計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及通訊-201409-第2章 物理層

1第2章物理層2目錄2.1數(shù)據(jù)通訊基礎(chǔ)2.1.1通信系統(tǒng)模型與基本概念2.1.2信道帶寬與數(shù)據(jù)傳輸速率的關(guān)系2.1.3帶寬與傅立葉分析2.1.4信道的最大數(shù)據(jù)速率2.2物理傳輸介質(zhì)2.3編碼與調(diào)制2.4多路復(fù)用技術(shù)2.5數(shù)據(jù)交換技術(shù)2.6物理層設(shè)備與接口3數(shù)據(jù)：(Data)信息：(Information)信號：(Signal)2.1

數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)2.1.1通信系統(tǒng)模型與基本概念數(shù)據(jù)是對客觀事實(shí)進(jìn)行描述的物理符號，是一種能夠傳遞信息的載體。信息是數(shù)據(jù)中包含的意義，或者說對數(shù)據(jù)的進(jìn)一步解釋，是數(shù)據(jù)按有意義的關(guān)聯(lián)排列的結(jié)果。信號是數(shù)據(jù)在傳輸過程中的表現(xiàn)形式，即信號是數(shù)據(jù)的電編碼或電磁編碼。模擬信號：時(shí)間和幅度的取值都是連續(xù)的，如溫度、壓力、流量等；數(shù)字信號：時(shí)間上離散，幅度上量化，一般是由0，1的二進(jìn)制代碼組成的數(shù)字序列。4信源：發(fā)出信號的電子設(shè)備變換器：將原始信號變換為適合信道傳輸?shù)男盘栴愋托诺溃盒畔⒌耐ǖ?，用于信號傳輸?shù)拿浇榧跋嚓P(guān)設(shè)備反變換器：將信道上的信號轉(zhuǎn)換成信宿可接收的信號類型信宿：信號的接收設(shè)備2.1.1通信系統(tǒng)模型與基本概念通信系統(tǒng)模型現(xiàn)實(shí)例子5現(xiàn)實(shí)生活中的通信系統(tǒng)公用電話網(wǎng)6按數(shù)據(jù)在信道上的傳輸方向?qū)⑼ㄐ欧绞椒诸悾簡喂ねㄐ畔到y(tǒng)雙工通信系統(tǒng)公用電話網(wǎng)全雙工、半雙工7模擬信道和數(shù)字信道信號：連續(xù)變化——模擬(analog)信號離散變化——數(shù)字(digital)信號信道：模擬信道——傳輸模擬信號數(shù)字信道——傳輸數(shù)字信號數(shù)字信道公共電話網(wǎng)（模擬信道）數(shù)字信道通過模擬信道進(jìn)行的數(shù)據(jù)通信對于長距離傳輸，數(shù)字信號具有優(yōu)越性。82.1通信系統(tǒng)模型與信道特性2.1.2信道帶寬與數(shù)據(jù)傳輸速率的關(guān)系數(shù)據(jù)傳輸速率：通信節(jié)點(diǎn)每秒鐘發(fā)送的bit數(shù)，單位為b/s(bps)。帶寬(bandwidth)：指的是傳輸介質(zhì)所能夠傳輸?shù)男盘柕念l率范圍/最高數(shù)據(jù)傳輸速率，單位是Hz/bps。超出此范圍信號會(huì)有較大的失真而導(dǎo)致信號無法正確接收。信道的帶寬是由傳輸媒體的性質(zhì)決定的。二者之間的關(guān)系：信道帶寬越大則其上允許的最大數(shù)據(jù)傳輸速率越高。

92.1.3帶寬與傅立葉分析一個(gè)具有有限持續(xù)時(shí)間T的數(shù)字信號，可以看作為一個(gè)以此有限持續(xù)時(shí)間T為周期的周期階梯函數(shù)F(t)。此函數(shù)可展開成傅里葉級數(shù)。

這里，f=1/T,是基波頻率。c是直流分量；an和bn分別是n次諧波的正弦和余弦振幅值。諧波次數(shù)越高，則其頻率也越高。信道可通過的諧波越多，疊加出來的波形與原始信號f(t)越近似，即失真越小，但同時(shí)諧波的頻率就越高。10隨著項(xiàng)的個(gè)數(shù)的增多，疊加出來的曲線更加接近于原方波。隨著項(xiàng)的個(gè)數(shù)的增多，通過的諧波頻率就越高。2.1.3帶寬與傅立葉分析（續(xù)1）11若數(shù)據(jù)通信速率恒定，信道帶寬越寬，意味著它可以傳輸更高頻率的諧波信號，數(shù)據(jù)失真越小。信道帶寬固定，數(shù)據(jù)速率越高，失真越大。

舉例：信道帶寬為3kHz，數(shù)據(jù)傳輸速率為9600b/s，發(fā)送一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)（8bits）需要時(shí)間T：T=8/9600≈0.83ms基波頻率f＝1/T=1.2kHz對于3kHz的帶寬，僅能通過兩次諧波，數(shù)據(jù)失真很大。

若數(shù)據(jù)信號傳輸速率為2400b/s，基波頻率f：基波頻率f=300Hz對于3kHz的帶寬，可通過10次諧波，數(shù)據(jù)失真較小。2.1.3帶寬與傅立葉分析（續(xù)2）12信道的最大傳輸速率與信道帶寬有關(guān)：信道帶寬越大，則信道上的最大數(shù)據(jù)傳輸速率就越高。問題：在給定的信道環(huán)境下，盡可能提高信息傳輸速率，存在的上限值是多少？兩位學(xué)者對帶寬和數(shù)據(jù)傳輸速率兩者關(guān)系這個(gè)問題進(jìn)行了研究，給出了兩個(gè)著名結(jié)論：奈奎斯特準(zhǔn)則香農(nóng)定理2.1.4信道的最大數(shù)據(jù)速率記住兩個(gè)公式奈奎斯特公式香農(nóng)公式13預(yù)備概念1：兩種傳輸率及關(guān)系數(shù)據(jù)速率（比特率）——每秒鐘傳輸?shù)谋忍財(cái)?shù)，單位為b/s。碼元速率（波特率）——每秒鐘傳送的電信號個(gè)數(shù)（碼元數(shù)，1碼元可攜帶nbits的信息量，與其編碼有關(guān)），單位為“波特（Baud），簡寫為B。二者關(guān)系：比特率＝Blog2M

B——波特率

M——信號可能取的離散值個(gè)數(shù) （碼元狀態(tài)數(shù)）例：如圖，求波特率、比特率：B＝4/0.001=4000波特C＝8000b/s＋5＋3－3－51ms10000111電平V14額外混進(jìn)的非期望信號稱為噪聲。類型：熱噪聲：正態(tài)（高斯）白噪聲由帶電粒子在導(dǎo)電媒體中的布朗運(yùn)動(dòng)引起。交調(diào)噪聲多個(gè)不同頻率的信號共用同一傳輸媒體可能產(chǎn)生，是輸入信號的頻率和或差及這些頻率的多倍數(shù)的組合。串音：串?dāng)_一條信號通路中的信號在另一條信號通路上產(chǎn)生的干擾信號。脈沖噪聲突發(fā)出現(xiàn)的離散脈沖，是數(shù)據(jù)通信差錯(cuò)的主要根源。預(yù)備概念2：噪聲信噪比S/N：信號功率與噪聲功率的比值Ps/Pn。常用分貝(db)來表示信道的信噪比：10lg(S/N)15預(yù)備概念3：誤碼率誤碼產(chǎn)生噪聲干擾傳輸速度過高導(dǎo)致信號失真誤碼率——衡量信道傳輸質(zhì)量計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)中，誤碼率要求低于10－6。在二進(jìn)制傳輸時(shí)，碼元與比特等價(jià)，誤碼率又稱誤比特率。在多進(jìn)制傳輸時(shí)，兩者不相等。16回到問題上來：在給定的信道環(huán)境下，盡可能提高信息傳輸速率，上限值是多少？在給定的信道環(huán)境下，在誤碼率任意趨近于零的情況下，單位時(shí)間內(nèi)所能傳輸信息的最大速率，即信道容量，單位b/s說明：如果信源的信息傳輸速率R≤信道容量C，則理論上可使信源輸出以任意小誤碼率通過信道進(jìn)行傳輸；如果R≥C，則無差錯(cuò)傳輸在理論上是不可能的。172.1.4信道的最大數(shù)據(jù)速率（1.奈奎斯特公式）無熱噪聲情況下：舉例：傳輸介質(zhì)的帶寬為4kHz，可能的電平取值為4種，則最大數(shù)據(jù)速率C：

C＝2×4×log24=16kbps奈奎斯特公式：C——最大數(shù)據(jù)傳輸速率（信道容量）W——信道帶寬M——信號可能取的離散值個(gè)數(shù)B——波特率推論182.1.4信道的最大數(shù)據(jù)速率（2.香農(nóng)公式）有高斯白噪聲干擾的信道情況：舉例：信噪比為30分貝，帶寬為4000Hz的信道最大速率C：

S/N=1030/10=1000 C=4000×log2（1＋1000）＝40kbps香農(nóng)公式:C——最大數(shù)據(jù)傳輸速率（信道容量）W——信道帶寬S/N——信噪比一般使用分貝（db）來表示信道的信噪比：10log10(S/N)19練習(xí)題1、常用的數(shù)據(jù)傳輸率單位有kbps,Mbps,Gbps，如果局域網(wǎng)的傳輸速率100Mbps，那么發(fā)送1bits數(shù)據(jù)需要的時(shí)間是：

A1×10（-6）s B1×10（-7）s C1×10（-8）s D1×10（-9）s答案：C20練習(xí)題2、誤碼率是指二進(jìn)制碼元在數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中被傳錯(cuò)的____：

A比特?cái)?shù)

B字節(jié)數(shù)

C概率

D速度答案：C21練習(xí)題3、對于一個(gè)實(shí)際的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，在數(shù)據(jù)傳輸速率確定后，如果要求誤碼率越低，那么傳輸系統(tǒng)設(shè)備的____：

Ⅰ、造價(jià)越高；

Ⅱ、結(jié)構(gòu)越復(fù)雜；

Ⅲ、線路帶寬越大；

Ⅳ、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)越簡單。

AⅠ和Ⅱ； BⅠ和Ⅲ；

CⅡ和Ⅳ； DⅢ和Ⅳ。答案：A22練習(xí)題4、奈奎斯特準(zhǔn)則從定量角度描述了____與傳輸速率與狀態(tài)的關(guān)系：

答案：帶寬或信道帶寬23練習(xí)題5、香農(nóng)定理描述了信道帶寬與哪些參數(shù)之間的關(guān)系：

Ⅰ、最大傳輸速率；

Ⅱ、信號功率；

Ⅲ、噪聲功率；

AⅠ、Ⅱ和Ⅲ； B僅Ⅰ和Ⅱ；

C僅Ⅰ和Ⅲ； D僅Ⅱ和Ⅲ。答案：A24補(bǔ)：信道時(shí)延(Delay)定義：信號在信道中傳播，從源端到宿端所需要的時(shí)間。相鄰站點(diǎn)傳送數(shù)據(jù)的總時(shí)延主要是由以下幾部分組成：傳播時(shí)延

這是電磁波在信道中傳播所需要的時(shí)間，與距離和電磁波速度有關(guān)。發(fā)送時(shí)延(傳輸時(shí)延)

這是發(fā)送數(shù)據(jù)所需要的時(shí)間，與計(jì)算機(jī)發(fā)送速率有關(guān)。處理時(shí)延網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)處理分組花費(fèi)的時(shí)間。排隊(duì)時(shí)延與網(wǎng)絡(luò)的通信量有關(guān)。重發(fā)時(shí)延

實(shí)際的信道誤碼造成重新傳送，因而增加了總的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間。

對于廣域網(wǎng)而言，信道時(shí)延難以估算。252.2物理傳輸介質(zhì)介質(zhì)：用于傳送信號的實(shí)際載體。（認(rèn)為用于傳送信號的物理媒體并不屬于物理層，而是在物理層之下，因此有人把它當(dāng)做第0層）有線雙絞線同軸電纜光纖無線微波無線電波紅外線衛(wèi)星激光通信262.2物理傳輸介質(zhì)無線電微波紅外線可見光紫外線X射線射線雙絞線同軸電纜衛(wèi)星地面微波

調(diào)幅無線電

調(diào)頻無線電

海事無線電光纖電視(Hz)f(Hz)fLFMFHFVHFUHFSHFEHFTHF波段104105106107108109101010111012101310141015101610010210410610810101012101410161018102010221024

移動(dòng)無線電電信領(lǐng)域使用的電磁波的頻譜272.2.1雙絞線（TP:TwistedPairwire）最常用的物理傳輸媒體價(jià)格便宜、易于安裝由兩根絕緣銅線互相絞在一起，用于降低傳輸信號之間的干擾一般由多對雙絞線一起包在一個(gè)絕緣電纜套管內(nèi)。分類：屏蔽雙絞線STP非屏蔽雙絞線UTP28最常用：3類雙絞線（CAT3）和5類雙絞線（CAT5）CAT3：

帶寬：10M，最長傳輸距離：100m

每英尺旋絞3～4次 CAT5：帶寬：100M，最長傳輸距離：100m

每英寸旋絞3～4次UTP（非屏蔽雙絞線）29STP(屏蔽雙絞線)30STP(屏蔽雙絞線)結(jié)構(gòu)：每對雙絞線外有一個(gè)屏蔽層，4對雙絞線外還有一個(gè)屏蔽層。優(yōu)點(diǎn)：減少內(nèi)部傳輸信號之間的干擾和外部噪聲對內(nèi)部傳輸信號的干擾。缺點(diǎn)：價(jià)格昂貴，安裝相對困難。31雙絞線的接口及連線UTP的RJ-45接頭UTP的RJ-45接頭接線編號12345678顏色白綠綠白橙藍(lán)白藍(lán)橙白棕棕4，5，7，8用于電話連接。

數(shù)據(jù)通信中使用1，2，3，6四根連線。1，2：發(fā)送數(shù)據(jù)3，6：接收數(shù)據(jù)32雙絞線的接口及連線（續(xù)）兩種連接方法：平行線：

用于：計(jì)算機(jī)——集線器（HUB）

1 1 2 2 集線器uplink口連接

3 3 6 6交叉線:1 1 用于：計(jì)算機(jī)——計(jì)算機(jī)

2 2 不經(jīng)過集線器連接

3 3 6 6332.2.2同軸電纜結(jié)構(gòu)分類(1)50歐：基帶同軸電纜,用于數(shù)字基帶編碼通信如曼徹斯特編碼等,傳送的是數(shù)字信號,用高低電平分別代表0,1，常用于以太網(wǎng)的連接。

終端電阻342.2.2同軸電纜(2)75歐：寬帶同軸電纜，

用于寬帶數(shù)據(jù)網(wǎng)，傳輸?shù)氖墙?jīng)調(diào)制后的模擬信號。傳輸?shù)氖沁B續(xù)的波形信號。

帶寬300-400MHz，傳輸距離可達(dá)100km。常用于CATV網(wǎng)傳輸。352.2.3光纖光纖通信就是利用光導(dǎo)纖維（以下簡稱為光纖）傳遞光脈沖來進(jìn)行通信。（a）單根光纖（b）光纜36光纖的傳輸方式多模，傳輸距離短通過包層對光信號的反射向前傳播可同時(shí)傳遞多個(gè)相位不同的光信號單模，傳輸距離長光信號直線向前傳播減少光能量在反射過程中的損耗可傳輸更長距離、達(dá)到更高速率體積更小、重量更輕只能傳輸一路光信號（教材P）372.2.3光纖優(yōu)點(diǎn)：體積小、重量輕低衰減、大容量電磁隔離缺點(diǎn)：切割、安裝困難價(jià)格昂貴用途:較少用于局域網(wǎng)、短距離傳輸，普遍應(yīng)用于主干網(wǎng)絡(luò)的鋪設(shè)。382.2.4無線信道常用的無線傳輸介質(zhì)無線電微波紅外線激光衛(wèi)星39無線電（Radio）在無線電廣播和電視廣播中已廣泛使用低、中、高、甚高、超高、特高、極高頻單工雙工：ALOHA系統(tǒng)40微波（Microwave）沿直線傳播可穿越障礙物，但不可穿越金屬。兩種主要的通信方式：地面微波接力通信衛(wèi)星通信41衛(wèi)星通信同步衛(wèi)星通信衛(wèi)星在離地表36000Km的軌道上運(yùn)行，周期接近24小時(shí)，可與地球形成同步。缺點(diǎn)：信道延遲較長延時(shí)與通信兩端的距離無關(guān)，適合長距離通信。42紅外線不可穿固體越障礙物經(jīng)濟(jì)實(shí)惠、制作簡單應(yīng)用：遙控器、便攜電腦的紅外通信口、無線局域網(wǎng)43激光直線傳輸不可穿固體越障礙物對雨雪霧敏感應(yīng)用：無線局域網(wǎng)44練習(xí)題城域網(wǎng)的主干網(wǎng)采用的傳輸介質(zhì)主要是：

A同軸電纜

B光纖

C屏蔽雙絞線

D無線通道452.3.1模擬傳輸與數(shù)字傳輸模擬傳輸：不考慮其內(nèi)容的模擬信號傳輸方式。放大器，畸變疊加失真數(shù)字傳輸：

關(guān)心的是信號的內(nèi)容。中繼器，不會(huì)累計(jì)畸變。2.3編碼與調(diào)制長距離傳輸，數(shù)字信號具有優(yōu)越性。46通信信道中傳輸數(shù)據(jù)的四種形式：由于數(shù)據(jù)可分為模擬數(shù)據(jù)、數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，信號也相應(yīng)分為模擬信號、數(shù)字信號，因此通信信道中傳輸數(shù)據(jù)有四種形式：1.數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)用數(shù)字信號傳輸2.數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)用模擬信號傳輸3.模擬數(shù)據(jù)用數(shù)字信號傳輸4.…………..模擬信號傳輸可直接通過信道發(fā)送需編碼/調(diào)制后傳遞47通信信道中傳輸數(shù)據(jù)的四種形式：

傳輸形式 采用技術(shù)

1.數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)用數(shù)字信號傳輸2.數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)用模擬信號傳輸3.模擬數(shù)據(jù)用數(shù)字信號傳輸4.…………..模擬信號傳輸數(shù)字-模擬調(diào)制數(shù)字-數(shù)字編碼脈沖編碼調(diào)制模擬-模擬調(diào)制48幅度調(diào)制（調(diào)幅AM）頻率調(diào)制（調(diào)頻FM）相位調(diào)制（調(diào)相PM）2.3.2模擬-模擬調(diào)制492.3.3數(shù)字-模擬調(diào)制什么是數(shù)字調(diào)制？為什么要使用數(shù)字調(diào)制？數(shù)字方波的頻帶較寬，如一路模擬電話的頻帶為4kHz帶寬，一路數(shù)字電話約占64kHz。傳統(tǒng)的模擬線路不適用于傳輸含有高頻諧波的數(shù)字信號。因此如果使用模擬信道傳輸數(shù)字信號，需要對基帶信號進(jìn)行調(diào)制。502.3.3數(shù)字-模擬調(diào)制調(diào)制方法對數(shù)字信號進(jìn)行調(diào)制，就是使用不同狀態(tài)的波形來區(qū)分“0”和“1”。波形函數(shù):Asin（2πft＋Φ）,通過對幅度（A）、頻率（f）和相位（Φ）的調(diào)節(jié)可獲得不同狀態(tài)的波形。三種基本的調(diào)制方法：數(shù)字調(diào)幅即載波的振幅隨基帶數(shù)字信號而變化。數(shù)字調(diào)頻………….頻率隨基帶數(shù)字信號而變化。數(shù)字調(diào)相………….初始相位隨基帶數(shù)字信號而變化。也稱為幅移鍵控(ASK),頻移鍵控(FSK),相移鍵控(PSK).512.3.3數(shù)字-模擬調(diào)制數(shù)字調(diào)幅數(shù)字調(diào)頻數(shù)字調(diào)相522.3.3數(shù)字-模擬調(diào)制Ａ.幅移鍵控ASK

二進(jìn)制幅移鍵控（2ASK）調(diào)制原理： 用兩個(gè)不同振幅的載波分別表示二進(jìn)制值"0"和"1"。

010011100基帶信號調(diào)幅532.3.3數(shù)字-模擬調(diào)制Ａ.幅移鍵控ASK（續(xù)）

①二進(jìn)制幅移鍵控（2ASK）：

②多進(jìn)制（MASK）：基本思想：利用多電平的矩形基帶脈沖去控制正弦載波信號幅度。542.3.3數(shù)字-模擬調(diào)制B.頻移鍵控FSK二進(jìn)制頻移鍵控（2FSK）調(diào)制原理：用兩個(gè)不同頻率的載波分別表示二進(jìn)制值"0"和"1"。010011100基帶信號調(diào)頻552.3.3數(shù)字-模擬調(diào)制B.頻移鍵控FSK（續(xù)）

①二進(jìn)制頻移鍵控（2FSK）： ②多進(jìn)制頻移鍵控（MFSK）：基本思想：利用M個(gè)不同頻率的信號波形（如正弦波）來代表M進(jìn)制的M個(gè)碼元符號。2FSK調(diào)制原理圖

562.3.3數(shù)字-模擬調(diào)制C.相移鍵控PSK

(1)絕對相移鍵控用兩個(gè)固定的不同相位表示數(shù)字“0”和“1”。572.3.3數(shù)字-模擬調(diào)制C.相移鍵控PSK(2)相對相移鍵控用載波在兩位數(shù)字信號的交接處產(chǎn)生的相位偏移來表示載波所表示的數(shù)字信號。最簡單的相對調(diào)相方法是：與前一個(gè)信號同相表示數(shù)字“0”，相位偏移180度表示“1”

。這種方法具有較好的抗干擾性。582.3.3數(shù)字-模擬調(diào)制C.相移鍵控PSK

(1)絕對相移鍵控？

(2)相對相移鍵控？舉例判斷：調(diào)相010011100基帶信號592.3.3數(shù)字-模擬調(diào)制C.相位調(diào)制

(1)絕對相移鍵控

(2)相對相移鍵控（差分相移鍵控）

①二進(jìn)制相移鍵控（2PSK）：兩相調(diào)制：用0°、180°兩種相位變化的方式來分別表示二進(jìn)制數(shù)0和1。 ②多進(jìn)制相移鍵控（MPSK）：多相調(diào)制： 如用0°、90°、180°、270°四種相位變化的方式來調(diào)制數(shù)據(jù)，稱為四相調(diào)制。 再如：用0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°八種相位變化的方式來調(diào)制數(shù)據(jù)，成為八相調(diào)制，可分別表示八種比特組合，其數(shù)據(jù)傳輸率較兩相增加2倍。602.3.3數(shù)字-模擬調(diào)制A.幅移鍵控B.頻移鍵控C.相移鍵控D.復(fù)合多級調(diào)制：在多級調(diào)制中，調(diào)制信號的級數(shù)越多，數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的傳輸速率就越高，但相鄰級別之間的差別就越小，抗干擾能力就越低，解調(diào)的難度也越大。（多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能通常低于二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)。）因此，對單一參數(shù)的多級調(diào)制來說，數(shù)據(jù)傳輸速率不可能做到很大。為進(jìn)一步提高調(diào)制的效率，在同樣的級數(shù)下得到更多的信號狀態(tài)數(shù)，可以對兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行復(fù)合多級調(diào)制。

基本數(shù)字調(diào)制技術(shù)612.3.4模擬-數(shù)字編碼數(shù)字信號在很多方面優(yōu)于模擬信號。將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，方便計(jì)算機(jī)的處理和遠(yuǎn)距離傳輸。變換方法：脈碼調(diào)制（PCM,PulseCodeModelation）

三個(gè)步驟：采樣、量化、編碼采樣器量化器編碼器模擬數(shù)據(jù)數(shù)字信號時(shí)間離散、振幅連續(xù)的信號(PAM脈沖)時(shí)間離散、振幅離散的信號(PCM脈沖)脈沖編碼調(diào)制原理圖62采樣：在時(shí)間上將模擬信號離散化。為保證模擬信號不失真，fs>2fm（模擬信號的最高頻率）。量化：對采樣來的幅值進(jìn)行舍零取整的處理

對采樣幅值進(jìn)行8級量化，四舍五入編碼：對每個(gè)量化后的樣本進(jìn)行編碼。使用3位二進(jìn)制，對8級量化進(jìn)行編碼。2.3.4模擬-數(shù)字編碼3.23.92.83.81.23.47675627110111101110010111104111010110101111110PCM輸出：63例：--話音信道帶寬<4KHz--采樣時(shí)鐘頻率：8KHz(>2倍話音最大頻率)--量化級數(shù)：8級(3位二進(jìn)制碼表示)--數(shù)據(jù)傳輸率：8000樣本/s*3bit/樣本=24Kb/s8級量化，誤差<=最大幅值/1616級量化（4位二進(jìn)編碼），誤差<=最大幅值/32，速率要提高到8000樣本/s*4bit/樣本=32Kb/s256級量化（8位二進(jìn)編碼），誤差<=最大幅值/512，速率要提高到8000樣本/s*8bit/樣本=64Kb/s2.3.4模擬-數(shù)字編碼64改進(jìn)？非線性的編碼技術(shù)優(yōu)化PCM

差分脈碼調(diào)制增量調(diào)制預(yù)測性編碼2.3.4模擬-數(shù)字編碼652.3.5數(shù)字-數(shù)字編碼解決數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的數(shù)字信號表示問題，即通過對數(shù)字信號進(jìn)行編碼來表示數(shù)據(jù)。數(shù)字信號編碼的工作由網(wǎng)絡(luò)上的硬件完成，常用的編碼方法有以下三種：1.不歸零碼NRZ（non-returntozero）單極性雙極性2.歸零碼單極性雙極性3.自同步碼典型代表是曼徹斯特編碼和差分曼徹斯特編碼4.4B/5B編碼662.3.5數(shù)字-數(shù)字編碼1.不歸零碼單極性不歸零碼：在每一碼元時(shí)間內(nèi)，無電壓表示數(shù)字“0”，有恒定的正電壓表示數(shù)字“1”。每個(gè)碼元的中心是取樣時(shí)間，即判決門限為0.5：0.5以下為“0”，0.5以上為“1”。雙極性不歸零碼：在每一碼元時(shí)間內(nèi)，以恒定的負(fù)電壓表示數(shù)字“0”，以恒定的正電壓表示數(shù)字“1”。判決門限為零電平：0以下為“0”，0以上為“1”。672.3.5數(shù)字-數(shù)字編碼1.不歸零碼（續(xù)）不歸零碼是指編碼在發(fā)送“0”或“1”時(shí)，在一碼元的時(shí)間內(nèi)不會(huì)返回初始狀態(tài)（零）。當(dāng)連續(xù)發(fā)送“1”或者“0”時(shí)，上一碼元與下一碼元之間沒有間隙，使接收方和發(fā)送方無法保持同步（同步困難）。為了保證收、發(fā)雙方同步，往往在發(fā)送不歸零碼的同時(shí)，還要用另一個(gè)信道同時(shí)發(fā)送同步時(shí)鐘信號(增加了連線數(shù)目)。存在直流分量，傳輸中不能使用變壓器682.3.5數(shù)字-數(shù)字編碼2.歸零碼指編碼在發(fā)送“0”或“1”時(shí)，在一碼元的時(shí)間內(nèi)會(huì)返回初始狀態(tài)（零）。單極性歸零碼：以無電壓表示數(shù)字“0”，以恒定的正電壓表示數(shù)字“1”。與單極性不歸零碼的區(qū)別是：“1”碼發(fā)送的是窄脈沖，發(fā)完后歸到零電平。雙極性歸零碼：以恒定的負(fù)電壓表示數(shù)字“0”，以恒定的正電壓表示數(shù)字“1”。與雙極性不歸零碼的區(qū)別是：兩種信號波形發(fā)送的都是窄脈沖，發(fā)完后歸到零電平。692.3.5數(shù)字-數(shù)字編碼3.自同步碼自同步碼是指編碼在傳輸信息的同時(shí)，將時(shí)鐘同步信號一起傳輸過去。這樣，在數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瑫r(shí)就不必通過其它信道發(fā)送同步信號。局域網(wǎng)中的數(shù)據(jù)通信常使用自同步碼。典型代表是曼徹斯特編碼和差分曼徹斯特編碼。702.3.5數(shù)字-數(shù)字編碼3.自同步碼曼徹斯特（Manchester）編碼：每一位的中間（1/2周期處）有一跳變，該跳變既作為時(shí)鐘信號（同步），又作為數(shù)據(jù)信號。從高到低的跳變表示數(shù)字“0”，從低到高的跳變表示數(shù)字“1”。差分曼徹斯特（DifferentManchester）編碼：每一位的中間（1/2周期處）有一跳變，但是，該跳變只作為時(shí)鐘信號（同步）。數(shù)據(jù)信號根據(jù)每位開始時(shí)有無跳變進(jìn)行取值：有跳變表示數(shù)字“0”，無跳變表示數(shù)字“1”。712.3.5數(shù)字-數(shù)字編碼曼徹斯特編碼、差分曼徹斯特編碼特點(diǎn)：自帶同步信號由于一位的中間必須跳變，所以都屬于歸零編碼（ReturntoZero）編碼效率低——50%，100Mbps的速率，要200M的波特率。換言之,需要發(fā)送數(shù)據(jù)的2倍寬帶。用于傳統(tǒng)局域網(wǎng)722.3.5數(shù)字-數(shù)字編碼4.4B/5B編碼（為提高編碼效率）每次對4位數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼,每4位數(shù)據(jù)編碼成5位符號。5比特編碼的32種組合中，實(shí)際只使用了24種，其中的16種用做數(shù)據(jù)符合，其余8種用做控制符號(如幀的起始和結(jié)束符號等)。對于100Ｍbps的光纖網(wǎng)只需125MHz的元件就可實(shí)現(xiàn),效率提高到80%。同步：可以采用二級編碼的方法。即先按4B/5B編碼，然后再利用一種稱為倒相的不歸零制NRZI編碼。編碼確保無論4比特符號為何種組合(包括全“0”)，其對應(yīng)的5比特編碼中至少有2位“1”，從而保證在光纖中傳輸?shù)男盘栔辽侔l(fā)生兩次跳變，接收端可得到足夠的同步信息，利于接收端的時(shí)鐘提取。原理類似于差分編碼。用于快速以太網(wǎng)732.4多路復(fù)用技術(shù)多路復(fù)用技術(shù):使用一條通信線路傳送多路數(shù)據(jù)信號為何要復(fù)用？線路成本分類：頻分多路復(fù)用（FDM-FrequencyDivisionMultiplexing）時(shí)分多路復(fù)用（TDM-TimeDivisionMultiplexing）波分多路復(fù)用（WDM-WavelengthDivisionMultiplexing）碼分多路復(fù)用（CDM-CodeDivisionMultiplexing）DEMUX復(fù)用器解復(fù)用器共享信道MUX742.4多路復(fù)用技術(shù)分類：頻分多路復(fù)用（FDM）采用調(diào)頻的多路復(fù)用技術(shù)。業(yè)務(wù)信道在不同的頻段分配給不同的用戶。

時(shí)分多路復(fù)用（TDM）是采用時(shí)分的多路復(fù)用技術(shù)。業(yè)務(wù)信道在不同的時(shí)間分配給不同的用戶。波分多路復(fù)用（WDM）實(shí)際上是FDM的一個(gè)變種，用于光纖信道的復(fù)用。

碼分多路復(fù)用（CDM）是采用擴(kuò)頻的多路復(fù)用技術(shù)。所有用戶在同一時(shí)間、同一頻段上，根據(jù)不同的編碼獲得業(yè)務(wù)信道。75CH1CH2CH3帶寬復(fù)用fCH2CH1CH3原帶寬CH1CH2CH3移頻后帶寬MUX1、頻分多路復(fù)用（FDM）應(yīng)用：適合傳輸模擬信號，應(yīng)用于無線電廣播，電視。原理：信號被劃分成若干通道(頻道,波段)，每個(gè)通道獨(dú)立進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，頻率通道之間留有防護(hù)頻帶。FDM的CCITT標(biāo)準(zhǔn)與貝爾標(biāo)準(zhǔn)(教材P)762、時(shí)分多路復(fù)用（TDM）原理：把物理信道按時(shí)間分割成若干個(gè)時(shí)間片，并輪流分配給多個(gè)信號使用。每個(gè)信號分得一個(gè)時(shí)間片，在該時(shí)間片內(nèi)該信號占用整個(gè)帶寬。通過時(shí)間片輪轉(zhuǎn)，多條低速線路共同使用一條高速線路進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。應(yīng)用：適用于數(shù)字信號傳輸。低速線路低速線路高速線路772、時(shí)分多路復(fù)用（TDM）（續(xù)1）分類：傳統(tǒng)（同步、靜態(tài)）時(shí)分復(fù)用：將時(shí)間片預(yù)先固定的分配給各個(gè)信道，即每個(gè)時(shí)間片與一個(gè)信號對應(yīng)，并且時(shí)間片固定不變。在接受端，根據(jù)時(shí)間片序號可判斷出是哪一路信號。

缺點(diǎn)：當(dāng)某信號源沒有數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，分配的時(shí)間片內(nèi)空閑，而其他繁忙的信道無法占用之，因此會(huì)降低線路的利用率。統(tǒng)計(jì)（異步、動(dòng)態(tài)）時(shí)分復(fù)用：動(dòng)態(tài)地分配時(shí)間片。先依次掃描各子信道，只把時(shí)間片分給那些有數(shù)據(jù)要發(fā)送的終端，而不分配給空閑終端。提高了線路的利用率。782、時(shí)分多路復(fù)用（TDM）（續(xù)2）目前兩大數(shù)字傳輸系統(tǒng)都是時(shí)分復(fù)用線路：T1:北美的24路脈碼調(diào)制PCM簡稱T1,速率1.544Mbit/s；E1:歐洲,亞洲的30路脈碼調(diào)制PCM簡稱E1,速率2.048Mbit/sCH0CH1CH10CH11CH23CH10CH11CH12CH0CH1CH10CH11CH23CH10CH11CH12TDMTDMT1的時(shí)分復(fù)用幀CH0CH1CH2···CH10CH11CH24···CH128bits79T1的時(shí)分復(fù)用幀CH0CH1CH10CH11CH23CH10CH11CH12CH0CH1CH10CH11CH23CH10CH11CH12TDMTDMT1的時(shí)分復(fù)用幀CH0CH1CH2···CH10CH11CH24···CH128bits802、時(shí)分多路復(fù)用（TDM）（續(xù)3）T1的一個(gè)時(shí)分復(fù)用幀劃分為24個(gè)相等的時(shí)隙。每個(gè)時(shí)隙傳8bit一個(gè)時(shí)分復(fù)用幀長度＝8×24＋1（分幀碼/幀同步碼）＝193bit125μs傳一幀數(shù)據(jù)速率=1.544Mb/sT2,T381WDM是指在一根光纖上同時(shí)傳輸多個(gè)波長不同的光載波。

WDM實(shí)際上是FDM的一個(gè)變種，用于光纖信道的復(fù)用。原理：要傳輸?shù)墓獠ǖ牟ㄩL（頻率）是不同的，它們通過合波器（如棱鏡、光柵）后，就可使用一條共享的光纖傳輸，到達(dá)目的地節(jié)點(diǎn)后，在經(jīng)過分波器（如棱鏡、光柵）分成多束光波。常稱一根光纖復(fù)用為兩路光載波信號為WDM；一根光纖復(fù)用為多路光載波信號為密集波分多路復(fù)用(DenseWDM)。3、波分多路復(fù)用（WDM）例：一根單模光纖數(shù)據(jù)傳輸率為2.5Gb/s，復(fù)用為n路信號后，光纖的數(shù)據(jù)傳輸總速率達(dá)n×2.5Gb/s，顯著提高了光纖的數(shù)據(jù)傳輸率。824、碼分多路復(fù)用（CDM）碼分多路復(fù)用（CDM），也常被稱為碼分多址復(fù)用即CDMA（CodeDivisionMultipleAccess）原理：基于擴(kuò)頻技術(shù)，首先發(fā)送方將需要傳輸?shù)木哂幸欢◣挼男畔?shù)據(jù)用一個(gè)偽隨機(jī)碼調(diào)制，調(diào)制后的信息帶寬遠(yuǎn)大于調(diào)制前的帶寬，這樣原始信號帶寬得到擴(kuò)展，即擴(kuò)頻。然后把擴(kuò)頻后的信號經(jīng)載波調(diào)制后發(fā)送給接受方。接受方用完全相同的偽隨機(jī)碼把收到的信號還原為原始數(shù)據(jù)。由于用戶使用了經(jīng)過特殊挑選的不同碼型，故可以在同樣時(shí)間內(nèi)使