計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理、技術(shù)及應(yīng)用

1、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理、技術(shù)及應(yīng)用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理、技術(shù)及應(yīng)用2第 1 章 基本通信原理通信系統(tǒng)簡(jiǎn)介 模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào) 模擬通信 數(shù)字通信 通信媒體與傳輸速度 多路復(fù)用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理、技術(shù)及應(yīng)用31.1 通信系統(tǒng)簡(jiǎn)介 通信技術(shù)發(fā)展簡(jiǎn)史通信系統(tǒng)的組成 通信系統(tǒng)的分類按信號(hào)類型分類 按消息傳送的方向與時(shí)間的關(guān)系 按照數(shù)字信號(hào)碼元排列方法分類 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理、技術(shù)及應(yīng)用4通信技術(shù)發(fā)展簡(jiǎn)史1837年，美國(guó)人摩爾斯（Samuel Morse）發(fā)明了有線電報(bào)，使得通過(guò)一條銅線上的電脈沖來(lái)傳遞信息成為可能。揭開(kāi)了現(xiàn)代通信的歷史1876年，貝爾（Alexander Graham Bell）發(fā)明了 ，它將聲音轉(zhuǎn)化成電信

2、號(hào)，然后由一條電壓連續(xù)變化的導(dǎo)線傳導(dǎo)出去。在導(dǎo)線的另一端，電信號(hào)被還原成聲音。1895年，馬克尼（Guglielmo Marconi）發(fā)明了無(wú)線電報(bào)。 1920年，在無(wú)線電的基礎(chǔ)上，調(diào)幅廣播首次在美國(guó)實(shí)現(xiàn)。1940年至1945年，使用雷達(dá)，實(shí)現(xiàn)微波通信。1946年，世界上第一臺(tái)多用途的電子計(jì)算機(jī)“愛(ài)尼亞克”（ENIAC）在美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)莫爾電子工程學(xué)院誕生。 1969年，美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃署ARPA關(guān)廣域網(wǎng)絡(luò)的項(xiàng)目宣告了網(wǎng)絡(luò)世界的到來(lái)。1978年，美國(guó)貝爾試驗(yàn)室研制成功先進(jìn)移動(dòng) 系統(tǒng)(AMPS)，建成了蜂窩狀移動(dòng)通信網(wǎng)， 1982年，歐洲推出了泛歐數(shù)字移動(dòng)通信網(wǎng)(GSM)的體系，并于1

3、991年7月投入商用，GSM手機(jī)開(kāi)始走入百姓生活，GSM成為全球移動(dòng)通信系統(tǒng)的代名詞。 1989年，在瑞士日內(nèi)瓦歐洲核子物理研究中心（CERN）工作的蒂姆伯納斯李（Tim Berners-Lee）首先提出了WWW的概念 1992年，Internet開(kāi)始進(jìn)入它的商業(yè)化發(fā)展階段，Internet用戶開(kāi)始向全世界擴(kuò)展，標(biāo)志著以互聯(lián)網(wǎng)Internet為主要手段的新的通信時(shí)代的到來(lái)。 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理、技術(shù)及應(yīng)用5通信系統(tǒng)的組成 接收設(shè)備 信宿 信源 干擾 傳輸媒體 發(fā)送設(shè)備 通信 就是通過(guò)傳輸媒體進(jìn)行信息傳遞的過(guò)程，實(shí)現(xiàn)信息傳遞所需要的一切設(shè)備構(gòu)成 通信系統(tǒng)。 通信系統(tǒng)概念模型計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理、技術(shù)及應(yīng)用

4、6通信系統(tǒng)的組成(Cont.) 接收設(shè)備 信宿 信源 干擾 傳輸媒體 發(fā)送設(shè)備 通信系統(tǒng)概念模型 信 源 模擬信源，模擬信源輸出連續(xù)幅度的信號(hào)，如：聲音的強(qiáng)度、溫度的高低變化等都是模擬信號(hào)。 數(shù)字信源，數(shù)字信源輸出離散的值，每個(gè)離散值代表一個(gè)符號(hào)，如：計(jì)算機(jī)、電傳機(jī)產(chǎn)生輸出的數(shù)據(jù)等。 信 宿 接收者將接收設(shè)備得到的信息進(jìn)行利用，從而完成一次信息的傳遞過(guò)程 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理、技術(shù)及應(yīng)用7通信系統(tǒng)的組成(Cont.) 接收設(shè)備 信宿 信源 干擾 傳輸媒體 發(fā)送設(shè)備 通信系統(tǒng)概念模型 發(fā)送設(shè)備 概念，發(fā)送設(shè)備是將信源產(chǎn)生的信號(hào)變換成能夠在傳輸媒介中便于傳送的信號(hào)形式，送往傳輸媒介。傳送的信號(hào)不同、通信

5、系統(tǒng)類型不同，發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備所起的作用懸殊很大。 接收設(shè)備接收設(shè)備用于信號(hào)的識(shí)別，它將接受到的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)、譯碼操作，還原為原來(lái)的信號(hào)，提供給接收者。 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理、技術(shù)及應(yīng)用8通信系統(tǒng)的組成(Cont.) 接收設(shè)備 信宿 信源 干擾 傳輸媒體 發(fā)送設(shè)備 通信系統(tǒng)概念模型 傳輸媒體 概念，傳輸媒體是指從發(fā)送設(shè)備到接收設(shè)備信號(hào)傳遞所經(jīng)過(guò)的物理媒介 分類 有線的，如：同軸電纜、雙絞線、光纖等。 無(wú)線的，如微波、通信衛(wèi)星、移動(dòng)通信等。 干擾和信號(hào)衰減 傳輸介質(zhì)和電信號(hào)的固有物理特性 。 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理、技術(shù)及應(yīng)用9通信系統(tǒng)的分類 按信號(hào)類型分類 模擬通信系統(tǒng)，在傳輸線路上傳輸模擬信號(hào)的通信方式

6、稱為模擬通信，模擬通信系統(tǒng)通過(guò)模擬信號(hào)傳輸數(shù)據(jù)。 數(shù)字通信系統(tǒng)，數(shù)字通信是指用數(shù)字信號(hào)作為載體來(lái)傳輸信息，或者用數(shù)字信號(hào)對(duì)載波進(jìn)行數(shù)字調(diào)制后再傳輸?shù)耐ㄐ欧绞健?按消息傳送的方向與時(shí)間的關(guān)系單工通信半雙工通信全雙工通信 按照數(shù)字信號(hào)碼元排列方法分類串行傳輸并行傳輸計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理、技術(shù)及應(yīng)用10數(shù)字通信的特點(diǎn) 抗干擾能力強(qiáng)，數(shù)字傳輸系統(tǒng)通過(guò)使用中繼器來(lái)擴(kuò)大傳送距離，不會(huì)累積噪聲，傳輸誤差小，只要噪聲絕對(duì)值不超過(guò)某一門限值，接收端便可判別脈沖的變化，以保證通信的可靠性。 以數(shù)據(jù)幀為單位傳輸數(shù)據(jù)，并通過(guò)檢錯(cuò)編碼和重發(fā)數(shù)據(jù)幀來(lái)發(fā)現(xiàn)并糾正通信錯(cuò)誤，從而有效保證通信的可靠性。 可以方便地利用各種加密和解密技

7、術(shù)，從而有效增強(qiáng)通信的安全性。 適合遠(yuǎn)距離傳輸，在長(zhǎng)距離數(shù)字通信中可通過(guò)中繼器放大和整形來(lái)保證數(shù)字信號(hào)的完整，并可以克服模擬通信中的噪音累積，保證高質(zhì)量的數(shù)據(jù)傳輸。 可適應(yīng)各種通信業(yè)務(wù)要求，如 、電報(bào)、圖像、數(shù)據(jù)等，便于實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)，便于采用大規(guī)模集成電路，便于實(shí)現(xiàn)通信網(wǎng)的計(jì)算機(jī)管理等優(yōu)點(diǎn)。 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理、技術(shù)及應(yīng)用11通信模式單工通信單工通信（Simplex Communication）是指數(shù)據(jù)傳輸是單方向的，如：只能由設(shè)備A到設(shè)備B，反之則不可以。例如，無(wú)線廣播等。q 全雙工通信全雙工通信 全雙工通信（Full-Duplex Communication）是指?jìng)鬏數(shù)碾p方可以同時(shí)

8、對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送和接收，即在兩者之間的傳輸通道中，允許兩個(gè)方向的數(shù)據(jù)流動(dòng)。 q 半雙工通信半雙工通信半雙工通信（Half-Duplex Communication）指雙方可以互相通信，但是同一時(shí)間不能進(jìn)行發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的操作，發(fā)送和接收數(shù)據(jù)必須輪流進(jìn)行。例如使用無(wú)線對(duì)講機(jī)通信 。 設(shè)備 A 設(shè)備 B 設(shè)備 A 設(shè)備 B 設(shè)備 A 設(shè)備 B 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理、技術(shù)及應(yīng)用12傳輸模式并行傳輸（Parallel Transmission） 是指同時(shí)可以傳輸多個(gè)比特，每個(gè)比特使用一條獨(dú)立的線路，這些線路通常被困扎在一條電纜里。 q串行傳輸（串行傳輸（Serial Transmission） 是指利用一條線

9、路，逐個(gè)傳送比特位的傳輸方式。和并行傳輸相比，串行傳輸使用的線路少，因此價(jià)格較低，長(zhǎng)距離傳輸更加可靠。由于每次只能發(fā)送一個(gè)比特位，因此速度較慢。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理、技術(shù)及應(yīng)用13傳輸模式（Cont.） 串行傳輸（串行傳輸（Serial Transmission）的實(shí)現(xiàn)）的實(shí)現(xiàn) 異步傳輸（異步傳輸（Asynchronous Transmission）是指將比特串劃分成一個(gè)個(gè)的小組發(fā)送）是指將比特串劃分成一個(gè)個(gè)的小組發(fā)送，這些比特組可以在任何時(shí)候發(fā)送。，這些比特組可以在任何時(shí)候發(fā)送。 同步傳輸（同步傳輸（Synchronous Transmission）也是對(duì)比特流分組，它不是單獨(dú)的發(fā)送每）也是對(duì)比特

10、流分組，它不是單獨(dú)的發(fā)送每個(gè)字符，而是將多個(gè)字符組合成一個(gè)大的組一起發(fā)送。每一個(gè)組合成為一個(gè)數(shù)據(jù)個(gè)字符，而是將多個(gè)字符組合成一個(gè)大的組一起發(fā)送。每一個(gè)組合成為一個(gè)數(shù)據(jù)幀，簡(jiǎn)稱幀（幀，簡(jiǎn)稱幀（Frame）。）。 1 b7b6b5b4b3b2b1b0 0 發(fā)送 設(shè)備 接收 設(shè)備 停止位 開(kāi)始位 end error data control syn 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理、技術(shù)及應(yīng)用141.2 模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào) 模擬信號(hào)及其傳輸 數(shù)字信號(hào)及其傳輸 模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理、技術(shù)及應(yīng)用15模擬信號(hào) 模擬信號(hào)的概念模擬信號(hào)（Analog signal）是指在兩個(gè)峰值之間來(lái)回振蕩的、連續(xù)變化的信

11、號(hào)。例如無(wú)線電與電視廣播中的電磁波， 傳輸中的音頻電壓信號(hào)等。 模擬信號(hào)的主要特征模擬信號(hào)的主要特征 周期（Period）和頻率（Frequency） 振幅（Amplitude） 相移（Phase） 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理、技術(shù)及應(yīng)用16數(shù)字信號(hào) 數(shù)字信號(hào)的概念數(shù)字信號(hào)的概念數(shù)字信號(hào)是指在一個(gè)持續(xù)時(shí)間內(nèi)保持一個(gè)固定的值，然后再轉(zhuǎn)變?yōu)榱硗庖粋€(gè)值的信數(shù)字信號(hào)是指在一個(gè)持續(xù)時(shí)間內(nèi)保持一個(gè)固定的值，然后再轉(zhuǎn)變?yōu)榱硗庖粋€(gè)值的信號(hào)。例如一系列斷續(xù)變化的電壓脈沖，或光脈沖號(hào)。例如一系列斷續(xù)變化的電壓脈沖，或光脈沖。 數(shù)字信號(hào)傳輸數(shù)據(jù)數(shù)字信號(hào)傳輸數(shù)據(jù) 0 1 0 0 0 0 0 1 低電平 高電平 時(shí)間 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原

12、理、技術(shù)及應(yīng)用17模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換 模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換 模數(shù)轉(zhuǎn)換（模數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D），如果用數(shù)字信號(hào)傳輸模擬數(shù)據(jù)，在發(fā)送端需要進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換），如果用數(shù)字信號(hào)傳輸模擬數(shù)據(jù)，在發(fā)送端需要進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，在接受端進(jìn)行反變換，在接受端進(jìn)行反變換 數(shù)模轉(zhuǎn)換（數(shù)模轉(zhuǎn)換（D/A） 接收設(shè)備 信宿 信源 干擾 傳輸媒體 發(fā)送設(shè)備 信源數(shù)據(jù) 模擬數(shù)據(jù)溫度，濕度，聲音等 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)計(jì)算機(jī)， 機(jī)等 信號(hào) 數(shù)字信號(hào) 模擬信號(hào) 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理、技術(shù)及應(yīng)用181.3 模擬通信 模擬通信系統(tǒng)模型 模擬信號(hào)傳輸模擬數(shù)據(jù) 模擬信號(hào)傳輸數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù) 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理、技術(shù)及應(yīng)用19模擬通信系統(tǒng)模型 發(fā)

13、送端 原始信號(hào)，即基帶信號(hào)，調(diào)制信號(hào)原始信號(hào)，即基帶信號(hào)，調(diào)制信號(hào) 調(diào)制調(diào)制 數(shù)字調(diào)制數(shù)字調(diào)制 模擬調(diào)制模擬調(diào)制在模擬通信系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)是通過(guò)模擬信號(hào)傳輸?shù)摹Ｓ媚M信號(hào)傳輸數(shù)據(jù)，信息的傳輸需要經(jīng)過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換和調(diào)制/解調(diào)兩種變換。 信宿 信源 噪聲 信道 數(shù)據(jù)/信號(hào)變換 調(diào)制 信號(hào)/數(shù)據(jù)變換 解調(diào) 發(fā)送設(shè)備 接收設(shè)備 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理、技術(shù)及應(yīng)用20調(diào)制 調(diào)制的概念調(diào)制的概念 基帶信號(hào)通常集中在低頻譜區(qū)域，這種信號(hào)不能在通常的信道中直接進(jìn)行遠(yuǎn) 距離傳輸。為解決這一問(wèn)題，需要將原始基帶信號(hào)承載到一個(gè)頻率更高、 更適合遠(yuǎn)程傳輸?shù)男盘?hào)上，這就是調(diào)制。 數(shù)字調(diào)制，數(shù)字調(diào)制，數(shù)字調(diào)制是指用數(shù)字的數(shù)字調(diào)制是指用數(shù)

14、字的基帶信號(hào)基帶信號(hào)對(duì)正弦載波信號(hào)的某些參數(shù)對(duì)正弦載波信號(hào)的某些參數(shù)(幅度、頻率和相位幅度、頻率和相位)進(jìn)行控制，使之其隨基帶信號(hào)的變化而變化進(jìn)行控制，使之其隨基帶信號(hào)的變化而變化 幅移鍵控幅移鍵控(ASK) 頻移鍵控頻移鍵控(FSK) 相移鍵控相移鍵控(PSK) 模擬調(diào)制模擬調(diào)制 調(diào)制的目的調(diào)制的目的 將信號(hào)轉(zhuǎn)換成便于媒體傳輸?shù)男问?。將信?hào)轉(zhuǎn)換成便于媒體傳輸?shù)男问健?在模擬通信中，通過(guò)調(diào)制還可以實(shí)現(xiàn)頻分多路復(fù)用，提高媒體的通信能力。在模擬通信中，通過(guò)調(diào)制還可以實(shí)現(xiàn)頻分多路復(fù)用，提高媒體的通信能力。 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理、技術(shù)及應(yīng)用21模擬信號(hào)傳輸模擬數(shù)據(jù) 調(diào) 制 調(diào)制信號(hào)m(t) 載波信號(hào)f(t)

15、 輸出信號(hào)s(t)=m(t)*f(t) 舉例： 系統(tǒng)和無(wú)線語(yǔ)音廣播。在 系統(tǒng)中，模擬的聲音數(shù)據(jù)是加載到模擬的載波信號(hào)中傳輸?shù)摹?發(fā)送端 調(diào)制 發(fā)送端 解調(diào)， 相干解調(diào) 非相干解調(diào) 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理、技術(shù)及應(yīng)用22模擬信號(hào)傳輸數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù) 數(shù)字調(diào)制過(guò)程 模擬信號(hào)傳輸?shù)幕A(chǔ)是載波，載波是一個(gè)連續(xù)變化的信號(hào)。一條模擬線路一般為頻帶傳輸，適合于傳輸模擬信號(hào)，而不是基帶信號(hào)（原始電脈沖信號(hào)），因?yàn)榛鶐盘?hào)往往是頻率近似于零的直流分量。因此必須將數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)變換成模擬信號(hào)（調(diào)制過(guò)程）后才能發(fā)送。 解調(diào)過(guò)程因?yàn)椋瑪?shù)字調(diào)制的目的是使用模擬信號(hào)傳輸數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，因此在接收端必須進(jìn)行逆變換，將模擬信號(hào)還原成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，這個(gè)過(guò)程就

16、是解調(diào)。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理、技術(shù)及應(yīng)用23數(shù)字調(diào)制過(guò)程 數(shù)字調(diào)制過(guò)程 頻率調(diào)制（Frequency Modulation，F(xiàn)M）又稱調(diào)頻和頻移鍵控。調(diào)制解調(diào)器在一個(gè)指定的時(shí)間周期內(nèi)傳輸一個(gè)適當(dāng)頻率的信號(hào)，時(shí)間周期的長(zhǎng)短不盡相同。如果可以使用的頻率的個(gè)數(shù)為N，則每個(gè)信號(hào)可對(duì)應(yīng)的比特串的長(zhǎng)度為k=log2N。 幅度調(diào)制（Amplitude Modulation，AM）又稱調(diào)幅和幅移鍵控。每個(gè)幅度對(duì)應(yīng)一要傳送的比特串，如果希望每個(gè)比特串的長(zhǎng)度為1，需要兩個(gè)幅度值（二元制調(diào)幅），如果希望比特串的長(zhǎng)度為2，需要四個(gè)幅度值（多幅度調(diào)制），以此類推. 相位調(diào)制（Phase Modulation，PM）又稱相移鍵

17、控。信號(hào)的差異在于相移，而不是頻率和振幅。通常，一個(gè)信號(hào)的相移是相對(duì)于前一個(gè)信號(hào)而言的，因此又稱為差分相移鍵控（Differential Phase Shift Keying，DPSK）。如果需要每一次相移的變化傳輸k個(gè)比特，則需要2k個(gè)不同的相移 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理、技術(shù)及應(yīng)用24解調(diào)過(guò)程 脈沖幅度調(diào)制PAM脈沖幅度調(diào)制（Pulse Amplitude Modulation，PAM）是脈沖調(diào)制的最簡(jiǎn)單的形式，他按照一定的時(shí)間間隔對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行采樣，然后產(chǎn)生一個(gè)振幅等于采樣信號(hào)的脈沖。 f(t) 原始信號(hào) 采樣脈沖 PAM 脈沖 fs(t) Ts t 4 . 6 3 . 3 6 . 1 3 2 6

18、 5 . 8 4 . 4 采樣信號(hào)和原始信號(hào)在幅度上存在一個(gè)差別，即會(huì)產(chǎn)生量化誤差。對(duì)脈沖幅度轉(zhuǎn)換成比特串，完成模擬信號(hào)傳輸數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù) 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理、技術(shù)及應(yīng)用25解調(diào)過(guò)程（Cont.） 脈沖編碼調(diào)制PCM 脈沖編碼調(diào)制（Pulse Code Modulation，PCM）又稱脈碼調(diào)制，脈碼調(diào)制PCM為采樣信號(hào)分配一個(gè)預(yù)先確定的振幅。例如，假設(shè)整個(gè)振幅范圍等分為2n個(gè)振幅級(jí)別，則每個(gè)振幅對(duì)應(yīng)一個(gè)長(zhǎng)度為n的比特串。PCM按照一定的時(shí)間間隔對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行采樣，然后從2n個(gè)振幅中挑選出最接近采樣頻率的那個(gè)值，然后用其對(duì)應(yīng)的比特序列對(duì)這個(gè)脈沖進(jìn)行編碼，然后將編碼數(shù)據(jù)發(fā)送。這種經(jīng)編碼后的PAM調(diào)制就稱為

19、PCM調(diào)制，它增強(qiáng)了傳輸?shù)目煽啃?，防止誤碼。 原始信號(hào) PCM 脈沖 fs(t) 5 3 6 3 2 6 6 4 fs(t) 4 . 6 3 . 3 6 . 1 3 2 6 5 . 8 4 . 4 PAM 脈沖 101 011 110 011 010 110 110 100 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理、技術(shù)及應(yīng)用261.4 數(shù)字通信 數(shù)字信號(hào)數(shù)據(jù)編碼 數(shù)字通信系統(tǒng)模型 數(shù)字信號(hào)傳輸數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù) 數(shù)字信號(hào)傳輸模擬數(shù)據(jù) 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理、技術(shù)及應(yīng)用27數(shù)字信號(hào)數(shù)據(jù)編碼 單極性（unipolar）編碼，單極性編碼僅使用一個(gè)電平，比如，正電平或負(fù)電平表示1，0電平表示0 極化（polar）編碼，極化編碼使用兩個(gè)電平，比

20、如，正電平表示1，負(fù)電平表示0 雙極性編碼，雙極性（bipolar）編碼使用兩個(gè)正負(fù)交替變化的電平表示1，0電平表示0（或者反之） 在數(shù)字通信中，采用數(shù)字信號(hào)傳輸數(shù)據(jù)，首先需要對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行編碼，將數(shù)字信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理、技術(shù)及應(yīng)用28不歸零法編碼NRZ 不歸零法編碼NRZ-L（Nonreturn to Zero，NRZ）是一種常見(jiàn)的極化編碼。在NRZ-L中，信號(hào)電平取決于比特狀態(tài)，正電壓通常表示0，負(fù)電壓表示1。在傳送0時(shí)，把電平升高，傳送1時(shí)把電平降低，在一個(gè)比特（bit）位傳送的持續(xù)時(shí)間t內(nèi)，電壓保持不變，這個(gè)時(shí)間稱為比特時(shí)間（bit time）。 0 1 0 0 0 0

21、 0 1 低電平 高電平 時(shí)間 t 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理、技術(shù)及應(yīng)用29不歸零法編碼NRZ（Cont.） 0的個(gè)數(shù)= ？ = (t2-t1)/t ? 低電平 高電平 時(shí)間 t2 t1 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理、技術(shù)及應(yīng)用30不歸零法編碼NRZ（Cont.） NRZ差分編碼，即NRZI（Nonreturn to Zero,invert on ones）在NRZI編碼中，信號(hào)電平遇1反轉(zhuǎn)。 0 1 0 0 0 0 0 1 低電平 高電平 時(shí)間 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理、技術(shù)及應(yīng)用31曼徹斯特編碼 曼徹斯特編碼（Manchester Code）是一種用信號(hào)的變化來(lái)保證發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備之間保持同步的編碼方案，又稱自同步碼（S

22、elf -Synchronizing Code）。在曼徹斯特編碼中，用電平的變化表示0和1。曼徹斯特編碼規(guī)定，從高電平到低電平的變化代表0，從低電平到高電平的變化代表1。 0 1 0 0 0 0 0 1 低電平 高電平 時(shí)間 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理、技術(shù)及應(yīng)用324B/5B編碼 4B/5B編碼的特點(diǎn)是將欲發(fā)送的數(shù)據(jù)流每4bit作為一個(gè)組，每四位二進(jìn)制代碼由5位編碼表示，這5位編碼稱為編碼組(code group)，并且由NRZI方式傳輸。 優(yōu)勢(shì)，降低調(diào)制速率 4B/5B編碼是在百兆位快速以太網(wǎng)的光纖分布式數(shù)據(jù)接口中采用的信息編碼方案。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理、技術(shù)及應(yīng)用33數(shù)字通信系統(tǒng)模型 和模擬通信系統(tǒng)相比，

23、數(shù)字通信涉及的技術(shù)問(wèn)題很多，其中有信源編碼、信道編碼、數(shù)據(jù)加密、調(diào)制/解調(diào)、數(shù)字復(fù)接、同步等。 信宿 信源 噪聲 信道 調(diào)制 解調(diào) 編碼 加密 譯碼 解碼 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理、技術(shù)及應(yīng)用34數(shù)字信號(hào)傳輸數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù) 計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)（LAN）是一種典型的數(shù)字信號(hào)傳輸數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的應(yīng)用。在計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)中，一般采用基帶傳輸方式，數(shù)據(jù)不需要調(diào)制，直接通過(guò)雙絞線、同軸電纜等媒體傳輸。根據(jù)數(shù)字信號(hào)數(shù)據(jù)編碼，在發(fā)送端，編碼器將原始數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行編碼，轉(zhuǎn)換成媒體可傳輸?shù)男盘?hào)，通過(guò)媒體進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。 NIC Tx+ 1 Tx- 2 Rx+ 3 4 5 Rx- 6 7 8 1 Rx+ 2 Rx- 3 Tx+ 4 5 6 Tx-

24、7 8 Switch 在以太網(wǎng)中，只使用雙絞線中的兩對(duì)線，即橙色對(duì)線和綠色對(duì)線來(lái)實(shí)現(xiàn)全雙工的數(shù)據(jù)通信，其它的兩對(duì)線未用。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理、技術(shù)及應(yīng)用35數(shù)字信號(hào)傳輸模擬數(shù)據(jù) 數(shù)字信號(hào)不但可以傳輸數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，同樣可以傳輸模擬數(shù)據(jù)。數(shù)字信號(hào)傳輸模擬數(shù)據(jù)需要經(jīng)過(guò)模/數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)/模轉(zhuǎn)換兩個(gè)過(guò)程。 調(diào)制過(guò)程 采樣（Sampling），即每隔固定長(zhǎng)度的時(shí)間采樣模擬數(shù)據(jù)的瞬間值，作為本次采樣到下次采樣該模擬數(shù)據(jù)的代表值。 量化（Quantization），量化就是把采樣取得的數(shù)值按照量化級(jí)別轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的數(shù)字值，這樣，就可以把連續(xù)變化的幅值轉(zhuǎn)換成離散的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù) 編碼（Coding），就是將每一個(gè)量化值轉(zhuǎn)變成二進(jìn)制

25、數(shù)。 解調(diào)過(guò)程計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理、技術(shù)及應(yīng)用36舉例-數(shù)字信號(hào)傳輸模擬數(shù)據(jù) 原始信號(hào) fs(t) PCM 脈沖 101 011 110 011 010 110 110 100 A8 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 動(dòng)畫(huà)演示計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理、技術(shù)及應(yīng)用37動(dòng)畫(huà)演示-數(shù)字信號(hào)傳輸模擬數(shù)據(jù)動(dòng)畫(huà)演示計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理、技術(shù)及應(yīng)用381.5 通信媒體與傳輸速度 通信媒體 雙絞線 同軸電纜 光纖 微波通信 傳輸速度 多路復(fù)用器 頻分多路復(fù)用 時(shí)分多路復(fù)用 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理、技術(shù)及應(yīng)用39雙絞線 雙絞線外觀 雙絞線通信 全雙工 影響因素 串?dāng)_ 衰減問(wèn)題： 為什么采用4對(duì)8線？ 為什么采用絞線？計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理、

26、技術(shù)及應(yīng)用40同軸電纜 結(jié)構(gòu)組成 銅芯 絕緣層 網(wǎng)狀導(dǎo)線 外皮 規(guī)格分類 粗纜，直徑為0.4 cm，采用鑿孔接頭接法 細(xì)纜，直徑為0.2 cm，采用T型頭接法 通信 基帶數(shù)字傳輸，使用基帶傳輸數(shù)字信號(hào)，信號(hào)占據(jù)整個(gè)頻寬，電纜上只有一個(gè)信道?；鶐щ娎|傳輸主要用于局域網(wǎng)，采用曼徹斯特編碼，傳輸速率為10 Mbps。 寬帶模擬傳輸，寬帶模擬傳輸采用標(biāo)準(zhǔn)的有線電視技術(shù)，頻帶可達(dá)300450 MHz。由于傳輸模擬信號(hào)，傳輸距離可達(dá)100 km。寬帶可以分為多個(gè)信道，電視廣播通常占用6 MHz， 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理、技術(shù)及應(yīng)用41光纖 結(jié)構(gòu)組成 纖芯，纖芯為光通路，由純凈的玻璃和塑膠材料制成，每一路光纖包括兩

27、根，一根接收，一根發(fā)送。 覆層，覆層包圍著纖芯，由多層反射玻璃纖維構(gòu)成，光密度比纖芯部分低，可將光線反射到纖芯上。 保護(hù)層，保護(hù)和提供光纖強(qiáng)度的作用 光纖通信的特點(diǎn) 光纖可提供極寬的頻帶且功率損耗小、傳輸距離長(zhǎng)（2 km以上）、傳輸率高（可達(dá)數(shù)千Mbps）、抗干擾性強(qiáng)（不會(huì)受到電子監(jiān)聽(tīng)）動(dòng)畫(huà)演示= 光纖截面圖計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理、技術(shù)及應(yīng)用42光纖（Cont.） 兩種物質(zhì)表面 光源 反射光 折射光 動(dòng)畫(huà)演示= 工作原理當(dāng)入射角小于某個(gè)特定的臨界值時(shí)，將不發(fā)生折射。即光線將全部反射回第1種媒體，而不會(huì)漏射入第2種媒體。這就是光纖的工作原理。 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理、技術(shù)及應(yīng)用43光纖（Cont.） 光纖的類型

28、 多模纖芯，光在光纖中會(huì)以幾十種乃至幾百種傳播模式進(jìn)行傳播。有些光線基本上沿著媒體的中線傳播，有些光線則以不同的角度撞擊邊界面，結(jié)果是光將以有限的角度在邊界面之間來(lái)回反彈沿著傳輸媒體向前傳播。每一個(gè)角度都定義了一條路徑或一種模式，以這種方式傳輸光波的光纖稱為多模光纖(Multi Mode Fiber)。 特點(diǎn)： 多模光纖的中心玻璃芯較粗，纖芯直徑為50，可傳多種模式的光。但其模間色散較大，這就限制了傳輸數(shù)字信號(hào)的頻率，而且隨距離的增加會(huì)更加嚴(yán)重，因此，多模光纖傳輸?shù)木嚯x就比較近，一般只有幾公里。 纖芯 入射光波 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理、技術(shù)及應(yīng)用44光纖（Cont.） 單模光纖，在多模光纖中，光波以有

29、限的模式向前傳播，模式的具體數(shù)目是由纖芯所用媒體的直徑和光的波長(zhǎng)決定的。減少纖芯的直徑可以降低光線撞擊邊界面的角度數(shù)目，即模式數(shù)目減少了。如果纖芯直徑減少到一定程度，光纖內(nèi)將只有一種模式傳播的光波，這就是單模光纖（Single Mode Fiber） 。 纖芯 入射光波 特點(diǎn)： 單模光纖的中心玻璃芯較細(xì)，纖芯直徑為910m，只能傳一種模式的光。因此，其模間色散很小，適用于遠(yuǎn)程通訊，但其色度色散起主要作用，這樣單模光纖對(duì)光源的譜寬和穩(wěn)定性有較高的要求，即譜寬要窄，穩(wěn)定性要好 。 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理、技術(shù)及應(yīng)用45光纖（Cont.） 纖芯的直徑應(yīng)該是多少呢？據(jù)物理學(xué)原理，反射體反射電磁波（如光波）的能

30、力與其大小有關(guān)。要使光纖按照單模方式傳輸，反射體（即覆蓋層）必須大于被反射光的波長(zhǎng)， 由于覆蓋層包圍著核心媒體（纖芯），因此覆蓋層的大小是由核心媒體的直徑?jīng)Q定的。 穿越光纖的光線的頻率一般為10141015 H z，根據(jù)波長(zhǎng)和頻率的關(guān)系： 因光速c=299 792 458 m/s（3108），可以得出光線的波長(zhǎng)大約為210-4 m，即2 m。因此，根據(jù)光的波長(zhǎng)可以得出多模光纖和單模光纖理論直徑，大約有人的頭發(fā)絲那么細(xì)。 頻率光速波長(zhǎng) 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理、技術(shù)及應(yīng)用46光纖通信 光纖通信（optical fiber communication）是以激光為光源，以光導(dǎo)纖維為傳輸介質(zhì)進(jìn)行的通信。 光發(fā)射

31、機(jī)：光發(fā)射機(jī)是實(shí)現(xiàn)電/光信號(hào)轉(zhuǎn)換的光端機(jī)。 光接收機(jī)：光接收機(jī)是實(shí)現(xiàn)光/電轉(zhuǎn)換的光端機(jī)。 光纖或光纜：光纖或光纜構(gòu)成光的傳輸通路。功能是將發(fā)射端發(fā)出的已調(diào)光信號(hào)，經(jīng)過(guò)光纖或光纜的遠(yuǎn)距離傳輸后，耦合到接收端的光檢測(cè)器上去，完成傳送信息任務(wù)。 中繼器：由于受發(fā)送光功率、接收機(jī)靈敏度、光纖線路損耗、甚至色散等因素的影響及限制，光端機(jī)之間的最大傳輸距離是有限的。 光纖連接器、耦合器等無(wú)源器件 （光纖） 光信號(hào) 電信號(hào) 光端機(jī) （光發(fā)射機(jī)） 電信號(hào) 光端機(jī) （光接收機(jī)） 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理、技術(shù)及應(yīng)用47微波通信 電磁波頻率（Hz）分布 微波 微波是波長(zhǎng)約1 m1mm（相應(yīng)的頻率為300MHz300 GHz

32、）的電磁波，該段電磁頻譜又分成分米波、厘米波和毫米波等。 微波傳輸 微波是直線傳播的，不能向低頻波一樣沿著地球曲面?zhèn)鞑ァ?大氣條件和障礙物將妨礙微波的傳播。 100 1010 1012 1014 1016 1017 1018 無(wú)線電波 微波 紅外線 可見(jiàn)光 紫外線 X 射線 射線 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理、技術(shù)及應(yīng)用48衛(wèi)星傳輸 地球同步衛(wèi)星，地面站和衛(wèi)星的相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)，衛(wèi)星應(yīng)該位于赤道上空22 300英里的高度，覆蓋地球三分之一以上的表面。 衛(wèi)星的覆蓋范圍 使用同一頻率范圍的信號(hào)不能交迭在一起，一個(gè)特定波段上傳送數(shù)據(jù)的衛(wèi)星的數(shù)目以及衛(wèi)星之間的最短距離有一定的要求計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理、技術(shù)及應(yīng)用49動(dòng)畫(huà)演示-

33、同步衛(wèi)星通信 地球同步衛(wèi)星通信 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理、技術(shù)及應(yīng)用50衛(wèi)星傳輸（Cont.） 低軌道人造衛(wèi)星 ，在低層空間運(yùn)行的低軌道人造衛(wèi)星（Low Earth Orbit Satellite，LEO）, LEO和地球是相對(duì)運(yùn)動(dòng)的 。 LEO通信原理 一個(gè)地面站和LEO衛(wèi)星1建立了通信，LEO和地球處于相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，一邊移動(dòng)一邊和地面保持聯(lián)系，但最終會(huì)落下地平線，直到它繞地球旋轉(zhuǎn)并出現(xiàn)在相反方向的地平線上以前無(wú)法和地面站之間保持直接通信。在衛(wèi)星1還沒(méi)有落到低平下以下時(shí)，另外一顆衛(wèi)星2剛好從地平線上升起，繼續(xù)衛(wèi)星1和地面站的通信（動(dòng)畫(huà)演示） 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理、技術(shù)及應(yīng)用51動(dòng)畫(huà)演示-LEO通信 低軌道人

34、造衛(wèi)星通信 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理、技術(shù)及應(yīng)用52傳輸速度 傳輸速度，是指媒體每秒鐘傳輸數(shù)據(jù)的比特?cái)?shù)，又稱比特率，單位為bps（bit percent second）。 波特率（baud rate），每秒鐘內(nèi)信號(hào)單元改變的頻率 。比特率=波特率n 帶寬（Bandwidth）是指媒體能夠傳輸信號(hào)的最高頻率和最低頻率的差。 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理、技術(shù)及應(yīng)用53尼奎斯特定理和無(wú)噪聲通道 尼奎斯特定理（Nyquist Theorem）：在沒(méi)有任何噪聲和干擾的無(wú)噪聲通道中，如果媒體傳輸?shù)淖畲箢l率為f，接收方只要以每秒2f次的頻率進(jìn)行采樣，就能完整的重現(xiàn)信號(hào)。比特率=波特率n = 2fn計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理、技術(shù)及應(yīng)用54噪聲通道和香農(nóng)定理 香農(nóng)定理（Claude Shannon Theorem），香農(nóng)定理指出媒體的傳輸速度與帶寬和信噪比有關(guān)，具體定義如下：比特率=帶寬log2(1+S/N) bps在沒(méi)有任何噪聲和干擾的無(wú)噪聲通道中，如果媒體傳輸?shù)淖畲箢l率為f，接收方只要以每秒2f次的頻率進(jìn)