1、19.06.2020,計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)A,1,計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)ComputerNetwork信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院竇軍LectureslidesbyDouJundoujun,西南交通大學(xué),19.06.2020,計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)A,2,前言,迄今為止，我們通過“三講”討論計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)概論，內(nèi)容包括：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的概念、發(fā)展歷史（三個(gè)里程碑）、OSI/RM和Internet體系結(jié)構(gòu)和用帶外信令觀點(diǎn)重新審視OSI/RM和現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的通信子的體系結(jié)構(gòu)和觀察未來的網(wǎng)絡(luò)通信子網(wǎng)結(jié)構(gòu)。下面開始分6講進(jìn)行第二單元內(nèi)容的討論：物理層與數(shù)據(jù)兩路層技術(shù)物理層技術(shù)（教材第二章，2講）數(shù)據(jù)鏈路層技術(shù)（教材第三章，2講）局域網(wǎng)物理層與數(shù)據(jù)鏈路層技術(shù)

2、（教材第4章，2講）Comment:嚴(yán)格地講，應(yīng)當(dāng)是起源于局域網(wǎng)的技術(shù)。,19.06.2020,計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)A,3,19.06.2020,計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)A,4,教材第二章目錄（*為重點(diǎn)）*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信道的最高碼元傳輸速率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2.4模擬傳輸與數(shù)字傳輸2.4.1模擬傳輸系統(tǒng)*2.4.2調(diào)制解調(diào)器*2.4.3數(shù)字傳輸系統(tǒng),19.06.2020,計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)A,5,*2.5信道復(fù)用技術(shù)2.5.1頻分復(fù)用、

3、時(shí)分復(fù)用和統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用2.5.2波分復(fù)用2.5.3碼分復(fù)用*2.6同步光纖網(wǎng)SONET和同步數(shù)字系列SDH（補(bǔ)充PDH參考閱讀材料）將1.4*節(jié)：“計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)主要性能指標(biāo)”移至此處討論）2.7物理層標(biāo)準(zhǔn)舉例2.7.1EIA-232-E接口標(biāo)準(zhǔn)2.7.2RS-449接口標(biāo)準(zhǔn),19.06.2020,計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)A,6,Comments:對比OSI物理層功能概述表與教材第2章講述的內(nèi)容可以看出：通信技術(shù)與物理層關(guān)系密切，而OSI物理層通常只是以某種通信技術(shù)為支撐技術(shù)，討論的重點(diǎn)放在“端系統(tǒng)-網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)或網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)-網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的接口或協(xié)議部分”。當(dāng)涉及新的通信技術(shù)時(shí)，相關(guān)的物理層文本將花大力氣去討論相關(guān)的

4、問題（調(diào)制、編碼、復(fù)用和通信技術(shù)的某些細(xì)節(jié))。本單元原則上按照教材的順序和內(nèi)容講述，但做必要的刪減或補(bǔ)充。本章的內(nèi)容的講稿將主要借用謝希仁教授第4版光盤中的PPT，但部分欠妥的內(nèi)容將加以說明！,19.06.2020,計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)A,7,2.1物理層的基本概念,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：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。注意前面的COMMENTS!,19.06.2020,計(jì)

5、算機(jī)網(wǎng)絡(luò)A,8,2.2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,正文,19.06.2020,計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)A,9,幾個(gè)術(shù)語,數(shù)據(jù)(data)運(yùn)送信息的實(shí)體。信號(hào)(signal)數(shù)據(jù)的電氣的或電磁的表現(xiàn)?！澳M的”(analogous)連續(xù)變化的。“數(shù)字的”(digital)取值是離散數(shù)值（其物理表達(dá)形式通常為脈沖）。調(diào)制把數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)的過程。?？解調(diào)把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的過程。,19.06.2020,計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)A,10,Modulationistheprocessofvaryingacarriersignalinordertousethatsignaltoconveyinfor

6、mation.Thethreekeyparametersofasinusoidareitsamplitude,itsphaseanditsfrequency,allofwhichcanbemodifiedinaccordancewithaninformationsignaltoobtainthemodulatedsignal.Adevicethatperformsmodulationisknownasamodulatorandadevicethatperformstheinverseoperationofdemodulationisknownasademodulator.Adevicethat

7、candobothoperationsisamodem(acontractionofthetwoterms).Indigitalmodulation,thechangesinthesignalarechosenfromafixedlist(themodulationalphabet)eachentryofwhichconveysadifferentpossiblepieceofinformation(asymbol).Thealphabetisoftenconvenientlyrepresentedonaconstellationdiagram.Inanalogmodulation,thech

8、angeisappliedcontinuouslyinresponsetothedatasignal.Themodulationmaybeappliedtovariousaspectsofthesignalasthelistsbelowindicate.,19.06.2020,計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)A,11,建議：分清“調(diào)制信號(hào)”和“被調(diào)制信號(hào)”（載波）及各信號(hào)是“模擬”還是“數(shù)字”信號(hào)。分別用以下幾種情況來理解其屬性和實(shí)質(zhì)：“模調(diào)?！蹦M信號(hào)調(diào)制模擬信號(hào)例如：中、短波廣播（調(diào)幅）、調(diào)頻廣播和電視圖像（調(diào)頻）、電視伴音（調(diào)相）“數(shù)調(diào)?！庇脭?shù)字信號(hào)調(diào)制模擬信號(hào)，數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)（包括計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)）中大量使用，例如

9、傳統(tǒng)調(diào)制解調(diào)器（用計(jì)算機(jī)的數(shù)字信號(hào)改變2KHz的正弦載波信號(hào)）“模調(diào)數(shù)”用模擬信號(hào)改變數(shù)字信號(hào)的（脈沖幅度、寬度和位置等），例如電話網(wǎng)中，話音（模擬）信號(hào)改變等幅脈沖信號(hào)的幅度，獲得PAM(脈幅調(diào)制）。,19.06.2020,計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)A,12,模擬的和數(shù)字的數(shù)據(jù)、信號(hào),Comment:在電話交換網(wǎng)中PAMPCM,19.06.2020,計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)A,13,2.2.2有關(guān)信號(hào)的幾個(gè)基本概念,單向通信（單工通信）只能有一個(gè)方向的通信而沒有反方向的交互。雙向交替通信（半雙工通信）通信的雙方都可以發(fā)送信息，但不能雙方同時(shí)發(fā)送(當(dāng)然也就不能同時(shí)接收)。雙向同時(shí)通信（全雙工通信）通信的雙方可以同時(shí)發(fā)送和接

10、收信息。,19.06.2020,計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)A,14,基帶(baseband)和寬帶(broadband)信號(hào),基帶信號(hào)就是將數(shù)字信號(hào)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。寬帶信號(hào)則是將基帶信號(hào)進(jìn)行調(diào)制后形成的頻分復(fù)用模擬信號(hào)。?建議理解為“調(diào)制后的信號(hào)”?！皩拵А迸c“窄帶”是個(gè)不嚴(yán)格的相對定語，ITU曾經(jīng)將27Kbps速率的調(diào)制解調(diào)器稱為“寬帶調(diào)制解調(diào)器”，近年來“寬帶”常指Mbps的傳輸速率。用帶的寬窄來描述傳輸速率的高低實(shí)為誤用，但已經(jīng)習(xí)以為常。反例：普通調(diào)制解調(diào)器利用數(shù)字信號(hào)去調(diào)制2KHz模擬信號(hào)獲得的速率2.4Kbps-56Kbps的調(diào)制信號(hào)絕不能視為寬帶信號(hào)！,19

11、.06.2020,計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)A,15,2.2.3信道的最高碼元傳輸速率,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多種干擾。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。,19.06.2020,計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)A,16,數(shù)字信號(hào)通過實(shí)際的信道,19.06.2020,計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)A,17,奈氏(Nyquist)準(zhǔn)則,19.06.2020,計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)A,18,另一種形式的奈氏準(zhǔn)則,19.06.2020,計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)A,19,要強(qiáng)調(diào)以下兩點(diǎn),實(shí)際的信道所能傳輸?shù)淖罡叽a元速率，要明顯地低于奈氏準(zhǔn)則給出上限數(shù)值。波特(Baud)和比特(bit)是兩個(gè)不同的概念。

12、波特是碼元傳輸?shù)乃俾蕟挝唬棵雮鞫嗌賯€(gè)碼元）。碼元傳輸速率也稱為調(diào)制速率、波形速率或符號(hào)速率。比特是信息量的單位。,19.06.2020,計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)A,20,要注意,信息的傳輸速率“比特/秒”與碼元的傳輸速率“波特”在數(shù)量上卻有一定的關(guān)系。若1個(gè)碼元只攜帶1bit的信息量，則“比特/秒”和“波特”在數(shù)值上相等。若1個(gè)碼元攜帶nbit的信息量，則MBaud的碼元傳輸速率所對應(yīng)的信息傳輸速率為Mnb/s。,19.06.2020,計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)A,21,2.2.4信道的極限信息傳輸速率,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(cuò)的信息傳輸速率。信道的極限信

13、息傳輸速率C可表達(dá)為C=Wlog2(1+S/N)b/sW為信道的帶寬（以Hz為單位）；S為信道內(nèi)所傳信號(hào)的平均功率；N為信道內(nèi)部的高斯噪聲功率。,19.06.2020,計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)A,22,香農(nóng)公式表明,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。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實(shí)現(xiàn)無差錯(cuò)的傳輸。若信道帶寬W或信噪比S/N沒有上限（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也就沒有上限。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。,19.06.2020,計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)A,23,奈氏準(zhǔn)則和香農(nóng)公式在數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中的作用

14、范圍,19.06.2020,計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)A,24,2.3物理層下面的傳輸媒體,19.06.2020,計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)A,25,2.3.1導(dǎo)向傳輸媒體,雙絞線屏蔽雙絞線STP(ShieldedTwistedPair)無屏蔽雙絞線UTP(UnshieldedTwistedPair)同軸電纜50同軸電纜75同軸電纜光纜,19.06.2020,計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)A,26,各種電纜,19.06.2020,計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)A,27,光線在光纖中的折射,有關(guān)折射與反射原理請參見下頁！,19.06.2020,計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)A,28,光線從折射率為n0的空氣中以入射角投向折射率為n1的光芯，根據(jù)光折射定律，在空氣與光芯端面上有：n0si

15、n=n1sin1（3.1)當(dāng)入射角n0，故1c，則該光線將以（=）反射回光芯，即發(fā)生全反射。在這種情況下，光線會(huì)在光芯與包層間經(jīng)過多次反射，最終以折線形式沿光芯軸線方向傳播。光纖通信就希望光線盡量在光纖內(nèi)發(fā)生全反射，使之沿光芯傳播，盡量減少光從包層泄露出去。,參考頁,19.06.2020,計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)A,29,光纖的工作原理,高折射率(纖芯),低折射率(包層),光線在纖芯中傳輸?shù)姆绞绞遣粩嗟厝瓷?19.06.2020,計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)A,30,多模光纖與單模光纖,19.06.2020,計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)A,31,2.3.2非導(dǎo)向傳輸媒體,無線傳輸所使用的頻段很廣。短波通信主要是靠電離層的反射，但短波信道的通

16、信質(zhì)量較差。微波在空間主要是直線傳播。地面微波接力通信衛(wèi)星通信,19.06.2020,計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)A,32,2.4模擬傳輸與數(shù)字傳輸2.4.1模擬傳輸系統(tǒng),長途干線最初采用頻分復(fù)用FDM的傳輸方式FDM(FrequencyDivisionMultiplexing)目前我國長途通信線路已實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化，因而現(xiàn)在的模擬通信電路就只剩下從用戶電話機(jī)到市話交換機(jī)之間的這一段幾公里長的用戶線上。,19.06.2020,計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)A,33,2.4.2調(diào)制解調(diào)器,數(shù)據(jù)經(jīng)過模擬傳輸系統(tǒng)后會(huì)出現(xiàn)差錯(cuò)。,19.06.2020,計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)A,34,調(diào)制解調(diào)器的作用,調(diào)制解調(diào)器(modem)包括：調(diào)制器(MOdulato

17、r)：把要發(fā)送的數(shù)字信號(hào)的某些特性，轉(zhuǎn)換為頻率范圍在3003400Hz之間的模擬信號(hào)的某些特性，以便在電話用戶線上傳送的模擬信號(hào)就攜帶了數(shù)字信號(hào)的某些信息。解調(diào)器(DEModulator)：進(jìn)行和調(diào)制器相反的變化，把模擬信號(hào)攜帶的數(shù)字信號(hào)的特性提取出來。本書中的調(diào)制解調(diào)器是指使用在標(biāo)準(zhǔn)的二線模擬話路（3.1kHz的標(biāo)準(zhǔn)話路帶寬）上的調(diào)制解調(diào)器。,19.06.2020,計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)A,35,調(diào)制解調(diào)器的作用（續(xù)）,調(diào)制器的主要作用就是個(gè)波形變換器，它把基帶數(shù)字信號(hào)的波形變換成適合于模擬信道傳輸?shù)牟ㄐ谓庹{(diào)器的作用就是個(gè)波形識(shí)別器，它將經(jīng)過調(diào)制器變換過的模擬信號(hào)恢復(fù)成原來的數(shù)字信號(hào)。若識(shí)別不正確，則產(chǎn)

18、生誤碼。在調(diào)制解調(diào)器中還要有差錯(cuò)檢測和糾正的設(shè)施。,19.06.2020,計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)A,36,幾種最基本的調(diào)制方法,調(diào)制就是進(jìn)行波形變換（頻譜變換）。最基本的二元制調(diào)制方法有以下幾種：調(diào)幅(AM)：載波的振幅隨基帶數(shù)字信號(hào)而變化。調(diào)頻(FM)：載波的頻率隨基帶數(shù)字信號(hào)而變化。調(diào)相(PM)：載波的初始相位隨基帶數(shù)字信號(hào)而變化。,19.06.2020,計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)A,37,對基帶數(shù)字信號(hào)的幾種調(diào)制方法,19.06.2020,計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)A,38,一種正交調(diào)制QAM,QAM(QuadratureAmplitudeModulation),19.06.2020,計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)A,39,調(diào)制解調(diào)器的速率,目前調(diào)制解調(diào)器的信息傳輸速率已很接近于香農(nóng)的信道容量極限了。要提高信息傳輸速率，只能設(shè)法提高信噪比。在電話的用戶線上，最大的噪聲來自模擬到數(shù)字的模數(shù)轉(zhuǎn)換所帶來的量化噪聲。,19.06.2020,計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)A,40,產(chǎn)生量化噪聲的地方（經(jīng)過A/D變化的地方）,使用V.34調(diào)制解調(diào)器（33.6kb/s）,19.06