計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)-物理層

物理層學(xué)習(xí)目標(biāo)：掌握物理層基本概念熟悉傳輸媒體了解數(shù)據(jù)通信的基本概念和主要技術(shù)熟悉常用的物理接口掌握一些重要參數(shù)的計(jì)算方法教學(xué)內(nèi)容：物理層基本概念傳輸媒體數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)常用物理層標(biāo)準(zhǔn)

物理層基本概念--對象DTE（DataTerminalEquipment）數(shù)據(jù)終端設(shè)備DCE（DataCircuit-terminatingEquipment）數(shù)字電路端接設(shè)備連接模擬傳輸系統(tǒng)，V系列標(biāo)準(zhǔn)，連接數(shù)字傳輸系統(tǒng)，X系列標(biāo)準(zhǔn)。接口：關(guān)于DTE與DCE（數(shù)字電路終接設(shè)備）和DSE（數(shù)字服務(wù)設(shè)備）的標(biāo)準(zhǔn)DTE-DCE接口數(shù)據(jù)終端設(shè)備DTE：具有數(shù)據(jù)處理能力以及發(fā)送和接收數(shù)據(jù)能力的設(shè)備，可以是計(jì)算機(jī)、終端或I/O設(shè)備。產(chǎn)生數(shù)據(jù)及必須的控制字符，并送到DCE。數(shù)字電路端接設(shè)備DCE：數(shù)據(jù)通信設(shè)備，DTE和傳輸媒體之間的中間設(shè)備，負(fù)責(zé)發(fā)送和接收在傳輸介質(zhì)上的信號，提供DTE和傳輸媒體之間信號變換和編碼的功能，并負(fù)責(zé)建立、保持和釋放數(shù)據(jù)鏈路。物理層基本概念--組織CCITT（ITU）電氣、功能、規(guī)程特性

ISO機(jī)械特性

EIA組合特性物理層基本概念—定義ISO/OSI關(guān)于物理層的定義：

物理層提供機(jī)械的、電氣的、功能的和規(guī)程的特性，目的是啟動、維護(hù)和關(guān)閉數(shù)據(jù)鏈路實(shí)體之間進(jìn)行比特傳輸?shù)奈锢磉B接。這種連接可能通過中繼系統(tǒng)，在中繼系統(tǒng)內(nèi)的傳輸也是在物理層的。物理層基本服務(wù)功能物理層設(shè)計(jì)時主要考慮的是如何在連接開放系統(tǒng)的傳輸介質(zhì)上傳輸各種數(shù)據(jù)的比特流；計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)可以利用的物理傳輸介質(zhì)與傳輸設(shè)備存在著很大的差異，設(shè)計(jì)物理層的主要目的是向數(shù)據(jù)鏈路層屏蔽通信技術(shù)的差異性；數(shù)據(jù)鏈路實(shí)體通過與物理層的接口，將數(shù)據(jù)傳送給物理層，通過物理層按比特流的順序，將信號傳輸?shù)搅硪粋€數(shù)據(jù)鏈路實(shí)體。

物理層基本概念--功能建立、維護(hù)、拆除物理信道與外部媒體接口機(jī)械特性：接口所用接線器的形狀和尺寸、引線數(shù)目和排列、固定和鎖定裝置尺寸。電氣特性：接口線上電壓值范圍、速率、阻抗、距離、0和1電壓的含義。功能特性：接口線的名稱、功能、意義。規(guī)程特性：對不同功能的各種可能事件的出現(xiàn)順序、動作順序。透明傳輸物理層基本概念—接口特性機(jī)械特性

主要定義物理連接的邊界點(diǎn)，即接插裝置。規(guī)定物理連接時所采用的規(guī)格、引腳的數(shù)量和排列情況。物理層基本概念—接口特性電氣特性

規(guī)定傳輸二進(jìn)制位時，線路上信號的電壓高低、阻抗匹配、傳輸速率和距離限制。三種電氣連接方式不平衡接口CCITTV.28建議書特點(diǎn)：所有電路共用一條信號地線、串音干擾大速率<20kbps

距離<15m物理層基本概念—接口特性三種電氣連接方式平衡接口CCITTV.11建議書特點(diǎn)：每一條信號線均有各自的信號回路（無公共地、自帶地）、串?dāng)_小速率可達(dá)10Mbps

距離可達(dá)1000m（速率<100kbps）半平衡接口CCITTV.10建議書特點(diǎn)：同方向的信號線共用一條地線速率300Kbps

距離10m（300Kbps）、

1000m（3Kbps）物理層基本概念—接口特性功能特性

主要定義各條物理線路的功能。

模擬接口：每線一個功能數(shù)字接口：每線功能可多個，共4類：數(shù)據(jù)控制定時地線物理層基本概念—接口特性規(guī)程特性

定義各條物理線路的工作規(guī)程和時序關(guān)系描述工具：列線圖狀態(tài)圖流程圖教學(xué)內(nèi)容：物理層基本概念傳輸媒體數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)常用物理層標(biāo)準(zhǔn)

傳輸介質(zhì)傳輸介質(zhì)特性常用的傳輸介質(zhì)雙絞線同軸電纜光導(dǎo)纖維無線介質(zhì)介質(zhì)特性物理特性：物理構(gòu)造傳輸特性：允許傳輸數(shù)字還是模擬信號，調(diào)制技術(shù)、傳輸容量、傳輸頻率范圍。連通特性：允許點(diǎn)-點(diǎn)或多點(diǎn)連接地理特性：最大傳輸距離抗干擾性：防止噪聲與電磁干擾的能力。價格：也是影響選擇的一個重要因素。包括器件、安裝與維護(hù)費(fèi)用。雙絞線——組成和結(jié)構(gòu)雙絞線（TwistedPair）也稱為雙扭線，是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中使用最為普遍的傳輸介質(zhì)；現(xiàn)在雙絞線廣泛應(yīng)用于模擬信號和數(shù)字信號的傳輸，尤其是模擬信號的傳輸在幾公里之內(nèi)都不需要使用放大器。雙絞線電纜中封裝著一對或一對以上的雙絞線，為了降低信號的干擾程度，每一對雙絞線一般由兩根絕緣銅導(dǎo)線相互扭繞而成，每根銅導(dǎo)線的絕緣層顏色各不相同，以示區(qū)別。5類4對UTP結(jié)構(gòu)及截面圖雙絞線一般可以分為非屏蔽雙絞線（UTP）屏蔽雙絞線（STP）STP又分為3類（Category3）和5類兩種，而UTP分為3類、4類、5類、超5類、6類及7類幾種雙絞線——分類屏蔽雙絞線和非屏蔽雙絞線的區(qū)別屏蔽雙絞線電纜的外面由一層金屬材料包裹，以減小輻射，防止信息被竊聽，同時具有較高的數(shù)據(jù)傳輸速率（5類STP在100m內(nèi)可達(dá)到155Mbit/s，而5類UTP只能達(dá)到100Mbit/s）。但屏蔽雙絞線電纜的價格相對較高，安裝時要比非屏蔽雙絞線困難，必須使用特殊的連接器，技術(shù)要求也比非屏蔽雙絞線電纜高。非屏蔽雙絞線電纜外面只需一層絕緣膠皮，因而重量輕、易彎曲、易安裝，組網(wǎng)靈活，非常適用于結(jié)構(gòu)化布線，所以在無特殊要求的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)布線中，常使用非屏蔽雙絞線電纜。雙絞線——實(shí)例雙絞線——實(shí)例具有以太網(wǎng)卡的計(jì)算機(jī)背面雙絞線——實(shí)例

一個10/100M雙絞線以太網(wǎng)接口，指示燈的狀態(tài)顯示接口連接在一個10M以太網(wǎng)上同軸電纜——結(jié)構(gòu)同軸電纜（CoaxialCable）由一根空心的圓柱網(wǎng)狀銅導(dǎo)體和一根位于中心軸線位置的銅導(dǎo)線組成的，銅導(dǎo)線、空心圓柱導(dǎo)體和外界之間分別用絕緣材料隔開。同軸電纜——分類按照特征阻抗分為：

50Ω同軸電纜基帶同軸電纜，又分為粗纜和細(xì)纜

75Ω同軸電纜寬帶同軸電纜，用于有線電視模擬信號傳輸同軸電纜——連接方式在利用細(xì)纜連接計(jì)算機(jī)時，對連接設(shè)備及連接方法一般有以下的要求：圖4-4細(xì)纜網(wǎng)絡(luò)連接拓?fù)鋱D細(xì)纜網(wǎng)絡(luò)連接拓?fù)鋱D同軸電纜——連接方式在利用粗纜連接計(jì)算機(jī)時，對連接設(shè)備及連接方法一般有以下的要求粗纜網(wǎng)絡(luò)連接拓?fù)鋱D寬帶同軸電纜

75Ω同軸電纜也稱為寬帶同軸電纜，寬帶系統(tǒng)是指采用了頻分復(fù)用和模擬傳輸技術(shù)的同軸電纜網(wǎng)絡(luò)。寬帶同軸電纜網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)光纖的通信原理通信中，由光發(fā)送機(jī)產(chǎn)生光束，將表示數(shù)字代碼的電信號轉(zhuǎn)變成光信號，并將光信號導(dǎo)入光纖，光信號在光纖中傳播，在另一端由光接收機(jī)負(fù)責(zé)接收光纖上傳出的光信號，并進(jìn)一步將其還原成為發(fā)送前的電信號。光纖收發(fā)器集成了光發(fā)送機(jī)和光接收機(jī)的功能：既負(fù)責(zé)光的發(fā)送也負(fù)責(zé)光的接收。光纖電纜的主要特性光纖通常由純度極高的石英玻璃拉成細(xì)絲，主要由位于中心軸線上的纖芯和包裹在外面的包層組成。

圖4-9光波在光纖中的傳輸情況一種類型的室外光纜截面示意圖光纖的分類和特點(diǎn)單模光纖和多模光纖在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中根據(jù)傳輸點(diǎn)模數(shù)的不同，光纖分為單模光纖和多模光纖兩種，“?！币卜Q為模式（mode），是指以一定角度進(jìn)入光纖的一束光?？梢宰尪鄺l光波以不同的入射角（但必須大于臨界值）進(jìn)入同一條纖芯進(jìn)行傳輸，將這類光纖稱為多模光纖。但也存在一種情況，即當(dāng)光纖的直徑減小到只允許一個波長的光波傳輸時，這時的光纖就如同一根波導(dǎo)體，光波在其中沒有反射，而是沿直線傳輸，將這種光纖稱為單模光纖。

單模光纖與多模光纖的比較

多模光纖與單模光纖的主要區(qū)別：

單模光纖采用激光二極管（LD）作為光源，而多模光纖采用發(fā)光二極管（LED）為光源；多模光纖的芯線粗，傳輸速率低、距離短，整體的傳輸性能差，但成本低，一般用于建筑物內(nèi)或地理位置相鄰的環(huán)境中；單模光纖的纖芯相應(yīng)較細(xì)，傳輸頻帶寬、容量大、傳輸距離長，但需激光源，成本較高，通常在建筑物之間或地域分散的環(huán)境中使用。室內(nèi)光纜和室外光纜室內(nèi)光纜的抗拉強(qiáng)度較小，保護(hù)層較差，但重量較輕，且較便宜，主要用于建筑物內(nèi)部的布線。與室內(nèi)光纜相比，室外光纜的抗拉強(qiáng)度較大，保護(hù)層較厚重，并且通常為鎧裝（即金屬皮包裹）。室外光纜主要適用于建筑物之間或廣域網(wǎng)的遠(yuǎn)距離布線。根據(jù)布線方式的不同，室外光纜又分為直埋式光纜、架空式光纜和管道式光纜三類。光纖通信的特點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸速率高（可達(dá)Gbit/s）傳輸距離遠(yuǎn)（無中繼傳輸距離達(dá)幾十至上百公里）在遠(yuǎn)距離的網(wǎng)絡(luò)布線中得到廣泛應(yīng)用局域網(wǎng)布線中一般使用62.5μm/125μm、50μm/125μm、100μm/140μm規(guī)格的多模光纖和8.3μm/125μm規(guī)格的單模光纖。通信用光波波段頻率范圍1014~1015三種波長850nm、1300nm、1550nm的傳播特性最好，屬于紅外頻譜。1300和1550nm是長波長低損耗波段。局域網(wǎng)使用850nmLED光源，速率100mbps,距離幾公里。

與銅質(zhì)電纜相比較，光纖通信明顯具有其他傳輸介質(zhì)無法比擬的優(yōu)點(diǎn)。

傳輸信號的頻帶寬，通信容量大；信號衰減小，傳輸距離長；抗干擾能力強(qiáng)，應(yīng)用范圍廣；抗化學(xué)腐蝕能力強(qiáng)，適用于一些特殊環(huán)境下的布線；原材料資源豐富。當(dāng)然，光纖也存在著一些缺點(diǎn)：如質(zhì)地脆，機(jī)械強(qiáng)度低；切斷和連接技術(shù)要求較高等，這些缺點(diǎn)也限制了目前光纖的普及，尤其是實(shí)現(xiàn)光纖到桌面的連接。無線介質(zhì)電磁波的傳播有兩種方式：非導(dǎo)向傳輸媒體

—

以無線方式在自由空間中傳播；導(dǎo)向傳輸媒體

—

以有線方式在同軸電纜、雙絞線、光纖中傳輸。目前以無線方式進(jìn)行通信的主要有：

—

無線（radio）

—

微波（microwave）

—

紅外（infrared）

—

可見光（visiblelight）電磁波的頻譜及其在通信中的應(yīng)用當(dāng)電子運(yùn)行時，便會產(chǎn)生可以自由傳播的電磁波。電磁波于1887年由德國物理學(xué)家赫茲（HeinrichHertz）首先發(fā)現(xiàn)。電磁波每秒的震蕩次數(shù)稱為頻率（frequency），一般用f表示，單位為赫茲（Hz）。電磁波兩個相鄰波峰（或波谷）之間的距離稱為波長（wavelength），一般用λ表示。在真空中，所有的電磁波以相同的速率傳播，和它的頻率無關(guān)，該傳播速率被稱為光速（speedoflight），用c表示，大約為3×108m/s。c是一個理想值，是一個權(quán)限速度，在光纖介質(zhì)中傳輸時只有真空速率的2/3。頻率f、波長λ及光速c之間的關(guān)系為：

f×λ＝c電磁波可承載的信息量與它的帶寬相關(guān)。在當(dāng)前技術(shù)條件下，當(dāng)采用較低的頻率時，每赫茲可以編碼幾個比特；當(dāng)采用較高頻率時，每赫茲的編碼可以達(dá)到Gbit/s數(shù)量級。這也是為什么光纖能夠成為目前網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)中的佼佼者的一個重要原因。電磁波的頻譜及其在通信中的應(yīng)用無線電傳輸無線電波的特性與其頻率有關(guān)。在VLF、LF和MF頻段上，無線電波沿著地面?zhèn)鞑?，其傳播的特點(diǎn)是：

工作頻率較低；傳播距離遠(yuǎn)，在較低頻率時可以達(dá)到1000km；通過障礙物的穿透能力較強(qiáng)；能量會隨著距離的增大而急劇減小。

在HF和VHF頻段上，無線電波會被地面吸收。這時，可以通過地面上空的電離層的反射來傳播。無線電信號通過地面上的發(fā)送站發(fā)送出去，當(dāng)?shù)竭_(dá)地面上空（約距地球100~500km）電離層時，無線電波被反射回地面，再被地面的接收站接收到，具體的傳輸特點(diǎn)是：工作頻率較高；無線電波趨于直接傳播；但通過障礙物的穿透能力較弱；會被空氣中的水蒸氣和自然界的雨水吸收。無線電波傳播方式微波傳輸微波的頻段為300MHz~300GHz，但多使用2~40GHz的頻段。微波在空氣中主要以直線方式傳播，同時微波會穿透地面上空的電離層，所以它不能像無線電波那樣使用電離層的反射來傳播，而必須通過站點(diǎn)來傳播。微波通信主要有地面微波接力通信和衛(wèi)星通信兩類。地面微波接力通信由于微波是以直線方式在大氣中傳播，所以在地面上的傳播距離一般不會超過50km。為了實(shí)現(xiàn)微波的遠(yuǎn)距離傳播，就需要在一條通信信道的兩個端點(diǎn)之間架設(shè)多個微波中繼站，中繼站在接收到前一個中繼站（或端點(diǎn)）的信號后，對其進(jìn)行放大，然后再轉(zhuǎn)發(fā)給下一個中繼站（或站點(diǎn)），起到了信號的接力作用，所以將這種通信方式稱為地面微波接入通信。

衛(wèi)星通信微波通信的另一種方式是衛(wèi)星通信。衛(wèi)星通信是利用人造地球衛(wèi)星作為中繼站，轉(zhuǎn)發(fā)無線微波信號，在多個地面站之間進(jìn)行的通信。目前用來轉(zhuǎn)發(fā)信號的通信衛(wèi)星幾乎都是靜止衛(wèi)星或同步衛(wèi)星，即衛(wèi)星環(huán)繞地球一周的時間恰好等于地球自轉(zhuǎn)一周的時間，衛(wèi)星相對于地面站來說呈靜止?fàn)顟B(tài)。

一個典型的衛(wèi)星通常擁有12~20個轉(zhuǎn)發(fā)器。每個轉(zhuǎn)發(fā)器的頻段為36~50MHz，一個轉(zhuǎn)發(fā)器可用來傳輸56Mbit/s的數(shù)據(jù)，或800路64kbit/s的數(shù)字化語音信道。而且不同的轉(zhuǎn)發(fā)器之間一般不會產(chǎn)生干擾。微波通信方式衛(wèi)星通信蜂窩無線通信

多址接入方法：頻分多址接入（FDMA）時分多址接入（TDMA）碼分多址接入（CDMA）教學(xué)內(nèi)容：物理層基本概念傳輸媒體

數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)常用物理層標(biāo)準(zhǔn)

數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)數(shù)據(jù)通信模型信號基本概念

數(shù)據(jù)編碼技術(shù)信號分析模擬傳輸與數(shù)字傳輸多路復(fù)用技術(shù)

同步數(shù)字體系SDH數(shù)據(jù)通信模型簡單的通信模型模型中關(guān)鍵部分源：產(chǎn)生要發(fā)送的數(shù)據(jù)的設(shè)備。發(fā)送器：對信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換或編碼以產(chǎn)生能在特定傳輸系統(tǒng)中傳輸?shù)碾姶判盘?。傳輸系統(tǒng)：連接源和目的地的傳輸線或復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)。接收器：從傳輸系統(tǒng)接收信號并轉(zhuǎn)換成目的站設(shè)備能處理的信號。目的站:：從接收器輸入數(shù)據(jù)的設(shè)備。數(shù)據(jù)通信的基本概念通信的目的是交換信息，信息的載體可以是數(shù)字、文字、語音、圖形或圖像，計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的信息一般是字母、數(shù)字、語音、圖形或圖像的組合；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(jìn)制代碼的數(shù)據(jù)來表示；為了傳輸二進(jìn)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；數(shù)據(jù)通信是指在不同計(jì)算機(jī)之間傳送表示字母、數(shù)字、符號的二進(jìn)制代碼0、1比特序列的模擬或數(shù)字信號的過程。信息編碼標(biāo)準(zhǔn)ASCII碼被國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO接受，成為國際標(biāo)準(zhǔn)ISO646，又稱為國際5號碼;它用于計(jì)算機(jī)內(nèi)碼，也用做數(shù)據(jù)通信中的編碼標(biāo)準(zhǔn);ASCII碼采用7位二進(jìn)制比特編碼，可以表示128個字符;字符分為圖形字符與控制字符兩類。圖形字符包括數(shù)字、字母、運(yùn)算符號、商用符號等。

信號的概念

信號是數(shù)據(jù)在傳輸過程中的表示形式一般是電信號模擬信號：（analogsignal）某一參量可以取無限多個值，并直接和信息對應(yīng)的信號。如語音激勵話筒產(chǎn)生的信號不但在時間上連續(xù)，且幅度由無窮多個值，值的大小與語聲強(qiáng)弱一一對應(yīng)。數(shù)字信號：某一參量只能取有限個值，并常常不直接或不準(zhǔn)確和信息對應(yīng)的信號。如電報(bào)碼信號幅度只能取0和1，它靠取值變化的排列表示消息，間接和消息發(fā)生關(guān)系。模擬信號和數(shù)字信號區(qū)分的關(guān)鍵是表示信息的信號參量的取值數(shù)量。取值無限是模擬信號，取值有限是數(shù)字信號。按照在傳輸介質(zhì)上傳輸?shù)男盘栴愋?，通信系統(tǒng)分為模擬通信系統(tǒng)與數(shù)字通信系統(tǒng)兩種。

模擬信號波型數(shù)字信號波型信號的描述

頻譜和帶寬頻譜：信號所含的頻率范圍帶寬：頻譜的寬度，即信道所包含最高頻率與最低頻率的頻差。碼元：信號的基本單位（波形）產(chǎn)生形式：模擬信號數(shù)字信號傳送方式基帶信號：數(shù)字信號直接用不同的電壓表示送到線路上去，數(shù)據(jù)通信中，表示計(jì)算機(jī)二進(jìn)制的比特序列的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)信號是典型的矩形脈沖信號。寬帶信號：將基帶信號調(diào)制后形成頻分復(fù)用模擬信號信道的概念

鏈路：通信點(diǎn)之間的物理連接線路和設(shè)備。信道：信號的傳輸通路。包括通信設(shè)備和傳輸介質(zhì)。一條物理鏈路可能包含若干信道（至少一條發(fā)送信道和一條接收信道）。分類：按傳輸信號：模擬信道、數(shù)字信道按傳輸介質(zhì)：有線信道、無線信道按信道使用權(quán)：公用信道、專用信道任何傳輸設(shè)備電壓不可能瞬時改變，所以每個傳輸系統(tǒng)都不可能傳輸頻率過高的諧波。信道的帶寬限制了可以在信道中通過的諧波的頻率。信號的概念

失真：輸出信號與輸入信號的波形不同。(如果兩者只差常數(shù)因子或有限的時延，認(rèn)為不失真。)引起信號失真的3個因素：衰減（attenuation）時延(delay)

噪聲(noise)度量噪聲采用信噪比S/N,S是信號功率，N是噪聲功率。通常使用下式度量：（S/N）dB=10log10(S/N)單位：分貝噪聲是影響通信質(zhì)量的一個主要因素。傳輸?shù)母拍?/p>

傳輸：用電信號把數(shù)據(jù)從發(fā)送端傳送到接收端的過程。傳輸信道給數(shù)據(jù)信號提供了通路，但可能會使信號畸變，帶來噪聲和干擾，造成傳輸差錯，傳輸介質(zhì)的不同還會使傳輸速率受到限制。傳輸速率：每秒所能傳送的位數(shù)即b/s信道和信號的關(guān)系：串行通信與并行通信

單工、半雙工與全雙工通信

同步通信與異步通信物理級同步/異步，解決通信的收發(fā)雙方在時間基準(zhǔn)上的一致性問題①同步SYN比特同步，采用同步網(wǎng)卡，同步MODEM，發(fā)送和接收方使用相同的時鐘，數(shù)據(jù)流傳輸方式是連續(xù)的比特流，沒有損失，效率高。差錯控制采用CRC循環(huán)冗余校驗(yàn)，用于干線和重要用戶。②異步并非不要同步，而是起止同步字節(jié)同步，收發(fā)不需要同步，可用非同步MODEM和LCU，經(jīng)濟(jì)。數(shù)據(jù)每8個比特插一個起始同步比特，一個終止同步比特。效率4/5。差錯控制采用偶校驗(yàn)和塊校驗(yàn)。適于通信量不大的一般用戶。同步通信與異步通信數(shù)據(jù)編碼技術(shù)傳統(tǒng)的電話通信信道是為傳輸語音信號設(shè)計(jì)的，只適用于傳輸音頻范圍（300Hz～3400Hz）的模擬信號，無法直接傳輸計(jì)算機(jī)的數(shù)字信號；為了利用模擬語音通信的電話交換網(wǎng)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)信號的傳輸，必須首先將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號；將發(fā)送端數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)信號變換成模擬數(shù)據(jù)信號的過程稱為調(diào)制，將調(diào)制設(shè)備稱為調(diào)制器（modulator）；將接收端模擬數(shù)據(jù)信號還原成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)信號的過程稱為解調(diào)，將解調(diào)設(shè)備稱為解調(diào)器（demodulator）；同時具備調(diào)制與解調(diào)功能的設(shè)備稱為調(diào)制解調(diào)器（modem）。在調(diào)制過程中，選擇音頻范圍內(nèi)的某一角頻率ω的正（余）弦信號作為載波，該正（余）弦信號可以寫為：

u（t）=um·sin（ωt+φ0）3個可以改變的電參量：

—

振幅um

—

角頻率ω

—

相位φ可以通過變化3個電參量，來實(shí)現(xiàn)模擬數(shù)據(jù)信號編碼的目的。模擬數(shù)據(jù)編碼方法

振幅鍵控（amplitudeshiftkeying,ASK）

um·sin（ω1t+φ0）數(shù)字1u（t）=0

數(shù)字0振幅鍵控ASK信號實(shí)現(xiàn)容易，技術(shù)簡單，但抗干擾能力較差。

um·sin（ω1t+φ0）數(shù)字1u（t）=um·sin（ω2t+φ0）數(shù)字0移頻鍵控FSK信號實(shí)現(xiàn)容易，技術(shù)簡單，抗干擾能力較強(qiáng)，是目前最常用的調(diào)制方法之一。

移頻鍵控(frequency-shiftkeying，F(xiàn)SK)

移相鍵控（phase-shiftkeying，PSK）

絕對調(diào)相

um·sin（ωt+0）數(shù)字1u（t）=um·sin（ωt+π

）數(shù)字0移相鍵控可以分為：絕對調(diào)相相對調(diào)相二相調(diào)相多相調(diào)相模擬數(shù)據(jù)編碼方法

數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)編碼方法基帶傳輸在基本不改變數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)信號頻帶的情況下直接傳輸數(shù)字信號，可以達(dá)到很高的數(shù)據(jù)傳輸速率與系統(tǒng)效率;長串0或1的接收，無法在比特流中提取同步信號。需要編碼，目的是在碼元波形中產(chǎn)生變化。在基帶傳輸數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)信號的編碼方式主要有：非歸零碼NRZ

曼徹斯特（manchester）編碼差分曼徹斯特（differencemanchester）編碼編碼規(guī)則曼徹斯特（Manchester）編碼：規(guī)則：每個碼元分成兩個相等的間隔，定義0從高電平翻轉(zhuǎn)到低電平，1從低電平翻轉(zhuǎn)到高電平。差分曼徹斯特編碼：規(guī)則：每個碼元分成兩個相等的間隔，碼元1前半個碼元與上一個碼元的后半碼元電平一樣，后半碼元電平跳變。碼元0前半個碼元與上一個碼元的后半碼元電平相反，后半碼元電平跳變。數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)編碼信號的波形信號分析周期信號的諧波分析周期信號：s(t+T)=s(t)

周期：滿足關(guān)系的最小T如正弦、余弦函數(shù)Acos(2πft+ф)A是振幅，f是頻率單位Hz(赫茲，每秒周期數(shù))，ф是初始相位，周期T=1/f，以秒為單位。信號分析周期為T的信號s(t)可以表示為傅里葉級數(shù)信號分析結(jié)論：一切正常周期信號（滿足狄里克雷條件斷點(diǎn)、極值）s(t)都可以由正弦、余弦波疊加而成。這些波的頻率由低到高分別為f0，2f0，3f0,···，所有這些頻率構(gòu)成s(t)的頻譜，f0稱為基頻。信號頻率區(qū)間的大小，也就是頻譜的寬度稱信號的帶寬。實(shí)際信號的帶寬一般是無限的，但影響小的高頻成分往往可以忽略，因此可以認(rèn)為它們的帶寬是有限的。如話音信號頻率成分中，高于4000Hz的可以忽略。諧波分析：將周期信號按上述方法分解，叫周期信號的諧波分析。信號分析意義：由傅里葉變換和傅里葉級數(shù)得到時域函數(shù)在頻域上的表示。即將振幅和相位表示為頻率的函數(shù)。利用頻域可以把構(gòu)成信號的各個頻率成分表示得十分清楚，在通信研究中有重要意義。諧波振幅意義：反映能量大小，能量集中于低次諧波。方波的傅里葉級數(shù)結(jié)論：組成方波的諧波無窮多，但頻率越高振幅越小，高頻的影響比較小。通信信道帶寬對基帶傳輸?shù)挠绊?/p>

通信信道帶寬對數(shù)據(jù)信號傳輸中失真的影響很大；信道帶寬越寬，信號傳輸?shù)氖д嬖叫　?/p>

通信信道帶寬對數(shù)據(jù)信號傳輸中失真的影響很大；信道帶寬越寬，信號傳輸?shù)氖д嬖叫　?/p>

信號分析模擬信號數(shù)字化過程：首先將模擬信號抽樣，使它成為一系列時間上離散的抽樣值，然后將這些值量化并編碼，變換成數(shù)字信號在數(shù)字通信系統(tǒng)中傳送。采樣定理：模擬信號帶寬W，Ts是采樣間隔，當(dāng)采樣率fs=1/Ts=2W時，由采樣數(shù)據(jù)就可以恢復(fù)原先的模擬信號。如話音采樣率8000次/s，采樣間隔為125us，話音信號頻率在300-3400Hz之間。采樣定理意義：確定信道帶寬與信道數(shù)據(jù)傳輸速率的關(guān)系，帶寬W的信道只能傳輸帶寬為W的信號而不失真。由采樣定理，信道在單位時間內(nèi)必須能夠傳輸2W個采樣數(shù)據(jù)，否則不能保真。所以信道傳輸數(shù)據(jù)最大速率是2W。如果采樣數(shù)據(jù)是M值的，信道傳輸?shù)亩M(jìn)制數(shù)據(jù)最大速率是2WLog2M(bps)信道速率的極限值奈魁斯特（Nyquist）原理：（奈氏準(zhǔn)則）

理想信道最高傳輸速率=2WLog2M(bps)（或）理想低通信道的最高碼元傳輸速率=2WBand(波特)Band(波特、調(diào)制速率)是碼元傳輸速率的單位，1波特為每秒傳送1個碼元。含義：每赫帶寬的理想低通信道的最高碼元傳輸速率是每秒傳送2個碼元信道速率的極限值比特和波特的關(guān)系：波特是碼元傳輸速率的單位，比特是信息量的單位概念不同。數(shù)量關(guān)系一個碼元表示n個比特，MBand的碼元傳輸速率對應(yīng)的信息傳輸速率為M×nbps二元調(diào)制中，一個碼元表示一個比特，碼元和數(shù)據(jù)傳輸速率相同，多元調(diào)制中兩者不同。例：四相調(diào)制中，n=2，T=833*10-6s的單位脈沖(周期、間隔)。則

W=1/T=1/(833*10-6)=1200HzS=2W×n=4/(833*10-6)=4800b/s信道速率的極限值奈氏準(zhǔn)則說明一個任意信號通過帶寬為W的低通濾波器，每秒采樣2W次就能完整重現(xiàn)這個被濾波的信號，以高于2W次的速度對此線路采樣是無意義的，因?yàn)楦哳l分量已被濾波器濾掉無法恢復(fù)了。注意：奈魁斯特的結(jié)論是理論值，實(shí)際信道所能傳輸?shù)淖罡叽a元速率低于奈氏給出的上限奈魁斯特定理是一個數(shù)學(xué)性質(zhì)，不涉及技術(shù)處理。如果有一個函數(shù)，它的傅立葉頻譜不包含高于f的正弦或余弦，那么以2f的頻率采樣該函數(shù)，可以獲得該函數(shù)所包含的全部信息。適用于所有介質(zhì)。信道速率的極限值信道容量：信道所能傳輸?shù)淖罡咚俾?，表示信道能達(dá)到的最大傳輸能力。受信道帶寬的限制。用每秒傳輸?shù)亩M(jìn)制位（bit/s）表示。香農(nóng)（Shannon）公式：帶寬受限有白噪聲（熱噪聲）信道的極限信息傳輸速率CC(bit/s)=Wlog2(1+S/N)

（（S/N）分貝=10log10S/N）

S是信號功率，N是噪聲功率，信噪比S/N,單位：分貝。意義：在一定帶寬的信道上，理論上1秒內(nèi)無差錯傳遞的最大信息量為C。信道的信噪比越大，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速率，就一定可以找到某種辦法來實(shí)現(xiàn)無差錯傳輸。由于碼元傳輸速率受奈氏準(zhǔn)則制約，要提高信息的傳輸速率，必須設(shè)法使一個碼元能攜帶更多個比特的信息。模擬傳輸

利用模擬信道傳輸數(shù)據(jù)信號的方法稱為模擬傳輸，也叫頻帶傳輸調(diào)制解調(diào)器（modem）是頻帶傳輸中最典型的通信設(shè)備典型的模擬傳輸系統(tǒng)就是傳統(tǒng)的電話通信系統(tǒng)

基本傳輸技術(shù)是頻分復(fù)用

調(diào)制解調(diào)器

調(diào)制解調(diào)器調(diào)制解調(diào)器是使數(shù)字信號通過模擬傳輸設(shè)備（如電話線）進(jìn)行傳輸?shù)慕K端用戶電腦接口設(shè)備，俗稱“貓”，它集成了調(diào)制器和解調(diào)器的功能。使用電話線上網(wǎng)的計(jì)算機(jī)，發(fā)送和接收端應(yīng)各自安裝調(diào)制解調(diào)器才能相互通信，點(diǎn)點(diǎn)遠(yuǎn)程通信必備設(shè)備功能：接口控制放大遠(yuǎn)程驅(qū)動調(diào)制、解調(diào)波形變換（數(shù)字信號模擬信號）和波形識別（模擬信號數(shù)字信號）形成減少碼間干擾增加自動環(huán)測、速率適配、壓縮、網(wǎng)管調(diào)制解調(diào)器

載波：能被另一信號調(diào)制的連續(xù)波。能通過調(diào)制過程將信息疊加在其上的電磁信號。載波信號：一種具有固定頻率的信號，它能被調(diào)制來攜帶數(shù)據(jù)。調(diào)制方法分類：①調(diào)幅（AM）載波的振幅隨基帶信號變化，如0對應(yīng)于無載波輸出，1對應(yīng)于有無載波輸出。②調(diào)頻（FM）載波的頻率隨基帶信號變化，如0對應(yīng)于頻率f1，1對應(yīng)于頻率f2。③調(diào)相（PM）載波的初始相位隨基帶信號變化，如0對應(yīng)于相位0°，1對應(yīng)于相位180°調(diào)制解調(diào)器

調(diào)制解調(diào)器分類：按基帶、頻帶：基帶MODEM、頻帶MODEM按調(diào)制方法：調(diào)幅MODEM、調(diào)頻MODEM、調(diào)相MODEM按通信方式：同步MODEM、異步MODEM按內(nèi)外置；內(nèi)置MODEM、外置MODEM按速度；低速M(fèi)ODEM、中速M(fèi)ODEM、高速M(fèi)ODEM、超速M(fèi)ODEM調(diào)制解調(diào)器

發(fā)送字符的時間周期T取決于編碼方法和信號頻率。語音級線路的帶寬3000Hz，設(shè)比特率為每秒b，發(fā)送8比特的時間是8/b秒（周期），一次諧波的頻率為b/8Hz，線路允許的最高諧波次數(shù)3000/(b/8)=24000/b次。

調(diào)制解調(diào)器的基本工作原理

modem實(shí)現(xiàn)全雙工通信的工作原理數(shù)字傳輸在數(shù)據(jù)通信中，表示計(jì)算機(jī)二進(jìn)制的比特序列的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)信號是典型的矩形脈沖信號;矩形脈沖信號的固有頻帶稱做基本頻帶,簡稱為基帶,矩形脈沖信號就叫做基帶信號;在數(shù)字通信信道上，直接傳送基帶信號的方法稱為基帶傳輸;在發(fā)送端，基帶傳輸?shù)臄?shù)據(jù)經(jīng)過編碼器變換變?yōu)橹苯觽鬏數(shù)幕鶐盘?，例如曼徹斯特編碼或差分曼徹斯特編碼信號;在接收端由解碼器恢復(fù)成與發(fā)送端相同的矩形脈沖信號;基帶傳輸是一種最基本的數(shù)據(jù)傳輸方式。

數(shù)字傳輸數(shù)字傳輸系統(tǒng)，采用脈碼調(diào)制PCM體制傳輸數(shù)字信號的系統(tǒng)?，F(xiàn)代電話系統(tǒng)的干線大量采用。以數(shù)字信號作為載體傳送信息?；緜鬏敿夹g(shù)是時分復(fù)用。脈碼調(diào)制：PCM（PlusCodeModulation）一種將連續(xù)的模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字位串的技術(shù)。采用編碼解碼器對模擬信號產(chǎn)生每秒8000次（125us一個樣本），對樣本產(chǎn)生7比特或8比特組成的數(shù)。PCM是現(xiàn)代電話系統(tǒng)的核心，電話系統(tǒng)里幾乎所有的時間間隔都是125us。模擬信號進(jìn)行數(shù)字化的設(shè)備叫編碼解碼器Codec（coder-decoder）。脈沖編碼

調(diào)制方法

采樣量化編碼PCM用于數(shù)字語音系統(tǒng)聲音分為128個量化級；每個量化級采用7位二進(jìn)制編碼表示；采樣速率為8000樣本/秒；數(shù)據(jù)傳輸速率應(yīng)達(dá)到7位×8000/秒=56kb/s；如果每個量化級采用7+1=8位二進(jìn)制編碼表示;數(shù)據(jù)傳輸速率應(yīng)達(dá)到8位×8000/秒=64kb/s。數(shù)字傳輸數(shù)字傳輸優(yōu)點(diǎn)：抗噪聲（干擾）的能力強(qiáng)。模擬電路放大補(bǔ)償信號衰減，但不能準(zhǔn)確補(bǔ)償，有累加性，如電話多級放大，仍有畸變。數(shù)字電路可準(zhǔn)確復(fù)原到0、1，不具有累加性。誤碼率很低，傳輸質(zhì)量好。傳輸中的差錯可以設(shè)法控制（發(fā)現(xiàn)、糾正）。復(fù)用（數(shù)字、聲音、圖象混合）?？梢詡鬏敻喾N類的信息。系統(tǒng)更靈活、通用。數(shù)字信息易于加密且保密性強(qiáng)。便于同計(jì)算機(jī)連接，采用計(jì)算機(jī)技術(shù)處理信息。通信設(shè)備易于制造、成本低、體積小、可靠性高高效利用已有線路獲得更高速率。數(shù)字傳輸PCM體制：PCM的復(fù)用方法（時分復(fù)用幀組成）美制：T124路1.544MbpsT296路6.312MbpsT3672路43.736MbpsT44032路273.176Mbps

歐制：E130路2.048MbpsE2120路8.448MbpsE3480路33.368MbpsE41920路139.264MbpsE57680路565.148Mbps我國采用歐制E2多路復(fù)用技術(shù)的分類頻分多路復(fù)用FDM波分多路復(fù)用WDM時分多路復(fù)用TDM頻分多路復(fù)用在一條通信線路設(shè)計(jì)多路通信信道;每路信道的信號以不同的載波頻率進(jìn)行調(diào)制;各個載波頻率是不重疊的,那么一條通信線路就可以同時獨(dú)立地傳輸多路信號。

頻分復(fù)用FDM

(FrequencyDivisionMultiplexing)用戶在分配到一定的頻帶后，在通信過程中自始至終都占用這個頻帶。頻分復(fù)用的所有用戶在同樣的時間占用不同的帶寬資源（請注意，這里的“帶寬”是頻率帶寬而不是數(shù)據(jù)的發(fā)送速率）。頻率時間頻率1頻率2頻率3頻率4頻率5頻分多路復(fù)用實(shí)例ADSL接入

頻分多路復(fù)用實(shí)例DigitalSubscriberLines

波分多路復(fù)用

光纖通道（fiberopticchannel）技術(shù)采用了波長分隔多路復(fù)用方法，簡稱為波分復(fù)用WDM;在一根光纖上復(fù)用80路或更多路的光載波信號稱為密集波分復(fù)用DWDM；目前一根單模光纖的數(shù)據(jù)傳輸速率最高可以達(dá)到20Gb/s

。時分多路復(fù)用

時分多路復(fù)用是將信道用于傳輸?shù)臅r間劃分為若干個時間片；每個用戶分得一個時間片；在其占有的時間片內(nèi)，用戶使用通信信道的全部帶寬。時分復(fù)用TDM

(TimeDivisionMultiplexing)時分復(fù)用則是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。每一個用戶所占用的時隙是周期性地出現(xiàn)（其周期就是TDM幀的長度）。TDM信號也稱為等時(isochronous)信號。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。貝爾系統(tǒng)的T1載波24路音頻信道復(fù)用在一條通信線路上；每路音頻模擬信號在送到多路復(fù)用器之前，要通過一個PCM編碼器；編碼器每秒取樣8000次；24路PCM信號的每一路輪流將一個字節(jié)插入到幀中；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24×8=192位組成，附加一位作為幀開始標(biāo)志位，所以每幀共有193位；發(fā)送一幀需要125微秒；T1載波的數(shù)據(jù)傳輸速率為1.544Mb/s。時分多路復(fù)用的分類

同步時分多路復(fù)用

統(tǒng)計(jì)時分多路復(fù)用

同步時分復(fù)用可能會造成

線路資源的浪費(fèi)ABCDaabbcdbcattttt4個時分復(fù)用幀#1④③②①acbcd時分復(fù)用#2#3#4用戶使用同步時分復(fù)用系統(tǒng)傳送計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)時，由于計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)的突發(fā)性質(zhì)，用戶對分配到的子信道的利用率一般是不高的。統(tǒng)計(jì)時分復(fù)用

STDM

(StatisticTDM)用戶ABCDabcdttttt3個STDM幀#1④③②①acbabbcacd#2#3統(tǒng)計(jì)時分復(fù)用AdvancedMobilePhoneSystemAdvancedMobilePhoneSystemGlobalSystemforMobileCommunicationsCDMA–CodeDivisionMultipleAccess碼分多址CDMACDMA允許所有站點(diǎn)同時在整個頻段上進(jìn)行傳輸，多路的同時傳輸采用編碼原理加以區(qū)分。每比特時間被分成m個短的時間段，叫碼片（chip）。通常是64或128個。（以下討論設(shè)m=8）。每個站被指定一個惟一的m位代碼或碼片序列。發(fā)送比特1時，發(fā)送碼片序列。發(fā)送比特0時，站點(diǎn)就發(fā)送碼片序列的補(bǔ)碼（求反）。也可以什么也不干。CDMA的關(guān)鍵是能提取所需的信號，將其它一切當(dāng)作隨機(jī)噪聲拋棄。CDMA碼分多址序列書寫：（雙極型碼片矢量）

-1代表0，+1代表1，括號括起來例如，S站的8bit碼片序列是：00011011S站的碼片序列：(–1–1–1+1+1–1+1+1)選取碼片：正交任意兩個不同的碼片序列是正交的，即內(nèi)積為0。CDMA碼分多址發(fā)送：多站發(fā)送時，多站的雙級型（1–1，表示1和0）信號線性相加。接收：還原出單站比特流，需知道發(fā)送站的碼片序列。S為接收序列，C為想收聽的站點(diǎn)的碼片序列。還原公式：

S·CCDMA–CodeDivisionMultipleAccess(a)Binarychipsequencesforfourstations(b)Bipolarchipsequences(c)Sixexamplesoftransmissions(d)RecoveryofstationC’ssignal同步數(shù)字體系SDH

SDH發(fā)展的背景

早期的數(shù)字傳輸系統(tǒng)與設(shè)備在運(yùn)行過程中暴露出固有的弱點(diǎn):

數(shù)據(jù)傳輸速率不標(biāo)準(zhǔn),存在著T1與E1兩個互不兼容的標(biāo)準(zhǔn)，在高次群的速率方面，日本又使用了第三種不兼容的標(biāo)準(zhǔn)；光設(shè)備接口標(biāo)準(zhǔn)不規(guī)范，沒有國際的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范