计算机网络第2章.ppt

1、第2章,物理层,物理层（Physical Layer）,功能：在物理媒体(介质)上正确地、透明地传送比特流。 服务：串行和并行 协议(标准)：规定了物理接口的各种特性： 机械：物理连接器的尺寸、形状、规格 电气：信号电平，信号的脉冲宽度和频率，数据传送速率，最大传输距离等 功能：接口引（线）脚的功能和作用 规程：信号时序，应答关系，操作过程 例：RS-232、RS-449、V.24、 V.35、G.703/G.704,RS-232-C,外形为25针或9针的D形连接器（机械） 通信速率（b/s）：（电气） 100、300、600、1200、2400、4800、9600、19.2K、33.6K、5

2、6K 信号电平： 逻辑“1”：-3V-15V 逻辑“0”：+3V+15V 引脚定义（功能）,H：Host（DTE），M：Modem（DCE） 设备握手 DTR：HM（保持，表示H已可以工作） DSR：HM（保持，表示M已可以工作） 监视载波信号 DCD：HM载波（表示数据链已建立） 接收数据 RD： HM数据调制信号 断开连接 DCD消失、H撤除DTR、M撤除DSR,信号时序（接收）（规程）,设备握手 DTR：HM（保持） DSR：HM（保持） 请求发送 RTS：HM（保持），M载波，在对方产生DCD CTS：HM（保持） 发送数据 TD：HM数据调制信号 断开连接 H撤除RTS/DTR M撤

3、除CTS/DSR，停止发送载波,信号时序（发送）,DTE和DCE,DTE (Data Terminal Equipment) 是指具有一定的数据处理能力以及收发能力的数据输入/输出设备、终端设备或计算机等终端装置。 DCE(Data Communication Equipment) 是指自动呼叫应答设备、交换机以及其他一些中间装置的集合,其作用就是在DTE和传输线路之间提供信号变换和编码的功能，并且负责建立、保持和释放数据链路连接。,2.EIA RS-449及RS-422与RS-423接口标准 RS-499对标准连接器做了详细的说明，由于信号线较多，使用了37芯和9芯连接器，37芯连接器定义了

4、与RS-449有关的所有信号，而辅信道和信号在9芯连接器中定义。,RS-449标准的电器特性有两个标准，即平衡式的RS-422标准和非平衡式的RS-423标准。RS-422电气标准是平衡方式标准，它的发送器、接收器分别采用平衡发送器和差动接收器，由于采用完全独立的双线平衡传输，抗串扰能力大大增强。RS-423电气标准是非平衡标准，它采用单端发送器(即非平衡发送器)和差动接收器。,3.100系列和200系列接口标准 CCITT V.24建议中有关DTE-DCE之间的接口标准有100系列、200系列两种。100系列接口标准作为DTE与不带自动呼叫设备的DCE(如调制解调器)之间的接口。在调制自动呼

5、叫设备的DCE(如网络控制器)中，则由200系列接口标准完成DTE与自动呼叫设备的接口。若系统采用人工呼叫，则无需设置200系列接口。,4. X.21和X.21 bis建议 X.21建议是CCITT于1976年制定的一个用户计算机的DTE如何与数字化的DCE交换信号的数字接口标准。X.21建议的接口以相对来说比较简单的形式提供了点点式的信息传输，通过它能实现完全自动的过程操作，并有助于消除传输差错。,X.21 bis标准指定使用V.24/V.28接口，它们与EIA RS-232D非常类似。美国的大多数公共数据网应用实际上都使用EIA RS-232D(或更早的RS-232C)作为物理层接口。 X

6、.21 bis是X.21的一个暂时过渡版本，它是对X.21的补充并保持了V.24的物理接口。X.25建议允许采用X.21 bis作为其物理层的规程。,2.2 通信基础,数据通信的基本概念 数据通信系统模型 信道的技术指标 奈奎斯特定理 信道的极限信息传输速率,2.1数据通信系统,源系统 源点：源点设备产生通信网络要传输的数据。 发送器：通常源点生成的数据要通过发送器编码后才能够在传输系统中进行传输。 目的系统 接收器：接收传输系统传送过来的信号，并将其转换为能够被目的设备处理的信息。 终点：终点设备从接收器获取传送来的信息。 传输系统 可以是简单的物理通信线路 也可以是连接源系统和目的系统之间

7、的复杂网络设备,数据通信的基本过程,5个阶段 包含两项内容：数据传输和通信控制 过程 与打电话比较 建立物理连接 拨号，拨通对方 建立逻辑连接 互相确认身份 数据传输 互相通话 断开逻辑连接 互相确认要结束通话 断开物理连接 双方挂机,*注意，并不是所有的数据通信都需要全部5个阶段。,2.2基本概念,数据与信号 信道 通信方式 传输方式 同步方式,2.2.1数据与信号,数据（Data） 传递（携带）信息的实体。 信息（Information） 数据的内容或解释。 信号（Signal） 数据的物理量编码（通常为电编码），数据以信号的形式在介质中传播,模拟信号 时间上连续，包含无穷多个信号值 数字

8、信号 时间上离散，仅包含有限数目的信号值。最常见的是二值信号,t,a） 模拟信号,b） 数字信号,周期信号 信号由不断重复的固定模式组成（如正弦波） 非周期信号 信号没有固定的模式和波形循环（如语音的音波信号）。,周期信号,非周期信号,信息编码：将信息用二进制数表示的方法 例如：ASCII编码、BCD编码等 数据编码：将数据用物理量表示的方法 例如：字符“A”的ASCII编码为01000001，其数据编码可能为,信息通过数据通信系统进行传输的过程 把携带信息的数据用物理信号形式通过信道传送到目的地 信息和数据（二进制位）不能直接在信道上传输 编码：数据适合传输的数字信号便于同步、识别、纠错 调

9、制：数字信号适合传输的形式按频率、幅度、相位 解调：接收波形数字信号 解码：数字信号原始数据,不同类型的信号在不同类型的信道上传输有4种情况：,模拟传输和数字传输所使用的技术,编码与调制的区别 编码：用数字信号承载数字或模拟数据 调制：用模拟信号承载数字或模拟数据,Encoder,Decoder,数字或 模拟数据,数字信号,x(t),g(t),数字或 模拟数据,编码与解码,数字信道,发送方,接收方,g(t),编码,解码,调制与解调,2.2.2 信道,信道（Channel）：传送信息的线路（或通路） 数字信道：以数字脉冲形式（离散信号）传输数据的信道 计算机网络中主要采用数字信道进行数据传输 A

10、DSL、ISDN、DDN、ATM、局域网 模拟信道：以连续模拟信号形式传输数据的信道 CATV、无线电广播、电话拨号线路,数字通信与模拟通信 数字通信 在数字信道上实现模拟信息或数字信息的传输 模拟通信 在模拟信道上实现模拟信息或数字信息的传输 数字通信的优点 抗噪声（干扰）能力强 可以控制差错，提高了传输质量 便于用计算机进行处理 易于加密、保密性强 可以传输语音、数据、影像，通用、灵活 计算机通信仅在不得已的情况下，才会采用模拟通信，如通过电话线拨号上网。,2.2.3 通信方式,单工 数据单向传输（例：无线电广播） 半双工 数据可以双向交替传输，但不能在同一时刻双向传输（例：对讲机） 全双

11、工 数据可以双向同时传输（例：电话） 需要具有两条物理上独立的传输线路； 或者需要具有一条物理线路上的两个信道，分别用于不同方向的信号传输。,发送器,接收器,发送器/接收器,发送器/接收器,发送器/接收器,发送器/接收器,单工方式：,半双工方式：,全双工方式：,A站,B站,可同时,不可同时,基带传输：不需调制，编码后的数字脉冲信号直接在信道上传送。 例如：以太网（局域网） 频带传输：数字信号调制成音频模拟信号后再传送，接收方需要解调。 例如：通过电话网络传输数据 宽带传输：把信号调制成频带为几十MHZ到几百MHZ的模拟信号后再传送，接收方需要解调。 例如：闭路电视的信号传输,2.2.4 传输方

12、式,同步的因素： 同步脉冲频率 数据从什么时候开始，什么时候结束 位边界 数据块边界 数据通信中需要在三个层次上实现同步： 位位同步 字符字符同步 帧(Frame)帧同步,2.2.5 同步方式,同步脉冲：用于码元的同步定时，识别码元从何时开始 同步脉冲也可位于码元的中部 一个码元也可有多个同步脉冲相对应,t,码元1,码元2,码元3,码元4,码元5,信号,同步脉冲,t,目的：使接收端与发送端在时间基准上一致 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

13、信号来锁定自己的时钟脉冲频率。,位同步,目的：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、58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8/1173,字符同步,目的：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

14、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,7EH,7EH,帧同步,2.2.3信道的技术指标,时延与时延带宽积 误码率与误比特率 信息传输速率与码元传输速率 信道的最大传输速率,时延,时延：一个数据块（帧、分组、报文段等）从链路或网络的一端传送到另一端所需要的时间。 总时延发送时延 + 传播时延 + 转发时延 发送时延 发送时间数据块长度/信息传输速率 传播时延 传播时延信道长度/电磁波在信道上的传播速率 转发时延,带宽（Band Width，BW）：信道传输能力的度量。 在传统的通信工程中： BW fmax fmin 单位

15、：赫兹（Hz） 在计算机网络中，用每秒允许传输的二进制位数作为带宽的计量单位。主要单位： b/s 、Kb/s、Mb/s、Gb/s。 例如：传统以太网理论上每秒可以传输一千万比特，它的带宽为10Mb/s。,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。,误码率与误比特率,误码率：Pc是指传输的码元被传错的概率 Pc 传错的码元数 传输的码元总数 误比特率：Pb是指传输的比特被传错的概率 Pb 传错的比特数 传输的比特总数,信息传输速率与码元传输速率,信息传输速率 比特（bi

16、t）：即一个二进制位。比特率为每秒传输的比特数（即数据传送速率）。 信息传输速率：是指每秒传输的编码前的数字数据的二进制比特数 码元传输速率 码元（Code Cell）：时间轴上的一个信号编码单元。 码元传输速率：是指每秒传输的码元数 一般情况下，如果码元状态数为M（M为2的整数次幂），则C=B log2M（b/s） 一个码元中可以传送多个比特。 例如：当波特率为9600时 若M=2，数据传输率为9600b/s 若M=16，数据传输率为38.4kb/s 吞吐量：单位时间发送的比特数、字节数或帧数,信道的最大数据传输率,Nyquist公式：用于无噪声理想低通信道 Nyquist公式为估算已知带宽

17、信道的最高数据传输速率提供了依据。 例如，话音级线路的带 宽约为3.1kHz，根据上 式计算的信道最大数据 传输率如右表所示,M 最大数据率 2 6200 b/s 4 12400 b/s 8 18600 b/s 16 24800 b/s 32 31000 b/s,非理想信道 实际的信道上存在损耗、延迟、噪声。 损耗引起信号强度减弱，导致信噪比S/N降低。 延迟会使接收端的信号产生畸变。 噪声会破坏信号，产生误码。 例如：数据传输速率为56kb/s时，持续时间0.01s的干扰会破坏约560个比特。,Shannon公式：用于有噪声干扰信道 例：信道带宽W=3.1kHz，S/N=2000，则 C =

18、 3100log2（1+2000） 34kb/s 即该信道上的最大数据传输率不会大于34kb/s。,信噪比的单位也可用分贝(dB)表示： S/NdB=10log10 S/N 所以，若S/NdB=30dB ，则S/N=1000。,Nyquist公式和Shannon公式的比较,C = 2W log2M 用于理想信道（这样的信道存在吗？） 数据传输率随信号编码级数增加而增加。 C = W log2（1+S/N） 用于有噪声信道（实际的信道总是有噪声！） 无论信号编码级数增加到多少，此公式给出了有噪声信道可能达到的最大数据传输速率上限。 原因：噪声的存在将使编码级数不可能无限增加。,2.3 传输介质,

19、有线传输介质 无线传输介质,2.3.1 有线传输介质,1.双绞线 由螺旋状扭在一起的两根绝缘导线组成，线对扭在一起可以减少相互间的辐射电磁干扰。双绞线是最常用的传输媒体，早就用于电话通信中的模拟信号传输，也可用于数字信号的传输。 双绞线电缆有两种类型：非屏蔽双绞线UTP（Unshielded Twisted Pair）和屏蔽双绞线STP（Shielded Twisted Pair）。,2.3.1 有线传输介质,电子工业协会（EIA）在1995年公布了有关双绞线的标准EIA568A，制定了一种按质量划分UTP等级的标准，每一种定义的电缆类别都有特定用途，其中最常用的有100的3类UTP和5类UT

20、P以及150的STP。3类和5类的主要区别在于单位距离上的旋绞次数。 表2.3给出了3类 UTP、5类 UTP和150的STP三者在衰减和近端串扰两方面性能的比较，其单位都是取分贝值。,2.3.1 有线传输介质,表2.3 双绞线性能的比较,6类:250 MHz(1000BASE-T,ATM) 7类:600 MHz(10千兆以太网),2.3.1 有线传输介质,2.同轴电缆 由一对导体组成，以同轴的方式构成线对。同轴电缆以硬铜线为芯，外包一层用密织的网状导体环绕的绝缘材料，网外又覆盖一层保护性材料。同轴电缆的这种结构，使它具有高带宽和极好的噪声抑制特性。同轴电缆的带宽取决于电缆长度,2.3.1 有

21、线传输介质,有两种广泛使用的同轴电缆：一种是50基带同轴电缆，用于直接传输基带数字信号，其传输速率可达10 M bit/s；另一种是75宽带同轴电缆，主要用于传输连续的模拟信号，是有线电视系统CATV的标准传输电缆，用于数字传输时，需要将数字信号调制成模拟信号。,2.3.1 有线传输介质,同轴电缆根据它们的无线电波控制（RG）级别来分类。每一种无线电波控制（RG）级别编号表示了一组惟一的物理特性,电信网,通常，根据内外导体的直径的尺寸可分为： 中同轴电缆：2.69.5mm 小同轴电缆：1.24.4mm 微同轴电缆：0.72.9mm 同轴电缆载波电话系统最高可传送10800话路 （或13200话

22、路） 微同轴电缆主要用于传送PCM数字信号,绝缘保护套层 外导体屏蔽层 绝缘层,内导体,2.3.1 有线传输介质,3.光纤 光纤是光导纤维的简称，它由能传导光波的石英玻璃纤维，外加保护层构成。相对于金属来说重量轻、体积小（细）。用光纤来传输电信号时，在发送端先要将其转换成光信号，而在接收端又要由光检波器转换成电信号，如图2.8所示。,2.3.1 有线传输介质,图2.8 光纤传送电信号的过程,多模光纤：存在许多条不同角度入射的光线在一条光纤中传输。 单模光纤：若光纤的直径减小到只有一个光的波长，则光纤就像一根波导那样，它可使光线一直向前传播，不会产生反射。,特点：,多模光纤：频带窄，传输特性较差

23、，100Mb/s, 2km 单模光纤：传输距离远，传输速率高，频带宽，信号衰减极小,光源：发光二极管（LED,Light Emitting Diode) 激光发射二极管（ILD,Inject Laser Diode)/半导体激光器（Semiconductor Laser）,光检测器：光电二极管(Photodiode) 光纤具有传输距离远、传输速率高(802.5Gb/s)、频带宽、信号衰减极小、不受电磁与噪音的干扰等优点，并且具有很好的保密性能 。,2.3.2 无线传输介质,1.无线电短波通信 分为12个频段： 极低频，超低频，特低频，甚低频，低频 中频（MF）：300K-3000K Hz,高频

24、，甚高频(very)，特高频(ultra)，超高频(super)，极高频(extremely)，至高频（tremendously, 300-3000GHz） 无线电波的不同频段可用于不同的无线通信方式：,1.无线电短波通信,频率范围3M-30MHz，通称为高频（HF）段，用于短波通信。它是通过地面发射无线电波，经电离层的多次反射到处接收端。由于电离层随季节、昼夜以及太阳黑子活动而变化，所以通信质量不稳定。当传输数据时，在邻近的传输码元会引起干扰。,1.无线电短波通信,频率范围 30M-300MHz，为甚高频（VHF）段 频率范围 300M-3000MHz，为特高频（UHF）段 电磁波可穿过电离

25、层，不会因反射而引起干扰，可用于数据通信。例如，夏威夷大学的ALOHA系统，使用两个频率 ：407.35 MHz 413.35 MHz 两个信道的带宽均为100KHz，传输数据率为9600b/s,2.3.2 无线传输介质,短波通信也存在一些不足，主要表现在以下两方面： (1) 不能和高频介质本身存在的弱点相匹配。 (2) 无法抵御窃听和各种有意的干扰。,2.3.2 无线传输介质,2.地面微波中继 微波的频率范围为300MHz300GHz，在这个范围内，它在空中主要沿直线传播，可经电离反射到很远的地方。同时，由于微波在空中是直线传播，而地球表面是个曲面，因此传输距离受到限制。,2.3.2 无线传

26、输介质,图2.9 微波中继原理示意图,2.地面微波中继,其主要特点是： 微波波段频率很高，其频段范围也很宽，因此其通信信道的容量很大；,2.地面微波中继,其主要特点是： 因为工业干扰和天电干扰的主要频谱成分比微波频率低得多，对微波通信的危害比对短波和米波通信小得多，因而微波传输质量较高；,2.地面微波中继,其主要特点是： 与相同容量和长度的电缆载波通信比较，微波接力通信建设投资少，见效快。,2.地面微波中继,地面微波通信缺点： 相邻站之间必须直视，不能有障碍物，有时一个天线发射出的信号也会分成几条略有差别的路径到达接收天线，因而造成失真；,2.地面微波中继,地面微波通信缺点： 微波的传播有时也

27、会受到恶劣气候（下雪，大雾，大雨）的影响；,2.地面微波中继,地面微波通信缺点： 与电缆通信系统比较，微波通信的隐蔽性和保密性较差；,2.地面微波中继,地面微波通信缺点： 对大量中继站的使用和维护要耗费一定的人力和物力。,2.3.2 无线传输介质,3.卫星通信 卫星通信是利用卫星上的微波天线接收地面发送站发送的信号，经过放大后在转发回地面接收站。其原理如图2.10所示。 用于微波通信的卫星实际上就是太空的无人值守的微波通信中继站，它是定位于距地面35 800 km高空的同步地球卫星，相对地球的位置始终是固定的。,2.3.2 无线传输介质,图2.10 卫星通信原理示意图,3.卫星通信,地球站发上

28、行频段信号经卫星接收，然后以下行频段信号转发。可连通地面最长达18000公里的两个地球站间的通信。,3.卫星通信,固定卫星业务（FSS）常用下列三个频段： C频段 上行5925 - 6425MHz 下行3700 - 4200 MHz Ku频段 上行14 .00 14.50GHz 下行11.75 12.25GHz Ka频段 上行27.50 30.50GHz 下行17.70 21.70GHz,3.卫星通信,目前应用较多的是C频段。卫星微波的特点： 通信覆盖面广，距离远 广播型信道，易于实现多地传输 成本高，卫星寿命10年 传输时延大（540ms往返）,2.3.2 无线传输介质,4.蜂窝无线通信 蜂

29、窝无线通信是采用蜂窝无线组网方式，在终端和网络设备之间通过无线通道连接起来，进而实现用户在活动中可相互通信。 其主要特征是终端的移动性，并具有越区切换和跨本地网自动漫游功能。,4.蜂窝无线通信,第一代移动通信：模拟信号 （1）频谱利用率低，容量有限； （2）制式太多，互不兼容，不利于用户漫游，限制了用户覆盖面； （3）提供的业务种类受限，不能传数据信息； （4）容易被窃听； （5）不能与ISDN兼容,4.蜂窝无线通信,第二代移动通信：数字语音 （1）进一步提高了频谱利用率、扩大系统容量并增加非话音业务外，还把IC卡（即SIM卡）技术应用于其安全保密措施之中； （2）移动台和基站的体积、重量和功

30、率可以大大降低，同时手机的升级换代迅速,4.蜂窝无线通信,第三代移动通信：数字信号 除了传语音和数据外，还能传2M bit/s高质量的活动图像 真正实现：任何人（ Whoever ）任何地点（ Wherever ）任何时间（ Whenever ） 任何对方（ Whomever ）任何形式（ Whatever ） 通信,2.4 数据交换技术,电路交换 报文交换 分组交换 ATM交换 帧中继交换,2.4.1 电路交换,电路交换要求必须首先在通信双方之间建立连接通道。在连接建立成功之后，双方的通信活动才能开始。通信双方需要传递的信息都是通过已经建立好的连接来进行传递的，而且这个连接也将一直被维持到双

31、方的通信结束。,2.4.1 电路交换,电路交换原理如图2.11(a)所示。 计算机网络中的电路交换与电话系统类似，需要经历三个阶段：建立连接、数据传输、拆除连接。,2.4.1 电路交换,图2.11 三种交换工作原理,2.4.2 报文交换,报文交换技术采用存储转发机制，但报文交换是以报文作为传送单元，由于报文长度差异很大，长报文可能导致很大的时延，并且对每个结点来说缓冲区的分配也比较困难，为了满足各种长度报文的需要并且达到高效的目的，结点需要分配不同大小的缓冲区，否则就有可能造成数据传送的失败。 报文交换原理如图2.11(b)所示,2.4.3 分组交换,分组交换也称包交换，它是将用户传送的数据划

32、分成一定的长度，每个部分叫做一个分组。在每个分组的前面加上一个分组头，用以指明该分组发往何地址，然后由交换机根据每个分组的地址标志，将他们转发至目的地，这一过程称为分组交换，其原理如图2.11(c)所示。进行分组交换的通信网称为分组交换网。,2.4.3 分组交换,分组交换比电路交换的电路利用率高，比报文交换的传输时延小，交互性好。报文和分组的区别如图2.12所示。在分组交换方式中，由于能够以分组方式进行数据的暂存交换，经交换机处理后，很容易地实现不同速率、不同规程的终端间通信。,2.4.3 分组交换,图2.12 报文和分组的区别,2.4.3 分组交换,1.数据报方式 在数据报方式中，每个分组被

33、称为一个数据报，若干个数据报构成一次要传送的报文或数据块。 当端系统要发送一个报文时，将报文拆成若干个带有序号和地址信息的数据报，依次发给网络结点。数据报方式的工作原理如图2.13所示 :,2.4.3 分组交换,图2.13 数据报方式的工作原理,2.4.3 分组交换,数据报方式的数据交换过程可以分为以下几步 : （1）源主机A将报文分成许多个分组P1、P2、，依次发送到与主机直接相连的结点1； （2）结点1对报文进行必要的处理（如差错检测）后，对每个分组启用路由选择算法 （3）报文各个分组各自选择路由到达目的主机B后（不一定顺序到达），主机B调用相关算法将报文重新组装成分组。,2.4.3 分组

34、交换,2. 虚电路方式 虚电路方式试图将数据报方式与电路交换的优点结合起来，达到最佳的数据交换效果。它提供的服务是面向连接的，但在网络内部却是用分组交换实现而不是用电路交换实现。为了进行数据的传输，网络的源和目的结点之间先要建立一条逻辑通路，因为这条逻辑电路不是专用的，所以称这为“虚”电路。,2.4.3 分组交换,虚电路有两种类型：永久虚电路型PVC（Permanent Virtual Circuit）和交换虚电路SVC（Switched Virtual Circuit）。前者一般适于需要长期频繁交换信息的站点之间使用，后者则适于间歇性的应用以及高度网状连接的网络。,2.4.4 ATM交换,A

35、TM的数据交换由一个一个固定长度的ATM信元组成。每个ATM信元都是53字节长（5个字节长的信头和48字节长的信体）。 ATM交换机中的连接分为永久虚拟电路（PVC）和交换虚拟电路（SVC）两种。 ATM交换另一个特点是：ATM本身就是全双工的,2.4.5 帧中继交换,帧中继业务是在用户网络接口(UNI)之间提供用户信息流的双向传送，并保持原顺序不变的一种承载业务。 用户信息流以帧为单位在网络内传送，用户网络接口之间以虚电路进行连接，对用户信息流进行统计复用。 帧中继网络提供的业务有两种：永久虚电路和交换虚电路。,2.5 模拟传输与数字传输,模拟传输 数字传输,2.5.1 模拟传输,1.基本调

36、制方法 调制是指将发送端数字数据信号变换成模拟数据信号的过程。在调制过程中，首先要选取音频范围内的某一角频率的正（余）弦信号作为载波，该正（余）弦信号可以写为：,2.4.4 ATM交换,（1）幅移键控（ASK, Amplitude Shift Keying） 幅移键控方法是通过改变载波信号振幅来表示数字信号1、0。ASK信号的调制方法有两种：图2.14（a）是一般的模拟幅度调制方法；图2.14（b）是一种键控方法，这里的开关电路受控制；图2.14（c）给出了波形示例。,2.5.1 模拟传输,图2.14 幅移键控,2.5.1 模拟传输,幅移键控ASK信号实现容易，技术简单，但容易受增益变化的影响

37、，抗干扰能力差。 幅移键控可以采用相干检测方法进行解调，要求接收机产生一个与发送载波同频同相的本地载波信号，利用此载波与收到的已调信号相乘，输出信号再经低通滤波滤除第二项高频分量后，即可输出信号。其原理如图2.15所示,2.5.1 模拟传输,图2.15 相干解调原理图,2.5.1 模拟传输,（2）频移键控（FSK, Frequency Shift Keying） 频移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。如将频率 表示数字1，角频率 表示数字0。2FSK信号的调制方法有两种：模拟调频法利用一个矩形脉冲序列对一个载波进行调频。键控法利用受矩形脉冲序列控制的开关电路对两个不同独立频

38、率源进行选通。2FSK信号的产生方法及波形示例如图2.16所示。,2.5.1 模拟传输,图2.16 频移键控,2.5.1 模拟传输,数字调频信号的解调方法很多，如鉴频法、相干检测法、包络检波法、过零检测法、差分检测法等。 下面仅介绍相干检测法。相干检测解调电路是同步检波器，原理如图2.17所示。,2.5.1 模拟传输,图2.17相干检测解调原理,2.5.1 模拟传输,（3）相移键控（PSK, Phase Shift Keying） 相移键控方法是通过改变载波信号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，称为绝对调相，其波形如图2.18所示；如果用相位的相对偏移值表示数字

39、信号1、0，则称为相对调相。,2.5.1 模拟传输,图2.18 绝对调相波形,2.5.1 模拟传输,PSK信号的调制方法分为两种：图2.19（a）是模拟调制法；图2.19（b）是键控法。其解调原理类似于ASK解调，在这里不再陈述。 相移键控有较强的抗干扰能力，且比FSK更有效。,2.5.1 模拟传输,图2.19 绝对调相原理图,2.5.1 模拟传输,2调制解调器 （1） 调制解调器的标准 Modem标准规定了Modem所采用的调制方式以及所支持的数据传输速率，大多数由国际电信联盟（ITU）进行标准化。调制解调器使用的各种标准及其传输速率如表2.4所示：,2.5.1 模拟传输,表2.4 调制解调

40、器的标准,2.5.1 模拟传输,（2） 调制解调器的分类 如按通信设备对Modem进行分类，可将其分为拨号Modem和专线Modem。 如按数据传输方式进行分类，可将Modem分为同步Modem和异步Modem。 如按通信方式对Modem进行分类，可分为单工、半双工和全双工3种。,2.5.1 模拟传输,（2） 调制解调器的分类 另外，按传输速率进行分类，可将Modem分为低速、中速和高速。 最后，按Modem支持的物理接口的不同，又可将其分为支持RS232C接口、RS449接口、及RS530接口、V.35接口以及V.21接口等。,2.5.2 数字传输,1.数字数据的编码 （1） 非归零码（NR

41、Z） （2） 曼彻斯特编码（Manchester） （3） 差分曼彻斯特编码（Difference Manchester） （4） 4B/5B编码,2.5.2 数字传输,图2.20 数字信号的编码,2.5.2 数字传输,4B/5B编码是一种编码效率达到80的编码方法，它实际上是采用5比特码组来编码4比特的输入数据。这种编码方式的一个特点是每个5比特码组中不含多于3个0或者不会少于2个”l。 图2.20（d）给出了4B/5B信号的编码过程 ;,2.5.2 数字传输,表2.5 十六进制数0F对应的4B/5B编码值,2.5.2 数字传输,2.基带数字传输 所谓基带是指电信号固有的基本频带，而基带传输

42、是指将数字设备发出的数字信号直接传送。基带传输包括基带模拟信号传输和基带数字信号传输。 （1） 异步传输 在异步通信中，任何两个字符之间的时间间隔可以是随机的、不同步的，但在一个字符时间之内，收发双方各数据位必须同步。异步传输如图2.21所示。,2.5.2 数字传输,图2.21 异步传输,2.5.2 数字传输,（2） 同步传输 所谓同步传输，是指发送端和接收端的时钟是一致（同步）的，即接收端是靠提取所收到的数据位中的定时信息来获得时钟信号的，从而使接收到的每一位数据信息都和发送端准确地保持同步，中间没有时间间断。实现这种同步的方法又有自同步法和外同步法两种。 同步传输如图2.22所示。,2.5

43、.2 数字传输,图2.22 同步传输,2.6 数字传输系统,脉冲编码调制（PCM） 数字传输系统 同步光网络/同步数字系列,2.6.1 脉冲编码调制（PCM）,模拟信号的数字编码可实现模拟信号的数字传输。为了在数字通信系统中传输模拟信号，首先需要将模拟信号数字化。最好的方法是脉冲编码调制（PCM, Pulse Code Modulation）。 PCM过程主要由采样、量化与编码三个步骤组成。如图2.23所示。,2.6.1 脉冲编码调制（PCM）,图2.23 脉码调制（PCM）的原理,2.6.1 数字传输系统,1. 脉冲编码调制（PCM） PCM过程主要由采样、量化与编码三个步骤组成: （1）采

44、样 采样是把时间上连续的模拟信号转换成时间上离散的采样信号，即用有限个采样值代替连续变化的模拟信号。,2.6.1 数字传输系统,1. 脉冲编码调制（PCM） 采样的理论依据是采样定理，其描述为：一个频带限制在f Hz内的连续时变信号，如果采样频率不小于2f Hz，对它进行等间隔采样，则该连续时变信号将被所得到的采样值完全地确定。,（2）量化 量化是把幅度上连续的模拟信号转换成幅度上离散的量化信号。它是将采样样本幅度按量化级取值的过程。经量化后的采样值为离散值，其波形为平顶脉冲。,（3）编码 编码是用二进制码表示量化后采样值的过程。量化级取得越多，量化精度就越高，需要二进制码的位数越多。目前，P

45、CM用于数字化语音系统，将声音分为256个量化级，每个量化级用8位二进制码表示，采样速率为8000样本/s。,2.6.2 数字传输系统,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30/32路PCM（简称E1）。我国采用的是欧洲的E1标准。T1的速率是1.544Mbit/s，E1的速率是2.048Mbit/s。,（1） 北美体制的T系列,最基本的T1载波： 采用TDM，含24路话音信道，传PCM（脉冲代码调制）信号。话音信道的最高频率：fm=4kHz(300-4300Hz) 采样频率 fs=2 fm=8kHz(每秒采样8000次) 采样的时间间隔 t=1/ fs=

46、125s,（1） 北美体制的T系列,每次采样值数字化后用七位二进制表示（传输加一位为信令）。将125s划分为24个时隙（信道）。 帧结构：193比特, 其中一比特为帧码位。 数据传输率：T1 1.544M b/s,（2） ITU-T（CCITT）（欧州体制）的E系列,CCITT认为T1系统每路每秒用8000比特作控制位太浪费 采样频率 fs=8kHz，t=125s 采样值量化后为8比特，将125s划分为32个时隙（信道） E1：32/30 路PCM,（2） ITU-T（CCITT）（欧州体制）的E系列,FI 0 1 2 . . . 16 17 31 帧(256bits), 125s 其中两路传

47、送控制信号 0路：（同步）X0011011 X为国际图像用，不用时暂定1 16路：（标志信号）abcdabcd, bcd不用时：b=1 c=0 d=1,（2） ITU-T（CCITT）（欧州体制）的E系列,对i号帧：（i路）（i+16路） 0号帧：00001x11（复帧同步） F0 F1 . . . F8 F9 . . . F15 2ms, 复帧 E1的数据传输速率：2.048M b/s 32路,2.6.2 数字传输系统,表2.6 PCM高次群的话路数和速率,2.6.3 同步光网络/同步数字系列,SONET和SDH都是国际认可的数字体系复用标准，其中SONET主要应用在北美、韩国和日本，其他地

48、区则使用SDH。SONET和SDH都由高可用性的环状结构构成。,2.6.3 同步光网络/同步数字系列,SONET 数字传输系统存在着许多缺点。其中最主要的是以下两个。 （1）速率标准不统一 （2）不是同步传输 为了解决上述问题，美国首先在1988年推出了一个数字传输标准，叫做同步光纤网SONET (Synchronous Optical Network)。,2.6.3 同步光网络/同步数字系列,SONET定义了4个光接口层：光子层(Photonic layer)、数字段层(Section layer)、线路层(Line layer)与路径层(Path layer)。同步网络的各级时钟都来自一个

49、精度为量级的铯原子钟。,1. SONET,SONET设计的目标： 使不同的载波互连成为可能，定义通用的信令标准：波长，定时，帧结构等 传输方法需要统一：64kbps PCM信道（组合时）,1. SONET, 提供一种多路复用多个数字信道的方式：T3 44.736Mbps 支持运营，管理和维护（OAM功能）,1. SONET,基本帧结构：810字节的块（125s） 90列 数据速率（总）90988000=51.84Mbps 这个SONET基本信道称为STS-1（Synchronous Transport Signal-1）。对光信号称为OC-1（Optical Carrier-1）第一级光载体。,1. SONET,多路复用： STS-1 STS-12 OC-12,2. SDH,SDH(Synchronous Digital Hierarchy): 1988年ITU-T在SONET的基础上，经过修改，制定G.707,G.708,G.709国际标准。 SDH以