1、內容簡介內容簡介本課程共分為本課程共分為9講，主要內容包括：講，主要內容包括：第第1講計算機網絡概論講計算機網絡概論第第2講數據通信和物理層講數據通信和物理層第第3講數據鏈路層講數據鏈路層第第4講局域網技術講局域網技術第第5講廣域網技術講廣域網技術第第6講網絡層講網絡層第第7講傳輸層講傳輸層第第8講應用層講應用層第第9講網絡安全講網絡安全1/106 2/106第第2 2講講 數據通信和物理層數據通信和物理層計算機網絡基礎教程計算機網絡基礎教程第第2講數據通信和物理層講數據通信和物理層 本講基本要求：本講基本要求：l 理解并掌握物理層的基本概念、主要功能和基本特性理解并掌握物理層的基本概念、主要

2、功能和基本特性l 理解比特率、波特率和信道容量的定義理解比特率、波特率和信道容量的定義l 掌握奈奎斯特定理和香農定理掌握奈奎斯特定理和香農定理l 掌握常用的數據編碼掌握常用的數據編碼l 理解電路交換和報文交換的基本原理理解電路交換和報文交換的基本原理l 理解并掌握多路復用技術的原理及實現理解并掌握多路復用技術的原理及實現l 了解各類傳輸介質的基本特性了解各類傳輸介質的基本特性l 了解物理層協議了解物理層協議3/1062.12.1數據通信的基本概念數據通信的基本概念2.22.2數據通信系統的性能指標數據通信系統的性能指標2.32.3信道容量信道容量2.42.4數據傳輸方式數據傳輸方式2.52.5

3、數據編碼與數據調制數據編碼與數據調制2.62.6信道復用技術信道復用技術2.72.7數字傳輸系統數字傳輸系統2.82.8物理層的傳輸介質物理層的傳輸介質2.92.9物理層的功能、特性與設備物理層的功能、特性與設備2.102.10 習題習題4/106第第2講數據通信和物理層講數據通信和物理層2.1.12.1.1數據通信系統的基本模型數據通信系統的基本模型2.1.22.1.2信息、數據與信號信息、數據與信號2.1.32.1.3模擬與數字模擬與數字2.1.42.1.4DTEDTE和和DCEDCE2.12.1數據通信的基本概念數據通信的基本概念5/106 數據通信系統數據通信系統Data Commun

4、ication SystemData Communication System是指通過通信線路是指通過通信線路和通信控制處理設備將分布在各處的數據終端設備連接起來，和通信控制處理設備將分布在各處的數據終端設備連接起來，執行數據傳輸功能的系統。執行數據傳輸功能的系統。一個數據通信系統由源系統一個數據通信系統由源系統SourceSystemSourceSystem，傳輸系統，傳輸系統TransmissionSystemTransmissionSystem和目的系統和目的系統DestinationSystemDestinationSystem三部分組三部分組成：成：圖圖 2-12-1數據數據+ +噪

5、音噪音噪音源噪音源信信 源源信信 道道信信 宿宿轉換轉換轉換轉換發送發送傳輸信道傳輸信道接收接收2.1.12.1.1數據通信系統的基本模型數據通信系統的基本模型6/106 DTE英文全稱英文全稱Data Terminal Equipment（數字終端設（數字終端設備），資源子網，是指一般的終端或者計算機。可能是大、中、備），資源子網，是指一般的終端或者計算機?？赡苁谴蟆⒅小⑿⌒陀嬎銠C，也可能是一臺只接收數據的打印機。小型計算機，也可能是一臺只接收數據的打印機。 DCE英文全稱英文全稱Data Circuit-terminating Equipment（數（數字通信設備），通信子網，通常指調制解

6、調器，多路復用器或字通信設備），通信子網，通常指調制解調器，多路復用器或數字設備。數字設備。7/106源系統源系統/發送端：發送端：源點，源站源點，源站發送器發送器目的系統目的系統/接收端接收端接收器接收器終點終點8/106 數據是承載信息的實體。數據是承載信息的實體。 模擬數據：模擬數據：在時間和幅值取值上都是連續變化的在時間和幅值取值上都是連續變化的, 例如例如聲音、語音、視頻和動畫片等。模擬數據通常用傳感器收集。聲音、語音、視頻和動畫片等。模擬數據通常用傳感器收集。 數字數據：數字數據：在時間上是離散的在時間上是離散的,在幅值上是經過量話的在幅值上是經過量話的,它一般是由它一般是由0、1

7、構成的二進制代碼組成的數字序列。構成的二進制代碼組成的數字序列。 信息是對數據的解釋信息是對數據的解釋。（1）各個符號表達的事物特性不變。）各個符號表達的事物特性不變。（2）信息符號以某種媒體為載體。）信息符號以某種媒體為載體。2.1.22.1.2信息、數據與信號信息、數據與信號9/106 信息泛指那些通過各種方式傳播的信息泛指那些通過各種方式傳播的、可被感受的聲音可被感受的聲音、文文字字、圖像圖像、符號等所表征的某一特定事物的消息符號等所表征的某一特定事物的消息、情報或知識情報或知識。 數據是對客觀事物的符號表示，在計算機科學中是指所有數據是對客觀事物的符號表示，在計算機科學中是指所有輸入到

8、計算機中并被計算機程序處理的符號的總稱。數據分為輸入到計算機中并被計算機程序處理的符號的總稱。數據分為模擬數據和數字數據兩種。模擬數據和數字數據兩種。另一種解釋另一種解釋10/106 信號是數據的具體物理表現形式，它具有確定的物理描述信號是數據的具體物理表現形式，它具有確定的物理描述,如電信號、光信號或磁場強度等。信號分為數字信號和模擬信如電信號、光信號或磁場強度等。信號分為數字信號和模擬信號兩種。號兩種。圖圖 2-2 2-2 模擬信號與數字信號波形模擬信號與數字信號波形ty（a）連續的模擬信號ty（b）離散的數字信號 模擬信號：模擬信號：是一種是一種連續連續變化變化的電脈沖序列，例如電話的電

9、脈沖序列，例如電話語音信號、電視信號等，它是語音信號、電視信號等，它是隨時間變化的函數曲線。隨時間變化的函數曲線。 數字信號：數字信號：是是離散離散的的不不連續連續的電信號的電信號, 通常用通常用“高高”和和“低低”電平脈沖序列組成的電平脈沖序列組成的編碼來表示數據編碼來表示數據。2.1.22.1.2信息、數據與信號信息、數據與信號11/106在數據通信系統中，將傳輸模擬信號的系統稱為模擬通信系統，在數據通信系統中，將傳輸模擬信號的系統稱為模擬通信系統，將傳輸數字信號的系統稱為數字通信系統。將傳輸數字信號的系統稱為數字通信系統。 (1) (1) 模擬通信系統：模擬通信系統：普通的普通的電話電話

10、、廣播廣播、電視電視等信號都屬等信號都屬于模擬信號于模擬信號, ,由模擬信號所構成的通信系統屬于由模擬信號所構成的通信系統屬于模擬通信系統模擬通信系統。模擬通信系統通常由信源、調制器、信道、解調器、信宿以及模擬通信系統通常由信源、調制器、信道、解調器、信宿以及噪音源組成，其基本結構模型噪音源組成，其基本結構模型模擬通信系統結構模擬通信系統結構信信 源源調制器調制器解調器解調器信信 宿宿信信 道道噪音源噪音源12/106 (2) (2) 數字通信系統：數字通信系統：計算機通信、數字電話以及數字電視計算機通信、數字電話以及數字電視等信號都屬于數字信號，由數字信號構成的通信系統屬于等信號都屬于數字信

11、號，由數字信號構成的通信系統屬于數字數字通信系統通信系統。數字通信系統通常由信源數字通信系統通常由信源、編碼器編碼器、信道信道、解碼器、解碼器、信宿以及噪音源組成，其基本結構模型信宿以及噪音源組成，其基本結構模型數字通信系統結構數字通信系統結構信信 源源編碼器編碼器解碼器解碼器信信 宿宿信信 道道噪音源噪音源 由于數字信號不適合遠距離傳輸，所以在傳輸前將其變為由于數字信號不適合遠距離傳輸，所以在傳輸前將其變為模擬信號。因此，數字通信系統通常由信源、信源編碼器、調模擬信號。因此，數字通信系統通常由信源、信源編碼器、調制器、信道、解調器、信道譯碼器、信源譯碼器、信宿、噪音制器、信道、解調器、信道譯

12、碼器、信源譯碼器、信宿、噪音源組成，其結構模型源組成，其結構模型2.1.12.1.1數據通信系統的基本模型數據通信系統的基本模型13/106 在數字通信系統中，調制器用于將發送端數字信號變換成在數字通信系統中，調制器用于將發送端數字信號變換成模擬信號；解調器用于將模擬信號還原成數字信號。我們將具模擬信號；解調器用于將模擬信號還原成數字信號。我們將具備調制與解調功能的設備稱為調制解調器，它在數據通信系統備調制與解調功能的設備稱為調制解調器，它在數據通信系統中的連接如圖中的連接如圖2-72-7所示。所示。信信宿宿噪音源噪音源信信道道編編碼碼器器信信源源譯譯碼碼器器信信源源編編碼碼器器信信源源解解調

13、調器器調調制制器器信信道道信信道道譯譯碼碼器器數字通信系統結構模型數字通信系統結構模型2.1.12.1.1數據通信系統的基本模型數據通信系統的基本模型14/106 以上介紹了數據通信技術的基本概念。事實上，無論是實以上介紹了數據通信技術的基本概念。事實上，無論是實現模擬通信現模擬通信, ,還是實現數字通信還是實現數字通信, ,都涉及到一系列的技術問題，都涉及到一系列的技術問題，包括數據調制與編碼技術、數據傳輸技術、多路復用技術、數包括數據調制與編碼技術、數據傳輸技術、多路復用技術、數據交換技術、數據傳輸的差錯檢測與控制技術等。據交換技術、數據傳輸的差錯檢測與控制技術等。圖圖 2-7 2-7 調

14、制解調器的功能作用調制解調器的功能作用電話線電話線電話交換網電話交換網計算機計算機Modem電話機電話機ModemModem電話機電話機計算機計算機電話線電話線2.1.12.1.1數據通信系統的基本模型數據通信系統的基本模型15/106 模擬通信的優點是直觀且容易實現，但存在兩個主要缺點：模擬通信的優點是直觀且容易實現，但存在兩個主要缺點： （1）保密性差）保密性差 模擬通信很容易被竊聽。只要收到模擬信號，就容易得到模擬通信很容易被竊聽。只要收到模擬信號，就容易得到通信內容。通信內容。 （2）抗干擾能力弱）抗干擾能力弱 電信號在沿線路的傳輸過程中會受到干擾，從而使得通信電信號在沿線路的傳輸過程

15、中會受到干擾，從而使得通信質量下降。線路越長，噪聲的積累也就越多。質量下降。線路越長，噪聲的積累也就越多。16/106 （1）數字化傳輸與交換的優越性）數字化傳輸與交換的優越性 加強了通信的保密性。加強了通信的保密性。 提高了抗干擾能力。提高了抗干擾能力。 可構建綜合數字通信網?？蓸嫿ňC合數字通信網。 （2）數字化通信的缺點）數字化通信的缺點 占用頻帶較寬。占用頻帶較寬。 技術要求復雜，尤其是同步技術要求精度很高。技術要求復雜，尤其是同步技術要求精度很高。 進行模進行模/數轉換時會帶來量化誤差。數轉換時會帶來量化誤差。 數字信號與模擬信號的區別不在于該信號使用哪個波段數字信號與模擬信號的區別不

16、在于該信號使用哪個波段（C、KU）進行轉發，而在于信號采用何種標準進行傳輸。）進行轉發，而在于信號采用何種標準進行傳輸。17/10618/1062.2.12.2.1數據傳輸速率數據傳輸速率2.2.22.2.2帶寬帶寬2.2.32.2.3波特率波特率2.2.42.2.4時延時延2.2.52.2.5時延帶寬積時延帶寬積2.2.62.2.6利用率利用率2.2.72.2.7誤碼率誤碼率2.22.2數據通信系統的性能指標數據通信系統的性能指標19/1062.2.12.2.1數據傳輸速率數據傳輸速率每秒鐘傳輸的二每秒鐘傳輸的二進制比特數。進制比特數。比特比特（bit）是計算機中數據量的單位，也是信息論）是

17、計算機中數據量的單位，也是信息論中使用的信息量的單位。中使用的信息量的單位。Bit 來源于來源于 binary digit，意思是一個，意思是一個“二進制數字二進制數字”，因此，一個比特就是二進制數字中的一個，因此，一個比特就是二進制數字中的一個 1 或或 0。速率速率即即數據率數據率(data rate)或或比特率比特率(bit rate)是計算機是計算機網絡中最重要的一個性能指標網絡中最重要的一個性能指標：速率的單位是：速率的單位是 b/s，或或kb/s, Mb/s, Gb/s 等等速率往往是指速率往往是指額定速率額定速率或或標稱速率標稱速率。 20/106 【例例2-2-1 1】數據磁帶

18、容量為】數據磁帶容量為25GB25GB，小狗奔跑速度為，小狗奔跑速度為18km/h18km/h，什么距離范圍內，小狗的數據傳輸率超過什么距離范圍內，小狗的數據傳輸率超過100Mb/s100Mb/s？ 解：小狗的解：小狗的V=18km/h=5m/sV=18km/h=5m/s數據傳速率數據傳速率=25GB/(X/V)100Mb/s=25GB/(X/V)100Mb/s X10240m X10240m 2.2.12.2.1數據傳輸速率數據傳輸速率21/1062.2.22.2.2帶寬帶寬 “帶寬帶寬”（bandwidth）本來是指信號具有的頻帶寬）本來是指信號具有的頻帶寬度，單位是赫（或千赫、兆赫、吉赫

19、等）。度，單位是赫（或千赫、兆赫、吉赫等）。 現在現在“帶寬帶寬”是數字信道所能傳送的是數字信道所能傳送的“最高數據率最高數據率”的同義語，單位是的同義語，單位是“比特每秒比特每秒”，或，或 b/s (bit/s)。 22/1062.2.22.2.2帶寬帶寬 更常用的帶寬單位是更常用的帶寬單位是 千比每秒，即千比每秒，即 kb/s kb/s （10103 3 b/s b/s） 兆比每秒，即兆比每秒，即 Mb/sMb/s（10106 6 b/s b/s） 吉比每秒，即吉比每秒，即 Gb/sGb/s（10109 9 b/s b/s） 太比每秒，即太比每秒，即 Tb/sTb/s（10101212 b

20、/s b/s） 請注意：在計算機界，請注意：在計算機界，K = 2K = 21010 = 1024 = 1024 M = 2 M = 22020, G = 2, G = 23030, T = 2, T = 24040。23/1062.2.32.2.3波特率波特率1 1、波特率的含義波特率的含義 在信息傳輸通道中，攜帶數據信息的信號單元叫在信息傳輸通道中，攜帶數據信息的信號單元叫碼元碼元，每秒鐘通過信道傳輸的碼元數稱為，每秒鐘通過信道傳輸的碼元數稱為碼元傳輸速率碼元傳輸速率，簡稱簡稱波特率波特率。 波特率是指數據信號對載波的調制速率，用單位時間波特率是指數據信號對載波的調制速率，用單位時間內載波

21、調制狀態改變的次數來表示內載波調制狀態改變的次數來表示（也就是每秒調制也就是每秒調制的符號數的符號數），其單位是，其單位是波特波特（BaudBaud，symbol/ssymbol/s）。）。2 2、波特率與比特率的關系波特率與比特率的關系 比特率比特率= =波特率波特率* *單個調制狀態對應的二進制位數單個調制狀態對應的二進制位數 例如，假設數據傳送速率為例如，假設數據傳送速率為120120符號符號/ /秒秒(symbol/s)(symbol/s)(也也就是波特率為就是波特率為120 Baud)120 Baud)，又假設每一個符號為，又假設每一個符號為8 8位位(bit)(bit)，則其傳送的

22、比特率為，則其傳送的比特率為(120 symbol/s) (120 symbol/s) * * (8 (8 bit/symbol)=960 bpsbit/symbol)=960 bps。24/106 一個一個M M進制碼元，所包含的信息量為進制碼元，所包含的信息量為I=logI=log2 2MbMb 數據傳輸率公式可以表達為：數據傳輸率公式可以表達為： C = B C = B * * log log2 2M (b/s)M (b/s) 火星救援電影火星救援電影25/1062.2.32.2.3波特率波特率2.2.42.2.4時延時延 數據經歷的總時延（數據經歷的總時延（delaydelay或或la

23、tencylatency）就是發送）就是發送時延、傳播時延、處理時延和排隊時延之和：時延、傳播時延、處理時延和排隊時延之和： 總時延總時延 = = 發送時延發送時延+ +傳播時延傳播時延+ +處理時延處理時延+ +處理時延處理時延26/106 發送時延發送時延= =數據塊長度數據塊長度/ /信道帶寬信道帶寬 傳播時延傳播時延= =信道長度信道長度/ /電磁波傳輸速率電磁波傳輸速率 處理時延處理時延 排隊時延排隊時延2.2.42.2.4時延時延1 0 1 1 0 0 11 0 1 1 0 0 1發送器發送器隊列隊列在鏈路上產生在鏈路上產生傳播時延傳播時延結點結點 B B結點結點 A A在發送器產

24、生傳輸時延在發送器產生傳輸時延( (即發送時延即發送時延) )在結點在結點 A A 中產生中產生處理時延和排隊時延處理時延和排隊時延數據數據鏈路鏈路四種時延所產生的地方四種時延所產生的地方 27/106 【例例2-2-2 2】100MB100MB的數據塊在帶寬為的數據塊在帶寬為1Mb/s1Mb/s的信道上，用的信道上，用光纖分別傳送到光纖分別傳送到1000km1000km和和1km1km的目標計算機，發送時延和傳播的目標計算機，發送時延和傳播時延分別為多少？。時延分別為多少？。 數據塊長度為數據塊長度為10108 8bitbit，數據發送速率為數據發送速率為1 1MbpsMbps； 數據塊長度

25、為數據塊長度為10001000bitbit，數據發送速率為數據發送速率為1 1GbpsGbps； 解：根據上述計算發送時延公式和計算傳播時延公式，解：根據上述計算發送時延公式和計算傳播時延公式，分別求出不同鏈路的不同時延。分別求出不同鏈路的不同時延。 發送時延發送時延100100* *2 21010* *8bit/(108bit/(106 6bps)bps)838.9s838.9s 1000km 1000km傳播時延傳播時延10001000km/(2km/(2* *10108 8m/s)m/s)5ms5ms1km1km傳播時延傳播時延=1km/2=1km/2* *10108 8=5us=5us

26、 2.2.42.2.4時延時延28/1062.2.52.2.5時延帶寬積時延帶寬積（傳播）時延（傳播）時延鏈路鏈路帶寬帶寬時延帶寬積時延帶寬積 = = 傳播時延傳播時延 帶寬帶寬 鏈路的時延帶寬積鏈路的時延帶寬積: :某一鏈路所能容納的比特數。某一鏈路所能容納的比特數。 又稱為以又稱為以比特比特為單位的鏈路長度。為單位的鏈路長度。 時延帶寬積時延帶寬積29/1062.2.62.2.6利用率利用率 信道利用率信道利用率指出某信道有百分之幾的時間是被利用的指出某信道有百分之幾的時間是被利用的（有數據通過）。完全空閑的信道的利用率是零。（有數據通過）。完全空閑的信道的利用率是零。 網絡利用率網絡利用

27、率則是全網絡的信道利用率的加權平均值。則是全網絡的信道利用率的加權平均值。 信道利用率并非越高越好。信道利用率并非越高越好。 D=D0/(1-U) D0:空閑時的時延，空閑時的時延， U：網絡利用率：網絡利用率30/1062.2.72.2.7誤碼率誤碼率 數據數據在數據通信中在數據通信中, ,如果發送的信號是如果發送的信號是“1 1”, ,而而接收到的信號卻是接收到的信號卻是“0 0”, ,這就是這就是“誤碼誤碼”, ,也就是發生也就是發生了一個差錯。在一定時間內收到的數字信號中發生差了一個差錯。在一定時間內收到的數字信號中發生差錯的比特數與同一時間所收到的數字信號的總比特數錯的比特數與同一時

28、間所收到的數字信號的總比特數之比之比, ,就叫做就叫做“誤碼率誤碼率”，也可以叫做，也可以叫做“誤比特率誤比特率”。誤碼率（誤碼率（BERBER：bit error ratebit error rate）是衡量數據在規定時）是衡量數據在規定時間內數據傳輸精確性的指標。間內數據傳輸精確性的指標。 誤碼率誤碼率= =錯誤碼元數錯誤碼元數/ /傳輸總碼元數。傳輸總碼元數。 誤比特率誤比特率= =錯誤比特數錯誤比特數/ /傳輸總比特數。傳輸總比特數。 誤碼率是最常用的數據通信傳輸質量指標。它表誤碼率是最常用的數據通信傳輸質量指標。它表示數字系統傳輸質量的式是示數字系統傳輸質量的式是“在多少位數據中出現

29、一在多少位數據中出現一位差錯位差錯”。舉例來說，如果在一萬位數據中出現一位。舉例來說，如果在一萬位數據中出現一位差錯，即誤碼率為萬分之一，即差錯，即誤碼率為萬分之一，即10E-410E-4。31/106奈奎斯特定理奈奎斯特定理香農定理香農定理2.32.3信道容量信道容量32/106 信道是以傳輸媒介為基礎的信號通道。信道是以傳輸媒介為基礎的信號通道。 狹義信道：有信號傳輸介質的信道狹義信道：有信號傳輸介質的信道 有線有線 無線無線 廣義信道：狹義信道廣義信道：狹義信道+轉換器轉換器 調制信道調制信道 編碼信道編碼信道 奈奎斯特定理奈奎斯特定理（Nyquists Theorem）和香農定理和香農

30、定理（Shannons Theorem）是是 網絡傳輸中的兩個基本定理。網絡傳輸中的兩個基本定理。 1924年，奈奎斯特年，奈奎斯特（Nyquist）推導出在理想低通信道的）推導出在理想低通信道的最高碼元傳輸速率的公式最高碼元傳輸速率的公式： 理想信道的極限信息速率（信道容量）理想信道的極限信息速率（信道容量） C = 2*W*log2M( bps )。 例例2-49600b/s的數字信號系統，（的數字信號系統，（1）一個信號代表）一個信號代表4位位編碼，所需要最小帶寬是多少？（編碼，所需要最小帶寬是多少？（2）如果一個信號代表）如果一個信號代表8位？位？ 答：答：9600=2*W*log22

31、4，所以，所以(1)W=1200Hz 9600=2*W*log228，所以，所以(1)W=600Hz 2.3.12.3.1奈奎斯特定理奈奎斯特定理34/106 在信號處理和信息理論的相關領域中，通過研究信號在經在信號處理和信息理論的相關領域中，通過研究信號在經過一段距離后如何衰減以及一個給定信號能加載多少數據后得過一段距離后如何衰減以及一個給定信號能加載多少數據后得到了一個著名的公式，叫做香農（到了一個著名的公式，叫做香農（Shannon）定理。香農于）定理。香農于1948年在年在通信的數學原理通信的數學原理(Mathematical Theory of Communication)一文中提出

32、了著名的香農定理。一文中提出了著名的香農定理。 在有隨機熱噪聲的信道上傳輸數據信號時，數據傳輸率在有隨機熱噪聲的信道上傳輸數據信號時，數據傳輸率Rmax與信道帶寬與信道帶寬W，信噪比，信噪比S/N關系為：關系為： Rmax=W*log2(1+S/N)它以比特每秒（它以比特每秒（bps）的形式給出一個鏈路速度的上限，表示）的形式給出一個鏈路速度的上限，表示為鏈路信噪比的一個函數。其中，為鏈路信噪比的一個函數。其中，C是可得到的鏈路速度，是可得到的鏈路速度，W是鏈路的帶寬，是鏈路的帶寬，S是平均信號功率是平均信號功率,N是平均噪聲功率。是平均噪聲功率。2.3.22.3.2香農定理香農定理35/10

33、6 信噪比（信噪比（S/N）通常用分貝（）通常用分貝（dB）表示，分貝數）表示，分貝數=10*log10（S/N）。）。 【例例2-2-6 6】某個信道的帶寬為】某個信道的帶寬為300HZ300HZ，信噪比為，信噪比為20dB20dB，該信道容量是多少？該信道容量是多少？2.3.22.3.2香農定理香農定理 解：按照解：按照ShannonShannon定理，已知信噪比電平為定理，已知信噪比電平為2020dBdB，信信噪功率比噪功率比S/RS/R， 20=10log 20=10log1010（S/N),S/N),于是于是S/N=100,S/N=100, 最大數據傳輸率為：最大數據傳輸率為： C=

34、W Log C=W Log2 2(1+S/N)=300(1+S/N)=300LogLog2 2(1+100)=1997.46bit/s(1+100)=1997.46bit/s 36/106 例例2-7 某個信道容量某個信道容量10Mb/s，帶寬為，帶寬為6MHz，其信噪比，其信噪比為多少？為多少？解答：解答：W=6MHz，C=10Mb/s，代入代入10=6log2(1+S/N)，S/N=2.17于是信噪比于是信噪比=10log102.17=3.4dB2.3.22.3.2香農定理香農定理37/106例例2 2：已知彩電電視圖像由：已知彩電電視圖像由5 510105 5個像素組成，設每個像素有個像

35、素組成，設每個像素有6464種種色彩，每種色彩有色彩，每種色彩有1616個亮度等級，試計算：個亮度等級，試計算：（1 1）每秒傳送）每秒傳送100100個畫面所需的信道容量；個畫面所需的信道容量；（2 2）若接收機的信噪比為）若接收機的信噪比為30 dB30 dB，求傳送彩色圖像所需的帶寬。，求傳送彩色圖像所需的帶寬。解：解： (1) (1) 每像素信息量每像素信息量 I=log2(64I=log2(6416)=10 bit16)=10 bit 每幅圖信息量每幅圖信息量 I=10I=105 510105=55=510106 bit6 bit 信源信息速率信源信息速率 r =100r =1005

36、 510106 =56 =510108 bit/s 8 bit/s 信道容量信道容量 Ct r =5Ct r =510108 bit/s 8 bit/s (2) 30 dB=10lgS/N (2) 30 dB=10lgS/N，故故S/N=1000 S/N=1000 由由Shannon Shannon 公式公式: : B = Ct /log 2(1+1000) 5 B = Ct /log 2(1+1000) 510107 = 50 MHz7 = 50 MHz2.3.22.3.2香農定理香農定理38/1062.4.12.4.1單工、半雙工和全雙工單工、半雙工和全雙工2.4.22.4.2并行傳輸和串

37、行傳輸并行傳輸和串行傳輸2.4.32.4.3同步傳輸和異步傳輸同步傳輸和異步傳輸2.4.42.4.4基帶傳輸和頻帶傳輸基帶傳輸和頻帶傳輸2.42.4數據傳輸方式數據傳輸方式39/106 指傳送的信息始終是一個方向傳送指傳送的信息始終是一個方向傳送, ,沒反沒反 方向的交互。其信道一般是二線制，一方向的交互。其信道一般是二線制，一 根用于傳輸數據根用于傳輸數據, ,另一根用于監測信號。另一根用于監測信號。 允許數據在兩個方向上傳輸允許數據在兩個方向上傳輸, ,但在某一時但在某一時 刻，只允許數據在一個方向上傳輸刻，只允許數據在一個方向上傳輸, ,它實它實 際上是一種切換方向的單工通信。際上是一種

38、切換方向的單工通信。 允許數據同時在兩個方向上傳輸允許數據同時在兩個方向上傳輸, ,它是兩它是兩 個單工通信方式的結合個單工通信方式的結合, ,它要求發送設備它要求發送設備 和接收設備都有獨立的接收和發送能力和接收設備都有獨立的接收和發送能力。單工數據傳輸單工數據傳輸半雙工數據傳輸半雙工數據傳輸全雙工數據傳輸全雙工數據傳輸 數據在通信線路上傳輸是有方向的，根據信號傳送的方向數據在通信線路上傳輸是有方向的，根據信號傳送的方向與時間關系，數據通信可分為三種基本工作方式：單工通信、與時間關系，數據通信可分為三種基本工作方式：單工通信、半雙工通信與全雙工通信。半雙工通信與全雙工通信。 2.4.12.4

39、.1單工、半雙工和全雙工單工、半雙工和全雙工40/106接接收收設設備備發發送送設設備備12345678校驗校驗數據位1數據線 并行傳輸是指數據以成組的方式在多個并行信道上傳并行傳輸是指數據以成組的方式在多個并行信道上傳輸。將表示一個字符的輸。將表示一個字符的8 8位二進制代碼同時通過位二進制代碼同時通過8 8條并行的通信條并行的通信信道發送出去，這種工作方式稱為并行通信。信道發送出去，這種工作方式稱為并行通信。并行傳輸示意圖并行傳輸示意圖2.4.22.4.2并行傳輸和串行傳輸并行傳輸和串行傳輸41/106 串行傳輸是指數據以串行方式，在一條信道上傳輸。在串行傳輸是指數據以串行方式，在一條信道

40、上傳輸。在計算機中，通常是用計算機中，通常是用8 8位的二進制代碼來表示一個字符。位的二進制代碼來表示一個字符。接接收收設設備備發發送送設設備備1234567812387645并行到串行的轉換串行到并行的轉換串行傳輸示意圖串行傳輸示意圖2.4.22.4.2并行傳輸和串行傳輸并行傳輸和串行傳輸42/106 在數據通信系統中，整個計算機通信系統能否正確有效地工在數據通信系統中，整個計算機通信系統能否正確有效地工作，在相當程度上依賴于是否能很好地實現同步。目前作，在相當程度上依賴于是否能很好地實現同步。目前, ,串行串行通信的傳輸按通信約定的格式分為兩種，即同步通信方式和異通信的傳輸按通信約定的格式

41、分為兩種，即同步通信方式和異步通信方式。步通信方式。 每個字符獨立傳輸，接受設備每收到一個字符的開始位后進行每個字符獨立傳輸，接受設備每收到一個字符的開始位后進行同步，每個字符前后都加上起始位和結束位。同步，每個字符前后都加上起始位和結束位。1 11 10 01 11 10 01 10 01 10 01 10 00 01 11 10 01 11 10 00 01 10 00 00 01 10 01 11 10 01 10 0 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 0 00 0數據傳輸方向停止位 數據位 起始位異步傳輸方式示意圖異步傳輸方式示意圖2.4.32.4.3同步傳輸和異步傳輸同步傳輸和

42、異步傳輸43/106。面向字符同步面向字符同步：為保證收發雙方正確傳輸字符為保證收發雙方正確傳輸字符, ,將字符以組為將字符以組為單位傳送，在每組字符之前加上一個用于同步控制的同步字單位傳送，在每組字符之前加上一個用于同步控制的同步字符符SYNSYN，數據結束后加上后同步數據結束后加上后同步ETXETX信號，接收端根據信號，接收端根據SYNSYN與后與后同步信號確定數據字符的起始與終止。同步信號確定數據字符的起始與終止。 2.4.32.4.3同步傳輸和異步傳輸同步傳輸和異步傳輸44/106字符同步傳輸方式示意圖字符同步傳輸方式示意圖1 10 01 11 10 01 10 01 10 01 11

43、 10 01 11 10 00 0. . . .1 11 11 11 10 01 10 01 11 10 01 11 10 01 10 00 00 01 11 11 11 11 11 10 00 01 11 11 11 11 11 10 0同步字節同步字節 數據幀數據幀 同步字節同步字節面向位流的同步傳輸：面向位流的同步傳輸：每個數據塊的頭部和尾部用一個特殊的比特序列（每個數據塊的頭部和尾部用一個特殊的比特序列（0111111001111110）來標記開始和結束。數據塊作為位流處理。為了避免出現標來標記開始和結束。數據塊作為位流處理。為了避免出現標記，采用位插入方法：每當出現連續的記，采用位插

44、入方法：每當出現連續的5 5個個1 1時，插入時，插入1 1個個0 0。接收時，檢測到連續接收時，檢測到連續5 5個個1 1，則要檢查下一位：若是，則要檢查下一位：若是0 0，則刪，則刪除；若是除；若是1 1，則傳輸結束。，則傳輸結束。局域網中都是局域網中都是面向位流的同步傳輸面向位流的同步傳輸方式。方式。2.4.32.4.3同步傳輸和異步傳輸同步傳輸和異步傳輸45/106 基帶傳輸是在線路上直接傳輸基帶信號或略加整形后基帶傳輸是在線路上直接傳輸基帶信號或略加整形后傳輸。直接傳輸傳輸。直接傳輸0/10/1信號?；鶐鬏攺V泛用于音頻電纜和同軸信號。基帶傳輸廣泛用于音頻電纜和同軸電纜等傳送數字電話

45、信號電纜等傳送數字電話信號, ,同時同時, ,在數據傳輸方面的應用也日益在數據傳輸方面的應用也日益擴大。擴大。2.4.42.4.4基帶傳輸和頻帶傳輸基帶傳輸和頻帶傳輸46/106 頻帶傳輸利用模擬信道傳輸二進制數據的方式。頻帶傳輸利用模擬信道傳輸二進制數據的方式。 它是一種利用調制器對傳輸信號進行頻率交換的傳輸方式，它是一種利用調制器對傳輸信號進行頻率交換的傳輸方式，信號調制的目的是為了更好地適應信號傳輸通道的頻率特性，信號調制的目的是為了更好地適應信號傳輸通道的頻率特性，傳輸信號經過調制處理也能克服基帶傳輸同頻帶過寬的缺點，傳輸信號經過調制處理也能克服基帶傳輸同頻帶過寬的缺點，提高線路的利用

46、率，一舉兩得。但是調制后的信號在接收端要提高線路的利用率，一舉兩得。但是調制后的信號在接收端要解調還原，所以傳輸的收發端需要專門的信號頻率變換設備，解調還原，所以傳輸的收發端需要專門的信號頻率變換設備，傳輸設備費用相應增加。遠距離通信信道多為模擬信道。傳輸設備費用相應增加。遠距離通信信道多為模擬信道。2.4.42.4.4基帶傳輸和頻帶傳輸基帶傳輸和頻帶傳輸47/106 頻帶傳輸就是先將基帶信號變換（調制）成便于在模頻帶傳輸就是先將基帶信號變換（調制）成便于在模擬信道中傳輸的、具有較高頻率范圍的模擬信號（稱為頻帶信擬信道中傳輸的、具有較高頻率范圍的模擬信號（稱為頻帶信號），再將這種頻帶信號在模擬

47、信道中傳輸。在采用頻帶傳輸號），再將這種頻帶信號在模擬信道中傳輸。在采用頻帶傳輸方式時要求收發兩端都安裝解制解調器（方式時要求收發兩端都安裝解制解調器（ModemModem）。利用頻帶）。利用頻帶傳輸不僅解決了數字信號可利用電話系統傳輸的問題，而且可傳輸不僅解決了數字信號可利用電話系統傳輸的問題，而且可以實現多路復用，以提高傳輸信道的利用率。以實現多路復用，以提高傳輸信道的利用率。 計算機網絡的遠距離通信時經常借助于電話系統計算機網絡的遠距離通信時經常借助于電話系統 通常通常采用的是頻帶傳輸。采用的是頻帶傳輸。2.4.42.4.4基帶傳輸和頻帶傳輸基帶傳輸和頻帶傳輸48/1062.52.5數據

48、調制與編碼數據調制與編碼 在計算機中的數據是用二進制在計算機中的數據是用二進制0 0、1 1比特序列表示的，在物比特序列表示的，在物理上是用理上是用低電平低電平和和高電平高電平來呈現的。由于在線路上傳輸的數據來呈現的。由于在線路上傳輸的數據有有模擬數據模擬數據和和數字數據數字數據，因而數據傳輸的通信信道有，因而數據傳輸的通信信道有模擬信道模擬信道與與數字信道數字信道之分。為了便于不同數據在不同的信道中傳輸（適之分。為了便于不同數據在不同的信道中傳輸（適應不同的傳輸特性應不同的傳輸特性),),在數據送入信道之前必須對其進行調制和在數據送入信道之前必須對其進行調制和編碼。在通信系統中編碼。在通信系

49、統中, ,數據的調制和編碼可分為以下基本形式：數據的調制和編碼可分為以下基本形式：數字數據的數字信號編碼數字數據的數字信號編碼12模擬數據的模擬信號編碼模擬數據的模擬信號編碼3模擬數據的數字信號編碼模擬數據的數字信號編碼49/1062.5.12.5.1數字數據的數字信號編碼數字數據的數字信號編碼 數字數據的數字編碼就是如何把數字數據用物理信號的數字數據的數字編碼就是如何把數字數據用物理信號的波形表示，是用高低電平的不同組合來表示二進制的方法。波形表示，是用高低電平的不同組合來表示二進制的方法。 常用的編碼方式主要有常用的編碼方式主要有3 3種種：不歸零編碼不歸零編碼、曼徹斯特編碼曼徹斯特編碼和

50、差分曼徹斯特編碼。和差分曼徹斯特編碼。 用信號的幅值來表示二進制數據。正電壓表示1，負電壓表示0.表示一個碼元時，無需回到0. 50/1060 1 1 0 1 0 0 1tO曼徹斯特編碼曼徹斯特編碼2.5.12.5.1數字數據的數字編碼數字數據的數字編碼 曼徹斯特編碼是目前應用最廣泛的編碼方法之一。其編碼曼徹斯特編碼是目前應用最廣泛的編碼方法之一。其編碼規則是：每個數據位的中間位置有一個跳變。用跳變相位來表規則是：每個數據位的中間位置有一個跳變。用跳變相位來表示數字示數字0 0和和1. 1. 好處：1.中間跳變作為時鐘信號，無需單獨傳送時鐘，內同步方式，自帶時鐘碼。2.跳變相位，易于分辨信號。

51、3.無直流分量51/106差分曼徹斯特編碼差分曼徹斯特編碼 0 1 1 0 1 0 0 1tO2.5.12.5.1數字數據的數字編碼數字數據的數字編碼 是對曼徹斯特編碼的改進是對曼徹斯特編碼的改進, ,它將時鐘和數據包含在信號中它將時鐘和數據包含在信號中, ,在傳輸代碼信息的同時將時鐘同步信號一起傳輸到對方。用每在傳輸代碼信息的同時將時鐘同步信號一起傳輸到對方。用每單位開始是否有跳變表示數字單位開始是否有跳變表示數字0 0或者或者1.1.52/1062.5.22.5.2數字數據的模擬信號編碼數字數據的模擬信號編碼數字數據的調制原理示意圖數字數據的調制原理示意圖 數字數據的調制基于調幅、調頻、調

52、相數字數據的調制基于調幅、調頻、調相3 3種調制技術，種調制技術，分別稱為振幅鍵控、移頻鍵控和移相鍵控。圖分別稱為振幅鍵控、移頻鍵控和移相鍵控。圖2-102-10顯示了對顯示了對數字數據數字數據“010010010010”進行不同調制方法的波形。進行不同調制方法的波形。53/106 是用載波信號頻率附近的兩個不同頻率表示數字信號是用載波信號頻率附近的兩個不同頻率表示數字信號1 1、0 0。振幅鍵控振幅鍵控ASKASK信號實現容易信號實現容易, ,技術簡單技術簡單, ,但抗干擾能力較差但抗干擾能力較差。2.5.22.5.2數字數據的模擬信號編碼數字數據的模擬信號編碼 是通過改變載波信號振幅來表示

53、數字信號是通過改變載波信號振幅來表示數字信號1 1、0 0。例如，我。例如，我們可以用載波幅度們可以用載波幅度UmUm表示數字表示數字1 1，用載波幅度，用載波幅度0 0表示數字表示數字0 0。54/106 由于移頻鍵控由于移頻鍵控FSKFSK信號實現容易，技術簡單，抗干擾能力信號實現容易，技術簡單，抗干擾能力較強，是目前最常用的調制方法之一。較強，是目前最常用的調制方法之一。 是通過改變載波信號的相位值來表示數字信號是通過改變載波信號的相位值來表示數字信號1 1、0 0。如果用。如果用相位的絕對值表示數字信號相位的絕對值表示數字信號1 1、0 0，則稱為絕對調相。如果用，則稱為絕對調相。如果

54、用相位的相對偏移值表示數字信號相位的相對偏移值表示數字信號1 1、0 0，則稱為相對調相。，則稱為相對調相。2.5.22.5.2數字數據的模擬信號編碼數字數據的模擬信號編碼55/106模擬信號模擬信號 PAMPAM信號信號 PAMPAM信號信號 數字信號數字信號PCMPCM脈沖編碼調制過程示意圖脈沖編碼調制過程示意圖采樣速采樣速率率8000t/8000t/s s指定數指定數值給對值給對應的應的PAMPAM信號信號將量化將量化值進行值進行編碼編碼2.5.32.5.3模擬數據的數字信號編碼模擬數據的數字信號編碼 模擬數據的數字編碼是把模擬數據轉換為數字信號的編碼模擬數據的數字編碼是把模擬數據轉換為

55、數字信號的編碼方法方法。由于。由于數字信號傳輸失真小數字信號傳輸失真小、誤碼率低誤碼率低、傳輸速率高傳輸速率高、便于便于計算機存儲，所以將模擬數據數字化已成為必然趨勢。計算機存儲，所以將模擬數據數字化已成為必然趨勢。 模擬數據數字編碼的最常用方法是脈沖編碼調制（模擬數據數字編碼的最常用方法是脈沖編碼調制（Pulse Pulse Code ModulationCode Modulation，PCM),PCMPCM),PCM的工作過程包括的工作過程包括3 3個步驟：采樣、個步驟：采樣、量化與編碼，其相應的波形信號如圖量化與編碼，其相應的波形信號如圖2-132-13所示。所示。 56/1062.2.

56、42.2.4模擬數據的數字編碼模擬數據的數字編碼 采樣是模擬信號數字化的第一步。模擬信號是電平連續采樣是模擬信號數字化的第一步。模擬信號是電平連續變化的信號變化的信號, ,采樣是隔一定的時間間隔采樣是隔一定的時間間隔, ,將模擬信號的電平幅將模擬信號的電平幅度值取出來作為樣本度值取出來作為樣本, ,讓其表示原來的信號讓其表示原來的信號。采樣頻率采樣頻率f f應為應為：f2Bf2B 或或 f fl lT2T2f f 式中：式中：B B為通信信道帶寬；為通信信道帶寬；T T為采樣周期；為采樣周期；f f為信道允許通為信道允許通過的信號最高頻率。過的信號最高頻率。 量化是將采樣樣本幅度按量化級決定取

57、值的過程，經量量化是將采樣樣本幅度按量化級決定取值的過程，經量化后的樣本幅度為離散的量化級值已不是連續值。量化的目化后的樣本幅度為離散的量化級值已不是連續值。量化的目的是為每一個的是為每一個PAMPAM信號設定一個信號值。信號設定一個信號值。57/1062.2.42.2.4模擬數據的數字編碼模擬數據的數字編碼 量化之前要將信號分為若干量化級量化之前要將信號分為若干量化級, ,同時同時, ,要規定好每一要規定好每一級對應的幅度范圍。若量化范圍在級對應的幅度范圍。若量化范圍在0 0127,127,則每個采樣用則每個采樣用7 7位位二進制二進制(2(27 7128)128)來表示來表示, ,量化速率

58、需要量化速率需要5600056000bps(8000bps(80007)7)；若量化的范圍在若量化的范圍在0 0255,255,則每個采樣用則每個采樣用8 8位二進制（位二進制（2 28 8256256）來表示，量化速率需要來表示，量化速率需要6400064000bpsbps（800080008 8）。）。 編碼是用相應位數的二進制代碼表示量化后的采樣樣本編碼是用相應位數的二進制代碼表示量化后的采樣樣本的量級。為了能精確地還原成原來的模擬信號，量化值編碼的量級。為了能精確地還原成原來的模擬信號，量化值編碼在傳送數字至數模轉換器時，其速率必須和采樣時一樣。經在傳送數字至數模轉換器時，其速率必須和

59、采樣時一樣。經過轉換后，信號才會和原來模擬信號波形接近。過轉換后，信號才會和原來模擬信號波形接近。聲音的帶寬為聲音的帶寬為40004000HzHz，采用頻率為采用頻率為80008000次次/ /s s，用用8 8位二進制編位二進制編碼，則信道的數據傳輸速率為：碼，則信道的數據傳輸速率為： 8 8800080006400064000bpsbps64kbps64kbps。 58/106多多路路復復用用器器多多路路復復用用器器一一條條傳傳輸輸線線路路傳傳輸輸多多路路信信號號計計算算機機計計算算機機多路復用基本原理多路復用基本原理示意圖示意圖 提高通信線路傳輸信息的效率，將一條物理線路分割成多提高通信

60、線路傳輸信息的效率，將一條物理線路分割成多條邏輯信道，每條邏輯線路傳輸一路數據信息，互不干擾，提條邏輯信道，每條邏輯線路傳輸一路數據信息，互不干擾，提高物理信道利用率和吞吐量的技術。高物理信道利用率和吞吐量的技術。 2.62.6信道復用技術信道復用技術59/1062.6.12.6.1頻分多路復用頻分多路復用2.6.22.6.2時分多路復用時分多路復用2.6.32.6.3波分多路復用波分多路復用2.6.42.6.4碼分多路復用碼分多路復用2.62.6信道復用技術信道復用技術60/106頻分多路復用原理示意圖頻分多路復用原理示意圖信道（1）f1信道（2）f2信道（3）f3信道（4）f4信道（5）f