計算機網絡第06講

計算機網絡

（第六講）主講：李勇二零一五年九月計算機網絡講義2計算機網絡講義2上次課主要內容數(shù)據(jù)通信的基本概念通信線路物理鏈路信息、數(shù)據(jù)與信號信道、帶寬模擬數(shù)據(jù)與數(shù)字數(shù)據(jù)模擬信號與數(shù)字信號基帶信號與寬帶信號數(shù)字數(shù)據(jù)用數(shù)字信號編碼數(shù)字數(shù)據(jù)用模擬信號編碼模擬數(shù)據(jù)用數(shù)字信號編碼計算機網絡講義3脈碼調制PCM體制基本思想PCM的理論基礎是采樣定理。采用PCM進行數(shù)字化變換的過程

1、采樣：每隔一定的時間間隔，把模擬信號的值取出來，獲得幅度采樣脈沖，采樣過程遵循采樣定理。

2、量化：決定采樣值屬于哪個量級，并將其幅度按量化級取整，使每個采樣值多近似地量化為對應等級值。

3、編碼：確定碼元，將采樣值轉換成二進制編碼。計算機網絡講義4采樣采樣定理 只有取樣頻率（fs）不低于模擬信號最高頻率（fm）的2倍，才能從脈沖信號中無失真的恢復原來的模擬信號，采樣周期為Ts。針對電話信號的采樣

1、電話信號的最高頻率為3.4kHz，為方便，取整為4kHz；

2、采用頻率可定位8kHz，采用周期T=125us；

3、每秒為8000個離散脈沖信號，振幅對應于電話信號的數(shù)值。采樣示意圖計算機網絡講義5量化量化后的采樣值為離散的整數(shù)值，而不是連續(xù)值。

1、采樣值是不規(guī)范的；

2、通過量化將不規(guī)范的數(shù)值規(guī)范化為要求的整數(shù)值。對于量化后的采樣值劃分多少個量化級，要根據(jù)對精度的要求來決定。

1、常用的有8級、16級；

2、當前聲音數(shù)字化常分為128個量級。計算機網絡講義6編碼對量化的采樣值進行編碼

1、將每個采樣值用相應的二進制編碼來表示；

2、按照公式決定每個碼元攜帶多少位數(shù)據(jù)。計算機網絡講義7利用PCM發(fā)送和接收信息在發(fā)送端，PCM系統(tǒng)的步驟是抽樣、量化和編碼；在接收端，PCM系統(tǒng)的步驟是畸變信號的再生、量化樣值的重構和譯碼；為有效地利用傳輸線路，通?？偸菍⒃S多個話路的PCM信號用時分復用TDM的方式成幀，然后再送到線路上進行傳輸。計算機網絡講義82.4.2信道極限容量尋找提高數(shù)據(jù)傳輸速率的途徑一直是人們的努力方向。

1、數(shù)據(jù)以碼元的形式在信道上傳輸；

2、如果在接收端能識別出原來的信號，失真對通信質量沒有影響，否則則不然；

3、事實上，碼元傳輸?shù)乃俾试礁?，或信號傳輸?shù)木嚯x越遠，或噪聲干擾越大，或傳輸媒體質量越差，在接收端的失真越嚴重。計算機網絡講義91、影響信道極限容量的因素影響碼元在信道上傳輸速率的因素

1、信道能夠通過的頻率范圍 （1）碼間串擾問題。 （2）在任何信道中，碼元的傳輸速率都是有上限的，傳輸速率超過此上限，就會出現(xiàn)嚴重的碼間串擾問題，使接收端對碼元的判決成為不可能。 （3）帶寬越大，傳輸速率越高。

2、信噪比（1）信號的平均功率與噪聲的平均功率之比，稱為信噪比，常記為S/N。并用分貝作為度量單位。（2）信噪比越高，信號相對噪聲越強，傳輸速率越高。

計算機網絡講義102、評估信道極限容量的理論利用奈奎斯特準則和香農定理解決信道的極限容量問題。

1、奈奎斯特準則

2、香農定理計算機網絡講義113、奈奎斯特準則奈奎斯特準則的提出。

1、1924年，AT&T工程師奈奎斯特推導出了奈氏準則；

2、針對理想信道。奈奎斯特準則的具體內容。如果一個任意的信號通過帶寬為W的低通濾波器，那么每秒采樣2W次就能完整地重現(xiàn)通過這個濾波器的信號。

計算機網絡講義124、香農定理香農定理內容（1948年）

1、噪聲存在于所有電子設備和通信信道中，噪聲會使接收端對碼元的判決產生錯誤；

2、針對有噪聲的信道；

3、信噪比就是信號的平均功率和噪聲的平均功率之比，用分貝作為單位。計算機網絡講義135、香農定理的意義只要信息傳輸速率低于信道的極限信息傳輸速率，就一定可以找到某種方法來實現(xiàn)無差錯的傳輸。計算機網絡講義146、小結信道的數(shù)據(jù)傳輸率是有上限的。可利用奈奎斯特準則和香農定理來評估信道的上限數(shù)據(jù)傳輸率

1、理想信道采用奈奎斯特準則確定信道極限容量

2、非理想信道采用香農定理確定信道極限容量計算機網絡講義152.4.3數(shù)據(jù)通信的基本方式數(shù)據(jù)通信的操作方式

1、單工通信

2、半雙工通信

3、全雙工通信數(shù)據(jù)傳輸模式

1、同步傳輸

2、異步傳輸計算機網絡講義16數(shù)據(jù)傳輸模式異步傳輸方式每傳送一個字符，都要在每個字符前加一個起始位，而在每個字符后加停止位。這種方式的字符發(fā)送是獨立的，所以又稱為面向字符的異步傳輸方式。同步傳輸方式不加起始位和停止位，而是在發(fā)送字符前發(fā)送一組同步字符（同步標識），使雙方進入發(fā)送和接收的同步狀態(tài)。同步傳輸方式將字符組作為發(fā)送單位，在數(shù)據(jù)傳輸過程中提供額外的時間鏈路或在數(shù)據(jù)中加入時間信息解決時間漂移（滑動）的問題。計算機網絡講義172.4.4數(shù)據(jù)交換方式電路交換分組交換報文交換計算機網絡講義182.4.5多路復用技術所謂的多路復用可以理解為在同一條信道上傳輸多路信號。

1、多路：多個不同的信號源。

2、復用：同一信道上同時傳輸多個不同的信號。采用多路復用技術，在發(fā)送端，可用復用器（MUX）以將多路信號組合在一條信道上進行傳輸，到接收端再用分用器（DEMUX）將各路信號分離開來。多路復用極大地提高了信道的利用率。實現(xiàn)多路復用的前提是信道實際傳輸能力超過單個信號所要求的的能力。計算機網絡講義191、常用多路復用技術頻分多路復用技術（FDM）時分多路復用技術（TDM）計算機網絡講義20頻分復用基本思想頻分復用（FDM，F(xiàn)requencyDivisionMultiplexing）

1、將信道有效帶寬劃分成不同的頻段；

2、在不同的頻段上同時傳輸不同的頻率的信號。頻分復用是一種模擬信號技術，在信道有效帶寬大于要傳輸?shù)男盘査璧膸挄r使用。計算機網絡講義21頻分復用的信道劃分在頻分復用中，各個頻段都有一定的帶寬稱之為邏輯信道。為防止相鄰信道信號頻率覆蓋造成的干擾，在相鄰兩個信號的頻率段之間設立一定的保護帶，保護帶對應的頻譜未被使用。計算機網絡講義22正交頻分復用OFDMOFDM中的各個載波是相互正交的，每個載波在一個符號時間內有整數(shù)個載波周期，每個載波的頻譜零點和相鄰載波的零點重疊，這樣便減小了載波間的干擾。由于載波間有部分重疊，所以它比傳統(tǒng)的FDMA提高了頻帶利用率。計算機網絡講義23頻分復用的應用頻分復用在模擬信號傳輸系統(tǒng)中使用，不同的信號同時占用不同的頻率資源。一旦為某個信號分配了頻率資源，將不再改變。頻分復用技術成熟，但不夠靈活。常用的頻分復用系統(tǒng)

1、電話系統(tǒng)

2、有線電視

3、ADSL計算機網絡講義24時分多路復用技術基本思想時分復用（TDM，TimeDivisionMultiplexing）是一種數(shù)字過程，當信道的最大數(shù)據(jù)傳輸率大于各路信號的數(shù)據(jù)傳輸率的總和時采用。時分復用將信道的使用時間劃分成等長的時間片，每個信號輪流使用時間片；所有信號使用一次時間片的和為一個周期。每個周期內傳輸?shù)臄?shù)據(jù)可以看成一個時分復用幀。計算機網絡講義25時分復用的幀構成一個時分復用幀中包含N個信號的數(shù)據(jù)；

1、N個信號共享同一條信道；

2、在一定的時間內，可以看到N個信號“同時”使用同一條信道傳輸；

3、在時刻t0信道只接受一個信號的發(fā)送；

4、信號占用信道的全部帶寬，適合基帶傳輸；一般來講，幾個低速設備以時分復用的方式共享一條高速信道。計算機網絡講義26時分復用分類時分復用分為兩類

1、同步時分復用（SynchronousTDM）采用固定時間片分配方式，將傳輸信號的時間按特定的長度連續(xù)地劃分成特定的時間段，再將每個時間段劃分成等長的多個時間片，每個時間片以固定的方式分配給各路數(shù)字信號。

2、異步時分復用（AsynchronousTDM），又稱為統(tǒng)計時分復用（StatisticTDM）采用按需分配時間片的方式分配時間片，只有某路用戶有數(shù)據(jù)發(fā)送時才將時間片分配給該用戶；當沒有數(shù)據(jù)傳輸時，將時間片動態(tài)分配給其他的用戶；共享物理鏈路的用戶數(shù)可以大于統(tǒng)計時分復用幀中的時間片數(shù)。計算機網絡講義27時分復用示例ABCDaabbcdbcattttt4個時分復用幀#1④③②①acbcd時分復用#2#3#4用戶計算機網絡講義28統(tǒng)計時分復用示例用戶ABCDabcdttttt3個STDM幀#1④③②①acbabbcacd#2#3統(tǒng)計時分復用計算機網絡講義29同步時分復用與統(tǒng)計時分復用總結同步時分復用可能會造成線路資源的浪費。采用統(tǒng)計時分復用的方式對同步時分復用進行改進，該方式可明顯地提高信道利用率。計算機網絡講義302、其他的多路復用技術波分多路復用（WDM）碼分多址技術（CDMA）計算機網絡講義312-1波分復用基本思想波分復用（WDM，WavelengthDivisionMultiplexing）

1、光在光纖中的傳輸已經達到了10Gbit/s，幾乎達到了單個光載波信號傳輸?shù)臉O限，但遠遠沒有達到光纖的帶寬（25000GHz）極限。

2、在借用了頻分復用的概念之后，能作到在一個光纖上同時傳輸多個頻率很接近的光載波信號，使傳輸速率提高。

3、在一根光纖上復用兩路以上光載波信號稱為波分復用（WDM）。（1）在光傳輸信號過程中，由于光的頻率很高，表示不方便，因此，常用光的波長來表示所使用的光信號，因此，光纖的復用又稱為波分復用。（2）事實上，光信號的波分復用就是光的的頻分復用。計算機網絡講義322-2波分復用的發(fā)展隨著技術的發(fā)展，在一根光纖上可以復用的路數(shù)越來越多，于是產生了密集波分復用（DWDM）技術。波分復用的討論

1、不同的信號具有不同的頻率。

2、不同頻率的信號對應光信號中不同的波長；

3、因此，可以將不同頻率的信號對應到不同波長的光信號上；

4、只要光纖可以傳輸不同波長的光信號，光的頻分復用既波分復用就能夠實現(xiàn)。計算機網絡講義332-3波分復用示例計算機網絡講義342-4碼分復用基本思想各通信用戶使用經過特殊挑選的不同碼型，在同樣的時間內使用同樣的頻帶進行通訊，可以理解為碼分復用。

1、由于各通信用戶使用經過特殊挑選的不同碼型，因此各用戶之間不會造成干擾。

2、事實上，碼分復用（CDM）是另一種信道復用技術，也稱為碼分多址（CDMA）。

3、該方式具有很強的抗干擾能力。計算機網絡講義352-5碼分復用工作原理工作原理

1、在CDMA中，每個比特時間再劃分為m個短的間隙，稱為碼片。通常m的值為64或128；

2、使用CDMA的每一個站被指派一個唯一的mbit碼片序列；

3、要發(fā)送1則發(fā)送mbit碼片序列，如果發(fā)送0則發(fā)送mbit碼片序列的反碼；

4、按雙極性碼慣例，將0寫成-1，1寫成+1。

5、如果一個站要發(fā)送的數(shù)據(jù)率b（b/s），由于一個比特要轉換成m個比特碼片，因此該站的實際發(fā)送的數(shù)據(jù)率為mb（b/s）；

6、同時該站所占用的帶寬也提高到原來的m倍，這種通信方式稱為擴頻；

7、擴頻分為直接序列擴頻和跳頻擴頻。計算機網絡講義362-6碼分復用的特點CDMA的一個重要特點是每個分站分配的碼片序列不僅必須各不相同，并且必須相互正交；

1、令向量S表示s站的碼片序列向量，令T表示其他任何站的碼片向量，則S和T的規(guī)格化內積都是0。

2、向量S和各站碼片反碼的向量內積也是0；

3、任何一個碼片向量和該碼片自己的規(guī)格化內積都是1；