刘克成郑柯计算机网络ppt第2章 数据通信和物理层(新).ppt

1、计算机系网络教研室,计算机网络,第2章 数据通信和物理层,计算机系网络教研室,第 2 章 物理层,2.1 物理层的基本概念 2.2 数据通信系统的基本概念 2.3 数据通信系统的指标 2.4 信道的极限容量（重点、难点） 2.5 数据通信方式 2.6 数据编码与数据调制（重点） 2.7 物理层下面的传输媒体 2.8 信道复用技术（重点、难点） 2.9 数字传输系统 2.10 宽带接入技术,计算机系网络教研室,1 物理层的基本概念,物理层位于传输媒体（传输介质）之上，它的作用是尽量屏蔽具体物理设备或传输媒体的差异，为上层（数据链路层）提供统一的服务。 因此，物理层的主要任务是确定与传输媒体的接口

2、的一些特性，即 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、电气特性、功能特性、规程特性,计算机系网络教研室,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。 规程特性 指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。,计算机系网络教研室,机械特性 规定了物理连接时对插头和插座的几何尺寸、插针或插孔芯数及排列方式、锁定装置形式等。,各类已被ISO标准化了的DCE连接器的几何尺寸及插孔芯数和排列方式。,计算机系网络教研室,电气特性 规定

3、了在物理连接上导线的电气连接及有关的电路的特性，一般包括：接收器和发送器电路特性的说明、表示信号状态的电压/电流电平的识别、最大传输速率的说明、以及与互连电缆相关的规则等。 物理层的电气特性还规定了DTE-DCE接口线的信号电平、发送器的输出阻抗、接收器的输入阻抗等电器参数。,计算机系网络教研室,功能特性 规定了接口信号的来源、作用以及其它信号之间的关系。 过程特性 规定了使用交换电路进行数据交换的控制步骤，这些控制步骤的应用使得比特流传输得以完成。,2 数据通信的基础知识,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,PC

4、机,1 数据通信系统的模型,计算机系网络教研室,几个术语,信息(Information) 是人们对现实世界的事物的存在方式及其运动状态的认识。 数据(data)运送消息的实体。是把事件的某些属性规范化后的表现形式;最原始，计算机能表示的。各种需要传输和处理的信息（文字，图像、声音、动作等）。 信号(signal)数据的电气的或电磁的表现。,计算机系网络教研室,信息：人对雪花和马的认识 数据：文字，二进制数，十进制数 信号：电压，光，磁场强度,计算机系网络教研室,模拟信号和数字信号,模拟信号（analog signal）的信号电平是连续变化的； 时间上连续，包含无穷多个值 数字信号（digita

5、l signal）是用两种不同的电平去表示0、1比特序列的电压脉冲信号表示,时间上离散，仅包含有限数目的预定值,模拟信号：优点是它能对细节进行表示，但是噪声、或来自其他源的干扰，会严重地影响模拟信号，比数字信号更易于出错，因此模拟信号对于数据发送并不是最佳选择。 随着信号的传播，信号能量会逐渐减少，这就是信号的衰减。模拟信号和数字信号存在着衰减。为了补偿衰减，要经常对数字信号和模拟信号进行转发，也即使将信号重新放大，以使它们传播得更远。,模拟信号的转发：在模拟信号转发过程中会出现这样的问题当它被转发时信号幅度将增强，同时伴随的被累积的噪声幅度也将增强，这种杂乱无章的增强将使得模拟信号变形更加严

6、重。下图显示了因噪声而变形并在随后又被放大的模拟信号的波形。,因噪声变形继而被放大的模拟信号,数字信号：由脉冲值为1 或0 的精确电压组成，如同在任何二进制系统中用1 和0 组合来对信息进行编码一样，在数字信号中每个脉冲被称为一个二进制数或位。一个位只能有两种可能值：1 或0 。,相对于模拟信号，数字信号传输数据时更可靠些。,数字信号的转发：相对于模拟信号，数字信号被转发时，实际上是将原始信号以不变形的、并且无噪声的放大形式重新发送，该过程也被称之为波形再生。再生一个数字信号的设备被称之为中继器。,网络仅仅收发由精确脉冲所表示的1 和0 两种模式，因为数字传输要比依靠可变电压的模拟传输可靠得多

7、，并且数字发送几乎不受噪声影响。所以大部分网络仅限于使用数字传输。,因噪声而变形的数字信号进而被转发,计算机系网络教研室,模拟信道和数字信道,信道（channel） 向某一个方向传输信息的媒体。 模拟信道 是用来传输连续的模拟信号(如正弦波信号)的信道； 如果利用模拟信道传送数字数据，则必须经过数字与模拟信号之间的变换（A/D变换器）。 数字信道 是用来传输离散的数字信号(如脉冲信号)的信道。,计算机系网络教研室,2.3 数据通信系统的指标,为了衡量数据传输的有效性和可靠性，数据通信系统有以下性能指标：数据传输速率、带宽、波特率、误码率等。 数据通信系统的性能指标主要有以下几项 ： 波特率 码

8、元的传输速率 比特率信息的传输速率 信道容量信道能达到的最大传输能力。 误码率 数据通信系统的传输可靠性的指标,计算机系网络教研室,码元,码元：承载信息量的基本信号单位。一码元就是一个单位电脉冲。 一码元所承载的信息量，由脉冲信号所能表示的数据有效离散值的个数决定的。 例：一个码元（脉冲）仅可取0和1两个有效值时，则该码元只能携带一位（bit）二进制信息，-1 位信息量 一个码元（脉冲）可取00、01、10、11四个有效值时，则该码元能携带二位（bit）二进制信息。-2位信息量 一个码元（脉冲）可取000、001、010.、011、100、101、110、111八个有效值时，则该码元能携带三位

9、（bit）二进制信息。-3位信息量,计算机系网络教研室,结论： 一个码元（脉冲）可取M个有效值时，则该码元能携带 log M（bit）二进制信息,计算机系网络教研室,码元和比特的关系,计算机系网络教研室,码元传输速率 码元传输速率，又称为码元速率或传码率。其定义为每秒钟传送码元的数目，单位为“波特”,常用符号“Baud”表示，简写为“B”。 数据传输速率（比特(bit)率）每秒能传输构成代码的位(bit)数。 单位为比特/秒（bit/s）、位/秒。简记为b/s或bps； 调制速率： 线路上单位时间内传送的波形（码元）个数。波形变换的次数。单位是波特（baud）.又称波特率或码元速率 数据速率=

10、码元速率log M为一个码元所取的离散值个数或信号的编级数,计算机系网络教研室,信道容量,信道容量表征一个信道传输数据的能力,单位也用位/秒(bps)。信道容量与数据传输速率的区别在于,前者表示信道的最大数据传输速率,是信道传输数据能力的极限,而后者则表示实际的数据传输速率。,计算机系网络教研室,练习 ： 假设某信道的最大码元传输速率为2400baud，采用四电平的编码方式，该信道的最高数据传输速率是多少？,计算机系网络教研室,2、信道带宽,信道带宽：指的是网络信号可使用的最高频率与最低频率之差、或者说是“频带的宽度 ，单位是赫（或千赫、兆赫、吉赫等）。,计算机系网络教研室,传输媒体的带宽,任

11、何传输媒体都只能传输某些频率范围内的信号，即具有一个有限的带宽。 如果媒体带宽小于信号的有效带宽，接收将会失真。,计算机系网络教研室,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)。 更常用的带宽单位是 千比每秒，即 kb/s （103 b/s） 兆比每秒，即 Mb/s（106 b/s） 吉比每秒，即 Gb/s（109 b/s） 太比每秒，即 Tb/s（1012 b/s）,注：,计算机系网络教研室,练习：,有600MB（兆字节）的数据，要甲地传送到乙地。设信息传送的速率是56Kb/s，则从甲到乙要多长时间？如果信息传送的速率是10Mb/s

12、呢？,计算机系网络教研室,练习：,1、设数据信号码元长度为83310-6秒，如采用16电平传输，试求数据传信速率和调制速率？ 解：RB=1/T=1/（83310-6 ）=1200Bd R=1200log216=4800bps 2、一个二进制数字信号码元时间长度为0.1s，在传输过程中平均2.5秒产生一个错码，求其平均误码率。 解：2.5秒传输码元数为：2.5/0.1*10-6=2.5106 所以，平均误码率为：1/(2.5106 ) =410-7,计算机系网络教研室,时延(delay 或 latency),发送时延（传输时延 ） 发送数据时，数据块从结点进入到传输媒体所需要的时间。 信道带宽

13、数据在信道上的发送速率。常称为数据在信道上的传输速率。,计算机系网络教研室,时延(delay 或 latency),传播时延 电磁波在信道中需要传播一定的距离而花费的时间。 数据传输速率（即发送速率）和信号在信道上的传播速率是完全不同的概念。,计算机系网络教研室,时延(delay 或 latency),处理时延 交换结点为存储转发而进行一些必要的处理所花费的时间。 结点缓存队列中分组排队所经历的时延是处理时延中的重要组成部分。 处理时延的长短往往取决于网络中当时的通信量。 有时可用排队时延作为处理时延。,计算机系网络教研室,时延(delay 或 latency),数据经历的总时延就是发送时延、

14、传播时延和处理时延之和：,总时延 = 发送时延 + 传播时延 + 处理时延,计算机系网络教研室,三种时延所产生的地方,1 0 1 1 0 0 1,发送器,队列,结点 B,结点 A,数据,从结点 A 向结点 B 发送数据,链路,计算机系网络教研室,习题：,收发两端之间的传输距离为1000km，信号在媒体上的传播速率为2108m/s 。试计算以下两种情况的发送时延和传播时延： （1）数据长度为107bit，数据发送速率为100kb/s。 （2）数据长度为103bit，数据发送速率为1Gb/s。,计算机系网络教研室,答案：,（1）发送时延： ts=107105=100s 传播时延： tp=106(2

15、*108)=0.005s （2）发送时延： ts=103109=0.000001s 传播时延： tp=106(2*108)=0.005s,结论： 若数据长度大而发送速率低，则在总的时延中，发送时延往往大于传播时延； 但若数据长度短而发送速率高，则传播时延就可能是总时延中的主要成分。,计算机系网络教研室,4 、时延带宽积和往返时延,链路的时延带宽积又称为以比特为单位的链路长度。 表示发送端连续发送数据，则发送的第一个比特即将到达终点时，发送端就已经发送了“时延带宽积 ”个比特,计算机系网络教研室,习题：,假设信号在媒体上的传播速率为2.3108m/s。媒体长度l分别为： (1)10cm（网卡）

16、(2)100m（局域网） (3)100km（城域网） (4)5000km（广域网） 试计算当带宽为1Mb/s和10Gb/s时在以上媒体中正在传输的比特数。,计算机系网络教研室,答案：,计算机系网络教研室,5. 利用率,利用率有信道利用率和网络利用率两种。 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。 信道利用率并非越高越好。,时延 D,利用率 U,1,0,D0,时延 急剧 增大,结论：信道或网络利用率过高会产生非常大的时延。,图：时延与利用率的关系,计算机系网络教研室,6. 误码率,误码率（Pe）是指二进制数据位传输时出错的概率。它是衡量数据通信系

17、统在正常工作情况下的传输可靠性的指标。 根据概率统计理论，此概率近似等于被传错的码元数与所传送的码元总数之比。即：,式中，Ne为被传错的码元数，N为所传送的码元总数。 在计算机网络通信系统中，要求误码率低于10-6。 如果实际传输的不是二进制码元，需折合成二进制码元计算。,Pe =,Ne,N,7、奈氏(Nyquist)准则,每赫带宽的理想低通信道的最高码元传输速率是每秒 2 个码元。 由此可推出表征信道数据传输能力的奈奎斯特公式: C =2Wlog2M (bps)此处,M仍然表示携带数据的码元可能取的离散值的个数,C即是该信道最大的数据传输速率,理想低通信道的最高码元传输速率 = 2W Bau

18、d,W 是理想低通信道的带宽，单位为赫(Hz),不能通过,能通过,0,频率(Hz),W (Hz),计算机系网络教研室,另一种形式的奈氏准则,每赫带宽的理想带通信道的最高码元传输速率是每秒 1 个码元。,理想带通特性信道的最高码元传输速率 = W Baud,W 是理想带通信道的带宽，单位为赫(Hz),不能通过,能通过,0,频率(Hz),W (Hz),不能通过,计算机系网络教研室,8、香农(Shannon)定理,香农(Shannon)用信息论的理论推导出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限、无差错的信息传输速率。 信道的极限信息传输速率 C 可表达为 C = W log2(1+S/N) b/s

19、 W 为信道的带宽（以 Hz 为单位）； S 为信道内所传信号的平均功率； N 为信道内部的高斯噪声功率。,计算机系网络教研室,请注意,由于实际使用的信道的信噪比都要足够大，故常表示成10log10(S/N)，以分贝(dB)为单位来计量，在使用时要特别注意。,计算机系网络教研室,练习：,信噪比为30dB,带宽为3kHZ的信道的最大数据传输速率为？ 分析：由于信噪比为30dB，所以有： 10log10(S/N)=30成立，计算得S/N=1000； 由香农定量得： C=3000log2(1+1000）30kbps。,计算机系网络教研室,练习,某一待传输的图片约含2.25106个象元。为了很好的重现

20、图片需要16个亮度电平。假若所有这些亮度电平等概率出现，试计算用3分钟传送一张图片时所需要的信道带宽（设信道中信噪功率比30dB）。 分析：数据传输速率 R=2.25106 log216/180=5104 b/s 有香农定理C =B*log2(1+s/n)= 5104 b/s 由于信噪比为30dB，所以有： 10log10(S/N)=30成立，计算得S/N=1000； B=5103 Hz,练习：在一个带宽为3kHz、没有噪声的信道，传输二进制信号时能够达到的极限数据传输率为（1）。一个带宽为3kHz、信噪比为30dB的信道，能够达到的极限数据传输率为（2）。上述结果表明，（3）。根据Nyqui

21、st定理，为了保证传输质量，达到3Kbps的数据传输率需要的带宽为（4）。在一个无限带宽的无噪声信道上，传输二进制信号，当信号的带宽为3kHz时，能达到的极限数据传输率为（5）Kbps。 （1）A3Kbps B6Kbps C56Kbps D10Mbps （2）A12Kbps B30Kbps C56Kbps D10Mbps （3） A有噪声信道比无噪声信道具有更大的带宽 B有噪声信道比无噪声信道可达到更高的极限数据传输率 C有噪声信道与无噪声信道没有可比性 D条件不同，不能进行直接的比较 （4）A3kHz B6kHz C2kHz D56kHz （5）A1.5 B3 C6 D3log23,答案：（

22、1）B，（2）B，（3）D，（4）B，（5）C。,计算机系网络教研室,计算机系网络教研室,2.4 数据通信方式,数据通信（传输）的方式，可以从不同的角度划分，本节介绍： （1）单工模式、半双工模式和全双工模式 （2）并行传输和串行传输 （3）同步传输和异步传输 （4）基带传输和频带传输,计算机系网络教研室,2.4.1 单工模式、半双工模式和全双工模式,从通信的双方信息交互的方式来看，可以有以下三种类型： 单工模式（单向通信）信息只能朝着一个方向传递，信息传输方向不能改变。只需一条信道。 半双工模式（双向交替通信）数据信息可以双向传递，但不能同时进行。在此方式中信息流轮流使用发送和接收装置。 全

23、双工模式（双向同时通信）能同时进行双向通信。需要两条不同方向的信道。,计算机系网络教研室,2.4.2 并行传输和串行传输,在计算机通信系统中，根据组成字符的各个二进制位是否同时传输，通信方式分为:并行传输和串行传输。,计算机系网络教研室,1. 并行传输,几位数据同时从一个设备发往另一设备，传输速度快。 计算机内部常用（并行数据传输线称为“总线”）。亦用于短距传输。,计算机系网络教研室,串行传输,数据一位位地按顺序传送，一次只能传送一位。实现容易，但传输速度慢，通常用于远程通信。 与线路接口处需要有“并-串”或“串-并”转换器。 串行传输又分为：同步传输和异步传输。,计算机系网络教研室,计算机系

24、网络教研室,2.4.3 同步传输和异步传输,所谓同步，就是要求接收端按照发送端所发送码元的频率或起止时间来接收数据，使得收发双方在时序上保持一致。 由于并行通信通常用于计算机内部通信，有统一的内部时钟，无须进行同步，所以同步一般用于串行通信中。 在串行传输中，按照同步方式，又分为同步传输和异步传输。,计算机系网络教研室,1. 异步传输,异步传输方式又称为起止式同步方式，它是以字符为单位进行同步的，以字符为传输单位的。,所谓异步传输是指字符与字符（一个字符结束到下一个字符开始）之间的时间间隔是可变的，并不需要严格地限制它们的时间关系。,计算机系网络教研室,异步传输的特点,优点： 每一个字符本身就

25、包括了本字符的同步信息，不需要在线路两端设置专门的同步设备。 实现简单，控制容易，如果出现错误，只需重发一个字符即可。 因此，异步传输适用于面向字符的、低速的异步通信场合。例如，计算机与Modem之间的通信就是采用这种方式。 缺点 通信开销大，每传输一个字符都要额外附加23位，通信效率比较低。,计算机系网络教研室,2. 同步传输,同步传输方式是以固定的时钟节拍来连续串行发送数字信号的一种方法。其数据格式如下图所示：,同步传输方式中，要求收发两端的时钟都必须在每个比特上保持一致。 在同步传输中，数据的发送一般以帧为单位。 传送时在每个帧的帧首加两个或两个以上同步字符sync，帧内每个字符前后不附

26、加起止位。 同步字符sync是一个独特的比特组合，用于通知接收方一个帧已经到达。 sync除了具有起始位的功能外，还能确保接收方的采样速度和比特的到达速度保持一致，收、发方一般采用同一同步时钟。,计算机系网络教研室,同步传输的特点,同步传输方式的传输效率高，开销小，但收发双方需建立同步时钟，实现和控制比较复杂；在传输的数据中有一位出错，就必须重新传输整个数据块。 同步传输方式适合于高速场合。 同步传输有面向字符和面向位两种方式。,计算机系网络教研室,练习：,1、异步传输中，假定停止位为2位，1位偶校验，数据位为8位，传输效率为多少？ 解：=8/（1+1+2+8）=66.6% 2、异步传输中，假

27、定停止位为1位，无偶校验，数据位为8位，传输效率为多少？,计算机系网络教研室,2.4.4 基带传输和频带传输,基带信号：指在通信电缆上原封不动的传输有计算机或终端产生的0或1数字脉冲信号。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。 基带传输是在信道中直接传送基带信号。 频带传输是将基带信号调制成模拟信号，放到信道的通频带宽之内进行传输。 宽带信号：是将基带信号进行调制后形成的频分复用模拟信号。,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。 a.宽带系统能同时接入几个信道，因而能够比基带系统传输更多的数据。 宽带传输能将有线电视带入家庭。有线电视能

28、够传输的数据量至少是一个典型基带系统（如Ethernet）传输数据量的几十倍。 b.在宽带系统中，信号仅仅只能进行单向传输。因此，宽带电缆必须为数据的发送和接收提供独立的电缆。由于大部分有线电视电缆只提供一条电线，若不做任何修改，它将不能用于把数据从屋中向外传输。 c.由于使用一些额外的硬件，宽带传输通常比基带传输昂贵得多。 d.另一方面，宽带系统能够比基带系统跨越更长的距离。,计算机系网络教研室,2.5 数据编码技术,计算机系网络教研室,2.5 数据编码,在计算机中数据是以二进制0、1比特序列方式表示的，而计算机数据在传输过程中采用什么样的编码取决于它所采用的通信信道所支持的数据类型。计算机

29、网络中常用的通信信道分为两类：模拟信道和数字信道,相应的用于数据通信的数据编码方式也分为两类：模拟数据编码和数字数据编码。,计算机系网络教研室,模拟数据和数字数据都可以用模拟信号或数字信号来表示，因而也可以用其中任意一种形式传输。,2.5 数据编码与数据调制,计算机系网络教研室,2.5.1 数字数据的数字信号编码,计算机发出的数字信号是用不同的电平表示的0、1比特序列的，形成矩形脉冲信号，这种没有经过调制的原始数字信号称为“基带信号”，基带传输时,需要解决数字数据的数字信号表示以及收发两端之间的信号同步问题。最常用的数字信号编码技术有以下几种： （1）非归零码NRI； （2）曼彻斯特编码； （

30、3）差分曼彻斯特编码。 （4） mB/nB编码； （5） 多进制编码。,计算机系网络教研室,1 不归零编码Nonreturn to Zero (NRZ),非归零（Non-Return to Zero，NRZ）码是用信号的幅值来表示二进制数据，负电平用于示一个二进制值，正电平用于表示另一个二进制值 由比特值决定信号的电平。NRZ码是最容易实现的，实际上是直接将计算机发出的信号加到通信线路上，未作任何处理，代价也最低。但NRZ码的缺点是接收方无法判断一位的开始和结束，即不具备同步特性,计算机系网络教研室,同步：问题在哪里?,请看下图到底有几个”1”（用高电平表示）?,当一台设备发送一个比特的数字信

31、号时，它将在一定的周期内（假定为T）产生一个持续的信号。一个内置的时钟负责定时。接收设备必须知道信号的周期，这样它才能在每个T 时间单元内对信号进行采样。它也有一个负责定时的内置时钟。剩下的就是确保收发两端的两个时钟使用同样的T 。任何物理设备都存在着设计上的局限性和缺陷。几乎可以肯定任何两个时钟都存在着微小的差别，这使得设备无法对传输信号作十分精确的采样。,计算机系网络教研室,2 曼彻斯特编码Manchester Encoding,每个比特间隔的中间位置处都存在一个跳变。这种中间处的跳变既含有时钟信息，也含有数据信息：从低到高的跳变代表1，从高到低的跳变代表0 (注意有些系统也可能相反)。,

32、计算机系网络教研室,曼彻斯特编码的优点和缺点,优点： 接收方容易利用每个数据位中间位置的跳变生成同步时钟信号，勿需单独传送时钟，又称自带时钟码； 利用跳变的相位容易判断“0”和“1”； 因为每个数据位中间都有跳变，因此无直流分量。 缺点： 曼彻斯特编码的传输效率减少了一半。 10 Mb/s以太网（Ethernet）采用的就是曼彻斯特编码。,计算机系网络教研室,3 差分曼彻斯特编码Differential Manchester Encoding,比特间隔中间位置处的跳变仅含有时钟信息。在比特间隔开始处如果出现跳变表示0，如果没有跳变表示1。,计算机系网络教研室,解码,在解码过程，只要把前一位的后

33、半位和本位的前半位进行“异或”即可判别出“0”或“1”的不同状态。 两者相同，表示在码位之间无跳变发生，表示的是“1”； 两者不同，表示在码位之间有跳变发生，表示的是“0”。 差分曼彻斯特编码是IEEE802.5令牌环网中使用的编码方式。,计算机系网络教研室,4. mB/nB编码,mB/nB（其中mn）编码方式是把m比特的二进制数据块（block）用n比特的二进制代码块来表示。 FDDI和百兆以太网：4B/5B编码 千兆以太网：8B/10B编码 万兆以太网：8B/10B和64B/66B两种编码 mB/nB编码后一般不直接放到物理线路上传输，还要进行一次线路编码，变成媒体中传输的电信号或光信号，

34、即两级编码。,计算机系网络教研室,4B/5B编码,4B/5B编码把4比特的二进制数据块用5比特的二进制码代码块来表示。 这种编码将欲发送的数据流每4比特作为一块，然后将每一块按4B/5B编码规则转换成相应的5B码。,计算机系网络教研室,4B/5B编码的数据码元对照情况,计算机系网络教研室,4B/5B编码的优点, 可以保证做到无论4B码是什么样的组合，所转换成的5B码中至少有两个“1”，这样FDDI在光纤中传输的光信号至少发生两次跳变，而且在32种5B码中选择了其中没有连续3个“0”的编码，从而利于接收端时钟的提取。 5B码共有32种组合，16种组合做数据码，对应于16种4B码，其余的部分5B码

35、可以用作控制码和空闲码等，用来表示如码流的开始和结束、线路状态空闲等，它们不会和数据码重复。,计算机系网络教研室,mB/nB编码,2m个数据码是从2n个nB码选出来的。根据需要，一般要使“0”和“1”等概率、连续的“0”和“1”数目小。 优点： 其频谱低频分量小 直流基线漂移小 频率范围较窄 时钟成分丰富，定时提取方便 除2m个数据码外，总有一些可以做控制码,计算机系网络教研室,mB/nB编码,缺点：增加了编码开销 对于4B/5B码和8B/10B码，编码开销增加了25%； 对于64B/66B码，编码开销增加了3.125%； 对于mB/nB码，编码开销增加了（n-m）/m%。,计算机系网络教研室

36、,5. 多进制编码,数字数据编码中，通常利用码元的某些特征，如幅值、相位等来携带数字数据，这些特征可以有多种状态，称为码元状态数，每种状态可以表示一个数，编成多进制码。,计算机系网络教研室,四进制码,在计算机通信网中，为了利用廉价的公共电话交换网（模拟信道）进行远程通信，必须使用调制解调器进行信号变换。 调制器：把要发送的基带信号转换为频率范围在 3003400 Hz 之间的模拟信号（载波信号，载波通常是正弦波或余弦波），以便在电话用户线上传送。 解调器：把电话用户线上传送来的模拟信号转换为数字信号。,2.5.2 数字数据的模拟信号编码,计算机系网络教研室,数字数据调制编码,数字数据在模拟模拟

37、信道上发送时必须先把数字数据模拟化，模拟是借助于载波实现的。载波信号可以表示为余弦波形式： S(t)=Acos(2ft+) ， 频率、幅值和相位是余弦波形函数的三个重要特征，把一个数字数据调制成模拟信号，就是用一个数字数据控制周期信号的幅度、频率或相位。根据数字信号对幅度、频率或是相位进行控制。数字数据的模拟编码分为：幅移键控法；频移键控法；相移键控法,计算机系网络教研室,1. 幅移键控（ASK）,幅移键控(ASK) 又称幅度调制，就是用被传输的数字数据去调制载波信号的振幅。 若载波信号为 Acos(2ft+) ，则振幅调制信号可以表示为：,数字数据为1 数字数据为0,特点：噪声通常只影响振幅

38、。所以ASK是受噪声影响最大的调制技术,计算机系网络教研室,2. 频移键控（FSK）,频率键控(FSK) 又称频率调制，就是用被传输的数字数据去调制载波信号的频率。 若载波信号为 Acos(2ft+) ，则频率调制信号可以表示为：,数字数据为1 数字数据为0,特点：抗干扰性能优于ASK（噪声对其影响小）,计算机系网络教研室,3. 相移键控（PSK）,相移键控(PSK) 又称相位调制，就是用被传输的数字数据去调制载波信号的相位。 若载波信号为 Acos(2ft+) ，则相位调制信号可以表示为：,数字数据为1 数字数据为0,特点：抗干扰性能优于ASK（噪声对其影响小）,计算机系网络教研室,三种类型

39、的调制,计算机系网络教研室,4. 多级调制幅相键控（APK）,以上讲述的调制方法调制后载波信号的某个特征参数（幅度、频率和相位）的级数（即状态数）为2，因此1个调制信号只能表示1个二进制符号（“0”或“1”）。 如果调制后信号的特征参数级数大于2，那么1个调制信号就可能表示多个二进制符号，对于级数为n的调制信号，它可以表示log2n个二进制符号。这种调制称为多级调制。 在同样的调制信号传输速率的情况下，采用多级调制可以达到更高的信息传输速率。,计算机系网络教研室,双相位PSK,二进制 1 二进制 0,计算机系网络教研室,四相位PSK,让每一种变化代表两个比特(4-PSK)。此时我们可以用两倍于

40、2-PSK的速率传输数据。,计算机系网络教研室,正交调幅编码Quadrature Amplitude Modulation (QAM),一种常用于ADSL（非对称数字用户线路）和无线通信的模拟信号传输技术。 调幅(ASK)和调相(PSK)技术的综合(同时改变正弦波三个特性中的振幅和相位)。理论上可以有无数的状态组合。,计算机系网络教研室,64 QAM,计算机系网络教研室,2.5.3 模拟数据的数字信号编码,数字化(Digitization) 把模拟数据转换为数字数据，再通过数字编码技术或其他技术转换为数字信号进行传输。,模拟数据数字信号,主要问题 如何在不损失信号质量的前提下，将信息（数据）从

41、无穷多的连续值转换为有限个离散值。 主要方法：PCM（脉冲编码调制） 采样（脉幅调制，PAM） 量化 二进制编码,计算机系网络教研室,PCM脉冲编码调制,1. PCM脉冲编码调制是最基本的模拟数据数字化编码方法 对模拟信号进行幅度采样，使连续信号变为时间轴上的离散信号。 该方法的理论基础是奈奎斯特(Nyquist)的采样定理：设模拟信号f(t)的最高频率为fm (Hz) ，如果对该模拟信号进行周期性采样，只要采样的频率f 满足f2fm ，则这些离散采样值可以无失真地恢复成原来的模拟信号。 主要过程： 采样 量化 二进制编码,计算机系网络教研室,（1）采样,每隔一定的时间间隔，把模拟信号的幅值取

42、出来作为样值来代表原信号。采样频率f 2 fm 。,计算机系网络教研室,（2）量化,为了将模拟信号进一步离散化，将幅值划分成n个量化级。把采样所得到的样值用取整或四舍五入等方法归并到某个临近的整数幅值。,计算机系网络教研室,（3）编码,用一定位数的二进制数字来表示量化后的幅值，其位数称为字长。字长=log2n,计算机系网络教研室,“数字-数字”编码,使用各种“数字数据-数字信号”编码技术将二进制数字转换为数字信号进行传送。,计算机系网络教研室,脉冲编码调制: 模拟数据数字化,计算机系网络教研室,小结：模拟信号在数字信道上传输,采样：按信号最高频率fmax的两倍频率取样可精确还原 （Nyquis

43、t Theorem，奈奎斯特定理） 量化：将取样获得的脉冲信号在振幅上进行数值分级（我国标准中量化分为256个等级） 编码：将量化后的数值转换为对应的二进制编码 然后再用“数字数字”编码技术进行二次编码。,计算机系网络教研室,练习：,PCM是现代电话系统的核心。对于一个声音信道：带宽为4kHz，每秒采样多少次可完整地表示声音信号的特征? 若量化级为128级，一条数字线路的数据传输速率为多少才能不失真地传输声音？若量化级为256级，数据传输速率又为多少？如果每个样本增加1位冗余，数据传输速率应达到多少？,计算机系网络教研室,2.6 信道复用技术,复用(multiplexing)是将多个信源的彼此

44、无关的信号，组合在一条物理信道上进行传送的技术。 适用场合：当信道的传输能力大于每个信源的平均传输需求时,共享信道,信道,A1,A2,B1,B2,C1,C2,信道,信道,A1,A2,B1,B2,C1,C2,复用,分用,(a) 不使用复用技术,(b) 使用复用技术,计算机系网络教研室,常用的多路复用技术有： 频分多路复用（FDM，Frequency Division Multiplexing） 时分多路复用（TDM，Time Division Multiplexing） 波分多路复用（WDM，Wavelength Division Multiplexing） 码分多路复用（CDM，Code Di

45、vision Multiple）,计算机系网络教研室,频分多路复用FDM（Frequency Division Multiplexing）,频率,时间,频率 1,频率 2,频率 3,频率 4,频率 5,用途：主要用于模拟信道的复用。 原理：整个传输频带被划分为若干个频率通道，每路信号占用一个频率通道进行传输。频率通道之间留有防护频带以防相互干扰。,计算机系网络教研室,2.6.1 频分复用 FDM,按照频率区分信号的方法，把传输频带分为若干个较窄的频带，每个频带构成一个子信道，独立地传输信息。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。 频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的

46、带宽资源（请注意，这里的“带宽”是频率带宽而不是数据的发送速率）。,频分复用的用途：主要用于模拟信道的复用。如有线电视,计算机系网络教研室,频分多路复用的实现过程,频分多路复用技术对整个物理信道的可用带宽进行分割，并利用载波调制技术，实现原始信号的频谱迁移，使得多路信号在整个物理信道带宽允许的范围内实现频谱上的不重叠。 为了避免两个相邻频段的信号互相干扰，频段之间要保留一定的隔离频带，称为保护带。,保护带,计算机系网络教研室,频分多路复用技术示例,三路音频模拟信号复用一个带宽为12Hz的物理信道：,300 3400,计算机系网络教研室,2.6.2 时分复用TDM,当物理信道可支持的位传输速率超

47、过单个原始信号要求的数据传输速率时，可以将时间划分为一段段等长的时分复用帧（TDM 帧）。每个帧又划分成若干个时隙，每一个用户在每一个 TDM 帧中占用固定序号的时隙。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）。这种时分复用方式又称为同步时分多路复用。 主要用于数字信道的复用。 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（整个信道的带宽）。,计算机系网络教研室,时分复用,频率,时间,B,C,D,B,C,D,B,C,D,B,C,D,A 在 TDM 帧中 的位置不变,计算机系网络教研室,时分复用,频率,时间,C,D,C,D,C,D,A,A,A,A,C,D,B 在 TDM

48、 帧中 的位置不变,计算机系网络教研室,时分复用,频率,时间,B,D,B,D,B,D,A,A,A,A,B,D,C 在 TDM 帧中 的位置不变,计算机系网络教研室,时分复用,频率,时间,B,C,B,C,B,C,A,A,A,A,B,C,D 在 TDM 帧中 的位置不变,计算机系网络教研室,A,B,C,D,a,a,b,d,b,c,a,t,t,t,t,t,4 个时分复用帧,#1,c,d,时分复用,#2,#3,#4,用户,C没有信息,D没有信息,A没有信息,D没有信息,A没有信息,B没有信息,D没有信息,B没有信息,C没有信息,1,2,3,4,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

49、，用户对分配到的子信道的利用率一般是不高的。,时分复用可能会造成线路资源的浪费,计算机系网络教研室,统计时分复用 STDM,用户,A,B,C,D,a,b,c,d,t,t,t,t,t,3 个 STDM 帧,#1,a,c,b,a,b,b,c,a,c,d,#2,#3,统计时分复用又称为异步时分多路复用，允许动态地分配时间片。根据用户对时间片的需求来分配时间片，没有数据传输的用户不分配时间片。同时对每个时间片加上用户标识，以区别该时间片属于该用户。,.,计算机系网络教研室,练习：,10个9.6Kb/s的信道按时分多路复用在一条线路上传输，如果忽略控制开销，在同步TDM情况下，复用线路的带宽应该是（1）

50、；在统计TDM情况下，假定子信道只有30%的时间忙，复用线路的控制开销为10%，那么复用线路的带宽应该是（2）。 （1）A32Kb/sB64Kb/sC72Kb/sD96Kb/s （2）A32Kb/sB64Kb/sC72Kb/sD96Kb/s,答案：（1）D，（2）A,计算机系网络教研室,2.6.3 波分复用 WDM,波分复用就是光的频分复用，它利用了光具有不同的波长的特征。 原理：利用波分复用设备（如衍射光栅）将不同信道的信号调制成不同波长的光，并复用到光纤信道上。在接收方，采用相同设备分离不同波长的光。,计算机系网络教研室,1550 nm 0 1551 nm 1 1552 nm 2 1553

51、 nm 3 1554 nm 4 1555 nm 5 1556 nm 6 1557 nm 7,0 1550 nm 1 1551 nm 2 1552 nm 3 1553 nm 4 1554 nm 5 1555 nm 6 1556 nm 7 1557 nm,8 2.5 Gb/s 1310 nm,20 Gb/s,复 用 器,分 用 器,EDFA,120 km,光调制器,光解调器,8 2.5 Gb/s 1310 nm,计算机系网络教研室,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；,.,计算机系网络教研室,2.6.4 码分复用 CDM,常用的名词是码分多址 CDMA (Code

52、Division Multiple Access)。 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。每个用户可以在同样的时间使用同样的频带进行通信。 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。 采用CDMA可提高通信的语音质量和数据传输的可靠性，减少干扰对通信的影响，降低手机的平均发射功率等等。,计算机系网络教研室,码片序列(chip sequence),每一个比特时间划分为 m 个短的间隔，称为码片(chip)。 每个站被指派一个唯一的 m bit 码片序列。 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

53、进制反码。 例如，S 站的 8 bit 码片序列是 00011011。 发送比特 1 时，就发送序列 00011011， 发送比特 0 时，就发送序列 11100100。 习惯上，我们将码片中的0写成-1，1写成+1，因此，S 站的码片序列：(1 1 1 +1 +1 1 +1 +1),计算机系网络教研室,CDMA 的重要特点,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)。 在实用的系统中是使用伪随机码序列。,计算机系网络教研室,码片序列的正交关系,令向量 S 表示站 S 的码片向量，令 T 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 S

54、和T 的规格化内积(inner product)都是 0：,(2-3),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是正交的。,计算机系网络教研室,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 1。,正交关系的另一个重要特性,计算机系网络教研室,CDMA 的工作原理,S 站的码片序列 S,1,1,0,t,t,t,t,t,t,m 个码片,t,S 站发送的信号 Sx,T 站发送的信号 Tx,总的发送

55、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,计算机系网络教研室,当S站发送比特1时，在接收端计算内积的结果是1； 当S站发送比特0时，在接收站计算内积的结果是1； 当S站没有发送数据时，在接收站计算内积的结果是0。,例：共有4个站进行码分多址CDMA通信。4个站的码片序列为： A：（1 1 1 1 1 1 1 1 ） B：（1 1 1 1 1 1 1 1 ） C：（1 1 1 1 1 1 1 1 ） D：（1 1 1 1 1 1 1 1 ） 现收到这样的码片序列：（ 1 1 3 1 1 3 1 1 ）。问哪个站发送数据了？发送数据的站

56、发送的1还是0？ 答：SA=（11311311）8=1， A发送1 SB=（11311311）8=1， B发送0 SC=（11311311）8=0， C无发送 SD=（11311311）8=1， D发送1,练习：对一路信号进行FSK调制时，若载波频率为fc，调制后的信号频率分别为f1和f2（f1f2），则三者的关系是（1）。当对多路信号进行调制时，调制后各信号的频谱（2）。信号到达接收端后通过（3）分离各路信号。 （1）Afcf1=f2fc Bf2f1=fc Cf2+f1=fc Df1f2=fc （2）A相同 B部分重叠 C连续 D不重叠且不连续 （3）A解调器 B带通滤波器 C载波发生器 D

57、终端软件 分析：FSK就是选取某一频率的正弦信号作为载波，用以运载所要传送的数字数据。其调制过程是：根据传送的不同数据，改变载波频率的值。如果载波频率为fc，调制后的信号频率分别为f1和f2（f1f2），通常它们的关系满足：fcf1=f2fc。 答案 （1）A（2）D（3）B,计算机系网络教研室,几种复用技术的简单对比,例：假设现在在开会TDM(时分复用)如在同一个房间轮流发言的方式，但一次只能一个人说，一个说完，另一个继续。FDM(频分复用)则先将大房间隔成若干个小房间，每个小房间里的人互相交流。CDMA(码分多路复用)则是把所有的人放在一个大房间里，他们说着不同的语言。这样他要交流只要找自

58、己的语言的那个，而不用担心别的语言的噪声。,.,计算机系网络教研室,E1 与T1,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 (Time Division Multiplexing)的方法装成时分复用帧，然后发送到线路上。 中国采用欧洲体制，以 E1 为一次群。 美国和日本等国采用北美体制，以 T1 为一次群。,计算机系网络教研室,E1线路 2.048Mbps,E1由32个多路复用信道组成 每个信道采样8000次/秒，每次采样量化为8bit。 32个多路复用信道每次采样组成一个帧，即每帧为：32个信道*8bit=256bit。 256bit*8000次/秒=2.048Mbps,计算机系网络教研室,E1 的时分复用帧,2.048 Mb/s,传输线路,CH0,CH16,CH17,CH15,CH15,CH16,CH17,CH31,CH31,CH0,CH1,CH1,时分复用帧,CH0,CH1,CH2,CH15,CH16,CH17,CH30,CH31,CH0,8 bit,t,时分复用帧,时分复用帧,T = 125 ms,15 个话路,15 个