计网第2章-数据通信基础(物理层)

第2章数据通信基础本章主要内容：2.1物理层的基本概念2.2数据通信的基础知识2.3传输介质及其主要特性2.4数据编码技术2.5脉冲编码调制技术(PCM)2.6调制解调器的基本工作原理2.7数据通信方式2.8多路复用技术2.9差错控制方法2.10数字传输系统2.11宽带接入技术

2.1物理层的基本概念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：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。电气特性指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。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。过程特性指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。2.2数据通信的基础知识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机几个术语数据(data)——运送消息的实体。信号(signal)——数据的电气的或电磁的表现。“模拟的”(analogous)——代表消息的参数的取值是连续的。“数字的”(digital)——代表消息的参数的取值是离散的。码元(code)——在使用时间域（或简称为时域）的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形。

模拟信号与数字信号波形

信道带宽模拟信道的带宽：是信道能通过的最低频率，是信道能通过的最高频率，均是由信道的物理特性决定的。例如：CATV电缆的带宽为600MHz或1000MHz。

信号Hz数字信道的带宽决定了信道中能不失真地传输地脉冲序列地最高速率。码元、码元速率（波特率）、尼奎斯特定理、数据速率、香农定理＊码元：一个数字脉冲；＊码元速率：单位时间内通过信道传输的码元个数；B=1/T，T为信号码元宽度，单位：波特（Baud）

数据通信的基础知识＊尼奎斯特定理：早在1924年，贝尔实验室的研究员亨利.尼奎斯特（HarryNyquist)推导出有限带宽无噪声信道的极限波特率为：B=2W(Baud)数据数率R：单位时间内在信道上传送的信息量（比特数）码元携带的信息量n（比特）与码元的种类N的关系：

若码元取两个离散值，则一个码元携带1比特（bit）信息，若取4个离散值则一个码元携带2比特信息。

数据通信的基础知识数据速率数据速率和波特率是两个不同的概念，当码元取两个离散值时两者才相等。香农定理有噪声信道的极限数据数率为：香农定理W为信道带宽，S为信号的平均功率，N为噪声平均功率，S/N称为信噪比，实际中S与N的比值太大，常取为分贝，因此，数字信道的带宽为信道能够达到最大数据数率，例如：以太网的带宽为10Mb/s或100Mb/s。

常用的数据传输速率单位有：Kbps、Mbps、Gbps与Tb/s，其中：1Kbps=1×103bps，1Mbps=1×106bps1Gbps=1×109bps，1Tbps=1×1012bps误码率：传输二进制位出现差错的概率Ne为出错的位数，N为传送的总位数

2.3传输介质及其主要特性传输介质的主要类型双绞线同轴电缆光纤电缆无线与卫星通信信道介质（MediaorMedium）网络的介质是一种数据从中传输的材料，是通信网络中发送方和接收方之间的物理通路。常用的介质有线介质和无线介质两种：有线介质：电话线、双绞线、同轴电缆、光导纤维等。无线介质：卫星、微波、IR、RF、激光等。另外，还有大气，携带waves、micorwaves微波和光。介质又称网线、传输线、通信信道等，其传输能力的衡量标准是带宽(Band)。带宽越大传输能力越强。金属介质同轴电缆STP&ScTPUTP线缆速度信号方式：Base=Baseband（基带）Broad=broadband（宽带、实际数值）介质线缆规定:10baseT2.3.1同轴电缆速度10-100Mbps费用一般长度500M同轴电缆在最初的局域网中，同轴电缆被认为是唯一的传输介质，而忽略了双绞线的日益增长。目前有两种应用广泛的同轴电缆。75欧姆，用于模拟传输，称为宽带电缆(CATV系统)50欧姆，用于传输数字信号，称为基带电缆粗缆：10Mbps，500m，100个站点细缆：10Mbps，185m，30个站点2.3.2双绞线的主要特性屏蔽双绞线STP非屏蔽双绞线UTP双绞线由按照规则螺旋结构排列的两根绝缘线组成双绞线即可以传输模拟信号也可以传输数字信号带宽依赖于线的粗细和传输距离用于话音传输1类:只能用于话音的模拟传输2类:可用于数据传输,速率达1Mbps用于计算机局域网的数据传输3类：速率达10Mbps4类：速率达20Mbps5类：速率达100MbpsUTP接头线序1-32-6以太网数据使用4-5电话线路使用7-8其他用途UTP接头线序直连线（标准568B）：两端线序一样，线序是：白橙，橙，白绿，蓝，白蓝，绿，白棕，棕。交叉线（568A）：一端为正线的线序，另一端为：白绿，绿，白橙，蓝，白蓝，橙，白棕，棕。

UTP的连接直连线：568A-568A

√568B-568B交叉线：568A-568B反转线：线序反转Question：PC与Router连接使用哪种线缆？100M规则设备与设备之间的UTP线缆联接不能超过100M，否则性能下降3+90+7=10054321原则3+90+7=1003+90+7=10054321原则允许5个网段，每网段最大长度100米在同一信道上允许连接4个中继器或集线器在其中的三个网段上可以增加节点在另两个网段上，除做中继器链路外不能接任何节点一个大型的冲突域，最大站点数1024

2.3.3光纤的主要特性光导纤维光导纤维是一种细小柔软并能传导光线的介质光导纤维是通过内部的全反射来传输信号光损耗低、频带宽、传输速度快、抗电磁干扰性强，但价格偏贵光导纤维光纤分类单模光纤光在介质内部无反射，沿直线传播，传播距离更远。多模光纤光在介质内部以不同的反射角度传播。光纤的连接光纤的连接有两种方式：人工摩接机器熔接光纤的测试使用FLUKE的光纤测试仪光时域反射技术: 测试设备从介质的一端发送信号,当信号到达断点处,信号发生反射,测试设备接收反射信号并计算时间,最终向用户反馈断点位置有线介质的选择传输介质的选择是设计局部网络的一个重要的组成部分。对于有线介质而言：双绞线是一种价格便宜的介质，与同轴电缆比较，带宽上受到限制，但是在单个建筑物中，其性能价格比是最好的。同轴电缆可以用于具有大量终端的系统，价格虽然贵一些，但是却有较大的容量。光纤的性能最好，但价格偏贵。2.3.4无线与卫星通信技术电磁波谱与移动通信无线通信

视距传播电离层反射微波通信

微波信号没有绕射功能，两个微波信号只能在可视情况下才能正常接收；大气对微波信号的吸收与散射影响较大。卫星通信

2.4数据编码技术2.4.1数据编码类型2.4.2模拟数据编码方法

2.4.3数字数据编码方法

2.5脉冲编码

调制技术(PCM)

*取样：每隔一定时间间隔，取模拟信号的当前作为样本。f为取样频率*量化：将样本量化为离散值*编码：把量化后的样本值变成相应的二进制代码PCM用于数字语音系统：声音分为128个量化级；每个量化级采用7位二进制编码表示；采样速率为8000样本/秒；数据传输速率应达到7位×8000/秒=56Kbps；如果每个量化级采用7+1=8位二进制编码表示;数据传输速率应达到8位×8000/秒=64Kbps。2.6调制解调器的基本工作原理在发送端将计算机中的数字信号转换成能在电话线上传输的模拟信号；在接收端将从电话线路上接收到的模拟信号还原成数字信号。FSK方式Modem的工作原理

Modem实现全双工通信的工作原理调制解调器的分类与应用

外置Modem与计算机的连接

调制解调器的分类:外置式Modem内置式Modem机架式Modem＊思考：Modem和网卡的区别？2.7数据通信方式数据通信方式串行通信、并行通信单工通信、半双工或全双工通信同步方式同步通信异步通信串行通信与并行通信

单工、半双工与全双工通信

同步通信与异步通信2.8多路复用技术

多路复用的工作原理

2.8.1多路复用技术的分类频分多路复用FDM波分多路复用WDM时分多路复用TDM码分复用CDM2.8.2频分多路复用在一条通信线路设计多路通信信道;每路信道的信号以不同的载波频率进行调制;各个载波频率是不重叠的,一条通信线路就可以同时独立地传输多路信号。

2.8.3波分多路复用

光纤通道技术采用了波长分隔多路复用方法，简称为波分复用WDM;在一根光纤上复用80路或更多路的光载波信号称为密集波分复用DWDM；目前单模光纤的数据传输速率最高可以达到20Gbps。2.8.4时分多路复用

时分多路复用是将信道用于传输的时间划分为若干个时间片；每个用户分得一个时间片；在每个用户占有的时间片内，用户使用通信信道的全部带宽。时分多路复用的分类

同步时分多路复用统计时分多路复用2.8.4码分多路复用常用的名词是码分多址CDMA(CodeDivisionMultipleAccess)。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，不易被敌人发现。每一个比特时间划分为m个短的间隔，称为码片(chip)。基带(baseband)信号和

宽带(broadband)信号

基带信号就是将数字信号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。宽带信号则是将基带信号进行调制后形成的频分复用模拟信号。2.9差错控制方法2.9.1差错产生的原因与差错类型传输差错是通过通信信道后接收的数据与发送数据不一致的现象;差错控制是检查是否出现差错以及如何纠正差错；通信信道的噪声分为两类：热噪声和冲击噪声；由热噪声引起的差错是随机差错，或随机错；冲击噪声引起的差错是突发差错，或突发错；在通信过程中产生的传输差错，是由随机差错与突发差错共同构成的。传输差错

产生过程2.9.2误码率的定义

误码率是指二进制码元在数据传输系统中被传错的概率，它在数值上近似等于：Pe=Ne/N，其中N为传输的二进制码元总数，Ne为被传错的码元数；误码率应该是衡量数据传输系统正常工作状态下传输可靠性的参数之一；对于一个实际的数据传输系统，不能笼统地说误码率越低越好，要根据实际传输要求提出误码率要求；对于实际数据传输系统，如果传输的不是二进制比特，要折合成二进制比特来计算；差错的出现具有随机性，在实际测量一个数据传输系统时，只有被测量的传输二进制比特数越大，才会越接近于真正的误码率值。

2.9.3检错码与纠错码

纠错码：每个传输的分组带上足够的冗余信息；接收端能发现并自动纠正传输差错。检错码:分组仅包含足以使接收端发现差错的冗余信息；接收端能够发现出错，但不能确定哪位是错的，并且自己不能纠正传输差错。2.9.4检错码奇偶校验原理：在7单位的ASCII代码后增加一位，使码字中“1”的个数成奇数(奇校验)或偶数(偶校验)。海明码对于m位的数据，增加k位冗余位，组成n=m+k位的纠错码。K必须取最小值应满足公式

海明把奇偶校验分配在内1，2，4，8等位置上，其它位置放置数据。下面举例说明编码的方法：偶校验校验位假设传送的信息为：100101184211001011300111234567891011数501016011011

001

011据701111234567891011910011010101

0

1

100

1

001

1位1110111234567891011

1

01101

100111234567891011

1

02.9.6循环冗余编码工作原理CRC在数据链路层传送的帧中，广泛使用了循环冗余检验CRC的检错技术。假设待传送的数据M=1010001101（共kbit）。我们在M的后面再添加供差错检测用的nbit冗余码一起发送。用二进制的模2运算进行2n乘M的运算，这相当于在M后面添加n个0。注意：模2运算进行加法时不进位，减法按加法规则计算，例如：1111+1010=0101。得到的(k+n)bit的数除以事先选定好的长度为(n+1)bit的数P，得出商是Q而余数是R，余数R比除数P至少要少1个比特。循环冗余编码工作原理CRC发送方接受方发出比特串S发出比特串S'1、发送的数据M

2n

=（商Q+余数R）约定的除据G2、将M与R拼接起来，构成一个能被G整除的码字S（即S=M*2n+R)1、检查：G能否整除收到的比特串S'2、若能整除，则传输没有差错;否则出错。循环冗余编码工作原理CRCCRC检错

方法举例

标准CRC生成多项式G（x）CRC-12G（x）=x12+x11+x3+x2+x+1CRC-16G（x）=x16+x15+x2+1CRC-CCITTG（x）=x16+x12+x5+1CRC-32G（x）=x32+x26+x23+x22+x16+x12+x11+x10+x8+x7+x5+x4+

x2+x+1CRC校验码的检错能力CRC校验码能检查出全部单个错；CRC校验码能检查出全部离散的二位错；CRC校验码能检查出全部奇数个错；CRC校验码能检查出全部长度小于等于K位的突发错；CRC校验码能以[1-（1/2）K-1]的概率检查出长度为（K+1）位的突发错；如果K=16，则该CRC校验码能全部检查出小于或等于16位的所有的突发差错，并能以1-（1/2）16-1=99.997％的概率检查出长度为17位的突发错，，漏检概率为0.003%。2.10数字传输系统

1.脉码调制PCM体制

脉码调制PCM体制最初是为了在电话局之间的中继线上传送多路的电话。由于历史上的原因，PCM有两个互不兼容的国际标准，即北美的24路PCM（简称为T1）和欧洲的30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。当需要有更高的数据率时，可采用复用的方法。数字传输系统

现在的数字传输系统均采用脉码调制PCM(PulseCodeModulation)体制。

采样周期Tt信号t采样1001001111000010t编码t解码t还原时分复用为了有效地利用传输线路，可将多个话路的PCM信号用时分复用

TDM(TimeDivisionMultiplexing)的方法装成时分复用帧，然后发送到线路上。由于历史原因，PCM有两个不兼容的国际标准，即北美的24路PCM（简称为T1），欧洲的30路PCM（简称为E1）。中国采用欧洲体制，以E1(2.048Mb/s)为一次群。美国和日本等国采用北美体制，以T1(1.544Mb/s)为一次群。E1的时分复用帧2.048Mb/s传输线路CH0CH16CH17CH15CH15CH16CH17CH31CH31CH0CH1CH1…………时分复用帧TCH0CH1CH2…CH15CH16CH17CH30CH31CH0…8bitt时分复用帧时分复用帧T=125ms15个话路15个话路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。

2.同步光纤网SONET和

同步数字系列SDH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。

同步数字系列SDH

ITU-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。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-1

155.520OC-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/s39813.120

OC-768/STS-768

STM-256

40Gb/s

SONET的OC级/STS级与SDH的STM级的对应关系SONET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)SONET标准定义了

四个光接口层光子层(Photonic