第2章通信基础知识6h课件

第二章第二章 数据通信的基础知识数据通信的基础知识本章重点本章重点基本概念基本概念 多路复用多路复用信道信道 数据交换技术数据交换技术传输媒体传输媒体 差错控制差错控制编码编码7/5/20241计算机网络与通信第二章 数据通信的基础知识本章重点8/13/20231计1.数据数据(Data)：传递（携带）信息的实体，信息传递（携带）信息的实体，信息(Information)则是数据的内容或解释。则是数据的内容或解释。-模拟模拟(Analog)数据与数据与数字数字(Digital)数据数据2.信号信号(Signal)：数据的物理量编码（通常为电编数据的物理量编码（通常为电编码），数据以信号的形式传播。码），数据以信号的形式传播。-模拟模拟信号与信号与数字数字信号信号 -基带基带(Base band)与与宽带宽带(Broadband)信号信号一些术语一些术语解释解释解释解释解释解释2.1 基本概念基本概念7/5/20242计算机网络与通信数据(Data)：传递（携带）信息的实体，信息(Inform模拟数据和数字数据模拟数据和数字数据模拟数据：时间上连续，包含无穷多个值模拟数据：时间上连续，包含无穷多个值数字数据：时间上离散，仅包含有限数目的预定值数字数据：时间上离散，仅包含有限数目的预定值例如：电流值、电压值、温度值：例如：电流值、电压值、温度值：0.1A 5V 40C0 开关量：二进制开关量：二进制 0，1 16进制进制7/5/20243计算机网络与通信模拟数据和数字数据模拟数据：时间上连续，包含无穷多个值例如模拟信号和数字信号模拟信号和数字信号模拟信号：时间上连续，包含无穷多个值模拟信号：时间上连续，包含无穷多个值数字信号：时间上离散，仅包含有限数目的预定值数字信号：时间上离散，仅包含有限数目的预定值tta)模拟信号b)数字信号7/5/20244计算机网络与通信模拟信号和数字信号模拟信号：时间上连续，包含无穷多个值tt基带基带(Base band)与与宽带宽带(Broadband)信号信号基带基带信号：将信号：将“0”和和“1”直接用两种电压表示，直接用两种电压表示，在线路上传输，即原始信号所占的基本频带。在线路上传输，即原始信号所占的基本频带。频带频带信号：将基带信号调制到较高频段进行传输。信号：将基带信号调制到较高频段进行传输。宽带宽带信号：将多路基带信号分别调制到一条电缆的信号：将多路基带信号分别调制到一条电缆的不同频段进行传输。不同频段进行传输。7/5/20245计算机网络与通信基带(Base band)与宽带(Broadband3.信道信道(Channel)：传送信息的媒体（或通路）。与传送信息的媒体（或通路）。与电路电路区分区分4.分为：模拟信道；数字信道分为：模拟信道；数字信道4.码元码元(Code Cell)：时间轴上的一个信号编码单元时间轴上的一个信号编码单元5.即：一个单位脉冲信号为一码元。即：一个单位脉冲信号为一码元。t码元码元1码元码元2码元码元3码元码元4码元码元5信号信号同步脉冲同步脉冲同步脉冲：用于码元的同步定时，识别码元的开始同步脉冲：用于码元的同步定时，识别码元的开始7/5/20246计算机网络与通信信道(Channel)：传送信息的媒体（或通路）。与电路区分 当一个单位脉冲信号表示二进制码两个有效值时当一个单位脉冲信号表示二进制码两个有效值时(0,1)(0,1)，一码元由一位构成；一码元由一位构成；当一个单位脉冲信号表示二进制码四个有效值时当一个单位脉冲信号表示二进制码四个有效值时(00,01,10,11)(00,01,10,11)，一码元由两位构成；，一码元由两位构成；一个信号往往可以携带多个二进制位，所以在固定的信一个信号往往可以携带多个二进制位，所以在固定的信息传输速率下，比特率往往大于波特率。息传输速率下，比特率往往大于波特率。换句话说，一个码元中可以传送多个比特（换句话说，一个码元中可以传送多个比特（bit）。）。码元位数码元位数 D=log2W W：有效值状态：有效值状态 7/5/20247计算机网络与通信 当一个单位脉冲信号表示二进制码两个有效值时(02)波特率波特率(Baud)：每秒传送的码元数。每秒传送的码元数。码元速率码元速率 1 Baud=（log2M）bps 其中其中M M是信号的编码级数。也可以写成是信号的编码级数。也可以写成 Rbit=Rbaud log2M3)消息速率：消息速率：指单位时间内所传送的消息数量。（指单位时间内所传送的消息数量。（字节字节/秒秒 B/s B/s）1.传输速率：传输速率：1)比特率比特率(Bit Rate)：数据传输速率数据传输速率(bps(bps，b/s)b/s)。2)2)指每秒传输的二进制码位数，指每秒传输的二进制码位数，数据速率数据速率数据通信的主要技术指标：数据通信的主要技术指标：7/5/20248计算机网络与通信波特率(Baud)：每秒传送的码元数。码元速率传输速率：数2.带宽带宽(Bandwidth)：信号或信道占据的频率范围信号或信道占据的频率范围(Hz)信号带宽信号带宽：信号占据的频率范围：信号占据的频率范围 信道带宽信道带宽：信道占据的频率范围：信道占据的频率范围 关系关系：信道带宽：信道带宽信号带宽信号带宽 信号才能通过信道信号才能通过信道3.信道容量信道容量(Channel capacity)：信道的最大数据率信道的最大数据率4.误码率误码率(Bit error rate)：信道传输可靠性指标信道传输可靠性指标 P=要求：要求：误码率误码率10-6。即平均传送。即平均传送1兆位错一位兆位错一位传输的总位数传输的总位数错误的位数错误的位数7/5/20249计算机网络与通信带宽(Bandwidth)：信号或信道占据的频率范围(Hz)5.信息编码：信息编码：将信息用二进制数表示的方法将信息用二进制数表示的方法。6.数据编码：数据编码：将数据用物理量表示的规则将数据用物理量表示的规则。例如：字母例如：字母A的的ASCII编码为编码为01000001，其数据编码可能为其数据编码可能为01000001t7/5/202410计算机网络与通信信息编码：将信息用二进制数表示的方法。01000001t8/通信系统模型通信系统模型通信的三个要素：通信的三个要素：信源、信宿和信道信源、信宿和信道任何一个通信系统都可以抽象为以下模型：任何一个通信系统都可以抽象为以下模型：噪声噪声信源信源编码编码调制调制信道信道解调解调解码解码信宿信宿编码器：数据编码器：数据适合传输的信号适合传输的信号便于识别、纠错便于识别、纠错调制器：信号调制器：信号适合传输的形式适合传输的形式按频率、幅度、相位按频率、幅度、相位解调器：接收波形解调器：接收波形数字信号序列数字信号序列解码器：传输信号解码器：传输信号原始数据原始数据7/5/202411计算机网络与通信通信系统模型通信的三个要素：信源、信宿和信道噪声信源编码调信息信息数据数据信号信号在介质上传输在介质上传输信号信号数据数据信息信息通信系统的任务通信系统的任务信息通过通信系统传输信息通过通信系统传输 把携带信息的数据用物理信号形式通过介质传把携带信息的数据用物理信号形式通过介质传送到目的地。送到目的地。信息和数据（信息和数据（0、1比特）不能直接在介质上传输比特）不能直接在介质上传输。7/5/202412计算机网络与通信信息数据信号在介质上传输信号数据信息通信系统的任通信传输方式通信传输方式信源信源信道信道传输方式传输方式模拟模拟模拟模拟模拟传输模拟传输模拟模拟数字数字数字数字数字传输数字传输模拟或数字模拟或数字 数据传输数据传输7/5/202413计算机网络与通信通信传输方式信源信道传输方式模拟模拟模拟传输模拟数字数字数通信系统的构成通信系统的构成数据传输系统：数据传输系统：1）传输线路（包括传输介质和中继设备）传输线路（包括传输介质和中继设备）2）传输设备：调制解调器、多路复用器、交换机、）传输设备：调制解调器、多路复用器、交换机、路由器等路由器等数据处理系统：主要是指计算机。数据处理系统：主要是指计算机。通信基本过程通信基本过程包含两项内容：数据传输和通信控制包含两项内容：数据传输和通信控制建立物理连接建立物理连接建立逻辑连接建立逻辑连接数据传送数据传送断开逻辑断开逻辑连接连接断开物理连接（对比：打电话的过程）断开物理连接（对比：打电话的过程）7/5/202414计算机网络与通信通信系统的构成数据传输系统：通信基本过程包含两项内容1.数字信道和模拟信道数字信道和模拟信道数字信道：以数字脉冲形式（离散信号）传输数字信道：以数字脉冲形式（离散信号）传输数据的信道。数据的信道。模拟信道：以连续模拟信号形式传输数据的信模拟信道：以连续模拟信号形式传输数据的信道。道。2.2 信道及其主要特征信道及其主要特征7/5/202415计算机网络与通信1.数字信道和模拟信道数字信道：以数字脉冲形式（离散信号）2.模拟信号和数字信号模拟信号和数字信号模拟信号：时间上连续，包含无穷多个值模拟信号：时间上连续，包含无穷多个值数字信号：时间上离散，仅包含有限数目的预定值数字信号：时间上离散，仅包含有限数目的预定值tta)模拟信号b)数字信号7/5/202416计算机网络与通信2.模拟信号和数字信号模拟信号：时间上连续，包含无穷多个值3.周期信号和非周期信号周期信号和非周期信号周期信号：信号由不断重复的固定模式组成周期信号：信号由不断重复的固定模式组成（如正弦（如正弦波）波）非周期信号：信号没有固定的模式和波形循环非周期信号：信号没有固定的模式和波形循环（如语（如语音的音波信号）音的音波信号），能被分解成无数个周期信号的叠加。，能被分解成无数个周期信号的叠加。ttTTTTTT周期信号周期信号7/5/202417计算机网络与通信3.周期信号和非周期信号周期信号：信号由不断重复的固定模式数字通信的优点数字通信的优点 抗噪声（干扰）能力强抗噪声（干扰）能力强 可以控制差错，提高了传输质量可以控制差错，提高了传输质量 便于用计算机进行处理便于用计算机进行处理 易于加密、保密性强易于加密、保密性强 可以传输语音、数据、影像，通用、灵活可以传输语音、数据、影像，通用、灵活 仅在不得已的情况下，才会采用模拟通信。仅在不得已的情况下，才会采用模拟通信。如用如用modem通过拨号线路传输数字信号。通过拨号线路传输数字信号。7/5/202418计算机网络与通信数字通信的优点8/13/202318计算机网络与通信4.传输模式传输模式(通信方式通信方式)数据流动的方向数据流动的方向 单工：数据单向传输单工：数据单向传输（无线电广播）（无线电广播）半双工：数据可以双向传输，但不能在同一时刻双向传半双工：数据可以双向传输，但不能在同一时刻双向传输输（对讲机）（对讲机）全双工：数据可同时双向传输全双工：数据可同时双向传输（电话）（电话）两个方向的信号共享链路带宽：两个方向的信号共享链路带宽：1）链路具有两条物理上独立的传输线路，或）链路具有两条物理上独立的传输线路，或 2）将带宽一分为二，分别用于不同方向的信号传输）将带宽一分为二，分别用于不同方向的信号传输7/5/202419计算机网络与通信4.传输模式(通信方式)数据流动的方向 单工：数据单向传5.数字数据的传输方式数字数据的传输方式 基带传输：不调制，编码后的数字脉冲信基带传输：不调制，编码后的数字脉冲信号直接在信道上传送。号直接在信道上传送。例如：以太网例如：以太网 频带传输：调制成模拟信号后再传送，接频带传输：调制成模拟信号后再传送，接收方需要解调收方需要解调 例如：通过电话模拟信道传输例如：通过电话模拟信道传输宽带传输：宽带传输：将多路基带信号分别调制到一条电将多路基带信号分别调制到一条电缆的不同频段进行传输。缆的不同频段进行传输。7/5/202420计算机网络与通信5.数字数据的传输方式 基带传输：不调制，编码后的数字脉冲6.数据同步方式数据同步方式 目的是使接收端与发送端在时间基准上目的是使接收端与发送端在时间基准上一致一致 (包括开始时间、位边界、重复频率包括开始时间、位边界、重复频率等等)。有三种同步方法：有三种同步方法：位同步位同步 字符同步（异步传输）字符同步（异步传输）帧同步（同步传输）帧同步（同步传输）7/5/202421计算机网络与通信6.数据同步方式 目的是使接收端与发送端在时间基准上一位同步：目的是使接收端接收的每一位信息都与位同步：目的是使接收端接收的每一位信息都与发送端保持同步发送端保持同步 外同步外同步发送端发送同步时钟信号，接收方用它发送端发送同步时钟信号，接收方用它来锁定自己的时钟脉冲频率。来锁定自己的时钟脉冲频率。t10010信号信号同步脉冲同步脉冲7/5/202422计算机网络与通信位同步：目的是使接收端接收的每一位信息都与发送端保持同步t1自同步自同步通过特殊编码（如曼彻斯特编码），这些数通过特殊编码（如曼彻斯特编码），这些数 据编码信号包含了同步脉冲，接收方提取同步信号来锁据编码信号包含了同步脉冲，接收方提取同步信号来锁 定自己的时钟脉冲频率。定自己的时钟脉冲频率。t10110信号信号7/5/202423计算机网络与通信自同步通过特殊编码（如曼彻斯特编码），这些数t1011字符同步：以字符为边界实现字符的同步接收，也称为字符同步：以字符为边界实现字符的同步接收，也称为起止式起止式或或异步制异步制每两个字符之间的间隔时每两个字符之间的间隔时间不固定。间不固定。每个字符的传输需要：（图每个字符的传输需要：（图2-11）1个起始位个起始位 5，6，7，8个数据位个数据位 1，1.5，2个停止位个停止位 频率的漂移不会积累，每个字符开始时都会频率的漂移不会积累，每个字符开始时都会重新同步重新同步 增加了辅助位，所以效率低增加了辅助位，所以效率低 例如，1个起始位、8个数据位、2个停止位时，其效率为8/11727/5/202424计算机网络与通信字符同步：以字符为边界实现字符的同步接收，也称为起止式或异步信号信号起始位起始位12位位停止位停止位7位数据位位数据位图图2-112-117/5/202425计算机网络与通信信号起始位12位7位数据位图2-118/13/202325帧（帧（Frame）包含数据和控制信息的数据块（包）包含数据和控制信息的数据块（包）帧起始帧起始控制信息控制信息数据数据帧结束帧结束校验和校验和0-n8bit8bit8-32m面向比特的面向比特的以特殊位序列（以特殊位序列（7EH）作为帧（起始）作为帧（起始）标志来标识一个帧的开始，适用于任意数据类标志来标识一个帧的开始，适用于任意数据类型的帧。型的帧。面向字符的面向字符的以同步字符（以同步字符（SYN，16H）来标识一个帧）来标识一个帧的开始，适用于数据为字符类型的帧。的开始，适用于数据为字符类型的帧。帧同步：识别一个帧的起始和结束。帧同步：识别一个帧的起始和结束。7/5/202426计算机网络与通信帧（Frame）包含数据和控制信息的数据块（包）帧起始控7.信道的主要技术指标信道的主要技术指标信道评价：信道评价：两个方面两个方面 数量：速度数量：速度:数据速率、调制速率、信道容量、传输速度、数据速率、调制速率、信道容量、传输速度、吞吐量等。吞吐量等。质量：出错率质量：出错率数据速率：数据速率：每秒传输的二进制代码位数。每秒传输的二进制代码位数。比特率比特率（b/s或或bps）c=log2M T:单位脉冲宽度，传输电脉冲信号的周期单位脉冲宽度，传输电脉冲信号的周期 M:电信号有效状态数电信号有效状态数1T7/5/202427计算机网络与通信7.信道的主要技术指标信道评价：两个方面数据速率：每秒传输调制速率：调制速率：每秒传输的码元个数。码元速率。每秒传输的码元个数。码元速率。波特率波特率（Baud）B=T:调制周期调制周期1T信道容量：指信道能够传送的最大数据速率信道容量：指信道能够传送的最大数据速率关系关系:C=Blog2M 7/5/202428计算机网络与通信调制速率：每秒传输的码元个数。码元速率。波特率（Baud）1信道最大数据传输率信道最大数据传输率 M 最大数据率最大数据率(C)2 6000 bps 4 12000 bps 8 18000 bps16 24000 bps32 30000 bps64 36000 bps C=2w log2 MC=传输率，单位传输率，单位b/s或或bpsW=带宽，单位带宽，单位HzM=信号电平级数信号电平级数例如：例如：话音级线路话音级线路(3000 Hz)的信道容量计算，如右的信道容量计算，如右图所示。图所示。Nyquist公式为估算已知带宽信道的最高速率提供了依据公式为估算已知带宽信道的最高速率提供了依据。Nyquist 公式公式：用于理想低通信道：用于理想低通信道7/5/202429计算机网络与通信信道最大数据传输率 M 最大数据率非理想信道非理想信道实际的信道上存在三类损耗：实际的信道上存在三类损耗：衰减、延迟、噪声衰减、延迟、噪声。a）衰减）衰减信道的损耗引起信号强度减弱，导致信道的损耗引起信号强度减弱，导致信噪比信噪比S/N降低降低。信噪比信噪比S/N:S：表示信号功率表示信号功率 N：表示噪声功率表示噪声功率b）延迟）延迟信号中的各种频率成分在信道上的延迟时间各不相同，信号中的各种频率成分在信道上的延迟时间各不相同，在接收端会产生在接收端会产生信号畸变信号畸变。7/5/202430计算机网络与通信非理想信道8/13/202330计算机网络与通信c）噪声）噪声热噪声热噪声：由导体内的热扰动引起，又称为白噪声。由导体内的热扰动引起，又称为白噪声。串扰串扰：信道间产生的不必要的耦合。例：多对双绞线信道间产生的不必要的耦合。例：多对双绞线脉冲噪声脉冲噪声：非连续、随机、振幅较大。多由外部电磁非连续、随机、振幅较大。多由外部电磁干扰造成（闪电、大功率电机启动等）。干扰造成（闪电、大功率电机启动等）。噪声将噪声将破坏信号，产生误码破坏信号，产生误码。持续时间持续时间0.01s的干扰可以破坏约的干扰可以破坏约560个比特个比特（56Kbps）。）。7/5/202431计算机网络与通信c）噪声8/13/202331计算机网络与通信Shannel公式：高斯噪声干扰信道S/NdB 信噪比（信噪比（dB分贝）的定义分贝）的定义:C=W log2(1+SN)S/NdB=10 log10 S/N例：信道带宽例：信道带宽W=3KHz，信噪比为，信噪比为30dB，则，则C=3000*log2(1+1000)30KbpsC=传输率，单位传输率，单位b/sW=带宽，单位带宽，单位Hz 即：即：7/5/202432计算机网络与通信Shannel公式：高斯噪声干扰信道S/NdB 信噪比（dBNyquist公式和公式和Shannel公式的比较公式的比较 C=2W log2M 此公式说明数据传输率此公式说明数据传输率C C随信号编码级数增加而增加。设随信号编码级数增加而增加。设法使每个码元携带更多的比特信息。法使每个码元携带更多的比特信息。例：标准电话信道：带宽：例：标准电话信道：带宽：2400HZ,2400HZ,采用采用1616元制，传输速率元制，传输速率达到达到9600b/s9600b/s C=W log2(1+S/N)无论采样频率多高，信号编码分多少级，此公式给出了无论采样频率多高，信号编码分多少级，此公式给出了信道能达到的最高传输速率。信道能达到的最高传输速率。例：标准电话信道：带宽：例：标准电话信道：带宽：3.1kHZ,S/N=2500,3.1kHZ,S/N=2500,传输速率不可传输速率不可能超过能超过35kb/s35kb/s原因：噪声的存在将使编码级数不可能无限原因：噪声的存在将使编码级数不可能无限 增加。增加。7/5/202433计算机网络与通信Nyquist公式和Shannel公式的比较 C=2W金属导体金属导体 双绞线、双绞线、同轴电缆同轴电缆(粗、细粗、细)光纤光纤 单、多模光纤单、多模光纤无线介质无线介质无线电、短波、微波、卫星、光波无线电、短波、微波、卫星、光波2.3 传输媒体传输媒体(介质介质)7/5/202434计算机网络与通信金属导体2.3 传输媒体(介质)8/13/202334计算机 双绞线双绞线内导体芯线内导体芯线绝缘绝缘箔屏蔽箔屏蔽铜屏蔽铜屏蔽外套外套-螺旋绞合的双导线，螺旋绞合的双导线，1mm-每根每根4对、对、25对、对、1800对对-典型连接距离典型连接距离100m（LAN）-RJ45插座、插头插座、插头-优缺点：优缺点：成本低成本低 密度高、节省空间密度高、节省空间 安装容易（综合布线系统）安装容易（综合布线系统）平衡传输（高速率）平衡传输（高速率）抗干扰性一般抗干扰性一般 连接距离较短连接距离较短7/5/202435计算机网络与通信双绞线内导体芯线-螺旋绞合的双导线，1mm8/13/屏蔽双绞线屏蔽双绞线屏蔽双绞线屏蔽双绞线(STP)(STP)非屏蔽双绞线非屏蔽双绞线非屏蔽双绞线非屏蔽双绞线(UTP)(UTP)以铝箔屏蔽以减少 干扰和串音3类、5类、6类（16M、155M、1200M）双绞线外没有任何附加屏蔽7/5/202436计算机网络与通信屏蔽双绞线(STP)非屏蔽双表表2-32-3是是UTPUTP电缆的常见类型，电缆的常见类型，10BaseT10BaseT局域网中主要使用局域网中主要使用3 3类和类和5 5类线，它们的有效传输类线，它们的有效传输距离一般在距离一般在100m100m左右。左右。另外还有超另外还有超5 5类双绞线电缆，通过对其类双绞线电缆，通过对其“信道信道”性能测试性能测试结果表明，与普通结果表明，与普通5 5类双绞线电缆比较，它的近端串扰、衰类双绞线电缆比较，它的近端串扰、衰减和结构回波等主要性能指标都有很大提高。减和结构回波等主要性能指标都有很大提高。7/5/202437计算机网络与通信表2-3是UTP电缆的常见类型，8/13/202337计算机双绞线与工作站的网卡和集线器之间用双绞线与工作站的网卡和集线器之间用水晶头水晶头连接连接.双双绞绞线线的的制制作作分分为为工工作作站站至至工工作作站站和和工工作作站站至至集集线线器器两两种：种：1 2 3 4 5 6 7 8A线序：绿白线序：绿白 绿绿 橙白橙白 蓝蓝 蓝白蓝白 橙橙 棕白棕白 棕棕 1 2 3 4 5 6 7 8B线序：橙白线序：橙白 橙橙 绿白绿白 蓝蓝 蓝白蓝白 绿绿 棕白棕白 棕棕 1 2 3 4 5 6 7 8RJ-45插座插座水晶头水晶头7/5/202438计算机网络与通信双绞线与工作站的网卡和集线器之间用水晶头连接.1 2 3 4网线用途网线用途水晶头线序水晶头线序交换机交换机/HUB计算机计算机BB计算机计算机计算机计算机BA交换机交换机/HUB下级交换机下级交换机/HUB(普通口普通口)交换机交换机/HUB下级交换机下级交换机/HUB(uplink)BABB7/5/202439计算机网络与通信网线用途水晶头线序交换机/HUB计算机BB计算机 同轴电缆同轴电缆基带同轴电缆基带同轴电缆 一条电缆只用于一个信道，50，用于数字传输宽带同轴电缆宽带同轴电缆 一条电缆同时传输不同频率的多路模拟信号，75，用于模拟传输，300450MHz，100km，需要放大器 铜芯铜芯绝缘层绝缘层外导体外导体屏蔽层屏蔽层保护套保护套7/5/202440计算机网络与通信同轴电缆基带同轴电缆铜芯绝缘层外导体屏蔽层保护套8/13 细同轴细同轴 -50，D=1.02cm，10Mbps -185m、4中继、中继、5段（段（925m）-优缺点：价格低 安装方便（T型连接器、BNC接头、Terminator）抗干扰能力强 距离短 可靠性差 粗粗同轴同轴 -50，D=2.54cm，10Mbps -500m、4中继、中继、5段（段（2500m）-优缺点：价格稍高 安装方便（收发器、收发器电缆、Terminator）抗干扰能力强 距离中等 可靠性好 7/5/202441计算机网络与通信细同轴 -50，D=1.02cm，10Mbps8表表2-42-4是是网网络络工工程程施施工工中中常常常常用用到到的的一一些些IEEE802.3 IEEE802.3 10BaseT10BaseT系列网络拓扑经验，仅供读者参考。系列网络拓扑经验，仅供读者参考。7/5/202442计算机网络与通信表2-4是网络工程施工中常常用到的一些IEEE802.3 1 光纤光纤依靠光波承载信息依靠光波承载信息速率高，通信容量大速率高，通信容量大 仅受光电转换器件的限制（仅受光电转换器件的限制（100Gb/s）传输损耗小，适合长距离传输传输损耗小，适合长距离传输抗干扰性能极好，保密性好抗干扰性能极好，保密性好轻便轻便7/5/202443计算机网络与通信光纤依靠光波承载信息8/13/202343计算机网络与通信 光从一种介质入射到另一种介质时会产生折射。折射量取光从一种介质入射到另一种介质时会产生折射。折射量取决于两种介质的折射率。当入射角决于两种介质的折射率。当入射角临界值时产生全反射，不临界值时产生全反射，不会泄漏。会泄漏。光纤：纤芯光纤：纤芯-折射率高、玻璃包层折射率高、玻璃包层-折射率低折射率低 亮度调制，有脉冲亮度调制，有脉冲-1-1，无脉冲，无脉冲-0-0 光传输系统：光源、介质、光检测器光传输系统：光源、介质、光检测器光源光源:850nm/1300nm/1500nm:850nm/1300nm/1500nm波长波长 发光二极管发光二极管/激光二极管激光二极管介质介质:光纤光纤光检测器光检测器:光电二极管光电二极管PIN/PIN/雪崩二极管雪崩二极管APDAPD 单向传输，双向需两根光纤单向传输，双向需两根光纤光纤传输原理光纤传输原理利用了光的反射利用了光的反射7/5/202444计算机网络与通信 光从一种介质入射到另一种介质时会产生折射。折射量取决 光纤传送模式：MMF、SMF 多模多模多模多模 MMFMMF 输入电信号输入电信号输入电信号输入电信号输出电信号输出电信号输出电信号输出电信号单模单模单模单模 SMFSMF 波长波长:1300,1550 nm:1300,1550 nm波长波长:850,1300 :850,1300 nmnmh2h2h1h1芯芯芯芯/封套特性封套特性封套特性封套特性h1h1h2h2光纤的直径减小到一个光波波长多束光线以不同的反射角传播多束光线以不同的反射角传播单束光线沿直线传播单束光线沿直线传播7/5/202445计算机网络与通信光纤传送模式：MMF、SMF 多模 MMF 输 典型的光缆玻璃封套玻璃封套塑料外套塑料外套玻璃内芯玻璃内芯单芯光缆单芯光缆单芯光缆单芯光缆多芯光缆多芯光缆多芯光缆多芯光缆玻璃内芯玻璃内芯塑料外套塑料外套玻璃封套玻璃封套外壳外壳常见规格：玻璃内芯常见规格：玻璃内芯50um缓变型缓变型MMF 62.5um缓变缓变/增强型增强型MMF 8.3um突变型突变型SMF 玻璃包层玻璃包层125um7/5/202446计算机网络与通信典型的光缆玻璃封套塑料外套玻璃内芯单芯光缆多芯光缆玻璃内芯 高密度多芯光缆高密度多芯光缆剖面结构剖面结构芯芯封套封套外套加强芯光纤光纤外鞘外鞘加强芯加强芯光纤束光纤束7/5/202447计算机网络与通信高密度多芯光缆剖面结构芯封套外套加强芯光纤外鞘加强芯光纤束多模光纤和多模光纤和5 5类双绞线的衰减与频率关系如图类双绞线的衰减与频率关系如图2-132-13所示，当传输频率超过所示，当传输频率超过100MHz100MHz时，时，5 5类双绞线随着类双绞线随着频率的增加衰减愈来愈大；而光纤在频率的增加衰减愈来愈大；而光纤在300MHz300MHz以内，以内，衰减基本不变。衰减基本不变。光纤与电缆频率与衰减关系图光纤与电缆频率与衰减关系图7/5/202448计算机网络与通信多模光纤和5类双绞线的衰减与频率关系如图2-13所示，当传输缺点：缺点：就是光纤的切断和将两根光纤精确地连接所需要的技术要求较高。光纤联网时，常常将一段段的点到点的链路串起来构成一个环路，通过T型接头连接到计算机。T型接头：无源，有源。示意图p31.7/5/202449计算机网络与通信缺点：就是光纤的切断和将两根光纤精确地连接所需要的技 无线介质无线介质使用电磁波或光波携带信息使用电磁波或光波携带信息无需物理连接无需物理连接适用于长距离或不便布线的场合适用于长距离或不便布线的场合易受干扰易受干扰7/5/202450计算机网络与通信无线介质使用电磁波或光波携带信息8/13/202350计算无线电无线电固定终端点（基站）和终端之间是无线链路BS基站基站 用户计算机和终端用户计算机和终端BS基站覆盖的无线电区域基站覆盖的无线电区域F F2 2F F3 3F F1 1F F2 2F F3 3F F1 1F F2 2F F3 3F F1 1F F2 2F F2 2F F3 3F F1 1F1,F2,F3=使用的频率7/5/202451计算机网络与通信无线电固定终端点（基站）和终端之间是无线链路BS基站 用户计地面微波接力地面微波接力微波在空间主要是直线传播，并且能穿透电离层进入宇宙空间，微波在空间主要是直线传播，并且能穿透电离层进入宇宙空间，由于地球表面是个曲面，因此其传播距离受到限制且与由于地球表面是个曲面，因此其传播距离受到限制且与天线的高度有关，一般只有天线的高度有关，一般只有50km50km左右，长途通信时必须建立左右，长途通信时必须建立多个中继站，中继站把前一站发来的信号经过放大后再发往多个中继站，中继站把前一站发来的信号经过放大后再发往下一站，类似于下一站，类似于“接力接力”，如果中继站采用，如果中继站采用100m100m高的天线塔，高的天线塔，则接力距离可增大到则接力距离可增大到100 km100 km。7/5/202452计算机网络与通信地面微波接力微波在空间主要是直线传播，并且能穿透电离层进入宇地球地球地球地球两个地面站之间传送两个地面站之间传送距离：距离：50-100 km地面站之间的直视线路地面站之间的直视线路地面站之间的直视线路地面站之间的直视线路 微波传送塔微波传送塔微波传送塔微波传送塔7/5/202453计算机网络与通信地球两个地面站之间传送地面站之间的直视线路 微波传送塔8/1卫星通信卫星通信就是利用位于就是利用位于3 3万万6 6千公里高空的人造地球同步卫星作千公里高空的人造地球同步卫星作为太空无人值守的微波中继站的一种特殊形式的微波接力通信。为太空无人值守的微波中继站的一种特殊形式的微波接力通信。卫星通信可以克服地面微波通信的距离限制，其最大特点就是卫星通信可以克服地面微波通信的距离限制，其最大特点就是通信距离远，且通信费用与通信距离无关。通信距离远，且通信费用与通信距离无关。优点优点:卫星通信的频带比微波接力通信更宽，通信容量更大，卫星通信的频带比微波接力通信更宽，通信容量更大，信号所受到的干扰也较小，误码率也较小，通信比较稳定可靠。信号所受到的干扰也较小，误码率也较小，通信比较稳定可靠。缺点缺点：传播时延较长。：传播时延较长。地球同步卫星地球同步卫星7/5/202454计算机网络与通信卫星通信就是利用位于3万6千公里高空的人造地球同步卫星作为太与地面站相对固定位置与地面站相对固定位置使用使用3个卫星覆盖全球个卫星覆盖全球传输延迟时间长传输延迟时间长22,30022,300公里公里公里公里地球地球地球地球7/5/202455计算机网络与通信与地面站相对固定位置22,300地球8/13/202355计 红外线通信和激光通信就是把要传输的信号分红外线通信和激光通信就是把要传输的信号分别转换成红外光信号和激光信号直接在自由空间沿别转换成红外光信号和激光信号直接在自由空间沿直线进行传播，它比微波通信具有更强的方向性，直线进行传播，它比微波通信具有更强的方向性，难以窃听、插入数据和进行干扰，但红外线和激光难以窃听、插入数据和进行干扰，但红外线和激光对雨雾等环境干扰特别敏感。对雨雾等环境干扰特别敏感。红外线和激光红外线和激光7/5/202456计算机网络与通信 红外线通信和激光通信就是把要传输的信号分别转常用传输媒体的比较常用传输媒体的比较7/5/202457计算机网络与通信常用传输媒体的比较8/13/202357计算机网络与通信数据：模拟数据、数字数据数据：模拟数据、数字数据信号：模拟信号、数字信号信号：模拟信号、数字信号 信道：模拟信道、数字信道信道：模拟信道、数字信道不同类型的信号在不同类型的信道上传输有不同类型的信号在不同类型的信道上传输有4种组合，种组合，每一种相应地需要进行不同的编码处理。每一种相应地需要进行不同的编码处理。2.4 数据编码数据编码7/5/202458计算机网络与通信数据：模拟数据、数字数据不同类型的信号在不同类型的信道上传输 模拟传输和数字传输模拟传输和数字传输话音话音模拟传输模拟传输模拟模拟数字数字模拟模拟模拟模拟CODEC数字数字数字数字数字编码数字编码数字数字模拟数据，模拟信号模拟数据，模拟信号数字数据，模拟信号数字数据，模拟信号数字数据，数字信号数字数据，数字信号模拟数据，数字信号模拟数据，数字信号10101010Modem7/5/202459计算机网络与通信 模拟传输和数字传输话音模拟传输模拟数字模拟模拟CODEC数EncoderDecoder数字或数字或模拟模拟数字信号数字信号数字信号数字信号g(t)g(t)x(t)x(t)g(t)g(t)数字或数字或模拟模拟编码编码编码编码ModulatorDemodulator数字或数字或模拟模拟模拟信号模拟信号模拟信号模拟信号m(t)m(t)p ps(t)s(t)m(t)m(t)数字或数字或模拟模拟PP调制参数调制参数调制参数调制参数调制调制调制调制编码和调制用数字信号承载数字或模拟数据用数字信号承载数字或模拟数据编码编码用模拟信号承载数字或模拟数据用模拟信号承载数字或模拟数据调制调制7/5/202460计算机网络与通信EncoderDecoder数字或数字信号g(t)x(t)g1.数字数据的数字信号编码数字数据的数字信号编码 不归零制不归零制(NRZ，Non-Return to Zero)二进制数字二进制数字0、1分别用两种电平来表示。分别用两种电平来表示。常用常用5V表示表示1，5V表示表示0。缺点：存在直流分量，传输中不能使用变压器；缺点：存在直流分量，传输中不能使用变压器；不具备自同步机制，必须使用外同步。不具备自同步机制，必须使用外同步。时钟时钟时钟时钟NRZNRZ0 01 10 00 01 11 10 00 00 01 11 17/5/202461计算机网络与通信1.数字数据的数字信号编码 不归零制(NRZ，Non-R 曼彻斯特编码曼彻斯特编码(Manchester code)用电压的变化表示用电压的变化表示0和和1。规定在规定在每个码元的中间每个码元的中间发生跳变：发生跳变：高高 低的跳变低的跳变“0”;低低 高的跳变高的跳变“1”;ManchesterManchester0 01 10 00 01 11 10 00 00 01 11 17/5/202462计算机网络与通信曼彻斯特编码(Manchester code)规定在每个码每个码元中间都要发生跳变，接收端可将此变每个码元中间都要发生跳变，接收端可将此变化提取出来作为同步信号，使接收端的时钟与发化提取出来作为同步信号，使接收端的时钟与发送设备的时钟保持一致。送设备的时钟保持一致。曼彻斯特编码也称为曼彻斯特编码也称为自同步码（自同步码（Self-Synchronizing Code）。它具有自同步机制，无。它具有自同步机制，无需外同步信号。需外同步信号。缺点：需要双倍的传输带宽（即信号速率是数缺点：需要双倍的传输带宽（即信号速率是数据速率的据速率的2倍）。其编码效率：倍）。其编码效率：50%7/5/202463计算机网络与通信每个码元中间都要发生跳变，接收端可将此变化提取出来作为同步 差分曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码(Differential Manchester code)与与曼彻斯特编码相同，曼彻斯特编码相同，在每个码元的中间，信在每个码元的中间，信号都会发生跳变；不同之处在于：号都会发生跳变；不同之处在于：用在码元开始处有无跳变来表示用在码元开始处有无跳变来表示0和和1：码元开始处有跳变码元开始处有跳变“0”;码元开始处无跳变码元开始处无跳变“1”;差分差分差分差分ManchesterManchester0 01 10 00 01 11 10 00 00 01 11 17/5/202464计算机网络与通信差分曼彻斯特编码(Differential Manches0 01 10 00 01 11 10 00 00 01 11 1 时钟时钟时钟时钟NRZNRZManchesterManchester差分差分差分差分ManchesterManchester三种数字编码的波形图三种数字编码的波形图7/5/202465计算机网络与通信01001100011 时钟NRZManchester差分三 在光纤分布式数据接口（在光纤分布式数据接口（FDDIFDDI，Fiber Distributed Data Fiber Distributed Data InterfaceInterface）中采用了独特的）中采用了独特的4B/5B4B/5B编码。这种编码的特点是将编码。这种编码的特点是将欲发送的数据流每欲发送的数据流每bitbit作为一个组，然后按照作为一个组，然后按照4B/5B4B/5B编码规则编码规则将其转换成相应将其转换成相应5bit5bit码。码。5bit 5bit码共有码共有3232种组合，但只采用其中的种组合，但只采用其中的2424种，种，1616种对应种对应4bit4bit码的码的1616种，种，8 8种用作控制码，以表示帧的开始和结束、光纤线种用作控制码，以表示帧的开始和结束、光纤线路的状态（静止、空闲、暂停）等。标准路的状态（静止、空闲、暂停）等。标准4B/5B4B/5B编码对照表见编码对照表见表表2-12-1，用于，用于100MbpsFDDIPMD100MbpsFDDIPMD的的4B/5B4B/5B编码控制码表见表编码控制码表见表2-22-2。现用不归零编码画出现用不归零编码画出4bit4bit码和码和5bit5bit码的对应波形，码的对应波形，5bit5bit码经差码经差分编码后，转换成光信号，如图分编码后，转换成光信号，如图2-42-4所示。所示。4B/5B编码编码7/5/202466计算机网络与通信 在光纤分布式数据接口（FDDI，Fiber Dist特点：特点：每个每个5B码至少含有码至少含有2个个“1”，（每个，（每个5B码至多含有码至多含有3个个“0”），保证每个），保证每个5B码至少有两次电平跳变。码至少有两次电平跳变。7/5/202467计算机网络与通信特点：每个5B码至少含有2个“1”，（每个5B码至多含有3个图图2-4 4B/5B编码方式编码方式特点：属于自同步码，编码效率：特点：属于自同步码，编码效率：4/5=80%7/5/202468计算机网络与通信图2-4 4B/5B编码方式特点：属于自同步码，编码效率：2.数字数据的调制编码数字数据的调制编码三种常用的调制技术：三种常用的调制技术：三种常用的调制技术：三种常用的调制技术：1 1）幅移键控幅移键控幅移键控幅移键控ASK(Amplitude Shift Keying)ASK(Amplitude Shift Keying)，调幅，调幅，调幅，调幅 2 2）频移键控频移键控频移键控频移键控FSK(Frequency Shift Keying)FSK(Frequency Shift Keying)，调频，调频，调频，调频 3 3）相移键控相移键控相移键控相移键控PSK(Phase Shift Keying)PSK(Phase Shift Keying)，调相，调相，调相，调相基本原理：用数字信号对载波的不同参量进行调制。基本原理：用数字信号对载波的不同参量进行调制。基本原理：用数字信号对载波的不同参量进行调制。基本原理：用数字信号对载波的不同参量进行调制。载波载波 S(t)=A cos(t+)S(t)的参量包括：的参量包括：幅度幅度A、频率频率 、相位相位 调制就是要使这三个参量随数字基带信号的变化而变化调制就是要使这三个参量随数字基带信号的变化而变化7/5/202469计算机网络与通信2.数字数据的调制编码三种常用的调制技术：1）0 00 01 1 1 10 01 10 00 00 01 10 0ASKASK调幅调幅调幅调幅FSKFSK调频调频调频调频PSKPSK调相调相调相调相ASK：用载波的两个不同振幅表示：用载波的两个不同振幅表示0(0v)和和1(+5v)FSK：用载波的两个不同频率表示：用载波的两个不同频率表示0(1.2KHz)和和1(2.4KHz)PSK：用载波的起始相位的变化表示：用载波的起始相位的变化表示0(同相同相)和和1(反相反相)7/5/202470计算机网络与通信00110100010ASK调幅FSK调频PSK调相ASK：多级调制方法多级调制方法1-单参量多级调制单参量多级调制0110000+90+180+27011数据率数据率=信号速率信号速率 x log2M M：调制级数：调制级数+90+900 0 01010 00 0 0000+270+2700 0 1111+180+1800 0 10104-PSK4-PSK7/5/202471计算机网络与通信多级调制方法1-单参量多级调制0110000+90+180多级调制方法多级调制方法2 多参量多级调制多参量多级调制16-QAM(16-QAM(正交振幅调制正交振幅调制正交振幅调制正交振幅调制):):使用使用使用使用振幅振幅振幅振幅和和和和相位相位相位相位的的的的1616种组种组种组种组合合合合0 045 16-QAM 16-QAM的星座图的星座图的星座图的星座图901802701353152257/5/202472计算机网络与通信多级调制方法2 多参量多级调制16-QAM(正交振幅调制)高速高速(56Kbps)MODEMD/AA/DA/DD/AD/AA/D V.34(28.8-33.6kbps)最大的噪声来源于最大的噪声来源于模数转换模数转换的量化噪声，信道容量极限值约的量化噪声，信道容量极限值约 35kbpsD/AA/DD/A V.90(56kbps)交换机交换机1交换机交换机2ISP V.34(28.8-33.6kbps)模拟模拟模拟模拟数字数字数字数字数字数字数字数字模拟模拟上行仍需上行仍需模数模数(A/D)转换转换，速率最高为，速率最高为35kbps；下行则可达；下行则可达56Kbps7/5/202473计算机网络与通信高速(56Kbps)MODEMD/AA/DA/DD/AD/3.模拟数据的数字信号编码模拟数据的数字信号编码采样定理：采样定理：如果连续变化的模拟信号最高频率为如果连续变化的模拟信号最高频率为F，若，若以以2F的采样频率对其采样，则采样得到的离散的采样频率对其采样，则采样得到的离散信号序列就能完整地恢复出原始信号。信号序列就能完整地恢复出原始信号。语音信号要在数字线路上传输，必须将语音信号转换语音信号要在数字线路上传输，必须将语音信号转换成数字信号。这需要经过三个步骤：成数字信号。这需要经过三个步骤：1）采样）采样按一定间隔对语音信号进行采样按一定间隔对语音信号进行采样 2）量化）量化对每个样本舍入到量化级别上对每个样本舍入到量化级别上 3）编码）编码对每个舍入后的样本进行编码对每个舍入后的样本进行编码7/5/202474计算机网络与通信3.模拟数据的数字信号编码采样定理：语音信号要在数字线路上模拟话音模拟话音模拟话音模拟话音采样时钟采样时钟采样时钟采样时钟离散信号离散信号离散信号离散信号PCM PCM 信号信号信号信号采样电路采样电路量化和编码量化和编码 数字化数字化数字化数字化声音声音声音声音-话音信道带宽话音信道带宽 2倍话音最大频率倍话音最大频率)-量化级数：量化级数：256级级 (8位二进制码表示位二进制码表示)-数据率：数据率：8000次次/s*8bit=64Kb/s 每路每路PCM信号的速率信号的速率=64000bps编码后的信号称为编码后的信号称为PCM（Pulse Coded Modulation）信号）信号（脉码调制信号）（脉码调制信号）7/5/202475计算机网络与通信模拟话音采样时钟离散信号PCM 信号采样电路量化和编码 数PCM转换过程举例转换过程举例 原始信号原始信号011100011011001100011100011011001100 PCM PCM 输出输出输出输出3 34 43 33 31 14 4011011100100011011011011001001100100 PCM PCM 脉冲脉冲 （有量化误差）（有量化误差）3.23.23.93.92.82.83.43.41.21.24.24.2 离散脉冲离散脉冲7/5/202476计算机网络与通信PCM转换过程举例 原始信号011100011011001PCM 转换波形图转换波形图BACDAABBCCDD模拟话音模拟话音模拟话音模拟话音采样时钟采样时钟采样时钟采样时钟离散离散离散离散 信号信号信号信号PCM PCM 信号信号信号信号采样电路采样电路量化和编码量化和编码数字化声音数字化声音数字化声音数字化声音7/5/202477计算机网络与通信PCM 转换波形图BACDABCD模拟话音采样时钟离散 信号通信系统的例子通信系统的例子电话系统电话系统公用电话交换网公用电话交换网PSTN(Public Switched Telephone Network)-端到端的数据传输率：端到端的数据传输率：104 b/s -干线的数据传输率：干线的数据传输率：1010 b/s -总体误码率：总体误码率：10-5 -通信干线采用光纤或微波通信干线采用光纤或微波数字传输系统数字传输系统。优点：出错率低、可传输语音优点：出错率低、可传输语音/数据数据/图像、图像、速率高、成本低、维护容易速率高、成本低、维护容易7/5/202478计算机网络与通信通信系统的例子电话系统公用电话交换网PSTN(Publi构成构成：本地回路、交换局、干线：本地回路、交换局、干线端局端局端局端局长途局长途局中心局中心局长途局长途局本地回路本地回路准长途干线准长途干线高带宽长途高带宽长途干线干线准长途干线准长途干线本地回路本地回路光纤、微波、同轴光纤、微波、同轴双绞线双绞线双绞线双绞线7/5/202479计算机网络与通信构成：本地回路、交换局、干线端局端局长途局中心局长途局本地回本地回路本地回路编码解码器编码解码器Codec编码解码器编码解码器Codec用户设备用户设备用户设备用户设备ModemModem端局端局端局端局长途局长途局数字干线数字干线模拟线路模拟线路（本地回路）（本地回路）模拟线路模拟线路（本地回路）（本地回路）绝大多数为模拟线路绝大多数为模拟线路计算机间传输：以计算机间传输：以模拟模拟为主，所以信号要经过为主，所以信号要经过多次变换：多次变换：数字数字模拟模拟数字数字模拟模拟数字数字7/5/202480计算机网络与通信本地回路编码解码器Codec编码解码器Codec用户设备用户 复用复用复用复用多个信息源共享一个公共信道多个信息源共享一个公共信道多个信息源共享一个公共信道多个信息源共享一个公共信道 为何要复用？线路成本为何要复用？线路成本DEMUX复用器复用器解复用器解复用器共享信道MUX2.5 多路复用技术多路复用技术7/5/202481计算机网络与通信 复用多个信息源共享一个公共信道 为何要复用？线复用类型复用类型FDM(频分复用频分复用)WDM(波分复用波分复用)TDM(时分复用时分复用)7/5/202482计算机网络与通信复用类型FDM(频分复用)WDM(波分复用)TDM(时1.频分复用频分复用