第2章数据通信及物理层课件

第2章数据通信及物理层.物理层概述是唯一直接传输数据的一层，考虑的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。作用是要尽可能屏蔽掉网络中的物理设备和传输介质种类繁多，通信方式不同带来的差异，使数据链路层感觉不到这些差异的存在。

.研究计算机网络，首先要研究数据通信2.1数据通信.2.1.1基本概念

信号与通信信号：以时间为自变量，以表示消息(或数据)的某个参量(振幅、频率或相位)为因变量。信号按其因变量的取值是否连续可分为模拟信号和数字信号模拟信号：信号的因变量完全随连续消息的变化而变化的信号。模拟信号的自变量可以是连续的，也可以是离散的；但其因变量一定是连续的数字信号：表示消息的因变量是离散的，自变量时间的取值也是离散的信号通信：将表示消息的信号从发送方(信源)传递到接收方(信宿)。既然信号可分为模拟信号和数字信号，与之相对应的，通信也可分为模拟通信和数字通信.tƒ(t)nTx(nT)10011011a)模拟信号 b)数字信号.调制速率：调制速率又称波特速率，也就是信号经调制后的传输速率亦即每秒内调制信号波的变换次数，单位为波特。若一个单位调制信波的长度为T秒，则调制速率为：B＝1／T（秒）（波特）数据信号速率：表示每秒能传输的代码位数，即数据信息的比特数，单位为bit／秒（记作bps）。其定义为：S＝1／Tlog2N（bit/s）式中T是脉冲宽度，N为调制信号波的状态数，即一个脉冲所表示的有效状态，亦即调制电平数，其值为2的整数倍。

二进制（N=2）信号级下，波特速率=比特数率数据传输速率：单位时间内传送的数据量。数据量单位可以是比特、字符、码组等，时间单位可以是秒、分、时等，通常以字/分为单位。当数据单位为比特，时间单位为秒时，数据传输速率即是数据信号速率。正因为如此，将数据信号速率就称为数据传输速率。其基本度量单位为比特每秒（bitpersecond，简写为bps），当数据传输速率较大时，可以采用Kbps、Mbps和Gbps来描述。单位时间内传送的信息量。用三种速率来表示传输速率：.基本概念

模拟通信利用模拟信号来传递消息普通的电话、广播、电视等都属于模拟通信信源调制器信道解调器信宿噪声源信道：用来传输表示消息的电信号的介质或通路。它可以是双绞线、同轴电缆、光缆、微波以及卫星链路等噪声源：包括了影响该系统的所有噪声，如脉冲噪声(工业噪声等)和随机噪声(信道噪声、发送设备噪声、接收设备噪声等).

基本概念

数字通信利用数字信号来传递消息计算机通信、数字电话以及数字电视都属于数字通信信源信源编码器信道编码器调制器信道信道译码器信源译码器信宿解调器噪声源发送端时钟接收端时钟A/D检错纠错编码.信源、信宿和信道

信源与信宿：

通常将数据的发送方称为信源，而将数据的接收方称为信宿。信源和信宿一般是计算机或其它一些数据终端设备。信道：

在信源和信宿之间所建立的用于传送信号的物理通道，被称为物理信道，简称信道。按传输介质的类型来划分，信道被分为有线信道和无线信道；按信道中所传输的信号类型来划分，信道可被分为模拟信道和数字信道。.基本概念

数字通信抗干扰能力强可实现高质量的远距离通信能适应各种通信业务，各种消息（电报、电话、图像和数据等）都可以被变换为统一的二进制数字信号进行传输能实现高保密通信通信设备的集成化和微型化数字通信的最大缺点是占用的频带宽。以电话为例，一路模拟电话占用4KHz信道带宽，而一路数字电话所需要的数据传输率是64Kbps，所需占用的带宽要远远大于4KHz.2.1.2数据通信基础理论

信号的频谱与带宽信号具有时域和频域两种最基本的表现形式和特性时域特性反映信号随时间变化的情况。信号的时域特性表示出信号随时间变化的情况。如正弦信号就可以表示为：

f(t)=ASin(2лft+θ

)

其中：

A：振幅

f：频率

θ：初始相位幅度、频率以及相位是周期信号f(t)的3个重要特性.信号的频谱与带宽傅立叶变换：任何一个周期为T的函数f(t)都是由无穷多个正弦函数和余弦函数合成：其中：.

数据通信基础理论

信号的频谱与带宽频谱：f(t)各次谐波的振幅An按照频率高低依次排列起来所形成的谱状图形绝对带宽：信号频谱所覆盖的频率范围有效带宽(简称带宽)：信号的大部分能量都集中在一个较小的范围之内，这段频带称为带宽信号的带宽越大，利用这种信号传送数据的速率就越高，要求传输介质的带宽也越大常见信号的频谱和带宽：声音信号的频谱大致在20Hz～2000kHz的范围(低于20Hz的信号为次声波，高于2000KHz的信号为超声波)，但用一个窄得多的带宽就能产生可接受话音的重现，因而话音信号的标准频谱为300Hz～3400Hz，其带宽为3kHz。电视信号的频谱为0～4MHz，因此其带宽为4MHz.数据通信基础理论

信道的截止频率与带宽没有任何信道能毫无损耗地通过所有频率分量所有的传输信道和设备对不同的频率分量的衰减程度是不同的截止频率反映了传输介质本身所固有的物理特性通常情况是频率为0到fc赫兹范围内的谐波在信道传输过程中不发生衰减(或其衰减是一个非常小的常量)，而在此

fc频率之上的所有谐波在传输过程中衰减很大截止频率：信号在信道传输过程中某个分量的振幅衰减到原来的0.707(即输出信号的功率降低了一半)时所对应的那个频率称为信道的截止频率(cut-offfrequency).数据通信基础理论

信道的截止频率与带宽在线路中可安装滤波器以限制每个用户使用的带宽截止频率：fc带宽：f2-f1fa)单通滤波器b)双通滤波器ffcf1

f20.7070.707AA.时延（Delay）：信息从网络的一端传送到另一端所需的时间。时延=处理时延+排队时延+发送时延+传播时延处理时延=对数据进行处理和错误校验所需的时间排队时延=数据在中间结点等待转发的延迟时间发送时延=数据位数/信道带宽传播时延=d/s

d:距离，s:介质中信号传播速度(≈0.7c).时延带宽乘积：某一信道所能容纳的比特数。时延带宽乘积=带宽×传播时延例如，某信道的时延带宽乘积为100万比特，这意味着第一个比特到达目的端时，源端已发送了100万比特。信道带宽传播时延管道体积=时延带宽乘积.数据通信基础理论

信道最大数据传输率数据传输率：单位时间内能传输的二进制位数Nyquist(1924)定理：对于无噪声的理想信道，任意连续信号f(t)通过一个带宽为H的信道后，其输出信号为一个带宽为H的时间连续信号g(t)如果要输出数字信号，还必须以一定的速率对g(t)进行等间隔的抽样。抽样速度高于每秒2H次是无意义的，因为信号中高于信道带宽H以外的高频分量已被信道衰减掉。如果g(t)由L个离散化的电平组成，即每次抽样的可能结果为L个离散化电平之一，则该信道的最大的数据传输率C为：

C=2H×log2L(比特/秒)例如，一个无噪声带宽为3000Hz的信道不能传送速率超过6000比特/秒的二进制数字信号.数据通信基础理论

信道最大数据传输率Shannon定理：对于有噪声的信道，带宽为H(Hz)，信噪比为S/N的信道，其最大数据传输率C为：

C=H×log2(1+S/N)(比特/秒)

其中，S表示信号功率，N表示噪声功率信号噪比通常使用10log10S/N来表示，单位是分贝(dB)例如，对于一个带宽为3kHz，信噪比为35dB的信道，无论其使用多少个量化电平，也不管采样速度多快，其数据传输率不可能大于35000比特/秒，计算过程如下：35=10log10(S/N)S/N=103.5=3162Rmax=3000*Blog2(1+S/N)=3000*log2(1+3162) ≈3000*11.63≈34880bps香农定理应用于两个通过电话网络进行通信的模拟调制解调器之间56Kbps的调制解调器只有在与因特网服务商连接时才能达到这么高的速率，它利用了服务商端无须进行模拟数字转换这一事实.数据通信系统模型数据通信系统由信源、信宿和信道三部分组成。信源与信宿又被称为数据终端设备(DataTerminalEquipment)，简称DTE。DTE通常属于资源子网的设备，如资源子网中的计算机、数据输入/输出设备和通信处理机等。

信号变换器又称为数据线路端接设备(DataCircuit-terminatingEquipment)，简称DCE。DCE为DTE提供了入网的连接点，通常被认为是通信子网中的设备。信号转换器通信信道发送信号接收信号信道带宽系统噪声信源信号转换器信宿.数字通信系统和模拟通信系统在数字通信系统中，信号转换器的主要功能是分别在发送端和接收端完成数字数据的编码和解码；在模拟通信系统中，信号转换器的主要功能是分别在发送端和接收端完成数/模（D/A)和模/数(A/D)转换功能。计算机模拟信道计算机发送模拟信号接收模拟信号信道带宽D/A转换A/D转换计算机数字信道计算机发送数字信号接收数字信号信道带宽编/解码器编/解码器.数据通信系统要解决的关键问题信道的选择数据和信号之间的转换信道的构建：传输介质信号传输方式信号传输质量。

.2.１.３

数据编码不同类型的信号在不同类型的信道上传输有4种情况：数据：模拟数据数字数据信号：模拟信号数字信号信道：模拟信道数字信道.模拟传输和数字传输所使用的技术话音移频,调制模拟数字模拟模拟PCM编码数字数字数字编码数字模拟数据，模拟信号数字数据，模拟信号数字数据，数字信号模拟数据，数字信号10101010调制.基带信号在计算机系统中，通常用二进制比特来表示各类数据。矩形脉冲信号是二进制比特的典型表达方式按傅立叶分析，矩形脉冲信号由直流、低频、高频的多个成分组成。在其频谱中，从零开始的能量集中的一段频率范围称为基本频带，简称基带。基频等于脉冲信号的固有频率。与基带对应的数字信号称为基带信号。.矩形脉冲信号的Fourier分析

(图示).基带传输基带传输在数字信道上使用数字信号传输数据时，若将与脉冲信号有关的所有直流、基频、低频和高频分量全部放在数字信道上传输，要占据很大的信道带宽。更合适的作法是将占据脉冲信号大部分能量的基带信号传送出去。这种在数字信道中利用基带信号直接传输的方式被称为基带传输。特点：

抗噪声能力强，成本低，传输速率高信号衰减严重，只能利用有线介质近距离传输基带信号频带宽，传输时要占用整个传输介质的带宽.数字数据编码采用基带信号进行传输适用的是数字通信系统的模型。该系统要解决的关键问题是数字数据的编码和解码问题

在发送端，要解决如何将二进制数据序列通过某种编码（encoding）方式转化为可直接传送的数字信号；在接收端，则要解决如何将收到的数字信号通过解码(Decoding)恢复为与发送端相同的二进制数据序列。三种常见的数字数据编码

不归零（NRZ，Non-ReturntoZero）编码

Manchester编码

差分Manchester编码.NRZ编码规则：以高电平表示逻辑“1”，低电平表示逻辑“0”。特点：由于不能判断位的开始与结束，收发双方不能保持同步，需要用另一个信道同时传送同步信号。.Manchester编码规则：将每比特周期T分为前T/2和后T/2；前T/2传送该比特的反码，后T/2传送该比特的原码。

特点：任何两次电平跳变的时间间隔是T/2或T，提取电平跳变信号可作为收发双方的同步信号，不需要另外的同步信号。又被称为“自含时钟编码”。.

.差分Manchester编码规则:对Manchester编码的改进,保留每比特中间的跳变作同步之用；每比特的值则根据其开始处是否出现电平的跳变来决定，有跳变者为“0”，无跳变者为二进制“1”..频带传输频带传输

由于基带传输的近距离限制，在远距离传输中通常采用模拟信道。利用模拟信道，传输二进制数据的方法称为频带传输。其适用于模拟数据通信系统模型。关键技术问题：

如何将计算机中的数字信号转化为适合模拟信道传输的模拟信号。解决方案

将要传送的数字数据“寄载”在载波上，利用数字数据对载波的某些特性（振幅、频率、相位）进行控制，使载波特性发生了变化，然后将变化了的载波送往线路进行传输。.调制与解调调制(modulation)

：在数据发送端，将数字数据寄载在载波上的过程称为调制。其目的在于将二进制数据变换成能在电话线或其他传输线路上传输的模拟信号。

解调(demodulation)：在接收端，当携带数据信号的载波到达时，将收到的模拟信号重新还原成原来的二进制数据的过程称为解调。Modem=

modulation+demodulation.三种基本调制方法根据调制过程中所采用的载波的特性不同，分为三种基本调制方法：

y=Asin(ωt+φ)

幅移键控（ASK,Amplitude-ShiftKeying）频移键控（FSK,Frequency-ShiftKeying）

相移键控（PSK,Phase-ShiftKeying）.三种基本调制方法（续）幅移键控ASK

：

通过载波信号的振幅变化来表示二进制“0”与“1”；

又称调幅(amplitudemodulation)幅移键控FSK改变载波信号的频率来表示二进制“0”与“1”；

又称调频(frequencymodulation)

相移键控PSK通过改变载波信号的相位值表示二进制“0”和“1”。，又称调相(phasemodulation)按照使用相位的绝对值或相位的相对偏移两大表示分为绝对调相和相对调相；按对一个完整周期的相位的划分方式分为二相制、四相制、八相制等。

..三种调制方式的比较幅移键控：技术简单，抗干扰能力差

频移键控：技术简单，抗干扰能力强

相移键控：技术较复杂，抗干扰能力强，编码效率高目前在网络中广为使用的调制方式是上述三种基本方式的变种。

.最常见的方法是脉冲编码调制PCM（PulseCodeModulation）。模拟数据数字化过程：（1）取样：每隔一定的时间间隔，把模拟信号的值取出来作为样本，以代表原信号（按取样定理，取样频率f1≥2B）。（2）电平量化：决定取样值属于哪个量级。并将其幅度按量化级取整。经过量化后的取样值幅度是离散的整数值，而不是连续值。量化过程应先将信号分为若干个量化级，如分为8级（0.1、0.3、0.5等），规定好每一级对应的幅值范围。量化值是不等分的，PCM编码为非线性技术模拟数据进行数字信号编码..（3）编码：编码是用相应位数的二进制码来表示已经量化的取样值（如量化值0.1的二进制码为0001、量化值0.3的二进制码为0010等）。如果N个量化级，则二进制位的位数应为log2N。如量化级有8个，就需要三位编码。语音数字化系统中，常分为128量级，故需用7位编码。经过编码后，每个取样值就由相应的编码脉冲表示，并将该编码脉冲发送到信道上。如果某样值的编码为0011，则用4个脉冲表示两个幅值为零的脉冲，两个幅值为1的脉冲。.例题：对声音进行数字化时，将声音分成128个量化级，即采用7位二进制编码（log2128=7）。由于采样频率为8KHz，所以数据速率为7×8000=56Kbps。即声音信号的数据传输率要有56Kbps。PCM编码用于彩色电视信号时，由于彩色电视信号带宽为6MHz，故采样频率为12MHz，此时一个样本用10位（1024个量化级）二进制表示，所以数据速率为12M×10=120Mbps。.2.1.4数据通信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。例子：

广播、电视

发送单向通道接收单工通信.数据通信：半双工通信信号可以双向进行，但不可同时进行，一个时间只能有一个方向的传送例子：

对讲机、计算机—终端发送接收双向通道接收发送.数据通信：双工通信信号可以同时进行双向发送例子：计算机—计算机发送接收双向通道接收发送.1.数据传输异步传输(是最早使用也是最简单的一种方法)每次传送一个字符（可由5—8位组成），在传送字符前，设置一个起始位，以示字符信息的开始，接着是字符代码，字符代码后面是一位的校验位，最后设置1~2位的终止位，表示传送的字符结束。.

同步传输：在每个数据块的开始处加一个帧头，而在结束处加一个帧尾，加有帧头和帧尾的数据称为一帧（frame）。在帧头和帧尾之间的每个比特都必须在收发两端保持同步。而帧头和帧尾的特性，取决于传送的数据块是面向字符的还是面向位的。数据传输.位同步：目的是使接收端接收的每一位信息都与发送端保持同步，2种同步方法：外同步——发送端发送数据之前发送同步脉冲信号，接收方用接收到的同步信号来锁定自己的时钟脉冲频率。自同步——通过特殊编码（如曼彻斯特编码），使数据编码信号中包含同步信号，接收方从数据编码信号提取同步信号来锁定自己的时钟脉冲频率。.字符同步：找到正确的字符边界。常用的为起止式（异步式）。在这种方式中，每个字符的传输需要：1个起始位、5～8个数据位、1、1.5或2个停止位采用这种同步方式的通信也称“异步通信”。起止式的优缺点：频率的漂移不会积累，每个字符开始时都会重新获得同步；每两个字符之间的间隔时间不固定；增加了辅助位，所以传输效率低；例如，采用1个起始位、8个数据位、2个停止位时，其传输效率为8/11≈73％起始位数据位停止位字符间隔不固定1个字符时间逻辑“0”逻辑“1”.帧同步：识别一个帧的起始和结束。帧（Frame）：数据链路中的传输单位——包含数据和控制信息的数据块面向字符的——以同步字符（SYN，16H）来标识一个帧的开始，适用于数据为字符类型的帧面向比特的——以特殊位序列（7EH，即01111110）来标识一个帧的开始，适用于任意数据类型的帧帧起始控制信息数据帧结束校验和0–nbit8bit8bit8-32m7EH7EH.2.差错控制技术

（1）差错控制数据通信线路在传输数据时，往往会出现差错。差错控制就是指在数据通信过程中能检测是否出现差错，并采取措施以纠正差错。误码率Pc=错误接收的码元数/接收的总码元数。.（2）差错控制方法

不加差错控制措施，传输的数据是不可靠的。一般都采用抗干扰编码来进行差错控制。其方法基本上有两类：（1）自动请求重发ARQ（AutomaticRequestForRepeat）；（2）前向纠错FEC（ForwardErrorCorrection）。.（3）差错检测码

设计具有检错或纠错能力的检错码（目前在计算机通信网络中最常使用的检错码有奇偶校验码、循环冗余码、正反码、定比码等）。.奇偶校验码

以字符为单位，通过增加冗余位来使得码字中各位1的个数保持为奇数或偶数的编码方法，这是一种检错码。在通信中使用时又有垂直奇偶校验、水平奇偶校验和水平垂直奇偶校验等。例如：7位为信息位，第8位是附加的冗余校验位，以使整个字符代码中1的个数为奇数或偶数，奇数为奇校验，偶数为偶校验。奇（偶）校验方法只能检测出每个字符信息元中的奇（偶）数个错，而不能检测出偶（奇）数个错。.水平奇偶校验：先将数据以适当长度分组，一个码组由若干字符组成，先将各字符依次排列，然后对水平方向的码元（即各字符相差的一位）进行奇偶校验，得到一个校验码组并将其附加到这一组字符后面依次传输。.例如水平偶校验：

位\数字0123456789校验位

b101010101011b200110011000b300001111000b400000000110b511111111110b611111111110b700000000000字符（0~9），在信道中的传输的码元序列是：00001101000110……10011101000000。.循环冗余校验码

CRC（CRC—CyclicRedundancyCode），是最重要的也是目前应用最广泛的一种检错码。循环码组的构成：码组长度为n位，信息码元占k位，校验码元占n-k位。.校验码产生

输入的原始数据长度为k位，它可用k-1阶多项式M(x)表示，G(x)为n-k=r阶校验多项式（或称生成多项式，这是通信双方预先约定好的），则可按下述步骤产生循环冗余校验码：用G(x)的最高次项Xr乘以M(x)，得到M’(x)，即M’(x)=XrM(x)，这就是M(x)将左移r位，形成n位信息；用模2除法进行M’(x)/G(x)，得到余数多项式R(x)，R(x)即为校验码元(CRC)；将R(x)附加在M’(x)后面送往数据电路传输。接收端接收到的信息除以和发送端相同的G(x)，得余数多项式R’(x)，若R’(x)为0则判断为接收正确，若R’(x)不为0，则判为接收错，然后向发送端发出相应信号。

.举例：传输数据为011，即M(x)=x+1；校验码元占4位，G(x)=x4+x3+x2+1解：M’(x)=x4(x+1)=x5+x4M’(x)/G(x)=P(x)+R(x)

（P(x)为商,R(x)为余数，此例中P(x)=xR(x)=x3+x）xx4+x3+x2+1√x5+x4

x5+x4+

x3+xx3+x……R(x)

Q(x)=M’(x)+R(x)=x5+x4+

x3+x=0111010所以发送到线路上的数据为0111010。.2.1.5多路复用技术多路复用：在一条物理线路上建立多条通信信道的技术。意义：多路复用使得在同一传输介质上可传输多个不同信源发出的信号。可充分利用通信线路的传输容量，提高传输介质的利用率。

常用多路复用技术：

频分多路复用（FrequencyDivisionMultiplexing

）时分多路复用（TimeDivisionMultiplexing）波分多路复用（Wave-lengthDivisionMultiplexing）.多路复用系统的结构在输入端，多路复用器将若干个彼此无关的输入信号合并为在一条物理线路上传输的复合信号，从而多个数据源共享同一个传输介质，就像每个数据源都有自己的信道一样。在输出端，则由多路解复用器将复合信号按通道号分离出来。

多路复用器高速通信线路多路复用器.频分多路复用（FDM）工作原理：将线路的带宽划分成若干段较小的带宽来达到多路复用的目的。其前提是任何信号只占据一个宽度有限的频率，而信道可以被利用的频率比一个信号的频率宽得多。

当有多路信号输入时，发送端分别将各路信号调制到各自所分配的频带范围内的载波上，传输到接收端以后，利用接收滤波器再把各路信号区分开来并恢复成原来信号的波形。为了防止相邻两个信号频率覆盖造成干扰，在相邻两个信号的频率段之间通常要留有一定的频率间隔。用途：

主要用于传送模拟信号。.频分多路复用示例.时分多路复用（TDM）工作原理：

将一条物理线路的工作时间划分为若干个时间片（timeslot），按一定规则将这些时间片分配给多路信号，每一路信号在分配给自己的时间片内独占信道进行传输。

用途：

既可用于传输数字信号，也可用于传输模拟信号。典型应用：

T1载波(Carrier)或E1载波(Carrier).同步时分多路复用示例固定时隙的TDM系统又被称作同步TDM。所谓固定时隙指多路复用器将线路的传输时间分为若干个等长的时间隙，多路信号采用轮转方式使用这些时隙，即使在某个时隙内某个信源没有信号发送，该时隙也不能被其他信源所使用。当时分复用系统中的某些信源没有数据要发送或发送的数据量太少时，这种固定时隙的方式会造成很大的带宽浪费。

.统计时分多路复用（STDM）工作原理：将普通时分复用中时间片的固定分配方式为动态分配方式，即若规定时间片内相应的信道无信号发送或信号提前发送完毕，则后续的信道可提前使用自己的时间片。用途：解决带宽的浪费问题，提高信道带宽的利用率。典型应用举例：

ATM（异步传输模式）.统计时分多路复用示例.波分多路复用光纤上进行信道复用的技术；频分多路复用技术在光纤上使用的变种；

通常一路光信号的带宽只有几GHZ，而一根光纤的带宽可达25000GHZ；如何复用？

不同频率或波长的光在经过相同的光折射介质后，其光路将会不同(注：折射率与光的频率或波长有关)。.WDM的原理对于带宽可达25000GHz的光纤来说，目前可以利用的数据传输率可达10

Gbps以上；若采用密集波分多路复用技术，在一根光纤上可以发送8个波长的光波，假设每个波长可以支持10Gbps的数据传输率，则一根光纤所能支持的最大数据传输率可达到80Gbps以上。三棱镜或衍射光栅.码分复用CDM原理：每个用户把发送信号用接收方的地址码序列编码（任意两个地址码序列相互正交）。不同用户发送的信号在接收端被叠加，然后接收者用同样的地址码序列解码。由于地址码的正交性，只有与自己地址码相关的信号才能被检出，由此恢复出原始数据。地址码序列两两相互正交：码序列A、B，应满足

AB=0，AB'=0，AA=1，AA'=-1

其中为内积运算。在无线移动通信中应用广泛。.多路复用方式的选择根据信号特点进行选择：

通常模拟信号持续时间长，但占用的信道带宽通常较小；而数字信号虽然需要占用整个信道带宽，但其作为离散量持续时间很短。故基带传输多采用时分多路复用技术，而在频带传输中则一般采用频分多路复用技术。波分多路复用可视为基于光纤的频分多路复用技术.串行通信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b0b1b2b3b4b5b6b7

接收端串行通信信道.并行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b0b1

b2b3

b4b5b6

b7

发送端b0b1

b2b3

b4b5b6

b7

接收端.串行通信与并行通信的比较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。并行通信需要多个并行信道，实现昂贵。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。.串/并与并/串转换

当计算机通过串行信道相互通信时，在发送方要进行并/串转换，而在接收端要进行串/并转换计算机串行信道计算机并行传输并行传输串行传输并/串转换串/并转换.2.1.6数据交换技术什么是交换？按某种方式动态地分配传输线路资源。例如，电话交换机在用户呼叫时为用户选择一条可用的线路进行接续。用户挂机后则断开该线路，该线路又可分配给其它用户。最初的交换：人工转接交换为什么要采用交换技术？节省线路投资，提高线路利用率。实现交换的方法主要有：电路交换、报文交换和分组交换。.电路交换在通信双方之间建立一条临时专用线路的过程。可以是真正的物理线路，也可以是一个复用信道。特点：数据传输前需要建立一条端到端的通路。——称为“面向连接的”（典型例子：电话）过程：建立连接→通信→释放连接优缺点：建立连接的时间长；一旦建立连接就独占线路，线路利用率低；无纠错机制；建立连接后，传输延迟小。不适用于计算机通信：因为计算机数据具有突发性的特点，真正传输数据的时间不到10%。例如：建立连接的时间为0.5秒，计算机以1Mb/s的速率发送10k字节。线路利用率＝？.电话网络中的电路交换电路交换也能在多路复用信道上实现在物理线路的某个信道上建立连接.报文交换以报文为单位进行“存储-转发”交换的技术。在交换过程中，交换设备将接收到的报文先存储，待信道空闲时再转发出去，一级一级中转，直到目的地。这种数据传输技术称为存储-转发。传输之前不需要建立端到端的连接，仅在相邻结点传输报文时建立结点间的连接。——称为“无连接的”（典型例子：电报）整个报文（Message）作为一个整体一起发送。优缺点：没有建立和拆除连接所需的等待时间；线路利用率高；传输可靠性较高；报文大小不一，造成存储管理复杂；大报文造成存储转发的延时过长，且对存储容量要求较高；出错后整个报文全部重发。比较：下载时若无断点续传功能，一旦出错你会怎样做？.分组交换（包交换）将报文分割成若干个大小相等的分组（Packet）进行存储转发。数据传输前不需要建立一条端到端的通路——也是“无连接的”。有强大的纠错机制、流量控制、拥塞控制和路由选择功能。优缺点：对转发结点的存储要求较低，可以用内存来缓冲分组——速度快；转发延时小——适用于交互式通信；某个分组出错可以仅重发出错的分组——效率高；各分组可通过不同路径传输，容错性好。需要分割报文和重组报文，增加了端站点的负担。分组交换有两种交换方式：数据报方式和虚电路方式.数据报方式（Datagram）各分组独立地确定路由（传输路径）不能保证分组按序到达，所以目的站点需要按分组编号重新排序和组装数据报方式不能保证分组按序到达分组可能通过多个路径穿越网络.虚电路方式（VirtualCircuit）通信前预先建立一条逻辑连接——虚电路虚电路是由其路径上的所有交换机中的路由表定义的类比：铁路系统（旅客/列车:分组，铁路网:网络，火车站:节点）“西安－北京”这条线路可以看成是一条虚路径也需要三个过程：建立－数据传输－拆除建立虚电路时，交换机将预留传输时所需的所有资源虚电路的路由在建立时确定，传输数据时则不再需要数据传输时只需指定虚电路号，分组即可按虚电路的路由穿越网络——“数字管道”提供的是“面向连接”的服务但却没有像电路交换那样始终占用一条端到端的物理通道，只是断续地依次占用传输路径上各个链路段——与铁路系统类比！可以看成是采用了电路交换思想的分组交换能够保证分组按序到达永久虚电路PVC和交换虚电路SVC.分组通过预先建立好的虚电路穿越网络.三种交换方式的事件顺序呼叫请求呼叫应答数据ABCD寻路延迟线路交换分组1分组2分组3ABCD分组交换分组4t报文ABCD排队延迟报文交换.介质与信道的关系传输介质：

泛指计算机网络中用于连接各个计算机的物理媒体，特指用来连接各个通信处理设备的物理介质。包括无线与有线两大类。通信信道：

信道建立在传输介质之上，但包括了传输介质和附属的通信设备。通常，同一传输介质上可提供多条信道，一条信道允许一路信号通过。.2.2传输介质传输介质：

泛指计算机网络中用于连接各个计算机的物理媒体，主要指用来连接各个通信处理设备的物理介质。

类型：有线介质将信号约束在一个物理导体之内，如双绞线、同轴电缆和光纤等，故又被称作有界介质；无线介质如无线电波、红外线、激光等由于不能将信号约束在某个空间范围之内，故又被称为无界介质。性能指标：物理特性、传输特性、地理范围、抗干扰性、价格（包括安装与维护费用）

.1.无屏蔽双绞线(UTP)外观特点：由四对直径在0.4mm至1.4mm之间的铜缆组成。每两条线互绞成一对以抵消相邻线对之间的电磁干扰和减少近端串扰。

阻抗:100ohms.外径:0.43cm

性能特点：信号的最大传输距离：100M传输速率:10M-1000Mbps基于铜介质提供了最快的数据传输速率。易于安装，价格低廉信号衰减大，抗干扰和噪声差。.UTP图示.2.屏蔽双绞线(STP)与无屏蔽双绞线有较多的相同点。如铜缆组成、绞线方式与外观等。阻抗：150Ohm集成了屏蔽与抵消技术，抗干扰性强。价格较无屏蔽双绞线高，安装也较无屏蔽双绞线复杂。.STP图示.双绞线的类别EIA/TIA已颁布了六类(Category,简写为Cat)线缆的标准。其中：Cat1：适用于电话和低速数据通信；Cat2：适用于ISDN及T1/E1，支持16MHz的数据通信；Cat3：适用于10Base-T或100Mbps的100Base-T4，支持达20MHz的数据通信；Cat5：适用于100Mbps的100Base-TX和100Base-T4，支持高达100MHz的数据通信。Cat6：适用于1000Mbps的1000Base-TX，支持高达1000MHz的数据通信。.双绞线的连接标准色彩标记和连接方法：交叉线：交换机-交换机、PC-PC、HUB-HUB(标准端口)直连线：PC/路由器-交换机/HUB、HUB-HUB(级连端口)线对色彩码1白蓝，蓝2白橙，橙3白绿，绿4白棕，棕12345678123456781234567812345678交叉线EIA-568B直连线EIA-568A.3.同轴电缆按传输特性分为两大类：基带同轴电缆(仅用于数字信号传输)和宽带同轴电缆(既可以传输模拟信号，又可以传输数字信号)阻抗：

基带同轴电缆50Ohm/宽带同轴电缆75Ohm基带同轴电缆又分为粗缆和细缆：

粗缆传输距离：500m/

细缆传输距离：185m具有较高的噪声抑制特性，抗干扰能力强。价格居中，安装难度居中(需要接地和端头连接终端匹配负载)。目前已不再推荐使用。.同轴电缆图示.4.光纤基于光的全反射原理制造的光传输介质。在折射率较高的光传输层之外加上折射率较低的包裹层。根据使用的光源和传输模式，分为单模光纤（采用注入式激光二极管ILED为光源）与多模光纤（采用发光二极管LED作为光源）直径：μm

数量级衰减极低，传输距离远(单模：3km，多模：2km

）不受外界电磁波和噪声的干扰，传输质量高，抗干扰能力和保密性能强;数据传输速率高达Gbps数量级；主要用于长距离的数据传输和网络的主干线，或被用于有危险的、高压的或容易泄漏信号的恶劣环境。

.光纤图示.光纤传输原理——光的反射光从折射率高的介质入射到折射率低的介质时会产生折射。折射量取决于两种介质的折射率。当入射角≥临界值时产生全反射，不会泄漏。纤芯-折射率高，玻璃包层-折射率低亮度调制：有光脉冲-1，无光脉冲-0光传输系统：光源、介质、光检测光源：850nm/1300nm/1500nm，发光二极管/激光二极管光检测器：光电二极管PIN/雪崩二极管APD单向传输，双向需两根光纤应用领域：局域网主干、电信网络、服务器连接.多模光纤(MMF)单模光纤(SMF)：光纤的直径接近一个光波波长多束光线以不同的反射角传播激光器包层，折射率低纤芯，折射率高亮度调制光检波器激光器光检波器单束光线沿直线传播.典型的光缆单芯光缆多芯光缆玻璃封套塑料外套玻璃内芯玻璃内芯塑料外套玻璃封套外壳常见规格：纤芯——50um缓变型-MMF62.5um缓变型/增强型-MMF8.3um突变型-SMF

包层——125um.高密度多芯光缆剖面结构芯封套外套加强芯光纤外鞘加强芯光纤束.实际使用以下三种光缆：（1）50um（光纤直径）/125um（色层直径）渐变型多模光纤。（2）62.5um/125um渐变、增强型多模光纤。（3）8.3us/125us突变型单模光纤。光纤三种连接方式：(1)将它们接入连接头并插入光纤插座，连接头要损耗10%到20%的光；(2)将两根小心切割好的光纤的一端放在套管中，然后钳起来，机械接合需要专业人员来完成，光的损失大约10%；(3)两根光纤被融合在一起形成坚实的连接，融合后的光纤除有一点衰减外和单根光纤差不多。.5.无线传输无线传输的信号可以是电磁波的任意形式：

无线电波，微波，红外线等不存在有形的物理介质，如线缆；

常见形式：无线通信微波通信红外通信用途:-移动通信

-无线局域网(WLANs).无线介质（信号在大气或外层空间自由传播）使用电磁波或光波携带信息优缺点：无需物理连接适用于长距离或不便布线的场合易受干扰反射，为障碍物所阻隔主要类型：无线电、地面微波通信卫星红外线.无线电基站与终端之间通信采用无线链路应用领域：移动通信、无线局域网（WLAN）BS基站覆盖的无线电区域BS基站用户计算机和终端.地面微波通过地面站之间接力传送接力站之间距离：50-100km速率：每信道45Mb/s地球地面站之间的直视线路微波传送塔.地球同步卫星与地面站相对固定位置使用3颗卫星即可覆盖全球传输延迟时间长（≈270ms）广播式传输应用领域：电视传输长途电话专用网络广域网35,784公里地球.传输介质的选择传输介质的选择要考虑多种技术和非技术的因素：网络技术（拓朴结构/连接方式）网络的通信流量（传输容量）可靠性和安全性地理和环境因素（介质形式和传输距离）价格（建设与维护成本）.常用传输介质的比较传输介质传输方式速率/工作频带传输距离性能价格应用双绞线宽带基带≤1Gb/s模拟:10km数字:500m较好低模拟/数字信号传输50Ω同轴电缆基带10Mb/s<3km较好较低基带数字信号75Ω同轴电缆宽带≤450MHz100km较好较低模拟电视、数据及音频光纤基带40Gb/s20km以上很好较高远距离高速数据传输微波宽带4-6GHz几百km好中等远程通信卫星宽带1-10GHz18000km很好高远程通信.2.3物理层：问题的引入本章中，我们已经讨论了物理层为了实现原始比特流传送相关的一系列问题，包括物理介质、通信信道及通信方式的选择、数据与信号的转换等。但我们还是遗漏了一个与原始比特流传送直接相关的重要问题那就是信号在传输过程中所发生的一些问题及其解决方法。

.信号传输过程中的问题之一：

信号衰减

信号衰减(attenuation)：用以表示原始比特流的信号能量在传输过程中越来越小，以至在超出一定距离后信号能量再也无法被检测。产生原因包括介质吸收、反射或散射等，所以信号衰减是不可避免的。后果：

信号衰减限制了信号的传输距离，这也就是所有的传输介质都存在最大传输距离限制的内在原因；信号衰减还常常会同时伴随着信号的变形。解决思路：

在物理层采用信号放大和整形的方法来解决信号衰减及其变形问题。.信号传输过程中的问题之二：

噪声

噪声(Noise)是指附加在原始信号之上的所有不期望的信号，有时又被称为干扰。产生原因是多方面的:热噪声：物理线路上的热噪声，由介质中的电子热运动引起，时刻存在，幅度较小，强度与频率无关，但频谱较宽。具有随机性。冲击噪声：外界无线或电磁干扰引起，幅度较大，呈突发性。近端串扰：线路端接点产生的干扰接地噪声：交流供电电路中的非良好接地引发的噪声。信号反射：信号在传输过程中遇到断点时的信号反射。.带来后果：

一旦噪声的能量与信号能量具有一定的可比性时，就会导致信号传输错误，即接收端难以从混杂了较大噪声的信号中提取出正确的数据。衡量：

用信噪比(signalnoiseratio，简写为S/N)来表示噪声对信号的影响程度。信噪比越大，噪声对信号传输质量的影响就越小，减少干扰的最终目的就是为了提高信噪比。解决措施：

在物理层采取抵消与屏蔽、良好的端接、接地技术、阻抗匹配等必要的措施来减少噪声。.关于物理层设备和组件的评论只关注原始比特流的传送，即物理信号的传输。