《现代网络技术教程自顶向下分析与设计》课件第9章

第9章物理层与物理层协议9.1物理层的基本概念9.2信息、数据与信号9.3数据编码技术9.4数据通信系统结构与通信方式9.5传输介质的主要类型9.6数据传输速率的定义与信道速率的极限9.7多路复用技术9.8同步光纤网SONET与同步数字体系SDH习题

9.1物理层的基本概念

9.1.1物理层的主要服务功能

物理层处于网络参考模型的最底层，它向数据链路层提供比特流传输服务。数据链路实体通过与物理层的接口将数据比特流传送给物理层，物理层将比特流按照传输介质的需要进行编码，然后将信号通过传输介质传输到下一个结点的物理层。物理层的主要功能是进行物理连接的建立、维护与释放以及比特流的传输。计算机网络使用的传输介质与通信设备种类繁多，各种通信技术存在很大的差异，并且各种新的通信技术在快速发展。设置物理层的目的是屏蔽物理层采用的传输介质、通信设备与通信技术的差异性，使数据链路层只需考虑本层的服务，而不需要考虑网络具体使用哪种传输介质、设备与技术。9.1.2物理层协议的类型

1．点-点通信线路的物理层协议

OSI参考模型对物理层的定义是：物理层为建立、维护和释放数据链路实体之间二进制比特传输的物理连接提供机械的、电气的、功能的和规程的特性。EIA-232-C标准规定了计算机串行通信接口卡与调制解调器之间物理接口的机械、电气、功能和规程的具体参数与工作流程。目前有很多低速的数据通信设备仍然采用EIA-232-C标准。

ADSL物理层协议定义了上行与下行传输

速率标准、传输信号的编码格式以及电平、同步方式、连接接口装置物理尺寸等内容。线缆调制解调器与有线电视线缆接入的物理层标准主要有线缆数据业务接口规范DOCSIS与IEEE802.14物理层标准。DOCSIS与IEEE802.14物理层标准分为物理介质相关(PMD)子层和传输汇聚(TC)子层，规定了线缆调制解调器的频带、上行与下行速率、信号调制方式与电平同步方式等内容。

2．广播通信线路的物理层协议

使用有线传输介质的以太网802.3协议标准就包括了多个物理层协议。例如，802.3标准的物理层协议包括10BASE-2、10BASE-5与10BASE-T标准；100BASE-T、快速以太网802.3u标准的物理层协议包括100BASE-TX标准、100BASE-4与100BASE-FX标准；千兆以太网802.3z标准的物理层协议包括1000BASE-T、1000BASE-CX、1000BASE-LX与1000BASE-SX标准；十千兆以太网802.3ae标准的物理层协议包括LANPHY标准与WANPHY标准。无线局域网802.11分别为跳频扩频与直接序列扩频通信制定了物理层标准。无线个人局域网的802.15.4物理层标准定义了无线信道频段、调制方式、信号编码方式、发射与接收功率以及同步方式。

从以上分析中可以看出，随着通信技术的快速发展，计算机网络中物理层的协议类型变化也十分迅速。只要网络采用一种新的通信技术，相应地就需要制定一种新的物理层标准。数据链路层、网络层与传输层协议的类型相对比较稳定，物理层协议的类型增加是最快、最复杂的。

9.2信息、数据与信号

9.2.1信息与数据

通信的目的是交换信息，信息的载体可以是文字、语音、图形或图像。计算机产生的信息一般是字母、数字、语音、图形或图像的组合。为了传送这些信息，首先要将字母、数字、语音、图形或图像用二进制代码来表示。

数据通信是实现不同计算机之间传输表示字母、数字、语音、图形或图像的二进制代码比特流的模拟或数字信号的过程。对于数据通信来说，被传输的二进制代码称为“数据”；数据是信息的载体。数据涉及对事物的表示形式，信息涉及对数据所表示内容的解释。数据通信的任务就是要传输二进制代码比特流，而不是解释代码所表示的内容。在数据通信中，习惯将被传输的二进制代码0、1称为码元。表9-1列出了ASCII码的部分字符编码。ASCII码采用7位二进制位编码，可以表示128个字符。字符分为图形字符与控制字符两类。图形字符包括数字、字母、运算符号、商用符号等。控制字符用于数据通信收发双方工作的协调与信息格式

的表示。二进制编码按高位到低位(b6b5b4b3b2b1b0)的顺序排列，而b7位一般用于字符的校验。如果采用奇校验，则字符串“ABCD”的ASCII码二进制比特流应该是“11000001110000100100001111000100”。如果要从主机A将这个比特流传送到主机B，并且主机A、B都使用ASCII编码，则主机B可以将接收的比特流解释为“ABCD”。9.2.2信号与信道

图9-1给出了模拟信号与数字信号波形。用数字信号进行的传输称为数字传输，用模拟信号进行的传输称为模拟传输。图9-1模拟信号与数字信号波形9.3数据编码技术

9.3.1数据编码类型

计算机数据在传输过程中的数据编码类型，主要取决于通信信道所支持的数据通信类型。用于数据通信的数据编码方式分为两类：模拟数据编码与数字数据编码。随着高速网络技术的发展，已经出现了一系列新的编码技术。图9-2给出了数据与数据编码方式的关系。图9-2数据与数据编码方式的关系9.3.2模拟数据编码方法

将发送端的数字信号转换成模拟信号的过程称为调制(Modulation)；将接收端的模拟信号还原成数字信号的过程称为解调(Demodulation)。具备调制与解调功能的设备称为调制解调器(Modem)。在调制过程中，首先选择音频范围内的某一角频率ω的正(余)弦信号作为载波，该正(余)弦信号可以写u(t)=um·sin(ωt+ψ0)。在载波u(t)中，有3个可以改变的电参量(振幅um、角频率ωt和相位ψ0)。可以通过改变3个电参量来

实现模拟数据信号的编码。图9-3给出了模拟数据信号的编码方法。

1．移幅键控ASK(AmplitudeShiftKeying)

移幅键控方法是通过改变载波信号的振幅来表示数字信号1、0。例如，可以用载波幅度为um表示1，用载波幅度为0表示数字0。图9-3(a)给出了ASK信号波形，其数学表达式为：ASK信号实现容易，技术简单，但抗干扰能力较差。图9-3模拟数据信号的编码方法

2.移频键控FSK(FrequencyShiftKeying)

移频键控方法是通过改变载波信号的角频率来表示数字信号1、0。例如，可以用角频率ω1表示数字1，用角频率ω2表示数字0。

图9-3(b)给出了FSK信号波形，其数学表达式为：

3.移相键控PSK(PhaseShiftKeying)

1)绝对调相

在载波信号u(t)中，ψ0为载波信号的相位。最简单的情况是：用相位的绝对值来表示它所对应的数字信号。

图9-3(c)给出了绝对调相的信号波形。当表示数字1时，取ψ0=0；当表示数字0时，取ψ0=π。这种简单的绝对调相方法的数学表达式为：

2)相对调相

相对调相用载波在两位数字信号的交接处产生的相对偏移来表示载波所表示的数字信号。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。

图9-3(d)给出了相对调相的信号波形。

3)多相调制

以上讨论的是二相调制的方法，用两个相位值分别表示二进制数0、1。在模拟数据通信中，为了提高数据传输速率，常采用多相调制的方法。例如，将待发送的数字信号按两比特一组的方式组织，两位二进制比特可以有四种组合：00、01、10、11。每组是一个双比特码元，用四个不同相位值表示这四组双比特码元。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。这种调相方法称为4相调制。9.3.3数字数据编码方法

频带传输的优点是可以利用目前覆盖面最广、普遍应用的模拟语音信道。电话交换网技术成熟并且造价较低，它的缺点是数据传输率低。基带传输在基本不改变数字信号频带(即波形)的情况下直接传输数字信号，可以达到很高的数据传输速率。基带传输是目前发展迅速的数据通信方式。

图9-4给出了数字信号的编码方式。图9-4数字信号的编码方式

1．非归零码

图9-4(a)给出了非归零码(NonReturntoZero，NRZ)波形。NRZ码可以规定用低电平表示逻辑“0”，用高电平表示逻辑“1”；也可以用其他方法表示。

NRZ码的缺点是无法判断一位的开始和结束，收发双方不能保持同步。为了保证收发双方的同步，必须在发送NRZ码的同时用另一个信道同时传送同步信号。另外，如果信号中“1”与“0”的个数不相等，就会存在直流分量，这是在数据传输中不希望存在的。

2．曼彻斯特编码

曼彻斯特(Manchester)编码是目前应用最广泛的编码方法之一。图9-4(b)给出了典型的曼彻斯特编码波形。曼彻斯特编码的规则是：每比特的周期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，后T/2传送该比特的原码。根据曼彻斯特编码规则，被编码的数据b0=0，它的前T/2取0的反码(0用低电平表示，其反码为高电平)，后T/2取0的原码(低电平)。b1=1，前T/2取1的反码(低电平)，后T/2取1的原码(高电平)。b2=0，前T/2为高电平，后T/2为低电平。b3=0，前T/2为高电平，后T/2为低电平。按这个规律可以画出曼彻斯特编码信号的波形图。曼彻斯特编码的优点是：

(1)每个比特的中间有一次电平跳变，两次电平跳变的时间间隔可以是T/2或T，利用电平跳变可以产生收发双方的同步信号。曼彻斯特编码信号称为“自含时钟编码”信号，发送曼彻斯特编码信号时无需另外发送同步信号。

(2)曼彻斯特编码信号不含直流分量。

曼彻斯特编码的缺点是效率较低，如果信号传输速率是

10Mb/s，则发送时钟信号频率应为20MHz。

3．差分曼彻斯特编码

差分曼彻斯特(DifferenceMancherster)编码是对曼彻斯特编码的改进。典型的差分曼彻斯特编码波形如图9-4(c)所示。差分曼彻斯特编码与曼彻斯特编码的不同点是：每比特的中间跳变仅做同步使用。每比特的值根据其开始边界是否跳变来决定。某个比特开始处发生电平跳变表示传输二进制“0”，不发生跳变表示传输二进制“1”。按照差分曼彻斯特编码规则，它与曼彻斯特编码的不同之处在于：b0之后的b1为1，在两个比特波形的交接处不发生电平跳变；b2=0，在b1与b2交接处要发生电平跳变；b3=0，在b2与b3交接处仍然要发生电平跳变。按这个规律可以画出差分曼彻斯特编码信号的波形。9.3.4脉冲编码调制方法

PCM技术的典型应用是语音数字化。语音可以用模拟信号的形式通过电话线路传输，但是要将语音与计算机产生的数字、文字、图像同时传输，就必须首先将语音信号数字化。发送端通过PCM编码器将语音信号转换成数字信号，通过通信信道传送到接收端，接收端通过PCM解码器将它还原成语音信号。数字化语音数据的传输效率高、失真小，可以存储在计算机中，并且要进行必要的处理。图9-5给出了PCM的工作原理。图9-5PCM的工作原理

1．采样

模拟信号数字化的第一步是采样。模拟信号是电平连续变化的信号。采样是每隔一定的时间间隔，将模拟信号的电平幅度取出作为样本，让其表示原来的信号。采样频率f ≥2B或f =1/T≥2·fmax。其中，B为通信信道带宽，T为采样周期，fmax为信道允许通过的信号最高频率。研究结果表明：如果以大于或等于通信信道带宽2倍的速率对信号采样，其样本可以包含足以重构原模拟信号的所有信息。图9-6给出了PCM的采样与量化过程。图9-6PCM的采样与量化过程

2．量化

量化是将样本幅度按量化级决定取值的过程。经过量化后的样本幅度为离散的量化级值，已不是连续值。量化前要规定将信号分为若干量化级。例如，可以分为8级或16级，这要根据精度要求决定。同时，要规定每级对应的幅度范围，然后将样本幅值与上述量化级幅值进行比较。例如，1.28取值1.3，1.52取值为1.5，即通过取整来定级。

3．编码

编码是用相应位数的二进制代码表示量化后的样本的量化级。如果有k个量化级，则二进制的位数为lbk。例如，如果量化级有16个，就需要4位编码。在目前常用的语音数字化系统中，通常采用128个量化级，需要7位编码。编码后的样本都用相应的编码脉冲表示。D5取样幅度为1.52，取整后为1.5，量化级为15，样本编码为1111。将二进制编码1111发送到接收端，接收端可以将它还原成量化级15，对应的电平幅度为1.5。当PCM用于数字化语音系统时，它将声音分为128个量化级，每个量化级采用7位二进制编码表示。由于采样速率为8000样本/秒，因此，数据传输速率能达到7×8000=56kb/s。另外，PCM可以用在计算机中的图形、图像数字化与传输处理中。PCM的缺点是采用二进制编码，使用的二进制位数较多，因此PCM的编码效率比较低。

9.4数据通信系统结构与通信方式

9.4.1数据通信系统结构

在讨论了数据通信编码方式后，下面以采用曼彻斯特编码的数据通信过程为例，对数据通信过程做一个总结，同时进一步分析数据通信系统的基本结构(如图9-7所示)。图9-7数据通信系统的基本结构

在数据通信过程中，将发送数据的一方叫做“信源”，将接收数据的一方叫做“信宿”。发送方的计算机所产生的二进制代码波形是不能够直接在传输介质上传输的。最简单的理由是：如果不采取其他措施，则信源与信宿无法实现传输比特流的同步。因此，要完成信源与信宿之间的比特流传输，首先要将待传输的二进制比特流通过数据信号编码器转换为曼彻斯特编码信号，再由发送方的数据信号发送设备通过通信线路传送到接收方。9.4.2数据通信方式

1．串行通信与并行通信

数据通信分为两种类型：串行通信与并行通信。图9-8给出了串行通信与并行通信的示意图。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，将表示一个字符的二进制代码按由低位到高位的顺序依次发送的方式称为串行通信；将表示一个字符的二进制代码同时通过8条并行的通信信道发送，每次发送一个字符代码的方式称为并行通信。图9-8串行通信与并行通信的示意图

2．单个、半双工与全双工通信

按照信号传送方向与时间的关系，数据通信分为三种类型：单工通信、半双工通信与全双工通信。图9-9给出了三种通信类型示意图。在单工通信方式中，信号只能向一个方向传输，任何时候都不能改变信号的传送方向。在半双工通信方式中，信号可以双向传送，但是必须交替进行，一个时间只能向一个方向传送。在全双工通信方式中，信号可以同时双向传送。图9-9三种通信类型示意图

3．同步技术

1)同步的概念

同步是数字通信中必须解决的一个重要问题。同步是要求通信双方在时间基准上保持一致的过程。计算机通信过程与人们使用电话通话的过程有很多相似之处。在正常的通话过程中，人们在拨通电话并确定对方是要找的人时，双方就可以进入通话状态。在通话过程中，说话人要讲清楚每个字，讲完每句话需要停顿。

2)位同步

尽管作为数据通信双方的两台计算机的时钟频率相同，但实际上不同计算机的时钟频率肯定存在差异。这种时钟频率的差异将导致不同计算机发送和接收的时钟周期产生误差。尽管这种差异是微小的，但在大量数据的传输过程中，其积累误差足以造成接收比特取样周期和传输数据的错误。实现位同步的主要方法有以下两种：

(1)外同步法。它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的方法。接收端根据接收到的同步时钟信号来校正时间基准和时钟频率，实现收发双方的位同步。

(2)内同步法。它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同步时钟的编码方法。

3)字符同步

实现字符同步的方法主要有：

(1)同步方式。采用同步方式进行数据传输称为同步传输(SynchronousTransmission)。同步方式将字符组成组，以组为单位连续传输。每组字符之前加上一个或多个用于同步控制的同步字符SYN，每个数据字符内不加附加位。接收端接收到同步字符SYN后，根据SYN来确定数据字符的起始与终止，以实现同步传输功能。图9-10给出了同步传输的工作原理。图9-10同步传输的工作原理

(2)异步方式。采用异步方式进行数据传输称为异步传输(AsynchronousTransmission)。异步传输的特点是：每个字符作为一个独立的整体进行发送，字符之间的时间间隔可以是任意的。为了实现字符同步，每个字符的第1位前加1位起始位(逻辑“1”)，字符的最后1位后加1位或2位停止位(逻辑“0”)。图9-11给出了异步传输的工作原理。图9-11异步传输的工作原理9.5传输介质的主要类型

9.5.1双绞线的主要特性

局域网中所使用的双绞线分为两类：屏蔽双绞线STP(ShieldedTwistedPair)与非屏蔽双绞线UTP(UnshieldedTwistedPair)。屏蔽双绞线由外部保护层、屏蔽层与多对双绞线组成。非屏蔽双绞线由外部保护层与多对双绞线组成。图9-12给出了双绞线的基本结构。图9-12双绞线的基本结构双绞线按照传输特性分为5类。在典型的以太网中，常用第3类与第5类非屏蔽双绞线(简称3类线、5类线)。3类线的带宽为16MHz，适用于语音与10Mb/s以下的数据传输；5类线的带宽为100MHz，适用于语音与100Mb/s的高速数据传输，可以支持155Mb/s的ATM数据传输。随着千兆以太网的出现，高性能双绞线标准不断推出，例如，增强5类线、6类线以及使用金属箔的7类屏蔽双绞线。7类屏蔽双绞线的带宽已经达到600～1200MHz。9.5.2同轴电缆的主要特性

同轴电缆由内导体、绝缘层、外屏蔽层及外部保护层组成。同轴电缆的特性参数由内导体、外屏蔽层及绝缘层的电参量与机械尺寸决定。同轴电缆的特点是抗干扰能力较强。图

9-13给出了同轴电缆的基本结构。图9-13同轴电缆的基本结构9.5.3光纤电缆的主要特性

光纤是性能最好、应用前途最广泛的一种传输介质。光纤是一种直径为50～100μm的柔软、能传导光波的介质，多种玻璃和塑料可以用来制造光纤，其中使用超高纯度石英玻璃纤维制作的光纤的纤芯可以得到最低的传输损耗。在折射率较高的纤芯外面，用折射率较低的包层包裹起来，外部包裹涂覆层，这样就可以构成一条光纤。多条光纤组成一束，构成一条光缆。图9-14给出了光纤的结构与传输原理。图9-14光纤的结构与传输原理图9-15给出了典型的光纤传输系统结构。在发送端使用发光二极管(LED)或注入型激光二极管(ILD)作为光源。在接收端使用光电二极管(PIN)检波器或APD检波器将光信号转换成电信号。光载波调制方法采用移幅键控(ASK)调制方法，即亮度调制。因此，光纤传输速率可以达到Gb/s量级。图9-15典型的光纤传输系统结构光纤分为两种类型：单模光纤与多模光纤。单模光纤是指光纤的光信号仅与光纤轴成单个可分辨角度的单路光载波传输。多模光纤是指光纤的光信号与光纤轴成多个可分辨角度的多路光载波传输。单模光纤的性能优于多模光纤。

光纤最普遍的连接方法是点-点方式。光纤信号衰减极小，它可以在6～8km的距离内，在不使用中继器的情况下，实现高速率的数据传输。光纤不受外界电磁干扰与噪声的影响，在长距离、高速率的传输中保持低误码率。9.5.4无线与卫星通信技术

1．电磁波谱与移动通信

描述电磁波的参数有3个：波长(Wavelength)、频率(Frequency)与光速(SpeedofLight)。三者之间的关系为：

λ×f=c

其中，λ为波长，光速c为3×108m/s，频率f的单位为Hz。电磁波的传播有两种方式：一种是在自由空间中传播(即无线方式传播)；另一种是在有限制的空间内传播(即有线方式传播)。使用双绞线、同轴电缆、光纤传输电磁波的方式属于有线方式。在同轴电缆中，电磁波传播的速度大约是光速的2/3。不同的传输介质可以传输不同频率的信号。例如，普通双绞线可以传输低频或中频信号，同轴电缆可以传输低频到特高频信号，光纤可以传输可见光信号。图9-16给出了电磁波与通信类型的关系。从图中所示的电磁波谱中可以看出，按照频率由低向高排列，不同频率的电磁波可以分为无线电(Radio)、微波(Microwave)、红外线(Infrared)、可见光(VisibleLight)、紫外线(Utravoilet)、x射线(xRays)与γ射线(γRays)。目前，用于通信的主要有无线、微波、红外与可见光。国际电信联盟(ITU)根据不同的频率(或波长)，将不同的波段进行了划分与命名。表9-2给出了无线电频率与带宽(频率范围)的对应关系。图9-16电磁波与通信类型的关系

2．无线通信

从电磁波谱中可以看出，无线通信使用的频段覆盖了从低频到特高频。其中，调频无线电通信使用中波(MF)，调频无线电广播使用甚高频，电视广播使用甚高频到特高频。国际通信组织对各个频段都规定了特定的服务。以高频(HF)为例，它在频率上从3～30MHz被划分成了多个特定的频段，分别分配给移动通信(空中、海洋与陆地)、广播、无线电导航、业余电台、宇宙通信与射电天文等方面。高频无线电波由天线发出后，可以沿两条路径在空间传播。其中，地波沿着地表面传播，天波则在地球与地球电离层之间来回反射。图9-17给出了高频无线电波的传播路径。高频与甚高频通信方式类似，它们的主要缺点是：易受天气等因素影响，信号幅度变化较大，容易被干扰。它们的主要优点是：技术成熟，应用广泛，能以较小的发射功率传输到较远的地方。图9-17高频无线电波的传播路径

3．微波通信

在电磁波谱中，频率在100MHz～10GHz之间的信号叫做微波信号，它们对应的信号波长为3cm～3m。微波信号传输的主要特点是：

(1)只能进行视距传播。由于微波信号没有绕射能力，因此微波信号只有在收发两点可视的情况下才能正常接收。

(2)大气对微波信号的吸收和散射影响很大。由于微波信号的波长比较短，因此利用机械尺寸相对较小的抛物面天线，就可以将微波信号能量集中在一个很小的波束内发送出去，这样就可以用很小的发射功率来进行远距离通信。同时，由于微波信号的频率很高，因此可以获得较大的通信带宽，特别适合于卫星通信与城市建筑物之间的通信。

4．蜂窝无线通信

微电子与超大规模集成电路技术的发展，促进了蜂窝移动通信的迅速发展。为了提高覆盖区域的系统容量与充分利用频率资源，人们提出了小区制的概念。将一个大区制覆盖的区域划分成多个小区(Cell)，在每个小区中设立一个基站(BaseStation)，通过基站在用户的移动台(MobileStation)之间建立通信。小区覆盖的半径较小(一般为1～20km)，可以用较小的发射功率实现双向通信。由若干个小区构成的覆盖区称为区群。由于区群的结构酷似蜂窝，因此小区制移动通信系统又称为蜂窝移动通信系统。图9-18给出了蜂窝移动通信系统的结构。在每个小区设立一个(或多个)基站，它与若干个移动站建立无线通信链路。区群中各小区的基站之间可以通过电缆、光缆或微波链路与移动交换中心连接。移动交换中心通过电路与市话交换局连接，从而构成一个完整的蜂窝移动通信的网络结构。图9-18蜂窝移动通信的结构

5．卫星通信

卫星通信具有通信距离远、费用与通信距离无关、覆盖面积大、不受地理条件限制、通信信道带宽大、可进行多址通信与移动通信的优点，它在最近的30多年里获得迅速发展，成为现代主要的通信手段之一。

图9-19给出了卫星通信的工作原理。图9-19(a)是通过卫星通信微波形成的点-点通信线路，它由两个地球站(发送站和接收站)与一颗通信卫星组成。卫星上可以有多个转发器，作用是接收、放大与发送信息。目前，通常是12个转发器拥有一个36MHz带宽的信道，不同转发器使用不同频率。地面发送站使用上行链路(Uplink)向通信卫星发射微波信号。卫星起中继器的作用，它接收通过上行链路发送来的微波信号，经过放大后再使用下行链路(Downlink)发送回地面接收站。上行链路与下行链路使用的频率不同，因此可以将发送信号与接收信号区分开来。图9-19(b)是卫星微波形成的广播通信线路。图9-19卫星通信的工作原理传输延时是卫星通信系统的重要参数之一。发送站要通过卫星转发信号到接收站，如果从地面发送到卫星的信号传输时间为Δt，不考虑转发中的处理时间，则从信号发送到接收的延迟时间为2Δt。从卫星发射到地球表面的电磁波呈圆锥体形状，最短的是卫星到地面的垂线，最长的是斜边。电磁波在自由空间的传播速度为3×108m/s。对于卫星与地面的垂直高度数值，Δt值通常为250ms；对应于斜边数值，Δt值通常为300ms。在计算中通常取中间值270ms，因此往返传输延时值为540ms。9.6数据传输速率的定义与信道速率的极限

9.6.1数据传输速率的定义

在讨论数据传输速率时，需要注意以下几点：

(1)数据传输速率是指结点向传输介质发送数据的速率，因此它与发送速率是等价的。例如，传统以太网的传输速率为10Mb/s，它每秒可以发送1×107bit，如果帧是1500B，可以在1.2ms内发送完，则1.2ms就是以太网发送一帧的发送延时。

(2)在计算二进制字节长度时，1kb=1024b。但在计算速率时使用的是十进制，因此1kb/s=1000b/s≠1024b/s；同样，40.98×106b/s = 40.98Mb/s≠40.00Mb/s。这是由计算机与通信中采用的二进制与十进制的区别引起的，也是经常容易忽略的问题。

(3)在模拟线路上使用调制解调器通信时，使用“调制速率”与“波特率”的术语。调制速率是针对模拟数据信号传输过程中，从调制解调器输出的调制信号每秒载波调制状态改变的数值，单位是1/s，称为波特(Baud)。调制速率也称为比特率。

数据传输速率S(b/s)与波特率B(Baud)之间的关系可以表示为：

S=B·lbk

式中，k为多相调制的相数。表9-3给出了波特率与数据传输速率的关系。如果波特率为1200Baud，多相调制的相数k=8，那么对应的数据传输速率为3600b/s。这就是说，在多相调制中，每一次相位的变化表示了3bit的二进制数，因此调制信号(相位、频率、振幅)每秒变化1200次，相当于传输了3600bit的二进制数据。9.6.2信道带宽与香农定理

奈奎斯特准则指出：如果表示码元的窄脉冲信号以时间间隔π/ω(ω=2πf)通过理想通信信道，则前后码元之间不产生相互串扰。根据奈奎斯特准则，二进制数据信号的最大数据传输速率Rmax与理想信道带宽B(B=f，单位为Hz)的关系表示为：

Rmax=2·f(b/s)对于二进制数据，如果信道带宽B = f = 3000Hz，则最大传输速率为6000b/s。

奈奎斯特准则描述了有限带宽、无噪声的理想信道的最大传输速率与信道带宽的关系。香农定理则描述了有限带宽、有随机热噪声信道的最大传输速率与信道带宽、信号噪声功率比之间的关系。

香农定理指出：在有随机热噪声的信道中传输数据信号时，传输速率Rmax与信道带宽B、信噪比S/N的关系为：

Rmax=B·lb(1+S/N)

式中，Rmax的单位是b/s，带宽B的单位是Hz。信噪比是信号功率与噪声功率之比的简称。在通信系统中，信噪比通常以分贝(dB)表示。如果信噪比S/N为1000，根据信噪比计算公式S/N(dB) = 10·lg(S/N)，该信道的信噪比S/N为30dB。S/N = 30dB表示该信道上的信号功率是噪声功率的1000倍。如果S/N= 1000dB，信道带宽B = 3000Hz，则该信道的最大传输速率Rmax≈30kb/s。香农定理给出了一个有限带宽、有热噪声信道的最大传输速率的极限值。它表示对带宽只有3000Hz的通信信道，信噪比S/N为1000时，无论数据采用二进制还是更多的离散电平值表示，数据都不能以超过30kb/s的速率传输。由于信道的最大传输速率与带宽之间存在着明确关系，因此可以用“带宽”表示“传输速率”。例如，人们常将网络的“高传输速率”用网络的“高带宽”表述。所以，“带宽”与“速率”在网络技术中几乎成为同义词。

9.7多路复用技术

9.7.1多路复用的基本概念

1．多路复用与通信信道

多路复用(Multiplexing)是数据通信中的一个重要概念。研究多路复用技术的原因：一是通信线路架设的费用相当高，需要充分利用通信线路的容量；二是网络中传输介质的容量都会超过单一信道传输的通信量，为了充分利用传输介质的带宽，需要在一条物理线路上建立多条通信信道。实现多路复用技术的方法是：发送方将多个用户的数据通过复用器(Multiplexer)汇集，并将汇集的数据通过一条物理线路传送到接收方。接收方通过分用器(Demultiplexer)将数据分离成各个单独的数据，然后分发给接收方的多个用户。具备复用器与分用器功能的设备称为多路复用器。多路复用器在一条物理线路上可以划分出多条通信信道，其原理如图9-20所示。图9-20多路复用系统的结构与功能

2．多路复用技术

多路复用技术分为4种基本形式：

(1)频分多路复用(FrequencyDivisionMultiplexing，FDM)。它以信道频率为对象，通过设置多个频率互不重叠的信道，达到同时传输多路信号的目的。

(2)波分多路复用(WavelengthDivisionMultiplexing，WDM)。它在一根光纤上复用多路光载波信号，它是光频段的频分多路复用。

(3)时分多路复用(TimeDivisionMultiplexing，TDM)。它以信道传输时间为对象，通过为多个信道分配互不重叠的时间片，达到同时传输多路信号的目的。

(4)码分多路复用(CodeDivisionMultiplexing，CDM)。码分多路复用又称码分多址(CodeDivisionMultipleAccess，CDMA)，它是3G手机移动通信中基本的共享信道方法。

(5)正交频分多路复用(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，DFDM)。它是一种特殊的多载波传输技术。9.7.2时分多路复用

1．时分多路复用的基本概念

时分多路复用是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，因此时分多路复用更适于数字信号的传输。时分多路复用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，用户在其占有的时间片内使用信道的全部带宽。目前，应用最广的时分多路复用方法是T1载波技术。

T1载波是将24路音频信道复用在一条通信信道上。每路音频模拟信号在送到多路复用器之前要通过一个PCM编码器。编码器每次取样8000次。24路PCM信号的每一路轮流将一个字节插入到一帧中。每个字节为8比特，每帧由24×8=192比特组成，附加1比特作为帧开始标志位，因此每帧共有193比特。图9-21给出了时分多路复用T1载波帧结构。由于发送一帧需要125μs，因此T1载波的传输速率为1.544Mb/s。图9-21时分多路复用T1载波帧结构

2．时分多路复用的分类

时分多路复用可以分为两类：同步时分多路复用和统计时分多路复用。图9-22给出了时分多路复用的工作原理。

1)同步时分多路复用

同步时分多路复用(SynchronousTDM，STDM)将时间片预先分配给各个信道，并且时间片固定不变，因此各个信道的发送和接收必须是同步的。图9-22(a)给出了同步时分多路复用的工作原理。图9-22时分多路复用的工作原理

如果有n条信道复用一条通信线路，则可以把通信线路的单位传输时间分成n个时间片。例如，图9-22(a)中n = 4，传输单位时间T定为1s，则每个时间片为1/4s。在第一个周期内，将第1个时间片分配给第1个信道，将第2个时间片分配给第2个信道，将第3个时间片分配给第3个信道，将第4个时间片分配给第4个信道。在第二个周期依然如此。按此规律循环下去。这样，在接收方只需要采用严格的时间同步，按照相同的顺序接收，就能将多路信号分割与复原。同步时分多路复用采用将时间片固定分配给各个信道的方法，而不考虑这些信道是否有数据需要发送。在图9-22(a)表示的前4个帧中出现了很多的空闲时间片，而结点B与结点C还有一些数据没有发送。这种采用固定时间片与信道的方法虽然简单，但会造成一定的资源浪费。

2)统计时分多路复用

为了克服同步时分多路复用的缺点，可以采用异步时分多路复用(AsynchronousTDM，ATDM)，又称为统计时分多路复用。统计时分多路复用允许动态地分配时间片。图9-22(b)给出了统计时分多路复用的工作原理。由于考虑到多个信道并不总是同时工作，为了提高通信线路的利用率，允许每个周期内的各个时间片只分配给需要发送数据的信道。例如，在第一个周期内，可以根据实际信道需要发送数据的情况，将第1、2个时间片分配给第1个信道，将第3、4个时间片分配给第3个信道。在第二个周期中，可以将第1个时间片分配给第4个信道，将第2个时间片分配给第2个信道，将第3个时间片分配给第4个信道，将第4个时间片分配给第2个信道。这样，只用2个帧就发送了4个信道需要发送的数据。由于统计时分多路复用可以没有周期的概念，所以各信道发出的数据都需要带有双方地址，由通信线路两端的多路复用设备来识别地址、确定输出信道。多路复用设备也可以采用存储转发方式，以调节通信线路的平均传输速率，使其更接近通信线路的额定数据传输速率，以提高通信线路的利用率。9.7.3频分多路复用

频分多路复用的基本原理是：在一条通信线路上设置多个信道，每个信道的中心频率不相同，并且各个信道的频率范围互不重叠，这样一条通信线路就可以同时传输多路信号。图

9-23给出了频分多路复用的工作原理。图9-23频分多路复用的工作原理第1个信道的载波频率范围为60～64kHz，中心频率为62kHz，带宽为4kHz；第2个信道的载波频率范围为64～68kHz，中心频率为66kHz，带宽为4kHz；第3个信道的载波频率范围为68～72kHz，中心频率为70kHz，带宽为4kHz。第1、2、3信道的载波频率不重叠。如果这条通信线路总的可用带宽为96kHz，按照每个信道占用4kHz计算，则一条通信线路可以复用24个信号。9.7.4波分多路复用

图9-24给出了波分多路复用的工作原理。两束光波的波长分别为λ1和λ2。它们通过棱镜(或光栅)之后，通过一条共享的光纤传输到达目的结点后经过棱镜(或光栅)重新分成两束光波。波分多路复用利用衍射光栅来实现多路不同频率的光波信号的合成与分解。从光纤1进入的光波将传送到光纤3；从光纤2进入的光波将传送到光纤4。这种波分多路复用系统是固定的，从光纤1进入的光波不能传送到光纤4。图9-24波分多路复用的工作原理随着光学技术的发展，可以在一根光纤上复用更多光载波形，目前可以复用80或更多路的光载波信号。这种复用技术又称为密集波分多路复用(DWDM)。例如，将8路传输速率为2.5Gb/s的光信号经过光调制后，将光信号的波长变换到1550～1557nm范围内，每个光载波的波长相隔大约1nm。在经过密集波分多路复用后，一根光纤上的总传输速率可达到20Gb/s

(8×2.5Gb/s)。9.7.5码分多址与正交频分多路复用

1．码分多址

CDMA的特点主要表现在：

(1) CDMA技术支持多个移动通信用户在同一时间使用相同的频段进行通信，各个用户使用特殊设计的码型，相互之间不会干扰。

(2) CDMA通信系统为每个用户指派一种唯一的码型。它将每一个比特时间划分为m个码片(Chip)，m值一般为64或128，由m个码片组成m比特的码片序列。如果一个用户需要发送100比特的数据，那么CDMA通信系统实际需要发送的码片序列为100×m比特。如果一个用户要求的发送速率为S(b/s)，那么CDMA系统实际发送的速率应该为m×S(b/s)。所以，CDMA属于扩频通信中的直接序列扩频(DSSS)中的一种。

2．正交频分多路复用

正交频分多路复用(OFDM)技术是在频分多路复用的基础上发展起来的。OFDM是多载波调制(Multi-CarrierModulation，MCM)方法的一种。OFDM是将信道分成若干个正交的子信道，将高速数据信号转换成n个并行的低速子数据流，调制到每个子信道上进行传输。正交信号可以在接收端采用相关技术来分开，以实现频分多路复用。

OFDM已经广泛应用于各种数字通信中，如移动无线调频通信系统、高速数字用户线(HDSL)系统、非对称数字用户线(ADSL)以及甚高速数字用户线(VDSL)系统。IEEE802.11a标准的无线局域网的物理层采用OFDM调制方法，使得传输速率可以达到54Mb/s。无线城域网标准IEEE802.16在2～11GHz频段也采用了OFDM调制方法。

9.8同步光纤网SONET与同步数字体系SDH

9.8.1SONET与SDH的基本概念

1．同步、异步与准同步的基本概念

如果要保证数据传输系统正常工作，就要求接收端的接收时钟与发送端的发送时钟严格保持一致，否则接收端不能准确地判断接收到的二进制比特流。因此，同步是保持接收时钟与发送时钟一致性的过程，是网络中的一个重要概念。

1)同步

一组信号为同步信号，意味着信号之间是以绝对相同的频率和相位传输的。如果信号之间的相位或速率存在偏差，则这个偏差必须在规定范围内。在同步网络中，所有时钟都是通过基本的参考时钟PRC获得的，PRC精度必须保持在±1×10－11之内，这样的时钟精度只能通过原子钟获得。

2)准同步

一组信号为准同步信号，意味着信号之间的速率和相位必须基本相同。如果信号之间的相位或速率存在偏差，则这个偏差也必须在规定范围内。在两个互联的网络中，每个网络中的时钟都是通过基本的参考时钟(PRC)获得的，但两个网络的PRC之间的精度可能存在偏差，因此这种系统通常称为准同步系统。

3)异步

如果两个网络的时钟分别从各自的石英振荡器中获得，则这两组信号就是异步信号。由于异步传输系统的时钟是独立和非同步的，接收时钟和发送时钟的差异会造成发送数据速率与接收数