计算机网络-第2讲-数据通信和物理层

内容简介本课程共分为9讲，主要内容包括：第1讲计算机网络概论第2讲数据通信和物理层第3讲数据链路层第4讲局域网技术第5讲广域网技术第6讲网络层第7讲传输层第8讲应用层第9讲网络安全1/106

北京师范大学BeijingNormalUniversity

2/106

北京师范大学BeijingNormalUniversity第2讲数据通信和物理层计算机网络基础教程第2讲数据通信和物理层本讲基本要求：理解并掌握物理层的基本概念、主要功能和基本特性理解比特率、波特率和信道容量的定义掌握奈奎斯特定理和香农定理掌握常用的数据编码理解电路交换和报文交换的基本原理理解并掌握多路复用技术的原理及实现了解各类传输介质的基本特性了解物理层协议3/106

北京师范大学BeijingNormalUniversity2.1数据通信的基本概念2.2数据通信系统的性能指标2.3信道容量2.4数据传输方式2.5数据编码与数据调制2.6信道复用技术2.7数字传输系统2.8物理层的传输介质2.9物理层的功能、特性与设备2.10习题4/106

北京师范大学BeijingNormalUniversity第2讲数据通信和物理层2.1.1数据通信系统的基本模型2.1.2信息、数据与信号2.1.3模拟与数字2.1.4

DTE和DCE2.1数据通信的基本概念5/106

北京师范大学BeijingNormalUniversity

1、数据通信系统的基本结构

任何一个通信系统都可以看作是由发送设备、传输信道和接收设备三大部分组成。我们把产生和发送信息的一端称为信源，把接收信息的一端称为信宿，把信源传送到信宿的通信线路称为信道。在实际通信系统中，难免受到外界电磁波等噪音源的干扰影响。因此，数据通信系统的基本结构如图2-3所示。图2-3通信系统的基本结构数据+噪音噪音源信源信道信宿发送设备传输信道接收设备2.1.1数据通信系统的基本模型6/106

北京师范大学BeijingNormalUniversity

2、数据通信类型

在数据通信系统中，将传输模拟信号的系统称为模拟通信系统，将传输数字信号的系统称为数字通信系统。

(1)模拟通信系统：普通的电话、广播、电视等信号都属于模拟信号,由模拟信号所构成的通信系统属于模拟通信系统。模拟通信系统通常由信源、调制器、信道、解调器、信宿以及噪音源组成，其基本结构模型如图2-4所示。图2-4模拟通信系统结构信源调制器解调器信宿信道噪音源2.1.1数据通信系统的基本模型7/106

北京师范大学BeijingNormalUniversity

(2)数字通信系统：计算机通信、数字电话以及数字电视等信号都属于数字信号，由数字信号构成的通信系统属于数字通信系统。数字通信系统通常由信源、编码器、信道、解码器、信宿以及噪音源组成，其基本结构模型如图2-5所示。图2-5数字通信系统结构信源编码器解码器信宿信道噪音源由于数字信号不适合远距离传输，所以在传输前将其变为模拟信号。因此，数字通信系统通常由信源、信源编码器、调制器、信道、解调器、信道译码器、信源译码器、信宿、噪音源组成，其结构模型如图2-6所示。2.1.1数据通信系统的基本模型8/106

北京师范大学BeijingNormalUniversity在数字通信系统中，调制器用于将发送端数字信号变换成模拟信号；解调器用于将模拟信号还原成数字信号。我们将具备调制与解调功能的设备称为调制解调器，它在数据通信系统中的连接如图2-7所示。信宿噪音源信道编码器信源译码器信源编码器信源解调器调制器信道信道译码器图2-6数字通信系统结构模型2.1.1数据通信系统的基本模型9/106

北京师范大学BeijingNormalUniversity以上介绍了数据通信技术的基本概念。事实上，无论是实现模拟通信,还是实现数字通信,都涉及到一系列的技术问题，包括数据调制与编码技术、数据传输技术、多路复用技术、数据交换技术、数据传输的差错检测与控制技术等。图2-7调制解调器的功能作用电话线电话交换网计算机Modem电话机Modem电话机计算机电话线2.1.1数据通信系统的基本模型10/106

北京师范大学BeijingNormalUniversity1、信息信息泛指那些通过各种方式传播的、可被感受的声音、文字、图像、符号等所表征的某一特定事物的消息、情报或知识。

2、数据数据是对客观事物的符号表示，在计算机科学中是指所有输入到计算机中并被计算机程序处理的符号的总称。数据分为模拟数据和数字数据两种。

⑴模拟数据：在时间和幅值取值上都是连续变化的,例如声音、语音、视频和动画片等。模拟数据通常用传感器收集。

⑵数字数据：在时间上是离散的,在幅值上是经过量话的,它一般是由0、1构成的二进制代码组成的数字序列。2.1.2信息、数据与信号11/106

北京师范大学BeijingNormalUniversity3、信号信号是数据的具体物理表现形式，它具有确定的物理描述,如电信号、光信号或磁场强度等。信号分为数字信号和模拟信号两种。图2-2模拟信号与数字信号波形ty（a）连续的模拟信号ty（b）离散的数字信号

⑴模拟信号：是一种连续变化的电脉冲序列，例如电话语音信号、电视信号等，它是随时间变化的函数曲线。

⑵数字信号：是离散的不连续的电信号,通常用“高”和“低”电平脉冲序列组成的编码来表示数据。2.1.2信息、数据与信号12/106

北京师范大学BeijingNormalUniversity1、模拟通信模拟通信的优点是直观且容易实现，但存在两个主要缺点：（1）保密性差模拟通信很容易被窃听。只要收到模拟信号，就容易得到通信内容。（2）抗干扰能力弱电信号在沿线路的传输过程中会受到干扰，从而使得通信质量下降。线路越长，噪声的积累也就越多。

2.1.3模拟通信与数字通信13/106

北京师范大学BeijingNormalUniversity2、数字通信（1）数字化传输与交换的优越性①加强了通信的保密性。②提高了抗干扰能力。③可构建综合数字通信网。（2）数字化通信的缺点①占用频带较宽。②技术要求复杂，尤其是同步技术要求精度很高。③进行模/数转换时会带来量化误差。数字信号与模拟信号的区别不在于该信号使用哪个波段（C、KU）进行转发，而在于信号采用何种标准进行传输。2.1.3模拟通信与数字通信14/106

北京师范大学BeijingNormalUniversity1、DTE

DTE英文全称DataTerminalEquipment（数字终端设备），是指一般的终端或者计算机。可能是大、中、小型计算机，也可能是一台只接收数据的打印机。

2、DCEDCE英文全称DataCircuit-terminatingEquipment（数字通信设备），通常指调制解调器，多路复用器或数字设备。3、DTE、DCE的区别DCE一方提供时钟，DTE不提供时钟，但它依靠DCE提供的时钟工作。比如，PC机和MODEM之间的连接。PC机就是一个DTE，MODEM是一个DCE。DTE可以从硬件上区别它的接口为针式，DCE的接口为孔式。2.1.4

DTE和DCE15/106

北京师范大学BeijingNormalUniversity2.2.1数据传输速率2.2.2带宽2.2.3波特率2.2.4时延2.2.5时延带宽积2.2.6利用率2.2.7误码率2.2数据通信系统的性能指标16/106

北京师范大学BeijingNormalUniversity2.2.1数据传输速率1、速率比特（bit）是计算机中数据量的单位，也是信息论中使用的信息量的单位。Bit来源于binarydigit，意思是一个“二进制数字”，因此，一个比特就是二进制数字中的一个1或0。速率即数据率(datarate)或比特率(bitrate)是计算机网络中最重要的一个性能指标。速率的单位是b/s，或kb/s,Mb/s,Gb/s等速率往往是指额定速率或标称速率。17/106

北京师范大学BeijingNormalUniversity【例2-4】脉码调制系统PCM每秒钟测量取样8000次，量化电平为256个，求数据传输率。解：信号周期T＝l／8000，量化电平数N＝256＝28

2.2.1数据传输速率18/106

北京师范大学BeijingNormalUniversity2.2.2带宽“带宽”（bandwidth）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）。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)。19/106

北京师范大学BeijingNormalUniversity2.2.2带宽更常用的带宽单位是千比每秒，即kb/s（103b/s）兆比每秒，即Mb/s（106b/s）吉比每秒，即Gb/s（109b/s）太比每秒，即Tb/s（1012b/s）请注意：在计算机界，K=210=1024M=220,G=230,T=240。20/106

北京师范大学BeijingNormalUniversity2.2.3波特率1、波特率的含义在信息传输通道中，携带数据信息的信号单元叫码元，每秒钟通过信道传输的码元数称为码元传输速率，简称波特率。波特率是指数据信号对载波的调制速率，用单位时间内载波调制状态改变的次数来表示（也就是每秒调制的符号数），其单位是波特（Baud，symbol/s）。2、波特率与比特率的关系比特率=波特率*单个调制状态对应的二进制位数例如，假设数据传送速率为120符号/秒(symbol/s)(也就是波特率为120Baud)，又假设每一个符号为8位(bit)，则其传送的比特率为(120symbol/s)*(8bit/symbol)=960bps。21/106

北京师范大学BeijingNormalUniversity2.2.4时延数据经历的总时延（delay或latency）就是发送时延、传播时延、处理时延和排队时延之和：总时延=发送时延+传播时延+处理时延+处理时延22/106

北京师范大学BeijingNormalUniversity2.2.4时延1011001…发送器队列在链路上产生传播时延结点

B结点

A在发送器产生传输时延(即发送时延)在结点A中产生处理时延和排队时延数据链路四种时延所产生的地方23/106

北京师范大学BeijingNormalUniversity【例2-10】若A、B两台计算机之间的距离为1000km,假设在电缆内信号的传播速度是2×108m/s,试对下列两种链路分别计算发送时延和传播时延。⑴数据块长度为108bit，数据发送速率为1Mbps；⑵数据块长度为1000bit，数据发送速率为1Gbps；解：根据上述计算发送时延公式和计算传播时延公式，分别求出不同链路的不同时延。⑴发送时延＝108bit/(1Mbps)＝100s传播时延＝1000bit/(2×108m/s)＝5ms⑵发送时延＝1000bit/(1Gbps)＝1μs传播时延＝1000km/(2×108m/s)＝5ms通过此例说明，并非信道带宽越宽，数据在信道上跑的速度越快。2.2.4时延24/106

北京师范大学BeijingNormalUniversity2.2.5时延带宽积（传播）时延链路带宽时延带宽积=传播时延带宽链路的时延带宽积又称为以比特为单位的链路长度。时延带宽积25/106

北京师范大学BeijingNormalUniversity2.2.6利用率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。网络利用率则是全网络的信道利用率的加权平均值。信道利用率并非越高越好。26/106

北京师范大学BeijingNormalUniversity2.2.7误码率

数据在数据通信中,如果发送的信号是“1”,而接收到的信号却是“0”,这就是“误码”,也就是发生了一个差错。在一定时间内收到的数字信号中发生差错的比特数与同一时间所收到的数字信号的总比特数之比,就叫做“误码率”，也可以叫做“误比特率”。误码率（BER：biterrorrate）是衡量数据在规定时间内数据传输精确性的指标。误码率=错误码元数/传输总码元数。误比特率=错误比特数/传输总比特数。误码率是最常用的数据通信传输质量指标。它表示数字系统传输质量的式是“在多少位数据中出现一位差错”。举例来说，如果在一万位数据中出现一位差错，即误码率为万分之一，即10E-4。27/106

北京师范大学BeijingNormalUniversity2.3.1奈奎斯特定理2.3.2香农定理2.3信道容量28/106

北京师范大学BeijingNormalUniversity1、奈奎斯特公式奈奎斯特定理（Nyquist'sTheorem）和香农定理（Shannon'sTheorem）是网络传输中的两个基本定理。

1924年，奈奎斯特（Nyquist）推导出在理想低通信道的最高码元传输速率的公式：理想信道的极限信息速率（信道容量）C=B*log2N(bps)。

2、奈奎斯特公式计算举例[例1]带宽为4KHZ,如果有8种不同的物理状态表示数据,信噪比为30dB.那么按奈氏准则计算,计算其最大限制的数据传输速率。答：C=2Wlog2N=2*4K*log28=24Kbps。

2.3.1奈奎斯特定理29/106

北京师范大学BeijingNormalUniversity2、奈奎斯特公式计算举例

【例2-5】对于带宽为6MHz的信道，若用4种不同的状态来表示数据，在不考虑热噪声的情况下，该信道的最大数据传输速率是多少？答：由无热噪声的奈奎斯特公式:C=2Hlog2N=2*6M*log24=24Mbps，即该信道的最大数据传输速率是24Mbps。2.3.1奈奎斯特定理30/106

北京师范大学BeijingNormalUniversity【例2-6】一个无噪音的3000Hz信道传输二进制信号，试问信道容量（可允许的数据传输速率）是多少？解：由于传输的二进制信号是“1”、“0”两个电平,即N=2，W=3000Hz，则信道容量：2、奈奎斯特公式计算举例2.3.1奈奎斯特定理31/106

北京师范大学BeijingNormalUniversity1、香农定理在信号处理和信息理论的相关领域中，通过研究信号在经过一段距离后如何衰减以及一个给定信号能加载多少数据后得到了一个著名的公式，叫做香农（Shannon）定理。香农于1948年在《通信的数学原理》(MathematicalTheoryofCommunication)一文中提出了著名的香农定理。2、香农公式

在有随机热噪声的信道上传输数据信号时，数据传输率Rmax与信道带宽W，信噪比S/N关系为：Rmax=W*log2(1+S/N)它以比特每秒（bps）的形式给出一个链路速度的上限，表示为链路信噪比的一个函数。其中，C是可得到的链路速度，W是链路的带宽，S是平均信号功率,N是平均噪声功率。

2.3.2香农定理32/106

北京师范大学BeijingNormalUniversity3、信噪比信噪比（S/N）通常用分贝（dB）表示，分贝数=10×log10（S/N）。

4、香农定理计算举例【例2-8】一个数字信号通过两种物理状态，经信噪比为20dB的3kHz带宽信道传送，其数据率不会超过多少？

2.3.2香农定理解：按照Shannon定理，已知信噪比电平为20dB，信噪功率比S/N，最大数据传输率为：C=WLog2(1+S/N)=3000×Log2(1+100)=19.88kbit/s

33/106

北京师范大学BeijingNormalUniversity4、香农定理计算举例

[例2-8]已知黑白电视图像大约由３×105个像素组成，设每个像素有10个亮度等级，它们出现的概率是相等的。要求每秒传送30帧图像，为了满意地再现图像，需要信噪比为1000倍（30dB），试求传输此电视信号所需的带宽。

2.3.2香农定理34/106

北京师范大学BeijingNormalUniversity4、香农定理计算举例

[例2-8]答：由于每个像素有10个亮度等级，且等概率，则每个像素包含的信息量为：

log210=3.32bit。每帧有３×10５个像素,每帧的信息量为：3.32×(3×10^5)=9.96×10^5

bit

每秒传送30帧，故信息速率为：

R=9.96×10^5×30=2.99×10^7bit/s

2.3.2香农定理35/106

北京师范大学BeijingNormalUniversity4、香农定理计算举例

2.3.2香农定理由香农公式可知，信道信道容量必须大于或等于R，则所需信道最小的信道容量为：由题可知，S/N＝30dB=103，可求出最小带宽为：传送黑白电视图像信号所需最小带宽为3MHz。36/106

北京师范大学BeijingNormalUniversity例2：已知彩电电视图像由5×10^5个像素组成，设每个像素有64种色彩，每种色彩有16个亮度等级，试计算：（1）每秒传送100个画面所需的信道容量；（2）若接收机的信噪比为30dB，求传送彩色图像所需的带宽。解：(1)每像素信息量I=log2(64×16)=10bit

每幅图信息量I=10×5×10^5=5×10^6bit

信源信息速率r=100×5×10^6=5×10^8bit/s

信道容量Ct≥r=5×10^8bit/s(2)30dB=10lgS/N，故S/N=1000

由Shannon公式: B=Ct/[log2(1+1000)]≈5×10^7=50MHz2.3.2香农定理37/106

北京师范大学BeijingNormalUniversity

例3：设有一个图象要在电话线路中实现传真传输，大约要传输2.25×106个象素，每个象素有12个亮度等级且等概，电话电路带宽3KHz、信噪比30dB，试求在电话线路中传输一张传真图片需要最少时间？解：信息/象素=

信息/每幅图=2.3.2香农定理38/106

北京师范大学BeijingNormalUniversity例4：有一显示器终端联接计算机系统，用一条电话线路连接，电话带宽3000Hz，信噪比为10dB，终端有128个印刷字符，终端输出字符是相互独立且等概的，求最大的字符速率是？解：2.3.2香农定理39/106

北京师范大学BeijingNormalUniversity2.4.1单向传输和双向传输2.4.2并行传输和串行传输2.4.3同步传输和异步传输2.4.4基带传输和频带传输2.4数据传输方式40/106

北京师范大学BeijingNormalUniversity

指传送的信息始终是一个方向传送,没反方向的交互。其信道一般是二线制，一根用于传输数据,另一根用于监测信号。

允许数据在两个方向上传输,但在某一时刻，只允许数据在一个方向上传输,它实际上是一种切换方向的单工通信。

允许数据同时在两个方向上传输,它是两个单工通信方式的结合,它要求发送设备和接收设备都有独立的接收和发送能力。单工数据传输半双工数据传输全双工数据传输数据在通信线路上传输是有方向的，根据信号传送的方向与时间关系，数据通信可分为三种基本工作方式：单工通信、半双工通信与全双工通信。2.4.1单向传输和双向传输41/106

北京师范大学BeijingNormalUniversity

1、串行传输（SerialTransmission）

串行传输是指数据以串行方式，在一条信道上传输。在计算机中，通常是用8位的二进制代码来表示一个字符。在数据通信中，串行传输方式如图2-23所示。接收设备发送设备1234567812387645并行到串行的转换串行到并行的转换图2-23串行传输示意图2.4.2并行传输和串行传输42/106

北京师范大学BeijingNormalUniversity接收设备发送设备12345678校验数据位1数据线

2、并行传输（ParallelTransmission）

并行传输是指数据以成组的方式在多个并行信道上传输。将表示一个字符的8位二进制代码同时通过8条并行的通信信道发送出去，这种工作方式称为并行通信，如图图2-24所示。图2-24并行传输示意图2.4.2并行传输和串行传输43/106

北京师范大学BeijingNormalUniversity

在数据通信系统中，整个计算机通信系统能否正确有效地工作，在相当程度上依赖于是否能很好地实现同步。目前,串行通信的传输按通信约定的格式分为两种，即同步通信方式和异步通信方式。

1、同步传输（Synchronous）

⑴位同步：在数据通信过程中，接收端根据发送端发送数据的起止时间和时钟频率来校正自己的时间基准与时钟频率，这个过程就叫做位同步。实现位同步的方法主要有以下两种：

①外同步法。是在发送端发送一路数据信号的同时，另外发送一路同步时钟信号。接收端根据接收到的同步时钟信号来校正时间基准与时钟频率，实现收发双方的位同步。2.4.3同步传输和异步传输44/106

北京师范大学BeijingNormalUniversity

②内同步法。是从自含时钟编码的发送数据中提取同步时钟的方法，曼彻斯特编码与差分曼彻斯特编码都是自含时钟的编码方法。

⑵字符同步：为保证收发双方正确传输字符,将字符以组为单位传送，在每组字符之前加上一个用于同步控制的同步字符SYN，数据结束后加上后同步信号，接收端根据SYN与后同步信号确定数据字符的起始与终止。同步传输方式如图2-25所示。图2-25同步传输方式示意图1011010101101100...11110101101101000111111001111110同步字节数据帧同步字节2.4.3同步传输和异步传输45/106

北京师范大学BeijingNormalUniversity2.异步传输（asynchronous）

异步传输一次只传输一个字符,每个字符用一位起始位引导、一位停止位结束。起始位为“0”,占一位;停止位为“1”,占1-2位。在没有数据发送时发送方可发送连续的停止位，接收方根据“1”至“0”的跳变来判别一个新字符的开始,然后接收字符中的所有位。异步传输方式如图2-26所示。11011010101001101100100010110101101100数据传输方向停止位数据位起始位图2-26同步传输方式示意图2.4.3同步传输和异步传输46/106

北京师范大学BeijingNormalUniversity1.基带传输

基带传输是一种不搬移基带信号频谱的传输方式。未对载波调制的待传信号称为基带信号，它所占的频带称为基带，基带的高限频率与低限频率之比通常远大于1。基带传输广泛用于音频电缆和同轴电缆等传送数字电话信号,同时,在数据传输方面的应用也日益扩大。2.4.4基带传输和频带传输47/106

北京师范大学BeijingNormalUniversity2.频带传输

频带传输是在计算机网络系统的远程通信中把数字信息调制成模拟音频信号后再发送和传输，到达接收端时再把音频信号解调成原来的数字信号的传输技术。它是一种利用调制器对传输信号进行频率交换的传输方式，信号调制的目的是为了更好地适应信号传输通道的频率特性，传输信号经过调制处理也能克服基带传输同频带过宽的缺点，提高线路的利用率，一举两得。但是调制后的信号在接收端要解调还原，所以传输的收发端需要专门的信号频率变换设备，传输设备费用相应增加。远距离通信信道多为模拟信道。2.4.4基带传输和频带传输例如，传统的电话（电话信道）只适用于传输音频范围（300-3400Hz）的模拟信号，不适用于直接传输频带很宽、但能量集中在低频段的数字基带信号。48/106

北京师范大学BeijingNormalUniversity2.频带传输

频带传输就是先将基带信号变换（调制）成便于在模拟信道中传输的、具有较高频率范围的模拟信号（称为频带信号），再将这种频带信号在模拟信道中传输。在采用频带传输方式时要求收发两端都安装解制解调器（Modem）。利用频带传输不仅解决了数字信号可利用电话系统传输的问题，而且可以实现多路复用，以提高传输信道的利用率。计算机网络的远距离通信时经常借助于电话系统通常采用的是频带传输。2.4.4基带传输和频带传输49/106

北京师范大学BeijingNormalUniversity2.5数据调制与编码

在计算机中的数据是用二进制0、1比特序列表示的，在物理上是用低电平和高电平来呈现的。由于在线路上传输的数据有模拟数据和数字数据，因而数据传输的通信信道有模拟信道与数字信道之分。为了便于不同数据在不同的信道中传输（适应不同的传输特性),在数据送入信道之前必须对其进行调制和编码。在通信系统中,数据的调制和编码可分为4种基本形式：数字数据的模拟调制12模拟数据的模拟调制3数字数据的数字编码模拟数据的数字编码450/106

北京师范大学BeijingNormalUniversity2.2.1数字数据的模拟调制图2-10数字数据的调制原理示意图

数字数据的调制基于调幅、调频、调相3种调制技术，分别称为振幅键控、移频键控和移相键控。图2-10显示了对数字数据“010010”进行不同调制方法的波形。51/106

北京师范大学BeijingNormalUniversity其数学表达式为：2、移频键控（Frequency-ShiftKeying，FSK）

移频键控方法是通过改变载波信号角频率来表示数字信号1、0。例如，我们可以用角频率ω1t表示数字l，用角频率ω2t表示数字0。FSK信号波形如图2-10（b）所示。u(t)＝Um•sin（ω1t＋φ）数字10数字0u(t)＝振幅键控ASK信号实现容易,技术简单,但抗干扰能力较差。2.2.1数字数据的模拟调制

1、振幅键控（Amplitude-ShiftKeying，ASK）

振幅键控是通过改变载波信号振幅来表示数字信号1、0。例如，我们可以用载波幅度Um表示数字1，用载波幅度0表示数字0。ASK信号波形如图2-10（a）所示。52/106

北京师范大学BeijingNormalUniversity

由于移频键控FSK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。

3、移相键控（Phase-ShiftKeying，PSK）

移相键控方法是通过改变载波信号的相位值来表示数字信号1、0。如果用相位的绝对值表示数字信号1、0，则称为绝对调相。如果用相位的相对偏移值表示数字信号1、0，则称为相对调相。Um•sin（ω2t＋φ）

数字0Um•sin（ω1t＋φ）

数字1u(t)＝2.2.1数字数据的模拟调制其数学表达式为：53/106

北京师范大学BeijingNormalUniversityUm•sin（ωt＋0）

数字1

接收端可以通过检测载波相位的方法来确定它所表示的数字信号值。绝对调相波形如图2-10（c）所示。Um•sin（ωt＋π）

数字0u(t)＝

⑵相对调相（DifferentialPSK）：是用载波在两位数字信号的交接处产生的相位偏移来表示载波数字信号。最简单的相对调相方法是：两比特信号交接处遇0，载波信号相位不变；两比特信号交接处遇1，载波信号相位偏移π。相对调相波形如图2-10（d）所示。2.2.1数字数据的模拟调制

⑴绝对调相（AbsolutePSK）：在载波信号u(t)中,φ为载波信号的相位。当表示数字1时,取φ＝0；当表示数字0时,取φ＝π。这种最简单的绝对调相方法可以用下式表示：54/106

北京师范大学BeijingNormalUniversity2.2.1数字数据的模拟调制

4、多相调制（MultiplePhaseModulation，MPM）在模拟数据通信中，为了提高数据传输速率，人们常采用多相调制方法，将待发送的数字信号按两个比特一组的方式组织，两位二进制比特可以有4种组合，即

00、01、10、11每组是一个双比特码元，我们可以用4个不同的相位值去表示这4组双比特码元。那么，在调相信号传输过程中，相位每改变一次，传送两个二进制比特。我们把这种调相方法称为4相调制。同理，如果将发送的数据每3个比特组成一个3比特码元组，3位二进制数共有八种组合，那么对应可以用八种不同的相位值去表示，我们把这种调相方法称为八相调制。55/106

北京师范大学BeijingNormalUniversity其数学表达式为：

Um•sin（ω1t＋φ）数字1

2、移频键控（Frequency-ShiftKeying，FSK）

移频键控方法是通过改变载波信号角频率来表示数字信号1、0。例如，我们可以用角频率ω1t表示数字l，用角频率ω2t表示数字0。FSK信号波形如图2-10（b）所示。0数字0u(t)＝振幅键控ASK信号实现容易,技术简单,但抗干扰能力较差。

2.2.1数字数据的模拟调制

1、振幅键控（Amplitude-ShiftKeying，ASK）

振幅键控是通过改变载波信号振幅来表示数字信号1、0。例如，我们可以用载波幅度Um表示数字1，用载波幅度0表示数字0。ASK信号波形如图2-10（a）所示。56/106

北京师范大学BeijingNormalUniversity基带传输信号高频载波信号(a)振幅调制(b)频率调制(c)相位调制图2-11模拟信号的模拟凋制2.2.2模拟数据的模拟调制对模拟数据进行模拟调制的目的：其一是将低频信号搬迁到较高的频带进行传输；其二是将模拟信号放大；其三是通过调制可以使用频分多路复用技术。模拟数据调制可通过调幅、调频和调相3种方法来实现，如图2-11所示。57/106

北京师范大学BeijingNormalUniversity2.2.2模拟数据的模拟调制

1、振幅调制（Amplitudemodulation，AM）振幅调制是以原来的模拟数据为调制信号对载波的幅值按调制信号的幅值进行调制，调制后载波信号的频率和相位不变,幅值随调制信号的幅值变化而变化,如图2-11(a)所示。

2、频率调制（Frequencymodulation，FM）频率调制是以原来的模拟数据为调制信号,对载波的频率按调制信号的频率进行调制,调制后载波信号的相位和幅值不变，频率随调制信号的幅值变化而变化，如图2-11(b)所示。

3、相位调制（Phasemodulation，PM）相位调制是以原来的模拟数据为调制信号,对载波的相位按调制信号的相位进行调制，调制后载波信号的频率和幅值不变,相位随调制信号的幅值变化而变化,如图2-11(c)所示。58/106

北京师范大学BeijingNormalUniversity2.2.3数字数据的数字编码数字数据的数字编码就是如何把数字数据用物理信号的波形表示，是用高低电平的不同组合来表示二进制的方法。常用的编码方式主要有3种：不归零编码、曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码。

1、不归零码（Non-ReturntoZero，NRZ）

不归零码是一种全宽码，即信号波形在一个码元全部时间内发出或不发出电流，每一位码占全部码元的宽度。不归零码可分为单极性和双极性两种：

⑴单极性不归零码(SinglePolarityNRZ)：是以无电压（无电流）表示“0”，而用恒定的正电压表示“1”。

⑵双极性不归零码(DoublePolarityNRZ)：是以负电压表示“0”，而用恒定的正电压表示“1”。以上反之亦然，即负电压表示“1”，正电压表示“0”。

59/106

北京师范大学BeijingNormalUniversity

01101001tO曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码

01101001tO2.2.3数字数据的数字编码

2、曼彻斯特编码曼彻斯特编码是目前应用最广泛的编码方法之一。其编码规则是：每个比特的周期T分为前T/2与后T/2两部分；通过前T/2传送该比特的反码，通过后T/2传送该比特的原码。

3、差分曼彻斯特编码

是对曼彻斯特编码的改进,它将时钟和数据包含在信号中,在传输代码信息的同时将时钟同步信号一起传输到对方，所以都属于自同步编码，其数据传输速率只有调制速率的1/2。

60/106

北京师范大学BeijingNormalUniversity模拟信号PAM信号PAM信号数字信号图2-13PCM脉冲编码调制过程示意图采样速率8000t/s指定数值给对应的PAM信号将量化值进行编码2.2.4模拟数据的数字编码模拟数据的数字编码是把模拟数据转换为数字信号的编码方法。由于数字信号传输失真小、误码率低、传输速率高、便于计算机存储，所以将模拟数据数字化已成为必然趋势。模拟数据数字编码的最常用方法是脉冲编码调制（PulseCodeModulation，PCM),PCM的工作过程包括3个步骤：采样、量化与编码，其相应的波形信号如图2-13所示。61/106

北京师范大学BeijingNormalUniversity2.2.4模拟数据的数字编码

1、采样（Sampling）

采样是模拟信号数字化的第一步。模拟信号是电平连续变化的信号,采样是隔一定的时间间隔,将模拟信号的电平幅度值取出来作为样本,让其表示原来的信号。采样频率f应为：f≥2B

或f＝l／T≥2·f式中：B为通信信道带宽；T为采样周期；f为信道允许通过的信号最高频率。

2、量化（Quantizing）量化是将采样样本幅度按量化级决定取值的过程，经量化后的样本幅度为离散的量化级值已不是连续值。量化的目的是为每一个PAM信号设定一个信号值。62/106

北京师范大学BeijingNormalUniversity2.2.4模拟数据的数字编码量化之前要将信号分为若干量化级,同时,要规定好每一级对应的幅度范围。若量化范围在0～127,则每个采样用7位二进制(27＝128)来表示,量化速率需要56000bps(8000×7)；若量化的范围在0～255,则每个采样用8位二进制（28＝256）来表示，量化速率需要64000bps（8000×8）。3、编码（Encoding）

编码是用相应位数的二进制代码表示量化后的采样样本的量级。为了能精确地还原成原来的模拟信号，量化值编码在传送数字至数模转换器时，其速率必须和采样时一样。经过转换后，信号才会和原来模拟信号波形接近。【例2-2】声音的带宽为4000Hz，采用频率为8000次/s，用8位二进制编码，则信道的数据传输速率为：8×8000＝64000bps＝64kbps。

63/106

北京师范大学BeijingNormalUniversity多路复用器多路复用器一条传输线路传输多路信号计算机计算机图2-30多路复用基本原理示意图传输信号要求的带宽与传输介质允许通过的带宽是不一样的，为了节省开销，应当充分利用传输介质的带宽。在一条介质上同时传送多于一路以上信号的传输方式，叫做该介质的多路复用。多路复用传输技术的基本原理如图2-30所示。2.6信道复用技术64/106

北京师范大学BeijingNormalUniversity2.6.1频分多路复用2.6.2时分多路复用2.6.3波分多路复用2.6.4码分多路复用2.6信道复用技术65/106

北京师范大学BeijingNormalUniversity图2-31频分多路复用原理示意图信道（1）f1信道（2）f2信道（3）f3信道（4）f4信道（5）f5信道（6）f6多路复用器多路复用器源1源2源3源4源5源6目标1目标2目标3目标4目标5目标6信道带宽Bm警戒频带Bg2.6.1频分多路复用

1、频分多路复用的概念

在物理信道的可用带宽超过单个原始信号所需带宽情况下，可将该物理信道的总带宽分割成若干个与传输单个信号带宽相同的子信道，每个子信道传输一路信号，这就是频分多路复用。频分多路复用的基本工作原理如图2-31所示。66/106

北京师范大学BeijingNormalUniversity图2-32频分多路技术实现示意图104～108kHz108kHz0～4Hz60～64kHz64kHz0～4Hz100～104kHz104kHz0～4Hz0～4Hz108kHz104～108kHz0～4Hz104kHz100～104kHz电话机1电话机n电话机20～4Hz64kHz60～64kHz低通调制器带通多路复用器低通调制器带通调制器带通低通带通调制器低通带通调制器低通调制器低通带通多路复用器2.6.1频分多路复用

2、频分多路复用的技术实现

频分多路复用主要用于电话模拟信号的传输。频分多路复用技术用于模拟信号的频分传输，主要用于电话和电视系统。一根CATV电缆的带宽大约是500MHz，可传送80个频道的电视节目。每个频道6MHz的带宽中又进一步划分为声音子通道、视频子通道以及彩色子通道，并留有警戒频带。67/106

北京师范大学BeijingNormalUniversity2.6.2时分多路复用

1、时分多路复用的概念时分多路复用（TDM）是将一条物理信道的传输时间划分为若干个时间片，每个用户分得一个时间片，在其占有的时间片内用户使用通信信道的全部带宽。如果与FDM相比较,由于FDM是以信道频带作为分割对象,通过为多个信道分配互不重叠的频率范围的方法来实现多路复用，因此频分多路复用更适于模拟数据信号的传输，而TDM则以信道传输时间作为分割对象，通过为多个信道分配互不重叠的时间片的方法来实现多路复用，因此更适合于数字数据信号的传输。

2、时分多路复用的实现时分多路复用在技术实现上，可分为同步时分多路复用和异步时分多路复用两种方式。68/106

北京师范大学BeijingNormalUniversity要接收的数据AAAABBCDDDBCDABDADAAAAAABBCDDD复用器解复器要发送的数据时隙浪费,信道资源利用率底一个周期的数据块(帧)在不同时刻，开关切换到不同的输入设备2.6.2时分多路复用

(1)同步时分：指发送端的多台计算机通过一条线路向接收端发送数据时进行分时处理，它们以固定的时隙进行分配。

(2)异步时分：又被称为统计时分复用技术，它能动态地按需分配时隙，以避免每个时隙段中出现空闲时隙。异步时分在分配时隙时是不固定的，而是只给想发送数据的发送端分配其时隙段，当用户暂停发送数据时，则不给它分配时隙。69/106

北京师范大学BeijingNormalUniversity图2-34波分多路复用原理2.6.3波分多路复用

1、波分多路复用（WDM）

采用的是波长分隔多路复用技术,在同一传输信道内传输多路不同波长的光信号。WDM和FDM基本上都基于相同原理,所不同的是WDM应用于光纤信道上的光波传输过程,而FDM应用于电模拟传输。波分多路复用原理如图2-34所示。70/106

北京师范大学BeijingNormalUniversity图2-35密集波分多路复用原理示意图复用器012345671550nm1551mn1552nm1553nm1554nm1555nm1556nm1557nm1550nm1551mn1552nm1553nm1554nm1555nm1556nm1557nm0123456720GbpsEDFA120km分用器2.6.3波分多路复用

2、密集波分多路复用密集波分多路复用(DWDM)是在WDM上发展起来的。最初，在一根光纤上只能传送两路光波信号，CIENA首先推出了16路信道系统，现在已能做到在一根光纤上复用80路甚至更多路数的光载波信号。

DWDM的工作原理如图2-35所示。

71/106

北京师范大学BeijingNormalUniversity1、码分多路复用的概念码分多路复用(CDM)是一种用于移动通信系统的新技术,笔记本电脑和掌上电脑等移动性计算机的连网通信将会大量使用码分多路复用技术。在CDM系统中,所有用户占用相同的带宽，使用同一频率同时发送或接收信号，各个用户的信号用各自不同的地址码序列来区分。2、码分多路复用的基本原理

CDM的理论基础是微波扩频通信，利用扩频通信中不同码型的扩频码之间的相关性，为每个用户分配一个扩频编码，以区别不同的用户信号,发送端可用不同的扩频编码分别向不同的接收端发送数据，接收端用不同的扩频编码进行解码,就可得到不同发送端送来的数据，实现多址通信。2.6.4码分多路复用72/106

北京师范大学BeijingNormalUniversity图2-36直接扩频CDM的卫星通信系统接收端基础调制多路调制…信码输出载波产生器伪码产生器∑信源上变频本地码产生器下变频带通积分判决同步/载波IBDDBKJHGFEAC其它地址信号多路解调基础解调发送端卫星转发器2.6.4码分多路复用3、码分多路复用的实现

CDM是建立在波分多路复用的基础上,既利用了一个波长不同的信道，又可使不同的用户共享一个信道，但不同用户具有不同的正交码形，互不重叠，其实现技术如图2-36所示。

73/106

北京师范大学BeijingNormalUniversity2.7.1准同步数字系列2.7.2同步光纤网和同步数字系列2.7数字传输系统74/106

北京师范大学BeijingNormalUniversity准同步数字系列（PlesiochronousDigitalHierarchy，PDH）是数字传输系统中两种数字传输系列之一。CCITT推荐了两类PDH，即北美的24路PCM（简称为T1）和欧洲的30/31/32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。2.7.1准同步数字系列75/106

北京师范大学BeijingNormalUniversity2.7.2同步光纤网和同步数字系列76/106

北京师范大学BeijingNormalUniversity旧的数字传输系统存在着许多缺点。其中最主要的是以下两个方面：速率标准不统一。如果不对高次群的数字传输速率进行标准化，国际范围的高速数据传输就很难实现。

不是同步传输。在过去相当长的时间，为了节约经费，各国的数字网主要是采用准同步方式。

同步光纤网SONET同步光纤网

SONET(SynchronousOpticalNetwork)的各级时钟都来自一个非常精确的主时钟。第1级同步传送信号

STS-1(SynchronousTransportSignal)的传输速率是51.84Mb/s。光信号则称为第1级光载波

OC-1，OC表示OpticalCarrier。77/106

北京师范大学BeijingNormalUniversity

同步数字系列

SDHITU-T以美国标准SONET为基础，制订出国际标准同步数字系列

SDH(SynchronousDigitalHierarchy)。一般可认为SDH与SONET是同义词。SDH的基本速率为155.52Mb/s，称为第1级同步传递模块

(SynchronousTransferModule)，即STM-1，相当于SONET体系中的OC-3速率。78/106

北京师范大学BeijingNormalUniversity线路速率(Mb/s)SONET符号ITU-T符号表示线路速率的常用近似值51.840OC-1/STS-1155.520OC-3/STS-3STM-1155Mb/s466.560OC-9/STS-9STM-3622.080OC-12/STS-12STM-4622Mb/s933.120OC-18/STS-18STM-61244.160OC-24/STS-24STM-82488.320OC-48/STS-48STM-162.5Gb/s4976.640OC-96/STS-96STM-329953.280OC-192/STS-192STM-6410Gb/s39813.120OC-768/STS-768STM-25640Gb/sSONET的OC级/STS级与SDH的STM级的对应关系79/106

北京师范大学BeijingNormalUniversitySONET的体系结构光子层路径层线路层段层线路(line)光子层路径层线路层段层光子层线路层段层光子层段层光子层线路层段层光子层段层SDH终端SDH终端复用器或分用器复用器或分用器转发器转发器段段段路径(path)(section)(section)(section)80/106

北京师范大学BeijingNormalUniversitySONET标准定义了四个光接口层光子层(PhotonicLayer)处理跨越光缆的比特传送。段层(SectionLayer)在光缆上传送STS-N帧。线路层(LineLayer)负责路径层的同步和复用。路径层(PathLayer)处理路径端接设备PTE(PathTerminatingElement)之间的业务的传输。

81/106

北京师范大学BeijingNormalUniversity2.8.1导向传输介质2.8.2非导向传输介质2.8物理层的传输介质82/106

北京师范大学BeijingNormalUniversity无线电微波红外线可见光紫外线X射线射线双绞线同轴电缆卫星地面微波

调幅无线电

调频无线电

海事无线电光纤电视(Hz)f(Hz)fLFMFHFVHFUHFSHFEHFTHF波段104105106107108109101010111012101310141015101610010210410610810101012101410161018102010221024

移动无线电电信领域使用的电磁波的频谱2.8物理层的传输介质83/106

北京师范大学BeijingNormalUniversity双绞线屏蔽双绞线STP(ShieldedTwistedPair)无屏蔽双绞线UTP(UnshieldedTwistedPair)

同轴电缆50

同轴电缆75

同轴电缆光缆2.8.1导向传输介质84/106

北京师范大学BeijingNormalUniversity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同轴电缆各种电缆2.8.1导向传输介质85/106

北京师范大学BeijingNormalUniversity

1、同轴电缆（CoaxialCable）

同轴电缆是局域网中最早使用而且应用十分广泛的传输介质，可以通过专用的中同轴电缆(俗称粗缆)或小同轴电缆(俗称细缆)来组网，并广泛应用于局域网中。同轴电缆由内导体、绝缘层、屏蔽层及外部保护层组成，其结构如图2-14所示。保护层、屏蔽层、绝缘层、导体图2-14同轴电缆结构示意图同轴电缆的最大优点是抗干扰性强,而且支持多点连接。缺点是物理可靠性不好，所以现在基本上已被双绞线所替代。2.8.1导向传输介质86/106

北京师范大学BeijingNormalUniversity

2、双绞线（TwistedPair）

双绞线的物理结构是由按规则螺旋结构排列的2根、4根或8根绝缘导线组成。一对线可以作为一条通信线路，各个线对螺旋排列的目的是为了使各线对之间的电磁干扰最小。双绞线是模拟和数字数据通信最普通的传输媒体，它的主要应用范围是电话系统中的模拟话音传输，最适合于较短距离的信息传输，当超过几千米时信号因衰减可能会产生畸变，这时就要使用中继器（Repeater）来放大信号和再生波形。双绞线的价格在传输媒体中是最便宜的，并且安装简单，所以得到广泛的使用。在局域网中一般也采用双绞线作为传输媒体。双绞线可分为非屏蔽双绞线UTP（UnshieldedTwistedPair）和屏蔽双绞线STP（ShieldedTwistedPair）。2.8.1导向传输介质87/106

北京师范大学BeijingNormalUniversity单模光纤多模光纤2.8.1导向传输介质3、光纤（Fiber）

光纤是光导纤维（FiberOptics）的简称，采用光导纤维作为传输介质，是网络传输介质领域中发展最快、性能最好、应用前途最广泛的一种。光纤分为单模（8.3/125um）和多模（50/125um，62.5/125um）两种。88/106

北京师范大学BeijingNormalUniversity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2.8.1导向传输介质89/106

北京师范大学BeijingNormalUniversity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2.8.1导向传输介质90/106

北京师范大学BeijingNormalUniversity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2.8.1导向传输介质91/106

北京师范大学BeijingNormalUniversity名称传输介质最大段长度每段节点数10Base5粗同轴电缆500米10010Base2细同轴电缆185米3010Base-TUTP100米102410Base-F光纤2000米1024100Base-T4UTP100米100Base-TXUTP100米100Base-FX光纤2000米1000Base-SX光纤550米1000Base-LX光纤5000米1000Base-CXSTP25米1000Base-TUTP100米2.8.1导向传输介质无线传输所使用的频段很广。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。微波在空间主要是直线传播。地面微波接力通信卫星通信

2.8.2非导向传输介质93/106

北京师范大学BeijingNormalUniversity地球视线传输视线传输微波中继站图2-19地面微波接力通信2.8.2非导向传输介质

1、微波通信（MicrowaveCommunication）

微波在空间主要是直线传播，并且能穿透电离层进入宇宙空间,其传播距离受到限制且与天线的高度有关,一般只有50km左右,长途通信时必须建立多个中继站,中继站把前一站发来的信号经过放大后再发往下一站,类似于“接力”,所以又把微波通信称为数字微波接力通信。如果中继站采用100m高的天线塔，则接力距离