阳理工学院

33、计算机科学技术系l按光纤传输模式的不同，可以分为：l（1）单模光纤（直径8m10m）l（2）多模光纤（通常为50m或62.5m）l只要从纤芯中射到纤芯表面的光线的入射角大于临界角，就可产生全反射。因此，可以存在许多条不同角度入射的光线在一条光纤中传输。这种光纤就称为多模光纤。l若光纤的直径减小到只有一个光的波长，它可使光线一直向前传播，而不会产生多次反射。这样的光纤就称为单模光纤。南阳理工学院计算机科学技术系输入脉冲输出脉冲单模光纤多多模模光光纤纤输入脉冲输出脉冲多模光纤南阳理工学院计算机科学技术系光纤不仅具有通信容量非常大的优点，而且还具有其他的一些特点：l （1）传输损耗小，中继距离长，对

34、远距离传输特别经济。l （2）抗雷电和电磁干扰性能好。这在有大电流脉冲干扰的环境下尤为重要。l （3）无串音干扰，保密性好，不易被窃听或截取数据。l （4）体积小，重量轻。l （5）光纤对接需专用设备，光电接口也较贵。南阳理工学院计算机科学技术系一般来说，多芯光纤并不直接连接到计算机的网卡上，而是连接到一种叫做光端器的设备上。这时就需要使用一种俗称“光纤跳线”的专用连接线，连接光端器和计算机上的网卡。光纤跳线也是光纤，一根光纤跳线中只含有一根光纤，只能进行单向的数据传输。一般连接一台计算机需要两根光纤软跳线，一根发送数据，一根接收数据。 光电转换LED发送端输入光电转换PIN接收端输出光纤光信

35、号南阳理工学院计算机科学技术系 有两种类型，皆为施加电压便可发射光束的半导体装置。lLED (发光二极管) 价廉，工作温度范围较大，工作寿命较长，但只能发射发散的光线，只在短距离内使用。lILD (注入式激光二极管) 根据激光原理工作，光线具有高度集中性，高效高数据速率长距离南阳理工学院计算机科学技术系l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。l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

36、）；）； 微波（微波（microwave）；）； 红外（红外（infrared）；）； 可见光（可见光（visible light）。）。 南阳理工学院计算机科学技术系l卫星通信系统由卫星和地球站两部分组成。l卫星在空中起中继站的作用，即把地球站发上来的电磁波放大后再返送回另一地球站。l地球站则是卫星系统与地面公众网的接口，地面用户通过地球站出入卫星系统形成链路。南阳理工学院计算机科学技术系卫卫星星通通信信的的l优点：l通信范围大；l不易受陆地灾害影响；l建设速度快，通信容量大，通信距离远；l易于实现广播和多址通信；l电路和话务量可灵活调整，且通信费用与通信距离无关；l同一信道可用于不同方向和

37、不同区域。l缺点：l信号到达有延迟；l10 GHz以上频带受天气的影响；l天线受太阳噪声的影响；l安全保密性较差，造价高。南阳理工学院计算机科学技术系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南阳理工学院计算机科学技术系模拟数据和数字数据都可以用模拟信号或数字信号来表示，因而也可以用其中任意一种形式传输。南阳理工学院计算机科学技术系l在计算机通信网中，为了利用廉价的公共电话交换网（在计算机通信网中，为了利用廉价的公共电话交换网（模拟信道模拟信道）进行远程通信，必）进行远程通信，必须使用须使用调制解调器调制解调器进行信

38、号变换。进行信号变换。l调制器调制器：把要发送的：把要发送的基带信号基带信号转换为频率范围在转换为频率范围在 3003400 Hz 3003400 Hz 之间的之间的模拟信号模拟信号（载波信号，载波信号，载波通常是正弦波或余弦波）载波通常是正弦波或余弦波），以，以便在电话用户线上传送。便在电话用户线上传送。l解调器解调器：把电话用户线上传送来的：把电话用户线上传送来的模拟信号模拟信号转换为转换为数字信号数字信号。南阳理工学院计算机科学技术系l传统的电话通信信道是为传输语音信号设计的，只适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（用于传输音频范围（300Hz3400Hz）的

39、模拟信号，无）的模拟信号，无法直接传输计算机的数字信号；法直接传输计算机的数字信号；l为了利用模拟语音通信的电话交换网实现计算机的数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，必须首先将数字信号转换成模拟字数据信号的传输，必须首先将数字信号转换成模拟信号；信号；l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调制，将调制设备称为调制器（为调制，将调制设备称为调制器（modulator）；）；l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解调，将解调设备称为解调器（为解调，将解调

40、设备称为解调器（demodulator）；）；l同时具备调制与解调功能的设备称为调制解调器同时具备调制与解调功能的设备称为调制解调器（modem）。南阳理工学院计算机科学技术系l数字数据在模拟模拟信道上发送时必须先把数字数据模数字数据在模拟模拟信道上发送时必须先把数字数据模拟化，模拟是借助于载波实现的。载波信号可以表示为拟化，模拟是借助于载波实现的。载波信号可以表示为余弦波形式：余弦波形式：lS(t)=Acos(2ft+ ) ，l3个可以改变的电参量：个可以改变的电参量： 振振 幅幅 A 幅移键控法；幅移键控法； 角频率角频率 f 频移键控法；频移键控法； 相相 位位 相移键控法相移键控法 l

41、可以通过变化可以通过变化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。 南阳理工学院计算机科学技术系l幅移键控幅移键控(ASK) 又称幅度调制，就是用被传输的数字数据又称幅度调制，就是用被传输的数字数据去调制载波信号的振幅。去调制载波信号的振幅。l若载波信号为若载波信号为 Acos(2ft+)，则振幅调制信号可以表示为：，则振幅调制信号可以表示为： 001)ft2cos(A) t ( S当当数数字字信信号号为为当当数数字字信信号号为为 幅移键控幅移键控数字数据为数字数据为1 1数字数据为数字数据为0 0数字数据数字数据0 1 0 0 1 0 1 1南阳理工学

42、院计算机科学技术系l频率键控(FSK) 又称频率调制，就是用被传输的数字数据去调制载波信号的频率。l若载波信号为 Acos(2ft+) ，则频率调制信号可以表示为： 0)tf2cos(A1)tf2cos(A)t (S21当当数数字字信信号号为为当当数数字字信信号号为为 0 1 0 0 1 0 1 1南阳理工学院计算机科学技术系l相移键控(PSK) 又称相位调制，就是用被传输的数字数据去调制载波信号的相位。l若载波信号为 Acos(2ft+) ，则相位调制信号可以表示为： 0)ft2cos(A1)ft2cos(A)t(S当当数数字字信信号号为为当当数数字字信信号号为为 0 1 0 0 1 0 1

43、 1南阳理工学院计算机科学技术系南阳理工学院计算机科学技术系l一种常用于ADSL（非对称数字用户线路）和无线通信的模拟信号传输技术。l调幅(ASK)和调相(PSK)技术的综合(同时改变正弦波三个特性中的振幅和相位)。理论上可以有无数的状态组合。南阳理工学院计算机科学技术系64 南阳理工学院计算机科学技术系2.6.2 数数字字l计算机发出的数字信号是用不同的电平表示的计算机发出的数字信号是用不同的电平表示的0 0、1 1比比特序列的，形成矩形脉冲信号，这种没有经过调制的特序列的，形成矩形脉冲信号，这种没有经过调制的原始数字信号称为原始数字信号称为“基带信号基带信号”，基带传输时，基带传输时, ,

44、需要解需要解决数字数据的数字信号表示以及收发两端之间的信号决数字数据的数字信号表示以及收发两端之间的信号同步问题。最常用的数字信号编码技术有以下几种：同步问题。最常用的数字信号编码技术有以下几种：l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： 非归零码非归零码NRZ； 曼彻斯特（曼彻斯特（manchester）编码；）编码； 差分曼彻斯特差分曼彻斯特（difference manchester）编码。编码。 mB/nB编码南阳理工学院计算机科学技术系1 不不归归零零编编码码Nonretl非归零（Non-Return to Zero，NRZ）码是用信号的幅值来

45、表示二进制数据，负电平用于示一个二进制值，正电平用于表示另一个二进制值l由比特值决定信号的电平。NRZ码是最容易实现的，实际上是直接将计算机发出的信号加到通信线路上，未作任何处理，代价也最低。但NRZ码的缺点是接收方无法判断一位的开始和结束，即不具备同步特性南阳理工学院计算机科学技术系同同步：步：问问请看下图到底有几个”1”（用高电平表示）?当一台设备发送一个比特的数字信号时，它将在一定的周期内（假定为T）产生一个持续的信号。一个内置的时钟负责定时。接收设备必须知道信号的周期，这样它才能在每个T 时间单元内对信号进行采样。它也有一个负责定时的内置时钟。剩下的就是确保收发两端的两个时钟使用同样的

46、T 。任何物理设备都存在着设计上的局限性和缺陷。几乎可以肯定任何两个时钟都存在着微小的差别，这使得设备无法对传输信号作十分精确的采样。南阳理工学院计算机科学技术系2 曼曼彻彻斯斯特特编编码码Manch每个比特间隔的中间位置处都存在一个跳变。这种中间处的跳变既含有时钟信息，也含有数据信息：从低到高的跳变代表1，从高到低的跳变代表0 (注意有些系统也可能相反)。南阳理工学院计算机科学技术系曼曼彻彻斯斯特特编编码码l优点：l接收方容易利用每个数据位中间位置的跳变生成同步时钟信号，勿需单独传送时钟，又称自带时钟码；l利用跳变的相位容易判断“0”和“1”；l因为每个数据位中间都有跳变，因此无直流分量。l

47、缺点：l曼彻斯特编码的传输效率减少了一半。l10 Mb/s以太网（Ethernet）采用的就是曼彻斯特编码。 南阳理工学院计算机科学技术系比特间隔中间位置处的跳变仅含有时钟信息。在比特间隔开始处如果出现跳变表示0，如果没有跳变表示1。南阳理工学院计算机科学技术系01001011数据数据(a)非归零码同步时钟(b)曼彻斯特编码(c)差分曼彻斯特编码南阳理工学院计算机科学技术系4. mB/lmB/nB（其中m= 5104 b/s由于信噪比为由于信噪比为30dB30dB，所以有：，所以有：1010loglog1010(S/N)=30(S/N)=30成立，计算得成立，计算得S/N=1000S/N=10

48、00； B=5103 Hz南阳理工学院计算机科学技术系l复用(multiplexing)是将多个信源的彼此无关的信号，组合在一条物理信道上进行传送的技术。南阳理工学院计算机科学技术系l常用的多路复用技术有：常用的多路复用技术有：l频分多路复用频分多路复用（FDM，Frequency Division Multiplexing） l时分多路复用时分多路复用（TDM，Time Division Multiplexing） l波分多路复用波分多路复用（WDM，Wavelength Division Multiplexing）1.码分多路复用码分多路复用（CDM，Code Division Multi

49、ple）南阳理工学院计算机科学技术系l按照频率区分信号的方法，把传输频带分为若干个较窄的频带，每个频带构成一个子信道，独立地传输信息。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。l频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源。l为了避免两个相邻频段的信号互相干扰，频段之间要保留一定的隔离频带，称为保护带。频率时间频带 1频带 2频带 3频带 4频带 5频分复用的用途：主要用于模拟信道的复用。如有线电视南阳理工学院计算机科学技术系南阳理工学院计算机科学技术系时时分分频率时间B C DB C DB C DB C DAAAAA 在 TDM 帧中的位置不变TDM 帧TDM 帧TD

50、M 帧TDM 帧TDM 帧南阳理工学院计算机科学技术系时时分分频率时间C DC DC DAAAABBBB C DB 在 TDM 帧中的位置不变TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧南阳理工学院计算机科学技术系时时分分频率时间BDBDBDAAAA BCCCC DC 在 TDM 帧中的位置不变TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧南阳理工学院计算机科学技术系时时分分频率时间B CB CB CAAAA B CDDDDD 在 TDM 帧中的位置不变TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧南阳理工学院计算机科学技术系ABCDaabdb catttttb4 个时分复用帧#

51、1accd时分复用#2#3#4用户bcC没有信息D没有信息A没有信息D没有信息A没有信息B没有信息D没有信息B没有信息C没有信息1234 使用时分复用系统传送计算机数据时，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。 南阳理工学院计算机科学技术系用户ABCDabcdttttt3 个 STDM 帧#1acbab bcacd#2#3 统计时分复用又称为异步时分多路复用，允许动态地分配时间片。根据用户对时间片的需求来分配时间片，没有数据传输的用户不分配时间片。同时对每个时间片加上用户标识，以区别该时间片属于该用户。.南阳理工学院计算机科学技术系练练l10个9.6Kb/s的信道

52、按时分多路复用在一条线路上传输，如果忽略控制开销，在同步TDM情况下，复用线路的带宽应该是（1）；在统计TDM情况下，假定子信道只有30%的时间忙，复用线路的控制开销为10%，那么复用线路的带宽应该是（2）。（1）A32Kb/sB64Kb/sC72Kb/sD96Kb/s（2）A32Kb/sB64Kb/sC72Kb/sD96Kb/s答案：（答案：（1）D，（，（2）A南阳理工学院计算机科学技术系 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

53、1552 nm 3 1553 nm 4 1554 nm 5 1555 nm 6 1556 nm 7 1557 nm 8 2.5 Gb/s1310 nm20 Gb/s复用器分用器EDFA120 km光调制器光解调器波分复用就是光的频分复用。波分复用就是光的频分复用。2.7.3 波波分分南阳理工学院计算机科学技术系l常用的名词是码分多址 CDMA (Code Division Multiple Access)。l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。每个用户可以在同样的时间使用同样的频带进行通信。l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。 l采用

54、CDMA可提高通信的语音质量和数据传输的可靠性，减少干扰对通信的影响，降低手机的平均发射功率等等。南阳理工学院计算机科学技术系南阳理工学院计算机科学技术系l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)。l在实用的系统中是使用伪随机码序列。南阳理工学院计算机科学技术系l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。l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(inner product)都是 0： 011miiiTSmTS(2-3)n例：令向量 S 为(1 1 1 +1 +1 1 +1 +1)，向量 T 为(1 1 +1

55、 1 +1 +1 +1 1)。 n把向量 S 和 T 的各分量值代入(2-3)式就可看出这两个码片序列是正交的。南阳理工学院计算机科学技术系l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 。l一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是 1。 mimiimiiimSmSSm112211) 1(111SS南阳理工学院计算机科学技术系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南阳理工学院计算机科学技术系l当S站发送比特1时，在接收端计算内积的结果是1；l当S站发送比特0时，在接收站计算内积的结果是1；l当S站没有发送数据时，在接收站计算内积的结果是0。南阳理工学院计算机科学技术系例：共有4个站进行码分多址CDMA通信。4个站的码片序列为：A：（1 1 1 1 1 1 1 1 ）B：（1 1 1 1 1 1 1 1 ）C：（1 1 1 1 1 1 1 1 ）D：（1 1 1 1 1 1 1 1