(精品)2物理层

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第二章 物理层,第,2,章 物理层,基本内容,：,计算机网络物理层的基本概念，数据通信系统的模型、信道及其传输速率的计算，常用的传输媒体，信道复用技术，物理层的标准举例 。,计算机网络,物理层的基本概念,信道及其传输速率的计算,信道复用技术,重点掌握,：,2.1,物理层的基本概念,物理层,考虑的是,如何在传输媒体上传输数据比特流,，而不是传输媒体或物理设备本身。,是设备间的物理接口和传输介质上无结构的,比特流的传输规则。,尽可能屏蔽传输媒体的差异,。,现行的物理层协议的是通过规定,DTE,和,DCE,之间物理接口特性的标准，来实现物理通路的连接和传输介质上无结构的比特流的传输。,DTE(,数据终端设备,),:,具有一定的,数据处理能力以及发送和接受数据能力,的设备，如计算机。,DCE(,数据电路端接设备,),:,在,DTE,和传输线路之间提供,信号变换和编码功能,，并负责建立、保持和释放数据链路的连接，如,MODEM,。,物理层的主要任务是确定与传输媒体的接口的一些特性：,（,1,）机械特性,接口的形状、尺寸、引线数目、排列顺序等。,（,2,）电气特性,接口电缆上各线的电压范围。,（,3,）功能特性,指明某条线上某一电平的电压代表何种意义。,（,4,）规程特性,指明各种可能事件的出现顺序。,2.2,数据通信基础知识,2.2.1,数据通信的基本概念,数据（,data,）,:,是把事件的某些属性规范化后的表现形式，它能被识别，也可以被描述,是运送信息的实体。是对客观事实进行描述与记载的物理符号。可以是数字、文字、语音、图形和图像。,信息：,是人对现实世界事物存在方式和运动状态的某种认识。是数据的集合、含义与解释。如对一个企业当前生产各类经营指标的分析，可以得出企业生产经营状况的若干信息。,信号（,signal,）：,是数据的具体的物理表现，具有确定的物理描述。数据的电气的或电磁的表现。,数据,可分为,模拟数据,和,数字数据,。模拟数据取连续值，数字数据取离散值。,在数据被传送之前，要变成适合于传输的电磁信号：,或是,模拟信号,，或是,数字信号,。所以，,信号（,Signal,）,是数据的电磁波表示形式,。,模拟数据和数字数据都可用这两种信号来表示,。,模拟数据：,取某一区间内的连续值。,模拟信号：,连续变化的物理量。,数字数据：,取某一区间内的有限个离散值。,数字信号：,取几个不连续的物理状态来代表数字。,数据传输方式,信息可通过两种方式传输：,模拟方式,和,数字方式,，这两种方式均使用电压产生相应的信号。,模拟信号的一个优点是它能,对细节进行表示,，但是,噪声、或来自其他源的干扰,，会严重地影响模拟信号，比数字信号,更易于出错,，因此模拟信号,对于数据发送并不是最佳选择。,一般说来，模拟数据和数字数据都可以转换为模拟信号或数字信号。因此我们有以下四种情况：,(,图中的,PCM,称为脉冲代码调制，是一种模拟数据数字化的方法）,（,1,）,模拟数据、模拟信号,。,（,2,）,模拟数据、数字信号,。,（,3,）,数字数据、模拟信号,。,（,4,）,数字数据、数字信号,。,基带和频带传输,在网络中，,数据的传输有两种传输方式：,基带传输,和,频带传输,1,、,基带,原始电信号所固有的频带，称为基本频带，简称为基带。在信道中直接以基带信号进行传送，称为基带传输。,基带传输是一种最简单最基本的传输方式，一般用低电平表示“,0”,，高,电平表示“,1”,。,适用范围：,低速和高速的各种情况。,限制：,因基带信号所带的频率成分很宽，所以对传输线有一定的要求。,基带信号往往包含有较多的低频成分，甚至有直流成分，而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量。因此必须对基带信号进行,调制,(modulation),。,基带传输,易受衰减影响,，也就是一个数字信号随着它从源出发向远处传输时将逐渐损失能量。为了补偿信号损失，基带系统使用,中继器,再生和放大信号,，从而使数据传输的距离能超过电缆的最大段长度。一般来说基带系统是廉价的，而且安装简单。,注意：,Ethernet,是典型的基带传输系统。在,Ethernet,中网络中的每个设备都能通过电缆传输数据,但,一次仅只有一台设备可以传输数据,。例如，假设保存一个文件到服务器，网络接口卡提交一个使用电缆的请求,;,如果当时没有其他设备使用电缆传输数据，,工作站就可以立即开始传输,。如果电缆正在使用中，你就,必须等待,，然后再试。,2,、,频带传输：,采用模拟信号传送数据时，往往只占用有限的频带，称其为频带传输。,信号被调制到不同频率范围。,频带传输：,指在一定频率范围内的线路上，进行载波传输。用基带信号对载波进行调制，使其变为适合于线路传送的信号。,调制（,Modulation,）：,用基带脉冲对载波信号的某些参量进行控制，使这些参量随基带脉冲变化。,调制解调器,MODEM,（,modulation-demodulation),2.2.2,数据通信系统的模型,正文,数字比特流,模拟信号,公用电话网,模拟信号,数字比特流,正文,PC,机,调制解调器,调制解调器,PC,机,源点,输入,信息,发送器,输入,数据,传输系统,发送的信号,接收的信号,接收器,终点,输出,数据,输出,信息,源系统,传输系统,目的系统,数据通信系统的模型,一个 数据通信系统可划分为三大部分，,即源系统（发送端）、传输系统（传输网络）和目的系统（接收端）,。,凡是将计算机或终端与数据传输线路连接起来，达到数据传输、收集、分配、存储、处理目的的系统,数据通信系统,源站：,产生待传输的数据,发送器：,将,信源产生的数据信号变换成适合在信道中传输,的信号使信源和信道匹配。,发送设备的变换方式是多种多样的，在需要频谱搬移的场合，调制是最常见的变换方式。对数字通信系统，发送设备常常又包括编码器与调制器。,传输系统：,传输线路（可能是一条线路，也可能是一个网络系统）,接收器：,接收数据，,完成发送设备的反变换， 即进行解调、译码、,解码等。从带有干扰的接收信号中正确恢复出相应的原始基,带信号来，对于多路复用信号，还包括解除多路复用，实现正,确分路。,目的站：,将复原的原始信号转换成相应的数据。,调制与解调,调制：,将数字数据转换为模拟信号的过程叫做调制。,解调：,将模拟信号转换为数字信号的过程叫做解调。,在公共电话网上，有些地区是数字网、有些地区是模拟网，也有的是数字、模拟共存的综合业务网。,公用电话网,2.2.3,信道及其传输速率,1,、几个概念,信 道（,channel,）,信道和电路并不等同，信道一般表示向某一个方向传送信息的媒体。一条通信电路往往包含一条发送信道和一条接收信道。,信道按所传输的信号可分为,模拟信道,和,数字信道,，信道上传输的信号还有,基带信号,和,宽带信号,之分。,信号的传送通路，由线路及附属设备组成。,宽带信号是将基带信号进行调制后形成的频分复用模拟信号。,通信双方的交互方式,单向通信：,只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。也称单工通信。,在单工信道上信息只能在一个方向传送。发送方不能接收，接受方不能发送。信道的全部带宽都用于由发送方到接收方的数据传送。无线电广播和电视广播都是单工传送的例子。,双向交替通信：,一方发送，另一方接收，过一段时间后再反过来。但不能双方同时发送，也不能同时接收。也称,半双工通信,。,在半双工信道上，通信双方可以交替发送和接收信息，但不能同时发送和接收。在一段时间内，信道的全部带宽用于一个方向上的信息传递。航空和航海无线电台以及对讲机等都是这种方式通信的。这种方式要求通信双方都有发送和接收能力，又有双向传送信息的能力，因而比单工通信设备昂贵，但比全双工便宜。在要求不很高的场合，多采用这种通信方式。,双向同时通信：,通信双方可以同时发送和接收信息，也称全双工通信。,这是一种可同时进行信息的传递的通信方式。现代的电话通信都是采用这种方式。其要求通信双方都有发送和接收设备，而且要求信道能提供双向传输的双倍带宽，所以全双工通信设备较昂贵。,信道带宽：,带宽,:,W=f2-f1,单位为,HZ,f1,是信道能通过的最低频率,f2,是信道能通过的最高频率,两者都是,由信道的物理特性决定,的。,信道的带宽,指,信道允许传输信号的频率范围，单位为,Hz,。,信道频率响应曲线上幅度取其频带中心处值的 倍的两个频率之间的区间宽度,。为了使信号在传输中的失真小些，则信道要有足够的带宽。,它表示实际信道所能传输信号的频率范围。,信道带宽由传输媒体和有关附加设备以及电路的频率特性综合决定。,对于信道传输数字数据则表示：,数字信道的信息传输速率，单位为,b/s,。,码元：,是时间轴上的一个信号编码单元。,并用,码元速率,表示单位时间内信号波形的变换次数，即通过信道传输的码元个数。若信号码元宽度为,T,秒，则,码元速率,B=1/T,，,单位叫,波特,。,数字信道是一种离散信道，它只能传输取离散的数字信号。,信道的带宽决定了,信道中能不失真地传输的脉冲序列的最高速率,。,e(t),t,T,一个脉冲,码元携带的信息量由码元取的离散值个数决定。若码元取,0,和,1,两个离散值，则一个码元携带,1,比特（,bit,）,的信息。若码元可取,4,个离散值，则一个码元携带,2,比特信息。一般的，一个码元携带的,信息量,n,（,比特）与码元取的离散值个数,N,具有如下关系：,码元：,通信系统的,主要性能指标,是,有效性,和,可靠性,。,有效性,是指在给定信道内所传输的信息内容的多少，或者说是传输的“,速度,”。,可靠性,是指接收信息的准确程度，也就是传输的“,质量,”。,2,、通信系统的主要性能指标,数字通信系统的有效性和可靠性,有效性可用传输速率来衡量。,码元传输速率,数字信号传输速率,可靠性可用差错率来衡量。,误码率（码元差错率）,误信率（信息差错率）,（,1,）码元速率,（,RB,）,数字数据经线路编码后的传输信号在信道上的传输速率称为码元传输速率,。它是指,每秒传输的码元数,，即每秒传输信号波形的变换次数，,单位为：,码元,/,秒，,称为：,波特（,Baud,）,，,这是为了纪念电报码的发明者法国人波特（,Baudot,），,故,码元速率也叫波特率,，或称作调制速率、波形速率、符号速率。,例如，若,1,秒内传,2400,个码元，则传码率为,2400B,。,1,波特为每秒传送,1,个码元。,对于模拟信号的传输，波特率是指调制解调器上输出的调制信号每秒钟调制载波状态改变的次数。,对于数字信号传输，波特率是指线路上每秒钟传送的波形个数。,码元传输速率和信息传输速率之间的关系是：,B,=,C,M,(b/s),C,为信息传输速率,B,为码元传输速率,M,为码元状态数（,M,为,2,的整数次幂）,（,2,）信道上的最高码元传输速率,下图给出了一个数字信号通过实际的信道和质量很差的信道时的输出波形。,随着信号的传播，,信号能量,会逐渐减少，这就是信号的,衰减,。模拟信号和数字信号存在着衰减。为了,补偿衰减,，要经常对数字信号和模拟信号进行,转发,，,也即使将信号,重新放大,，以使它们传播得更远,。,1,、,模拟信号的转发：,在模拟信号转发过程中会出现这样的问题当它被转发时,信号幅度将增强,，,同时伴随的被累积的,噪声幅度也将增强,，这种杂乱无章的增强将,使得模拟信号变形更加严重,。下图显示了,因噪声而变形,并在随后,又被放大,的模拟信号的,波形,。,2,、,数字信号的转发：,相对于模拟信号，数字信号被转发时，实际上是将原始信号以,不变形,的、并且,无噪声,的放大形式重新发送，该过程也被称之为,波形再生,。再生一个数字信号的设备被称之为,中继器。,网络仅仅收发由,精确脉冲,所表示的,1,和,0,两种模式，因为,数字传输,要,比,依靠可变电压的,模拟传输可靠得多,，并且数字发送,几乎不受噪声影响,。所以,大部分网络仅限于使用数字传输,。,也有使用模拟信号传输数据的情况：比如使用,调制解调器,连接两个系统。在发送端，调制解调器将,数字信号,调制成,模拟信号,，通过,传输模拟信号的电话线,传输；在接收端，调制解调器将,模拟信号,解调成,数字信号。,Modem,(,调制解调器,),是,Modulator,(,调制,),Demodulator,(,解调,),。,这个词反映了该设备的功能。,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：,信道的最高码元传输速率 ,2 W Baud,信道的最高码元传输速率,奈奎斯特,(,Nyquist,),公式,信道容量：,信道的极限传输能力。,用信道上的最高数据传输率来表示。,W,是理想低通信道的带宽。,表示：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。,f,W,是,1924,年贝尔实验室的研究员亨利,奈奎斯特推导出在理想,低通信道下有限带宽无噪声信道的极限波特率,，称为奈氏定理。,奈氏定理指定的信道容量也叫奈氏极限，它由信道的物理特性决定,。超过奈氏极限传送脉冲信号是不可能的，超过了将会出现码元之间的相互干扰，以致在接收端无法正确判定发送方所发送的码元是,1,还是,0,。因此,要进一步提高波特率，就必须改善信道的带宽,。,理想带通信道：,信道的最高码元传输速率 ,W Baud,W,是,理想带通信道的带宽。是上限频率,f2-,下限频率,f1,。,表示：,每赫带宽的带通信道的最高码元传输速率是每秒,1,个码元。,对于具有理想带通矩形特性的信道（带宽为,W,），,奈氏准则变为：,具有理想低通特性的信道是理想化的信道，和实际使用,的信道有相当大的差别，一个,实际的信道所能传输的最,高码元速率，要低于奈氏准则给出的上限数。,波特和比特是两个不同的概念。,了解了这些概念后，我们要强调两点：,C,max,=2Wlog,2,M(b/s),信道的极限数据率：,波特率,（,RB,）,和比特率,（,Rb,）,的比较,波特率是信道的码元传输速率单位，单位为：码元,/,秒。码元传输速率也称为,调制速率,、,波形速率,或,符号速率,。,比特率是,信息量的单位,，是指每秒传输的数据（编码前的数字数据）的二进制位数。单位为比特每秒，即,bit/s,。,如果一个码元携带一个比特的信息，则信息传输率（,bit/s,）,和码元传输率在数值上是相等的。如果一个码元携带,n,个比特的信息，则信息传输率是码元率的,n,倍。,每个码元通常都含有一定,bit,数的信息量，因此码元速率和信息速率有确定的关系，即,:,C=,B,log,2,M (bps),M,：,调制信号的状态数,。,例若使,1,个码元携带,n,bit,的信息量，则,M,Baud,的码元传输速率,为,Mn,(,bps),。,例如，有一个带宽为,3kHz,的理想低通信道，其码元传输速率为,6000baud,。,而最高数据速率可随编码方式的不同而有不同的取值。若,1,个码元能携带,2bit,的信息量,，则,最高的数据速率为,12000bps,（,信道容量）,。这些都是不考虑噪声的理想情况下的极限值。至于有噪声影响的实际信道，则远远达不到这个极限值。,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够携带更多个比特的信息量。这就需要采用多元制（多进制）。,2,、信道的极限信息传输速率,香农,(Shannon),公式,（信道容量）,（b/s）,W,为信道的带宽（,Hz,）；,S,为信道内所传信号的平均功率；,N,为信道内部的高斯噪声功率。,S/N,为信噪比。,实际使用中，,S,与,N,的比值太大，故常取分贝,(db),数。,例如当,=1000,时，信噪比为,30dB(,信噪比（,db=10log,10,（,S/N,）。,香农公式表明，,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就越高,。,香农（,shannon,）,提出有高斯白噪声信道的极限数据速率用下述公式计算,香农公式与信号取的离散值个数无关,，也即无论用什么方式调制，只要,给定了信号和噪声的平均功率，则单位时间内最大的信息传输量就确定了,。,例如，信道带宽为,3000Hz,，,信噪比为,30dB,，,则最大数据速率,30009.9730000bps,。,这是极限值，只有理论上的意义。实际上在,3000Hz,带宽的电话线上，数据速率能达到,9600bps,就很不错了。,在有噪声的信道中，数据速率的增加意味着传输中出错的概率增加。,香农公式指出了：,只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定可以找到某种办法来实现无差错的传输。,下图说明了奈氏准则和香农公式在数据通信系统中的作用范围,如果用一,3V,、,一,1V,、,1V,和,3V,共,4,种电平表示不同的码元状态，对于,4000,boud,的信号传输速率，信息传输速率可以达到多少,?,如果使用,8,种码元状态呢,?,对于,4000,boud,的信号传输速率，信息传输速率可以达到,C=4000log,2,4=8000b/s,；,如果使用,8,种码元状态，信息传输速率可以达到,C=4000log,2,8=12000b/s,。,传输媒体,也称为,传输介质或传输媒介,，它就是数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路。传输媒体可分为,两大类,，即,导向传输媒体和非导向传输媒体,。在导向传输媒体中，电磁波被导向沿着固体媒体,(,铜线或光纤,),传播，而非导向传输媒体就是指自由空间，在非导向传输媒体中电磁波的传输常称为无线传输。下图是电信领域使用的电磁波的频谱。,2.3,物理层下面的传输媒体,计算机网络中采用的传输媒体的主要特性包括：,2.3.1,有线传输媒体,包括,双绞线、同轴电缆、光缆等,。,物理特性,:,对传输介质物理结构的描述。,传输特性,:,传输数字信号还是模拟信号,以及调制技术、传输容量与传输的频率范围。,连通特性,:,允许点,点或多点连接。,地理范围,:,最大的传输距离。,抗干扰性,:,防止噪声与电磁干扰对传输数据影响的能力,。,相对价格,:,器件、安装与维护费用。,（,1,）双绞线,物理特性：,把两根互相绝缘的铜导线并排放在一起,然后用规则的方法绞合起来就构成了双绞线,。一对线可以作为一条通信线路,各个线对螺旋排列的目的是为了使各线对之间,及周围的,电磁干扰最小。,电话系统中使用双绞线较多,，,差不多所有的电话都用双绞线连接到电话交换机,。,从用户电话机到交换机的这段线称为,用户线,或,用户环路,(subscriber loop),。,局域网中所使用的双绞线有,:,屏蔽双绞线，简称,STP(Shielded Twisted Pair),和无屏蔽双绞线，简称,UTP(Unshielded Twisted Pair),。,屏蔽双绞线是在一对双绞线外面有金属筒缠绕,，,有的还在几对双绞线的外层用铜编织网包上,，,均用作屏蔽,，,最外层再包上一层具有保护性的聚乙烯塑料。无屏蔽双绞线除少了屏蔽层外,，,其余均与屏蔽双绞线相同,。,双 绞 线,传输特性：,美国,电气工业协会,/,电信工业协会,（,EIA/TIA,）,将其定义为,7,种型号。局域网中常用,第,5,类和第,6,类双绞线,，,它们都为,无屏蔽双绞线,，,均由,4,对双绞线构成一条电缆,。,5,类双绞线,传输速率可达,1O0Mbps,常用于局域网,100Base-T,的数据传输或用作话音传输等。,6,类双绞线,比,5,类双绞线有更好的传输特性,，,传输速率可达,1000Mbps,可用于,100Base-T,、,1000Base-T,等局域网中。,7,类双绞线,也可用于,1000Base-T,、,千兆,以太网中。,它们之间的区别在于单位长度的绞合次数不同：,3,类的绞合长度为,7.5cm, 10cm,，,5,类为,0.6cm, 0.85cm,。,双 绞 线,连通性,:,双绞线既可用于点一点连接,也可用于多点连接。,地理范围,:,双绞线用做远程中继线时,最大距离可达,15,公里,;,用于,10Mbps,局域网时,与集线器的距离最大为,100m,。,抗干扰性,:,双绞线的抗干扰性取决于一束线中相邻线对的扭曲长度及适当的屏蔽，,价格,:,双绞线的价格低于其他传输介质,并且安装、维护方便。,双绞线用于模拟传输或数字传输,，,其通信距离一般为几公里到十几公里。对于,模拟传输,，,当传输距离太长时要加,放大器,，,以将衰减了的信号放大到合适的数值。对于,数字传输,则要加,中继器,，,以将失真了的数字信号进行整形。导线越粗,，,其通信距离就越远 ,但造价也越高。,双绞线主要用于点到点的连接,，,如星形拓扑结构的局域网中,，,计算机与集线器,Hub,之间常用双绞线来连接,，,但其长度不超过100米。双绞线也可用于多点连接。作为一种多点传输介质,，,它比同轴电缆的价格低,，,但性能要差一些。,双 绞 线,（,2,）同轴电缆,物理特性：,同轴电缆由内导体铜质芯线、绝缘层、网状编织的外导体屏蔽层以及保护塑料外层所组,成,，,如图所示。这种结构中的金属屏蔽网可防止中心导体向外辐射电磁场,，,也可用来防止外界电磁场干扰中心导体的信号,，,因而具有很好的抗干扰特性,，,被广泛用于较高速率的 数据传输。,通常按特性阻抗数值的不同,，,将其分为,基带同轴电缆,（,50,同轴电缆,）,和,宽带同轴电缆,（,75,同轴电缆,）,。,内导体,绝缘层,外导体屏蔽层,绝缘保护外层,当需要将计算机连接到同轴电缆上的某一处时，比用双绞线要麻烦得多。通常都是利用,T,型分接头,(,或称为,T,型连接器，即,T junction),。,T,型接头主要有两种：,一种必须先把电缆剪断，然后再进行连接。另一种则不必剪断电缆，但要用另一种较昂贵的、特制的插入式分接头,(vampire tap),，,利用螺丝分别将两根电缆的内外导线连接好。保持电缆接头处的接触良好，是使用电缆作为传输媒体时必须特别加以注意的事项。,同 轴 电 缆,传输特性：,根据带宽不同,可分为,:,基带同轴电缆和宽带同轴电缆,。,基带,(50,欧姆,),同轴电缆,一般仅用于数字信号的传输,。,并使用,曼彻斯特编码方式,和,基带传输方式,，,即直接把数字信号送到传输介质上,，,无需经过调制,，,故把这种电缆称为基带同轴电缆。基带系统的优点是安装简单而且价格便宜,，,但基带数字方波信号在传输过程中容易 发生畸变和衰减,，,所以传输距离不能很长,，,一般在,1km,以内,，,典型的,数据速率可达,1OMbps,。,基带同轴电缆又有粗缆和细缆之分。粗缆抗干扰性能好,，,传输距离较远,：,细缆便宜,，,传输距离较近。,一般来说，传输速率越高，所能传送的距离就越短。,局域网中,，,一般选用,RG-8,和,RG-11,型号的粗缆或,RG-58,型号的细缆。,采用基带信号直接传输时的最大问题就是当出现一长串的连,1,或连,0,时，在接收端无法长收到的比特流中提取同位信号。,曼彻斯特编码则可解决这一问题。,（,a,）,基带数字信号,（,b,）,曼彻斯特,编码,（,c,）,差分曼氏编码,曼彻斯特编码,（,Manchester,）,自带同步信号，如图所示。在曼氏编码中每个比特持续时间分为两半。在发送比特,“,0”,时，前一半时间为高电平，后一半时间为低电平；在发送比特,“,1”,时则相反。或者也可在发送比特,0,时，前一半时间电平为低，后一半时间电平为高；在发送比特,1,时则相反。,曼彻斯特编码的缺点：所占的频带宽度比原始的基带信号增加了一倍。,差分曼氏编码,（,Difference Manchester,）,是对曼氏编码的改进。如图所示，它与曼氏编码的不同之处主要是：每比特的中间跳变仅做同步用；若码元为,1,，则前半个码元的电平与上一个码元的后半个的电平一样；若码元为,0,，则前半个码元的电平与上一个码元的后半个的电平相反。,宽带同轴电缆,的特性阻抗为,75,这种同轴电缆用于模拟传输系统，它是公用天线电视系统,CATV,中的标准传输电缆。在这种电缆上传送的信号采用了频分复用的宽带信号，因此 又称,宽带同轴电缆,。宽带同轴电缆用于传送模拟信号时其频率可高达,500MHz,，,支持,150 Mb/s,的速率，而传输距离可长达,100,公里。,但在传送数字信号时必须先转换成模拟信号，在接收端再还原为数字信号,。,可以使用频分多路复用方法,将一条宽带同轴电缆的频带划分成多条通信信道,使用各种调制方式,支持多路传输。宽带同轴电缆也可以只用于一条通信信道的高速数字通信,此时称之为单信道宽带。,同 轴 电 缆,由于在宽带系统中要用到放大器来放大模拟信号，放大器只能单向工作，因此在宽带电缆的双工传输中，一定要有数据发送和数据接收两条分开的数据通路。采用双电缆系统和单电缆都能达到这个目的。,头端的作用：,是将各计算机从发送电缆发过来的信息转换到接收电缆，使得各计算机能从接收电缆上收到发送给它们的信息。,双电缆系统：发送和接收双向采用相同的频率。,单电缆系统：各计算机使用低频段发送信息，头端收到后进行变频，将信息在,高频段发出去，然后各计算机再接收这些信息。,简单情况下，头端是无源的。但当电缆较长时，可在头端和电缆线路上增加,一个放大器，是接收电缆上的信号有足够的强度。,连通性：,同轴电缆既支持点一点连接,也支持多点连接。,地理范围,:,基带同轴电缆使用的最大距离限制在几公里范围内,而宽带同轴电缆最大距离可达几十公里左右。,抗干扰性,:,同轴电缆的结构使得它的抗干扰能力较强。,价格,:,同轴电缆的造价介于双绞线与光缆之间,使用与维护方便。,同 轴 电 缆,（,3,）光 缆,物理特性：,光纤是一种直径为,8m,100m,的柔软、能传导光波的介质，多种玻璃和塑料可以用来制造光纤，其中使用超高纯度石英玻璃纤维制作的光纤可以得到最低的传输损耗。在折射率较高的单根光纤外面,用折射率较低的包层包裹起来，就可以构成一条光纤通道；多条光纤组成一束，就构成一条光缆。,由于光纤非常细，直径不到,0.2mm,，,因此必须将光纤做成很结实的光缆。一根光缆可以包括数百根光纤，再加上加强芯和填充物就可以大大提高其机械强度，满足工程施工的要求。,四 芯 光 缆,光 缆,传输特性：,光导纤维通过内部的全反射来传输一束经过编码的光信号。光波通过光纤内部全反射进行光传输的过程。由于光纤的折射系数高于外部包层的折射系数，因此可以形成光波在光纤与包层的界面上的全反射。在光纤发送端，主要采用两种光源,:,发光二极管,LED(Light-EmittingDiode,),与注入型激光二极管,ILD(Injection laser Diode),。,光纤传输分为,单模与多模,两类 。,折射角,入射角,包层（低折射率的媒体）,纤芯（高折射率的媒体）,包层（低折射率的媒体）,光纤通信是利用光导纤维（简称光纤）传递光脉冲来进行通信。有光脉冲相当于,1,，没有相当于,0,。由于可见光的频率非常高，约为每秒,108MHz,的量级,，因此光纤通信,系统的传输带宽远远大于目前其他各种传输媒体的带宽。,光纤在发送端有光源，可以采用发光二极管（,LED),或,注入型,激光二极管,(ILD),，,它们在电脉冲的作用下能产生出光脉冲。在接收端利用光电二极管,PIN,做成光检测器，在检测到光脉冲时可还原出电脉冲。,光纤传输系统结构,多模光纤：,只要从纤芯中射到纤芯表面的光线的入射角大于某一个临界角度，就可产生全反射。因此，可以存在多条不同入射角的光线以不同的反射角在一条光纤中传输，这种传输方式的光纤称为多模光纤。,光脉冲在多模光纤中传输时会逐渐展宽，造成失真，因此只适合近距离传输。,单模光纤：,当光纤的直径减小到光波长的数量级，光纤几乎没有空间供光线进行来回反射，光就会沿轴向传输，这种传输方式的光纤称为单模光纤。,单模光纤具有更优良的性能、更高的带宽和更长的传输距离。但价格也高。,光 缆,连通性,:,光纤最普遍的连接方法是点一点方式，在某些实验系统中，也可以采用多点连接方式,。,地理范围,:,光纤信号衰减极小,它可以在,6km,8km,公里的距离内,在不使用中继器的情况下,实现高速率的数据传输,。,抗干扰性,:,光纤不受外界电磁干扰与噪声的影响,能在长距离、高速率的传输中保持低误码率。,价格,:,目前,光纤价格高于同轴电缆与双绞线。,光纤具有以下优点：,传输频带非常宽，通信容量大。,传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济。,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。,无串音干扰，保密性好，不易被窃听或截取数据。,体积小，重量轻。 这在现有电缆管道已拥挤不堪的情况下特别有利。,光纤的缺点：,就是把两根光纤精确的连接起来比较困难。一般的网络技术人员还不掌握这个技术，而且光电接口还比较昂贵。但价格是逐年下降。,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,如下图所示。,缺点：,一旦,T,形接头出了故障，整个光线环路即断开不能工作。,用,自由空间,作为传输介质来进行数据通信。,特点,:,信号沿直线传播 适用,:,架设或铺埋电缆或光缆较困难的地方,广,泛应用于电话领域构成的蜂窝式无线电话网。,分类,:,红外通信、激光通信和微波通信,(,微波通信又主要有两种方式,:,地面微波接力通信和卫星通信,。,2.3.2,无线传输媒体（非导向传输媒体）,（,1,）地面微波接力通信,原理,:,微波是一种频率较高的电磁波，频率范围在,300MHz300GHz,，,但主要使用,240GHz,。,长距离传输时每隔一段距离就需架中继站,将前一信号放大向后传。,适用,:,微波接力通信可传输电话、电报、图象、数据等信息。,优点,:,频带宽、通信容量大、传输质量高（,因为工业干扰和天电干扰的主要频谱成分比微波频率低得多，对微波通信的危害比对短波和米波通信小得多）,、可靠性较好、投资少、见效快、灵活等。,缺点,:,相邻站间必须直视，不能有障碍物；受气候干扰较大、保密性差、中继站的使用与维护问题等。,（,2,）卫星通信,原理：,为了增加微波的传输距离,，,应提高微波收发器或中继站的高度。,当将微波中继站放在人造卫星上时,，,便形成了卫星通信系统,，,也即利用位于,36000,公里,高的人造同步地球卫星作为中继器的一种微波通信。,特点：,通信距离远、费用与距离远近无关,;,具有较大的传输延迟,且传输延迟相对确定。,优点：,频带很宽,通信容量大,信号受干扰小；通信比较稳定。,缺点：,保密性较差,造价较高。,适用：,广播电视通信。,（,3,）红外线与毫米波通信,特点：,具有一定的方向性。,优点：,价格便宜，易制造，有良好的安全性，不易被切听或截取。,缺点：,不能穿透坚硬的物体。,适用：,被广泛应用于短距离通信，红外线成为室内无线局域网网的主要选择对象。,2.4,模拟传输与数字传输,2.4.1,模拟传输系统,模拟数据是时间的连续函数，并且占有一定的频谱范围。这种数据可以直接用占有相同频谱范围的电信号来表示。模拟传输是一种不考虑信号内容的信号传输方法。信号可以模拟数据或数字数据。无论是何种情况，在传输一定的距离之后，模拟信号都会衰减和畸变。为了实现长距离的传输，模拟传输系统使用放大器来增强信号的能量，但同时也放大了信号中的噪声分量。其结果会导致信号发生畸变，严重时会造成传输错误。模拟传输系统典型的例子是模拟电话传输系统。,声波的频率范围为,20Hz20kHz,。,然而，语音能量大部分集中在,3003400Hz,频率范围内，在这个音频范围内，足以分辨清楚所传输的声音。因此，话音信号的标准频谱是,3003400Hz,。,电话传输系统中的电话设备以及电话线路都是依据这一频率范围而设计的。人的声音通过电话机产生频率为,3003400Hz,的电信号，经过电话交换网传输到另一端的电话机，再把电信号还原成原来的声音。,数字数据也可以利用模拟信道进行传输，典型的例子是计算机利用电话交换网进行数据交换。在这种情况下，计算机必须使用调制解调器,(Modem),来连接电话交换网，在发送端，必须通过,Modem,将数字数据调制成与模拟信道特性相匹配的模拟信号才能传输；在接收端，再使用,Modem,把模拟信号解调还原成原来的数据。,2.4.2,调制解调器,1,调制解调器的作用,下图表示了计算机数据经过模拟传输系统后出现一个误码的示意图。,因其误码的原因是：,(1),发送的基带信号包含有各种的频率成分，其中的一部分已经落到模拟电话通信系统，所能通过的频率范围,(300,3,枷比,),之外，因而通不过去。由于收到的信号中缺少了这部分频率成分，因此使数字信号产生了失真。,(2),在能够通过电话线路的这部分频率成分中，各频率成分经受的衰减和时延可能会有些不同。这也要产生失真。,(3),电话线路中存在噪声和各种干扰信号，使信号失真。,上述这些因素对传送话音信号同样要产生失真。由于话音信号中的信息冗余度很大，即使存在这些失真，电话信号中的主要成分还是能够通过去的。因此人们对这样的电话通信质量仍然是满意的。,但数据通信是靠机器来判定收到的码元是什么。接收端一般是在每个码元的中间时刻产生一个采样时刻，对收到的信号进行判决。当失真或干扰严重时就会出现差错，即产生了误码。,若所传送的码元速率越高，信号的失真就越严重。,为解决上述,(1),和,(2),两个因素产生的失真，必须将计算机输出的数字信号转换为频率范围在（,300-3400Hz),之间的模拟信号来传输。具体的做法就是在模拟信道两端各加上一个,调制解调器,。上述的因素,(3),，则要利用差错检测和纠正技术。,调制解调器,(modem),就是由,调制器,(,MOdulator,),和,解调器,(,DEModulator,),这两个字各取其字头合并而成的。,调制器的主要作用就是个,波形变换器,，解调器的作用就是个,波形识别器,。,2,几种最基本的调制方法,所谓调制就是进行,波形变换,。或者更严格些，是进行,频谱变换,.,进行调制时，常把正弦信号作为基准信号或载波信号。调制即利用载波信号的一个或几个参数的变化来表示数字信号（调制信号）的过程。基于载波信号的三个主要参数，,最基本的二元制调制方法有以下几种：,（,1,）,调幅,(AM),以信号幅度的高低表示,1,，,0,。,（,2,）,调频,(FM),以信号频率的高低表示,1,，,0,。,（,3,）,调相,(PM),以信号相位的变化表示,1,，,0,。,（,1,）调幅（,AM,，,Amplitude Modulation,）,调幅,(,幅移键控（,ASK,）,法）,:,指载波的振幅随计算机送出的基带数字信号变化而变化。例如数字信号,0,对应与无载波输出，,1,对应与有载波输出。调幅也可以表述为用两个不同的载波信号的幅值分别代表二进制数字,0,和,1,。,这种方法的编码效率较低，容易受增益变化的影响，抗干扰性较差。,在音频电话线路上的传输效率一般只能达到,1200b/s,。,（,2,）调频（,FM,，,Frequency Modulation,）,调频（频移键控（,FSK),法）,指载波的频率随计算机送出的基带数字信号变化而变化。例如数字信号,0,对应于,f1,频率，,1,对应于,f2,频率。同样，调频也可表述为用两个不同的载波信号的频率分别代表二进制数字,0,和,1,。,FSK,比,ASK,的编码效率高,，,不易受干扰的影响，抗干扰性较强。,在音频电话线路上的传输效率可大于,1200b/s,。,（,3,）调相（,PM,，,Phase Modulation,）,调相（相移键控（,PSK,）,法）,调相也可以表述为用两个不同的载波信号的初相位来代表二进制数字,0,和,1,。这种只有两种相位（如或,）,的调制方式称为两相调制。,绝对相移（绝,对移相键控）,：,指载波的初始相位随计算机送出的基带数字信号变化而变化。当传输的基带信号为,1,是，绝对相移调制信号和载波信号的相位差为,0,o,；,当传输的基带信号为,0,是，绝对相移调制信号和载波信号的相位差为,180,o,。,相对相移（相对移相键控 （,DPSK,）：,当传输的基带信号位,1,时，信号相位与前面信号序列相位相反,；,当传输的基带信号为,0,时，信号相位与前面信号序列相位相同,。,PSK,方式也可用于多相调制，例如，在四相调制中可把信号序列,编码为两位。由于检测相位的变化要比检测相位本身的数值更加容易，,因此,PSK,方式具有很强的抗干扰能力，其编码效率比,FSK,要高。,在音频电话线路上的传输效率可达,9600b/s,。,（,a,）,四相调制方式的相位分配,（,b,）,八相调制方式的相位分配,为了提高信息的传输速率，还经常采用四相调制和八相调制方式。这两种调制方式的数字信息的相位分配情况,为了达到更高的信息传输速率，必须采用技术上更为复杂的多元制的振幅相位混合调制方法。,下图画的是一种,正交调制,QAM (,Quadrature,Amplitude Modulation),的星座图。,若每一个码元可表示的比特数越多,(,即在星座图中的点数越多,),，,则在接收端进行解调时要正确识别每一种状态就越困难,。,这里,r,代表振幅,，而,表示相位,。这样我们就可以使用与这,16,个点相对应的,16,种不同的码元来传送数据。由于,4bit,编码共有,16,种不同的组合，因此这,16,个点中的每一个点可对应一种,4bit,的编码。采用这种编码方法，每一码元可表示,4bit,的信息，因此传送一码元就相当于传送了,4bit,，,因而用,2400Baud,的码元速率就可得到,9600b/s,的信息传送速率。,但是，若每一个码元可表示的比特数越多,(,即在星座图中的点数越多）则接收端进行解调时要正确识别每一种状态就越困难。,3,关于调制解调器的速率,在近二十年里，调制解调器的速率得到了非常大的提高。在,20,世纪,80,年代中期，在一个标准话路上使用的调制解调器的速率,般也就是,300b/s,。,因此，过去将信息传输速率小于,600b/s,的称为低速调制解调器，而信息传输速率高于,9600b/s,的称为高速调制解调器。但技术的进步，使得调制解调器的传输速率从,300b/s,发展到几年前的,28.8,33.6kb/s (,即符合,ITU-T,的,V.34,标准,),和,56kb/s (ITU-TV.90),的水平。这里使用了大量的数字信号处理技术和专用超大规模集成电路,VLSI,芯片。调制解调器信息传输的速率已很接近于香农的信道容量极限了。,原先的调制解调器是为两个计算机用户通过网络进行通信用的。,下图表示两个计算机用户,A,和,B,通过,V.34,调制解调器,(33.6,kbit/s,),进行通信。,从,A,到,B,的整个传输过程中，最大的噪声来自模拟到数字的模数转换所带来的量化噪声，下图指出了,A,和,B,通信时量化噪声出现的地方。,这种量化噪声已是无法再减小了。因此，按照香农公式得出的信道容量的极限值约为,35kb,s,。,也就是说，,V.34,的,33,6kb,s,的速率基本上已达到极限数值了。,变成标准的,64kb,s,的,PCM,数字信号,后来人们发现，提高调制解调器速率的主要动机并不是要在两个用户之间进行通信，而是要通过,因特网服务提供者,ISP,(InternetServiceProvider,),从因特网上以更高的速率下载有用的信息。,由于大部分的,ISP,都使用租用数字专线接入到电话交换机，因此用户与,ISP,之间的通信信道是下图所示的那样。,网络中的下行信道不包含模数转换。从因特网一直到交换机,1,，都是数字传输。因此，下行信道的信噪比可以明显地提高。根据这一情况，就研制出了,56kb,s,的调制解调器。,4,调制解调器使用异步通信方式,在进行数据通信时，一个很重要的问题是：数字信号传输到接收端时，接收端必须设法判断所收到的码元是,1,还是,0,。但是，接收端应当用什么手段才能保证对收到的比特流进行判决的时间是准确的呢,?,如果这个判决时间取得不准确，就可能导致判决错误，因而无法保证正确接收。从这点出发，,数据通信可分为：,同步通信,和,异步通信,两大类。,调制解调器都是采用异步通信方式,同步通信,就是要求接收端的时钟频率和发送端的时钟频率相等,(,这常称为,收发双方的时钟是同步的,),，以便使接收端对收到的比特流的采样判决的时间是准确的。,同步通信就是使接收端接收的每一位数据信息都要和发送端准确地保持同步，中间没有间断时间。,当收发双方的时钟不是精确同步时，在接收端对收到的码元进行判决的时间就会逐渐向前或向后移动。,当接收端的判决点移动的时间超过码元宽度的一半时,(,本来判决点应当处于每一个码元的中间,),，就要产生差错,(,比特重读或漏读,),，这就是所谓的,滑动,(slip),。,例如，数据传输的速率是,1Mb,s,，,即每,1s,发送一个比特。在接收端，采样的时刻应当在每一个比特的中心位置。如果接收端的时钟速率有,1,100,的误差，那么每接收一个比特，采样点就偏离比特的中心位置,0,01s,。,当接收了,50,个比特后，采样点就偏离比特中心位置,0,5s(,半个比特的宽度,),，这时就要产生判决错误。,严格的同步通信是用一个非常精确的主时钟负责全网的同步，全网的其他所有的时钟频率都来自这个主时钟频率,(,长期精度优于正负,1,0X10,-11,),。,但是这种同步方式需要使用十分复杂的技术，而且价格昂贵。因此在过去相当长的时间，各国的数字网主要是采用准同步,(,plesiochronous,),方式。,准同步方式是各有关信号使用一些,独立的、具有相同的频率标称值的时钟源,，但这些频率的实际数值允许有,微小的误差,(,在容许范围之内,),。,异步通信,则采用另一种方法。这就是在发送端将欲发送的数据以字节,(8,个比特,),为单位进行逐个字节的封装。,异步通信是通过增加通信开销,(,每发送,10,个比特就有两个比特的额外开销，因而数据的有效传输速率就降低了,),使接收端能够使用廉价的、具有一般精度的时钟来进行数据通信,。,2.4.3,数字传输系统,将模拟信号变换为数字信号的常用方法是,脉码调制,PCM,（,Pulse Code Modulation,）,。,PCM,最初并不是,为,传送计算机数据用的,，,而是为了解决电话局之间中继线不够用的问题,，,希望使用一条中继线不是只传送一路而是可以传送几十路的电话,。,由于历史上的原因,PCM,有两个互不兼容的国际标准,，,即北美的,24,路,PCM,（,简称为,T1,）,和欧洲的,30,路,PCM,（,简称为,E1,）。,我国采用的是,E1,标准。,T1,的速率是1.544,Mbps,E1,的速率是2.048,Mbps。,下面结合,PCM,的取,样,、量化和编码三个步骤,，,说明这些速率是如何得出的。,为了将模拟电话信号转变为数字信号,，,必须对电话信号进行取样。即每隔一定的时间间隔,，,取模拟信号的当前值作为样本。该样本代表了模拟信号在某一时刻的瞬时值。一系列连续的样本可用来代表模拟信号在某一区间随时间变化的值,。,取样的频率可根据,奈氏取样定理,确定。奈氏取样定理表述为,，,只要取样频率大于模拟信号最高频率的,2,倍,，,则可以用得到的样本空间恢复原来的模拟信号。,标准的电话信号的最高频率为,3.4 kHz,，,为方便起见，采样频率就定为,8 kHz,，,相当于采样周期为,125,s,（,1/8000s,）,。,下图表示了上述的概念。,这样，一个话路的模拟电话信号，经模数变换后，就变成每秒,8000,个的脉冲信号，每个脉冲信号再编为,8,位二进制码元。因此一个话路的,PCM,信号速率为,64Kbps,。,为有效利用传输线路，通常总是将多个话路的,PCM,信号用时分多路复用的方法装成帧（即时分复用帧），然后再往线路上一帧接一帧地传输。,下图,说明了,E1,的时分复用帧的构成。,。,E1,的一个时分复用帧（其长度,T=125s,）,共分为,32,个相等的时间间隙（简称时隙），时隙的编号为,CH0,CH31,。,时隙,CH0,用作帧同步,，时隙,CH16,用来传送信令（如用户的拨号信令）,。可供用户使用的话路是时隙,CH1,CH15,和,CH17,CH31,，,共,30,个时隙用作,30,个话路。每个时隙传送,8bits,。,因此，整个,32,个时隙共传送,256bits,，,即一个帧的信息量。每秒传送,8000,个帧，故,PCM,一次群,E1,的数据率即为,2.048Mbps,。,上图中，在,2.048Mbps,传输线路两端的同步旋转开关，表示,32,个时隙中比特的发送和接收必须和时隙的编号相对应，不能弄乱。,北美使用的,T1,系统共,24,个话路。每个话路的取样脉冲用,7bits,编码，然后再加上,1,位信令码元，因此一个话路也是占用,8bits,。,帧同步是在,24,路的编码之后加上,1bits,，,这样每帧共,193bit,。,因此,T1,一次群的数据率为,1.544Mbps,。,当需要有更高的数据率时，可以采用复用的方法。例如，,4,个一次群就可以构成一个二次群。当然，一个二次群的数据率要比,4,个一次群的数据率总和还要多一些，因为复用后还需要一些同步的码元。,下表给出了欧洲和北美系统的高次群的话路数和数据率。,2.5,信道复用技术,多路复用：,在一个物理信道上传输多路信号（共享信道资源）。,通过,多路复用器,将多路信号组合在一条物理信道上传输,到接收端再用,多路分用器（也称多路译码器）,将各路信号分离并输出,从而提高通信线路的利用率，降低通信成本。,在计算机网络中常用的信道复用技术有：,频分复用、时分复用、波分复用、码分复用,等。,2.5.1,频分复用,FDM,（,Frequency Division Multiplexing,）,信道带宽分割：,在物理信道能提供比单个原始信号宽得多的带宽的情况下,，,我们就可将该物理信道的总带宽分割成若干个和传输的单个信号带宽相同,（,或略为宽一点,）,的子信道,，,每一个子信道传 输一路信号。这即,频分多路复用,FDM,（,Frequency Division Multiplexing,）,。,频谱搬移：,多路原始信号在频分复用前，先要通过频谱搬移技术将各路信号的频谱搬移到物理信道频谱的不同段上，使各信号的带宽不相互重叠。,这可以通过频率调制时采用不同的载波来实现。,频分