2高等計算機網(wǎng)絡與安全第二講ppt課件

1、高等計算機網(wǎng)絡與平安1/103第二講 物理層簡介主講教師：王雷2021年10月高等計算機網(wǎng)絡與平安2/103上講內(nèi)容回想：計算機網(wǎng)絡的定義計算機網(wǎng)絡的分類計算機網(wǎng)絡的演化歷程計算機網(wǎng)絡的開展趨勢OSI模型TCP/IP模型OSI與TCP/IP模型的區(qū)別高等計算機網(wǎng)絡與平安3/103本講內(nèi)容提要：物理層的功能信息、數(shù)據(jù)與信號傳輸介質數(shù)字數(shù)據(jù)的通訊方式數(shù)字數(shù)據(jù)的編碼方法模擬信道的數(shù)字數(shù)據(jù)傳輸速率多路復用技術數(shù)據(jù)交換技術廣域網(wǎng)高等計算機網(wǎng)絡與平安4/103一.物理層的功能簡介 1.物理層的主要功能：利用傳輸介質為通訊的節(jié)點之間建立、管理與釋放物理銜接；對信號進展調制或轉換，使得用戶設備中的信號定義能與

2、信道上實踐傳送的信號相匹配，以便這些信號可以經(jīng)由物理線纜例如：雙絞線、同軸電纜、光纖等或是無線信道來進展傳送；實現(xiàn)比特流的透明傳輸，為數(shù)據(jù)鏈路層提供效力。高等計算機網(wǎng)絡與平安5/103一.物理層的功能簡介(Cont.) 2.物理層的主要目的： 物理層是 OSI 參考模型中的第一層，是整個開放系統(tǒng)的根底，它是唯不斷接提供原始比特流傳輸?shù)膶印?物理層設計的目的：是為了保證當發(fā)送方發(fā)送的信號為二進制“1時，接納方接納到的也是二進制“1，而不是二進制“0。 高等計算機網(wǎng)絡與平安6/103二.信息、數(shù)據(jù)與信號 1.信息、數(shù)據(jù)與信號的根本概念信息Information是指對客觀事物的反映，可以是對物質的形

3、狀、大小、構造、性能等的描畫，也可以是物質與外部的聯(lián)絡。信息的載體是數(shù)字、文字、語音、圖形、以及圖像等。計算機及其外圍設備所產(chǎn)生和交換的信息都是由二進制代碼表示的字母、數(shù)字或控制符號的組合。高等計算機網(wǎng)絡與平安7/103二.信息、數(shù)據(jù)與信號數(shù)據(jù)Data是指對客觀事物的符號表示。 在計算機科學中，數(shù)據(jù)是指一切能輸入到計算機并被計算機程序所處置的符號的總稱， 是用于輸入電子計算機進展處置，具有一定意義的數(shù)字、字母、符號以及模擬量等的通稱。高等計算機網(wǎng)絡與平安8/103二.信息、數(shù)據(jù)與信號信號Signal是數(shù)據(jù)在傳輸過程中的電信號的表示方式，數(shù)據(jù)必需轉換為相應的信號才干在計算機網(wǎng)絡中進展傳輸。按照在

4、傳輸介質上傳輸?shù)男盘栴愋筒煌?，信號可以分為模擬信號和數(shù)字信號兩類。 高等計算機網(wǎng)絡與平安9/103二.信息、數(shù)據(jù)與信號 模擬信號Analog Signal：是指在時間或幅度上延續(xù)的信號，因此，通常又稱為延續(xù)信號。 例如：通訊中在用戶線上傳送的音頻信號，是用電流的頻率直接反映聲音的頻率，用電流的強弱直接反映聲音的分貝值，其幅度取值是隨著用戶聲音大小的延續(xù)變化而延續(xù)變化的，其波形為正弦波 。高等計算機網(wǎng)絡與平安10/103二.信息、數(shù)據(jù)與信號 數(shù)字信號Digital Signal：是指在時間上與幅度上都是離散的、不延續(xù)的信號，因此通常又稱為離散信號。 例如：由計算機或終端等數(shù)字設備直接發(fā)出的二進制

5、信號，其幅度取值只需兩種，即“1或“0，分別用高或低電平或低或高電平表示，其波形為方波。高等計算機網(wǎng)絡與平安11/103二.信息、數(shù)據(jù)與信號模擬信號波形圖數(shù)字信號波形圖高等計算機網(wǎng)絡與平安12/103二.信息、數(shù)據(jù)與信號 2.基帶、頻帶與寬帶傳輸信號每秒鐘變化的次數(shù)稱為頻率Frequency，頻率的單位為赫茲Hz。信號包含的最高頻率與最低頻率之間的頻率范圍稱為頻帶Band，不同的信號具有不同的頻帶。高等計算機網(wǎng)絡與平安13/103二.信息、數(shù)據(jù)與信號 2.基帶、頻帶與寬帶傳輸信源模擬信源、數(shù)字信源所發(fā)出的沒有經(jīng)過調制頻譜搬移與變換的原始電信號無論是數(shù)字信號還是模擬信號稱為基帶信號Base Ba

6、nd Signal，數(shù)字信號也被稱為數(shù)字基帶信號。 基帶信號所固有的頻帶，稱為根本頻帶，簡稱為基帶Base Band。高等計算機網(wǎng)絡與平安14/103二.信息、數(shù)據(jù)與信號 2.基帶、頻帶與寬帶傳輸Cont.在信道中直接傳送基帶信號的方式，稱為基帶傳輸Base Band Transmission。在基帶傳輸中，整個信道只傳輸一種信號，因此，基帶傳輸?shù)男诺览寐屎艿汀Ｓ捎谠诮g隔范圍內(nèi)基帶信號的衰減不大，從而信號內(nèi)容不會發(fā)生變化。因此，在傳輸間隔較近時，計算機網(wǎng)絡通常都采用基帶傳輸方式。高等計算機網(wǎng)絡與平安15/103二.信息、數(shù)據(jù)與信號 2.基帶、頻帶與寬帶傳輸Cont.例如：從計算機到監(jiān)視器、

7、打印機等外設的信號就是采用基帶傳輸?shù)摹Ａ硗?，大多?shù)的局域網(wǎng)，如：以太網(wǎng)、令牌環(huán)網(wǎng)等，也都運用基帶傳輸，常見的網(wǎng)絡設計規(guī)范10BaseT所運用的就是基帶信號?；鶐盘柕念l譜中由于含有豐富的低頻分量乃至直流零頻分量，例如：語音信號為3003400Hz， 圖像信號為06MHz，因此，出于抗干擾和提高數(shù)據(jù)傳輸率的思索，基帶信號不適宜用于遠間隔通訊。高等計算機網(wǎng)絡與平安16/103二.信息、數(shù)據(jù)與信號 2.基帶、頻帶與寬帶傳輸Cont.在遠間隔通訊時，通常所采用的傳輸方式為頻帶傳輸Frequency Band Transmission，即：首先將基帶信號變換調制成便于在模擬信道中傳輸?shù)?、具有較高頻率范圍

8、的模擬信號稱為頻帶信號，F(xiàn)requency Band Signal，然后再將這種頻帶信號在模擬信道中進展傳輸。顯然，模擬信道不適用于直接傳輸頻帶很寬、但能量集中在低頻段的數(shù)字基帶信號。頻帶傳輸在傳輸系統(tǒng)的發(fā)送端和接納端都需求設置調制解調器Modem 。高等計算機網(wǎng)絡與平安17/103二.信息、數(shù)據(jù)與信號小知識：為什么在遠間隔通訊時，要采用頻帶傳輸？即：為什么在遠間隔通訊時，要將基帶信號變換調制成具有較高頻率范圍的頻帶信號，才便于在模擬信道中進展傳輸？由 電磁波速率電磁波波長*電磁波頻率 可知，當電磁波頻率越高時，電磁波波長越短，此時的電磁波由于波長短，能量大，因此可以進展遠間隔傳輸 。高等計算

9、機網(wǎng)絡與平安18/103二.信息、數(shù)據(jù)與信號 2.基帶、頻帶與寬帶傳輸Cont.相對普通說的頻帶傳輸而言，比音頻4KHZ還要寬的頻帶稱為寬帶Broad Band。運用這種寬頻帶傳輸?shù)南到y(tǒng)，稱為寬帶傳輸系統(tǒng)Broad Band Transmission System。顯然，寬帶傳輸系統(tǒng)多是模擬信號傳輸系統(tǒng)，傳輸?shù)氖悄M信號。高等計算機網(wǎng)絡與平安19/103二.信息、數(shù)據(jù)與信號 2.基帶、頻帶與寬帶傳輸Cont. 與基帶傳輸相比，寬帶傳輸具有以下幾個方面的優(yōu)點： 能在一個信道中同時傳輸聲音、圖像和數(shù)據(jù)信息，從而使得系統(tǒng)可具有多種用途。 一條寬帶信道能劃分為多條邏輯基帶信道，實現(xiàn)多路復用，因此，寬帶

10、傳輸系統(tǒng)中信道的容量大大添加了。 寬帶寬頻帶傳輸?shù)拈g隔比基帶傳輸?shù)拈g隔更遠。高等計算機網(wǎng)絡與平安20/103二.信息、數(shù)據(jù)與信號 3.數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)的普通組成模型數(shù)據(jù)通訊是指在不同的計算機之間傳送表示字符、數(shù)字、語音、圖像的二進制代碼的過程。按照在傳輸介質上傳輸?shù)男盘栴愋筒煌?，?shù)據(jù)通訊系統(tǒng)可分為模擬通訊系統(tǒng)與數(shù)字通訊系統(tǒng)兩種。其中， 信道中傳輸模擬信號的系統(tǒng)稱為模擬通訊系統(tǒng)， 信道中傳輸數(shù)字信號的系統(tǒng)那么稱為數(shù)字通訊系統(tǒng)。高等計算機網(wǎng)絡與平安21/103二.信息、數(shù)據(jù)與信號 3.數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)的普通組成模型通訊系統(tǒng)的普通組成模型如以下圖所示：高等計算機網(wǎng)絡與平安22/103二.信息、數(shù)據(jù)與信號 4

11、.模擬通訊系統(tǒng)的組成模型模擬通訊系統(tǒng)的組成可由通訊系統(tǒng)普通模型略加改動而成，主要完成了以下兩種重要變換：延續(xù)音訊到電信號相互變換；例如：把聲音轉換為電信號的麥克風。基帶信號模擬基帶信號到調制信號頻帶信號的變換。高等計算機網(wǎng)絡與平安23/103二.信息、數(shù)據(jù)與信號 4.模擬通訊系統(tǒng)的組成模型為了完成基帶信號到頻帶信號的變換，如以下圖所示，在模擬通訊系統(tǒng)中需求將通訊系統(tǒng)普通組成模型中的發(fā)送與接納設備分別用調制器、解調器來替代。高等計算機網(wǎng)絡與平安24/103二.信息、數(shù)據(jù)與信號 5.數(shù)字通訊系統(tǒng)的組成模型與分類在數(shù)字通訊系統(tǒng)中，假設信源產(chǎn)生的是數(shù)字信號例如：計算機或終端等數(shù)字設備直接發(fā)出的二進制信

12、號，而傳輸運用的是模擬信道例如：公用線路等，那么稱為數(shù)字信號的頻帶傳輸通訊系統(tǒng)。假設信源產(chǎn)生的是數(shù)字信號，而傳輸運用的也是數(shù)字信道，那么稱為數(shù)字信號的數(shù)字基帶傳輸通訊系統(tǒng)。假設信源產(chǎn)生的是模擬信號，而傳輸運用的是數(shù)字信道，那么稱為模擬信號數(shù)字化后的數(shù)字基帶傳輸通訊系統(tǒng)。高等計算機網(wǎng)絡與平安25/103二.信息、數(shù)據(jù)與信號 5.數(shù)字通訊系統(tǒng)的組成模型與分類Cont.數(shù)字信號頻帶傳輸通訊系統(tǒng)：數(shù)字信號頻帶傳輸通訊系統(tǒng)的組成模型如以下圖所示。高等計算機網(wǎng)絡與平安26/103二.信息、數(shù)據(jù)與信號 5.數(shù)字通訊系統(tǒng)的組成模型與分類Cont.數(shù)字基帶傳輸通訊系統(tǒng)：數(shù)字基帶傳輸通訊系統(tǒng)的組成模型如以下圖所示

13、。高等計算機網(wǎng)絡與平安27/103二.信息、數(shù)據(jù)與信號 5.數(shù)字通訊系統(tǒng)的組成模型與分類Cont.模擬信號數(shù)字化后的數(shù)字基帶傳輸通訊系統(tǒng)：模擬信號數(shù)字化后的數(shù)字基帶傳輸通訊系統(tǒng)的組成模型如以下圖所示。高等計算機網(wǎng)絡與平安28/103二.信息、數(shù)據(jù)與信號 5.數(shù)字通訊系統(tǒng)的組成模型與分類Cont.要實現(xiàn)模擬信號在數(shù)字基帶傳輸通訊系統(tǒng)中的傳輸，必需在發(fā)送端將模擬信號數(shù)字化，即進展模/數(shù)轉換；在接納端需進展相反的轉換，即數(shù)/模轉換。模擬信號的數(shù)字化需求三個步驟：抽樣、量化和編碼： 高等計算機網(wǎng)絡與平安29/103二.信息、數(shù)據(jù)與信號 5.數(shù)字通訊系統(tǒng)的組成模型與分類Cont.抽樣Sampling：是

14、指用每隔一定時間的信號樣值序列來替代原來在時間上延續(xù)的模擬信號， 也就是把在時間延續(xù)的模擬信號轉換為在時間上離散，幅度上延續(xù)的模擬信號。高等計算機網(wǎng)絡與平安30/103二.信息、數(shù)據(jù)與信號 5.數(shù)字通訊系統(tǒng)的組成模型與分類Cont.量化Quantification：是指用有限個幅度值來近似采樣得到的延續(xù)變化的幅度值，從而把模擬信號的延續(xù)幅度變?yōu)橛邢迶?shù)量的有一定間隔的離散幅度。 高等計算機網(wǎng)絡與平安31/103二.信息、數(shù)據(jù)與信號 5.數(shù)字通訊系統(tǒng)的組成模型與分類Cont.編碼Coding：是指按照一定的規(guī)律，把量化后的幅度值用二進制數(shù)字表示，然后轉換成二值或多值的數(shù)字信號流。 這樣得到的數(shù)字信

15、號，才可經(jīng)過電纜、微波干線、衛(wèi)星通道等數(shù)字線路傳輸。由此可知，在基帶傳輸中，需求對數(shù)字信號進展編碼來表示數(shù)據(jù)。高等計算機網(wǎng)絡與平安32/103二.信息、數(shù)據(jù)與信號 6.數(shù)字通訊的優(yōu)缺陷 數(shù)字通訊的主要優(yōu)點如下： 抗干擾才干強：由于在數(shù)字通訊中，傳輸?shù)男盘柗仁请x散的，以二進制為例，信號的取值只需兩個，這樣接納端只需判別兩種形狀。 過失可控：數(shù)字信號在傳輸過程中出現(xiàn)的錯誤過失，可經(jīng)過糾錯編碼技術來控制，以提高傳輸?shù)目煽啃浴８叩扔嬎銠C網(wǎng)絡與平安33/103二.信息、數(shù)據(jù)與信號 6.數(shù)字通訊的優(yōu)缺陷 易加密：數(shù)字信號與模擬信號相比，它容易進展加密和解密。因此，數(shù)字通訊的嚴密性好。 易于與現(xiàn)代技術相結

16、合：由于計算機技術、數(shù)字存貯技術、數(shù)字交換技術以及數(shù)字處置技術等現(xiàn)代技術飛速開展，許多設備、終端接口等產(chǎn)生的均是數(shù)字信號，因此，極易與數(shù)字通訊系統(tǒng)相銜接。高等計算機網(wǎng)絡與平安34/103二.信息、數(shù)據(jù)與信號 數(shù)字通訊的主要缺陷如下： 頻帶利用率不高：數(shù)字通訊中，數(shù)字信號占用的頻帶寬，例如：以系統(tǒng)為例，一路模擬通常只占據(jù) 4kHz 帶寬，但一路接近同樣話音質量的數(shù)字能夠要占據(jù)20-60kHz的帶寬。因此，在系統(tǒng)傳輸帶寬一定的前提之下，模擬的頻帶利用率要高出數(shù)字5-15倍。 高等計算機網(wǎng)絡與平安35/103二.信息、數(shù)據(jù)與信號 系統(tǒng)設備比較復雜：在數(shù)字通訊中，為了準確地恢復信號，接納端需求嚴厲的同

17、步系統(tǒng)，以堅持接納端和發(fā)送端之間具有嚴厲的節(jié)拍一致、編組一致。因此，數(shù)字通訊系統(tǒng)及其設備普通都比較復雜。不過，隨著新的寬帶傳輸信道如光纖的采用、以及窄帶調制技術與超大規(guī)模集成電路的開展，數(shù)字通訊的這些缺陷目前曾經(jīng)弱化。高等計算機網(wǎng)絡與平安36/103三.傳輸介質 物理層的目的是將原始的位流從一臺機器傳輸?shù)搅硪慌_機器，有多種物理介質可用于實踐的傳輸過程。每一種傳輸介質都有本人不同的特性，包括帶寬、延遲、造價等。按照物理形狀的不同，傳輸介質大致上可以分為有線傳輸介質和無線傳輸介質兩種。高等計算機網(wǎng)絡與平安37/103三.傳輸介質 1.有線傳輸介質 有線傳輸介質是指在兩個通訊設備之間實現(xiàn)的物理銜接部

18、分，它能將信號從一方傳輸?shù)搅硪环?，有線傳輸介質主要有雙絞線、同軸電纜和 光纖：高等計算機網(wǎng)絡與平安38/103三.傳輸介質 雙絞線Twisted Pair：雙絞線是一種把兩條相互絕緣的銅導線紐絞起來而組成的通訊線路，雙絞線的這種構造既可減小流過電流所輻射的能量，也可防止來自其他通訊線路上的信號的干涉。通常，雙絞線可分為屏蔽STPShielded Twisted Pair和非屏蔽UTPUnshielded Twisted Pair的兩種，其中：非屏蔽雙絞線UTP定義了五種質量類別，而在計算機網(wǎng)絡中常用的有以下三種：第三類傳輸特性最高規(guī)定16MHz 、第四類20MHz 、第五類非屏蔽雙絞線155M

19、Hz 。高等計算機網(wǎng)絡與平安39/103三.傳輸介質 1.有線傳輸介質同軸電纜Coaxial Cable：同軸電纜是一種由一對同軸導線所組成的通訊線路。同軸電纜的頻帶寬，損耗小，具有比雙絞線更強的抗干擾才干和更好的傳輸性能。按特性阻抗值不同，同軸電纜主要包括75歐姆寬帶同軸電纜和50歐姆基帶同軸電纜兩種。在局域網(wǎng)中常用基帶電纜，其數(shù)據(jù)傳輸率為10Mb/s，主要用于總線拓撲構造。高等計算機網(wǎng)絡與平安40/103三.傳輸介質光纖Optical Fiber：在通訊系統(tǒng)中，目前最為普遍運用的是石英系光纖，普通由纖芯光的通路、包層多層反射玻璃，將光線反射到纖芯、以及維護層組成。光纖常用于點到點的遠間隔傳

20、輸。由于光纖在任何時候都只能單向傳輸，因此，實現(xiàn)雙向通訊光陰纖必需成對出現(xiàn)。高等計算機網(wǎng)絡與平安41/103三.傳輸介質 用光纖來傳輸電信號時，在發(fā)送端先要將其轉換成光信號，而在接納端那么要由光檢波器復原成電信號。按光在光纖中的傳輸方式，光纖可分為單模光纖Single Mode Fiber和多模光纖Multi Mode Fiber兩種。其中，“模是指以一定角速度進入到光纖之中的一束光。高等計算機網(wǎng)絡與平安42/103三.傳輸介質 2.無線傳輸介質 無線傳輸介質是指在兩個通訊設備之間不運用任何物理銜接，而是經(jīng)過空間傳輸?shù)囊环N技術。 無線傳輸介質主要包括微波、紅外線和激光等。高等計算機網(wǎng)絡與平安4

21、3/103三.傳輸介質 地面微波：微波的頻率范圍為300MHz-300GHz，在這個范圍內(nèi)，它在空中主要沿直線傳播，可經(jīng)電離反射到很遠的地方。由于微波在空中是直線傳播，而地球外表是個曲面，因此傳輸間隔遭到限制。假設兩個站點間相距太遠，由于地球本身會妨礙電磁波的傳輸，因此，需求經(jīng)過微波中繼站的串聯(lián)運用來完成遠程通訊效力。高等計算機網(wǎng)絡與平安44/103三.傳輸介質 衛(wèi)星微波：衛(wèi)星通訊是微波通訊與空間電子技術開展的產(chǎn)物，衛(wèi)星通訊系統(tǒng)由地球和衛(wèi)星站兩部分組成。衛(wèi)星在空中起著微波中繼站的作用，用于把地球站發(fā)上來的電磁波放大后再返送回另一地球站。衛(wèi)星首先從一個頻率上行鏈5.93-6.42GHz接納地面?zhèn)?/p>

22、輸來的信號，將其放大或再生之后，再從另一個頻率下行3.7-2.2GHz將信號發(fā)送到地面站。衛(wèi)星微波具有廣播性質，但由于傳輸間隔較遠，因此，有1/4秒的傳輸延遲。高等計算機網(wǎng)絡與平安45/103三.傳輸介質 紅外傳輸：主要利用950nm近紅外波段的紅外線作為傳輸媒介。由于紅外線的波長較短750nm至1mm之間，因此，對妨礙物的衍射才干差，只合順運用在需求短間隔最多1-2米范圍內(nèi)無線通訊的場所，進展點對點的直線數(shù)據(jù)傳輸，紅外傳輸?shù)膫鬏斔俾首羁炜蛇_16Mbps。高等計算機網(wǎng)絡與平安46/103三.傳輸介質 激光傳輸：激光除了在光纖通訊中可以作為光源外，還能用于在直線間進展數(shù)據(jù)傳輸，由于激光的聚焦性好

23、，利用激光可以在很長的間隔間進展直線的數(shù)據(jù)傳輸，這對于銜接兩棟無遮擋建筑物內(nèi)的計算機網(wǎng)絡或控制網(wǎng)絡是非常方便的，尤其對于只需暫時設置的銜接更有優(yōu)勢。但是，由于激光不具有穿透性，對環(huán)境變化比較敏感，霧、雪和雨等大氣變化都會影響傳輸效果，因此，實踐運用中能夠需求隨時對激光發(fā)射器和接納器進展調整與維護。高等計算機網(wǎng)絡與平安47/103四.數(shù)字數(shù)據(jù)的通訊方式在數(shù)字數(shù)據(jù)通訊中，按每次傳送的數(shù)字數(shù)據(jù)位數(shù)，通訊方式可分為并行通訊和串行通訊。按照數(shù)據(jù)在線路上的傳輸方向，那么其通訊方式又可分為單工通訊、半雙工通訊與全雙工通訊。高等計算機網(wǎng)絡與平安48/103四.數(shù)字數(shù)據(jù)的通訊方式1.串行與并行通訊 并行通訊Pa

24、rallel Commuca：如以下圖所示，在并行通訊方式中一次同時傳送8位二進制數(shù)據(jù)，因此，從發(fā)送端到接納端需求8根數(shù)據(jù)線。并行方式主要用于近間隔通訊，例如：在計算機內(nèi)部的數(shù)據(jù)通訊通常是以并行方式進展的。并行方式的優(yōu)點是傳輸速度快，處置簡單。高等計算機網(wǎng)絡與平安49/103四.數(shù)字數(shù)據(jù)的通訊方式1.串行與并行通訊串行通訊Serial Communication：在串行通訊方式中一次只傳送一位二進制的數(shù)據(jù)，因此，從發(fā)送端到接納端只需求一根傳輸線。串行方式雖然傳輸率低，但適宜于遠間隔傳輸，因此在網(wǎng)絡中普遍采用串行通訊方式。高等計算機網(wǎng)絡與平安50/103四.數(shù)字數(shù)據(jù)的通訊方式2.單工通訊、半雙工

25、或全雙工通訊 單工通訊Simplex Communication：單工通訊方式只支持數(shù)據(jù)在一個方向上傳輸，又稱為單向通訊。例如：無線電廣播和電視廣播都是單工通訊。 半雙工通訊Half Duplex Communication：半雙工通訊方式允許數(shù)據(jù)在兩個方向上傳輸，但在同一時辰，只允許數(shù)據(jù)在一個方向上傳輸，因此，半雙工通訊實踐上是一種可切換方向的單工通訊，這種方式普通用于計算機網(wǎng)絡的非主干線路中。高等計算機網(wǎng)絡與平安51/103四.數(shù)字數(shù)據(jù)的通訊方式 全雙工通訊Duplex Communication：全雙工通訊方式允許數(shù)據(jù)同時在兩個方向上傳輸，又稱為雙向同時通訊，即通訊的雙方可以同時發(fā)送和接

26、納數(shù)據(jù)。例如：現(xiàn)代通訊系統(tǒng)PSTN中采用的就是全雙工通訊方式。這種通訊方式主要用于計算機與計算機之間的通訊。高等計算機網(wǎng)絡與平安52/103四.數(shù)字數(shù)據(jù)的通訊方式3.同步與異步通訊 串行通訊的數(shù)據(jù)是逐位傳送的，發(fā)送方發(fā)送的每一位都具有固定的時間間隔，這就要求接納方也要按照發(fā)送方同樣的時間間隔來接納每一位。按照串行數(shù)字的不同時鐘控制方式，串行通訊又可分為同步通訊和異步通訊兩種方式。高等計算機網(wǎng)絡與平安53/103四.數(shù)字數(shù)據(jù)的通訊方式同步通訊Synchronous Communication：同步通訊方式要求接納端時鐘頻率和發(fā)送端時鐘頻率一致。發(fā)送端發(fā)送延續(xù)的比特流。異步通訊Asynchrono

27、us Communication：異步通訊時不要求接納端時鐘和發(fā)送端時鐘同步。發(fā)送端發(fā)送完一個字節(jié)長度為5至8位后，可經(jīng)過恣意長的時間間隔再發(fā)送下一個字節(jié)。高等計算機網(wǎng)絡與平安54/103五.數(shù)字數(shù)據(jù)的編碼方法 在基帶傳輸中，需求對數(shù)字信號進展編碼來表示數(shù)據(jù)，其中，數(shù)字數(shù)據(jù)信號的編碼方式主要有非歸零碼NRZ、曼徹斯特Manchester編碼、和差分曼徹斯特Difference Manchester編碼：高等計算機網(wǎng)絡與平安55/103五.數(shù)字數(shù)據(jù)的編碼方法非歸零碼NRZNon Return Zero：NRZ碼的編碼原理如以下圖所示，其中：以低電平表示0，高電平表示1。NRZ碼的缺陷：無法判別一

28、位的開場與終了，如：無法從繼續(xù)的高電平中解析出1的個數(shù)，因此，為保證收發(fā)雙方的同步，還必需在發(fā)送NRZ碼的時候，用另一個信道同時傳送同步信號。高等計算機網(wǎng)絡與平安56/103五.數(shù)字數(shù)據(jù)的編碼方法 曼徹斯特Manchester編碼：曼徹斯特編碼又稱裂相碼、雙向碼，是一種用電平跳變來表示1或0的編碼方法， 其編碼原理如以下圖所示，每比特的周期T分為前T/2與后T/2兩部分，前T/2傳送該比特的反碼，后T/2傳送該比特的原碼，其中：低電平表示0，高電平表示1 。 由于曼徹斯特碼在每個時鐘位都必需有一次變化，因此，其編碼的效率僅可到達50%左右。高等計算機網(wǎng)絡與平安57/103五.數(shù)字數(shù)據(jù)的編碼方法

29、 曼徹斯特編碼方法主要具有以下的優(yōu)點：1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T/2或T；2利用電平跳變可以產(chǎn)生收發(fā)雙方的同步信號；3曼徹斯特編碼是一種自同步的編碼方式，即時鐘同步信號就隱藏在數(shù)據(jù)波形中。在曼徹斯特編碼中，每一位的中間有一跳變，該跳變既可作為時鐘信號，又可作為數(shù)據(jù)信號。因此，發(fā)送曼徹斯特編碼信號時無需另發(fā)同步信號。高等計算機網(wǎng)絡與平安58/103五.數(shù)字數(shù)據(jù)的編碼方法 差分曼徹斯特Difference Manchester編碼：差分曼徹斯特編碼是對曼徹斯特編碼的一種改良，雖然保管了曼徹斯特編碼作為“自含時鐘編碼的優(yōu)點， 其編碼原理如以下圖所示，其中：每比特的

30、中間跳變僅做同步之用；每比特的值根據(jù)其開場邊境能否發(fā)生跳變來決議，假設一個比特開場處出現(xiàn)電平跳變表示傳輸二進制0，而不發(fā)生跳變那么表示傳輸二進制1。高等計算機網(wǎng)絡與平安59/103五.數(shù)字數(shù)據(jù)的編碼方法 差分曼徹斯特編碼的主要優(yōu)點為：比曼切斯特編碼的電平跳變次數(shù)要少，因此，更適宜與傳輸高速的信息，被廣泛用于寬帶高速網(wǎng)中。高等計算機網(wǎng)絡與平安60/103六.模擬信道的數(shù)字數(shù)據(jù)傳輸速率1.常用的數(shù)據(jù)傳輸速率單位 數(shù)據(jù)傳輸速率是描畫數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的重要技術目的之一。數(shù)據(jù)傳輸速率在數(shù)值上等于每秒鐘傳輸構成數(shù)據(jù)代碼的二進制比特數(shù)，單位為比特/秒，記為bps或b/s，常用的數(shù)據(jù)傳輸速率單位有：Kbps、Mb

31、ps、Gbps與Tbps，其中：1Kbps = 1103 bps；1Mbps = 1106 bps；1Gbps = 1109 bps；1Tbps = 11012 bps。高等計算機網(wǎng)絡與平安61/103六.模擬信道的數(shù)字數(shù)據(jù)傳輸速率2.信道、信號帶寬與信道帶寬 信道Channel：是指信號傳輸?shù)奈锢硗ǖ馈?信號帶寬：是指信號頻譜的寬度，即：信號的最高頻率分量與最低頻率分量之差， 例如：一個由數(shù)個正弦波疊加成的方波信號，該信號的最低頻率分量為其基頻，假定為：f=2KHz，其最高頻率分量為其7次諧波頻率，即為：7f=72=14KHz，因此，該信號的帶寬為：7f - f =14-2=12KHz。 高

32、等計算機網(wǎng)絡與平安62/103六.模擬信道的數(shù)字數(shù)據(jù)傳輸速率2.信道、信號帶寬與信道帶寬信道帶寬：信道帶寬限定了允許經(jīng)過該信道的信號下限頻率和上限頻率，即限定了一個頻率通帶。例如：一個信道允許的通帶為 1.5KHz至 15KHz，其帶寬為 13.5KHz，由于2KHz1.5KHz且14KHz15KHz，因此，上面這個方波信號的一切頻率成分當然能從該信道經(jīng)過，假設不思索衰減、時延以及噪聲等要素，經(jīng)過此信道的該信號會毫不失真。只需最低頻率分量和最高頻率分量都在信道帶寬的頻率范圍內(nèi)的恣意信號都能經(jīng)過該信道 。高等計算機網(wǎng)絡與平安63/103六.模擬信道的數(shù)字數(shù)據(jù)傳輸速率2.信道、信號帶寬與信道帶寬

33、假設信號與信道帶寬一樣且頻率范圍一致，信號能不損失頻率成分地經(jīng)過信道。 假設帶寬一樣但頻率范圍不一致時，該信號的頻率分量一定不能完全經(jīng)過該信道此時，可以思索經(jīng)過頻譜搬移也就是調制來實現(xiàn) 。 高等計算機網(wǎng)絡與平安64/103六.模擬信道的數(shù)字數(shù)據(jù)傳輸速率2.信道、信號帶寬與信道帶寬 假設帶寬不同且信號帶寬小于信道帶寬，同時，信號的一切頻率分量均包含在信道的通帶范圍內(nèi)，那么信號能不損失頻率成分地經(jīng)過。 假設帶寬不同且信號帶寬大于信道帶寬，同時，集中信號大部分能量的主要頻率分量包含在信道的通帶范圍內(nèi)，經(jīng)過信道的信號會損失部分頻率成分，但仍能夠被識別，正如數(shù)字信號的基帶傳輸和語音信號在信道傳輸那樣。高

34、等計算機網(wǎng)絡與平安65/103六.模擬信道的數(shù)字數(shù)據(jù)傳輸速率2.信道、信號帶寬與信道帶寬 假設帶寬不同且信號帶寬大于信道帶寬，同時，集中信號相當多能量的頻率分量不在信道的通帶范圍內(nèi)，這些信號頻率成分將被濾除，信號失真甚至嚴重畸變。 不論帶寬能否一樣，假設信號的一切頻率分量都不在信道的通帶范圍內(nèi)，那么信號將無法經(jīng)過。 高等計算機網(wǎng)絡與平安66/103六.模擬信道的數(shù)字數(shù)據(jù)傳輸速率2.信道、信號帶寬與信道帶寬 不論帶寬能否一樣，假設信號頻譜與信道通帶交錯，且只需部分頻率分量經(jīng)過，那么信號將會失真。 例如：以信道為例，假定其頻率范圍從3003300Hz，即：信道帶寬為3kHz，而語音信號頻譜那么普通

35、為100Hz7KHz的范圍。那么信道將語音信號頻譜掐頭去尾。 由于語音信號的主要能量集中在中心的一些頻率分量附近，因此，經(jīng)過信道傳輸?shù)恼Z音信號雖有失真，但仍能分辨。高等計算機網(wǎng)絡與平安67/103六.模擬信道的數(shù)字數(shù)據(jù)傳輸速率3.奈奎斯特準那么與香農(nóng)定律 在現(xiàn)代網(wǎng)絡技術中，人們總是以“帶寬來表示信道的數(shù)據(jù)傳輸速率，“帶寬與“速率幾乎成了同義詞。 信道帶寬與數(shù)據(jù)傳輸速率的關系可以奈奎斯特Nyquist準那么與香農(nóng)Shanon定律描畫。 高等計算機網(wǎng)絡與平安68/103六.模擬信道的數(shù)字數(shù)據(jù)傳輸速率3.奈奎斯特準那么與香農(nóng)定律 奈奎斯特準那么：二進制數(shù)據(jù)信號的最大數(shù)據(jù)傳輸速率Rmax與通訊信道帶寬

36、H單位Hz的關系為Rmax=2Hlog2V，其中V表示不同碼元的個數(shù)。 香農(nóng)定理：在有隨機熱噪聲的信道上傳輸數(shù)據(jù)信號時，數(shù)據(jù)傳輸速率Rmax與信道帶寬H，信噪比S/N的關系為Rmax=Hlog21+S/N，其中S/N為信噪比，10lgS/N的值為分貝。高等計算機網(wǎng)絡與平安69/103六.模擬信道的數(shù)字數(shù)據(jù)傳輸速率3.奈奎斯特準那么與香農(nóng)定律 奈奎斯特定理描畫了有限帶寬、無噪聲信道的最大數(shù)據(jù)傳輸速率與信道帶寬的關系。 香農(nóng)定理描畫了有限帶寬、有隨機熱噪聲信道的最大傳輸速率與信道帶寬、信噪比間的關系。 顯然，信道數(shù)據(jù)傳輸速率的上限：為分別根據(jù)奈奎斯特準那么和香農(nóng)定理所得數(shù)據(jù)傳輸速率Rmax之間的最

37、小值。 高等計算機網(wǎng)絡與平安70/103六.模擬信道的數(shù)字數(shù)據(jù)傳輸速率3.奈奎斯特準那么與香農(nóng)定律 另外，由奈奎斯特準那么可知，要想提高信道的數(shù)據(jù)傳輸速率，僅僅依托提高采樣率是不能夠的，由于奈奎斯特準那么闡明，即使對于完美的3KHz傳輸線路，假設每個碼元僅包含一位即：用0伏電壓表示邏輯0，用1伏電壓表示邏輯1，那么采樣率超越6KHz是沒有意義的。 因此，要想獲得更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，只需利用調制Modulation技術盡能夠提高每次采樣發(fā)送的信息的位數(shù)，即碼元的長度。高等計算機網(wǎng)絡與平安71/103六.模擬信道的數(shù)字數(shù)據(jù)傳輸速率4.數(shù)字調制技術的三種根本方式 所謂調制，是指在發(fā)送端將數(shù)字數(shù)據(jù)信號

38、變換成模擬數(shù)據(jù)信號的過程。擔任調制的設備稱為調制器Modulator。 在數(shù)字信號的頻帶傳輸系統(tǒng)中，為了在模擬信道中傳輸數(shù)字信號，必需先在發(fā)送端將數(shù)字信號轉換成模擬信號，然后再在接納端將模擬數(shù)據(jù)信號復原成數(shù)字數(shù)據(jù)信號。 高等計算機網(wǎng)絡與平安72/103六.模擬信道的數(shù)字數(shù)據(jù)傳輸速率4.數(shù)字調制技術的三種根本方式 將模擬數(shù)據(jù)信號復原成數(shù)字數(shù)據(jù)信號的過程稱為解調，擔任解調的設備稱為解調器Demodulator，而同時具備調制與解調功能的設備那么稱為調制解調器Modem，調制解調器是頻帶傳輸中最典型的通訊設備。 目前主要的數(shù)字調制技術將數(shù)字信號變換為模擬信號的技術有以下三種根本方式，即：移幅鍵控法A

39、SK、移頻鍵控法FSK、移相鍵控法PSK。高等計算機網(wǎng)絡與平安73/103六.模擬信道的數(shù)字數(shù)據(jù)傳輸速率4.數(shù)字調制技術的三種根本方式 幅度鍵控ASKAmplitude Shift Keying：即按載波的幅度遭到數(shù)字數(shù)據(jù)的調制而取不同的值，例如：對應二進制0，載波振幅為0；對應二進制1，載波振幅為1。調幅技術實現(xiàn)起來簡單，但容易受增益變化的影響，是一種低效的調制技術。在線路上，通常只能到達1200bps的速率。 高等計算機網(wǎng)絡與平安74/103六.模擬信道的數(shù)字數(shù)據(jù)傳輸速率4.數(shù)字調制技術的三種根本方式 頻移鍵控FSKFrequency Shift Keying：即按數(shù)字數(shù)據(jù)的值0或1調制載

40、波的頻率。例如：對應二進制0的載波頻率為F1，而對應二進制1的載波頻率為F2。該技術抗干擾性能好，但占用帶寬較大。高等計算機網(wǎng)絡與平安75/103六.模擬信道的數(shù)字數(shù)據(jù)傳輸速率4.數(shù)字調制技術的三種根本方式 相移鍵控PSKPhase Shift Keying：即按數(shù)字數(shù)據(jù)的值調制載波相位。 例如：用180度相移表示1，用0度相移表示0。 這種調制技術的抗干擾性能最好，且相位的變化也可以作為定時信息來同步發(fā)送機和接納機的時鐘，并對傳輸速率起到加倍的作用。高等計算機網(wǎng)絡與平安76/103六.模擬信道的數(shù)字數(shù)據(jù)傳輸速率4.數(shù)字調制技術的三種根本方式為了獲得更高的速度，目前的高級調制解調器都組合運用了

41、幾種調制技術，以便在每個波特每秒采樣的次數(shù)稱為波特中傳輸盡能夠多的位。通常，多個振幅和相位組合起來即可傳輸幾位/波特。高等計算機網(wǎng)絡與平安77/103六.模擬信道的數(shù)字數(shù)據(jù)傳輸速率4.數(shù)字調制技術的三種根本方式 基于振幅和相位組合的調制方法可以用星座圖Constellation Diagram來表示。在星座圖中，圖中每個點代表了信道中傳輸?shù)恼逸d波信號不同振幅與相位的組合。高等計算機網(wǎng)絡與平安78/103六.模擬信道的數(shù)字數(shù)據(jù)傳輸速率4.數(shù)字調制技術的三種根本方式四種常見的基于振幅和相位組合的調制方法及其星座圖表示。 QPSK正交相移鍵控，Quadrature Phase Shift Keyi

42、ng調制技術：對應的星座圖包含振幅與相位的4種組合，因此每次采樣可發(fā)送長度為2位的信息，即用4種組合分別表示 (0,0)、(0,1)、(1,0)、(1,1) 。高等計算機網(wǎng)絡與平安79/103六.模擬信道的數(shù)字數(shù)據(jù)傳輸速率4.數(shù)字調制技術的三種根本方式 QAM-16正交振幅調制，Quadrature Amplitude Modulation調制技術：對應的星座圖包含振幅與相位的16種組合，因此每次采樣可發(fā)送長度為4位的信息，即用4種組合分別表示 (0,0,0,0)(1,1,1,1)。高等計算機網(wǎng)絡與平安80/103六.模擬信道的數(shù)字數(shù)據(jù)傳輸速率4.數(shù)字調制技術的三種根本方式 QAM-64調制技

43、術：對應的星座圖包含振幅與相位的64種組合，因此每次采樣可發(fā)送長度為6位的信息，即用4種組合分別表示 (0,0,0,0,0,0)(1,1,1,1,1,1)。 高等計算機網(wǎng)絡與平安81/103六.模擬信道的數(shù)字數(shù)據(jù)傳輸速率4.數(shù)字調制技術的三種根本方式 QAM-128調制技術：對應的星座圖包含振幅與相位的128種組合，因此每次采樣可發(fā)送長度為8位的信息，即用4種組合分別表示 (0,0,0,0,0,0,0,0)(1,1,1,1,1,1,1,1) 。高等計算機網(wǎng)絡與平安82/103六.模擬信道的數(shù)字數(shù)據(jù)傳輸速率4.數(shù)字調制技術的三種根本方式基于奈奎斯特準那么可知，針對話音信道帶寬4000Hz，采用Q

44、PSK、QAM-16、QAM-64、QAM-128四種不同調制技術，那么信道的數(shù)據(jù)傳輸速率分別可達16Kbps、32 Kbps、48 Kbps、64 Kbps。顯然，星座圖中的點越多，那么采用該調制技術，將使得信道的數(shù)據(jù)傳輸速率越大。但是，星座圖中的點越多，也使得噪聲對信號影響也就越大，因此，星座圖中的點不能夠無限制增多。高等計算機網(wǎng)絡與平安83/103七.多路復用技術多路復用Multiplexing是指兩個或多個用戶共享一條公用信道的一種機制。經(jīng)過多路復用技術，多個終端能共享一條高速信道，從而到達節(jié)省信道資源的目的。多路復用技術主要包括以下幾種：頻分多址FDMAFrequency Divis

45、ion Multiple Access，時分多址TDMATime Division Multiple Access，碼分多址CDMACode Division Multiple Access、波分多址WDMAWavelength Division Multiple Access。高等計算機網(wǎng)絡與平安84/103七.多路復用技術1.頻分多址FDMA技術 如以下圖所示，F(xiàn)DMA技術把通訊系統(tǒng)的總頻段劃分成假設干個等間隔的信道也稱頻道分配給不同的用戶運用。每一個頻道都可以傳輸語音通話、數(shù)字效力和數(shù)字數(shù)據(jù)，且這些頻道之間互不交疊，相鄰頻道之間無明顯的串擾。FDMA的特點是信道不獨占，而時間資源共享，每

46、一子信道運用的頻帶互不重疊。高等計算機網(wǎng)絡與平安85/103七.多路復用技術2.時分多址TDMA技術 TDMA時分多路復用技術是將信道用于傳輸?shù)臅r間劃分為假設干個時隙；每個用戶分得一個時隙；在其占有的時隙內(nèi)，用戶運用通訊信道的全部帶寬。 TDMA的特點是獨占時隙，而信道資源共享，每一個子信道運用的時隙不重疊。高等計算機網(wǎng)絡與平安86/103七.多路復用技術2.時分多址TDMA技術 例如，貝爾系統(tǒng)的T1載波采用TDMA技術將24路音頻信道復用在一條通訊線路上； 每路音頻模擬信號在送到多路復用器前要經(jīng)過一個PCM編碼器，編碼器每秒取樣8000次； 24路PCM信號的每一路輪番將一個字節(jié)插入到幀F(xiàn)r

47、ame中；每個字節(jié)的長度為8位，其中7位是數(shù)據(jù)位，1位用于信道控制；每幀由248=192位組成，附加一位作為幀開場標志位，所以每幀共有193位； 每次取樣發(fā)送一幀，因此，發(fā)送一幀需求125微秒；因此，T1載波的數(shù)據(jù)傳輸速率為1.544Mbps=193位/125微秒。高等計算機網(wǎng)絡與平安87/103七.多路復用技術3.碼分多址CDMA技術 碼分多址CDMA技術也稱擴頻多址SSMA， Spread Spectrum Multiple Access技術，是指將原信號的頻帶擴寬，再經(jīng)調制后發(fā)送出去；接納端接納到經(jīng)擴頻的寬帶信號后，作相關處置，再將其解擴為原始數(shù)據(jù)信號。高等計算機網(wǎng)絡與平安88/103七

48、.多路復用技術3.碼分多址CDMA技術碼分多址技術也是一種共享信道的方法，每個用戶可在同一時間運用同樣的頻帶進展通訊，但運用的是基于碼型的分割信道的方法，即每個用戶分配一個地址碼，且各個碼型互不重疊，通訊各方之間不會相互關擾。CDMA的特點：是一切子信道在同一時間可以運用整個信道進展數(shù)據(jù)傳輸，它在信道與時間資源上均為共享，因此，信道的效率高，系統(tǒng)的容量大。高等計算機網(wǎng)絡與平安89/103七.多路復用技術3.碼分多址CDMA技術CDMA的原理：任何一個發(fā)送方都要把本人發(fā)送的0、1代碼串中的每一位都分成m個更短的時隙或稱芯片Chip，通常m取64片或128片，也就是將原先要發(fā)送的信號速率或帶寬提高

49、了64倍或128倍。另外，這種芯片序列是雙極型表示的，即0用-1表示，1用+1表示。高等計算機網(wǎng)絡與平安90/103七.多路復用技術3.碼分多址CDMA技術假定每個站點都有本人獨一的芯片序列，用符號S來表示站點S的m維芯片序列，S表示它的補碼也是一個m維芯片序列，且一切芯片序列都是兩兩正交的。即：假設S和T是兩個不同的芯片序列，用ST表示兩者之間的“點積，其中，所謂“點積就是指對雙極型芯片序列中的m位相乘之和、再除以m的結果。那么每個芯片序列和其本身的點積結果為1如：SS=+1，和其補碼的點積結果為1如：SS =+1，而與其它不同的芯片序列的點積結果為0如：ST=0。高等計算機網(wǎng)絡與平安91/

50、103七.多路復用技術3.碼分多址CDMA技術 例如：假定 S =-1,-1,-1,-1， T =+1,-1,+1,-1，那么有：SS =-1,-1,-1,-1-1,-1,-1,-1=-1*-1+-1*-1+-1 *-1+-1*-1/4=+1SS =-1,-1,-1,-1+1,+1,+1,+1=-1*+1+-1*+1+-1 *+1+-1*+1/4=-1ST =-1,-1,-1,-1+1,-1,+1,-1=-1*+1+-1*-1+-1 *+1+-1*-1/4=0ST =-1,-1,-1,-1-1,+1,-1,+1=-1*-1+-1*+1+-1 *-1+-1*+1/4=0高等計算機網(wǎng)絡與平安92/

51、103七.多路復用技術3.碼分多址CDMA技術 上述這種芯片序列所具有的特性稱為正交性，而構造滿足正交性的芯片序列的編碼那么稱為 Walsh碼，Walsh碼可以從一個二進制Walsh矩陣導出。 根據(jù)上述芯片序列的正交特性，假設一個站點要發(fā)送數(shù)字1時就發(fā)送其芯片序列本身，要發(fā)送數(shù)字0時就發(fā)送其芯片序列的補碼。 當有多個終端同時發(fā)送信號時，那么信號將會在空中進展疊加。高等計算機網(wǎng)絡與平安93/103七.多路復用技術3.碼分多址CDMA技術例如：假定站點A、B的芯片序列分別是-1,-1,-1,-1和+1,-1,+1,-1，假設站點A、B發(fā)送的數(shù)字都為1即：站點A、B均發(fā)送其芯片序列本身，那么信號疊加后將變