计算机网络_数据通信基础与物理层

1、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

2、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3.6.2 ADSL3.6.3 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n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： n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。n电气特性 指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。n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。n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.

3、1数据通信的基本概念n数据(data)运送信息的实体。n信号(signal)数据的电气的或电磁的表现。 n“模拟的”(analogous)连续变化的。n“数字的”(digital)取值是离散数值。n调制把数字信号转换为模拟信号的过程。n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n数据通信数据通信发送方将要发送的数据转换成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。为模拟数

4、据通信和数字数据通信。n源点源点数据的发送方数据的发送方n终点终点数据的接收方数据的接收方n信道信道在源点和终点之间建立的一条传输信在源点和终点之间建立的一条传输信号的物理通道号的物理通道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n有效性有效性 有效性是用有效传输带宽来度量，频带宽度越窄，有效性是用有效传输带宽来度量，频带宽度越窄，有效性越好有

5、效性越好n可靠性可靠性 可靠性是用接收端最终的输出信噪比来度量，信噪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。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。用差错率（误码率）来衡量。几个重要基本概念：码元码元承载信息的基本信号单位，一个表示数据有效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，其单位为波特值状态的脉冲信号就是一个码元，其单位为波特信道容量信道容量一个信道能够达到的最大的传输速率，它一个信道能够达到的最大的传输速率，

6、它表示信道的传输能力。在通信领域中，信道容量常指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（或波特）来表示数据传输速率数据传输速率通信系统单位时间内传送的二进制代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，单位用比特码的位（比特）数，因此又称比特率，单位用比特/ /秒秒表示，记为表示，记为b/sb/s或或b/sb/s。 设设T T为传输的电脉冲的宽度或周期，为传输的电脉冲的宽度或周期，N N为一个为一个脉冲信号所有可能的状态数，则数据传输速率为：脉冲信号所有可能

7、的状态数，则数据传输速率为：R RS S = log= log2 2 N N （b/sb/s）调制速率调制速率调制后模拟电信号每秒钟的变化次数，它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，单位为波特等于调制周期（即时间间隔）的倒数，单位为波特（BaudBaud）。）。 若用若用T T（秒）表示调制周期，则调制速率（秒）表示调制周期，则调制速率为为R Rb b=1/=1/T T（BaudBaud），即），即1 1波特表示每秒钟传送一个码元波特表示每秒钟传送一个码元。误码率误码率二进制码元在传输过程中被传错的概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：误

8、码率的计算公式为：P Pe e = = N Ne e / / N N 式中式中P Pe e表示误码率，表示误码率，N Ne e表示被传错的码元数，表示被传错的码元数，N N表示传输的二进制码元总数。上式只有在表示传输的二进制码元总数。上式只有在N N取值很大取值很大时才有效。时才有效。“带宽带宽”本来是指信号具有的频带宽度，单位是赫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）。（或千赫、兆赫、吉赫等）。现在现在“带宽带宽”是数字信道所能传送的是数字信道所能传送的“最高数据率最高数据率”的的同义语，单位是同义语，单位是“比特每秒比特每秒”，或，或 b/s (bit/s)b/s (

9、bit/s)。 数字信号流随时间的变化n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 0 1 0 1 11 s带宽为1 Mb/s 时间每秒 4 106 个比特0.25 s带宽为4 Mb/s 时延n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。n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)n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。 n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 =

10、信道长度（米）信号在信道上的传播速率（米/秒）时延(delay 或 latency)n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。 n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。n处理时延的长短往往取决于网络中当时的通信量。n有时可用排队时延作为处理时延。 时延(delay 或 latency)n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 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

11、 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n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b b0 0 b b1 1 b b2 2 b b3 3 b b4 4 b b5 5 b b6 6 b b7 7 发送端发

12、送端b b0 0 b b1 1 b b2 2 b b3 3 b b4 4 b b5 5 b b6 6 b b7 7 接收端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 发送端发送端b b0 0 b b1 1 b b2 2 b b3 3 b b4 4 b b5 5 b b6 6 b b7 7 接收端接收端串行通信信道串行通信与并行通信的比较n在相同的发送时钟下，并行通信的数据传输速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。率将大于串行通信。n并行通信需要多个并行信道，实现昂贵。并行通信需要多个并行信道，实现昂贵。n并行通信方式适

13、合于近距离通信（如计算机中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。）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，在发送方当计算机通过串行信道相互通信时，在发送方要进行并要进行并/ /串转换，而在接收端要进行串串转换，而在接收端要进行串/ /并转并转换换计算机计算机串行信道串行信道计算机计算机并行传输并行传输并行传输并行传输串行传输串行传输并并/串转换串转换串串/并转换并转换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，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。任何

14、时候都不能改变方向。例子：例子： 广播、电视广播、电视 发送发送单向通道单向通道接收接收半双工通信信号可以双向进行，但不可同时进行，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一个时间只能有一个方向的传送例子：例子： 对讲机、计算机对讲机、计算机终端终端发送发送接收接收双向通道双向通道接收接收发送发送双工通信信号可以同时进行双向发送信号可以同时进行双向发送例子：例子： 计算机计算机计算机计算机发送发送接收接收双向通道双向通道接收接收发送发送3.3.3异步传输与同步传输n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

15、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n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n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。 n基带传输通信信道中直接传输基带信号的传输方式n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n频带传输先将基带信号（

16、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。n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n调幅(AM)：载波的振幅随基带数字信号而变化。 n调频(FM)：载波的频率随基带数字信号而变化。n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

17、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模拟信源数字信道数字信道模拟信宿模拟信宿模拟信号模拟信号PCM编编/解码器解码器PCM编编/解码器解码器数字信号数字信号模拟信号模拟信号PCM的采样n模拟信号数字化的第一步模拟信号数字化的第一步n按一定的时间间隔，将模拟信号的电平幅度取按一定的时间间隔，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。出来作为样本，让其表示原始信号。n采样定理：采样定理： 若以至少两倍于最高有效信号频率的速率对若以至少两倍于最高有效信号频率的速率对模拟信号进

18、行采样，则其样本包含足以重构原模拟信号进行采样，则其样本包含足以重构原模拟信号的所有信息。（模拟信号的所有信息。（fs2fofs2fo）PCM的量化n模拟信号数字化的第二步模拟信号数字化的第二步-将采样样本按量化将采样样本按量化级进行离散化的过程。级进行离散化的过程。n通过将采样所得样本与预先规定的量化级进行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。比较，进行取整定级。n量化级的多少取决于量化的精度。级数越高，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。量化精度越高，但所需的编码位数相应越多。PCM的编码n模拟信号数字化的第三步。模拟信号数

19、字化的第三步。n用相应位数的二进制代码表示采样样本的量化用相应位数的二进制代码表示采样样本的量化级。级。n量化级数越多，所需的编码位数相应志越多。量化级数越多，所需的编码位数相应志越多。 e.g.e.g.： 8 8级级33位，位， 1616级级44位位 T1T1（128128级）级）-7-7位位3.4多路复用技术多路复用技术n 频分复用、时分复用和统计时分复用 n频分复用：所有用户在同样的时间占用不同频分复用：所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源。的带宽资源。n时分复用：所有用户在不同的时间占用同样时分复用：所有用户在不同的时间占用同样的频带宽度。的频带宽度。 频分复用 频率时间频率 1频率

20、 2频率 3频率 4频率 5时分复用 频率时间B C DB C DB C DB C DAAAA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C DC DC DAAAABBBB C D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BDBDBDAAAA BCCCC D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B CB CB CAAAA B CDDDD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

21、浪费 ABCDaabbcdb cattttt4 个时分复用帧#1acbcd时分复用#2#3#4用户统计时分复用 STDM 用户ABCDabcdttttt3 个 STDM 帧#1acbab bcacd#2#3统计时分复用 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 2.5.2 波分复用 WDM n波分复用就是光的频分复用。 8

22、 2.5 Gb/s1310 nm20 Gb/s复用器分用器EDFA120 km2.5.3 码分复用 CDM n常用的名词是码分多址常用的名词是码分多址 CDMA CDMA (Code Division Multiple Access) (Code Division Multiple Access)。n各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此彼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。此不会造成干扰。n这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力，其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。频谱类似于白噪声，不易被敌人发现。 n每一个比特时间划分为每一个比特时

23、间划分为 m m 个短的间隔，称为个短的间隔，称为码码片片(chip)(chip)。 码片序列(chip sequence) n每个站被指派一个惟一的 m bit 码片序列。n如发送比特如发送比特 1 1，则发送自己的，则发送自己的 m m bit bit 码片序码片序列。列。n如发送比特如发送比特 0 0，则发送该码片序列的二进制，则发送该码片序列的二进制反码。反码。 n例如，S 站的 8 bit 码片序列是 00011011。n发送比特发送比特 1 1 时，就发送序列时，就发送序列 0001101100011011，n发送比特发送比特 0 0 时，就发送序列时，就发送序列 11100100

24、11100100。nS 站的码片序列：(1 1 1 +1 +1 1 +1 +1) CDMA 的重要特点n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)。n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 n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。 n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码片序列的正交关系举例 n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)。 n把向量 S

25、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。 n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 。n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 mimiimiiimSmSSm112211) 1(111SSCDMA 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

26、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n双绞线n屏蔽双绞线 STP (Shielded Twisted Pair)n无屏蔽双绞线 UTP (Unshielded Twisted Pair) n同轴电缆n50 同轴电缆n75 同轴电缆n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绝缘保护套层内导体无屏蔽双绞线 UTP屏蔽双绞线 STP同轴电缆光线在光纤中的折射 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） 包层纤芯光纤的工作原理高折射率(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输入脉冲输出脉冲单模光纤多模光纤与单模光纤输入脉冲输出脉冲多模光纤3.5.3无线传输介质n无线传输所使用的频段很广n无线通信的方法n微波微波n激光激光n红外线红外线 n微波在空间主要是直线传播n地面微波接力通信地面微波接力通信n卫星通信卫星通信 3.6宽