計算機網絡-數據通信基礎及物理層

計算機網絡第3章數據通信基礎與物理層第3章數據通信基礎與物理層3.1物理層的基本概念3.2數據通信的基本概念

3.2.1數據通信系統的基本概念

3.2.2數據通信系統的模型

3.2.3數據通信系統的主要質量指標

3.3數據傳輸方式

3.3.1并行、串行傳輸

3.3.2單工、半雙工和全雙工通信

3.3.3異步傳輸與同步傳輸

3.3.4基帶傳輸與數字信號編碼

3.3.5頻帶傳輸與模擬信號編碼

3.3.6模擬數據的數字信號編碼第3章數據通信基礎與物理層（續）

3.4多路復用技術

3.4.1頻分多路復用

3.4.2時分多路復用

3.4.3波分多路復用

3.4.4碼分多路復用3.5傳輸介質

3.5.1傳輸介質的分類

3.5.2有線傳輸介質

3.5.3無線傳輸介質3.6寬帶接入技術3.6.1撥號連接

3.6.2ADSL

3.6.3光纖同軸混合網HFC第3章數據通信基礎與物理層（續）

3.6.4代理服務器接入3.1物理層的基本概念物理層的主要任務描述為確定與傳輸媒體的接口的一些特性，即：機械特性指明接口所用接線器的形狀和尺寸、引線數目和排列、固定和鎖定裝置等等。電氣特性指明在接口電纜的各條線上出現的電壓的范圍。功能特性指明某條線上出現的某一電平的電壓表示何種意義。規程特性指明對于不同功能的各種可能事件的出現順序。

3.2數據通信的基本概念

3.2.1數據通信的基本概念數據(data)——運送信息的實體。信號(signal)——數據的電氣的或電磁的表現。“模擬的”(analogous)——連續變化的。“數字的”(digital)——取值是離散數值。調制——把數字信號轉換為模擬信號的過程。解調——把模擬信號轉換為數字信號的過程。模擬的和數字的數據、信號模擬數據模擬信號放大器調制器模擬數據數字信號

PCM編碼器數字數據模擬信號調制器數字數據數字信號

數字發送器數據通信——發送方將要發送的數據轉換成信號通過物理信道傳輸到數據接收方的過程，分為模擬數據通信和數字數據通信。源點——數據的發送方終點——數據的接收方信道——在源點和終點之間建立的一條傳輸信號的物理通道3.2.2數據通信系統的模型傳輸系統輸入信息輸入數據發送的信號接收的信號輸出數據源點終點發送器接收器調制解調器PC機公用電話網調制解調器數字比特流數字比特流模擬信號模擬信號正文正文數據通信系統源系統目的系統傳輸系統輸出信息PC機3.2.3數據通信系統的主要質量指標模擬通信系統的質量指標有效性有效性是用有效傳輸帶寬來度量，頻帶寬度越窄，有效性越好可靠性可靠性是用接收端最終的輸出信噪比來度量，信噪比越大，通信質量越高。數字通信系統的質量指標數字通信系統中，有效性用傳輸速率來表示，可靠性用差錯率（誤碼率）來衡量。幾個重要基本概念：碼元——承載信息的基本信號單位，一個表示數據有效值狀態的脈沖信號就是一個碼元，其單位為波特信道容量——一個信道能夠達到的最大的傳輸速率，它表示信道的傳輸能力。在通信領域中，信道容量常指信道在單位時間內可傳輸的最大碼元數，以碼元速率（或波特）來表示數據傳輸速率——通信系統單位時間內傳送的二進制代碼的位（比特）數，因此又稱比特率，單位用比特/秒表示，記為b/s或b/s。設T為傳輸的電脈沖的寬度或周期，N為一個脈沖信號所有可能的狀態數，則數據傳輸速率為：RS

=log2

N

（b/s）調制速率——調制后模擬電信號每秒鐘的變化次數，它等于調制周期（即時間間隔）的倒數，單位為波特（Baud）。

若用T（秒）表示調制周期，則調制速率為Rb=1/T（Baud），即1波特表示每秒鐘傳送一個碼元。誤碼率——二進制碼元在傳輸過程中被傳錯的概率誤碼率的計算公式為：Pe=Ne/N式中Pe表示誤碼率，Ne表示被傳錯的碼元數，N表示傳輸的二進制碼元總數。上式只有在N取值很大時才有效。“帶寬”——本來是指信號具有的頻帶寬度，單位是赫（或千赫、兆赫、吉赫等）。現在“帶寬”是數字信道所能傳送的“最高數據率”的同義語，單位是“比特每秒”，或b/s(bit/s)。數字信號流隨時間的變化在時間軸上信號的寬度隨帶寬的增大而變窄。每秒

106

個比特時間1

01

0

111s帶寬為1Mb/s時間每秒

4

106

個比特0.25s帶寬為4Mb/s時延發送時延（傳輸時延）發送數據時，數據塊從結點進入到傳輸媒體所需要的時間。信道帶寬數據在信道上的發送速率。常稱為數據在信道上的傳輸速率。發送時延=數據塊長度（比特）信道帶寬（比特/秒）時延(delay或latency)傳播時延電磁波在信道中需要傳播一定的距離而花費的時間。信號傳輸速率（即發送速率）和信號在信道上的傳播速率是完全不同的概念。傳播時延=信道長度（米）信號在信道上的傳播速率（米/秒）時延(delay或latency)處理時延交換結點為存儲轉發而進行一些必要的處理所花費的時間。結點緩存隊列中分組排隊所經歷的時延是處理時延中的重要組成部分。處理時延的長短往往取決于網絡中當時的通信量。有時可用排隊時延作為處理時延。時延(delay或latency)數據經歷的總時延就是發送時延、傳播時延和處理時延之和：總時延=發送時延+傳播時延+處理時延三種時延所產生的地方1011001…發送器隊列在鏈路上產生傳播時延結點

B結點

A在發送器產生發送時延(即傳輸時延)在隊列中產生處理時延數據從結點A向結點B發送數據鏈路3.3數據傳輸方式

3.3.1并行、串行傳輸并行傳輸數字信號以成組的方式在多個并行信道上進行的傳輸，數據由多條數據線同時傳送與接收，每個比特使用單獨的一條線路。優點：傳送速率快，發收雙方間不存在字符同步的問題；缺點：需要多個并行信道，增加了設備的成本，而且并行線路的電平相互干擾也會影響傳輸質量，不適合做較長距離的通信。數據以成組方式在多個并行信道上同時傳輸。在并行傳輸中，一次傳送一個字符，所以不存在字符同步問題。例子：計算機中的總線并行通信信道b0b1

b2b3

b4b5b6

b7

發送端b0b1

b2b3

b4b5b6

b7

接收端串行傳輸數據流以串行方式在一條信道上傳輸。存在字符同步問題例子：電話線路傳送數據信號發送端b0b1b2b3b4b5b6b7

接收端串行通信信道串行通信與并行通信的比較在相同的發送時鐘下，并行通信的數據傳輸速率將大于串行通信。并行通信需要多個并行信道，實現昂貴。并行通信方式適合于近距離通信（如計算機中）而在遠程通信中一般采用串行通信方式。串/并與并/串轉換

當計算機通過串行信道相互通信時，在發送方要進行并/串轉換，而在接收端要進行串/并轉換計算機串行信道計算機并行傳輸并行傳輸串行傳輸并/串轉換串/并轉換3.3.2單工、半雙工和全雙工通信單工通信數據傳送只能在一個固定的方向上進行，任何時候都不能改變方向。例子：廣播、電視發送單向通道接收半雙工通信信號可以雙向進行，但不可同時進行，一個時間只能有一個方向的傳送例子：對講機、計算機—終端發送接收雙向通道接收發送雙工通信信號可以同時進行雙向發送例子：

計算機—計算機發送接收雙向通道接收發送3.3.3異步傳輸與同步傳輸異步傳輸方式以字符為單位進行傳輸的，即每個字符都獨立傳輸，且每一字符的起始時刻可以為任意。每個字符在傳輸時都在字符前加上起始位和在字符后加上結束位，以表示一個字符的開始和結束。異步傳輸方式同步傳輸方式以固定的時鐘節拍來連續串行發送數字信號HDLC中的同步傳輸方式3.3.4基帶傳輸與數字信號編碼基帶信號——將數字信號1或0直接用兩種不同的電壓來表示，然后送到線路上去傳輸。基帶傳輸——通信信道中直接傳輸基帶信號的傳輸方式數字信號編碼——用兩種碼元分別表示二進制數字符號“0”和“1”，每位二進制符號和一個碼元相對應。表示二進制數字的碼元的形式不同，產生的編碼方法也不同，這里主要介紹曼徹斯特編碼和差分曼徹斯特編碼。差分曼切斯特編碼曼徹斯特編碼3.3.5頻帶傳輸與模擬信號編碼頻帶傳輸——先將基帶信號（數字信號）進行調制后變換成便于在模擬信道中傳輸的、具有較高頻率范圍的信號，這種信號稱為頻帶信號（也叫模擬信號），再將這種頻帶信號在信道中傳輸。在接收端再將該頻帶信號通過解調還原成基帶信號。調制——進行波形變換，利用基帶信號對高頻震蕩載波的參量進行修改。最基本的調制方法：調幅、調頻和調相調幅(AM)：載波的振幅隨基帶數字信號而變化。調頻(FM)：載波的頻率隨基帶數字信號而變化。調相(PM)：載波的初始相位隨基帶數字信號而變化。

對基帶數字信號的幾種調制方法010011100基帶信號調幅調頻調相3.3.6模擬數據的數字信號編碼

模擬數據的數字信號編碼常用的方法有脈沖編碼調制（PCM）和增量調制（△M）

PCM方法以取樣定理為基礎，將模擬數據數字化。例如對音頻信號進行數字化編碼，一般包括取樣、量化、和編碼3個過程。語音數字化的示例模擬信源數字信道模擬信宿模擬信號PCM編/解碼器PCM編/解碼器數字信號模擬信號PCM的采樣模擬信號數字化的第一步按一定的時間間隔，將模擬信號的電平幅度取出來作為樣本，讓其表示原始信號。采樣定理：若以至少兩倍于最高有效信號頻率的速率對模擬信號進行采樣，則其樣本包含足以重構原模擬信號的所有信息。（fs≥2fo）PCM的量化模擬信號數字化的第二步--將采樣樣本按量化級進行離散化的過程。通過將采樣所得樣本與預先規定的量化級進行比較，進行取整定級。量化級的多少取決于量化的精度。級數越高，量化精度越高，但所需的編碼位數相應越多。PCM的編碼模擬信號數字化的第三步。用相應位數的二進制代碼表示采樣樣本的量化級。量化級數越多，所需的編碼位數相應志越多。

e.g.：

8級—3位，16級—4位

T1（128級）--7位3.4多路復用技術

頻分復用、時分復用和統計時分復用頻分復用：所有用戶在同樣的時間占用不同的帶寬資源。時分復用：所有用戶在不同的時間占用同樣的頻帶寬度。

頻分復用頻率時間頻率1頻率2頻率3頻率4頻率5時分復用頻率時間BCDBCDBCDBCDAAAA在

TDM

幀中的位置不變TDM幀TDM幀TDM幀TDM幀…TDM幀時分復用頻率時間CDCDCDAAAABBBBCD在

TDM

幀中的位置不變TDM幀TDM幀TDM幀TDM幀…TDM幀時分復用頻率時間BDBDBDAAAABCCCCD在

TDM

幀中的位置不變TDM幀TDM幀TDM幀TDM幀…TDM幀時分復用頻率時間BCBCBCAAAABCDDDD在TDM幀中的位置不變TDM幀TDM幀TDM幀TDM幀…TDM幀時分復用可能會造成

線路資源的浪費ABCDaabbcdbcattttt4個時分復用幀#1④③②①acbcd時分復用#2#3#4用戶統計時分復用

STDM用戶ABCDabcdttttt3個STDM幀#1④③②①acbabbcacd#2#3統計時分復用1550nm01551nm11552nm21553nm31554nm41555nm51556nm61557nm701550nm11551nm21552nm31553nm41554nm51555nm61556nm71557nm2.5.2波分復用WDM波分復用就是光的頻分復用。82.5Gb/s1310nm20Gb/s復用器分用器EDFA120km2.5.3碼分復用CDM常用的名詞是碼分多址CDMA(CodeDivisionMultipleAccess)。各用戶使用經過特殊挑選的不同碼型，因此彼此不會造成干擾。這種系統發送的信號有很強的抗干擾能力，其頻譜類似于白噪聲，不易被敵人發現。每一個比特時間劃分為m個短的間隔，稱為碼片(chip)。

碼片序列(chipsequence)每個站被指派一個惟一的mbit碼片序列。如發送比特1，則發送自己的mbit碼片序列。如發送比特0，則發送該碼片序列的二進制反碼。

例如，S站的8bit碼片序列是00011011。發送比特1時，就發送序列00011011，發送比特0時，就發送序列11100100。S站的碼片序列：(–1–1–1+1+1–1+1+1)CDMA的重要特點每個站分配的碼片序列不僅必須各不相同，并且還必須互相正交(orthogonal)。在實用的系統中是使用偽隨機碼序列。碼片序列的正交關系令向量S表示站S的碼片向量，令T表示其他任何站的碼片向量。兩個不同站的碼片序列正交，就是向量S和T的規格化內積(innerproduct)都是0：碼片序列的正交關系舉例令向量S為(–1–1–1+1+1–1+1+1)，向量T為(–1–1+1–1+1+1+1–1)。把向量S和T的各分量值代入(2-4)式就可看出這兩個碼片序列是正交的。任何一個碼片向量和該碼片向量自己的規格化內積都是1。一個碼片向量和該碼片反碼的向量的規格化內積值是–1。正交關系的另一個重要特性CDMA的工作原理S站的碼片序列S110ttttttm

個碼片tS站發送的信號SxT站發送的信號Tx總的發送信號Sx+Tx規格化內積S

Sx規格化內積S

Tx數據碼元比特發送端接收端3.5傳輸介質

3.5.1傳輸介質的分類傳輸介質包括有線傳輸介質和無線傳輸介質兩大類。

有線傳輸介質將信號約束在一個物理導體之內，如雙絞線、同軸電纜和光纖等。無線傳輸介質如無線電波、紅外線、激光等由于不能將信號約束在某個空間范圍之內，故又被稱為無線介質。3.5.2有線傳輸介質雙絞線屏蔽雙絞線STP(ShieldedTwistedPair)無屏蔽雙絞線UTP(UnshieldedTwistedPair)

同軸電纜50

同軸電纜75

同軸電纜光纜各種電纜銅線銅線聚氯乙烯套層聚氯乙烯套層屏蔽層絕緣層絕緣層外導體屏蔽層絕緣層