劉克成鄭柯計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)ppt第2章 數(shù)據(jù)通信和物理層(新).ppt

1、計(jì)算機(jī)系網(wǎng)絡(luò)教研室,計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò),第2章 數(shù)據(jù)通信和物理層,計(jì)算機(jī)系網(wǎng)絡(luò)教研室,第 2 章 物理層,2.1 物理層的基本概念 2.2 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的基本概念 2.3 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的指標(biāo) 2.4 信道的極限容量（重點(diǎn)、難點(diǎn)） 2.5 數(shù)據(jù)通信方式 2.6 數(shù)據(jù)編碼與數(shù)據(jù)調(diào)制（重點(diǎn)） 2.7 物理層下面的傳輸媒體 2.8 信道復(fù)用技術(shù)（重點(diǎn)、難點(diǎn)） 2.9 數(shù)字傳輸系統(tǒng) 2.10 寬帶接入技術(shù),計(jì)算機(jī)系網(wǎng)絡(luò)教研室,1 物理層的基本概念,物理層位于傳輸媒體（傳輸介質(zhì)）之上，它的作用是盡量屏蔽具體物理設(shè)備或傳輸媒體的差異，為上層（數(shù)據(jù)鏈路層）提供統(tǒng)一的服務(wù)。 因此，物理層的主要任務(wù)是確定與傳輸媒體的接口

2、的一些特性，即 物理層的主要任務(wù)描述為確定與傳輸媒體的接口的一些特性，即： 機(jī)械特性、電氣特性、功能特性、規(guī)程特性,計(jì)算機(jī)系網(wǎng)絡(luò)教研室,機(jī)械特性 指明接口所用接線器的形狀和尺寸、引線數(shù)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(xiàn)的電壓的范圍。 功能特性 指明某條線上出現(xiàn)的某一電平的電壓表示何種意義。 規(guī)程特性 指明對(duì)于不同功能的各種可能事件的出現(xiàn)順序。,計(jì)算機(jī)系網(wǎng)絡(luò)教研室,機(jī)械特性 規(guī)定了物理連接時(shí)對(duì)插頭和插座的幾何尺寸、插針或插孔芯數(shù)及排列方式、鎖定裝置形式等。,各類已被ISO標(biāo)準(zhǔn)化了的DCE連接器的幾何尺寸及插孔芯數(shù)和排列方式。,計(jì)算機(jī)系網(wǎng)絡(luò)教研室,電氣特性 規(guī)定

3、了在物理連接上導(dǎo)線的電氣連接及有關(guān)的電路的特性，一般包括：接收器和發(fā)送器電路特性的說(shuō)明、表示信號(hào)狀態(tài)的電壓/電流電平的識(shí)別、最大傳輸速率的說(shuō)明、以及與互連電纜相關(guān)的規(guī)則等。 物理層的電氣特性還規(guī)定了DTE-DCE接口線的信號(hào)電平、發(fā)送器的輸出阻抗、接收器的輸入阻抗等電器參數(shù)。,計(jì)算機(jī)系網(wǎng)絡(luò)教研室,功能特性 規(guī)定了接口信號(hào)的來(lái)源、作用以及其它信號(hào)之間的關(guān)系。 過(guò)程特性 規(guī)定了使用交換電路進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的控制步驟，這些控制步驟的應(yīng)用使得比特流傳輸?shù)靡酝瓿伞?2 數(shù)據(jù)通信的基礎(chǔ)知識(shí),調(diào)制解調(diào)器,PC 機(jī),公用電話網(wǎng),調(diào)制解調(diào)器,數(shù)字比特流,數(shù)字比特流,模擬信號(hào),模擬信號(hào),輸入 漢字,顯示 漢字,PC

4、機(jī),1 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的模型,計(jì)算機(jī)系網(wǎng)絡(luò)教研室,幾個(gè)術(shù)語(yǔ),信息(Information) 是人們對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的事物的存在方式及其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的認(rèn)識(shí)。 數(shù)據(jù)(data)運(yùn)送消息的實(shí)體。是把事件的某些屬性規(guī)范化后的表現(xiàn)形式;最原始，計(jì)算機(jī)能表示的。各種需要傳輸和處理的信息（文字，圖像、聲音、動(dòng)作等）。 信號(hào)(signal)數(shù)據(jù)的電氣的或電磁的表現(xiàn)。,計(jì)算機(jī)系網(wǎng)絡(luò)教研室,信息：人對(duì)雪花和馬的認(rèn)識(shí) 數(shù)據(jù)：文字，二進(jìn)制數(shù)，十進(jìn)制數(shù) 信號(hào)：電壓，光，磁場(chǎng)強(qiáng)度,計(jì)算機(jī)系網(wǎng)絡(luò)教研室,模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào),模擬信號(hào)（analog signal）的信號(hào)電平是連續(xù)變化的； 時(shí)間上連續(xù)，包含無(wú)窮多個(gè)值 數(shù)字信號(hào)（digita

5、l signal）是用兩種不同的電平去表示0、1比特序列的電壓脈沖信號(hào)表示,時(shí)間上離散，僅包含有限數(shù)目的預(yù)定值,模擬信號(hào)：優(yōu)點(diǎn)是它能對(duì)細(xì)節(jié)進(jìn)行表示，但是噪聲、或來(lái)自其他源的干擾，會(huì)嚴(yán)重地影響模擬信號(hào)，比數(shù)字信號(hào)更易于出錯(cuò)，因此模擬信號(hào)對(duì)于數(shù)據(jù)發(fā)送并不是最佳選擇。 隨著信號(hào)的傳播，信號(hào)能量會(huì)逐漸減少，這就是信號(hào)的衰減。模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)存在著衰減。為了補(bǔ)償衰減，要經(jīng)常對(duì)數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，也即使將信號(hào)重新放大，以使它們傳播得更遠(yuǎn)。,模擬信號(hào)的轉(zhuǎn)發(fā)：在模擬信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)這樣的問題當(dāng)它被轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)信號(hào)幅度將增強(qiáng)，同時(shí)伴隨的被累積的噪聲幅度也將增強(qiáng)，這種雜亂無(wú)章的增強(qiáng)將使得模擬信號(hào)變形更加嚴(yán)

6、重。下圖顯示了因噪聲而變形并在隨后又被放大的模擬信號(hào)的波形。,因噪聲變形繼而被放大的模擬信號(hào),數(shù)字信號(hào)：由脈沖值為1 或0 的精確電壓組成，如同在任何二進(jìn)制系統(tǒng)中用1 和0 組合來(lái)對(duì)信息進(jìn)行編碼一樣，在數(shù)字信號(hào)中每個(gè)脈沖被稱為一個(gè)二進(jìn)制數(shù)或位。一個(gè)位只能有兩種可能值：1 或0 。,相對(duì)于模擬信號(hào)，數(shù)字信號(hào)傳輸數(shù)據(jù)時(shí)更可靠些。,數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)發(fā)：相對(duì)于模擬信號(hào)，數(shù)字信號(hào)被轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)，實(shí)際上是將原始信號(hào)以不變形的、并且無(wú)噪聲的放大形式重新發(fā)送，該過(guò)程也被稱之為波形再生。再生一個(gè)數(shù)字信號(hào)的設(shè)備被稱之為中繼器。,網(wǎng)絡(luò)僅僅收發(fā)由精確脈沖所表示的1 和0 兩種模式，因?yàn)閿?shù)字傳輸要比依靠可變電壓的模擬傳輸可靠得多

7、，并且數(shù)字發(fā)送幾乎不受噪聲影響。所以大部分網(wǎng)絡(luò)僅限于使用數(shù)字傳輸。,因噪聲而變形的數(shù)字信號(hào)進(jìn)而被轉(zhuǎn)發(fā),計(jì)算機(jī)系網(wǎng)絡(luò)教研室,模擬信道和數(shù)字信道,信道（channel） 向某一個(gè)方向傳輸信息的媒體。 模擬信道 是用來(lái)傳輸連續(xù)的模擬信號(hào)(如正弦波信號(hào))的信道； 如果利用模擬信道傳送數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，則必須經(jīng)過(guò)數(shù)字與模擬信號(hào)之間的變換（A/D變換器）。 數(shù)字信道 是用來(lái)傳輸離散的數(shù)字信號(hào)(如脈沖信號(hào))的信道。,計(jì)算機(jī)系網(wǎng)絡(luò)教研室,2.3 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的指標(biāo),為了衡量數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行院涂煽啃?，?shù)據(jù)通信系統(tǒng)有以下性能指標(biāo)：數(shù)據(jù)傳輸速率、帶寬、波特率、誤碼率等。 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)主要有以下幾項(xiàng) ： 波特率 碼

8、元的傳輸速率 比特率信息的傳輸速率 信道容量信道能達(dá)到的最大傳輸能力。 誤碼率 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的傳輸可靠性的指標(biāo),計(jì)算機(jī)系網(wǎng)絡(luò)教研室,碼元,碼元：承載信息量的基本信號(hào)單位。一碼元就是一個(gè)單位電脈沖。 一碼元所承載的信息量，由脈沖信號(hào)所能表示的數(shù)據(jù)有效離散值的個(gè)數(shù)決定的。 例：一個(gè)碼元（脈沖）僅可取0和1兩個(gè)有效值時(shí)，則該碼元只能攜帶一位（bit）二進(jìn)制信息，-1 位信息量 一個(gè)碼元（脈沖）可取00、01、10、11四個(gè)有效值時(shí)，則該碼元能攜帶二位（bit）二進(jìn)制信息。-2位信息量 一個(gè)碼元（脈沖）可取000、001、010.、011、100、101、110、111八個(gè)有效值時(shí)，則該碼元能攜帶三位

9、（bit）二進(jìn)制信息。-3位信息量,計(jì)算機(jī)系網(wǎng)絡(luò)教研室,結(jié)論： 一個(gè)碼元（脈沖）可取M個(gè)有效值時(shí)，則該碼元能攜帶 log M（bit）二進(jìn)制信息,計(jì)算機(jī)系網(wǎng)絡(luò)教研室,碼元和比特的關(guān)系,計(jì)算機(jī)系網(wǎng)絡(luò)教研室,碼元傳輸速率 碼元傳輸速率，又稱為碼元速率或傳碼率。其定義為每秒鐘傳送碼元的數(shù)目，單位為“波特”,常用符號(hào)“Baud”表示，簡(jiǎn)寫為“B”。 數(shù)據(jù)傳輸速率（比特(bit)率）每秒能傳輸構(gòu)成代碼的位(bit)數(shù)。 單位為比特/秒（bit/s）、位/秒。簡(jiǎn)記為b/s或bps； 調(diào)制速率： 線路上單位時(shí)間內(nèi)傳送的波形（碼元）個(gè)數(shù)。波形變換的次數(shù)。單位是波特（baud）.又稱波特率或碼元速率 數(shù)據(jù)速率=

10、碼元速率log M為一個(gè)碼元所取的離散值個(gè)數(shù)或信號(hào)的編級(jí)數(shù),計(jì)算機(jī)系網(wǎng)絡(luò)教研室,信道容量,信道容量表征一個(gè)信道傳輸數(shù)據(jù)的能力,單位也用位/秒(bps)。信道容量與數(shù)據(jù)傳輸速率的區(qū)別在于,前者表示信道的最大數(shù)據(jù)傳輸速率,是信道傳輸數(shù)據(jù)能力的極限,而后者則表示實(shí)際的數(shù)據(jù)傳輸速率。,計(jì)算機(jī)系網(wǎng)絡(luò)教研室,練習(xí) ： 假設(shè)某信道的最大碼元傳輸速率為2400baud，采用四電平的編碼方式，該信道的最高數(shù)據(jù)傳輸速率是多少？,計(jì)算機(jī)系網(wǎng)絡(luò)教研室,2、信道帶寬,信道帶寬：指的是網(wǎng)絡(luò)信號(hào)可使用的最高頻率與最低頻率之差、或者說(shuō)是“頻帶的寬度 ，單位是赫（或千赫、兆赫、吉赫等）。,計(jì)算機(jī)系網(wǎng)絡(luò)教研室,傳輸媒體的帶寬,任

11、何傳輸媒體都只能傳輸某些頻率范圍內(nèi)的信號(hào)，即具有一個(gè)有限的帶寬。 如果媒體帶寬小于信號(hào)的有效帶寬，接收將會(huì)失真。,計(jì)算機(jī)系網(wǎng)絡(luò)教研室,現(xiàn)在“帶寬”是數(shù)字信道所能傳送的“最高數(shù)據(jù)率”的同義語(yǔ)，單位是“比特每秒”，或 b/s (bit/s)。 更常用的帶寬單位是 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：,計(jì)算機(jī)系網(wǎng)絡(luò)教研室,練習(xí)：,有600MB（兆字節(jié)）的數(shù)據(jù)，要甲地傳送到乙地。設(shè)信息傳送的速率是56Kb/s，則從甲到乙要多長(zhǎng)時(shí)間？如果信息傳送的速率是10Mb/s

12、呢？,計(jì)算機(jī)系網(wǎng)絡(luò)教研室,練習(xí)：,1、設(shè)數(shù)據(jù)信號(hào)碼元長(zhǎng)度為83310-6秒，如采用16電平傳輸，試求數(shù)據(jù)傳信速率和調(diào)制速率？ 解：RB=1/T=1/（83310-6 ）=1200Bd R=1200log216=4800bps 2、一個(gè)二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)碼元時(shí)間長(zhǎng)度為0.1s，在傳輸過(guò)程中平均2.5秒產(chǎn)生一個(gè)錯(cuò)碼，求其平均誤碼率。 解：2.5秒傳輸碼元數(shù)為：2.5/0.1*10-6=2.5106 所以，平均誤碼率為：1/(2.5106 ) =410-7,計(jì)算機(jī)系網(wǎng)絡(luò)教研室,時(shí)延(delay 或 latency),發(fā)送時(shí)延（傳輸時(shí)延 ） 發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)塊從結(jié)點(diǎn)進(jìn)入到傳輸媒體所需要的時(shí)間。 信道帶寬

13、數(shù)據(jù)在信道上的發(fā)送速率。常稱為數(shù)據(jù)在信道上的傳輸速率。,計(jì)算機(jī)系網(wǎng)絡(luò)教研室,時(shí)延(delay 或 latency),傳播時(shí)延 電磁波在信道中需要傳播一定的距離而花費(fèi)的時(shí)間。 數(shù)據(jù)傳輸速率（即發(fā)送速率）和信號(hào)在信道上的傳播速率是完全不同的概念。,計(jì)算機(jī)系網(wǎng)絡(luò)教研室,時(shí)延(delay 或 latency),處理時(shí)延 交換結(jié)點(diǎn)為存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)而進(jìn)行一些必要的處理所花費(fèi)的時(shí)間。 結(jié)點(diǎn)緩存隊(duì)列中分組排隊(duì)所經(jīng)歷的時(shí)延是處理時(shí)延中的重要組成部分。 處理時(shí)延的長(zhǎng)短往往取決于網(wǎng)絡(luò)中當(dāng)時(shí)的通信量。 有時(shí)可用排隊(duì)時(shí)延作為處理時(shí)延。,計(jì)算機(jī)系網(wǎng)絡(luò)教研室,時(shí)延(delay 或 latency),數(shù)據(jù)經(jīng)歷的總時(shí)延就是發(fā)送時(shí)延、

14、傳播時(shí)延和處理時(shí)延之和：,總時(shí)延 = 發(fā)送時(shí)延 + 傳播時(shí)延 + 處理時(shí)延,計(jì)算機(jī)系網(wǎng)絡(luò)教研室,三種時(shí)延所產(chǎn)生的地方,1 0 1 1 0 0 1,發(fā)送器,隊(duì)列,結(jié)點(diǎn) B,結(jié)點(diǎn) A,數(shù)據(jù),從結(jié)點(diǎn) A 向結(jié)點(diǎn) B 發(fā)送數(shù)據(jù),鏈路,計(jì)算機(jī)系網(wǎng)絡(luò)教研室,習(xí)題：,收發(fā)兩端之間的傳輸距離為1000km，信號(hào)在媒體上的傳播速率為2108m/s 。試計(jì)算以下兩種情況的發(fā)送時(shí)延和傳播時(shí)延： （1）數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為107bit，數(shù)據(jù)發(fā)送速率為100kb/s。 （2）數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為103bit，數(shù)據(jù)發(fā)送速率為1Gb/s。,計(jì)算機(jī)系網(wǎng)絡(luò)教研室,答案：,（1）發(fā)送時(shí)延： ts=107105=100s 傳播時(shí)延： tp=106(2

15、*108)=0.005s （2）發(fā)送時(shí)延： ts=103109=0.000001s 傳播時(shí)延： tp=106(2*108)=0.005s,結(jié)論： 若數(shù)據(jù)長(zhǎng)度大而發(fā)送速率低，則在總的時(shí)延中，發(fā)送時(shí)延往往大于傳播時(shí)延； 但若數(shù)據(jù)長(zhǎng)度短而發(fā)送速率高，則傳播時(shí)延就可能是總時(shí)延中的主要成分。,計(jì)算機(jī)系網(wǎng)絡(luò)教研室,4 、時(shí)延帶寬積和往返時(shí)延,鏈路的時(shí)延帶寬積又稱為以比特為單位的鏈路長(zhǎng)度。 表示發(fā)送端連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)，則發(fā)送的第一個(gè)比特即將到達(dá)終點(diǎn)時(shí)，發(fā)送端就已經(jīng)發(fā)送了“時(shí)延帶寬積 ”個(gè)比特,計(jì)算機(jī)系網(wǎng)絡(luò)教研室,習(xí)題：,假設(shè)信號(hào)在媒體上的傳播速率為2.3108m/s。媒體長(zhǎng)度l分別為： (1)10cm（網(wǎng)卡）

16、(2)100m（局域網(wǎng)） (3)100km（城域網(wǎng)） (4)5000km（廣域網(wǎng)） 試計(jì)算當(dāng)帶寬為1Mb/s和10Gb/s時(shí)在以上媒體中正在傳輸?shù)谋忍財(cái)?shù)。,計(jì)算機(jī)系網(wǎng)絡(luò)教研室,答案：,計(jì)算機(jī)系網(wǎng)絡(luò)教研室,5. 利用率,利用率有信道利用率和網(wǎng)絡(luò)利用率兩種。 信道利用率指出某信道有百分之幾的時(shí)間是被利用的（有數(shù)據(jù)通過(guò)）。完全空閑的信道的利用率是零。 信道利用率并非越高越好。,時(shí)延 D,利用率 U,1,0,D0,時(shí)延 急劇 增大,結(jié)論：信道或網(wǎng)絡(luò)利用率過(guò)高會(huì)產(chǎn)生非常大的時(shí)延。,圖：時(shí)延與利用率的關(guān)系,計(jì)算機(jī)系網(wǎng)絡(luò)教研室,6. 誤碼率,誤碼率（Pe）是指二進(jìn)制數(shù)據(jù)位傳輸時(shí)出錯(cuò)的概率。它是衡量數(shù)據(jù)通信系

17、統(tǒng)在正常工作情況下的傳輸可靠性的指標(biāo)。 根據(jù)概率統(tǒng)計(jì)理論，此概率近似等于被傳錯(cuò)的碼元數(shù)與所傳送的碼元總數(shù)之比。即：,式中，Ne為被傳錯(cuò)的碼元數(shù)，N為所傳送的碼元總數(shù)。 在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)中，要求誤碼率低于10-6。 如果實(shí)際傳輸?shù)牟皇嵌M(jìn)制碼元，需折合成二進(jìn)制碼元計(jì)算。,Pe =,Ne,N,7、奈氏(Nyquist)準(zhǔn)則,每赫帶寬的理想低通信道的最高碼元傳輸速率是每秒 2 個(gè)碼元。 由此可推出表征信道數(shù)據(jù)傳輸能力的奈奎斯特公式: C =2Wlog2M (bps)此處,M仍然表示攜帶數(shù)據(jù)的碼元可能取的離散值的個(gè)數(shù),C即是該信道最大的數(shù)據(jù)傳輸速率,理想低通信道的最高碼元傳輸速率 = 2W Bau

18、d,W 是理想低通信道的帶寬，單位為赫(Hz),不能通過(guò),能通過(guò),0,頻率(Hz),W (Hz),計(jì)算機(jī)系網(wǎng)絡(luò)教研室,另一種形式的奈氏準(zhǔn)則,每赫帶寬的理想帶通信道的最高碼元傳輸速率是每秒 1 個(gè)碼元。,理想帶通特性信道的最高碼元傳輸速率 = W Baud,W 是理想帶通信道的帶寬，單位為赫(Hz),不能通過(guò),能通過(guò),0,頻率(Hz),W (Hz),不能通過(guò),計(jì)算機(jī)系網(wǎng)絡(luò)教研室,8、香農(nóng)(Shannon)定理,香農(nóng)(Shannon)用信息論的理論推導(dǎo)出了帶寬受限且有高斯白噪聲干擾的信道的極限、無(wú)差錯(cuò)的信息傳輸速率。 信道的極限信息傳輸速率 C 可表達(dá)為 C = W log2(1+S/N) b/s

19、 W 為信道的帶寬（以 Hz 為單位）； S 為信道內(nèi)所傳信號(hào)的平均功率； N 為信道內(nèi)部的高斯噪聲功率。,計(jì)算機(jī)系網(wǎng)絡(luò)教研室,請(qǐng)注意,由于實(shí)際使用的信道的信噪比都要足夠大，故常表示成10log10(S/N)，以分貝(dB)為單位來(lái)計(jì)量，在使用時(shí)要特別注意。,計(jì)算機(jī)系網(wǎng)絡(luò)教研室,練習(xí)：,信噪比為30dB,帶寬為3kHZ的信道的最大數(shù)據(jù)傳輸速率為？ 分析：由于信噪比為30dB，所以有： 10log10(S/N)=30成立，計(jì)算得S/N=1000； 由香農(nóng)定量得： C=3000log2(1+1000）30kbps。,計(jì)算機(jī)系網(wǎng)絡(luò)教研室,練習(xí),某一待傳輸?shù)膱D片約含2.25106個(gè)象元。為了很好的重現(xiàn)

20、圖片需要16個(gè)亮度電平。假若所有這些亮度電平等概率出現(xiàn)，試計(jì)算用3分鐘傳送一張圖片時(shí)所需要的信道帶寬（設(shè)信道中信噪功率比30dB）。 分析：數(shù)據(jù)傳輸速率 R=2.25106 log216/180=5104 b/s 有香農(nóng)定理C =B*log2(1+s/n)= 5104 b/s 由于信噪比為30dB，所以有： 10log10(S/N)=30成立，計(jì)算得S/N=1000； B=5103 Hz,練習(xí)：在一個(gè)帶寬為3kHz、沒有噪聲的信道，傳輸二進(jìn)制信號(hào)時(shí)能夠達(dá)到的極限數(shù)據(jù)傳輸率為（1）。一個(gè)帶寬為3kHz、信噪比為30dB的信道，能夠達(dá)到的極限數(shù)據(jù)傳輸率為（2）。上述結(jié)果表明，（3）。根據(jù)Nyqui

21、st定理，為了保證傳輸質(zhì)量，達(dá)到3Kbps的數(shù)據(jù)傳輸率需要的帶寬為（4）。在一個(gè)無(wú)限帶寬的無(wú)噪聲信道上，傳輸二進(jìn)制信號(hào)，當(dāng)信號(hào)的帶寬為3kHz時(shí)，能達(dá)到的極限數(shù)據(jù)傳輸率為（5）Kbps。 （1）A3Kbps B6Kbps C56Kbps D10Mbps （2）A12Kbps B30Kbps C56Kbps D10Mbps （3） A有噪聲信道比無(wú)噪聲信道具有更大的帶寬 B有噪聲信道比無(wú)噪聲信道可達(dá)到更高的極限數(shù)據(jù)傳輸率 C有噪聲信道與無(wú)噪聲信道沒有可比性 D條件不同，不能進(jìn)行直接的比較 （4）A3kHz B6kHz C2kHz D56kHz （5）A1.5 B3 C6 D3log23,答案：（

22、1）B，（2）B，（3）D，（4）B，（5）C。,計(jì)算機(jī)系網(wǎng)絡(luò)教研室,計(jì)算機(jī)系網(wǎng)絡(luò)教研室,2.4 數(shù)據(jù)通信方式,數(shù)據(jù)通信（傳輸）的方式，可以從不同的角度劃分，本節(jié)介紹： （1）單工模式、半雙工模式和全雙工模式 （2）并行傳輸和串行傳輸 （3）同步傳輸和異步傳輸 （4）基帶傳輸和頻帶傳輸,計(jì)算機(jī)系網(wǎng)絡(luò)教研室,2.4.1 單工模式、半雙工模式和全雙工模式,從通信的雙方信息交互的方式來(lái)看，可以有以下三種類型： 單工模式（單向通信）信息只能朝著一個(gè)方向傳遞，信息傳輸方向不能改變。只需一條信道。 半雙工模式（雙向交替通信）數(shù)據(jù)信息可以雙向傳遞，但不能同時(shí)進(jìn)行。在此方式中信息流輪流使用發(fā)送和接收裝置。 全

23、雙工模式（雙向同時(shí)通信）能同時(shí)進(jìn)行雙向通信。需要兩條不同方向的信道。,計(jì)算機(jī)系網(wǎng)絡(luò)教研室,2.4.2 并行傳輸和串行傳輸,在計(jì)算機(jī)通信系統(tǒng)中，根據(jù)組成字符的各個(gè)二進(jìn)制位是否同時(shí)傳輸，通信方式分為:并行傳輸和串行傳輸。,計(jì)算機(jī)系網(wǎng)絡(luò)教研室,1. 并行傳輸,幾位數(shù)據(jù)同時(shí)從一個(gè)設(shè)備發(fā)往另一設(shè)備，傳輸速度快。 計(jì)算機(jī)內(nèi)部常用（并行數(shù)據(jù)傳輸線稱為“總線”）。亦用于短距傳輸。,計(jì)算機(jī)系網(wǎng)絡(luò)教研室,串行傳輸,數(shù)據(jù)一位位地按順序傳送，一次只能傳送一位。實(shí)現(xiàn)容易，但傳輸速度慢，通常用于遠(yuǎn)程通信。 與線路接口處需要有“并-串”或“串-并”轉(zhuǎn)換器。 串行傳輸又分為：同步傳輸和異步傳輸。,計(jì)算機(jī)系網(wǎng)絡(luò)教研室,計(jì)算機(jī)系

24、網(wǎng)絡(luò)教研室,2.4.3 同步傳輸和異步傳輸,所謂同步，就是要求接收端按照發(fā)送端所發(fā)送碼元的頻率或起止時(shí)間來(lái)接收數(shù)據(jù)，使得收發(fā)雙方在時(shí)序上保持一致。 由于并行通信通常用于計(jì)算機(jī)內(nèi)部通信，有統(tǒng)一的內(nèi)部時(shí)鐘，無(wú)須進(jìn)行同步，所以同步一般用于串行通信中。 在串行傳輸中，按照同步方式，又分為同步傳輸和異步傳輸。,計(jì)算機(jī)系網(wǎng)絡(luò)教研室,1. 異步傳輸,異步傳輸方式又稱為起止式同步方式，它是以字符為單位進(jìn)行同步的，以字符為傳輸單位的。,所謂異步傳輸是指字符與字符（一個(gè)字符結(jié)束到下一個(gè)字符開始）之間的時(shí)間間隔是可變的，并不需要嚴(yán)格地限制它們的時(shí)間關(guān)系。,計(jì)算機(jī)系網(wǎng)絡(luò)教研室,異步傳輸?shù)奶攸c(diǎn),優(yōu)點(diǎn)： 每一個(gè)字符本身就

25、包括了本字符的同步信息，不需要在線路兩端設(shè)置專門的同步設(shè)備。 實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，控制容易，如果出現(xiàn)錯(cuò)誤，只需重發(fā)一個(gè)字符即可。 因此，異步傳輸適用于面向字符的、低速的異步通信場(chǎng)合。例如，計(jì)算機(jī)與Modem之間的通信就是采用這種方式。 缺點(diǎn) 通信開銷大，每傳輸一個(gè)字符都要額外附加23位，通信效率比較低。,計(jì)算機(jī)系網(wǎng)絡(luò)教研室,2. 同步傳輸,同步傳輸方式是以固定的時(shí)鐘節(jié)拍來(lái)連續(xù)串行發(fā)送數(shù)字信號(hào)的一種方法。其數(shù)據(jù)格式如下圖所示：,同步傳輸方式中，要求收發(fā)兩端的時(shí)鐘都必須在每個(gè)比特上保持一致。 在同步傳輸中，數(shù)據(jù)的發(fā)送一般以幀為單位。 傳送時(shí)在每個(gè)幀的幀首加兩個(gè)或兩個(gè)以上同步字符sync，幀內(nèi)每個(gè)字符前后不附

26、加起止位。 同步字符sync是一個(gè)獨(dú)特的比特組合，用于通知接收方一個(gè)幀已經(jīng)到達(dá)。 sync除了具有起始位的功能外，還能確保接收方的采樣速度和比特的到達(dá)速度保持一致，收、發(fā)方一般采用同一同步時(shí)鐘。,計(jì)算機(jī)系網(wǎng)絡(luò)教研室,同步傳輸?shù)奶攸c(diǎn),同步傳輸方式的傳輸效率高，開銷小，但收發(fā)雙方需建立同步時(shí)鐘，實(shí)現(xiàn)和控制比較復(fù)雜；在傳輸?shù)臄?shù)據(jù)中有一位出錯(cuò)，就必須重新傳輸整個(gè)數(shù)據(jù)塊。 同步傳輸方式適合于高速場(chǎng)合。 同步傳輸有面向字符和面向位兩種方式。,計(jì)算機(jī)系網(wǎng)絡(luò)教研室,練習(xí)：,1、異步傳輸中，假定停止位為2位，1位偶校驗(yàn)，數(shù)據(jù)位為8位，傳輸效率為多少？ 解：=8/（1+1+2+8）=66.6% 2、異步傳輸中，假

27、定停止位為1位，無(wú)偶校驗(yàn)，數(shù)據(jù)位為8位，傳輸效率為多少？,計(jì)算機(jī)系網(wǎng)絡(luò)教研室,2.4.4 基帶傳輸和頻帶傳輸,基帶信號(hào)：指在通信電纜上原封不動(dòng)的傳輸有計(jì)算機(jī)或終端產(chǎn)生的0或1數(shù)字脈沖信號(hào)。就是將數(shù)字信號(hào) 1 或 0 直接用兩種不同的電壓來(lái)表示，然后送到線路上去傳輸。 基帶傳輸是在信道中直接傳送基帶信號(hào)。 頻帶傳輸是將基帶信號(hào)調(diào)制成模擬信號(hào)，放到信道的通頻帶寬之內(nèi)進(jìn)行傳輸。 寬帶信號(hào)：是將基帶信號(hào)進(jìn)行調(diào)制后形成的頻分復(fù)用模擬信號(hào)。,寬帶信號(hào)則是將基帶信號(hào)進(jìn)行調(diào)制后形成的頻分復(fù)用模擬信號(hào)。 a.寬帶系統(tǒng)能同時(shí)接入幾個(gè)信道，因而能夠比基帶系統(tǒng)傳輸更多的數(shù)據(jù)。 寬帶傳輸能將有線電視帶入家庭。有線電視能

28、夠傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量至少是一個(gè)典型基帶系統(tǒng)（如Ethernet）傳輸數(shù)據(jù)量的幾十倍。 b.在寬帶系統(tǒng)中，信號(hào)僅僅只能進(jìn)行單向傳輸。因此，寬帶電纜必須為數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收提供獨(dú)立的電纜。由于大部分有線電視電纜只提供一條電線，若不做任何修改，它將不能用于把數(shù)據(jù)從屋中向外傳輸。 c.由于使用一些額外的硬件，寬帶傳輸通常比基帶傳輸昂貴得多。 d.另一方面，寬帶系統(tǒng)能夠比基帶系統(tǒng)跨越更長(zhǎng)的距離。,計(jì)算機(jī)系網(wǎng)絡(luò)教研室,2.5 數(shù)據(jù)編碼技術(shù),計(jì)算機(jī)系網(wǎng)絡(luò)教研室,2.5 數(shù)據(jù)編碼,在計(jì)算機(jī)中數(shù)據(jù)是以二進(jìn)制0、1比特序列方式表示的，而計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中采用什么樣的編碼取決于它所采用的通信信道所支持的數(shù)據(jù)類型。計(jì)算機(jī)

29、網(wǎng)絡(luò)中常用的通信信道分為兩類：模擬信道和數(shù)字信道,相應(yīng)的用于數(shù)據(jù)通信的數(shù)據(jù)編碼方式也分為兩類：模擬數(shù)據(jù)編碼和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)編碼。,計(jì)算機(jī)系網(wǎng)絡(luò)教研室,模擬數(shù)據(jù)和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)都可以用模擬信號(hào)或數(shù)字信號(hào)來(lái)表示，因而也可以用其中任意一種形式傳輸。,2.5 數(shù)據(jù)編碼與數(shù)據(jù)調(diào)制,計(jì)算機(jī)系網(wǎng)絡(luò)教研室,2.5.1 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的數(shù)字信號(hào)編碼,計(jì)算機(jī)發(fā)出的數(shù)字信號(hào)是用不同的電平表示的0、1比特序列的，形成矩形脈沖信號(hào)，這種沒有經(jīng)過(guò)調(diào)制的原始數(shù)字信號(hào)稱為“基帶信號(hào)”，基帶傳輸時(shí),需要解決數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的數(shù)字信號(hào)表示以及收發(fā)兩端之間的信號(hào)同步問題。最常用的數(shù)字信號(hào)編碼技術(shù)有以下幾種： （1）非歸零碼NRI； （2）曼徹斯特編碼； （

30、3）差分曼徹斯特編碼。 （4） mB/nB編碼； （5） 多進(jìn)制編碼。,計(jì)算機(jī)系網(wǎng)絡(luò)教研室,1 不歸零編碼Nonreturn to Zero (NRZ),非歸零（Non-Return to Zero，NRZ）碼是用信號(hào)的幅值來(lái)表示二進(jìn)制數(shù)據(jù)，負(fù)電平用于示一個(gè)二進(jìn)制值，正電平用于表示另一個(gè)二進(jìn)制值 由比特值決定信號(hào)的電平。NRZ碼是最容易實(shí)現(xiàn)的，實(shí)際上是直接將計(jì)算機(jī)發(fā)出的信號(hào)加到通信線路上，未作任何處理，代價(jià)也最低。但NRZ碼的缺點(diǎn)是接收方無(wú)法判斷一位的開始和結(jié)束，即不具備同步特性,計(jì)算機(jī)系網(wǎng)絡(luò)教研室,同步：?jiǎn)栴}在哪里?,請(qǐng)看下圖到底有幾個(gè)”1”（用高電平表示）?,當(dāng)一臺(tái)設(shè)備發(fā)送一個(gè)比特的數(shù)字信

31、號(hào)時(shí)，它將在一定的周期內(nèi)（假定為T）產(chǎn)生一個(gè)持續(xù)的信號(hào)。一個(gè)內(nèi)置的時(shí)鐘負(fù)責(zé)定時(shí)。接收設(shè)備必須知道信號(hào)的周期，這樣它才能在每個(gè)T 時(shí)間單元內(nèi)對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣。它也有一個(gè)負(fù)責(zé)定時(shí)的內(nèi)置時(shí)鐘。剩下的就是確保收發(fā)兩端的兩個(gè)時(shí)鐘使用同樣的T 。任何物理設(shè)備都存在著設(shè)計(jì)上的局限性和缺陷。幾乎可以肯定任何兩個(gè)時(shí)鐘都存在著微小的差別，這使得設(shè)備無(wú)法對(duì)傳輸信號(hào)作十分精確的采樣。,計(jì)算機(jī)系網(wǎng)絡(luò)教研室,2 曼徹斯特編碼Manchester Encoding,每個(gè)比特間隔的中間位置處都存在一個(gè)跳變。這種中間處的跳變既含有時(shí)鐘信息，也含有數(shù)據(jù)信息：從低到高的跳變代表1，從高到低的跳變代表0 (注意有些系統(tǒng)也可能相反)。,

32、計(jì)算機(jī)系網(wǎng)絡(luò)教研室,曼徹斯特編碼的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn),優(yōu)點(diǎn)： 接收方容易利用每個(gè)數(shù)據(jù)位中間位置的跳變生成同步時(shí)鐘信號(hào)，勿需單獨(dú)傳送時(shí)鐘，又稱自帶時(shí)鐘碼； 利用跳變的相位容易判斷“0”和“1”； 因?yàn)槊總€(gè)數(shù)據(jù)位中間都有跳變，因此無(wú)直流分量。 缺點(diǎn)： 曼徹斯特編碼的傳輸效率減少了一半。 10 Mb/s以太網(wǎng)（Ethernet）采用的就是曼徹斯特編碼。,計(jì)算機(jī)系網(wǎng)絡(luò)教研室,3 差分曼徹斯特編碼Differential Manchester Encoding,比特間隔中間位置處的跳變僅含有時(shí)鐘信息。在比特間隔開始處如果出現(xiàn)跳變表示0，如果沒有跳變表示1。,計(jì)算機(jī)系網(wǎng)絡(luò)教研室,解碼,在解碼過(guò)程，只要把前一位的后

33、半位和本位的前半位進(jìn)行“異或”即可判別出“0”或“1”的不同狀態(tài)。 兩者相同，表示在碼位之間無(wú)跳變發(fā)生，表示的是“1”； 兩者不同，表示在碼位之間有跳變發(fā)生，表示的是“0”。 差分曼徹斯特編碼是IEEE802.5令牌環(huán)網(wǎng)中使用的編碼方式。,計(jì)算機(jī)系網(wǎng)絡(luò)教研室,4. mB/nB編碼,mB/nB（其中mn）編碼方式是把m比特的二進(jìn)制數(shù)據(jù)塊（block）用n比特的二進(jìn)制代碼塊來(lái)表示。 FDDI和百兆以太網(wǎng)：4B/5B編碼 千兆以太網(wǎng)：8B/10B編碼 萬(wàn)兆以太網(wǎng)：8B/10B和64B/66B兩種編碼 mB/nB編碼后一般不直接放到物理線路上傳輸，還要進(jìn)行一次線路編碼，變成媒體中傳輸?shù)碾娦盘?hào)或光信號(hào)，

34、即兩級(jí)編碼。,計(jì)算機(jī)系網(wǎng)絡(luò)教研室,4B/5B編碼,4B/5B編碼把4比特的二進(jìn)制數(shù)據(jù)塊用5比特的二進(jìn)制碼代碼塊來(lái)表示。 這種編碼將欲發(fā)送的數(shù)據(jù)流每4比特作為一塊，然后將每一塊按4B/5B編碼規(guī)則轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的5B碼。,計(jì)算機(jī)系網(wǎng)絡(luò)教研室,4B/5B編碼的數(shù)據(jù)碼元對(duì)照情況,計(jì)算機(jī)系網(wǎng)絡(luò)教研室,4B/5B編碼的優(yōu)點(diǎn), 可以保證做到無(wú)論4B碼是什么樣的組合，所轉(zhuǎn)換成的5B碼中至少有兩個(gè)“1”，這樣FDDI在光纖中傳輸?shù)墓庑盘?hào)至少發(fā)生兩次跳變，而且在32種5B碼中選擇了其中沒有連續(xù)3個(gè)“0”的編碼，從而利于接收端時(shí)鐘的提取。 5B碼共有32種組合，16種組合做數(shù)據(jù)碼，對(duì)應(yīng)于16種4B碼，其余的部分5B碼

35、可以用作控制碼和空閑碼等，用來(lái)表示如碼流的開始和結(jié)束、線路狀態(tài)空閑等，它們不會(huì)和數(shù)據(jù)碼重復(fù)。,計(jì)算機(jī)系網(wǎng)絡(luò)教研室,mB/nB編碼,2m個(gè)數(shù)據(jù)碼是從2n個(gè)nB碼選出來(lái)的。根據(jù)需要，一般要使“0”和“1”等概率、連續(xù)的“0”和“1”數(shù)目小。 優(yōu)點(diǎn)： 其頻譜低頻分量小 直流基線漂移小 頻率范圍較窄 時(shí)鐘成分豐富，定時(shí)提取方便 除2m個(gè)數(shù)據(jù)碼外，總有一些可以做控制碼,計(jì)算機(jī)系網(wǎng)絡(luò)教研室,mB/nB編碼,缺點(diǎn)：增加了編碼開銷 對(duì)于4B/5B碼和8B/10B碼，編碼開銷增加了25%； 對(duì)于64B/66B碼，編碼開銷增加了3.125%； 對(duì)于mB/nB碼，編碼開銷增加了（n-m）/m%。,計(jì)算機(jī)系網(wǎng)絡(luò)教研室

36、,5. 多進(jìn)制編碼,數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)編碼中，通常利用碼元的某些特征，如幅值、相位等來(lái)攜帶數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，這些特征可以有多種狀態(tài)，稱為碼元狀態(tài)數(shù)，每種狀態(tài)可以表示一個(gè)數(shù)，編成多進(jìn)制碼。,計(jì)算機(jī)系網(wǎng)絡(luò)教研室,四進(jìn)制碼,在計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)中，為了利用廉價(jià)的公共電話交換網(wǎng)（模擬信道）進(jìn)行遠(yuǎn)程通信，必須使用調(diào)制解調(diào)器進(jìn)行信號(hào)變換。 調(diào)制器：把要發(fā)送的基帶信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻率范圍在 3003400 Hz 之間的模擬信號(hào)（載波信號(hào)，載波通常是正弦波或余弦波），以便在電話用戶線上傳送。 解調(diào)器：把電話用戶線上傳送來(lái)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。,2.5.2 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的模擬信號(hào)編碼,計(jì)算機(jī)系網(wǎng)絡(luò)教研室,數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)調(diào)制編碼,數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)在模擬模擬

37、信道上發(fā)送時(shí)必須先把數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)模擬化，模擬是借助于載波實(shí)現(xiàn)的。載波信號(hào)可以表示為余弦波形式： S(t)=Acos(2ft+) ， 頻率、幅值和相位是余弦波形函數(shù)的三個(gè)重要特征，把一個(gè)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)調(diào)制成模擬信號(hào)，就是用一個(gè)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)控制周期信號(hào)的幅度、頻率或相位。根據(jù)數(shù)字信號(hào)對(duì)幅度、頻率或是相位進(jìn)行控制。數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的模擬編碼分為：幅移鍵控法；頻移鍵控法；相移鍵控法,計(jì)算機(jī)系網(wǎng)絡(luò)教研室,1. 幅移鍵控（ASK）,幅移鍵控(ASK) 又稱幅度調(diào)制，就是用被傳輸?shù)臄?shù)字?jǐn)?shù)據(jù)去調(diào)制載波信號(hào)的振幅。 若載波信號(hào)為 Acos(2ft+) ，則振幅調(diào)制信號(hào)可以表示為：,數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)為1 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)為0,特點(diǎn)：噪聲通常只影響振幅

38、。所以ASK是受噪聲影響最大的調(diào)制技術(shù),計(jì)算機(jī)系網(wǎng)絡(luò)教研室,2. 頻移鍵控（FSK）,頻率鍵控(FSK) 又稱頻率調(diào)制，就是用被傳輸?shù)臄?shù)字?jǐn)?shù)據(jù)去調(diào)制載波信號(hào)的頻率。 若載波信號(hào)為 Acos(2ft+) ，則頻率調(diào)制信號(hào)可以表示為：,數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)為1 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)為0,特點(diǎn)：抗干擾性能優(yōu)于ASK（噪聲對(duì)其影響小）,計(jì)算機(jī)系網(wǎng)絡(luò)教研室,3. 相移鍵控（PSK）,相移鍵控(PSK) 又稱相位調(diào)制，就是用被傳輸?shù)臄?shù)字?jǐn)?shù)據(jù)去調(diào)制載波信號(hào)的相位。 若載波信號(hào)為 Acos(2ft+) ，則相位調(diào)制信號(hào)可以表示為：,數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)為1 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)為0,特點(diǎn)：抗干擾性能優(yōu)于ASK（噪聲對(duì)其影響?。?計(jì)算機(jī)系網(wǎng)絡(luò)教研室,三種類型

39、的調(diào)制,計(jì)算機(jī)系網(wǎng)絡(luò)教研室,4. 多級(jí)調(diào)制幅相鍵控（APK）,以上講述的調(diào)制方法調(diào)制后載波信號(hào)的某個(gè)特征參數(shù)（幅度、頻率和相位）的級(jí)數(shù)（即狀態(tài)數(shù)）為2，因此1個(gè)調(diào)制信號(hào)只能表示1個(gè)二進(jìn)制符號(hào)（“0”或“1”）。 如果調(diào)制后信號(hào)的特征參數(shù)級(jí)數(shù)大于2，那么1個(gè)調(diào)制信號(hào)就可能表示多個(gè)二進(jìn)制符號(hào)，對(duì)于級(jí)數(shù)為n的調(diào)制信號(hào)，它可以表示log2n個(gè)二進(jìn)制符號(hào)。這種調(diào)制稱為多級(jí)調(diào)制。 在同樣的調(diào)制信號(hào)傳輸速率的情況下，采用多級(jí)調(diào)制可以達(dá)到更高的信息傳輸速率。,計(jì)算機(jī)系網(wǎng)絡(luò)教研室,雙相位PSK,二進(jìn)制 1 二進(jìn)制 0,計(jì)算機(jī)系網(wǎng)絡(luò)教研室,四相位PSK,讓每一種變化代表兩個(gè)比特(4-PSK)。此時(shí)我們可以用兩倍于

40、2-PSK的速率傳輸數(shù)據(jù)。,計(jì)算機(jī)系網(wǎng)絡(luò)教研室,正交調(diào)幅編碼Quadrature Amplitude Modulation (QAM),一種常用于ADSL（非對(duì)稱數(shù)字用戶線路）和無(wú)線通信的模擬信號(hào)傳輸技術(shù)。 調(diào)幅(ASK)和調(diào)相(PSK)技術(shù)的綜合(同時(shí)改變正弦波三個(gè)特性中的振幅和相位)。理論上可以有無(wú)數(shù)的狀態(tài)組合。,計(jì)算機(jī)系網(wǎng)絡(luò)教研室,64 QAM,計(jì)算機(jī)系網(wǎng)絡(luò)教研室,2.5.3 模擬數(shù)據(jù)的數(shù)字信號(hào)編碼,數(shù)字化(Digitization) 把模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，再通過(guò)數(shù)字編碼技術(shù)或其他技術(shù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)進(jìn)行傳輸。,模擬數(shù)據(jù)數(shù)字信號(hào),主要問題 如何在不損失信號(hào)質(zhì)量的前提下，將信息（數(shù)據(jù)）從

41、無(wú)窮多的連續(xù)值轉(zhuǎn)換為有限個(gè)離散值。 主要方法：PCM（脈沖編碼調(diào)制） 采樣（脈幅調(diào)制，PAM） 量化 二進(jìn)制編碼,計(jì)算機(jī)系網(wǎng)絡(luò)教研室,PCM脈沖編碼調(diào)制,1. PCM脈沖編碼調(diào)制是最基本的模擬數(shù)據(jù)數(shù)字化編碼方法 對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行幅度采樣，使連續(xù)信號(hào)變?yōu)闀r(shí)間軸上的離散信號(hào)。 該方法的理論基礎(chǔ)是奈奎斯特(Nyquist)的采樣定理：設(shè)模擬信號(hào)f(t)的最高頻率為fm (Hz) ，如果對(duì)該模擬信號(hào)進(jìn)行周期性采樣，只要采樣的頻率f 滿足f2fm ，則這些離散采樣值可以無(wú)失真地恢復(fù)成原來(lái)的模擬信號(hào)。 主要過(guò)程： 采樣 量化 二進(jìn)制編碼,計(jì)算機(jī)系網(wǎng)絡(luò)教研室,（1）采樣,每隔一定的時(shí)間間隔，把模擬信號(hào)的幅值取

42、出來(lái)作為樣值來(lái)代表原信號(hào)。采樣頻率f 2 fm 。,計(jì)算機(jī)系網(wǎng)絡(luò)教研室,（2）量化,為了將模擬信號(hào)進(jìn)一步離散化，將幅值劃分成n個(gè)量化級(jí)。把采樣所得到的樣值用取整或四舍五入等方法歸并到某個(gè)臨近的整數(shù)幅值。,計(jì)算機(jī)系網(wǎng)絡(luò)教研室,（3）編碼,用一定位數(shù)的二進(jìn)制數(shù)字來(lái)表示量化后的幅值，其位數(shù)稱為字長(zhǎng)。字長(zhǎng)=log2n,計(jì)算機(jī)系網(wǎng)絡(luò)教研室,“數(shù)字-數(shù)字”編碼,使用各種“數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)-數(shù)字信號(hào)”編碼技術(shù)將二進(jìn)制數(shù)字轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)進(jìn)行傳送。,計(jì)算機(jī)系網(wǎng)絡(luò)教研室,脈沖編碼調(diào)制: 模擬數(shù)據(jù)數(shù)字化,計(jì)算機(jī)系網(wǎng)絡(luò)教研室,小結(jié)：模擬信號(hào)在數(shù)字信道上傳輸,采樣：按信號(hào)最高頻率fmax的兩倍頻率取樣可精確還原 （Nyquis

43、t Theorem，奈奎斯特定理） 量化：將取樣獲得的脈沖信號(hào)在振幅上進(jìn)行數(shù)值分級(jí)（我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)中量化分為256個(gè)等級(jí)） 編碼：將量化后的數(shù)值轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制編碼 然后再用“數(shù)字?jǐn)?shù)字”編碼技術(shù)進(jìn)行二次編碼。,計(jì)算機(jī)系網(wǎng)絡(luò)教研室,練習(xí)：,PCM是現(xiàn)代電話系統(tǒng)的核心。對(duì)于一個(gè)聲音信道：帶寬為4kHz，每秒采樣多少次可完整地表示聲音信號(hào)的特征? 若量化級(jí)為128級(jí)，一條數(shù)字線路的數(shù)據(jù)傳輸速率為多少才能不失真地傳輸聲音？若量化級(jí)為256級(jí)，數(shù)據(jù)傳輸速率又為多少？如果每個(gè)樣本增加1位冗余，數(shù)據(jù)傳輸速率應(yīng)達(dá)到多少？,計(jì)算機(jī)系網(wǎng)絡(luò)教研室,2.6 信道復(fù)用技術(shù),復(fù)用(multiplexing)是將多個(gè)信源的彼此

44、無(wú)關(guān)的信號(hào)，組合在一條物理信道上進(jìn)行傳送的技術(shù)。 適用場(chǎng)合：當(dāng)信道的傳輸能力大于每個(gè)信源的平均傳輸需求時(shí),共享信道,信道,A1,A2,B1,B2,C1,C2,信道,信道,A1,A2,B1,B2,C1,C2,復(fù)用,分用,(a) 不使用復(fù)用技術(shù),(b) 使用復(fù)用技術(shù),計(jì)算機(jī)系網(wǎng)絡(luò)教研室,常用的多路復(fù)用技術(shù)有： 頻分多路復(fù)用（FDM，F(xiàn)requency Division Multiplexing） 時(shí)分多路復(fù)用（TDM，Time Division Multiplexing） 波分多路復(fù)用（WDM，Wavelength Division Multiplexing） 碼分多路復(fù)用（CDM，Code Di

45、vision Multiple）,計(jì)算機(jī)系網(wǎng)絡(luò)教研室,頻分多路復(fù)用FDM（Frequency Division Multiplexing）,頻率,時(shí)間,頻率 1,頻率 2,頻率 3,頻率 4,頻率 5,用途：主要用于模擬信道的復(fù)用。 原理：整個(gè)傳輸頻帶被劃分為若干個(gè)頻率通道，每路信號(hào)占用一個(gè)頻率通道進(jìn)行傳輸。頻率通道之間留有防護(hù)頻帶以防相互干擾。,計(jì)算機(jī)系網(wǎng)絡(luò)教研室,2.6.1 頻分復(fù)用 FDM,按照頻率區(qū)分信號(hào)的方法，把傳輸頻帶分為若干個(gè)較窄的頻帶，每個(gè)頻帶構(gòu)成一個(gè)子信道，獨(dú)立地傳輸信息。用戶在分配到一定的頻帶后，在通信過(guò)程中自始至終都占用這個(gè)頻帶。 頻分復(fù)用的所有用戶在同樣的時(shí)間占用不同的

46、帶寬資源（請(qǐng)注意，這里的“帶寬”是頻率帶寬而不是數(shù)據(jù)的發(fā)送速率）。,頻分復(fù)用的用途：主要用于模擬信道的復(fù)用。如有線電視,計(jì)算機(jī)系網(wǎng)絡(luò)教研室,頻分多路復(fù)用的實(shí)現(xiàn)過(guò)程,頻分多路復(fù)用技術(shù)對(duì)整個(gè)物理信道的可用帶寬進(jìn)行分割，并利用載波調(diào)制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)原始信號(hào)的頻譜遷移，使得多路信號(hào)在整個(gè)物理信道帶寬允許的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)頻譜上的不重疊。 為了避免兩個(gè)相鄰頻段的信號(hào)互相干擾，頻段之間要保留一定的隔離頻帶，稱為保護(hù)帶。,保護(hù)帶,計(jì)算機(jī)系網(wǎng)絡(luò)教研室,頻分多路復(fù)用技術(shù)示例,三路音頻模擬信號(hào)復(fù)用一個(gè)帶寬為12Hz的物理信道：,300 3400,計(jì)算機(jī)系網(wǎng)絡(luò)教研室,2.6.2 時(shí)分復(fù)用TDM,當(dāng)物理信道可支持的位傳輸速率超

47、過(guò)單個(gè)原始信號(hào)要求的數(shù)據(jù)傳輸速率時(shí)，可以將時(shí)間劃分為一段段等長(zhǎng)的時(shí)分復(fù)用幀（TDM 幀）。每個(gè)幀又劃分成若干個(gè)時(shí)隙，每一個(gè)用戶在每一個(gè) TDM 幀中占用固定序號(hào)的時(shí)隙。用戶所占用的時(shí)隙是周期性地出現(xiàn)（其周期就是 TDM 幀的長(zhǎng)度）。這種時(shí)分復(fù)用方式又稱為同步時(shí)分多路復(fù)用。 主要用于數(shù)字信道的復(fù)用。 時(shí)分復(fù)用的所有用戶是在不同的時(shí)間占用同樣的頻帶寬度（整個(gè)信道的帶寬）。,計(jì)算機(jī)系網(wǎng)絡(luò)教研室,時(shí)分復(fù)用,頻率,時(shí)間,B,C,D,B,C,D,B,C,D,B,C,D,A 在 TDM 幀中 的位置不變,計(jì)算機(jī)系網(wǎng)絡(luò)教研室,時(shí)分復(fù)用,頻率,時(shí)間,C,D,C,D,C,D,A,A,A,A,C,D,B 在 TDM

48、 幀中 的位置不變,計(jì)算機(jī)系網(wǎng)絡(luò)教研室,時(shí)分復(fù)用,頻率,時(shí)間,B,D,B,D,B,D,A,A,A,A,B,D,C 在 TDM 幀中 的位置不變,計(jì)算機(jī)系網(wǎng)絡(luò)教研室,時(shí)分復(fù)用,頻率,時(shí)間,B,C,B,C,B,C,A,A,A,A,B,C,D 在 TDM 幀中 的位置不變,計(jì)算機(jī)系網(wǎng)絡(luò)教研室,A,B,C,D,a,a,b,d,b,c,a,t,t,t,t,t,4 個(gè)時(shí)分復(fù)用幀,#1,c,d,時(shí)分復(fù)用,#2,#3,#4,用戶,C沒有信息,D沒有信息,A沒有信息,D沒有信息,A沒有信息,B沒有信息,D沒有信息,B沒有信息,C沒有信息,1,2,3,4,使用時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)傳送計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)時(shí)，由于計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)的突發(fā)性質(zhì)

49、，用戶對(duì)分配到的子信道的利用率一般是不高的。,時(shí)分復(fù)用可能會(huì)造成線路資源的浪費(fèi),計(jì)算機(jī)系網(wǎng)絡(luò)教研室,統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用 STDM,用戶,A,B,C,D,a,b,c,d,t,t,t,t,t,3 個(gè) STDM 幀,#1,a,c,b,a,b,b,c,a,c,d,#2,#3,統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用又稱為異步時(shí)分多路復(fù)用，允許動(dòng)態(tài)地分配時(shí)間片。根據(jù)用戶對(duì)時(shí)間片的需求來(lái)分配時(shí)間片，沒有數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠脩舨环峙鋾r(shí)間片。同時(shí)對(duì)每個(gè)時(shí)間片加上用戶標(biāo)識(shí)，以區(qū)別該時(shí)間片屬于該用戶。,.,計(jì)算機(jī)系網(wǎng)絡(luò)教研室,練習(xí)：,10個(gè)9.6Kb/s的信道按時(shí)分多路復(fù)用在一條線路上傳輸，如果忽略控制開銷，在同步TDM情況下，復(fù)用線路的帶寬應(yīng)該是（1）

50、；在統(tǒng)計(jì)TDM情況下，假定子信道只有30%的時(shí)間忙，復(fù)用線路的控制開銷為10%，那么復(fù)用線路的帶寬應(yīng)該是（2）。 （1）A32Kb/sB64Kb/sC72Kb/sD96Kb/s （2）A32Kb/sB64Kb/sC72Kb/sD96Kb/s,答案：（1）D，（2）A,計(jì)算機(jī)系網(wǎng)絡(luò)教研室,2.6.3 波分復(fù)用 WDM,波分復(fù)用就是光的頻分復(fù)用，它利用了光具有不同的波長(zhǎng)的特征。 原理：利用波分復(fù)用設(shè)備（如衍射光柵）將不同信道的信號(hào)調(diào)制成不同波長(zhǎng)的光，并復(fù)用到光纖信道上。在接收方，采用相同設(shè)備分離不同波長(zhǎng)的光。,計(jì)算機(jī)系網(wǎng)絡(luò)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,復(fù) 用 器,分 用 器,EDFA,120 km,光調(diào)制器,光解調(diào)器,8 2.5 Gb/s 1310 nm,計(jì)算機(jī)系網(wǎng)絡(luò)教研室,在一根光纖上復(fù)用80路或更多路的光載波信號(hào)稱為密集波分復(fù)用DWDM；,.,計(jì)算機(jī)系網(wǎng)絡(luò)教研室,2.6.4 碼分復(fù)用 CDM,常用的名詞是碼分多址 CDMA (Code

52、Division Multiple Access)。 各用戶使用經(jīng)過(guò)特殊挑選的不同碼型，因此彼此不會(huì)造成干擾。每個(gè)用戶可以在同樣的時(shí)間使用同樣的頻帶進(jìn)行通信。 這種系統(tǒng)發(fā)送的信號(hào)有很強(qiáng)的抗干擾能力，其頻譜類似于白噪聲，不易被敵人發(fā)現(xiàn)。 采用CDMA可提高通信的語(yǔ)音質(zhì)量和數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，減少干擾對(duì)通信的影響，降低手機(jī)的平均發(fā)射功率等等。,計(jì)算機(jī)系網(wǎng)絡(luò)教研室,碼片序列(chip sequence),每一個(gè)比特時(shí)間劃分為 m 個(gè)短的間隔，稱為碼片(chip)。 每個(gè)站被指派一個(gè)唯一的 m bit 碼片序列。 如發(fā)送比特 1，則發(fā)送自己的 m bit 碼片序列。 如發(fā)送比特 0，則發(fā)送該碼片序列的二

53、進(jìn)制反碼。 例如，S 站的 8 bit 碼片序列是 00011011。 發(fā)送比特 1 時(shí)，就發(fā)送序列 00011011， 發(fā)送比特 0 時(shí)，就發(fā)送序列 11100100。 習(xí)慣上，我們將碼片中的0寫成-1，1寫成+1，因此，S 站的碼片序列：(1 1 1 +1 +1 1 +1 +1),計(jì)算機(jī)系網(wǎng)絡(luò)教研室,CDMA 的重要特點(diǎn),每個(gè)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(shí)用的系統(tǒng)中是使用偽隨機(jī)碼序列。,計(jì)算機(jī)系網(wǎng)絡(luò)教研室,碼片序列的正交關(guān)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(gè)不同站的碼片序列正交，就是向量 S

54、和T 的規(guī)格化內(nèi)積(inner product)都是 0：,(2-3),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(2-3)式就可看出這兩個(gè)碼片序列是正交的。,計(jì)算機(jī)系網(wǎng)絡(luò)教研室,任何一個(gè)碼片向量和該碼片向量自己的規(guī)格化內(nèi)積都是1 。 一個(gè)碼片向量和該碼片反碼的向量的規(guī)格化內(nèi)積值是 1。,正交關(guān)系的另一個(gè)重要特性,計(jì)算機(jī)系網(wǎng)絡(luò)教研室,CDMA 的工作原理,S 站的碼片序列 S,1,1,0,t,t,t,t,t,t,m 個(gè)碼片,t,S 站發(fā)送的信號(hào) Sx,T 站發(fā)送的信號(hào) Tx,總的發(fā)送

55、信號(hào) Sx + Tx,規(guī)格化內(nèi)積 S Sx,規(guī)格化內(nèi)積 S Tx,數(shù)據(jù)碼元比特,發(fā) 送 端,接 收 端,計(jì)算機(jī)系網(wǎng)絡(luò)教研室,當(dāng)S站發(fā)送比特1時(shí)，在接收端計(jì)算內(nèi)積的結(jié)果是1； 當(dāng)S站發(fā)送比特0時(shí)，在接收站計(jì)算內(nèi)積的結(jié)果是1； 當(dāng)S站沒有發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，在接收站計(jì)算內(nèi)積的結(jié)果是0。,例：共有4個(gè)站進(jìn)行碼分多址CDMA通信。4個(gè)站的碼片序列為： 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 ） 現(xiàn)收到這樣的碼片序列：（ 1 1 3 1 1 3 1 1 ）。問哪個(gè)站發(fā)送數(shù)據(jù)了？發(fā)送數(shù)據(jù)的站

56、發(fā)送的1還是0？ 答：SA=（11311311）8=1， A發(fā)送1 SB=（11311311）8=1， B發(fā)送0 SC=（11311311）8=0， C無(wú)發(fā)送 SD=（11311311）8=1， D發(fā)送1,練習(xí)：對(duì)一路信號(hào)進(jìn)行FSK調(diào)制時(shí)，若載波頻率為fc，調(diào)制后的信號(hào)頻率分別為f1和f2（f1f2），則三者的關(guān)系是（1）。當(dāng)對(duì)多路信號(hào)進(jìn)行調(diào)制時(shí)，調(diào)制后各信號(hào)的頻譜（2）。信號(hào)到達(dá)接收端后通過(guò)（3）分離各路信號(hào)。 （1）Afcf1=f2fc Bf2f1=fc Cf2+f1=fc Df1f2=fc （2）A相同 B部分重疊 C連續(xù) D不重疊且不連續(xù) （3）A解調(diào)器 B帶通濾波器 C載波發(fā)生器 D

57、終端軟件 分析：FSK就是選取某一頻率的正弦信號(hào)作為載波，用以運(yùn)載所要傳送的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。其調(diào)制過(guò)程是：根據(jù)傳送的不同數(shù)據(jù)，改變載波頻率的值。如果載波頻率為fc，調(diào)制后的信號(hào)頻率分別為f1和f2（f1f2），通常它們的關(guān)系滿足：fcf1=f2fc。 答案 （1）A（2）D（3）B,計(jì)算機(jī)系網(wǎng)絡(luò)教研室,幾種復(fù)用技術(shù)的簡(jiǎn)單對(duì)比,例：假設(shè)現(xiàn)在在開會(huì)TDM(時(shí)分復(fù)用)如在同一個(gè)房間輪流發(fā)言的方式，但一次只能一個(gè)人說(shuō)，一個(gè)說(shuō)完，另一個(gè)繼續(xù)。FDM(頻分復(fù)用)則先將大房間隔成若干個(gè)小房間，每個(gè)小房間里的人互相交流。CDMA(碼分多路復(fù)用)則是把所有的人放在一個(gè)大房間里，他們說(shuō)著不同的語(yǔ)言。這樣他要交流只要找自

58、己的語(yǔ)言的那個(gè)，而不用擔(dān)心別的語(yǔ)言的噪聲。,.,計(jì)算機(jī)系網(wǎng)絡(luò)教研室,E1 與T1,為了有效地利用傳輸線路，可將多個(gè)話路的PCM 信號(hào)用時(shí)分復(fù)用 TDM (Time Division Multiplexing)的方法裝成時(shí)分復(fù)用幀，然后發(fā)送到線路上。 中國(guó)采用歐洲體制，以 E1 為一次群。 美國(guó)和日本等國(guó)采用北美體制，以 T1 為一次群。,計(jì)算機(jī)系網(wǎng)絡(luò)教研室,E1線路 2.048Mbps,E1由32個(gè)多路復(fù)用信道組成 每個(gè)信道采樣8000次/秒，每次采樣量化為8bit。 32個(gè)多路復(fù)用信道每次采樣組成一個(gè)幀，即每幀為：32個(gè)信道*8bit=256bit。 256bit*8000次/秒=2.048Mbps,計(jì)算機(jī)系網(wǎng)絡(luò)教研室,E1 的時(shí)分復(fù)用幀,2.048 Mb/s,傳輸線路,CH0,CH16,CH17,CH15,CH15,CH16,CH17,CH31,CH31,CH0,CH1,CH1,時(shí)分復(fù)用幀,CH0,CH1,CH2,CH15,CH16,CH17,CH30,CH31,CH0,8 bit,t,時(shí)分復(fù)用幀,時(shí)分復(fù)用幀,T = 125 ms,15 個(gè)話路,15 個(gè)