1、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)（第 5 版）第 2 章 物理層第 2 章 物理層2.1 物理層的基本概念2.2 數(shù)據(jù)通信的基礎(chǔ)知識(shí)2.2.1 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的模型2.2.2 有關(guān)信道的幾個(gè)基本概念2.2.3 信道的極限容量2.2.4 信道的極限信息傳輸速率2.3 物理層下面的傳輸媒體2.3.1 導(dǎo)向傳輸媒體2.3.2 非導(dǎo)向傳輸媒體第 2 章 物理層（續(xù)）2.4 信道復(fù)用技術(shù) 2.4.1 頻分復(fù)用、時(shí)分復(fù)用和統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用 2.4.2 波分復(fù)用 2.4.3 碼分復(fù)用2.5 數(shù)字傳輸系統(tǒng)2.6 寬帶接入技術(shù) 2.6.1 xDSL技術(shù) 2.6.2 光纖同軸混合網(wǎng)（HFC 網(wǎng)） 2.6.3 FTTx 技術(shù)2.1 物理層的基

2、本概念 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： n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。n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。n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。n過(guò)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。 2.2 數(shù)據(jù)通信的基礎(chǔ)知識(shí)2.2.1 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的模型1.簡(jiǎn)單通信系統(tǒng)簡(jiǎn)單通信系統(tǒng)PCPCPCPC傳輸系統(tǒng)傳輸系統(tǒng)網(wǎng)卡網(wǎng)卡網(wǎng)卡網(wǎng)卡COM源站 發(fā)送器 傳輸系統(tǒng) 接收器 目的站 例1：例2：模型：2.網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)：不同的網(wǎng)絡(luò)連接形式?jīng)Q網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)：不同的網(wǎng)絡(luò)連接形式?jīng)Q定不同的類型定不

3、同的類型傳輸系統(tǒng)輸入信息輸入數(shù)據(jù)發(fā)送的信號(hào)接收的信號(hào)輸出數(shù)據(jù)源點(diǎn)終點(diǎn)發(fā)送器接收器調(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?jǐn)?shù)據(jù)通信系統(tǒng)源系統(tǒng)目的系統(tǒng)傳輸系統(tǒng)輸出信息PC 機(jī) 一般認(rèn)為數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)由數(shù)據(jù)終端設(shè)備一般認(rèn)為數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)由數(shù)據(jù)終端設(shè)備DTEDTE、數(shù)據(jù)電路、數(shù)據(jù)電路終結(jié)設(shè)備終結(jié)設(shè)備DCEDCE以及傳輸信道三部分組成，如下圖所示：以及傳輸信道三部分組成，如下圖所示： 傳輸控制器通信控制器中央處理機(jī)傳輸信道DTEDTEDCEDCE數(shù)據(jù)電路數(shù)據(jù)鏈路接口接口數(shù)據(jù)輸入輸出設(shè)備數(shù)據(jù)電路終結(jié)設(shè)備數(shù)據(jù)電路終結(jié)設(shè)備3.幾個(gè)術(shù)語(yǔ)n數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)(data)(da

4、ta)是預(yù)先約定的、具有某種含義是預(yù)先約定的、具有某種含義的任何一個(gè)數(shù)字或一個(gè)字母的任何一個(gè)數(shù)字或一個(gè)字母( (符號(hào)符號(hào)) )以及它們的以及它們的組合。例如組合。例如, ,約定用數(shù)字約定用數(shù)字“06”06”表示確認(rèn)信息表示確認(rèn)信息（ACKACK）, ,數(shù)字?jǐn)?shù)字“15”15”表示否認(rèn)信息（表示否認(rèn)信息（NAKNAK）。這）。這里里, ,數(shù)字?jǐn)?shù)字“06”06”和和“15”15”就是數(shù)據(jù)就是數(shù)據(jù), ,是運(yùn)送消息是運(yùn)送消息的實(shí)體。的實(shí)體。n碼元碼元(code)在使用時(shí)間域（或簡(jiǎn)稱為時(shí)域）在使用時(shí)間域（或簡(jiǎn)稱為時(shí)域）的波形表示數(shù)字信號(hào)時(shí)，代表不同離散數(shù)值的的波形表示數(shù)字信號(hào)時(shí)，代表不同離散數(shù)值的基本波形

5、?；静ㄐ?。信號(hào)信號(hào) 把消息轉(zhuǎn)換成適合于信道傳輸?shù)奈锢砹?，就是把消息轉(zhuǎn)換成適合于信道傳輸?shù)奈锢砹?，就是信?hào)。通信中的信號(hào)有電信號(hào)和光信號(hào)兩種。信號(hào)。通信中的信號(hào)有電信號(hào)和光信號(hào)兩種。 模擬信號(hào)模擬信號(hào)是指信號(hào)的某一參量可以取無(wú)窮多個(gè)值，并且與原始消息直是指信號(hào)的某一參量可以取無(wú)窮多個(gè)值，并且與原始消息直接對(duì)應(yīng)的信號(hào)，如話音信號(hào)及其按照抽樣定理所得的接對(duì)應(yīng)的信號(hào)，如話音信號(hào)及其按照抽樣定理所得的PAMPAM樣值信號(hào)等；樣值信號(hào)等； 數(shù)字信號(hào)是指信號(hào)的某一參量只能取有限多個(gè)值，且與原數(shù)字信號(hào)是指信號(hào)的某一參量只能取有限多個(gè)值，且與原始消息不直接對(duì)應(yīng)的信號(hào)，如計(jì)算機(jī)終端輸出的二進(jìn)制信始消息不直接對(duì)應(yīng)

6、的信號(hào)，如計(jì)算機(jī)終端輸出的二進(jìn)制信號(hào)及其經(jīng)過(guò)號(hào)及其經(jīng)過(guò)PSKPSK、FSKFSK等調(diào)制方式調(diào)制后所得的信號(hào)等等調(diào)制方式調(diào)制后所得的信號(hào)等 按照通信系統(tǒng)中的傳輸信號(hào)的不同，可分為模擬通信按照通信系統(tǒng)中的傳輸信號(hào)的不同，可分為模擬通信和數(shù)字通信兩大類，和模擬通信相比數(shù)字通信更具優(yōu)越性。和數(shù)字通信兩大類，和模擬通信相比數(shù)字通信更具優(yōu)越性。 2.2.2 有關(guān)信號(hào)的幾個(gè)基本概念1.通信方式.半雙工傳輸 半雙工通信時(shí)數(shù)據(jù)可以雙向傳輸，但不能同時(shí)進(jìn)行。.單工傳輸 單工通信只允許數(shù)據(jù)按指定的一個(gè)方向傳輸。.全雙工傳輸 雙工通信方式允許在兩個(gè)方向上同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)。2.基帶(baseband)信號(hào)和帶通(band

7、pass)信號(hào) n基帶信號(hào)（即基本頻帶信號(hào)）來(lái)自信源的信號(hào)。像計(jì)算機(jī)輸出的代表各種文字或圖像文件的數(shù)據(jù)信號(hào)都屬于基帶信號(hào)。n基帶信號(hào)往往包含有較多的低頻成分，甚至有直流成分，而許多信道并不能傳輸這種低頻分量或直流分量。因此必須對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行調(diào)制(modulation)。 n帶通信號(hào)把基帶信號(hào)經(jīng)過(guò)載波調(diào)制后，把信號(hào)的頻率范圍搬移到較高的頻段以便在信道中傳輸（即僅在一段頻率范圍內(nèi)能夠通過(guò)信道）。 幾種最基本的調(diào)制方法 n基帶信號(hào)往往包含有較多的低頻成分，甚至有直流成分，而許多信道并不能傳輸這種低頻分量或直流分量。為了解決這一問(wèn)題，就必須對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行調(diào)制(modulation)。 n最基本的二元制

8、調(diào)制方法有以下幾種：n調(diào)幅(AM)：載波的振幅隨基帶數(shù)字信號(hào)而變化。 n調(diào)頻(FM)：載波的頻率隨基帶數(shù)字信號(hào)而變化。n調(diào)相(PM) ：載波的初始相位隨基帶數(shù)字信號(hào)而變化。 對(duì)基帶數(shù)字信號(hào)的幾種調(diào)制方法 010011100基帶信號(hào)調(diào)幅調(diào)頻調(diào)相信號(hào)的絕對(duì)帶寬和有效帶寬信號(hào)的絕對(duì)帶寬和有效帶寬信號(hào)帶寬：是指信號(hào)的頻譜寬度；信號(hào)帶寬：是指信號(hào)的頻譜寬度；絕對(duì)帶寬：指信號(hào)本身固有的帶寬；絕對(duì)帶寬：指信號(hào)本身固有的帶寬；)5(2sin(51)3(2sin(31)2sin()(tftfftts即是：即是：例如：例如：+.+.sin11)(kkts（k k為奇數(shù)）為奇數(shù)）(2kft)(2kft)3.3.數(shù)據(jù)

9、傳輸速率與通信系統(tǒng)帶寬數(shù)據(jù)傳輸速率與通信系統(tǒng)帶寬設(shè)備有效帶寬：一個(gè)絕對(duì)帶寬為設(shè)備有效帶寬：一個(gè)絕對(duì)帶寬為的信號(hào)，在通過(guò)一個(gè)有的信號(hào)，在通過(guò)一個(gè)有 限帶寬的傳輸設(shè)備、介質(zhì)時(shí)，所能通過(guò)的限帶寬的傳輸設(shè)備、介質(zhì)時(shí)，所能通過(guò)的 最高頻率與最低頻率之差；最高頻率與最低頻率之差；信號(hào)有效帶寬：包含絕大多數(shù)信號(hào)能量的頻帶寬度；信號(hào)有效帶寬：包含絕大多數(shù)信號(hào)能量的頻帶寬度；例：若一個(gè)通信網(wǎng)帶寬為例：若一個(gè)通信網(wǎng)帶寬為4MH4MHZ Z ，傳輸信號(hào)為方波，當(dāng)，傳輸信號(hào)為方波，當(dāng) 基波頻率為基波頻率為f f0 01 MH1 MHZ Z 時(shí)，試請(qǐng)問(wèn)數(shù)據(jù)的傳輸速率時(shí)，試請(qǐng)問(wèn)數(shù)據(jù)的傳輸速率 是多少呢？是多少呢？理論證明

10、：在信道帶寬一定情況下，數(shù)據(jù)傳輸速率越高，理論證明：在信道帶寬一定情況下，數(shù)據(jù)傳輸速率越高，頻率頻率f0f0越大，則信道通過(guò)的諧波數(shù)越少，信號(hào)的失真程度越大，則信道通過(guò)的諧波數(shù)越少，信號(hào)的失真程度越大，直到信號(hào)無(wú)法被正確識(shí)別。越大，直到信號(hào)無(wú)法被正確識(shí)別。理論證明：在信道帶寬一定的情況下，數(shù)據(jù)傳輸速率越高，理論證明：在信道帶寬一定的情況下，數(shù)據(jù)傳輸速率越高，頻率頻率f0越大，則信道通過(guò)的諧波數(shù)越少，信號(hào)失真程度越大，越大，則信道通過(guò)的諧波數(shù)越少，信號(hào)失真程度越大，直到信號(hào)無(wú)法被正確識(shí)別。直到信號(hào)無(wú)法被正確識(shí)別。結(jié)論：在系統(tǒng)最大容錯(cuò)能力一定的條件下，可增加帶寬和結(jié)論：在系統(tǒng)最大容錯(cuò)能力一定的條件

11、下，可增加帶寬和提高基本頻率來(lái)提高數(shù)據(jù)的傳輸速率。提高基本頻率來(lái)提高數(shù)據(jù)的傳輸速率。思考題：某通信系統(tǒng)的帶寬為思考題：某通信系統(tǒng)的帶寬為16MHz，傳輸信號(hào)為方波信號(hào)，傳輸信號(hào)為方波信號(hào)，其基波頻率其基波頻率f0為為2MHz，請(qǐng)計(jì)算它的數(shù)據(jù)的傳輸速率？當(dāng)，請(qǐng)計(jì)算它的數(shù)據(jù)的傳輸速率？當(dāng)f0為為4MHz時(shí)的速率又是多少？其系統(tǒng)的最大容錯(cuò)能力為時(shí)的速率又是多少？其系統(tǒng)的最大容錯(cuò)能力為)5(2sin(51)3(2sin(31)2sin()(tftfftts)5(2sin(51)3(2sin(31)2sin()(tftfftts4.數(shù)據(jù)傳輸與處理數(shù)據(jù)傳輸與處理 數(shù)據(jù)從源站到目的站的傳輸過(guò)程中，必須要考慮

12、以下幾數(shù)據(jù)從源站到目的站的傳輸過(guò)程中，必須要考慮以下幾個(gè)問(wèn)題：個(gè)問(wèn)題：v數(shù)據(jù)的特性；數(shù)據(jù)的特性；v用于傳輸數(shù)據(jù)的實(shí)際物理手段；用于傳輸數(shù)據(jù)的實(shí)際物理手段；v在傳輸過(guò)程中如何保證數(shù)據(jù)的正確性。在傳輸過(guò)程中如何保證數(shù)據(jù)的正確性。 包括兩類：包括兩類： 模擬數(shù)據(jù)：音頻、視頻數(shù)據(jù)模擬數(shù)據(jù)：音頻、視頻數(shù)據(jù) 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)：由數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)：由0 0 、1 1 序列構(gòu)成的數(shù)據(jù)序列構(gòu)成的數(shù)據(jù)（1 1）、語(yǔ)音數(shù)據(jù)：）、語(yǔ)音數(shù)據(jù)：電話系統(tǒng)：電話系統(tǒng)：3003400Hz3003400Hz 采樣頻率：采樣頻率：8000Hz8000Hz 量化系數(shù)：量化系數(shù)：8bit8bit 數(shù)據(jù)速率：數(shù)據(jù)速率：64Kbps64KbpsdBdB3

13、4003400700700400400語(yǔ)音語(yǔ)音聲音聲音HZ（2 2）、視頻數(shù)據(jù)）、視頻數(shù)據(jù) 基本屬性：空間分辨率：基本屬性：空間分辨率：768768576 640576 640480480 色彩分辨率：色彩分辨率：24bit24bit 時(shí)間分辨率：時(shí)間分辨率：25Fbps 30Fbps25Fbps 30Fbps（3 3）、數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)：）、數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)： 由由0 0、1 1構(gòu)成的數(shù)字序列，應(yīng)進(jìn)行一定的編碼才構(gòu)成的數(shù)字序列，應(yīng)進(jìn)行一定的編碼才能有效地進(jìn)行通信。能有效地進(jìn)行通信。數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)編碼非歸零編碼（非歸零編碼（NRZ，Non-Return to Zero） 曼徹斯特編碼（曼徹斯特編碼（Manchest

14、er） 差分曼徹斯特編碼（差分曼徹斯特編碼（Differential ManchesterDifferential Manchester）編碼規(guī)則nNRZ:NRZ:使用兩個(gè)不同的電平值來(lái)代表兩個(gè)二進(jìn)制使用兩個(gè)不同的電平值來(lái)代表兩個(gè)二進(jìn)制數(shù)字，通常規(guī)定，用低電平表示邏輯數(shù)字，通常規(guī)定，用低電平表示邏輯“0”0”，用，用高電平表示邏輯高電平表示邏輯“1”1”；nMachesterMachester：每一比特的周期：每一比特的周期T T分為前分為前T/2T/2和后和后T/2T/2，前，前T/2T/2傳輸該比特的反碼，后傳輸該比特的反碼，后T/2T/2傳輸該比傳輸該比特的原碼；特的原碼；nDiffer

15、 MachesterDiffer Machester：若碼元為：若碼元為0 0，則其前半個(gè)碼，則其前半個(gè)碼元的電平與前一個(gè)碼元的后半個(gè)碼元電平相同，元的電平與前一個(gè)碼元的后半個(gè)碼元電平相同，若碼元為若碼元為1 1，則其前半個(gè)碼元的電平與前一個(gè)碼，則其前半個(gè)碼元的電平與前一個(gè)碼元的后半個(gè)碼元電平相反，無(wú)論碼元是元的后半個(gè)碼元電平相反，無(wú)論碼元是0 0或或1 1，在碼元的中間時(shí)刻一定要有一次電平跳變。在碼元的中間時(shí)刻一定要有一次電平跳變。三種編碼波形0 01 11 10 01 1NRZNRZManchesterManchesterDifferentialDifferentialManchester

16、Manchester5. Analog Data Analog SignalAnalog Data Analog SignalDigital Data Digital SignalDigital Data Digital Signal可以有四種數(shù)據(jù)傳輸形式，可以有四種數(shù)據(jù)傳輸形式，也就形成了四類傳輸系統(tǒng)也就形成了四類傳輸系統(tǒng)（1 1）、模擬數(shù)據(jù)以模擬信號(hào)方式傳輸）、模擬數(shù)據(jù)以模擬信號(hào)方式傳輸例如：目前的廣播、電視通信系統(tǒng)。例如：目前的廣播、電視通信系統(tǒng)。 AudioAudio數(shù)據(jù)數(shù)據(jù) 直接以直接以AudioAudio信號(hào)傳輸信號(hào)傳輸 調(diào)制編碼后傳輸：調(diào)制編碼后傳輸：（2 2）、模擬數(shù)據(jù)以數(shù)字信

17、號(hào)方式傳輸）、模擬數(shù)據(jù)以數(shù)字信號(hào)方式傳輸 例如：聲例如：聲 卡卡 模擬語(yǔ)音模擬語(yǔ)音PCMPCM數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)數(shù)字信號(hào)數(shù)字信號(hào) 視頻卡視頻卡 模擬視頻模擬視頻采集編碼采集編碼數(shù)字化數(shù)字化數(shù)字信數(shù)字信號(hào)號(hào) Analog Data Analog Data Digital Signal Digital Signal（3 3）、數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)以模擬信號(hào)方式傳輸）、數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)以模擬信號(hào)方式傳輸（4 4）、數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)以數(shù)字信號(hào)方式傳輸）、數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)以數(shù)字信號(hào)方式傳輸 編碼轉(zhuǎn)換成比特流即可。編碼轉(zhuǎn)換成比特流即可。PCPCMODEMMODEMPCPCMODEMMODEMPSTNPSTN* * * 遠(yuǎn)程傳輸：遠(yuǎn)程傳輸： 模

18、擬信號(hào)：模擬信號(hào)： 放大器放大器(Amplifier)(Amplifier) 數(shù)字信號(hào)：數(shù)字信號(hào)： 中繼器（中繼器（RepeaterRepeater）n 主要有三種：主要有三種：。 規(guī)則介質(zhì)：規(guī)則介質(zhì)： 線性；（雙絞線，同軸電纜，光纖）線性；（雙絞線，同軸電纜，光纖）不規(guī)則介質(zhì)：非線性；（空氣）不規(guī)則介質(zhì)：非線性；（空氣）解決辦法：模擬信號(hào)解決辦法：模擬信號(hào)放大器；放大器； 數(shù)字信號(hào)數(shù)字信號(hào)中繼器；中繼器；1 1）、衰減：指信號(hào)強(qiáng)度隨傳輸距離的增加而減弱。）、衰減：指信號(hào)強(qiáng)度隨傳輸距離的增加而減弱。 任何傳輸介質(zhì)都存在衰減問(wèn)題任何傳輸介質(zhì)都存在衰減問(wèn)題 。（2 2）、延遲失真：因不同頻率的信號(hào)

19、在同一介質(zhì)中傳）、延遲失真：因不同頻率的信號(hào)在同一介質(zhì)中傳 輸速率的不同而引起的。輸速率的不同而引起的。 HzHzmsmsHzHz對(duì)模擬信號(hào)：可以不考慮；對(duì)模擬信號(hào)：可以不考慮；對(duì)數(shù)字信號(hào)：碼間干擾；對(duì)數(shù)字信號(hào)：碼間干擾；延遲均衡器延遲均衡器msms計(jì)算機(jī)專業(yè)教研室（3 3）、噪聲：凡引入的無(wú)用信號(hào)，均稱為噪聲。）、噪聲：凡引入的無(wú)用信號(hào)，均稱為噪聲。 主要有主要有四種：四種： 熱噪聲：傳輸設(shè)備、介質(zhì)中的電子做布朗運(yùn)動(dòng)熱噪聲：傳輸設(shè)備、介質(zhì)中的電子做布朗運(yùn)動(dòng) 所產(chǎn)生的噪聲。所產(chǎn)生的噪聲。 任何絕對(duì)零度以上的系統(tǒng)都有熱噪聲；任何絕對(duì)零度以上的系統(tǒng)都有熱噪聲；熱噪聲是均勻分布的；熱噪聲是均勻分布的

20、；難以被克服；難以被克服；熱噪聲的功率密度：熱噪聲的功率密度：；T T：KelvinKelvin溫度；溫度；K:Boltzmanns=1.3803K:Boltzmanns=1.3803101023 23 J/KJ/K在在WHzWHz帶寬內(nèi)（不考慮信號(hào)頻率帶寬內(nèi)（不考慮信號(hào)頻率f f）：）：；（上限）；（上限） 計(jì)算機(jī)專業(yè)教研室 交調(diào)噪聲：多個(gè)不同頻率的信號(hào)共存于同一介質(zhì)或交調(diào)噪聲：多個(gè)不同頻率的信號(hào)共存于同一介質(zhì)或 信道時(shí)信號(hào)之間相互調(diào)制所產(chǎn)生的噪聲；信道時(shí)信號(hào)之間相互調(diào)制所產(chǎn)生的噪聲；f1f1、f2f2、f3f3f1 f1 f2f2f1 f1 f2f2f1 f1 f2f2如果如果f3f3相互

21、影響相互影響 串?dāng)_：信號(hào)之間的有害耦合；串?dāng)_：信號(hào)之間的有害耦合；雙絞線：雙絞線：計(jì)算機(jī)專業(yè)教研室 脈沖噪聲；脈沖噪聲； 來(lái)源：雷電、電磁干擾、設(shè)計(jì)上的不合理；來(lái)源：雷電、電磁干擾、設(shè)計(jì)上的不合理； 特點(diǎn)：持續(xù)時(shí)間短、幅度大且不連續(xù)；特點(diǎn)：持續(xù)時(shí)間短、幅度大且不連續(xù)； 對(duì)模擬信號(hào)影響較??；對(duì)模擬信號(hào)影響較??； 對(duì)數(shù)字信號(hào)影響較大；對(duì)數(shù)字信號(hào)影響較大；0.01s0.01s模擬模擬如果：數(shù)字信號(hào)速率：如果：數(shù)字信號(hào)速率：64Kbps64Kbps則有：則有：640bit640bit錯(cuò)誤錯(cuò)誤計(jì)算機(jī)專業(yè)教研室7. 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的質(zhì)量指標(biāo)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的質(zhì)量指標(biāo) 所謂質(zhì)量指標(biāo)是指用來(lái)衡量一個(gè)通信系統(tǒng)性能優(yōu)劣

22、的所謂質(zhì)量指標(biāo)是指用來(lái)衡量一個(gè)通信系統(tǒng)性能優(yōu)劣的技術(shù)指標(biāo)，對(duì)于數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，其質(zhì)量指標(biāo)有很多種，例技術(shù)指標(biāo)，對(duì)于數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，其質(zhì)量指標(biāo)有很多種，例如：如：， 標(biāo)準(zhǔn)性標(biāo)準(zhǔn)性:用來(lái)衡量描述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、接口、協(xié)議等的標(biāo)準(zhǔn)用來(lái)衡量描述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、接口、協(xié)議等的標(biāo)準(zhǔn)化程度化程度 經(jīng)濟(jì)性經(jīng)濟(jì)性:用來(lái)描述系統(tǒng)的性能價(jià)格比用來(lái)描述系統(tǒng)的性能價(jià)格比 可維護(hù)性可維護(hù)性:用來(lái)描述系統(tǒng)故障處理與系統(tǒng)維護(hù)的復(fù)雜程用來(lái)描述系統(tǒng)故障處理與系統(tǒng)維護(hù)的復(fù)雜程度度 可用度可用度:用來(lái)描述系統(tǒng)正常工作能力的高低用來(lái)描述系統(tǒng)正常工作能力的高低 本節(jié)主要從數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕嵌瘸霭l(fā)來(lái)討論系統(tǒng)有效性和可靠本節(jié)主要從數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕嵌瘸霭l(fā)來(lái)討論系統(tǒng)有效

23、性和可靠性性 有效性是指給定信道內(nèi)傳輸信息的多少，有效性是指給定信道內(nèi)傳輸信息的多少， 常通過(guò)傳輸速率、頻帶利用率來(lái)描述；常通過(guò)傳輸速率、頻帶利用率來(lái)描述； 可靠性是指給定信道內(nèi)傳輸信息的準(zhǔn)確程度，可靠性是指給定信道內(nèi)傳輸信息的準(zhǔn)確程度， 常通過(guò)誤碼率、誤比特率等來(lái)描述。常通過(guò)誤碼率、誤比特率等來(lái)描述。1.1.碼元速率（碼元速率（RB） 碼元速率是指給定信道內(nèi)單位時(shí)間傳輸碼元的多少。碼元速率是指給定信道內(nèi)單位時(shí)間傳輸碼元的多少。 其單位是波特其單位是波特(Baud)。 等概條件下每個(gè)碼元包含的信息量相等，例如此時(shí)等概條件下每個(gè)碼元包含的信息量相等，例如此時(shí)M M進(jìn)制進(jìn)制的每個(gè)碼元包含的信息量為

24、的每個(gè)碼元包含的信息量為L(zhǎng)og2M 碼元是指進(jìn)制數(shù)的取值狀態(tài)。碼元是指進(jìn)制數(shù)的取值狀態(tài)。 如如: :二進(jìn)制有二進(jìn)制有“0,1”0,1”兩個(gè)碼元；兩個(gè)碼元； 四進(jìn)制有四進(jìn)制有“0,1,2,3”0,1,2,3”四個(gè)碼元；四個(gè)碼元； 任意的任意的M進(jìn)制有進(jìn)制有“0,1,0,1,M-1”共共M個(gè)碼元。個(gè)碼元。7.1 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)有效性數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)有效性 若碼元的寬度為若碼元的寬度為Tb，則，則RB=1/Tb。 在數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)中，在數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)中，Tb正好是載波狀態(tài)的變化周期，正好是載波狀態(tài)的變化周期， 所以又稱所以又稱RB為調(diào)制速率為調(diào)制速率2.2.信息速率（信息速率（Rb） 信息速率是指給定信道內(nèi)單

25、位時(shí)間傳輸信息的多少信息速率是指給定信道內(nèi)單位時(shí)間傳輸信息的多少, ,單單位是比特位是比特/ /秒（秒（bit/s）, ,信息速率又稱為傳信率。信息速率又稱為傳信率。 對(duì)于對(duì)于M進(jìn)制，各碼元等概出現(xiàn)時(shí)有進(jìn)制，各碼元等概出現(xiàn)時(shí)有 Rb=RBlog2 M 若各碼元不等概出現(xiàn)則若各碼元不等概出現(xiàn)則 Rb=RBH 其中其中H為平均信息量。為平均信息量。信息速率與碼元速率有如下關(guān)系：信息速率與碼元速率有如下關(guān)系：3. 3. 頻帶利用率頻帶利用率 頻帶利用率是指單位頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)的傳輸速率，單位為頻帶利用率是指單位頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)的傳輸速率，單位為Baud/Hz，或者，或者bit/s. Hz，這主要取決于用哪種速率

26、來(lái)計(jì)算。，這主要取決于用哪種速率來(lái)計(jì)算。 其中其中B為系統(tǒng)帶寬，單位為為系統(tǒng)帶寬，單位為Hz。HzBaudBRrB/HzsbitBRrb./ 或 7.2 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)可靠性數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)可靠性其中其中nb表示系統(tǒng)傳輸?shù)目偙忍財(cái)?shù)，表示系統(tǒng)傳輸?shù)目偙忍財(cái)?shù)，nbe表示傳輸出錯(cuò)的比特表示傳輸出錯(cuò)的比特?cái)?shù)目，也即誤比特率是指錯(cuò)誤比特在傳輸?shù)目偙忍財(cái)?shù)目中數(shù)目，也即誤比特率是指錯(cuò)誤比特在傳輸?shù)目偙忍財(cái)?shù)目中所占的比率。所占的比率。其中其中n表示系統(tǒng)傳輸?shù)目偞a元數(shù)，表示系統(tǒng)傳輸?shù)目偞a元數(shù)，ne表示傳輸出錯(cuò)的碼元數(shù)表示傳輸出錯(cuò)的碼元數(shù)目，也即誤碼率是指錯(cuò)誤碼元在總碼元數(shù)目中所占的比率。目，也即誤碼率是指錯(cuò)誤碼元在總

27、碼元數(shù)目中所占的比率。1.1.誤碼率誤碼率Pe)(nnnPee2.2.誤比特率誤比特率Pb)(bbebbnnnP2.2.3 信道的極限容量 n任何實(shí)際的信道都不是理想的，在傳輸信號(hào)時(shí)會(huì)產(chǎn)生各種失真以及帶來(lái)多種干擾。 n碼元傳輸?shù)乃俾试礁?，或信?hào)傳輸?shù)木嚯x越遠(yuǎn)，在信道的輸出端的波形的失真就越嚴(yán)重。 數(shù)字信號(hào)通過(guò)實(shí)際的信道 n有失真，但可識(shí)別n失真大，無(wú)法識(shí)別 實(shí)際的信道（帶寬受限、有噪聲、干擾和失真）發(fā)送信號(hào)波形接收信號(hào)波形發(fā)送信號(hào)波形實(shí)際的信道（帶寬受限、有噪聲、干擾和失真）接收信號(hào)波形信道能夠通過(guò)的頻率范圍n1924 年，奈奎斯特(Nyquist)就推導(dǎo)出了著名的奈氏準(zhǔn)則。他給出了在假定的理

28、想條件下，為了避免碼間串?dāng)_，碼元的傳輸速率的上限值。n在任何信道中，碼元傳輸?shù)乃俾适怯猩舷薜?，否則就會(huì)出現(xiàn)碼間串?dāng)_的問(wèn)題，使接收端對(duì)碼元的判決（即識(shí)別）成為不可能。n如果信道的頻帶越寬，也就是能夠通過(guò)的信號(hào)高頻分量越多，那么就可以用更高的速率傳送碼元而不出現(xiàn)碼間串?dāng)_。 計(jì)算機(jī)專業(yè)教研室奈奎斯特（奈奎斯特（NyquistNyquist）準(zhǔn)則）準(zhǔn)則 ： 在帶寬為在帶寬為B B的信道中，能夠傳輸?shù)淖畲蟛ㄌ芈蕿榈男诺乐?，能夠傳輸?shù)淖畲蟛ㄌ芈蕿?B,2B,因此，因此，無(wú)噪聲無(wú)噪聲的數(shù)字信道的容量為：的數(shù)字信道的容量為： 例：一數(shù)字信道的帶寬為：例：一數(shù)字信道的帶寬為：5MHz5MHz，若傳輸二進(jìn)制編，若

29、傳輸二進(jìn)制編碼的數(shù)字信號(hào)，則：信道的最大數(shù)據(jù)傳輸速率是多碼的數(shù)字信號(hào)，則：信道的最大數(shù)據(jù)傳輸速率是多少？少？(2) 信噪比 n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。n信道的極限信息傳輸速率 C 可表達(dá)為n C = W log2(1+S/N) b/s nW 為信道的帶寬（以 Hz 為單位）；nS 為信道內(nèi)所傳信號(hào)的平均功率；nN 為信道內(nèi)部的高斯噪聲功率。 例：基于例：基于MODEMMODEM的電話通信網(wǎng)絡(luò)，電話語(yǔ)音的電話通信網(wǎng)絡(luò)，電話語(yǔ)音頻譜：頻譜：3003003400H3400HZ Z，典型的信噪比：，典型的信噪比：30dB

30、30dB，求最大數(shù)據(jù)速率是多少？求最大數(shù)據(jù)速率是多少？sKbitNSBC/30)10001 (log3100)1 (log22計(jì)算機(jī)專業(yè)教研室香農(nóng)公式表明 n信道的帶寬或信道中的信噪比越大，則信息的極限傳輸速率就越高。 n只要信息傳輸速率低于信道的極限信息傳輸速率，就一定可以找到某種辦法來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)差錯(cuò)的傳輸。 n若信道帶寬 W 或信噪比 S/N 沒(méi)有上限（當(dāng)然實(shí)際信道不可能是這樣的），則信道的極限信息傳輸速率 C 也就沒(méi)有上限。n實(shí)際信道上能夠達(dá)到的信息傳輸速率要比香農(nóng)的極限傳輸速率低不少。 請(qǐng)注意 n對(duì)于頻帶寬度已確定的信道，如果信噪比不能再提高了，并且碼元傳輸速率也達(dá)到了上限值，那么還有辦法

31、提高信息的傳輸速率。這就是用編碼的方法讓每一個(gè)碼元攜帶更多比特的信息量。 2.3 物理層下面的傳輸媒體物理層下面的傳輸媒體2.3.1 導(dǎo)向傳輸媒體導(dǎo)向傳輸媒體1、傳輸介質(zhì)的特性：、傳輸介質(zhì)的特性： 網(wǎng)絡(luò)帶寬：傳輸介質(zhì)所能承受的網(wǎng)絡(luò)帶寬網(wǎng)絡(luò)帶寬：傳輸介質(zhì)所能承受的網(wǎng)絡(luò)帶寬 物理特性：對(duì)傳輸介質(zhì)物理結(jié)構(gòu)的描述物理特性：對(duì)傳輸介質(zhì)物理結(jié)構(gòu)的描述 傳輸特征：包括頻率特性和適用范圍等。傳輸特征：包括頻率特性和適用范圍等。 傳輸損耗：傳輸介質(zhì)中傳輸過(guò)程中的損耗。傳輸損耗：傳輸介質(zhì)中傳輸過(guò)程中的損耗。 連通特性：允許點(diǎn)連通特性：允許點(diǎn)- -點(diǎn)或多點(diǎn)連接。點(diǎn)或多點(diǎn)連接。 地理范圍：傳輸介質(zhì)的最大傳輸距離。地理

32、范圍：傳輸介質(zhì)的最大傳輸距離。 抗干擾性：防止噪聲與電磁干擾對(duì)數(shù)據(jù)傳輸影響的抗干擾性：防止噪聲與電磁干擾對(duì)數(shù)據(jù)傳輸影響的能力。能力。 相對(duì)價(jià)格：包括器件、安裝與維護(hù)費(fèi)用。相對(duì)價(jià)格：包括器件、安裝與維護(hù)費(fèi)用。2.雙絞線n 也稱雙扭線，由兩、四、八根也稱雙扭線，由兩、四、八根相互絕緣的相互絕緣的銅導(dǎo)線并排放在一起，然后用規(guī)則的方法兩兩絞合起銅導(dǎo)線并排放在一起，然后用規(guī)則的方法兩兩絞合起來(lái)就構(gòu)成了雙絞線。來(lái)就構(gòu)成了雙絞線。 非屏蔽雙絞線（非屏蔽雙絞線（UTPUTP） 屏蔽雙絞線（屏蔽雙絞線（STPSTP） UTP3UTP3 (16M) (16M)UTP4UTP4 (20M) (20M)UTP5UTP

33、5 (100M) (100M)語(yǔ)音級(jí)語(yǔ)音級(jí)數(shù)據(jù)級(jí)數(shù)據(jù)級(jí)三類線：絞距大，串?dāng)_大；三類線：絞距大，串?dāng)_大；五類線：絞距小，串?dāng)_??；五類線：絞距小，串?dāng)_小；絞距絞距電話系統(tǒng)：一對(duì)；電話系統(tǒng)：一對(duì)； RJ11RJ11網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)：四對(duì)；網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)：四對(duì)； RJ45RJ45PCPCPCPC交叉交叉HUBHUB平行平行思考：如何利用雙絞線做網(wǎng)線？思考：如何利用雙絞線做網(wǎng)線？常用的同軸電纜有下述幾種（無(wú)線電波管制級(jí)別常用的同軸電纜有下述幾種（無(wú)線電波管制級(jí)別RGRG）：）： RG-8 RG-8和和RG-11RG-11，通常用來(lái)實(shí)現(xiàn)粗纜，通常用來(lái)實(shí)現(xiàn)粗纜Ethernet Ethernet （7575） RG-58

34、RG-58，通常用來(lái)實(shí)現(xiàn)細(xì)纜，通常用來(lái)實(shí)現(xiàn)細(xì)纜EthernetEthernet。（。（5050） RG-75 RG-75，通常用來(lái)實(shí)現(xiàn)電視傳輸，也可用于寬帶數(shù)據(jù)，通常用來(lái)實(shí)現(xiàn)電視傳輸，也可用于寬帶數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)。（網(wǎng)絡(luò)。（ 7575 ）計(jì)算機(jī)專業(yè)教研室 細(xì)纜：細(xì)纜：5050同軸電纜，是為數(shù)據(jù)通信傳送基帶數(shù)字信同軸電纜，是為數(shù)據(jù)通信傳送基帶數(shù)字信號(hào)，故又稱為基帶同軸電纜。號(hào)，故又稱為基帶同軸電纜。T 型頭 網(wǎng)卡的 BNC接口端接器端接器 粗纜：相對(duì)于細(xì)纜而言，它的帶寬更大，常用來(lái)傳輸粗纜：相對(duì)于細(xì)纜而言，它的帶寬更大，常用來(lái)傳輸頻分復(fù)用的寬帶信號(hào)頻分復(fù)用的寬帶信號(hào) ，因此也稱為寬帶同軸電纜，因此也稱為

35、寬帶同軸電纜 。MAUAUI8cm8cm光纖易折斷；光纖易折斷；彎折處光信號(hào)有損失；彎折處光信號(hào)有損失；2.3.2 非導(dǎo)向傳輸媒體非導(dǎo)向傳輸媒體 n無(wú)線傳輸以空氣作為傳輸介質(zhì)無(wú)線傳輸以空氣作為傳輸介質(zhì) n地面微波接力通信n衛(wèi)星通信 1.1.微波的頻率范圍為微波的頻率范圍為300MH300MHZ Z300GH300GHZ Z，但主要是使用，但主要是使用2 240GH40GHZ Z的頻率范圍。微波在空間是的頻率范圍。微波在空間是直線直線傳播的。傳播的。 d:d:天線之間的距離（天線之間的距離（KmKm）；）；h h：天線高度（：天線高度（m m）；）；K K：調(diào)節(jié)系數(shù)，與地理表面情況有關(guān)，經(jīng)驗(yàn)值：

36、調(diào)節(jié)系數(shù)，與地理表面情況有關(guān)，經(jīng)驗(yàn)值K K4/34/3；由于地面微波傳輸距離較小，一般為由于地面微波傳輸距離較小，一般為50Km50Km，如果需要進(jìn)，如果需要進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，則需要微波中繼站；行遠(yuǎn)距離傳輸，則需要微波中繼站；NEC PASOLINK系列系列：無(wú)人值守的微波中繼站；：無(wú)人值守的微波中繼站； 為了使衛(wèi)星與地面站始終保持在可視范圍內(nèi)，需為了使衛(wèi)星與地面站始終保持在可視范圍內(nèi)，需要采用同步衛(wèi)星（位于赤道上空要采用同步衛(wèi)星（位于赤道上空35784Km35784Km的軌道上）；的軌道上）； 兩個(gè)使用相同頻帶的衛(wèi)星，如果離的很近，它們兩個(gè)使用相同頻帶的衛(wèi)星，如果離的很近，它們會(huì)相互干擾，故要

37、求：會(huì)相互干擾，故要求：4 46GHz 46GHz 4121214GHz 314GHz 317-29GHz 17-29GHz 試用試用 每一顆衛(wèi)星分別使用兩個(gè)波段分別用于發(fā)送和接收；每一顆衛(wèi)星分別使用兩個(gè)波段分別用于發(fā)送和接收；uplinkuplinkdownlinkdownlink共享信道2.4 信道復(fù)用技術(shù)2.4.1 頻分復(fù)用、時(shí)分復(fù)用和統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用 n復(fù)用(multiplexing)是通信技術(shù)中的基本概念。 信道A1A2B1B2C1C2信道信道A1A2B1B2C1C2復(fù)用分用(a) 不使用復(fù)用技術(shù)(b) 使用復(fù)用技術(shù)解決鏈路利用率解決鏈路利用率; ;1 1、概述、概述v概念：多個(gè)信號(hào)共享

38、同一傳輸介質(zhì)的技術(shù)；概念：多個(gè)信號(hào)共享同一傳輸介質(zhì)的技術(shù)；v原理：原理： 一條高速物理通道 個(gè)信源 多路分用器多路復(fù)用器個(gè)輸出 NN個(gè)邏輯通道 N2、頻分多路復(fù)用技術(shù)、頻分多路復(fù)用技術(shù) （1）概念）概念復(fù)用器 分用器 S3 S1 S2 頻段 1 或邏輯信道 1 保護(hù)頻帶 頻段 2 或邏輯信道 2 頻段 3 或邏輯信道 3 保護(hù)頻帶 n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。n頻分復(fù)用的所有用戶在同樣的時(shí)間占用不同的帶寬資源（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）。 （2）原理）原理 | | | | 信道 1 | | | | 信道 2 | | | | 信道

39、3 300 3100 60 64 68 72 頻率(Hz) 頻率(Hz) (a) (b) | | | | 60 64 68 72 頻率(Hz) (c) 信道 1 信道 2 信道 3 （3）應(yīng)用實(shí)例）應(yīng)用實(shí)例-12路載波電話系統(tǒng)路載波電話系統(tǒng)載波發(fā)生器載波發(fā)生器低通低通調(diào)制調(diào)制帶通帶通低通低通調(diào)制調(diào)制帶通帶通低通低通調(diào)制調(diào)制帶通帶通1212調(diào)制調(diào)制FDM60kHz64kHz108kHz3.3.時(shí)分復(fù)用時(shí)分復(fù)用TDMTDMn時(shí)分復(fù)用則是將時(shí)間劃分為一段段等長(zhǎng)的時(shí)分復(fù)用幀（TDM 幀）。每一個(gè)時(shí)分復(fù)用的用戶在每一個(gè) TDM 幀中占用固定序號(hào)的時(shí)隙。n每一個(gè)用戶所占用的時(shí)隙是周期性地出現(xiàn)（其周期就是

40、TDM 幀的長(zhǎng)度）。nTDM 信號(hào)也稱為等時(shí)(isochronous)信號(hào)。n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。t時(shí)隙時(shí)隙時(shí)間片時(shí)間片復(fù)復(fù)用用器器分分用用器器12N12N12NTDM幀幀12N原理原理BufferBufferBuffer12NBufferBufferBuffer12N同步同步電話電話PCM速率速率（3）應(yīng)用實(shí)例）應(yīng)用實(shí)例-電話程控?cái)?shù)字通信系統(tǒng)電話程控?cái)?shù)字通信系統(tǒng)主要有：主要有：T1 / E1兩大類系統(tǒng)。兩大類系統(tǒng)。011631125S同步同步控制控制信令信令控制控制E1幀幀E1接口速率：接口速率：3280008 = 2.048Mbps每一路電話信道速率：每一路

41、電話信道速率： 80008 = 64Kbps基群速率，基群速率，Router的的E1接口（接口（ DDN ）速率）速率時(shí)分復(fù)用 頻率時(shí)間B C DB C DB C DB C DAAAAA 在 TDM 幀中的位置不變TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀時(shí)分復(fù)用 頻率時(shí)間C DC DC DAAAABBBB C DB 在 TDM 幀中的位置不變TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀時(shí)分復(fù)用 頻率時(shí)間BDBDBDAAAA BCCCC DC 在 TDM 幀中的位置不變TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀時(shí)分復(fù)用 頻率時(shí)間B CB CB CAAAA B CDDDDD 在 TDM 幀中的位置不變TDM 幀TDM 幀T