第二章-计算机网络教程课件

第二章 网络通信技术2.1 数据通信的基本概念2.1.1 数据、信号、信息等基本概念 1、数据 数据有意义的实体；传递信息的实体或载体；是对客观事物描述和记录的物理符号。对 于数据通信来说，数据就是被传输的二进 制代码的不同组合就称为数据。模拟数据：某个区间产生的连续值；数字数据：某个区间产生的离散值。2、数据通信计算机传递二进制比特序列的过程。数据在传递前，往往要进行编码。常用的编 码方式主要有：CCITT的国际5单位编码；扩充的二、十进制交换码（EBCDIC）；美国标准信息交换码（ASC型码）等。（American Standard Code for Information Interchange）3、信号数据在传输过程中的表现形式。即信号 是数据的电子编码或电磁编码。模拟信号：一种强弱幅度随时间连续变化的电流、电压 或电磁波。即一种连续的电信号或连续的载 波频率。数字信号：一种强弱幅度不随时间变化的信号。即一种 离散的电压脉冲。4、通信系统 模拟通信系统：模拟数据用模拟信号传输的系统。（与所传内容无关）数字通信系统：模拟数据用数字信号传输的系统。（与所传内容有关）数据通信系统：数字数据用模拟信号或数字信号 传输的系统。5、信息对数据的集合、含义和解释。是指若干个字母、数字或符号的组合。其载体可以是文字、语音、图形、图像等。6、传输将符号从一个位置传输到另一个位置。信宿信宿终端设备（终端设备（DTE）发送器发送器通信信道通信信道信源信源终端设备（终端设备（DTE）接收器接收器噪声噪声输入输入输出输出DCEDTE：数据终端设备。终端、计算机或其他生成数据的设备。：数据终端设备。终端、计算机或其他生成数据的设备。DCE：数据电路设备（数据通信设备）。为用户设备提供入网的接入点。：数据电路设备（数据通信设备）。为用户设备提供入网的接入点。7、信道信号的传输通道（信源与信宿之间的通信线路）。信源：信源：产生和发送信息的设备；信宿：信宿：接收和处理信息的设备。信道可分为物理通道和逻辑通道两种。物理通道物理通道：由传输介质和有关设备组成的用来传送信号的客观存 在的通道。网络两节点间的物理通道称为通信链路。逻辑通道：逻辑通道：在信源与信宿之间不存在一条物理上的传输介质。而 是在物理信道的基础上，通过结点设备内部的连接，来实现的信道。8、带宽指信号中所含谐波的最高频率fh与最低频 率fe之差（fh-fe），即信道所传输信号的 频率宽度。（任何信号都可以看成是基波和无数谐波的叠加。）带宽的单位为：Hz、kHz、MHz等。当通信线路上传输的是模拟信号模拟信号时，带宽也称通频带，表示允许通过的频率范围，即用频率来度量带宽。当通信线路上传输的是数字信号数字信号时，人们很少用通频带表示带宽，而往往用信道上能够传送的数字信号的速率，即数据传输率来表示带宽（这种情况下，有时带宽也称吞吐量）。数据传输率的单位是bit/s，因此，带宽的单位也就是bit/s。如10Mbps，表示10Mbit/s，也表示10M带宽。一般地，信道带宽越宽，其容量也越大，信号的传输率也就越高。它是通信系统中的一个重要参数。如果我们在网络中某一个点上观察数字信号流随时如果我们在网络中某一个点上观察数字信号流随时间的变化，那么信号在时间轴上的宽度就随着带宽的增间的变化，那么信号在时间轴上的宽度就随着带宽的增大而变窄。下图是这一概念的示意图。大而变窄。下图是这一概念的示意图。9、码元承载信息的基本信号单位。一个脉冲就是一个码元。10、数据包在一小段数据中加上序号、目的地址、源地址、错误检测码 等。这种数据段就称为数据包。它是一种数据传送的单位。11、数据传输率(bps)串行通信中设备传输字节的瞬时位速度。或每秒传 输的二进制位数（比特/秒）。b/s；bps。12、信道容量指信道允许通过的最大传输频率。13、帧数据通信中的基本单位。通常按照信号内容的不同，又可分 为数据帧、命令帧、响应帧等不同形式。14、误码率数据在传输系统中被错传的概率。是系统可靠性的重要 指标。15、时延指一个报文或分组从一个网络(或一条链路)的一端传送到另 一端所需的时间。时延主要由传播时延、发送时延、排队时延三部分部分组成的。（1）传播时延传播时延是电磁波在信道中传播所需要的时间。传播时延的计算公式是：传播时延传播时延=信道长度信道长度 电磁波在信道上的传播速率。电磁波在信道上的传播速率。（2）发送时延发送时延是发送数据所需要的时间。发送时延的计算公式是：发送时延发送时延=数据块长度数据块长度 信道带宽信道带宽（3）排队时延这是数据在交换结点为等候发送，而在缓存的队列中排队所经历的时延。数据经历的总时延就是以上三种时延之和：总时延总时延=传播时延传播时延+发送时延发送时延+排队时延排队时延下图画出了三种时延所产生的地方16时延带宽积和往返时延网络性能的两个度量传播时延和带宽相乘，就得到另一个很有用的度量：传播时延带宽积，即(传播时延)(带宽)。下图的示意图表示时延带宽积。链路的时延带宽积又称为以比特为单位的链路长度。在计算机网络中，往返时延RTT(Round-Trip Time)也是一个重要的性能指标，它表示从发送端发送数据开始，到发送端收到来自接收端的确认，总共经历的时延。2.1.2 数据传输类型与通信方式 1、数据传输类型 模拟信号 模拟数据 数字信号 数字数据 模拟信号 数字信号 2、数据的通信方式 1）串行与并行通信（按使用的信道数分）串行：将待传的二进制代码由低位到高位顺序依次 发送的方式。（费用低、长距离）并行：一次传送8个二进制比特的方式。即一次传 送一个字节的数据。（费用高、短距离）发收b7 b6 b5 b4 b3 b2 b1 b0b0b1b7b7b6收b1b0发b6 2）单工、半双工、全双工通信（按方向和时间分）单工：单工：任何时候信号只能沿一个方向传输；半双工：半双工：信号可沿双向传输，但同一时刻 只能沿一个方向传输；全双工：全双工：信号能在同一时刻双向传输。3）同步技术 所谓同步技术：就是要求通信双方在时间基准上保持一致。即接收方要知道发送方所发送数据的开始和结束时间。同步又分位同步和字符同步两种。位同步，位同步，主要解决时钟频率一致性的问题。也就是说，接收方要根据发送方发送数据的时钟频率与比特流的起止时刻，来校正自己的时钟频率与接收数据的起始时刻的过程。这一过程就称为位同步。这一过程就称为位同步。位同步 外同步 内同步 外同步：收发双方建立单独的时钟信道。内同步：将时钟信号加载到数据信号中一 起发送的方法。从中可以看出，位同步指的是比特同步。字符同步：字符同步：解决字符问题。即保证双方正确传输 字符的过程，就叫字符同步。字符同步 起止式同步（异步式同步）同步式同步 起止式同步：起止式同步：又称为传输异步技术。要点：每个字符作为一个独立整体发送；字符间的时间间隔可以是任意的；一次只传一个字符；每个字符由一个起始码“0”引导，一个停止码“1”结束。格式：0 0 接收方从“1”到“0”的跳变识别下一个字符的开 始。并复位准备接受下一个字符。这种方式，每传一个字符由2-3位的额外开销。传输量小。bo b1 b2 b3 b4 b5 b6 b7 1 同步式同步：同步式同步：一字符组为传输单位的同步。格式：一个或多个 控制字符 数据字符 控制字符 SYN:00010110 面向位流的同步方式。格式：控制字符 数据字符 控制字符 F 的编码为：01111110 SYNSYNFF 0 1 1 1 1 1 0 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 1 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 1 0 1 0 1 1 1 1 1 0 1 1 0 2.2 传输介质及主要特性2.2.1 传输介质的类型 1、定义：收发双方之间的物理链路。通信过程中 传送数据信息的载体。连接方式有：点对点连接、多点连接。2、类型 有线介质：双绞线、同轴电缆、光纤 无线介质：无线电波、微波及卫星、红外线与激光 3、传输介质的特性 1）物理特性；2）传输特性；3）连通特性；4）地理特性；5）抗干扰性；6）相对价格。2.2.2 双绞线 有规则螺旋排列的两根、四根、八根绝缘导线组成。一对线作为一条通信线路。螺旋排列：减少线间的干扰。双绞线把两根绝缘的铜导线按一定密度互相绞在一起的，每一根导线在传输过程中辐射的电磁波会与另一根导线上发出的电磁波抵消，从而降低了信号干扰的程度，这是双绞结构的优点。双绞线的一个双绞循环称作扭距，扭距越小，抗干扰能力越强。双绞线内部的八根导线是两两互绞的：橙色线与白橙线互绞，蓝色线与白蓝线互绞，绿色线与白绿线互绞，棕色线与白棕线互绞。UTP非屏蔽双绞线STP屏蔽双绞线 STP屏蔽双绞线 双绞线 UTP非屏蔽双绞线 双绞线既能传输模拟信号，也能传输数字信号。当传输模拟信号时，大约5-6公里加一个放大器；传输数字信号时，大约每2-3公里加一个中继器。可用于点对点的连接，也可用于多点的连接。对外界噪声的抗干扰能力一般。但，低频时，双绞线的性能要优于同轴电缆；高频时，同轴电缆的性能要优于双绞线。优点：使用广泛，价格便宜，安装容易 缺点：对电磁干扰比较敏感，不适合传输高速数据 双绞线的型号和规格：EIA/TIA(电气工业协会/电信工业协会)为双绞线电缆定义了多种不同型号，如下所述。其中，计算机网络综合布线使用3、4、5类及5类以上双绞线电缆。1类：主要用于传输语音信号(1类标准主要用于20世纪80年代之前的电话线缆)，不用于数据传输。2类：传输频率为1 MHz，用于语音传输和最高传输速率4 Mb/s的数据传输，常见于使用4 Mb/s规范令牌传递协议的旧的令牌环网。3类：指目前EIA/TIA 568标准中指定的电缆。该电缆的传输频率为16 MHz，用于语音传输及最高传输速率为10 Mb/s的数据传输，主要用于10Base-T网络。4类：该类电缆的传输频率为20 MHz，用于语音传输和最高传输速率16 Mb/s的数据传输，主要用于基于令牌的局域网以及10Base-T和100Base-T网络。5类：该类电缆增加了绕线密度，外套是一种高质量的绝缘材料，最高传输频率为100 MHz，用于语音传输和最高传输速率为100 Mb/s的数据传输，主要用于10Base-T和100Base-T网络，这是较常用的以太网电缆。超5类(Enhanced Cat 5)：将现在的5类非屏蔽双绞线的性能加以改善，不少参数的性能(例如近端串扰(NEXT)、衰减串扰比(ACR)、带宽等)都有提高，主要用于传输速率低于千兆b/s的以太网。6类：一个新级别的电缆，与5类或超5类相比，各项性能参数都有较大提高。6类系统工作在250 MHz的频率上，在相等条件下提供两倍于5类系统的带宽，主要用于千兆b/s或更高传输速率的以太网。线缆产品标识 双绞线产品标识没有统一标准，不同生产商的产品标识可能不同，但一般应包括以下一些信息：双绞线类型、NEC/UL防火测试和级别、CSA防火测试、长度标志、生产日期、双绞线的生产商和产品号码。下面以AVAYA产品为例说明其标识的含义：AVAYA-C SYSTEIMAX 1061C+4/24AWG CM VERIFIED UL CAT 5E 31086 FEET 09745.0 METERS 该双绞线的生产商该双绞线的产品号这条双绞线是由4对24AWG电线的线对所构成的。铜导线的直径通常用AWG(American Wire Gauge)来衡量，AWG数值越小，导线直径越大。我们通常使用的双绞线均为24 AWG(约0.5 mm)。通信通用电缆。CM是NEC(美国国家电气规范，National Electrical Code)中防火耐烟等级中的一种。双绞线满足UL(Underwriters Laboratories Inc.，(美国)保险商实验室)的标准要求。UL成立于1984年，是一个非营利的独立组织，致力于产品的安全性测试和认证。该双绞线通过UL测试，达到超5类标准双绞线长度点。购买双绞线时，如果想知道一箱双绞线的长度，可以找到双绞线的头部和尾部的长度标记，相减后即得出其长度。METERS表明以米为单位，如果是FT则表示以英尺为单位。1英尺英尺=0.3048米米传输介质在传输信息的过程中存在着传输损害 静态噪声 外部损害 地球外噪声 传输损害 工业噪声 衰减失真 内部损害 延迟失真 噪 声 热噪声(白噪声或高斯噪声)噪声 串扰噪声 脉冲噪声 衡量噪声的主要量化指标：信噪比=信号功率/噪声功率 （分贝）2.2.3 同轴电缆同轴电缆 定义：定义：由内导体、外频蔽层、绝缘层和外保护层组成的，能传送数据信号的通信线路。它们是按“同轴”的形式构成线对，同轴电缆是网络中应用十分广泛的传输介质之一。其结构如下图中所示。电缆线类型阻抗/W直径/英寸*应 用RG-11500.4010BASE-5RG-58A/U500.1810BASE-2RG-62930.25ARCnetRG-59U750.25CATV常用的同轴电缆线型号参见下表，具体介绍如下常用的同轴电缆线型号参见下表，具体介绍如下 l)RG-58A/U 2)RG-11 3)RG-59Ul)RG-58A/U 2)RG-11 3)RG-59U 表表 常用的同轴电缆线常用的同轴电缆线同轴电缆同轴电缆 基带同轴电缆：基带同轴电缆：传输数字信号（数位信号，发送 （阻抗50）时，信号会占用整个频带宽度）；宽带同轴电缆宽带同轴电缆：传送模拟信号（类比信号）。也 （阻抗75 可以只用于一条通道的高速数字 通信，复用后，可支持多路信号 的传送。基带：基带：由计算机或终端产生的，频谱从零开始，而未经调制的数字信号所占用的频率范围 叫基本频带，简称基带。相应的信号称为 基带信号。基带同轴电缆又分为：粗缆粗缆粗同轴电缆：粗缆以太网，粗缆网 （标准以太网）；细缆细缆细同轴电缆：细缆以太网，细缆网。2.2.4 光导纤维（光纤光导纤维（光纤）光纤：光纤：是一根很细的可传导光线的纤维媒体，其半径仅几微米至一、二百微米。制造光纤的材料可以是超纯硅、超高纯石英玻璃纤维、合成玻璃或塑料。用光纤传输电信号时，在发送端先要将其转换成光信号，而在接收端又要由光检测器还原成电信号，如下图所示。光纤相对于如双绞线和同轴电缆等这类金属传导媒体来说有若干优点如下：轻便；低衰减和大容量；电磁隔离；抗干扰能力极强；高数据传输率等。（实验室条件下，68公里范围内，光纤能实现数个G的数据传输率。实际中6-8公里加一台中继器）光纤是利用光的全反射来传输一束经过调制的光信号。一般可采用强度调制技术调制二进制位流“0”或“1”。发光二极管发光二极管LED：注入型激光二极管注入型激光二极管ILD 光电二极管光电二极管 光导纤维的物理构成示意图光纤不仅具有通信容量非常大的优点，而且还具有其他的一些特点：（1）传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济。（2）抗雷电和电磁干扰性能好。这在有大电流脉冲干扰的环境下尤为重要。（3）无串音干扰，保密性好，也不易被窃听或截取数据。（4）体积小，重量轻。当采用光纤连网时，常常将一段段点到点的链路串接起来构成一个环路，通过T形接头连接到计算机。T形接头有两种：无源的和有源的。无源的T形接头由于完全是无源的，因此非常可靠。有源的T形接头实际上就是一个有源转发器。光纤分为多模（multimode）光纤和单模(single mode)光纤两种。单模光纤：单模光纤：光信号仅与光纤轴成单个可分辨角度 的单光纤传输；多模光纤：多模光纤：光信号仅与光纤轴成多个可分辨角度 的多光纤传输2.2.5 无线介质（无线介质（无线电、电磁波、红外线与激光、卫星无线电、电磁波、红外线与激光、卫星）2.2.5.1 无线电通信：无线电通信：在无线电广播和电视广播中已广泛使用。无线电传输：无线电传输：根据波长和频率范围，无线电波分为长波、中波、中短波、短波、微波几个波段，范围从几千米到几毫米，是一个比较宽的波段。广播、电视、雷达、微波炉和通信等都使用无线电波。不同波段的无线电波有不同的传输特性。无线电波有三种传播方式：地波、天波、沿直线传播的波。地波指沿地球表面附近空间传播的无线电波，波长较长的长波、中波、中短波主要以地波方式传播。地波能绕过地表的障碍物，沿着弯曲的地球表面传播。天波是靠电离层反射来传播的无线电波，短波就是利用电离层反射向前传播的.而微波到达电离层时会穿透电离层。微波只能沿直线传播，无法绕过山峦和高大建筑等障碍物。因此，微波发射和接收天线都建得很高，而且微波发射和接收天线之间的距离不能过远，否则微波会被弯曲的地球表面阻挡，这被称为视距传播。如果利用微波进行远距离通信，就需要设立中继站，由某地发射的微波被中继站接收，放大后再转向下一站，就像接力赛一样，一站接一站把信号传向远方。与与地地波波、天天波波方方式式相相比比，直直线线传传播播方方式式受受大大气气的的干干扰扰小小，能能量量损损耗耗少少，所所收收到到的的信信号号较较强强，而而且且比比较较稳稳定定。因此，在无线电波中，微波受到了无线网络应用的青睐。以微波作为传输介质的技术有窄带微波技术和扩频微波技术。窄带微波指使用某个微波频带来传输信号，其带宽刚好能容纳信号，这样可以大幅减少频带的耗用，减少串音干扰。窄带网络产品使用无线频谱中授予许可的部分，因为如果使用无需许可的ISM（工业工业/科学科学/医疗医疗）频带，则由于ISM频带内的无线电产品非常多而无可避免地会经常受到其他应用的信号干扰，而在申请的许可频段内干扰相对较少。由于窄带传输的频带范围固定不变，因而传输过程中信息容易被窃听。用窄带微波传送数据时，克服噪音的主要手段是加强信号的功率，使信噪比达到指标要求。这种技术虽然可以加强传输性能，但会干扰其他邻近同频的微波信号，使频带的实际总应用效率降低。扩频技术：扩频技术是将发送的信号扩展到更宽的频带范围内，且该频带范围远大于信号必需的最小带宽。频带的扩展是通过一个独立的码序列，用编码及调制的方法来实现的，与所传信息数据无关。在接收端则用同样的码序列进行相关同同步步接接收收、解解扩扩，恢恢复复所所传传信信息息数数据据。对对于于窃窃听听者者，除除非非采采用用发发送送端端所所用用的的扩扩频频码码并并与与之之同同步步后后，才才能能进进行行相相关关检检测测，否否则则窃窃听听者者对对扩扩频频信信号号是是无无能能为为力力的的。因此，采用扩频技术使信息的窃听更加困难，增强了抗干扰能力，其自身产生的干扰也比较小，适适用用于于在在无无需需许许可可的的频频段段进进行行信信号号传传输输，可可以以保保证证信信号号被正确接收被正确接收。2.2.5.2 电磁波谱电磁波谱电磁波是变化的电磁场在空间的传播，它在在真空中的传播速度等于光速真空中的传播速度等于光速。光也是电磁波。频率低的电磁波波长较长，频率高的电磁波波长较短。不同频率(波长)的电磁波组成了连续的电磁波谱，如下图所示。电磁波谱图 无需授权使用的三个ISM频段 不同频率的电磁波具有不同的物理特性，其用途也不同。无线电波、红外光和可见光都可以通过调节波的振幅、频率和相位来承载信息。电电磁磁波波频频率率越越高高，承承载载的的信信息息量量就就越越大大，但频率更高的紫外线、X射线、射线，由于难以产生和调节，且传播时易造成伤害，因而不被用于信息传播。电磁波谱的分配：在有线通信系统中，信号在实体的线路中传播，由于线路自身是相互隔离的，因而它们之间的干扰是有限的。而在无线通信系统中在无线通信系统中没有实体的通信线路，信号在开放的空间中传播，为了避免混乱，一般采用分一般采用分配频段配频段(波段波段)的方式来进行信号隔离的方式来进行信号隔离。这种分配通常都是由政府立法来执行的，将电磁波谱分段，依据不同的应用目的分配使用。因此，大多数频段的使用如同土地、能源的使用一样，必须获得许可并付费。在电磁波谱中有一些频段的使用是无需授权的，即这些频段没有根据应用目的被分配，可以任意使用。大多数政府都预留了这样的频段，称 为 ISM(Industrial，Scientific and Medical)频段，即工业、科学和医疗领域中所有使用电磁波的设备都可以任意使用这些频段。当然，不同的国家ISM频段的位置会有所不同。其中2.4 GHz频段几乎对所有国家都开放使用。(1)900 MHz频段：用于无绳电话、蜂窝电话和其他消费品，频段范围小，数据速率最大为1Mb/s，但传输距离较长。该段已十分拥挤，用户时常会受到干扰或无法接入网络。(2)2.4 GHz频段：频段范围比900 MHz频段要宽，无线局域网标准802.11b工作在该段，能提供最高11 Mb/s的数据速率。大多数无线网络设备采用该频带作为主要传输频率。(3)5 GHz频段：较以上两个频段开放得晚，无线标准802.11a工作在该段，能提供最高54 Mb/s的数据速率，但传输距离较短。2.2.5.3 红外线和激光红外线和激光 1.红外线红外线 红外线是波长在750 nm1 mm之间的电磁波，它的频率高于微波而低于可见光，是一种人的眼睛看不到的光线。如电视机等家用电器的遥控器就是通过红外线脉冲信号来实现遥控的。红外线无法穿透固体物质，因此分别处于两个房间的红外系统之间不会相互干扰，这使得红外频段的使用无需政府许可。红外线传输连接有以下三种模式。(1)直接式红外线连接：建立连接时，由于红外端口射出的红外线以圆锥形向外散出，因而可将两个设备的红外线端口相互对准，使之在接收范围内，两设备之间不能有障碍物。这种传输模式常用于两个桌面或掌上设备的临时通信。(2)反射式红外线连接：在一个封闭的空间内，红外线设备依靠墙壁和物体对红外线的反射接收另一设备发送的信号，此时无需设备红外端口相互对准。(3)全向性红外线连接：各个设备的红外端口对准红外线基站设备，从而通过基站实现彼此通信。采用红外线通信方式与无线电波方式相比，可以提供极高的数据速率，有较高的安全性，且设备相对便宜而且简单。但由于红外线对障碍物的透射和绕射能力很差，使得传输距离和覆盖范围都受到很大限制，通常通信覆盖范围只限制在一间房屋内。2.激光激光 无线激光通信工作频段为365326 THz(目前提供无线激光通信设备的厂商使用的光波长范围多为820920 nm)。和红外线一样，激光通信系统的使用不需政府机构许可。激光是一种单色光，频率范围极窄，发散角很小，只有几毫弧，但方向性很强，几乎就是一条直线。因此，激光通信具有数据传递保密性，除非其通信链路被截断，否则数据不易外泄。但是这要求处于两个通信点的激光发生器和光检测器精确对准，且相互之间在视线范围内无遮挡，如果中间存在障碍物则需设置一个中继站实现连接。无线激光通信建网速度快，成本低，只需在通信点上进行设备安装，无需进行昂贵的管道工程铺设和维护，工程建设以小时或天为计量单位，适合临时使用和复杂地形中的紧急组网等情况，如临时通信点之间路面不能挖掘或者因跨越海洋无法铺设通信线路等。无线激光通信网的重新撤换部署也很方便。2.2.5.4 卫星通信卫星通信 卫星通信可以看成是一种特殊的微波通信，与一般地面微波通信的不同之处在于：它使用地球同步卫星作为中继站来转发微波信号，如下图所示。卫星通信 卫星通信的新发展是低成本的微型地面站的出现，这种系统有时被称为甚小口径终端甚小口径终端 VSAT（Very Small Aperture Terminal）系统。VSAT系统中利用了下述操作方式：在卫星通信中，只要地面发送方或接收方中任一方有大的天线和大功率的放大器，另一方便可用只有一米天线的微型终端，即VSAT。在该系统中，通常两个VAST终端之间无法通过卫星直接通信，还必须再经过一个带有大天线和大功率放大器的中心站来转接，如下图所示。使用中心站的使用中心站的VSAT2.3 数据编码技术数据编码技术 一般点到点的通信系统都可由下图加以概括：通信系统中传输的信号可分为连续变化和离散变化两大类:模拟信号模拟信号和数字信号数字信号 按照信道中传输的是模拟信号还是数字信号，可以相应地把信道分为两类：模拟信道和数字信道。模拟信号 模拟信号 数字数据 模拟数据 数字信号 数字信号 以上四种形式，除了模拟数据模拟信号可直接通过信道发送以外，其余的三种通信方式均要进行一定形式的编码，才能实现信号的传递。2.3.1 数字数据，模拟信号数字数据，模拟信号 数字数据是一些离散的值，要用模拟信号传送，就必须进行编码。编码的方法：编码的方法：用调制解调器对数据进行调制。调制解调器的工作原理：调制的方法主要有：幅移键控法（ASK）；频移键控法（FSK）；相移键控法（PSK）。在调制过程中，首先要选择音频范围内的某一角频率为在调制过程中，首先要选择音频范围内的某一角频率为w的正、余的正、余弦信号作为载波，假定所选定的该正余弦信号为：弦信号作为载波，假定所选定的该正余弦信号为：f(t)=Asin(wt+a)在载波 f(t)中，有三个可以改变的电参量（振幅、振幅、角频率角频率与与相位相位）。）。可以通过变化三个电参量，来实现模拟数据信号的编码。1、幅移键控法幅移键控法（ASK）用载波频率不同的两个幅值来表示两个二进制值。用有载波表示用有载波表示“1”A=1 f(t)=Asin(wt+a)用无载波表示用无载波表示“0”A=0 f(t)=02、频移键控法频移键控法（FSK）用不同的载波频率来表示两个二进制值。用频率用频率1表示表示 “1”f(t)=Asin(w1t+a)用频率用频率2表示表示 “0”f(t)=Asin(w2t+a)3、相移键控法相移键控法（PSK）；视频率、振幅为常数，用相位的变化来表示二进制值。1）差分相位调制相对相位调制 以相邻两位的载波相差0度或180度来区分两位是相同状态还是不同状态。两比特信号交接处遇0，载波信号相位不变（180度）；两比特信号交接处遇1，载波信号相位偏移180度（不变）。0发送与以前所发信号同相（反相）的信号串；1发送与以前所发信号反相（同相）的信号串。2）绝对相位调制 根据 1 或 0 状态，分别给予已调信号0度或者180度的调制方法（用相位的绝对值来表示二进制数1和0）。1取相位值为取相位值为0度；度；f(t)=Asin(wt+0)0取相位值为取相位值为180度。度。f(t)=Asin(wt+180)对于只有0、180度两种相位变化的方式，称为两相调制。可分别表示 1 和 0 两个比特；对于有0、90、180、270度四种相位变化的方式，称为四相调制。可分别表示 00、01、10、11四种比特组合。其数据传输率较两相增加一倍；对于有0、45、90、135、180、225、270、315度八种相位变化的方式，称为八相调制。可分别表示 000、001、010、011、100、101、110、111八种比特组合。其数据传输率较两相增加三倍；多多相相调调制制 在数字调制中，可以利用数字信号离散取值的特点，由数字电路的开关，象拨键一样来控制振幅、频率或相位的变化。下图给出了用数字电路开关来实现FSK调制的原理图。FSKFSK调制原理图调制原理图2.3.2 数字数据，数字信号数字数据，数字信号 数字数据采用数字信号传输，必须进行编码。1）不归零制编码）不归零制编码 用两个不同的电压电平值来表示二进制值。无电压0；恒定的正电压或者恒定的负电压1。2）曼彻斯特编码）曼彻斯特编码 是为了自带位同步（或称比特同步）信号而采用的一种编码方法。每个比特位中间都有一个跳变，该跳变既表示数据，又表示时钟。从低位到高位跳变表示 0；从高位到低位跳变表示 1。接收方将数据和时钟信号进行分离。3）差分曼彻斯特编码）差分曼彻斯特编码 是基本曼彻斯特编码的变形。每个比特位中间都有一个跳变，该跳变只表示时钟，不表示数据。用位首是否发生跳变来表示数据 0 或 1。位首是位首是 0 0 跳变；跳变；位首是位首是 1 1 不变。不变。接收方将数据和时钟信号进行分离。曼彻斯特编码、差分曼彻斯特编码又称为曼彻斯特编码、差分曼彻斯特编码又称为自含时自含时钟编码。钟编码。2.3.3 模拟数据数字信号模拟数据数字信号 模拟数据采用数字信号发送，必须进行编码。即要进行模拟数据的数字化处理。在发送端将模拟信号变换为数字信号的装置称为编码器编码器（Coder），而在接收端将收到的数字信号复原成模拟信号的装置则称为解码器解码器(Decoder)。通常进行的是双向通信，使用既能编码又能解码的装置，即编码解码器编码解码器。模拟信号通过编码解码器进行数字传输的工作过程示意如下图：将模拟信号变换为数字信号的常用方法是：脉冲代码调制脉冲代码调制PCMPCM(Pulse Code Modulation)。脉冲代码调制的过程由取样取样、量量化化和编码编码三步构成。1、取样：就是按照一定的时间间隔采样测量模拟信号幅值。采样定理：采样定理：在进行模拟/数字信号的转换过程中，当采样频率fs.max大于被采样信号最高频率fmax的2倍时，即：fs.max=2fmax,则采样之后的数字信号完整地保留了原始信号中的信息，一般取2.56-4倍的信号最大频率；采样定理又称奈奎斯特定理。2、量化：就是将取样点处测得的信号幅值分级取整的过程。3、编码：就是将量化后的整数值用二进制数来表示。脉冲代码调制中，分级取整量化时引进了误差。显然分级越细，误差越小。但分级越细，每个样本点编码所需的比特数就越多。下图给出了脉码调制的示意图。增量调制（DM）通过逼近模拟信号的增量（而非幅度）来产生信号位流的方法。简单，成本低。如果当前的幅度采样值大于大于前一个采样值。则用“1”表示；如果当前的幅度采样值小于小于前一个采样值。则用“0”表示；在相同数据传输率的情况下，采用DM与PCM编码的信号质量差不多。但DM需要更高的采样频率。如：产生56kbps的声音信号：PCM需8000次/秒采样 DM需56000次/秒采样 信号 数据 模拟信号 数字信号 模拟数据 直接发送数字化技术：PCM DM 数字数据 调制技术：ASK FSK PSK编码技术：不归零制编码 曼彻斯特编码 差分曼彻斯特编码2.4 基带传输基带传输2.4.1 基带传输的定义基带传输的定义 基带基带指原始数字信号调制以前所占有的频带，是原始信指原始数字信号调制以前所占有的频带，是原始信号所固有的基本频带。在信道中直接传送基带信号时，称为基带号所固有的基本频带。在信道中直接传送基带信号时，称为基带传输，相应的进行基带传输的系统称为基带传输系统。传输，相应的进行基带传输的系统称为基带传输系统。基带信号分：基带信号分：基带模拟信号基带模拟信号 基带数字信号基带数字信号 信号的种类由信源决定。信号的种类由信源决定。计算机网络是以计算机为主体的数计算机网络是以计算机为主体的数据通信系统，信源是计算机或数字终端。由信源产生的基带信号据通信系统，信源是计算机或数字终端。由信源产生的基带信号都是数字信号。都是数字信号。因此，计算机网络中所指的基带传输是特指基带因此，计算机网络中所指的基带传输是特指基带数字信号的传输。基带传输是一种最基本的数字传输方式。数字信号的传输。基带传输是一种最基本的数字传输方式。在网络中，信源数据经过编码器交换为基带信号后，便可在在网络中，信源数据经过编码器交换为基带信号后，便可在传输介质上传输至接收端。传输介质上传输至接收端。2.4.2 2.4.2 通信信道带宽对基带传输的影响通信信道带宽对基带传输的影响1、通信中观察和分析电信号的基本方法、通信中观察和分析电信号的基本方法 时域方法：以时间时域方法：以时间t为自变量，观察电信号（电压或电流）随为自变量，观察电信号（电压或电流）随 时间的变化情况。时间的变化情况。示波器观察信号波形。示波器观察信号波形。频域方法：通过傅立叶分析，以频率频域方法：通过傅立叶分析，以频率f（或角频率或角频率w）为自为自 变量，观察电信号的频谱组成、振幅与相位变变量，观察电信号的频谱组成、振幅与相位变 化情况。（分析包括电信号的波形变化及引起的化情况。（分析包括电信号的波形变化及引起的 传输失真情况）传输失真情况）频谱仪观察信号的频谱。频谱仪观察信号的频谱。2 2、带宽、带宽 傅立叶分析认为：任何一个基频为f的周期函数 E（t），都可以表示为无数个正弦和余统函数之和。带宽：信号中所含谐波的最大值与最小值之差。采用“电子线路”技术测定带宽方法：在保证输入的正（余弦）信号频率可变，但幅度不变的情况下输入放大器，然后从出端电压表上读出正（余）弦信号的电压幅度，从而取得对应于不同信号频率的输出电压值Vo（f）。所构成的Vo（f）曲线叫做该放大器的幅频曲线。通常人们将放大器的输出功率从最大值下降一半所对应的频率范围，定义为放大器的通频带宽。即带宽。3 3、带宽对信号传输的影响、带宽对信号传输的影响 实验可得：1）当带宽只允许发送信号的直流分量和基波分量通过时，接收端得到由直流分量与基波分量合成的信号波形。这种波形的失真最大，收端很难识别编码。0 1 1 0 0 0 1 0E（t）2）当带宽允许直流分量、基波分量和二次谐波分量通过时，情况稍好，但失真仍然很大。0 1 1 0 0 0 1 0E（t）3）当带宽允许直流、基波、二次与四次谐波分量时，波形基本接近发送方所发送信号的波形。0 1 1 0 0 0 1 0E（t）4）当带宽允许直流、基波、二次至八次谐波分量通过时，接收方只需稍加整形，就能正确地识别波形。接收到的波形进一步逼近真实情况。0 1 1 0 0 0 1 0E（t）因此，带宽对数据信号传输中失真的影响很大，信号带宽越宽，因此，带宽对数据信号传输中失真的影响很大，信号带宽越宽，信号传输的失真越小，传输质量越高，信号也越容易识别。信号传输的失真越小，传输质量越高，信号也越容易识别。243 数据传输率的定义与信道速率的极限1 1数据传输率的的定义数据传输率的的定义 在串行传输过程中，指一台设备或信道传播字节的瞬时位速在串行传输过程中，指一台设备或信道传播字节的瞬时位速度。即：每秒传输的二进制比特数。度。即：每秒传输的二进制比特数。（bit/second）bpsBits per second S=1/T T发送每一比特所需时间。如发送一比特0，1信号，需0.104ms，则信道的数据传输率为：9600bps 单位：bps bps Mbps Gbps Tbps1k=103bps 1M=106bps 1G=109bps 1T=1012bps2信道速率极限（码元速率）信道速率极限与带宽有关，带宽越大，信道所能提供的传输率越大。说明它们之间的关系的理论有：奈奎斯特准则和香农定律。（1 1）奈奎斯特准则认为：）奈奎斯特准则认为：在无噪声的情况下（这是一种理想的状态），信道的最高速率是信道带宽的两倍。Rmax=2f（bps）f带宽Rmax=2Blog2NN为码元所取的离散值的个数。当离散值只有0、1时，Rmax=2B如信道带宽是4000Hz，则它能提供最高为8000bps的传输速率。要注意一点的是：奈奎斯特(Nyquist)推导出在理想低通信道下的最高码元传输速率的公式：理想低通信道理想低通信道的最高码元传输速率=2W（Baud）这里W是理想低通信道的带宽，单位为赫(Hz)；Baud是波特，是码元传输速率的单位，1波特为每秒传送1个码元。奈氏准则的另一种表达方法是：每赫带宽的理想低通信道的最高码元传输速率是每秒2个码元。最高信道速率极限。信号中的所有低频分量，只要其频率不超过某个上限值，都能不失真地通过该信道。而频率超过该上限值的所有高频分量均不能通过该信道。对于具有理想带通矩形特性的信道(带宽为W)，奈氏准则就变为：理想带通信道的最高码元传输速率=W Baud 即每赫带宽的带通信道的最高码元传输速率为每秒1个码元。强调以下两点：（1）一个实际的信道所能传输的最高码元速率，要明显地低于奈氏准则给出的这个上限数值。（2）波特是码元传输的速率单位，它说明每秒传多少个码元。码元传输速率也称为调制速率、波形速率或符号速率。比特是信息量的单位，与码元的传输速率“波特”是两个完全不同的概念。信号中的所有频带下限频率f 1 以及频带上限频率f 2 之间的频率分量，都能不失真地通过该信道。而低f 1 于和高于f 2 的所有频率分量均不能通过该信道。奈氏准则告诉我们：奈奎斯特准则描述的是：在有限带宽和无噪声干扰的情况下，信道的在有限带宽和无噪声干扰的情况下，信道的最大数据传输率与信道带宽的关系。最大数据传输率与信道带宽的关系。（两倍的关系）（两倍的关系）由于码元的传输速率受奈氏准则的制约，所以要提高信息的传输速率，就必须设法使每一个码元能携带更多个比特的信息量。这就需要采用多元制(又称为多进制)的调制方法。如PSK的四相、八相调制。（2）香农定理则认为：在存在随机热噪声的情况下，信道的最大传输率与信道带宽、信号噪声功率比（信噪比）之间的关系为：Rmax=Blog2（1+S/N）（S/N信噪比，S信号强度，N噪声强度）当信道带宽一定时，Rmax主要与S/N有关，S/N越大，信道速率极限值Rmax也越大。需要注意的是：当信噪比以“分贝”为单位表示时，S/N（db）和S/N（无单位）的换算公式为：S/N（dbdb）=10lg（S/N）（无单位）（无单位）即，香农定理表明：即，香农定理表明：信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高。就越高。就越高。就越高。只要数据传输率低于信道速率极限，就可以通过某种编码或调制方法，实只要数据传输率低于信道速率极限，就可以通过某种编码或调制方法，实只要数据传输率低于信道速率极限，就可以通过某种编码或调制方法，实只要数据传输率低于信道速率极限，就可以通过某种编码或调制方法，实现无差错传送。现无差错传送。现无差错传送。现无差错传送。香农定理描述的是：香农定理描述的是：在有限带宽和随机热噪声干扰的情况下，信道的最大数据传输在有限带宽和随机热噪声干扰的情况下，信道的最大数据传输率与信道带宽、信道噪声功率比之间的关系。率与信道带宽、信道噪声功率比之间的关系。25 频带传输2 25 51 1 频带传输的定义频带传输的定义 把基带信号经调制变换后，能在公共电话线上传输的信号传输，称频带传输。这实际上也是一种模拟传输。目前计算机系统的远程通信大都采用频带传输。而宽带是指比音频带更宽的频带。它包括了大部分的电磁波波谱。利用宽带进行的传输称为宽带传输，相应的系统称为宽带传输系统。宽带系统也属于模拟系统的范畴。它能够在一个信道上进行数字信息和模拟信息服务。可以容纳全部的广播，并可实现高数据率的传输。宽带采用的是频带传输技术。但频带传输不一定是宽带传输。宽带采用的是频带传输技术。但频带传输不一定是宽带传输。252 频带传输中MODEM的基本工作原理MODEM主要是通过调制的方法，将数字数据调制为模拟信号，从而使信号可以在公共电话网上传输。以FSK为例（频移键控法）：发送端的调制器是用输入的数字脉冲信号控制两个不同频率振荡器信号的输出来实现数字信号到模拟信号的转变。1270 10701270Hz1070Hz频率振荡器带通滤波器组合器组合器1 0 0 11 0 0 1检波器检波器调制器调制器解调器解调器发送端：发送端：当输入的数字脉冲信号为高电平时，频率f1=1270Hz的振 荡器有信号输出 二进制数“1”；当输入的数字脉冲信号为低电平时，频率f2=1070Hz的振 荡器有信号输出 二进制数“0”。在调制器的输入端将两种频率的正（余）弦信号合并起来，就构成了FSK信号。接收端：接收端：通过设置对应于发送端f1、f2两种频率的带通滤波器，将两种正（余）弦信号分开，并分别通过两个检波器，再将信号送入组合器，组合器按与发送端使用相同的电平值，将不同频率的信号解调为“0”“1”的二进制比特序，送入目的计算机，完成通信。计算机计算机计算机计算机MODEMMODEM电话交换网电话交换网MODEM如何在一对电话上完成全双工通信？标准的FSK，MODEM都规定了两个频率组，即上、下频带（Bell103标准规定）标准规定）呼叫方：呼叫方：（主动发起通信的一方）使用下频带：逻辑“1”1270Hz 逻辑“0”1070Hz 应答方：应答方：（被动参与通信的一方）使用上频带：逻辑“1”2225Hz 逻辑“0”2025Hz（呼叫方与主答方是相对的，动态转换的）呼叫方与主答方是相对的，动态转换的）计算机计算机计算机计算机MODEMMODEM电话交换网电话交换网发送方发送方接收方接收方调制器调制器带通滤波器带通滤波器Fol=1170Hz带通滤波器带通滤波器Fol=1170Hz解调器解调器接收方接收方发送方发送方解调器解调器带通滤波器带通滤波器Foh=2125Hz带通滤波器带通滤波器Foh=2125Hz调制器调制器带通滤油器允许中心频带中心频带f0f 的频率通过，2倍f为通频带宽，而对其它频率的信号则拒绝通过。f=1270-1070=2225-2025=200Hz f0=1170或2125Hz因此，对于上频带允许通过19252325Hz的信号 对于下频带允许通过9701370Hz的信号 从下图中可以看出，两路信号并不交叉，说明信道之间无干扰，从下图中可以看出，两路信号并不交叉，说明信道之间无干扰，能满足全双工通信的要求。能满足全双工通信的要求。f0L=1170Hz f0H=2125Hz1070Hz1270Hz2025Hz2225Hz970Hz1370Hz1925Hz2325Hz下频带下频带上频带上频带电话交换网通频带宽电话交换网通频带宽Hz253 MODEM的分类与标准1MODEM分类 MODEM的技术发展很快，目前按不同的方法，MODEM有以下几种分类：（1）按功能分：传统的用于数据信号传输的modem 兼有Fax卡功能的FAX/modem 用于CATV的Cable modem （2）按外型分：外置式modem 内置式modem 袖珍式modem 无线式modem （3）按传输速率分：低速modem 600bps 中速modem 6009600bps 高速modem 9600bps（4）按通信线路：使用拨号modem 专线modem（5）按操作状态：同步modem 异步modem（6）按调制方式：ASKmodem FSKmodem PSKmodem 混合调制modem（7）按压缩与差错控制：不带数据压缩与差错控制功能的modem 带数据压缩与差错控制功能的modem 2Modem标准 modem的最初标准是美国Bell实验室制定的。以后被国际电报电话咨询委员会CCITT发展完善为国际标准。CCITT针对不同型式的modem制定了一套V系列建议。其中：对于低速、异步传输的对于低速、异步传输的modem主要有主要有V21、V23两种建议：两种建议：V21：调制速率为300波特（Baud），数据传输率为300bps的全 双工modem V24：调制速率为600波特（Baud），数据传输率为 600/1200bps的全双工modem 对于差分相位调制的中速对于差分相位调制的中速modem的主要有的主要有V22、V26、V27等建议：等建议：V22：差分四相，调制速率为600波特（Baud），数据传输 率为1200bps的全双工modem。V26：差分四相，调制速率为1200波特（Baud），数据传输 率为2400bps的全双工modem V27：差分八相，调制速率为1600波特（Baud），数据传输 率为4800bps的全双工modem 对于调相调幅相结合的（对于调相调幅相结合的（APSKmodem）主要有主要有V29建议。建议。对于高速的智能对于高速的智能modem主要有：主要有：V24、V25、V32、V34、V34bis、V32bis、V42、V42bis、V90等。使modem的数据传输率达14.4kbps、56kbps不等。26 多路复用技术 一般来说，传输线路的传输容量往往会超过传输单一般来说，传输线路的传输容量往往会超过传输单一信号的容量。为了提高传输线路的利用率，往往采用一信号的容量。为了提高传输线路的利用率，往往采用一条通道发送多路信号的技术一条通道发送多路信号的技术多路复用技术。多路复用技术。多路复用技术一般分为：频分多路复用技术（FDM）波分多路复用技术（WDU）时分多路复用技术（TDM）码分多路复用技术（CDM）261 频分多路复用技术（FDM）当传输介质的可用带宽超过给定信号所需的带宽时用FDM；即：将具有一定带宽的线路划分为若干条占有较小带宽的信道，每个信道供一对用户使用。信道间用一定的频率宽度隔开。这就是FDM，它提高了线路的利用率。MUXMUX高速通信线路高速通信线路多路复用器多路复用器12345671234567f1f2f3f4f5f6f7报报文文报报文文保护频带，也称警戒频带。抗干扰用抗干扰用MUXMUXFDM是以信道频带作为分割对象，通过互不重迭的频率范围来达到在一条线路上传输多个信号的目的。因此更适合于模拟数据信号的传输。FDM常用于电话传输，如：话音的带宽：300Hz3400Hz（公认的可理解带宽）。音频：20-10KHz具有100 kHz的双绞线可以复用为24条话音通道。实例1：同一根双绞线如何同时满足12部电话通信？电话电话1滤波器滤波器滤波器滤波器低通低通带通带通调制调制0-4KHz104-108KHz108KHz电话电话2滤波器滤波器滤波器滤波器0-4KHz100-104KHz104KHz电话电话3滤波器滤波器滤波器滤波器0-4KHz96-100KHz100KHz电话电话12滤波器滤波器滤波器滤波器0-4KHz60-64KHz64KHzMUX传输介质传输介质第一步第一步第二步第二步第三步第三步第四步第四步第一步：第一步：信号经过低通滤波器滤掉4KHz以上的频率信号（允许稍低于300Hz或稍高于3.3KHz的任何话音频率信号进入系统）第二步：第二步：对滤波器滤出的话音信号进行调制。通常的办法是：把话音调制为高频模拟信号，使每路的音频均被调幅到不同的频谱中。第三步：第三步：调制后的高频模拟信号通过带通滤波器，滤掉该话音频率以外的所有频率。第四步：第四步：接收12个子信道的信息，并将他们作为一个信号在一条传输介质上发送出去。另一个典型的应用的是有线电视，就是采用了FDM，才使得一条同轴电缆上可传100多个频道的电视。一个电视频道约6MHz的带宽（传输的都是模拟信号），普通的CATV带宽大约在400MHz以上。FDM也可传数字信号，但首先必须将数字信号调制为模拟信号（以后采用了数字传输技术则另论）。实例2：电视信号。