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)送器電路特性的說明、表示信號狀態(tài)的電壓/電流電平的識別、最大傳輸速率的說明、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)定了接口信號的來源、作用以及其它信號之間的關(guān)系。 過程特性 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,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,模擬信號,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,幾個術(shù)語,信息(Information) 是人們對現(xiàn)實(shí)世界的事物的存在方式及其運(yùn)動狀態(tài)的認(rèn)識。 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、動作等）。 信號(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：人對雪花和馬的認(rèn)識 數(shù)據(jù)：文字，二進(jìn)制數(shù)，十進(jìn)制數(shù) 信號：電壓，光，磁場強(qiáng)度,計(jì)算機(jī)系網(wǎng)絡(luò)教研室,模擬信號和數(shù)字信號,模擬信號（analog signal）的信號電平是連續(xù)變化的； 時(shí)間上連續(xù)，包含無窮多個值 數(shù)字信號（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：優(yōu)點(diǎn)是它能對細(xì)節(jié)進(jìn)行表示，但是噪聲、或來自其他源的干擾，會嚴(yán)重地影響模擬信號，比數(shù)字信號更易于出錯，因此模擬信號對于數(shù)據(jù)發(fā)送并不是最佳選擇。 隨著信號的傳播，信號能量會逐漸減少，這就是信號的衰減。模擬信號和數(shù)字信號存在著衰減。為了補(bǔ)償衰減，要經(jīng)常對數(shù)字信號和模擬信號進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，也即使將信號重新放大，以使它們傳播得更遠(yuǎn)。,模擬信號的轉(zhuǎn)發(fā)：在模擬信號轉(zhuǎn)發(fā)過程中會出現(xiàn)這樣的問題當(dāng)它被轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)信號幅度將增強(qiáng)，同時(shí)伴隨的被累積的噪聲幅度也將增強(qiáng)，這種雜亂無章的增強(qiáng)將使得模擬信號變形更加嚴(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的波形。,因噪聲變形繼而被放大的模擬信號,數(shù)字信號：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 組合來對信息進(jìn)行編碼一樣，在數(shù)字信號中每個脈沖被稱為一個二進(jìn)制數(shù)或位。一個位只能有兩種可能值：1 或0 。,相對于模擬信號，數(shù)字信號傳輸數(shù)據(jù)時(shí)更可靠些。,數(shù)字信號的轉(zhuǎn)發(fā)：相對于模擬信號，數(shù)字信號被轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)，實(shí)際上是將原始信號以不變形的、并且無噪聲的放大形式重新發(fā)送，該過程也被稱之為波形再生。再生一個數(shù)字信號的設(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） 向某一個方向傳輸信息的媒體。 模擬信道 是用來傳輸連續(xù)的模擬信號(如正弦波信號)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)過數(shù)字與模擬信號之間的變換（A/D變換器）。 數(shù)字信道 是用來傳輸離散的數(shù)字信號(如脈沖信號)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單位。一碼元就是一個單位電脈沖。 一碼元所承載的信息量，由脈沖信號所能表示的數(shù)據(jù)有效離散值的個數(shù)決定的。 例：一個碼元（脈沖）僅可取0和1兩個有效值時(shí)，則該碼元只能攜帶一位（bit）二進(jìn)制信息，-1 位信息量 一個碼元（脈沖）可取00、01、10、11四個有效值時(shí)，則該碼元能攜帶二位（bit）二進(jìn)制信息。-2位信息量 一個碼元（脈沖）可取000、001、010.、011、100、101、110、111八個有效值時(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： 一個碼元（脈沖）可取M個有效值時(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“Baud”表示，簡寫為“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為一個碼元所取的離散值個數(shù)或信號的編級數(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)信號可使用的最高頻率與最低頻率之差、或者說是“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，即具有一個有限的帶寬。 如果媒體帶寬小于信號的有效帶寬，接收將會失真。,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，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)信號碼元長度為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、一個二進(jìn)制數(shù)字信號碼元時(shí)間長度為0.1s，在傳輸過程中平均2.5秒產(chǎn)生一個錯碼，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)長度為107bit，數(shù)據(jù)發(fā)送速率為100kb/s。 （2）數(shù)據(jù)長度為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 ”個比特,計(jì)算機(jī)系網(wǎng)絡(luò)教研室,習(xí)題：,假設(shè)信號在媒體上的傳播速率為2.3108m/s。媒體長度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）。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)利用率過高會產(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,能通過,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,能通過,0,頻率(Hz),W (Hz),不能通過,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、無差錯的信息傳輸速率。 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個象元。為了很好的重現(xiàn)

20、圖片需要16個亮度電平。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)：在一個帶寬為3kHz、沒有噪聲的信道，傳輸二進(jìn)制信號時(shí)能夠達(dá)到的極限數(shù)據(jù)傳輸率為（1）。一個帶寬為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）。在一個無限帶寬的無噪聲信道上，傳輸二進(jìn)制信號，當(dāng)信號的帶寬為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有噪聲信道比無噪聲信道具有更大的帶寬 B有噪聲信道比無噪聲信道可達(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（一個字符結(jié)束到下一個字符開始）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)簡單，控制容易，如果出現(xiàn)錯誤，只需重發(fā)一個字符即可。 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)拍來連續(xù)串行發(fā)送數(shù)字信號的一種方法。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)在每個幀的幀首加兩個或兩個以上同步字符sync，幀內(nèi)每個字符前后不附

26、加起止位。 同步字符sync是一個獨(dú)特的比特組合，用于通知接收方一個幀已經(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，就必須重新傳輸整個數(shù)據(jù)塊。 同步傳輸方式適合于高速場合。 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：指在通信電纜上原封不動的傳輸有計(jì)算機(jī)或終端產(chǎn)生的0或1數(shù)字脈沖信號。就是將數(shù)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。 基帶傳輸是在信道中直接傳送基帶信號。 頻帶傳輸是將基帶信號調(diào)制成模擬信號，放到信道的通頻帶寬之內(nèi)進(jìn)行傳輸。 寬帶信號：是將基帶信號進(jìn)行調(diào)制后形成的頻分復(fù)用模擬信號。,寬帶信號則是將基帶信號進(jìn)行調(diào)制后形成的頻分復(fù)用模擬信號。 a.寬帶系統(tǒng)能同時(shí)接入幾個信道，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)都可以用模擬信號或數(shù)字信號來表示，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)字信號編碼,計(jì)算機(jī)發(fā)出的數(shù)字信號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，這種沒有經(jīng)過調(diào)制的原始數(shù)字信號稱為“基帶信號”，基帶傳輸時(shí),需要解決數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的數(shù)字信號表示以及收發(fā)兩端之間的信號同步問題。最常用的數(shù)字信號編碼技術(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）碼是用信號的幅值來表示二進(jìn)制數(shù)據(jù)，負(fù)電平用于示一個二進(jìn)制值，正電平用于表示另一個二進(jìn)制值 由比特值決定信號的電平。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：問題在哪里?,請看下圖到底有幾個”1”（用高電平表示）?,當(dāng)一臺設(shè)備發(fā)送一個比特的數(shù)字信

31、號時(shí)，它將在一定的周期內(nèi)（假定為T）產(chǎn)生一個持續(xù)的信號。一個內(nèi)置的時(shí)鐘負(fù)責(zé)定時(shí)。接收設(shè)備必須知道信號的周期，這樣它才能在每個T 時(shí)間單元內(nèi)對信號進(jìn)行采樣。它也有一個負(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時(shí)鐘都存在著微小的差別，這使得設(shè)備無法對傳輸信號作十分精確的采樣。,計(jì)算機(jī)系網(wǎng)絡(luò)教研室,2 曼徹斯特編碼Manchester Encoding,每個比特間隔的中間位置處都存在一個跳變。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數(shù)據(jù)位中間位置的跳變生成同步時(shí)鐘信號，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€數(shù)據(jù)位中間都有跳變，因此無直流分量。 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)碾娦盘柣蚬庑盘枺?/p>

34、即兩級編碼。,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), 可以保證做到無論4B碼是什么樣的組合，所轉(zhuǎn)換成的5B碼中至少有兩個“1”，這樣FDDI在光纖中傳輸?shù)墓庑盘栔辽侔l(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“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，用來表示如碼流的開始和結(jié)束、線路狀態(tài)空閑等，它們不會和數(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個數(shù)據(jù)碼是從2n個nB碼選出來的。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 對于4B/5B碼和8B/10B碼，編碼開銷增加了25%； 對于64B/66B碼，編碼開銷增加了3.125%； 對于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)行信號變換。 調(diào)制器：把要發(fā)送的基帶信號轉(zhuǎn)換為頻率范圍在 3003400 Hz 之間的模擬信號（載波信號，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的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。,2.5.2 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的模擬信號編碼,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)的三個重要特征，把一個數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)調(diào)制成模擬信號，就是用一個數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)控制周期信號的幅度、頻率或相位。根據(jù)數(shù)字信號對幅度、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)制載波信號的振幅。 若載波信號為 Acos(2ft+) ，則振幅調(diào)制信號可以表示為：,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)制載波信號的頻率。 若載波信號為 Acos(2ft+) ，則頻率調(diào)制信號可以表示為：,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（噪聲對其影響?。?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)制載波信號的相位。 若載波信號為 Acos(2ft+) ，則相位調(diào)制信號可以表示為：,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（噪聲對其影響小）,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)制后載波信號的某個特征參數(shù)（幅度、頻率和相位）的級數(shù)（即狀態(tài)數(shù)）為2，因此1個調(diào)制信號只能表示1個二進(jìn)制符號（“0”或“1”）。 如果調(diào)制后信號的特征參數(shù)級數(shù)大于2，那么1個調(diào)制信號就可能表示多個二進(jìn)制符號，對于級數(shù)為n的調(diào)制信號，它可以表示log2n個二進(jìn)制符號。這種調(diào)制稱為多級調(diào)制。 在同樣的調(diào)制信號傳輸速率的情況下，采用多級調(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（非對稱數(shù)字用戶線路）和無線通信的模擬信號傳輸技術(shù)。 調(diào)幅(ASK)和調(diào)相(PSK)技術(shù)的綜合(同時(shí)改變正弦波三個特性中的振幅和相位)。理論上可以有無數(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)，再通過數(shù)字編碼技術(shù)或其他技術(shù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號進(jìn)行傳輸。,模擬數(shù)據(jù)數(shù)字信號,主要問題 如何在不損失信號質(zhì)量的前提下，將信息（數(shù)據(jù)）從

41、無窮多的連續(xù)值轉(zhuǎn)換為有限個離散值。 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 對模擬信號進(jìn)行幅度采樣，使連續(xù)信號變?yōu)闀r(shí)間軸上的離散信號。 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f(t)的最高頻率為fm (Hz) ，如果對該模擬信號進(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失真地恢復(fù)成原來的模擬信號。 主要過程： 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，把模擬信號的幅值取

42、出來作為樣值來代表原信號。采樣頻率f 2 fm 。,計(jì)算機(jī)系網(wǎng)絡(luò)教研室,（2）量化,為了將模擬信號進(jìn)一步離散化，將幅值劃分成n個量化級。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)字來表示量化后的幅值，其位數(shù)稱為字長。字長=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”編碼技術(shù)將二進(jìn)制數(shù)字轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號進(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)：模擬信號在數(shù)字信道上傳輸,采樣：按信號最高頻率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在振幅上進(jìn)行數(shù)值分級（我國標(biāo)準(zhǔn)中量化分為256個等級） 編碼：將量化后的數(shù)值轉(zhuǎn)換為對應(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。對于一個聲音信道：帶寬為4kHz，每秒采樣多少次可完整地表示聲音信號的特征? 若量化級為128級，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？若量化級為256級，數(shù)據(jù)傳輸速率又為多少？如果每個樣本增加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)是將多個信源的彼此

44、無關(guān)的信號，組合在一條物理信道上進(jìn)行傳送的技術(shù)。 適用場合：當(dāng)信道的傳輸能力大于每個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：整個傳輸頻帶被劃分為若干個頻率通道，每路信號占用一個頻率通道進(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)分信號的方法，把傳輸頻帶分為若干個較窄的頻帶，每個頻帶構(gòu)成一個子信道，獨(dú)立地傳輸信息。用戶在分配到一定的頻帶后，在通信過程中自始至終都占用這個頻帶。 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)過程,頻分多路復(fù)用技術(shù)對整個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)原始信號的頻譜遷移，使得多路信號在整個物理信道帶寬允許的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)頻譜上的不重疊。 為了避免兩個相鄰頻段的信號互相干擾，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,三路音頻模擬信號復(fù)用一個帶寬為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、過單個原始信號要求的數(shù)據(jù)傳輸速率時(shí)，可以將時(shí)間劃分為一段段等長的時(shí)分復(fù)用幀（TDM 幀）。每個幀又劃分成若干個時(shí)隙，每一個用戶在每一個 TDM 幀中占用固定序號的時(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 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，允許動態(tài)地分配時(shí)間片。根據(jù)用戶對時(shí)間片的需求來分配時(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)對每個時(shí)間片加上用戶標(biāo)識，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）將不同信道的信號調(diào)制成不同波長的光，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)過特殊挑選的不同碼型，因此彼此不會造成干擾。每個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可提高通信的語音質(zhì)量和數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕瑴p少干擾對通信的影響，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),每一個比特時(shí)間劃分為 m 個短的間隔，稱為碼片(chip)。 每個站被指派一個唯一的 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 個碼片,t,S 站發(fā)送的信號 Sx,T 站發(fā)送的信號 Tx,總的發(fā)送

55、信號 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個站進(jìn)行碼分多址CDMA通信。4個站的碼片序列為： 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無發(fā)送 SD=（11311311）8=1， D發(fā)送1,練習(xí)：對一路信號進(jìn)行FSK調(diào)制時(shí)，若載波頻率為fc，調(diào)制后的信號頻率分別為f1和f2（f1f2），則三者的關(guān)系是（1）。當(dāng)對多路信號進(jìn)行調(diào)制時(shí)，調(diào)制后各信號的頻譜（2）。信號到達(dá)接收端后通過（3）分離各路信號。 （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)的簡單對比,例：假設(shè)現(xiàn)在在開會TDM(時(shí)分復(fù)用)如在同一個房間輪流發(fā)言的方式，但一次只能一個人說，一個說完，另一個繼續(xù)。FDM(頻分復(fù)用)則先將大房間隔成若干個小房間，每個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大房間里，他們說著不同的語言。這樣他要交流只要找自

58、己的語言的那個，而不用擔(dān)心別的語言的噪聲。,.,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，可將多個話路的PCM 信號用時(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。 中國采用歐洲體制，以 E1 為一次群。 美國和日本等國采用北美體制，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個多路復(fù)用信道組成 每個信道采樣8000次/秒，每次采樣量化為8bit。 32個多路復(fù)用信道每次采樣組成一個幀，即每幀為：32個信道*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 個話路,15 個