计算机网络第二单元

1、第第 2 2 章章 物理层物理层2.2Computer Networks第第 2 章章 物理层物理层2.1 物理层的主要任务物理层的主要任务2.2 数据通信的基础知识数据通信的基础知识2.3 信道复用技术信道复用技术2.4 交换技术交换技术2.5 Internet接入技术接入技术2.3Computer Networks2.1 物理层的主要任务物理层的主要任务确定与传输媒体的接口的一些特性，即：确定与传输媒体的接口的一些特性，即： 机械特性机械特性 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。和锁定装置等等。电气特性电气

2、特性 指明在接口电缆的各条线上出现的指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围电压的范围。-编码方法编码方法功能特性功能特性 指明某条线上出现的某一电平的指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种电压表示何种意义。意义。过程特性过程特性 指明对于不同功能的指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序各种可能事件的出现顺序。 同步过程同步过程传输方式的转换传输方式的转换数据在数据在计算机中计算机中多采用多采用并行传输并行传输方式方式数据在数据在通信线路通信线路上的传输方式一般是上的传输方式一般是串行传输串行传输2.4Computer Networks2.2 数据通信的基础知识数据通信的基础知识2.2.1

3、 数据通信系统的模型数据通信系统的模型2.2.2 数字信号的数字信号的Fourier分析分析2.2.3 数据通信基本概念数据通信基本概念2.2.4 信道及其极限容量信道及其极限容量2.2.5 数据传输数据传输2.5Computer Networks2.2.1 数据通信系统的模型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 输入汉字显示汉字数据通信系统源系统目的系统传输系统输出信息PC 机2.6Computer Networks在数字信号通信中，在数字信号通信中，Fourie

4、r分析分析可用于可用于解释很多通信的原理解释很多通信的原理傅立叶级数傅立叶级数任何正常周期为任何正常周期为T的周期函数的周期函数g(t)，都可用傅立叶级数将其展开，都可用傅立叶级数将其展开，展开项是无限多个正弦波和无限多个余弦波的组合：展开项是无限多个正弦波和无限多个余弦波的组合：其中，f=1/T是基频基频， an和和bn称为正弦和余弦函数的n次谐波次谐波的振幅的振幅，c是常数展开项中的每个波形称为展开项中的每个波形称为n次谐波，次谐波，每个每个n次谐波的频率次谐波的频率都是在都是在原来原来基频基频f上乘以一个系数上乘以一个系数n，所以，一个周期函数，所以，一个周期函数g(t)可以分解可以分解

5、为为无限多个无限多个n次谐波的和次谐波的和。11)2cos()2sin(21)(nnnnnftbnftactg2.2.2 数字信号的数字信号的Fourier分析分析2.7Computer Networks由数学分析中的原理可知，对任何已知的由数学分析中的原理可知，对任何已知的g(t)，可求得：，可求得：TTnTndttgTcdtnfttgTbdtnfttgTa000)(2)2cos()(2)2sin()(22.8Computer Networks常识常识任何一个被传递的任何一个被传递的信号信号都可看作一个都可看作一个周期函数周期函数，该，该信号的传信号的传输输都可理解为都可理解为以傅立叶级数展

6、开的形式在传递以傅立叶级数展开的形式在传递（即（即无限多个无限多个正弦波和无限多个余弦波在这个物理媒体上传输正弦波和无限多个余弦波在这个物理媒体上传输）若每个傅立叶级数的若每个傅立叶级数的信号分量信号分量被被等量衰减等量衰减，则在接收端，则在接收端合合成成后，后，振幅有所衰减振幅有所衰减，基本形状不变基本形状不变Q：实际信号在物理媒体上传递过程中能量会如何？结果：实际信号在物理媒体上传递过程中能量会如何？结果会怎样？会怎样？2.9Computer Networks例子：传输字母例子：传输字母b假设计算机内采用假设计算机内采用ASCII编码编码，字符，字符b表示为表示为 01100010，根据根

7、据傅立叶级数傅立叶级数将其看作函数将其看作函数g(t)，傅立叶级数展开，可，傅立叶级数展开，可求得：求得：8/3)4/6sin() 4/7sin() 4/sin() 4/3sin(1)4/7cos() 4/6cos() 4/3cos() 4/cos(1cnnnnnbnnnnnann2.10Computer Networks字母字母b在计算机内通过信号传输在计算机内通过信号传输-数字信号数字信号-脉冲信号脉冲信号传输的理想情况：传输的理想情况：把这个波形用把这个波形用flourier级数级数展开，展开成无展开，展开成无限多个正弦波和无限多个余弦波的和，那么到了接受方应该限多个正弦波和无限多个余弦

8、波的和，那么到了接受方应该还原成同样一种波形，只是振幅会有所下降还原成同样一种波形，只是振幅会有所下降现实问题是：现实问题是：任何物理媒体只能通过任何物理媒体只能通过有限频率范围内有限频率范围内的谐波的谐波（即带宽限制），因此接收端只能收到有限的谐波信号。接（即带宽限制），因此接收端只能收到有限的谐波信号。接收方恢复出的信号和发送端发送的信号会有一定的差异。收方恢复出的信号和发送端发送的信号会有一定的差异。2.11Computer Networkst/st/s8181)2cos()2sin(21)(nnnnnftbnftactg41412221nnnn)nftcos(b)nftsin(ac)

9、t (g1111)2cos()2sin(21)(nnnnnftbnftactg21nn21nnnft)cos(2bnft)sin(2ac21g(t)01100010 计算机内部计算机内部b的信号表示的信号表示-脉冲信号脉冲信号通过通过1次次/2/4/8次谐波时接收端和发送端信号对比次谐波时接收端和发送端信号对比2.12Computer Networks当能过无穷多个谐波呢？当能过无穷多个谐波呢？一条媒体的通信质量：通过的一条媒体的通信质量：通过的谐波数越高，传输质量越好谐波数越高，传输质量越好了解了解：信号看成无线多个：信号看成无线多个n次谐波的叠加，传输媒体能通过的次谐波的叠加，传输媒体能通

10、过的谐波数越多传输媒体的质量越好，通过的谐波数越少，传输谐波数越多传输媒体的质量越好，通过的谐波数越少，传输质量越差质量越差flourier级数展开级数展开可以解释很多通信原理，其中一个非常可以解释很多通信原理，其中一个非常重要重要的用途的用途： ？解析了为什么在一条物理媒体上？解析了为什么在一条物理媒体上数据的传输速率数据的传输速率不可能不可能是无限高的是无限高的任何一条物理媒体它的频带宽度是有限的任何一条物理媒体它的频带宽度是有限的2.13Computer Networks对指定的最高频率，传输带宽是有限的对指定的最高频率，传输带宽是有限的比特率比特率：数据传输速率数据传输速率 ，每秒钟能

11、够发送多少，每秒钟能够发送多少bit, bps=bit per second波特率波特率：每秒得到多少个信号：每秒得到多少个信号每秒每秒采样采样的次数的次数信号变化次数（信号到达的信号变化次数（信号到达的速率）速率）码元的速率码元的速率例例 考虑：信号等级考虑：信号等级 每个信号二进制编码位数每个信号二进制编码位数如果信号分为2级： 每个信号二进制编码位数 10 1，则波特率 = 比特率如果信号分为8级： 每个信号二进制编码位数 3 0 1 2 3 4 5 6 7，则比特率= 3波特率v即一次信号变化（一次采样）可表示3bit如信号分为V级，则 每个信号二进制编码位数 log2V比特率比特率

12、= log2V 波特率波特率波特率越高，比特率越高波特率越高，比特率越高例：（？数据在物理媒体的传输速率是有限的数据在物理媒体的传输速率是有限的）设波特率 = 比特率 = b bps则：发送8 bit(1B)需要T=8/b秒，因而基频f = 1/T = b/8 Hz如：截止频率为F则：最大的谐波次数n满足nf=F，即：n=F/f=8F/b2.14Computer Networks数据传输速率数据传输速率(bps)发送的谐波数发送的谐波数n30080600401200202400104800596002192001384000Fig. 传输速率与谐波的关系传输速率与谐波的关系（截止频率为截止频率

13、为F为为3000HZ ）数据在物理媒体的传输速率是有限的数据在物理媒体的传输速率是有限的电话截止频率为电话截止频率为F为为3000HZn=F/f=8F/b2.15Computer NetworksQ:电话的传递速度电话的传递速度56Kb/s,64Kb/s,都大于都大于48Kb/s,why?比特率比特率 = log2V 波特率波特率数据的传输速率不仅仅和信号的传输速率有关还和信号的划分等级有关 2.16Computer Networks波特率和比特率的差别波特率和比特率的差别波特率？波特率？比特率？比特率？下图中，波特率相同，而(b)的信号的比特率是(a)的两倍01100010111000100

14、0 01 10 10 00 11 01 10 00 00 00 11 10 11 00 10(b)(a)两者数值上的差别在于每次两者数值上的差别在于每次采样的量化值采样的量化值每个信号划分的等级不一样，每个信号携带的比特每个信号划分的等级不一样，每个信号携带的比特数不一样数不一样2.17Computer Networks2.2.3 数据通信数据通信基本概念基本概念数据与信号数据与信号 -信息在不同的地方有不同的表现方法比如计信息在不同的地方有不同的表现方法比如计算机内，比如传输媒体算机内，比如传输媒体数据数据(data)数据是信息的表现形式 /方法数据有模拟数据和数字数据两种形式模拟数据：在某

15、个时间段产生的连续的值（对时间对时间是连续的）v例如声音和视频、温度和压力等都是时间的连续函数 数字数据：离散的值（对时间对时间是离散的）v例如文本信息和整数2.18Computer Networks信号（信号（signal）：数据在）：数据在某种物理媒体上的表现某种物理媒体上的表现/表示表示 -电信号、光信号电信号、光信号信号是数据的表示形式数据的表示形式，或称数据的电磁或电电磁或电子编码子编码，它使数据能以适当的形式在介质上传形式在介质上传输输信号有模拟信号模拟信号（一般是正弦或余弦波形正弦或余弦波形）和数字信号数字信号（脉冲信号脉冲信号）两种基本形式传输信号的信道信道也有模拟信道模拟信道

16、和数字信道数字信道之分2.19Computer Networks数据传输（数据传输（data transmission）：指传输的数据）：指传输的数据数据传输以数据传输以信号信号为载体为载体分为分为模拟传输模拟传输和和数字传输数字传输（指传输的数据，从传输的数据分）（指传输的数据，从传输的数据分）模拟传输（analog transmission ）传输的是模拟数据是指模拟数据的传输，不关心所传输信号的内容，而只关心尽量减少信号的衰减和噪声，长距离传输时，采用信号放大器放大器放大被衰减的信号，但同时也放大了信号中的噪声电话局-用户（本地回路）数字传输（digital transmission）传

17、输的是数字数据-0、1是指数字数据的传输数字数据的传输，关心信号的内容，可以数字信号传输，也可以模拟信号传输，长距离传输时，采用转发器转发器，可消除噪声的累积电话局-电话局长距离传输时，通常采用的是数字传输长距离传输时，通常采用的是数字传输指传输的指传输的信号的原始数据信号的原始数据是模拟数据表示的还是数字数据表示的是模拟数据表示的还是数字数据表示的转成信号之前的数据转成信号之前的数据2.20Computer Networks码元码元(code element)在使用时间域（或简称为时域）的波形表示数字信号时，代表在使用时间域（或简称为时域）的波形表示数字信号时，代表不同离不同离散数值的基本波

18、形散数值的基本波形。 一个信息的表示一个信息的表示2.21Computer Networks 2.2.4 信道及其极限容量信道及其极限容量信道及其参数信道及其参数信道信道数据传输的通道数据传输的通道 模拟数据 & 数字数据，通道可以是电缆，光缆等物理媒体可通过的频率范围划分为多个频段，每个频段对应一个信道一个信道（可通过一路信号）信道参数信道参数用来描述信道的质量用来描述信道的质量数据传输速率=带宽（能够通过的频率宽度）等同的依据就是flourier级数展开式 n=F/f=8F/b类似于高速路上单位时间可以进入的车辆数 路越宽进入的车辆数越多-？这里的带宽指计算机网络中的“带宽”概念信号的传播

19、速率信号在介质上的传播速率类似于高速路上的车速2.22Computer Networks载波频率信道对应的频率信道对应的频率叫载波频率指定某一信道位置收音机的频道相当于每个车道的位置采样频率 数字设备的接收端，需要将信号变成数据模拟信号转化为数字信号时采样的速率量化对采样信号的数字化量化的等级与噪声有关-？v噪声越大，可量化的等级就越少噪声、信噪比2.23Computer NetworksNyquist定理定理计算机通信基本定理计算机通信基本定理在在无噪声信道无噪声信道中，当带宽为中，当带宽为H Hz，信号电平为，信号电平为V级，则：级，则：数据传输速率 = 2Hlog2V （b/s） 波特率

20、：比特率？V：信号电平的级数，在二进制中，仅为0、1两级。采样定理：采样定理：以每秒高于2H次的速率对线路采样是无意义的，因为高频分量已被滤波器虑掉无法再恢复 他给出了在他给出了在假定的理想条件假定的理想条件下，为了避免下，为了避免码间串扰码间串扰，码元的传输速率，码元的传输速率的上限值。的上限值。-超过这个速度就会产生码间串扰超过这个速度就会产生码间串扰在任何信道中，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。 码元和码元之间很难区分如果信道的频带越宽频带越宽，也就是能够通过的信号高频分量越多高频分量越多，那么就可以用更高的速率传送码元而不

21、出现码间串扰。2.24Computer Networks根据根据Nyquist定理，定理，V越高，数据传输速率越高。现实中越高，数据传输速率越高。现实中V不能无限高不能无限高即便在无噪声的理想信道中，V越高越高对发送方和接收方的设备要求要求越高越高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（噪声）。 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。噪声越小，噪声越小，V可以越高可以越高2.25Computer Networks最大数据传输速率（最大数据传输速率（ Shannon定理）定理）Shannon定理定理在噪声信道噪声信道中，当带

22、宽为H Hz，信噪比为S/N，则：最大数据传输速率(b/s) = Hlog2(1+S/N) 很多情况下信噪比信噪比用分贝分贝（dB） 表示1 dB= 10log10S/N v如： 噪声为30dB，则S/N=1000v电话线 H=3500Hz,噪声30dB,最大数据传输速率2.26Computer Networks香农定理表明香农定理表明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。 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无差错的传输。 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

23、C 也就没有上限。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。2.27Computer Networks香农定理的应用：香农定理的应用：例：噪声信道中的传输速率例：噪声信道中的传输速率在噪声信道（话音信道）中，当带宽为3500Hz，信噪比为30dB（较为典型的电话信道），则：最大数据传输速率(b/s) = Hlog2(1+S/N)= 3500log2(1+1000) 35000 (b/s)最大数据传输速率为35k bps，这是在噪声信道中的传输速率极限，实际上是不可能达到的再再可根据Nyquist定理计算出信号划分的等级 数据传输速率 = 2Hlog2V （b/s）2.28C

24、omputer Networks注意注意对于频带宽度频带宽度已确定的信道，如果信噪比信噪比不能再提高了，并且码码元传输速率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提高信息的传输速率。这就是用编码编码的方法让每一个码元携带更多比特的信息量每一个码元携带更多比特的信息量。2.29Computer Networks信道工作方式信道工作方式单工通信单工通信单向传输，如广播、电视半双工半双工 -独木桥独木桥双方都可以发送或接收，但不能同时不能同时，即当一方发送时，另一方接收全双工全双工双方同时可以发送和接收信息全双工需要两条信道两条信道2.30Computer Networks2.2.5

25、 数据传输数据传输基带传输与宽带传输基带传输与宽带传输 （另一方面来分类）（另一方面来分类）数字数据在模拟信道上传输数字数据在模拟信道上传输 数字数据在数字信道上传输数字数据在数字信道上传输 模拟数据在数字信道上传输模拟数据在数字信道上传输 2.31Computer Networks基带传输与宽带传输基带传输与宽带传输基带传输基带传输-局域网局域网信号源信号源产生的产生的原始电信号原始电信号称称为为基带信号基带信号（基本频带信号），即：（基本频带信号），即：将数字数据将数字数据0 0、1 1直接用两种不同的电压表示，然后送到线路上去直接用两种不同的电压表示，然后送到线路上去传输传输 像计算机输

26、出的代表各种文字或图像文件的数据信号都属于基带信号。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基带信号进行调制调制(modulation)。用于数字传输用于数字传输：局域网，通常传输距离为185 m（细缆）、500 m（粗缆）2.32Computer Networks宽带传输宽带传输将基带信号进行将基带信号进行调制后调制后形成形成模拟信号模拟信号，经过，经过载波调制载波调制，然后采用，然后采用频分复用频分复用技术技术实现宽带传输实现宽带传输带通信号带通信号把基带信号经过载波调制后，把信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中

27、传输（即仅在一段频率范围内能够通过信道）。 -频带信号频带信号多个频带的带通信号在同一个物理媒体上传输，即宽带传输宽带传输宽带传输通常带宽都很大，在上面可以同时传几路信号，每路信号都是经过调制后的模拟信号有线电视网带宽可达750 MHz，由于以模拟信号传输，所以传输距离可达100 km宽带系统可分为多个信道，所以模拟和数字数据可混合使用，但通常需解决数据双向传输的问题 在混合光纤电缆 HFC（Hybrid Fiber Coax）中，频段54 550 MHz是电视信号，550-750 MHz是数字数据2.33Computer Networks数字数据在模拟信道上传输数字数据在模拟信道上传输 ：数

28、字数据：数字数据-模拟信号模拟信号将数字数据调制成模拟信号（连续波形）进行传输将数字数据调制成模拟信号（连续波形）进行传输相当于把相当于把0用一种波形来表示用一种波形来表示/传输，把传输，把1用一种波形来传输用一种波形来传输通常有三种基本的调制方式：1) 调幅ASK(Amplitude Shift Keying)2) 调频FSK(Frequency Shift Keying)3) 调相PSK(Phase Shift Keying) 正交调相 QPSK（Quadrature Phase Shift Keying）正交调幅QAM（Quadrature Amplitude Modulation）2.

29、34Computer Networks调幅调幅ASK (Amplitude Shift Keying)用载波的两种不同的振幅两种不同的振幅来表示两个二进制值两个二进制值 如用无信号表示0有信号表示1每个约定的时间段约定的时间段发送一定振幅的信号 =约定每个信号的持续时间段01ASK2.35Computer Networks01FSK调频调频FSK (Frequency Shift Keying)用载波附近的两种不同的频率两种不同的频率来表示两个二进制值 如用信号频率为f表示0；信号频率为2f表示1 2.36Computer NetworksPSK01调相调相PSK (Phase Shift K

30、eying)用载波的相位移动相位移动来表示两个二进制值如用信号相位角为0表示0 相位角为表示1（即信号的起始相位为0或 ）2.37Computer Networks基带信号基带信号调幅调幅调频调频调相调相010011100假设要发送的数字数据是假设要发送的数字数据是010011100数字数据的调制举例数字数据的调制举例2.38Computer Networks可通过可通过提高信号的分级提高信号的分级来提高比特率来提高比特率在模拟信号情况下如何提高数据的比特率在模拟信号情况下如何提高数据的比特率-让每个信号携带更多比特让每个信号携带更多比特正交调相正交调相QPSK(Quadrature Phas

31、e Shift Keying)把上述技术组合起来把上述技术组合起来信号起始相位为 /4、 3 /4、5 /4、 /4QPSK2bit/采样01232.39Computer Networks正交调幅（正交调幅（Quadrature Amplitude Modulation）正交调相正交调相+调幅调幅QAM-646bit/采样QAM-164bit/采样采用采用QAM-64信道质量比信道质量比QAM-16质质量要高，要求噪声量要高，要求噪声小小2.40Computer Networks常用的几种常用的几种Modem标准标准Modem标准：把离散信号调制为连续信号离散信号调制为连续信号的方法的方法V.

32、32（QAM-32） 4(1) x 2400 = 9600 bpsV.32bis （QAM-128） 6(1) x 2400 = 14400 bpsV.34 12 x 2400 = 28800 bpsV.34bis 14 x 2400 = 33600 bpsV.90 7 x 8000 = 56000 bps说明：波特率=采样速率 信号携带的比特数*采样速率/波特率QAM-32（调频（调频+调幅），调幅），4bit有效数据有效数据+1bit校验数校验数据，波特率据，波特率2400，有效数，有效数据传输速率据传输速率9600bpsQAM-1282.41Computer Networks数字数据的数

33、字信号传输数字数据的数字信号传输数字数据用数字数据用离散信号离散信号来表示称为来表示称为数字信号的编码数字信号的编码最简单的方法是用两个不同的电压信号值来表示两个二进制的数字数据值0和1常用的数字信号编码有：常用的数字信号编码有：不归零编码曼切斯特编码差分曼切斯特编码2.42Computer Networks不归零编码不归零编码 NRZ（nonreturn-to zero ）用两种不同的电平分别表示0和1（正逻辑正逻辑：高电平表示1；负逻辑负逻辑：低电平表示1），并且在表示完一个码元后，电平毋需回到零缺点：存在发送方和接收方的同步问题。同步问题。用于计算机内部计算机内部是有效的，因为整个计算机

34、的工作控制在同一个时钟下。v不适于网络的编码网络的编码，因为两个主机的时钟往往不一致。不能携带时钟信号，且无法表示没有数据传输10100110时钟脉冲时钟脉冲二进制二进制bit流流不归零制编码不归零制编码比特率波特率比特率波特率2.43Computer Networks曼切斯特编码曼切斯特编码（Manchester encoding）-自同步编码方式自同步编码方式每发送一个bit要发送两个电平，两个电平之间要有一个跳变跳变，该跳变发生在时间的中间中间，用该跳变表示跳变表示0或或1解决了时钟同步时钟同步问题：每发送一个bit的中间有一个跳变，从而消除了误差，即：将跳变当作时钟信号自同步编码自同步

35、编码缺点缺点：编码效率低。一个时钟周期只可表示一个bit，并且必须通过两两次采样才能得到一个次采样才能得到一个bit优点优点：能携带时钟信号，且可表示没有数据传输bit中间有信号低中间有信号低-高跳变为高跳变为001bit中间有信号高中间有信号高-低跳变为低跳变为1比特率比特率0.5波特率波特率2.44Computer Networks差分曼彻斯特编码（差分曼彻斯特编码（differential Manchester encoding） -自同步编码方式自同步编码方式根据发送一个比特开始时开始时有无跳变跳变表示0或1特性与曼切斯特编码相同，但抗干扰性能强于曼切斯特编码bit中间中间有信号有信号

36、跳变跳变，bit与与bit之间之间也也有有信号信号跳跳变变，表示下一个，表示下一个bit为为0 bit中间中间有信号有信号跳变跳变， bit与与bit之间无之间无信号信号跳跳变变，表示下一个，表示下一个bit为为1 11002.45Computer Networks编码方式的比较编码方式的比较不归零制编码的编码密度最高，接收端一次采样可得到一个bit ，即波特率等于比特率，但不能携带时钟曼切斯特编码的编码密度最低，接收端二次采样才可得到一个bit ，即波特率是比特率的两倍，但每个bit中都有信号跳变，即携带了时钟差分曼切斯特编码与曼切斯特编码基本相同2.46Computer Networks编

37、码举例编码举例bit流流二进制编码二进制编码曼切斯特编码曼切斯特编码差分曼切斯特编码差分曼切斯特编码bit与与bit之间有跳变，下一个之间有跳变，下一个bit为为0100001011110bit与与bit之间无跳变，下一个之间无跳变，下一个bit为为12.47Computer Networks模拟数据在数字信道上传输模拟数据在数字信道上传输模拟数据模拟数据变成变成数字数据数字数据在在数字信道数字信道上传递。上传递。如：电话局将来自话机的模拟信号转换为数字信号传递采用采用脉冲编码调制脉冲编码调制（ PCMPulse Code Modulation）技术）技术关键点：关键点：在接收端在接收端还原成

38、模拟数据还原成模拟数据。需要保证还原的模拟信号不失真不失真PCM以以Nyquist采样定理采样定理为基础为基础采样定理：如果在规定的时间间隔内，以有效信号以有效信号f(t)最高最高频率的二倍或二倍以上的速率频率的二倍或二倍以上的速率对该信号进行采样，则这些采样值中包含了全部原始信号信息2.48Computer NetworksA B C D E F G Ht255191127630ABCDEFGH188244240144807212220010111100 11110100 11110000 10010000 01010000 01001000 01111100 11001000 模拟数据模拟

39、数据到到数字数据数字数据的的转换转换：采样采样：采样时间间隔采样时间间隔t=1/2f量化量化：将采样值 量化为若干等级（如0255）如电话&CD编码编码：量化值用二进制表示这串数字数据可以数字传输也可以模拟传输2.49Computer Networks话音信道话音信道话音信道允许的最高频率通常为最高频率通常为3500Hz如果以8000Hz(2倍倍)的采样频率对话音信号进行采样的话，则在采样值中包含采样值中包含了话音信号的完整特完整特征征，由此而还原出的话音还原出的话音是完全可理解的和可识可理解的和可识别的别的 2.50Computer Networks话音信道的数据传输速率 （首先 模拟数据通

40、过采样量化变成数字数据然后编码，将数字数据变成数字信号传输）对于每一个采样值还需要用一个（一位或多位的）二进制代码来表示，二进制代码的位数代表了采样值的量化精度，在主干上在主干上，对每一路话音信号对每一路话音信号通常采用采用8位二进制代码位二进制代码来表示一个采样值采样值，那么，对话音信号进行PCM编码后所得到的数据传输速率为：v8 bit8000 次采样次采样/秒秒64k b/s2.51Computer Networks2.52Computer Networks2.53Computer Networks2.54Computer Networks2.55Computer Networks2.5

41、6Computer Networks2.57Computer Networks2.58Computer Networks2.59Computer Networks2.60Computer Networks2.61Computer Networks2.62Computer Networks2.63Computer Networks2.64Computer Networks2.3 信道复用技术信道复用技术信道复用信道复用无论是广域网还是局域网，都存在这样一个事实，即传输介质的带宽无论是广域网还是局域网，都存在这样一个事实，即传输介质的带宽大于传输单一信号所需的带宽大于传输单一信号所需的带宽为了有效

42、地利用传输系统，通常采用多路复用（为了有效地利用传输系统，通常采用多路复用（MultiplexingMultiplexing）技术）技术以同时携带多路信号来高效率地使用传输介质以同时携带多路信号来高效率地使用传输介质共享信道信道A1A2B1B2C1C2信道信道A1A2B1B2C1C2复用分用(a) 不使用复用技术(b) 使用复用技术2.65Computer Networks2.3 信道复用技术信道复用技术2.3.1 频分复用、时分复用和统计时分复用频分复用、时分复用和统计时分复用2.3.2 波分复用波分复用2.3.3 码分复用码分复用2.66Computer Networks2.3.1 频分复

43、用、时分复用和统计时分复用频分复用、时分复用和统计时分复用 频分复用频分复用 FDM (Frequency Division Multiplexing)FDM是基于这样的前提：是基于这样的前提：，如果将这几路信号中的每路信号都以不同的载波频率进行调制，而且各路载波频率之间留有一定的间隔以使各路信号带宽不相互重叠，那么这些信号就可同时在介质上传输 例如有线电视2.67Computer Networks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。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。频分复用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，这里的所

44、有用户在同样的时间占用不同的带宽资源（请注意，这里的的“带宽带宽”是频率带宽而不是数据的发送速率）。是频率带宽而不是数据的发送速率）。频率时间频段 1频段 2频段 3频段 4频段 5FDM宏观图示宏观图示2.68Computer Networks音频信号音频信号调制基频调制基频调制后信号调制后信号信号的频分多路复用信号的频分多路复用FDM微观图示（信号叠加）微观图示（信号叠加）每个频道的频率每个频道的频率2.69Computer Networks时分复用时分复用TDM(Time Division Multiplexing)每个信号按每个信号按时间先后时间先后轮流交替地使用轮流交替地使用单一信道

45、单一信道，那么，多个数字信，那么，多个数字信号在宏观上可认为是同时进行传输，对单一信道的交替使用可以号在宏观上可认为是同时进行传输，对单一信道的交替使用可以按按位、字节或块位、字节或块等为单位来进行等为单位来进行 （类似于（类似于CPU的分时）的分时）将时间划分为一段段等长的时分复用帧（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。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）。TDM 信号也称为等时(isochronous)信号。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。2.70Computer Networks多路多路复用复用部

46、件部件通道通道D多路多路复用复用部件部件物理主干物理主干通道通道C通道通道B通道通道AD9 D8 D7 D6C9 C8 C7 C6B9 B8 B7 B6A9 A8 A7 A6D5C5B5A5D4C4B4A4ti+7ti+6ti+5ti+4ti+3ti+2ti+1tiD3 D2 D1 D0C3 C2 C1 C0B3 B2 B1 B0A3 A2 A1 A0帧帧2.71Computer Networks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TDM 帧TDM 帧TDM 帧时分复用时分复用2.72Computer Networks频率时

47、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 帧时分复用时分复用2.73Computer Networks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 帧时分复用时分复用2.74Computer Networks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2.75Computer NetworksTDM的同步和异步的同步和异步同步TDM时间片与输入装置一一对应

48、，即同步如某个时间片对应的输入装置无数据发送，则该时间片空闲（浪费）传输介质的传输速率不能低于各个输入信号的数据速率之和同步TDM可能会造成线路资源的浪费v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。2.76Computer NetworksABCDaabbcdb cattttt4 个时分复用帧#1acbcd时分复用#2#3#4用户2.77Computer Networks异步TDM时间片是按需动态分配的时间片与输入装置之间没有对应关系，任何一个时间片都可以被用于传输任何一路输入信号在传输的数据单元中必须包含地址信息，以便寻址目的节点传

49、输介质的传输速率只要不低于各个输入信号的平均数据速率即可异步TDM又称为统计TDM（STDM）2.78Computer Networks用户ABCDabcdttttt3 个 STDM 帧#1acbab bcacd#2#3统计时分复用统计时分复用统计时分复用 STDM (Statistic TDM)2.79Computer Networks传输介质与信道传输介质与信道传输介质与信道是不同范畴的概念传输介质与信道是不同范畴的概念传输介质是指传输信号的物理载体信道则提供了传输某种信号所需的带宽，着重体现介质的逻辑特性一根传输介质可能同时提供多个信道一根传输介质可能同时提供多个信道一个信道也可能由多根

50、传输介质级联而成一个信道也可能由多根传输介质级联而成2.80Computer Networks 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 2.3.2 波分复用波分复用 WDM(Wavelength Division Multiplexing) 波分复用就是光的频分复用。波分复用就是光的频分复用。 8 2.5 Gb/s131

51、0 nm20 Gb/s复用器分用器EDFA120 km光调制器光解调器EDFA（Erbium Doped Fiber Amplifier）掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器2.81Computer Networks2.3.3 码分复用码分复用 CDM(Code Division Multiplexing) 码分多址码分多址 (Code Division Multiple Access)。每个用户可以每个用户可以CDMA在在同样的时间使用同样的频带同样的时间使用同样的频带进行通信。进行通信。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。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

52、，不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。易被敌人发现。 采用采用CDMA可提高通信的话音质量和数据传输的可靠性，减少干扰对可提高通信的话音质量和数据传输的可靠性，减少干扰对通信的影像，增大通信系统的容量，降低手机的平均发射功率等等。通信的影像，增大通信系统的容量，降低手机的平均发射功率等等。 2.82Computer Networks码片序列码片序列(chip sequence) 每一个比特时间再划分为每一个比特时间再划分为 m 个短的间隔，称为个短的间隔，称为码片码片(chip)。通常m取值为64或128（在后面的原理性说明中，取为8）每个站被指派一个唯

53、一的每个站被指派一个唯一的 m bit 码片序列码片序列(chip sequence) 。如发送比特 1，则发送自己的 m bit 码片序列。如发送比特 0，则发送该码片序列的二进制反码。 例如，S 站的 8 bit 码片序列是 00011011。v发送比特 1 时，就发送序列 00011011，v发送比特 0 时，就发送序列 11100100。为了方便，将码片0写为1 ，将1写为+1S 站的码片序列：(1 1 1 +1 +1 1 +1 +1)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)。在实用的系统中

54、是使用伪随机码序列。2.83Computer Networks码片序列的正交关系码片序列的正交关系令向量令向量 S 表示站表示站 S 的码片向量，令的码片向量，令 T 表示其他任何站的码片向量。表示其他任何站的码片向量。 两个不同站的码片序列正交，就是向量两个不同站的码片序列正交，就是向量 S 和和T 的规格化的规格化内积内积(inner product)都是都是 0： 011miiiTSmTS(2-3)例，例，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)。 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

55、是正交的。 2.84Computer Networks任何一个码片向量和该码片向量自己的规格化内积都是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 。一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是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(111SS2.85Computer NetworksCDMA 的工作原理的工作原理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2.86Computer

56、Networks2.4 交换技术交换技术交换技术；物理媒体中间设备传递数据的技术交换技术；物理媒体中间设备传递数据的技术电路交换电路交换（电话）（电话） 报文交换报文交换（电报）（电报）分组交换分组交换虚电路交换虚电路交换2.87Computer Networks电路交换（电话）电路交换（电话）在数据传输前，必须建立一条端到端的通路，称为在数据传输前，必须建立一条端到端的通路，称为连接连接，该连，该连接可能穿越多个交换局，而每个交换局都必须为之提供连接接可能穿越多个交换局，而每个交换局都必须为之提供连接一旦建立连接，整个通路将被一旦建立连接，整个通路将被独占独占，除信号传播的延时之外，除信号传

57、播的延时之外，数据传输无额外延时，数据中毋需包含目的地址数据传输无额外延时，数据中毋需包含目的地址服务质量好线路的利用率较低建立连接时间长，因连接建立时冲突冲突概率高 2.88Computer Networks报文交换（电报）报文交换（电报）无论数据传输过程要跨越多少个交换结点（通常是路由器），无论数据传输过程要跨越多少个交换结点（通常是路由器），只要下一站不忙，该数据即送至下一站只要下一站不忙，该数据即送至下一站数据的传输数据的传输毋需建立连接毋需建立连接，数据的传输是一站一站往下送，所，数据的传输是一站一站往下送，所以数据中必须包含目的地址，并采用以数据中必须包含目的地址，并采用存储存储-

58、转发（转发（store-forward）机制机制线路的利用率较高由于采用store-forward机制，所以在数据传输过程中，除了信号传播的延时之外，还有存储和转发的延时，而且可能延延时较大，且不可估计时较大，且不可估计拥塞拥塞每个中间站点都必须有足够大的缓存足够大的缓存，但由于报文大小不定报文大小不定，内存无法预留内存无法预留，所以缓存通常设置在硬盘硬盘中（进一步延时）2.89Computer Networks分组交换分组交换与报文交换相似，只是将报文分为若干个与报文交换相似，只是将报文分为若干个定长的分组定长的分组（最大分最大分组长度组长度），每个分组为一个子报文），每个分组为一个子报文可

59、以为分组在内存内存预留空间每个分组中必须包含目的地址，并采用每个分组中必须包含目的地址，并采用存储存储-转发机制转发机制线路的利用率较高由于采用store-forward机制，所以在数据传输过程中，除了信号传播的延时之外，还有存储和转发的延时，而且可能延时较延时较大，且不可估计大，且不可估计每个中间站点必须有缓存缓存，但由于报文大小固定，所以缓存通常在内存内存中设置存储转发的速度较报文交换高接收分组和发送分组的顺序可能不一致接收分组和发送分组的顺序可能不一致 ，因此在接收端需要，因此在接收端需要缓存并且可能还需要缓存并且可能还需要重组重组，进而还原出原始报文，进而还原出原始报文2.90Comp

60、uter Networks报文报文t电路交换电路交换 报文交换报文交换 分组交换分组交换A B C D A B C D A B C D建立建立连接连接阶段阶段报文报文报文报文报文报文分组分组传输传输报文报文阶段阶段2.91Computer Networks电路交换与分组交换电路交换与分组交换计算机网络讨论的是电路交换和分组交换计算机网络讨论的是电路交换和分组交换电路交换电路交换在数据传输前，必须建立端到端的连接一旦某个节点故障，必须重新建立连接连接建立后，数据的传输没有额外的延时连接建立后，数据的传输没有额外的延时数据中不必包含地址域数据按序传输，但信道的使用率较低数据按序传输，但信道的使用率