計算機網(wǎng)絡(luò)原理與應(yīng)用

關(guān)于計算機網(wǎng)絡(luò)原理與應(yīng)用第1頁，共59頁，2022年，5月20日，8點20分，星期六2.1基本概念數(shù)據(jù)通信是計算機網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)。沒有數(shù)據(jù)通信技術(shù)的發(fā)展，就沒有計算機網(wǎng)絡(luò)的今天。本節(jié)將簡單介紹數(shù)字通信的一些基本概念。2.1.1基本概念2.1.2模擬通信2.1.3數(shù)字通信第2頁，共59頁，2022年，5月20日，8點20分，星期六基本概念(1)數(shù)據(jù)(Data)：運送信息的實體。信息(Information)：是數(shù)據(jù)的內(nèi)容或解釋。信號(Signal)：數(shù)據(jù)的物理量編碼(通常為電磁編碼)，數(shù)據(jù)以信號的形式傳播。模擬信號:是連續(xù)變化的電磁波，它可以在各種媒體上傳輸與頻率有關(guān)。即連續(xù)的信號，如話音信號和廣播電視信號。

數(shù)字信號:是一串相繼的電壓脈沖，它能在導(dǎo)線上傳播。即離散的信號，如計算機通信所用的二進制代碼1和0組成的信號。tta)模擬信號b)數(shù)字信號第3頁，共59頁，2022年，5月20日，8點20分，星期六基本概念(2)信道(channel):一般用來表示向某一個方向傳送信息的媒體。一條通信電路往往包含一條發(fā)送信道和一條接收信道。一個信道可以看成是一條電路的邏輯部件。信道上傳送的信號有基帶信號和寬帶信號之分?；鶐?Baseband)與寬帶(Broadband)基帶(baseband)信號:就是將數(shù)字信號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(broadband)信號:則是將基帶信號進行調(diào)制后形成的頻分復(fù)用模擬信號?；鶐盘栠M行調(diào)制后，其頻譜搬移到較高的頻率處。由于每一路基帶信號的頻譜被搬移到不同的頻段，這樣做就可以在一條電纜中同時傳送許多路的數(shù)字信號，因而提高了線路的利用率。第4頁，共59頁，2022年，5月20日，8點20分，星期六基本概念(3)通信的雙方信息交互的方式：單向通信(單工通信):只能有一個方向的通信而沒有反方向的交互。（無線電廣播）雙向交替通信(半雙工通信):通信的雙方都可以發(fā)送信息，但不能同時發(fā)送(也不能同時接收)。（對講機）雙向同時通信(全雙工通信):通信的雙方可以同時發(fā)送和接收信息。（電話）第5頁，共59頁，2022年，5月20日，8點20分，星期六基本概念(4)帶寬(bandwidth）信號中的大部分能量都集中在一個相對較窄的頻帶范圍之內(nèi)，我們將信號大部分能量集中的那段頻帶稱為有效帶寬（指信號具有的頻帶寬度），簡稱帶寬。以前通信線路主要是傳送模擬信號，所以是用頻率的單位來衡量，如，Hz、kHz、MHz等?，F(xiàn)在線路都用來傳送數(shù)字信號，所以，帶寬用在通信鏈路上能夠傳送數(shù)字信號的速率來衡量，也稱為比特率、通信速率、數(shù)據(jù)(傳輸)率。帶寬單位：bit/s(bps)，kbit/s，Mbit/s，Gbit/s第6頁，共59頁，2022年，5月20日，8點20分，星期六基本概念(5)時延信息從網(wǎng)絡(luò)的一端傳送到另一端所需的時間時延=傳播時延+發(fā)送時延+排隊時延傳播時延=信道長度/電磁波在信道的傳播速率發(fā)送時延=數(shù)據(jù)位數(shù)/信道帶寬排隊時延=數(shù)據(jù)在中間結(jié)點等待轉(zhuǎn)發(fā)的延遲時間第7頁，共59頁，2022年，5月20日，8點20分，星期六時延帶寬乘積某一鏈路所能容納的比特數(shù)時延帶寬乘積=帶寬×傳播時延例如，某鏈路的時延帶寬乘積為100萬比特，這意味著第一個比特到達目的端時，源端已發(fā)送了100萬比特。鏈路帶寬傳播時延體積=時延帶寬乘積往返時延RTT(Round-TripTime)從源端發(fā)送數(shù)據(jù)開始，到源端收到目的端的確認(rèn)所經(jīng)歷的時間RTT≈2×傳播時延基本概念(5)第8頁，共59頁，2022年，5月20日，8點20分，星期六2.1.2通信系統(tǒng)模型通信的三個要素：信源、信宿和信道數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的構(gòu)成：傳輸系統(tǒng)：傳輸線路和傳輸設(shè)備(調(diào)制解調(diào)器、多路復(fù)用器、交換機、路由器等)源系統(tǒng)：源站+發(fā)送器目的系統(tǒng)：目的站+接收器噪聲信源發(fā)送器信道接收器信宿源系統(tǒng)目的系統(tǒng)第9頁，共59頁，2022年，5月20日，8點20分，星期六2.1.3模擬通信模擬通信:利用模擬信號來傳遞消息，如，廣播、電視。模擬通信系統(tǒng):通常由信源、調(diào)制器、信道、解調(diào)器、信宿以及噪聲源組成。信源所產(chǎn)生的模擬信號一般都要經(jīng)過調(diào)制再通過信道傳輸。調(diào)制器是用發(fā)送的消息對載波的某個參數(shù)進行調(diào)制的設(shè)備。解調(diào)器是實現(xiàn)上述過程逆變換的設(shè)備。噪聲源包括了影響該系統(tǒng)的所有噪聲，如脈沖噪聲（天電噪聲、工業(yè)噪聲等）和隨機噪聲（信道噪聲、發(fā)送設(shè)備噪聲、接收設(shè)備噪聲等）。信源調(diào)制器信道信宿解制器噪聲源第10頁，共59頁，2022年，5月20日，8點20分，星期六2.1.4數(shù)字通信數(shù)字通信:利用數(shù)字信號來傳遞消息。如計算機通信和數(shù)字電視。數(shù)字通信系統(tǒng)：由信源、信源編碼器、信道編碼器、調(diào)制器、信道、解調(diào)器、信道譯碼器、信源譯碼器、信宿、噪聲源以及發(fā)送端和接收端時鐘同步組成。信源編碼器對模擬信號變換為數(shù)字信號。而信源譯碼則是信源編碼的逆過程。信道編碼：可自動地檢測出錯誤或糾正錯誤；信道譯碼則是信道編碼的逆變換。調(diào)制器是為了與采用的信道相匹配，將基帶信號經(jīng)過調(diào)制變換成寬帶信號再傳輸；而解調(diào)則是調(diào)制的逆過程。為了保證接收端正確接收數(shù)據(jù)，接收端的接收時鐘必須與發(fā)送端的發(fā)送時鐘保持同步。信源信源編碼器信宿信道編碼器調(diào)制器信道解調(diào)器信道解碼器信源譯碼器噪聲源發(fā)送時鐘同步接受時鐘同步第11頁，共59頁，2022年，5月20日，8點20分，星期六數(shù)字通信系統(tǒng)的特點抗干擾能力強;可實現(xiàn)高質(zhì)量的遠距離通信;能適應(yīng)各種通信業(yè)務(wù);能實現(xiàn)高保密通信;通信設(shè)備的集成化和微型化;數(shù)字通信的缺點：最大缺點是占用的頻帶寬。(一路模擬電話占用4KHZ信道的帶寬，而一路數(shù)字電話占用64kHZ信道的帶寬)第12頁，共59頁，2022年，5月20日，8點20分，星期六2.2數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)理論比特(bit)：信息量的單位。比特率為每秒傳輸?shù)亩M制位個數(shù)。碼元(CodeCell)：時間軸上的一個信號編碼單元。碼元傳輸速率:每秒傳多少個碼元。它的速率單位是波特(Baud)，也稱為調(diào)制速率、波形速率或符號速率。無噪聲信道上的最高碼元傳輸速率遵循奈奎斯特(Nyquist)公式：

C=2Wlog2Vb/s

W為信道的帶寬（以Hz為單位）；V為某給定時刻數(shù)字信號的可能取的離散值的個數(shù)。有噪聲信道的極限信息傳輸速率遵循香農(nóng)(Shannon)公式：

C=Wlog2(1+S/N)b/s

W為信道的帶寬（以Hz為單位）；S為信道內(nèi)所傳信號的平均功率；N為信道內(nèi)部的高斯噪聲功率。第13頁，共59頁，2022年，5月20日，8點20分，星期六1)數(shù)據(jù)通信方式-并行傳輸與串行傳輸

第14頁，共59頁，2022年，5月20日，8點20分，星期六2）數(shù)據(jù)同步方式目的是使接收端與發(fā)送端在時間基準(zhǔn)上一致(包括開始時間、位邊界、重復(fù)頻率等)。有三種同步方法：位同步字符同步（用于異步傳輸）幀同步（用于同步傳輸）第15頁，共59頁，2022年，5月20日，8點20分，星期六位同步：目的是使接收端接收的每一位信息都與發(fā)送端保持同步外同步——發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)時同時發(fā)送同步時鐘信號，接收方用同步信號來鎖定自己的時鐘脈沖頻率。自同步——通過特殊編碼(如曼徹斯特編碼)，這些數(shù)據(jù)編碼信號包含了同步信號，接收方從中提取同步信號來鎖定自己的時鐘脈沖頻率。a.位同步第16頁，共59頁，2022年，5月20日，8點20分，星期六字符同步：以字符為邊界實現(xiàn)字符的同步接收，也稱為起止式或異步制。每個字符的傳輸需要：1個起始位5，6，7，8個數(shù)據(jù)位1，1.5，2個停止位頻率的漂移不會積累，每個字符開始時都會重新同步每兩個字符之間的間隔時間不固定增加了輔助位，所以效率低例如，采用1個起始位、8個數(shù)據(jù)位、2個停止位時，其效率為8/11＜72％起始位數(shù)據(jù)位停止位間隔,不固定b.字符同步(用于異步傳輸)第17頁，共59頁，2022年，5月20日，8點20分，星期六幀同步：識別一個幀的起始和結(jié)束。幀(Frame)——包含數(shù)據(jù)和控制信息的數(shù)據(jù)塊面向字符的——以同步字符(SYN，16H)來標(biāo)識一個幀的開始，適用于數(shù)據(jù)為字符類型的幀面向比特的——以特殊位序列(7EH)來標(biāo)識一個幀的開始，適用于任意數(shù)據(jù)類型的幀幀起始控制信息數(shù)據(jù)幀結(jié)束校驗和0–nbit8bit8bit8-32mc.幀同步(用于同步傳輸)第18頁，共59頁，2022年，5月20日，8點20分，星期六2.3傳輸媒體傳輸媒體（傳輸介質(zhì)或傳輸媒介）：數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中在發(fā)送器和接收器之間的物理通路。傳輸媒體可分為兩大類：導(dǎo)向傳輸媒體：在導(dǎo)向傳輸媒體中，電磁波被導(dǎo)向沿著固體媒體（銅線或光纖）傳播。非導(dǎo)向傳輸媒體：就是指自由空間，在非導(dǎo)向傳輸媒體中電磁波的傳輸常稱為無線傳輸。第19頁，共59頁，2022年，5月20日，8點20分，星期六電磁波的頻譜第20頁，共59頁，2022年，5月20日，8點20分，星期六2.3.1導(dǎo)向傳輸媒體雙絞線同軸電纜光纖光纜第21頁，共59頁，2022年，5月20日，8點20分，星期六雙絞線（1）

雙絞線(雙扭線):是最常用的傳輸媒體。把兩根互相絕緣的銅導(dǎo)線并排放在一起，然后用規(guī)則的方法絞合(twist)起來就構(gòu)成了雙絞線?？蓽p少對相鄰導(dǎo)線的電磁干擾。--螺旋絞合的雙導(dǎo)線，≈1mm--每根4對、25對、1800對--典型連接距離100m（LAN）--優(yōu)缺點：成本低組裝密度高、節(jié)省空間安裝容易（綜合布線系統(tǒng)）平衡傳輸（高速率）抗干擾性一般連接距離短內(nèi)導(dǎo)體芯線絕緣內(nèi)屏蔽外屏蔽外套第22頁，共59頁，2022年，5月20日，8點20分，星期六雙絞線（2）

雙絞線的類型:屏蔽雙絞線STP(ShieldedTwistedPair)；無屏蔽雙絞線UTP(UnshieldedTwistedPair)。UTP雙絞線用RJ-45頭連接在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上。UTP雙絞線的種類:有六個種類的UTP標(biāo)準(zhǔn)，從1類線到6類線。對傳送數(shù)據(jù)來說，最常用的UTP是3類線(Category3)、5類線(Category5)和6類線(Category6)。STP：以鋁箔屏蔽以減少干擾和串音UTP：雙絞線外無任何屏蔽層第23頁，共59頁，2022年，5月20日，8點20分，星期六同軸電纜同軸電纜的類型：按特性阻抗數(shù)值的不同分為兩類：50同軸電纜，用于傳送基帶數(shù)字信號；75同軸電纜，用于模擬傳輸系統(tǒng)，它是有線電視系統(tǒng)CATV中的標(biāo)準(zhǔn)傳輸電纜。銅芯絕緣層外導(dǎo)體屏蔽層保護套同軸電纜：由內(nèi)導(dǎo)體銅質(zhì)芯線(單股實心線或多股絞合線)、絕緣層、網(wǎng)狀編織的外導(dǎo)體屏蔽層(也可以是單股的)以及保護塑料外層所組成。同軸電纜具有很好的抗干擾特性。通常利用T型分接頭進行連接。T型接頭主要有兩種。一種必須先把電纜剪斷，然后再進行連接。另一種則不必剪斷電纜，但要用另一種較昂貴的、特制的插入式分接頭(vampiretap)，利用螺絲分別將兩根電纜的內(nèi)外導(dǎo)線連接好。第24頁，共59頁，2022年，5月20日，8點20分，星期六光纖光纖：由非常透明的石英玻璃拉成細絲，主要由纖芯和包層構(gòu)成雙層通信圓柱體。纖芯用來傳導(dǎo)光波。包層較纖芯有較低的折射率。光纖通信就是利用光導(dǎo)纖維傳遞光脈沖來進行通信。光纖的種類：多模光纖：用許多條不同角度入射的光線在一條光纖中傳輸?shù)墓饫w，光源使用較便宜的發(fā)光二極管LED,它的傳輸距離較近；纖芯較粗。單模光纖：若光纖的直徑減小到只有一個光的波長，則光纖就像一根波導(dǎo)那樣，它可使光線一直向前傳播，而不會產(chǎn)生多次反射。這樣的光纖就稱為單模光纖。光源要使用昂貴的半導(dǎo)體激光器，。但單模光纖的衰耗較小，在2.5Gb/s的高速率下可傳輸數(shù)十公里而不必采用中繼器。纖芯較細。輸入脈沖輸出脈沖多模光纖MMF單束光線沿直線傳播輸入脈沖輸出脈沖單模光纖SMF第25頁，共59頁，2022年，5月20日，8點20分，星期六光纜光纜：一根光纜少則只有一根光纖，多則可包括數(shù)十至數(shù)百根光纖，再加上加強芯和填充物就可以大大提高其機械強度。必要時還可放入遠供電源線。最后加上包帶層和外護套。光纖的優(yōu)點：通信容量非常大；傳輸損耗小，中繼距離長，對遠距離傳輸特別經(jīng)濟；抗雷電和電磁干擾性能好；無串音干擾，保密性好，不易被截取數(shù)據(jù)；體積小，重量輕。光纖的缺點：兩根光纖精確地連接需要專用設(shè)備；光電接口比較昂貴。

第26頁，共59頁，2022年，5月20日，8點20分，星期六玻璃封套塑料外套玻璃內(nèi)芯單芯光纜多芯光纜玻璃內(nèi)芯塑料外套玻璃封套外殼芯封套外套加強芯光纖外鞘加強芯光纖束高密度多芯光纜典型的光纜第27頁，共59頁，2022年，5月20日，8點20分，星期六2.3.2非導(dǎo)向傳輸媒體無線媒體：指信號通過空氣傳輸，信號不被約束在一個物理導(dǎo)體內(nèi)。無線媒體實際上就是無線傳輸系統(tǒng)，主要包括短波、微波和衛(wèi)星通信等。短波通信：主要是靠電離層的反射。但電離層的不穩(wěn)定所產(chǎn)生的衰落現(xiàn)象和電離層反射所產(chǎn)生的多徑效應(yīng)，使得短波信道的通信質(zhì)量較差。微波通信：在數(shù)據(jù)通信中占有重要地位。微波的頻率范圍為300MHz-300GHz。微波在空間主要是直線傳播。微波會穿透電離層而進入宇宙空間。有兩種方式：地面微波接力通信；衛(wèi)星通信。微波通信特點：無需敷設(shè)電纜；通信信道的容量很大；微波通信的危害比對短波和米波通信小得多，因而微波傳輸質(zhì)量較高;微波的傳播有時也會受到惡劣氣候的影響。與電纜通信系統(tǒng)比較，微波通信的隱蔽性和保密性較差。第28頁，共59頁，2022年，5月20日，8點20分，星期六微波通信-無線蜂窩固定接入點(基站)和終端之間是無線鏈路BS基站覆蓋的無線電區(qū)域F2F3F1F2F3F1F2F3F1F2F2F3F1F1,F2,F3=使用的頻率F1,F2,F3=使用的頻率基站第29頁，共59頁，2022年，5月20日，8點20分，星期六地球地面站之間的直視線路

微波傳送塔微波通信-地面微波接力通信地面微波接力通信：由于微波在空間是直線傳播，而地球表面是個曲面，因此其傳播距離受到限制，一般只有50km左右。為實現(xiàn)遠距離通信必須在一條無線電通信信道的兩個終端之間建立若干個中繼站。中繼站把前一站送來的信號經(jīng)過放大后再發(fā)送到下一站，故稱為“接力”。第30頁，共59頁，2022年，5月20日，8點20分，星期六微波通信-衛(wèi)星通信與地面站相對固定位置使用3個衛(wèi)星可覆蓋全球傳輸延遲時間長適用于海洋、山區(qū)、沙漠等地區(qū)的通信22,300公里地球衛(wèi)星通信：在地球站之間利用位于3萬6千公里高空的人造同步地球衛(wèi)星作為中繼器的一種微波接力通信。通信衛(wèi)星就是在太空的無人值守的微波通信的中繼站。第31頁，共59頁，2022年，5月20日，8點20分，星期六常用傳輸媒體的比較第32頁，共59頁，2022年，5月20日，8點20分，星期六不同類型的信號在不同類型的信道上傳輸有4種情況話音放大,調(diào)制模擬數(shù)字模擬模擬PCM編碼數(shù)字?jǐn)?shù)字?jǐn)?shù)字編碼數(shù)字模擬數(shù)據(jù)，模擬信號數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，模擬信號數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，數(shù)字信號模擬數(shù)據(jù)，數(shù)字信號10101010調(diào)制2.4數(shù)據(jù)編碼技術(shù)（1）編碼與調(diào)制的區(qū)別：用數(shù)字信號承載數(shù)字或模擬數(shù)據(jù)——編碼用模擬信號承載數(shù)字或模擬數(shù)據(jù)——調(diào)制第33頁，共59頁，2022年，5月20日，8點20分，星期六2.4數(shù)據(jù)編碼技術(shù)（2）數(shù)據(jù)的傳輸方式有兩種：基帶傳輸：以數(shù)字信號方式傳輸，或經(jīng)調(diào)制變換后以模擬信號方式傳輸。數(shù)字信號以原來的二進制數(shù)“0”、“1”原封不變地在信道內(nèi)傳輸叫基帶傳輸。頻帶傳輸：數(shù)字信號經(jīng)調(diào)制以后，轉(zhuǎn)換為模擬信號在信道內(nèi)傳輸叫頻帶傳輸。第34頁，共59頁，2022年，5月20日，8點20分，星期六2.4.1數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的數(shù)字信號編碼基帶傳輸中二進制數(shù)據(jù)編碼的方法主要有以下三種：

x(t)Decoderg(t)數(shù)字或模擬數(shù)據(jù)發(fā)送方接收方數(shù)字或模擬數(shù)據(jù)數(shù)字信道Encoder編碼/解碼01001100011

時鐘NRZManchester差分Manchester第35頁，共59頁，2022年，5月20日，8點20分，星期六三種數(shù)據(jù)編碼方式(1)非歸零編碼(NRZ)：二進制數(shù)字0、1分別用兩種電平（－5V：1；＋5V：0）來表示。缺點：不具備自同步機制，傳輸時必須使用外同步。(2)曼徹斯特編碼(Manchester)：用電壓的變化表示0和1。規(guī)定在每個碼元的中間發(fā)生跳變：高→低的跳變代表0，低→高的跳變代表1。這種編碼也稱為自同步碼。缺點：需要雙倍的傳輸帶寬（即信號速率是數(shù)據(jù)速率的2倍）。(3)差分曼徹斯特編碼(DifferenceManchester)：每個碼元的中間仍要發(fā)生跳變用碼元開始處有無跳變來表示0和1。有跳變代表0，無跳變代表1特點：有較好的抗干擾性能。頻帶寬度比原始的基帶信號增加了一倍。第36頁，共59頁，2022年，5月20日，8點20分，星期六2.4.2數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的調(diào)制編碼調(diào)制解調(diào)器的作用

用龐大的模擬電話網(wǎng)絡(luò)傳送計算機數(shù)據(jù)時，可采用在模擬信道兩端各加上一個調(diào)制解調(diào)器，把模擬信道改造為數(shù)字信道。一個調(diào)制解調(diào)器(modem)包括了為發(fā)送信號用的調(diào)制器(modulator)和為接收信號用的解調(diào)器(demodulator)

。調(diào)制器的主要作用就是個波形變換器，它將基帶數(shù)字信號的波形變換成適合于模擬信道傳輸?shù)牟ㄐ巍＝庹{(diào)器的作用就是個波形識別器，它將經(jīng)過調(diào)制器變換過的模擬信號恢復(fù)成原來的數(shù)字信號。ModulatorDemodulator數(shù)字或模擬數(shù)據(jù)模擬信號s(t)m(t)數(shù)字或模擬數(shù)據(jù)載波模擬信道發(fā)送方接收方調(diào)制/解調(diào)第37頁，共59頁，2022年，5月20日，8點20分，星期六幾種最基本的調(diào)制方法

調(diào)制就是進行頻譜變換，將基帶數(shù)字信號的頻譜變換成為適合于在模擬信道中傳輸?shù)念l譜。其最基本的調(diào)制方法有以下幾種：調(diào)幅(AM)：移幅鍵控ASK(AmplitudeShiftKeying),即載波的振幅隨基帶數(shù)字信號而變化。例如0對應(yīng)于無載波輸出,而1對應(yīng)于有載波輸出。調(diào)頻(FM):移頻鍵控FSK(FrequencyShiftKeying)，即載波的頻率隨基帶數(shù)字信號而變化。例如0對應(yīng)于頻率f1，而1對應(yīng)于頻率f2。調(diào)相(PM):移相鍵控PSK(PhaseShiftKeying),即載波的初始相位隨基帶數(shù)字信號而變化。例如0對應(yīng)于相位0°，而1對應(yīng)于180°。00110100010ASKFSKPSK第38頁，共59頁，2022年，5月20日，8點20分，星期六高速(56Kbit/s)MODEMD/AA/D2/4A/DD/A4/2D/AA/DV.34(33.6kbit/s)A/D轉(zhuǎn)換的量化噪聲使信道容量極限值約35kbit/sD/AA/D2/4D/AV.90(56kbit/s)交換機1交換機2ISPV.34(33.6kbit/s)模擬模擬數(shù)字?jǐn)?shù)字?jǐn)?shù)字?jǐn)?shù)字模擬上行仍需A/D轉(zhuǎn)換，速率最高為35kbit/s；下行則可達56Kbit/s因特網(wǎng)數(shù)字交換機1V.90(56kbit/s)第39頁，共59頁，2022年，5月20日，8點20分，星期六2.4.3模擬數(shù)據(jù)的數(shù)字信號編碼采樣定理：如果模擬信號的最高頻率為F，若以2F的采樣頻率對其采樣，則采樣得到的離散信號序列就能完整地恢復(fù)出原始信號。要轉(zhuǎn)換的模擬數(shù)據(jù)主要是電話語音信號語音信號要在數(shù)字線路上傳輸，必須將語音信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。這需要經(jīng)過三個步驟：采樣：按一定間隔對語音信號進行采樣量化：對每個樣本舍入到量化級別上編碼：對每個舍入后的樣本進行編碼編碼后的信號稱為PCM(PulseCodedModulation)信號第40頁，共59頁，2022年，5月20日，8點20分，星期六

脈碼調(diào)制PCM轉(zhuǎn)換過程3.23.92.83.41.24.2343314011100011011001100

語音信號

PAM脈沖

PCM脈沖（有量化誤差）011100011011001100

PCM輸出第41頁，共59頁，2022年，5月20日，8點20分，星期六2.5多路復(fù)用多路復(fù)用(Multiplexing)：是在同一傳輸媒體上，同時傳輸多個不同來源的信息。主要目的：提高線路的利用率，降低成本。復(fù)用器(multiplexer)和分用器(demultiplexer)成對地使用。多路復(fù)用分主要有：頻分多路復(fù)用(FrequencyDivisionMultiplexing,FDM)時分多路復(fù)用(TimeDivsionMultiplexing,TDM)碼分復(fù)用：碼分多址CDMA(CodeDivisionMultipleAccess)DEMUX復(fù)用器解復(fù)用器MUX信源信宿第42頁，共59頁，2022年，5月20日，8點20分，星期六頻分多路復(fù)用(FDM)頻分多路復(fù)用(FrequencyDivisionMultiplexing,FDM)：在傳輸媒體上同時傳輸多路信號，每路信號以不同的載波頻率進行調(diào)制，而且各個載波頻率完全獨立，即載波形成的信號不互相重疊，頻率通道之間留有防護頻帶以防相互干擾。CH2CH1CH3原帶寬CH1CH2CH3移頻后帶寬MUXCH1CH2CH3帶寬復(fù)用信號f復(fù)用器第43頁，共59頁，2022年，5月20日，8點20分，星期六波分多路復(fù)用(WDM)波分多路復(fù)用(Wave-lengthDivisionMultiplexing,WDM）:在光纖信道上使用的頻分多路復(fù)用就是波分多路復(fù)用。它能做到使用一根光纖來同時傳輸多個頻率很接近的光載波信號。光載波習(xí)慣上用波長而不用頻率來表示所使用的光載波?，F(xiàn)在已能做到在一根光纖上復(fù)用80路或更多路數(shù)的光載波信號。稱為密集波分復(fù)用DWDM(DenseWavelengthDivisionMultiplexing)。

光纖2光纖3光纖1F2F1F3

光譜F1F2F3共享光纖的光譜共享光纖

棱柱/衍射光柵第44頁，共59頁，2022年，5月20日，8點20分，星期六時分多路復(fù)用(TDM)時分多路復(fù)用(TimeDivsionMultiplexing,TDM)：是把時間分為若干個時間槽(Slot)，每個用戶分得一個時間槽，在其占用的時間槽內(nèi)，該用戶可以獨享信道的全部帶寬。時間槽的劃分有交替性和周期性。將時間劃分為一段段等長的時分復(fù)用幀（TDM幀）。每一個時分復(fù)用的用戶在每一個TDM幀中占用固定序號的時隙。時分復(fù)用的所有用戶是在不同的時間占用同樣的頻帶寬度。TDM的缺點：某用戶無數(shù)據(jù)發(fā)送，其他用戶也不能占用該時隙。A2A1A3原始信號D2D1D3數(shù)字化信號MUX復(fù)用后的數(shù)據(jù)流時隙號1231D3D2D1TDM幀12TDM幀2D1時隙D2復(fù)用器第45頁，共59頁，2022年，5月20日，8點20分，星期六統(tǒng)計時分復(fù)用(STDM)

改進：用戶不固定占用某個時隙，有空時隙就將數(shù)據(jù)放入。統(tǒng)計時分復(fù)用STDM(StatisticTDM):是一種改進的時分復(fù)用。各用戶有了數(shù)據(jù)就隨時發(fā)往集中器的輸入緩存，然后集中器按順序依次掃描輸入緩存，將緩存中的輸入數(shù)據(jù)放入STDM幀中。對沒有數(shù)據(jù)的緩存就跳過去。當(dāng)一個幀的數(shù)據(jù)放滿了，就發(fā)送出去。也就是說，幀不是固定分配時隙，而是按需動態(tài)地分配時隙。由于STDM幀中的時隙并不是固定地分配給某個用戶，因此在每個時隙中還必須有用戶的地址信息，這是STDM必須要有的一些開銷。

ABCD待發(fā)數(shù)據(jù)t1t2t3A1B1C1D1C2D2A2B2TDM幀1TDM幀2同步TDM帶寬浪費A1B1B2TDM幀1TDM幀2統(tǒng)計TDM可用帶寬C2第46頁，共59頁，2022年，5月20日，8點20分，星期六時分復(fù)用—數(shù)字載波復(fù)用標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)在的數(shù)字傳輸系統(tǒng)都采用脈碼調(diào)制PCM，最初用于電話局之間的中繼線。T-標(biāo)準(zhǔn):北美、日本標(biāo)準(zhǔn)，24路PCM;E-標(biāo)準(zhǔn):歐洲、中國、南美標(biāo)準(zhǔn),24路PCM;E1(一次群)標(biāo)準(zhǔn)：多個通道采用時分復(fù)用TDM每125us為一個TDM幀

，每時間片分為32個通道。通道0用于同步，通道16用于信令，其他30個通道用于傳輸30個PCM話音數(shù)據(jù)。E1速率=(32x8bit)/125us=2.048Mb/s對E1進一步復(fù)用，還可構(gòu)成E2、E3、E4和E5。E5可承載7680個話路，數(shù)據(jù)率約為565Mbit/s新的TDM標(biāo)準(zhǔn)是同步光網(wǎng)絡(luò)(SONET)和ITU-T的同步數(shù)字系列(SDH)。常用的線路速率為(近似值)155Mbit/s，622Mbit/s，2.5Gbit/s和10Gbit/s。第47頁，共59頁，2022年，5月20日，8點20分，星期六碼分復(fù)用--碼分多址(CDMA)

CDMA(CodeDivisionMultipleAccess)的原理：每個信源均分配有一個惟一的碼型序列(稱為碼片chip)。信源要發(fā)送數(shù)據(jù)時，先將其轉(zhuǎn)換成雙極性數(shù)據(jù)：“1”→”+1”，“0”→“-1”。若數(shù)據(jù)為“+1”，就直接發(fā)送碼片；若數(shù)據(jù)為“-1”，就發(fā)送該碼片的反碼。例如：若一信源分配的長度為8碼片為11101000，則它發(fā)送數(shù)據(jù)0110時，實際發(fā)送的序列為 00010111

11101000

11101000

00010111實際采用的碼片長度為64位或128位對碼片序列的要求：每個站分配的碼片要惟一。兩個不同站的碼片必須正交，即一個站的碼片向量S與其他站的碼片向量T的內(nèi)積必須為0。(與其他站的碼片反碼的向量內(nèi)積也必須為0)。任一碼片向量的規(guī)格化內(nèi)積都是1。碼片向量與自己反碼的碼片向量的規(guī)格化內(nèi)積都是-1。第48頁，共59頁，2022年，5月20日，8點20分，星期六碼分復(fù)用--碼分多址(CDMA)

CDMA的數(shù)據(jù)傳輸過程當(dāng)A、B兩個CDMA站通信時，接收方B首先獲取發(fā)送方A的碼片序列SA。B連續(xù)計算收到的信號(含有其他站的信號)與SA的內(nèi)積。由于SA與其他站的碼片正交(內(nèi)積為0)，故其他站的信號被過濾掉，而只剩下A站的信號：發(fā)送的1計算后的結(jié)果為+1，發(fā)送的0計算后的結(jié)果為-1。這樣就恢復(fù)出原始的數(shù)據(jù)。CDMA的特點：抗干擾能力強：通過碼型來區(qū)分用戶，不容易互相干擾保密性強：信號頻譜類似于白噪聲占用頻帶寬：發(fā)送的數(shù)據(jù)率是信息數(shù)據(jù)率的m倍(m為碼片的位數(shù))：原來發(fā)送1比特的時間里，現(xiàn)在要發(fā)送m比特。這種通信方式屬于擴頻通信中的直接序列擴頻(DS-CDMA)。DirectSequence-CDMA多用于無線廣播信道：如移動電話、衛(wèi)星通信等第49頁，共59頁，2022年，5月20日，8點20分，星期六2.6數(shù)據(jù)交換技術(shù)什么是交換？交換就是按某種方式動態(tài)地分配傳輸線路資源例如，電話交換機在用戶呼叫時為用戶選擇一條可用的線路進行接續(xù)。用戶掛機后則斷開該線路，該線路又可分配給其它用戶。為什么要采用交換技術(shù)？節(jié)省線路投資，提高線路利用率實現(xiàn)交換的方法主要有：電路交換報文交換分組交換第50頁，共59頁，2022年，5月20日，8點20分，星期六電路交換(circuitswitching)電路交換:在通話之前，必須先呼叫（即撥號）。用戶若呼叫成功，則從主叫端到被叫端就建立了一條物理通路。此后雙方才能互相通話。通話完畢掛機后即自動釋放這條物理通路。如，電話系統(tǒng)。這種“建立連接→通信→釋放連接”的聯(lián)網(wǎng)方式稱為面向連接的(connection-oriented)。第51頁，共59頁，2022年，5月20日，8點20分，星期六電路交換(circuitswitching)電路交換主要優(yōu)點:1)信息的傳輸時延小，對于一次接續(xù)，傳輸時延固定不變。

2)交換機對用戶的數(shù)據(jù)信息不存儲、分析和處理。交換機在處理方面的開銷比較小，信息傳輸效率比較高。

3)適用于連續(xù)、大批量的數(shù)據(jù)傳輸。主要缺點:

1)電路的接續(xù)時間較長，短報文通信效率低。

2)電路資源被通信雙方獨占，電路利用率低。適用范圍:傳輸信息量較大，通信對象比較固定的用戶。第52頁，共59頁，2022年，5月20日，8點20分，星期六報文交