計算機網(wǎng)絡(luò)第8章

1、Nankai University計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)教程計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)教程自頂向下的分析與設(shè)計方法自頂向下的分析與設(shè)計方法吳功宜吳功宜 吳英吳英編著編著1Nankai University第第8章章 物理層與物理層與物理層協(xié)議物理層協(xié)議2Nankai University3Nankai University8.1 物理層的基本概念物理層的基本概念8.8.1 物理層的主要服務(wù)功能物理層的主要服務(wù)功能物理連接的建立、維護物理連接的建立、維護與釋放與釋放比特流的傳輸比特流的傳輸4Nankai University8.1.2 物理層協(xié)議的類型物理層協(xié)議的類型物理線路的類型物理線路的類型計算機網(wǎng)絡(luò)使用的通信

2、信道分為兩計算機網(wǎng)絡(luò)使用的通信信道分為兩類類： 點點-點通信線路點通信線路 廣播通信線路廣播通信線路5Nankai University點點-點通信線路的物理層協(xié)議點通信線路的物理層協(xié)議 電話線路是典型的點電話線路是典型的點-點通信線路；點通信線路； 家庭的個人計算機可以使用家庭的個人計算機可以使用ADSL調(diào)調(diào)制解調(diào)器，通過電話線路接入制解調(diào)器，通過電話線路接入ISP； 兩個兩個ADSL調(diào)制解調(diào)器之間通過電話調(diào)制解調(diào)器之間通過電話線路傳輸比特流所遵循的通信協(xié)議線路傳輸比特流所遵循的通信協(xié)議就是一種點就是一種點-點通信線路的物理層協(xié)點通信線路的物理層協(xié)議。議。6Nankai University

3、廣播通信線路的物理層協(xié)議廣播通信線路的物理層協(xié)議 廣播通信線路又分為有線與無線兩種；廣播通信線路又分為有線與無線兩種； 傳統(tǒng)的傳輸速率為傳統(tǒng)的傳輸速率為10Mbps的的Ethernet協(xié)協(xié)議標準議標準802.3是一種針對共享總線傳輸介是一種針對共享總線傳輸介質(zhì)的物理層協(xié)議；質(zhì)的物理層協(xié)議； 無線局域網(wǎng)協(xié)議標準無線局域網(wǎng)協(xié)議標準802.11是一種針對是一種針對共享無線通信信道的物理層協(xié)議。共享無線通信信道的物理層協(xié)議。7Nankai University8.2 數(shù)據(jù)通信的基本概念數(shù)據(jù)通信的基本概念8.2.1 信息與數(shù)據(jù)信息與數(shù)據(jù) 通信的目的是交換信息，信息的載體可通信的目的是交換信息，信息的載體

4、可以是文字、語音、圖形或圖像；以是文字、語音、圖形或圖像； 為了傳送這些信息，首先要將字母、數(shù)為了傳送這些信息，首先要將字母、數(shù)字、語音、圖形或圖像用二進制代碼來字、語音、圖形或圖像用二進制代碼來表示；表示； 為了傳輸二進制代碼的數(shù)據(jù)，必須將它為了傳輸二進制代碼的數(shù)據(jù)，必須將它們用模擬或數(shù)字信號編碼的方式表示。們用模擬或數(shù)字信號編碼的方式表示。8Nankai University8.2.2 信號的基本概念信號的基本概念 信號是數(shù)據(jù)在傳輸過程中電信號的表示形式；信號是數(shù)據(jù)在傳輸過程中電信號的表示形式； 信號分為模擬信號與數(shù)字信號兩類；信號分為模擬信號與數(shù)字信號兩類； 模擬信號的電平連續(xù)變化；模擬

5、信號的電平連續(xù)變化； 數(shù)字信號的電平以脈沖變化；數(shù)字信號的電平以脈沖變化；模擬信號模擬信號與數(shù)字信號與數(shù)字信號波形波形9Nankai University8.3 數(shù)據(jù)編碼技術(shù)數(shù)據(jù)編碼技術(shù)8.3.1 數(shù)據(jù)編碼類型數(shù)據(jù)編碼類型10Nankai University8.3.2 模擬數(shù)據(jù)編碼方法模擬數(shù)據(jù)編碼方法11Nankai University8.3.3 數(shù)字數(shù)據(jù)編碼方法數(shù)字數(shù)據(jù)編碼方法12Nankai University曼徹斯特（曼徹斯特（manchester）編碼）編碼 曼徹斯特編碼是應(yīng)用最廣泛的編碼方法之一；曼徹斯特編碼是應(yīng)用最廣泛的編碼方法之一； 曼徹斯特編碼的規(guī)則是：每比特的周期曼徹斯

6、特編碼的規(guī)則是：每比特的周期T分為分為前前T/2與后與后T/2兩部分；通過前兩部分；通過前T/2傳送該比特傳送該比特的反碼，通過后的反碼，通過后T/2傳送該比特的原碼；傳送該比特的原碼； 曼徹斯特編碼的優(yōu)點是：每個比特的中間有一曼徹斯特編碼的優(yōu)點是：每個比特的中間有一次電平跳變，兩次電平跳變的時間間隔可以是次電平跳變，兩次電平跳變的時間間隔可以是T/2或或T，利用電平跳變可以產(chǎn)生收發(fā)雙方的同，利用電平跳變可以產(chǎn)生收發(fā)雙方的同步信號；步信號； 曼徹斯特編碼信號稱為曼徹斯特編碼信號稱為“自含鐘編碼自含鐘編碼”信號，發(fā)信號，發(fā)送曼徹斯特編碼信號時無需另發(fā)同步信號。送曼徹斯特編碼信號時無需另發(fā)同步信號

7、。13Nankai University差分曼徹斯特（差分曼徹斯特（difference manchester）編碼）編碼 差分曼徹斯特編碼是對曼徹斯特編碼的差分曼徹斯特編碼是對曼徹斯特編碼的改進；改進； 差分曼徹斯特編碼與曼徹斯特編碼不同差分曼徹斯特編碼與曼徹斯特編碼不同點是：每比特的中間跳變僅做同步使用點是：每比特的中間跳變僅做同步使用，每比特的值根據(jù)其開始邊界是否跳變，每比特的值根據(jù)其開始邊界是否跳變來決定；來決定； 某個比特開始處發(fā)生電平跳變表示傳輸某個比特開始處發(fā)生電平跳變表示傳輸二進制二進制“0”；不發(fā)生跳變表示傳輸二進制；不發(fā)生跳變表示傳輸二進制“1”。14Nankai Univ

8、ersity脈沖編碼調(diào)制方法脈沖編碼調(diào)制方法 脈沖編碼調(diào)制（脈沖編碼調(diào)制（PCM）是模擬數(shù)據(jù)數(shù)字化的主）是模擬數(shù)據(jù)數(shù)字化的主要方法；要方法； PCM的工作原理示意圖的工作原理示意圖15Nankai University PCM操作包括：采樣、量化與編碼；操作包括：采樣、量化與編碼；采樣采樣 采樣是隔一定的時間間隔，將模擬信號的電平采樣是隔一定的時間間隔，將模擬信號的電平幅度取出作為樣本，讓其表示原來的信號；幅度取出作為樣本，讓其表示原來的信號； 采樣頻率采樣頻率f應(yīng)為：應(yīng)為：f2B或或f=1/T2fmax。 其中，其中，B為通信信道帶寬，為通信信道帶寬，T為采樣周期，為采樣周期，fmax為信道

9、允許通過的信號最高頻率；為信道允許通過的信號最高頻率； 如果以大于或等于通信信道帶寬如果以大于或等于通信信道帶寬2倍的速率對倍的速率對信號采樣，其樣本可以包含足以重構(gòu)原模擬信信號采樣，其樣本可以包含足以重構(gòu)原模擬信號的所有信息。號的所有信息。16Nankai University量化量化 量化是將樣本幅度按量化級決定取值的過程；量化是將樣本幅度按量化級決定取值的過程； 經(jīng)過量化后的樣本幅度為離散的量級值，已不經(jīng)過量化后的樣本幅度為離散的量級值，已不是連續(xù)值；是連續(xù)值；17Nankai University編碼編碼 編碼是用相應(yīng)位數(shù)的二進制代碼表示量化后的編碼是用相應(yīng)位數(shù)的二進制代碼表示量化后的

10、樣本的量級；樣本的量級； 當當PCM用于數(shù)字化語音系統(tǒng)時，它將聲音分為用于數(shù)字化語音系統(tǒng)時，它將聲音分為128個量化級，每個量化級采用個量化級，每個量化級采用7位二進制編碼位二進制編碼表示；表示； PCM可以用于計算機中的圖形、圖像數(shù)字化與可以用于計算機中的圖形、圖像數(shù)字化與傳輸處理中；傳輸處理中； PCM的缺點是采用二進制編碼，由于使用的二的缺點是采用二進制編碼，由于使用的二進制位數(shù)較多，因此進制位數(shù)較多，因此PCM的編碼效率比較低。的編碼效率比較低。18Nankai University8.4 數(shù)據(jù)傳輸類型與通信方式數(shù)據(jù)傳輸類型與通信方式8.4.1 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)19

11、Nankai University8.4.2 數(shù)據(jù)通信方式數(shù)據(jù)通信方式設(shè)計一個數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)需要回答設(shè)計一個數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)需要回答以下以下3個基本問題個基本問題： 串行通信與并行通信串行通信與并行通信 單工、半雙工與全雙工通信單工、半雙工與全雙工通信 同步技術(shù)同步技術(shù)20Nankai University串行通信串行通信與并行通信與并行通信21Nankai University單工、半雙工與全雙工通信單工、半雙工與全雙工通信22Nankai University同步技術(shù)同步技術(shù)同步是保持通信雙方在時間基準上保持一致的過程；同步是保持通信雙方在時間基準上保持一致的過程；數(shù)據(jù)通信的同步包括以下兩種類型

12、：數(shù)據(jù)通信的同步包括以下兩種類型： 位同步位同步 字符同步字符同步實現(xiàn)位同步的方法主要有兩種：實現(xiàn)位同步的方法主要有兩種： 外同步法外同步法 內(nèi)同步法內(nèi)同步法實現(xiàn)字符同步的方法主要有兩種：實現(xiàn)字符同步的方法主要有兩種： 同步式同步式 異步式異步式23Nankai University實現(xiàn)字符同步的同步傳輸方法實現(xiàn)字符同步的同步傳輸方法 采用同步方式進行數(shù)據(jù)傳輸稱為同步傳輸；采用同步方式進行數(shù)據(jù)傳輸稱為同步傳輸； 同步傳輸將字符組織成組，以組為單位連續(xù)傳送；同步傳輸將字符組織成組，以組為單位連續(xù)傳送； 每組字符之前加上一個或多個用于同步控制的同步字每組字符之前加上一個或多個用于同步控制的同步字符

13、符SYN，每個數(shù)據(jù)字符內(nèi)不加附加位；，每個數(shù)據(jù)字符內(nèi)不加附加位； 接收端接收到同步字符接收端接收到同步字符SYN后，根據(jù)后，根據(jù)SYN來確定數(shù)據(jù)來確定數(shù)據(jù)字符的起始與終止，以實現(xiàn)同步傳輸?shù)墓δ堋Ｗ址钠鹗寂c終止，以實現(xiàn)同步傳輸?shù)墓δ堋?4Nankai University異步傳輸異步傳輸 異步傳輸?shù)拿總€字符作為一個獨立的整體進行異步傳輸?shù)拿總€字符作為一個獨立的整體進行發(fā)送，字符之間的時間間隔可以是任意的發(fā)送，字符之間的時間間隔可以是任意的; 為了實現(xiàn)字符同步，每個字符的第一位前加為了實現(xiàn)字符同步，每個字符的第一位前加1位起始位（邏輯位起始位（邏輯“1”），字符的最后一位后加），字符的最后一位后

14、加1或或2位終止位（邏輯位終止位（邏輯“0”）;25Nankai University 在實際問題中，人們也將同步傳輸在實際問題中，人們也將同步傳輸稱為同步通信，將異步傳輸成為異稱為同步通信，將異步傳輸成為異步通信步通信; 同步通信比異步通信的傳輸效率要同步通信比異步通信的傳輸效率要高，因此同步通信更適用于高速數(shù)高，因此同步通信更適用于高速數(shù)據(jù)傳輸。據(jù)傳輸。26Nankai University8.5 傳輸介質(zhì)的主要類型傳輸介質(zhì)的主要類型傳輸介質(zhì)是網(wǎng)絡(luò)中連接收發(fā)雙方的物理通傳輸介質(zhì)是網(wǎng)絡(luò)中連接收發(fā)雙方的物理通路，也是通信中實際傳送信息的載體；路，也是通信中實際傳送信息的載體；網(wǎng)絡(luò)中常用的傳輸介

15、質(zhì)有網(wǎng)絡(luò)中常用的傳輸介質(zhì)有： 雙絞線雙絞線 同軸電纜同軸電纜 光纖電纜光纖電纜 無線與衛(wèi)星通信信道無線與衛(wèi)星通信信道27Nankai University8.5.1 雙絞線的主要特性雙絞線的主要特性 雙絞線由按規(guī)則螺旋結(jié)構(gòu)排列的雙絞線由按規(guī)則螺旋結(jié)構(gòu)排列的2根、根、4根或根或8根絕緣導(dǎo)線組成；根絕緣導(dǎo)線組成； 一對導(dǎo)線可以作為一條通信線路，各個線對螺一對導(dǎo)線可以作為一條通信線路，各個線對螺旋排列的目的是為了使各線對之間的電磁干擾旋排列的目的是為了使各線對之間的電磁干擾最?。蛔钚。?局域網(wǎng)中所使用的雙絞線分為兩類：局域網(wǎng)中所使用的雙絞線分為兩類： 屏蔽雙絞屏蔽雙絞線（線（STP）與非屏蔽雙絞線（

16、）與非屏蔽雙絞線（UTP）；）；28Nankai University雙絞線的基本結(jié)構(gòu)雙絞線的基本結(jié)構(gòu)29Nankai University8.5.2 同軸電纜的主要特性同軸電纜的主要特性 同軸電纜由內(nèi)導(dǎo)體、絕緣層、外屏蔽層同軸電纜由內(nèi)導(dǎo)體、絕緣層、外屏蔽層及外部保護層組成；及外部保護層組成； 同軸介質(zhì)的特性參數(shù)由內(nèi)導(dǎo)體、外屏蔽同軸介質(zhì)的特性參數(shù)由內(nèi)導(dǎo)體、外屏蔽層及絕緣層的電參數(shù)與機械尺寸決定；層及絕緣層的電參數(shù)與機械尺寸決定； 同軸電纜的特點是抗干擾能力較強；同軸電纜的特點是抗干擾能力較強； 同軸電纜根據(jù)帶寬可以分為兩類：基帶同軸電纜根據(jù)帶寬可以分為兩類：基帶同軸電纜與寬帶同軸電纜。同軸電纜

17、與寬帶同軸電纜。30Nankai University同軸電纜的基本結(jié)構(gòu)同軸電纜的基本結(jié)構(gòu)31Nankai University8.5.3 光纖的主要特性光纖的主要特性 光纖是傳輸介質(zhì)中性能最好、應(yīng)用前途最廣泛光纖是傳輸介質(zhì)中性能最好、應(yīng)用前途最廣泛的一種；的一種； 光纖是一種直徑為光纖是一種直徑為50100m的柔軟、能傳導(dǎo)的柔軟、能傳導(dǎo)光波的介質(zhì)，多種玻璃和塑料可以用來制造光光波的介質(zhì)，多種玻璃和塑料可以用來制造光纖，其中使用超高純度石英玻璃纖維制作的光纖，其中使用超高純度石英玻璃纖維制作的光纖的纖芯可以得到最低的傳輸損耗；纖的纖芯可以得到最低的傳輸損耗； 在折射率較高的纖芯外面，用折射率較

18、低的包在折射率較高的纖芯外面，用折射率較低的包層包裹起來，外部包裹涂覆層，這樣就可以構(gòu)層包裹起來，外部包裹涂覆層，這樣就可以構(gòu)成一條光纖；成一條光纖； 多條光纖組成一束構(gòu)成一條光纜。多條光纖組成一束構(gòu)成一條光纜。32Nankai University 光纖通過內(nèi)部的全反射來傳輸一束經(jīng)過編碼的光纖通過內(nèi)部的全反射來傳輸一束經(jīng)過編碼的光信號；光信號； 由于光纖的折射系數(shù)高于外部包層的折射系數(shù)由于光纖的折射系數(shù)高于外部包層的折射系數(shù)，因此可以形成光波在光纖與包層的界面上的，因此可以形成光波在光纖與包層的界面上的全反射；全反射； 光纖結(jié)構(gòu)光纖結(jié)構(gòu)與傳輸原理與傳輸原理33Nankai Universit

19、y典型的光纖傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)典型的光纖傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在發(fā)送端，使用發(fā)光二極管（在發(fā)送端，使用發(fā)光二極管（LED）或注入型激光二極管）或注入型激光二極管（ILD）作為光源；）作為光源；在接收端，使用光電二極管在接收端，使用光電二極管PIN檢波器或檢波器或APD檢波器將光檢波器將光信號轉(zhuǎn)換成電信號；信號轉(zhuǎn)換成電信號；光載波調(diào)制方法采用振幅鍵控光載波調(diào)制方法采用振幅鍵控ASK調(diào)制方法，即亮度調(diào)制調(diào)制方法，即亮度調(diào)制；光纖傳輸速率可以達到光纖傳輸速率可以達到Gbps的量級。的量級。34Nankai University8.5.4 無線與衛(wèi)星通信技術(shù)無線與衛(wèi)星通信技術(shù)微波通信微波通信 頻率在頻率在100MHz

20、10GHz之間的信號叫做微波信號；之間的信號叫做微波信號； 微波信號只能進行視距傳播；微波信號只能進行視距傳播； 由于微波信號的波長比較短，因此可以利用尺寸較小由于微波信號的波長比較短，因此可以利用尺寸較小的拋物面天線，就可以將微波信號能量集中在一個很的拋物面天線，就可以將微波信號能量集中在一個很小的波束內(nèi)發(fā)送出去，這樣就可以用很小的發(fā)射功率小的波束內(nèi)發(fā)送出去，這樣就可以用很小的發(fā)射功率來進行遠距離通信；來進行遠距離通信； 微波信號的頻率很高，因此可以獲得較大的通信帶寬微波信號的頻率很高，因此可以獲得較大的通信帶寬，特別適合于衛(wèi)星通信與城市建筑物之間的通信。，特別適合于衛(wèi)星通信與城市建筑物之間

21、的通信。35Nankai University蜂窩無線通信蜂窩無線通信 為了提高覆蓋區(qū)域的系統(tǒng)容量與充分利用頻率為了提高覆蓋區(qū)域的系統(tǒng)容量與充分利用頻率資源，人們提出了小區(qū)制的概念；資源，人們提出了小區(qū)制的概念； 將一個大區(qū)制覆蓋的區(qū)域劃分成多個小區(qū)，在將一個大區(qū)制覆蓋的區(qū)域劃分成多個小區(qū)，在每個小區(qū)（每個小區(qū)（cell）中設(shè)立一個基站（）中設(shè)立一個基站（base station），通過基站在用戶的移動臺（），通過基站在用戶的移動臺（mobile station）之間建立通信；）之間建立通信； 由若干個小區(qū)構(gòu)成的覆蓋區(qū)稱為區(qū)群。由若干個小區(qū)構(gòu)成的覆蓋區(qū)稱為區(qū)群。 由于區(qū)群的結(jié)構(gòu)酷似蜂窩，因此小

22、區(qū)制移動通由于區(qū)群的結(jié)構(gòu)酷似蜂窩，因此小區(qū)制移動通信系統(tǒng)又稱為蜂窩移動通信系統(tǒng)。信系統(tǒng)又稱為蜂窩移動通信系統(tǒng)。36Nankai University 在每個小區(qū)設(shè)立一個（或多個）基站，它與若在每個小區(qū)設(shè)立一個（或多個）基站，它與若干個移動站建立無線通信鏈路；干個移動站建立無線通信鏈路； 區(qū)群中各小區(qū)的基站之間可以通過電纜、光纜區(qū)群中各小區(qū)的基站之間可以通過電纜、光纜或微波鏈路與移動交換中心連接；或微波鏈路與移動交換中心連接； 移動交換中心通過電路與市話交換局連接，從移動交換中心通過電路與市話交換局連接，從而構(gòu)成一個完整的蜂窩移動通信的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。而構(gòu)成一個完整的蜂窩移動通信的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。蜂窩移動通

23、信蜂窩移動通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖：37Nankai University 1995年出現(xiàn)的第一代移動通信是模擬方式，用年出現(xiàn)的第一代移動通信是模擬方式，用戶的語音信息以模擬信號方式傳輸?shù)?；戶的語音信息以模擬信號方式傳輸?shù)模?1997年出現(xiàn)的第二代（年出現(xiàn)的第二代（2nd Generation，2G）移動通信采用移動通信采用GSM、TDMA等數(shù)字制式，使等數(shù)字制式，使得手機能夠接入互聯(lián)網(wǎng)；得手機能夠接入互聯(lián)網(wǎng)； 第三代（第三代（3rd Generation，3G）移動通信能夠）移動通信能夠在全球范圍內(nèi)更好地實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)的無縫漫游，在全球范圍內(nèi)更好地實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)的無縫漫游，使用手機來處理音樂

24、、圖像、視頻，瀏覽網(wǎng)頁使用手機來處理音樂、圖像、視頻，瀏覽網(wǎng)頁，參加電話會議，開展電子商務(wù)活動，；，參加電話會議，開展電子商務(wù)活動，； 第四代（第四代（4G）移動通信技術(shù)正在研究中。）移動通信技術(shù)正在研究中。38Nankai University衛(wèi)星通信衛(wèi)星通信 衛(wèi)星通信具有通信距離遠、費用與通信距離無衛(wèi)星通信具有通信距離遠、費用與通信距離無關(guān)、覆蓋面積大、不受地理條件限制、通信信關(guān)、覆蓋面積大、不受地理條件限制、通信信道帶寬大、可進行多址通信與移動通信的優(yōu)點道帶寬大、可進行多址通信與移動通信的優(yōu)點，成為現(xiàn)代主要的通信手段之一。，成為現(xiàn)代主要的通信手段之一。 衛(wèi)星通信的工作原理示意圖衛(wèi)星通信的

25、工作原理示意圖：39Nankai University8.6 數(shù)據(jù)傳輸速率的定義與信道速率的極限數(shù)據(jù)傳輸速率的定義與信道速率的極限8.6.1 數(shù)據(jù)傳輸速率的定義數(shù)據(jù)傳輸速率的定義 數(shù)據(jù)傳輸速率等于每秒傳輸構(gòu)成數(shù)據(jù)代碼的二數(shù)據(jù)傳輸速率等于每秒傳輸構(gòu)成數(shù)據(jù)代碼的二進制比特數(shù)，單位為進制比特數(shù)，單位為bit/s，表示為，表示為bps； 常用的數(shù)據(jù)傳輸速率單位有：常用的數(shù)據(jù)傳輸速率單位有： kbps、Mbps、Gbps與與Tbps。其中：。其中： 1kbps=1103 bps 1Mbps=1106 bps 1Gbps=1109 bps 1Tbps=11012 bps40Nankai Universit

26、y“調(diào)制速率調(diào)制速率”與與“波特率波特率” 調(diào)制速率描述模擬數(shù)據(jù)信號傳輸過程中調(diào)制速率描述模擬數(shù)據(jù)信號傳輸過程中調(diào)制解調(diào)器每秒鐘載波調(diào)制狀態(tài)改變的調(diào)制解調(diào)器每秒鐘載波調(diào)制狀態(tài)改變的數(shù)值，單位是數(shù)值，單位是1/s，稱為波特（，稱為波特（baud），），調(diào)制速率也稱為波特率；調(diào)制速率也稱為波特率； 數(shù)據(jù)傳輸速率數(shù)據(jù)傳輸速率S（單位為（單位為bps）與調(diào)制速）與調(diào)制速率率B（單位為（單位為baud）之間關(guān)系可以表示）之間關(guān)系可以表示為：為：S=Blog2k，式中，式中k為多相調(diào)制的相為多相調(diào)制的相數(shù)；數(shù)；41Nankai University調(diào)制速率與數(shù)據(jù)傳輸速率的關(guān)系調(diào)制速率與數(shù)據(jù)傳輸速率的關(guān)系4

27、2 調(diào)制調(diào)制速率（速率（baud） 多多相調(diào)制的相數(shù)相調(diào)制的相數(shù) 數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)傳輸速率（傳輸速率（bps） 1200 二相調(diào)制（二相調(diào)制（k=2） 1200 1200 四相調(diào)制（四相調(diào)制（k=4） 2400 1200 八相調(diào)制（八相調(diào)制（k=8） 3600 1200 十六相調(diào)制（十六相調(diào)制（k=16） 4800Nankai University8.6.2 奈奎斯特準則與香農(nóng)定律的基本內(nèi)容奈奎斯特準則與香農(nóng)定律的基本內(nèi)容 奈奎斯特定理描述有限帶寬、無噪奈奎斯特定理描述有限帶寬、無噪聲的理想信道的最大傳輸速率與信聲的理想信道的最大傳輸速率與信道帶寬的關(guān)系；道帶寬的關(guān)系； 香農(nóng)定理則描述了有限帶寬、有隨

28、香農(nóng)定理則描述了有限帶寬、有隨機熱噪聲信道的最大傳輸速率與信機熱噪聲信道的最大傳輸速率與信道帶寬、信號噪聲功率比之間的關(guān)道帶寬、信號噪聲功率比之間的關(guān)系。系。43Nankai University奈奎斯特準則奈奎斯特準則 奈奎斯特準則指出：如果表示碼元的窄脈沖信奈奎斯特準則指出：如果表示碼元的窄脈沖信號以時間間隔為號以時間間隔為/（=2f）通過理想通信信）通過理想通信信道，則前后碼元之間不產(chǎn)生相互串擾；道，則前后碼元之間不產(chǎn)生相互串擾； 根據(jù)奈奎斯特準則，二進制數(shù)據(jù)信號的最大數(shù)根據(jù)奈奎斯特準則，二進制數(shù)據(jù)信號的最大數(shù)據(jù)傳輸速率據(jù)傳輸速率Rmax與理想信道帶寬與理想信道帶寬B（B=f，單，單位位

29、Hz）的關(guān)系可以寫為：）的關(guān)系可以寫為：Rmax=2f（bps）；）； 對于二進制數(shù)據(jù)，如果信道帶寬對于二進制數(shù)據(jù)，如果信道帶寬B=3000Hz，則最大傳輸速率為則最大傳輸速率為6000bps。44Nankai University香農(nóng)定理香農(nóng)定理 香農(nóng)定理指出：在有隨機熱噪聲的信道中傳輸數(shù)據(jù)信香農(nóng)定理指出：在有隨機熱噪聲的信道中傳輸數(shù)據(jù)信號時，傳輸速率號時，傳輸速率Rmax與信道帶寬與信道帶寬B、信噪比、信噪比S/N的關(guān)系的關(guān)系為：為：Rmax=Blog2（1+S/N）；式中，）；式中，Rmax單位為單位為bps，帶寬帶寬B單位為單位為Hz； 信噪比是信號功率與噪聲功率之比的簡稱。在通信系信

30、噪比是信號功率與噪聲功率之比的簡稱。在通信系統(tǒng)中，信噪比通常以分貝（統(tǒng)中，信噪比通常以分貝（db）表示。如果信噪比）表示。如果信噪比S/N為為1000，根據(jù)信噪比計算公式：，根據(jù)信噪比計算公式：S/N（db）=10lg（S/N），則用表示的該信道的信噪比），則用表示的該信道的信噪比S/N為為30db； 如果如果S/N=1000，信道帶寬，信道帶寬B=3000Hz，則該信道的最大，則該信道的最大傳輸速率傳輸速率Rmax30kbps； 香農(nóng)定律給出一個有限帶寬、有熱噪聲信道的最大數(shù)香農(nóng)定律給出一個有限帶寬、有熱噪聲信道的最大數(shù)據(jù)傳輸速率的極限值。據(jù)傳輸速率的極限值。45Nankai Univers

31、ity 由于信道的最大傳輸速率與帶寬由于信道的最大傳輸速率與帶寬 之間存在著明確關(guān)系，因此人們之間存在著明確關(guān)系，因此人們 可以用可以用“帶寬帶寬”表示表示“速率速率”； 人們常將網(wǎng)絡(luò)的人們常將網(wǎng)絡(luò)的“高傳輸速率高傳輸速率”用用網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)的“高帶寬高帶寬”表述。表述。46Nankai University 8.7 多路復(fù)用技術(shù)多路復(fù)用技術(shù) 8.7.1 多路復(fù)用的基本概念多路復(fù)用的基本概念 多路復(fù)用技術(shù)的實質(zhì)是：發(fā)送方將多路復(fù)用技術(shù)的實質(zhì)是：發(fā)送方將多個用戶的數(shù)據(jù)通過復(fù)用器匯集，多個用戶的數(shù)據(jù)通過復(fù)用器匯集，并將匯集的數(shù)據(jù)通過一條物理線路并將匯集的數(shù)據(jù)通過一條物理線路傳送到接收方；傳送到接收方；

32、 接收方通過分用器將數(shù)據(jù)分離成各接收方通過分用器將數(shù)據(jù)分離成各個單獨的數(shù)據(jù)，然后分發(fā)給接收方個單獨的數(shù)據(jù)，然后分發(fā)給接收方的多個用戶。的多個用戶。47Nankai University多路復(fù)用系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能多路復(fù)用系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能48Nankai University多路復(fù)用可以分為四種基本形式多路復(fù)用可以分為四種基本形式： 頻分多路復(fù)用（頻分多路復(fù)用（FDM）：以信道頻率為對象，通過設(shè)：以信道頻率為對象，通過設(shè)置多個頻率互不重疊的信道，達到同時傳輸多路信號置多個頻率互不重疊的信道，達到同時傳輸多路信號的目的。的目的。 波分多路復(fù)用（波分多路復(fù)用（WDM）：在一根光纖上復(fù)用多路光載：在一根光

33、纖上復(fù)用多路光載波信號，是光頻段的頻分多路復(fù)用。波信號，是光頻段的頻分多路復(fù)用。 時分多路復(fù)用（時分多路復(fù)用（TDM）：以信道傳輸時間為對象，通：以信道傳輸時間為對象，通過為多個信道分配互不重疊的時間片，達到同時傳輸過為多個信道分配互不重疊的時間片，達到同時傳輸多路信號的目的。多路信號的目的。 碼分多路復(fù)用（碼分多路復(fù)用（CDM或或CDMA）：在同一頻段的不同：在同一頻段的不同的信道采用經(jīng)過特殊挑選的碼型，使得在多個用戶同的信道采用經(jīng)過特殊挑選的碼型，使得在多個用戶同時利用共享信道通信時相互之間不產(chǎn)生干擾。時利用共享信道通信時相互之間不產(chǎn)生干擾。49Nankai University8.7.2

34、 時分多路復(fù)用時分多路復(fù)用 T1載波系統(tǒng)是將載波系統(tǒng)是將24路音頻信道復(fù)用在一條通信路音頻信道復(fù)用在一條通信線路；線路； PCM編碼器每秒取樣編碼器每秒取樣8000次；次； 24路路PCM信號的每一路，輪流將一個字節(jié)插入信號的每一路，輪流將一個字節(jié)插入到到1幀中。每個字節(jié)為幀中。每個字節(jié)為8位；位； 每幀由每幀由248=192位組成，附加一位作為幀開始位組成，附加一位作為幀開始標志位，因此每幀共有標志位，因此每幀共有193位；位； 發(fā)送一幀需要發(fā)送一幀需要125s； T1載波的傳輸速率為載波的傳輸速率為1.544Mbps。50Nankai University時分多路復(fù)用時分多路復(fù)用T1載波幀

35、結(jié)構(gòu)載波幀結(jié)構(gòu)51Nankai University同步時分多路復(fù)用同步時分多路復(fù)用時分多路復(fù)用分為時分多路復(fù)用分為： 同步時分多路復(fù)用同步時分多路復(fù)用 統(tǒng)計時分多路復(fù)用統(tǒng)計時分多路復(fù)用同步時分多路復(fù)用同步時分多路復(fù)用：將時間片預(yù)先分配給各個信道，并且時間將時間片預(yù)先分配給各個信道，并且時間片固定不變；片固定不變；統(tǒng)計時分多路復(fù)用統(tǒng)計時分多路復(fù)用：動態(tài)地給信道分配時間片動態(tài)地給信道分配時間片。52Nankai University 時分多路復(fù)用工作原理示意圖時分多路復(fù)用工作原理示意圖53Nankai University8.7.3 頻分多路復(fù)用頻分多路復(fù)用頻分多路復(fù)用是在一條通信線路上設(shè)置多個

36、信道，每頻分多路復(fù)用是在一條通信線路上設(shè)置多個信道，每個信道的中心頻率不相同，各個信道的頻率范圍互不個信道的中心頻率不相同，各個信道的頻率范圍互不重疊，這樣一條通信線路就可以同時傳輸多路信號。重疊，這樣一條通信線路就可以同時傳輸多路信號。54Nankai University8.7.4 波分多路復(fù)用波分多路復(fù)用 波分復(fù)用是在一根光纖上復(fù)用多路光載波信號波分復(fù)用是在一根光纖上復(fù)用多路光載波信號，是光頻段的頻分多路復(fù)用技術(shù)。，是光頻段的頻分多路復(fù)用技術(shù)。55Nankai University8.7.5 碼分多址與正交頻分復(fù)用碼分多址與正交頻分復(fù)用 碼分多址碼分多址CDMA：多個移動通信用戶在同一個

37、：多個移動通信用戶在同一個時間，使用相同的頻段進行通信，各個用戶使時間，使用相同的頻段進行通信，各個用戶使用特殊設(shè)計的碼型，它們之間不會互相干擾。用特殊設(shè)計的碼型，它們之間不會互相干擾。 多載波調(diào)制多載波調(diào)制OFDM：將信道分成若干個正交的：將信道分成若干個正交的子信道，將高速數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換成子信道，將高速數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換成n個并行的低個并行的低速子數(shù)據(jù)流，調(diào)制到在每個子信道上進行傳輸速子數(shù)據(jù)流，調(diào)制到在每個子信道上進行傳輸。正交信號可以在接收端采用相關(guān)技術(shù)來分開。正交信號可以在接收端采用相關(guān)技術(shù)來分開，實現(xiàn)頻分多路復(fù)用。，實現(xiàn)頻分多路復(fù)用。56Nankai University8.8 同步光纖網(wǎng)同

38、步光纖網(wǎng)SONET與同步數(shù)字體系與同步數(shù)字體系SDH8.8.1 SONET與與SDH的基本概念的基本概念同步、異步與準同步的基本概念同步、異步與準同步的基本概念同步同步 一組信號為同步信號，意味著信號之間是以絕一組信號為同步信號，意味著信號之間是以絕對相同的速率和相位傳輸；對相同的速率和相位傳輸； 如果信號之間的相位或速率存在偏差，則這個如果信號之間的相位或速率存在偏差，則這個偏差必須在規(guī)定范圍內(nèi)；偏差必須在規(guī)定范圍內(nèi)； 在同步網(wǎng)絡(luò)中所有時鐘都是通過銫原子鐘在同步網(wǎng)絡(luò)中所有時鐘都是通過銫原子鐘PRC獲得，獲得，PRC精度必須保持在精度必須保持在110-11之內(nèi)。之內(nèi)。57Nankai Univ

39、ersity準同步準同步 如果一組信號為準同步信號，意味著信如果一組信號為準同步信號，意味著信號之間的速率和相位必須基本相同；號之間的速率和相位必須基本相同； 如果信號之間的相位或速率存在偏差，如果信號之間的相位或速率存在偏差，則這個偏差也必須在規(guī)定范圍內(nèi)；則這個偏差也必須在規(guī)定范圍內(nèi)； 在兩個互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中，每個網(wǎng)絡(luò)中的時鐘在兩個互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中，每個網(wǎng)絡(luò)中的時鐘都通過基本的參考時鐘都通過基本的參考時鐘PRC獲得，但兩獲得，但兩個網(wǎng)絡(luò)的個網(wǎng)絡(luò)的PRC之間的精度可能存在偏差之間的精度可能存在偏差，因此這種系統(tǒng)通常稱為準同步系統(tǒng)。，因此這種系統(tǒng)通常稱為準同步系統(tǒng)。58Nankai University異步

40、異步 如果一組信號為異步信號，各個信號之間的速如果一組信號為異步信號，各個信號之間的速率和相位偏差要大于準同步信號，如果兩個網(wǎng)率和相位偏差要大于準同步信號，如果兩個網(wǎng)絡(luò)的時鐘分別從各自的石英振蕩器中獲得，則絡(luò)的時鐘分別從各自的石英振蕩器中獲得，則這兩組信號就是異步信號；這兩組信號就是異步信號； 由于異步傳輸系統(tǒng)的時鐘是獨立和非同步的，由于異步傳輸系統(tǒng)的時鐘是獨立和非同步的，接收時鐘與發(fā)送時鐘的差異會造成發(fā)送數(shù)據(jù)速接收時鐘與發(fā)送時鐘的差異會造成發(fā)送數(shù)據(jù)速率與接收數(shù)據(jù)速率的差異；率與接收數(shù)據(jù)速率的差異； 要保證接收端正確識別接收二進制比特流，接要保證接收端正確識別接收二進制比特流，接收端和發(fā)送端必

41、須采用復(fù)雜的同步技術(shù)。收端和發(fā)送端必須采用復(fù)雜的同步技術(shù)。59Nankai UniversitySDH的發(fā)展的三個階段的發(fā)展的三個階段： SONET的概念由美國貝爾通信研究所在的概念由美國貝爾通信研究所在1985年首先提年首先提出。設(shè)計出。設(shè)計SONET的目的是解決光接口標準規(guī)范問題，的目的是解決光接口標準規(guī)范問題，定義同步傳輸?shù)木€路速率的等級體系，以便不同的廠定義同步傳輸?shù)木€路速率的等級體系，以便不同的廠家的產(chǎn)品可以互聯(lián)，從而能夠建立大型的光纖網(wǎng)絡(luò)；家的產(chǎn)品可以互聯(lián)，從而能夠建立大型的光纖網(wǎng)絡(luò)； 1986年，年，CCITT（現(xiàn)（現(xiàn)ITU-T）接受）接受SONET的概念，并的概念，并于于1986年年7月成立了第月成立了第18研究組，開始同步數(shù)字體系研究組，開始同步數(shù)字體系SDH的研究工作，并使它成為通用性技術(shù)體制；的研究工作，并使它成為通用性技術(shù)體制； 1988年年ITU-T第第18研究組通過有關(guān)研究組通過有關(guān)SDH的三個建議，的三個建議，并在并在1989年年ITU-T的蘭皮書上正式登載，從而確立作的蘭皮書上正式登載，從而確立作為國際標準的為國際標準的SDH。1992年，年，ITU-T增加十幾個建議增加十幾個建議書，從而出現(xiàn)國際統(tǒng)一的通信傳輸體制與速率、接口書，從而出現(xiàn)國際統(tǒng)一的通信傳輸體