計算機網絡

;沈陽理工大學

信息科學與工程學院

課件制作人：沈紅

2物理層

2?1物理層的基本概念

是為在物理媒體上傳輸原始數據的比特流而設立的。盡可能屏

蔽傳輸媒體的差異，透明傳送和接收位流

2.1.1物理層功能

物理層的主要任務描述為確定與傳輸媒體的接口的一些特性，即:

機械特性指明接口所用接線器的形狀和尺寸、引線數目和排

列、固定和鎖定裝置等等。

電氣特性指明在接口電纜的各條線上出現的電壓的范圍。

功能特性指明某條線上出現的某一電平的電壓表示何種意

義。

過程特性指明對于不同功能的各種可能事件的出現順序。

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2.2數據通信基本概念

數據終端設備DTE與數據通信設備DCE連接

小意圖

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2.2.1基本概念

-信息:是人對現實世界事物存在方式或運動狀態

的某種認識。

-數據:是一種承載信息的實體。數據可分為模擬

數據和數字數據兩種形式。

信號:是消息或者說是信息的攜帶者，即數據的

電氣的或電磁的表現。是數據的具體表現形式。

信號可分為模擬信號和數字信號兩種形式。

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2信號分類

信號根據載體的不同，可以是電、磁、聲、光、熱等

的各種信號。

模擬信號數字信號

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3、模擬傳輸與數字傳輸

（1）模擬傳輸

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（2）數字傳輸

受噪聲影響的數字信號被轉發后波形圖

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4基帶與寬帶

-.基帶傳輸：二進制數字序列最方便的電信號

形式是數字脈沖信號。把數字脈沖信號的固有頻

帶稱為基帶。數字脈沖信號稱為基帶信號。在數

字通信信道上，直接傳輸基帶信號，稱為基帶傳

輸（編碼）。

.頻帶傳輸：為了利用電話交換網實現計算機

之間的數字信號傳輸，必須將數字信號轉換成模

擬信號。

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■寬帶傳輸

所謂寬帶，就是指比音頻帶寬還要寬，簡單地

說就是包括了大部分電磁波頻譜的頻帶。

a.寬帶系統能同時接入幾個信道,因而能夠比

基帶系統傳輸更多的數據。寬帶傳輸能將有線電

視帶入家庭。有線電視能夠傳輸的數據量至少是

一個典型基帶系統（如Ethernet）傳輸數據量

的2.5倍。

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b.在寬帶系統中，信號僅僅只能進行單向傳

輸。因此，寬帶電纜必須為數據的發送和接收提

供獨立的電纜。由于大部分有線電視電纜只提供

一條電線，若不做任何修改，它將不能用于把數

據從屋中向外傳輸。

C.由于使用一些額外的硬件，寬帶傳輸通常比

基帶傳輸昂貴得多。

d.另一方面，寬帶系統能夠比基帶系統跨越更

長的距離。

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Nota在網絡領域,一些術語根據上下文常有

多種意思。寬帶即是這樣的術語。這里描述的寬帶

是指通過多個信道在同軸電纜上傳輸信號的傳輸系

"例如有線電視所使用的系統。這種定義是寬帶‘

的原始意義。'

在高速數字網絡中也用到了“寬帶”，這時“寬帶”

是

指使用數字信號并且有非常高的傳輸速率的網絡，：

例如異步傳輸模式（ATM）網絡。

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速率

比特(bit)是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。

Bit來源于binarydigit,意思是一個“二

進制數字”，因此一個比特就是二進制數

字中的一個1或0。

速率即數據率(datarate)或比特率(bit

rate)是計算機網絡中最重要的一個性能指

標。速率的單位是b/s,或kb/s,Mb/s,

Gb/s等

速率往往是指額定速率或標稱速率O

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2?2數據通信基本概念

2.2.2信道特性

1信道帶寬

信道的帶寬是指信道頻率響應曲線上幅度是其頻帶中心處

幅度值的1/J2倍的兩個頻率之間的寬度。

如圖所示，帶寬其中fl是信道能通過的信號的最低

頻率，f2是信道能通過的信號的最高頻率

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例如，在傳統的通信線路上傳送的電話信號的標準帶寬是

3.1kHz，話音的主要頻率范圍從300Hz到3.4kHz。帶寬

的單位是赫（或千赫、兆赫等）

數字信道是一種離散信道，它只能傳送取離散值的數字信

號。信道的帶寬決定了信道中能不失真地傳輸的數字脈沖序

列的最高速率。

數字信道傳送數字信號的速率稱為數據率或比特率。網絡

或通信鏈路上的帶寬單位可記為bit/s（更常用的帶寬單位是

千比特/每秒，即kbit/s、Mbit/s、Gbit/s、Tbit/s）。也

稱為吞吐量（Thoughput）

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數字信號流隨時間的變化

在時間軸上信號的寬度隨帶寬的增大而變窄。

1|LlS

+H-rnJp%時間

rf?范為

1Mb/s

-------------每秒[()6個比特------------------]

0.25|is

■+H-ri!p4

rf?范為"時間

4Mb/s

------------每秒4X1()6個比特----------------?

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2傳輸速率

傳輸速率是指單位時間內傳輸信息單元的數量。它是衡量

數據通信系統傳輸能力的重要指標，有兩種表示方法，即數

據信號速率和碼元速率。

1)數據信號速率

指單位時向內所傳送的二進制代碼的有效位數，以每秒多

少比特數計，單位為bit/秒，記作b/s。

計算公式為

S=l/Tlog2N

式中T：一個數字脈沖信號的時間寬度，單位為秒

(s)；

N：一個碼元所取的離散值個數。通常，N=2，K為二進

制信息的位數，K=log2N,

N=2時，S=l/T表示數據信號速率等于碼元脈沖的重復

頻率。

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2）碼元速率（調制速率）

信號調制過程中，把一個數字脈沖稱為一個碼元，并用碼

元速率表示單位時間內信號波形的變換次數，即單位時間內

通過信道傳輸的碼元個數。單位為波特，記作Baud。

計算公式為

B=l/T（Baud）

式中T信號碼元的寬度，單位為s。,

碼元速率也稱信號傳輸速率、調制速率、波特率或傳碼率。

例：采用四相調制方式，即N=4,>T=833X10'6s,貝I」

6

S=l/Tlog2N=l/833x10log24=2400b/s

B=1/T=1/833X10-6=IZOOBaud

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3)數據信號速率與調制速率的關系

■數據信號速率S與調制速率B有如下關系：

S=Blog2N(b/s)

或B=S/log2N(Baud)

?其中N為一個脈沖信號所表示的有效狀態。在二進制

中，脈沖只有兩種狀態。或1,即N=2,也就是說，數據信號

速率S與調制速率B是一致的。當采用不同的調制方式時，N

的取值是不同的，這時即使調制速率相同，得到的數據信號

速率也是不同的，

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3、信道極限

信道極限表示一個信道的最大數據傳輸速率，單位：位/

秒(b/s),也就是信道傳輸信息的最大能力。

(1)理想的信道極限

奈奎斯特(Nyquist)無噪聲下的碼元速率極限值B與信

道帶寬H的關系為：

B=2XH(Baud)

奈奎斯特公式一無噪信道傳輸速率極限值公式如下：

C=2Hlog2V(bps)

式中H：信道的帶寬，即信道傳輸上、下限頻率的差

值，單位為赫(Hz)；

V：一個碼元所取的離散值個數(電平分級)；

例:普通電話線路帶寬約3kHz,則碼元數率極限值

B=2XH=2x3k=6k(Baud),若碼元的離散個數

V=16,則最大數據傳輸數C=2X3kXlog216=24k(b/s)

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(2)帶噪聲的信道極限

一主要結論是：對于任何帶寬為H、信噪比為S/用的信道:

(香農公式)帶噪信道傳輸速率極限值公式如下：

C=Hlog2(1+S/N)(bps)

式中H：信道的帶寬,單位為Hz；

■S：信號功率；

N：噪聲功率；

S/N:信噪比，通常把信噪比表示成10lg(S/N)

分貝(dB)o

香農公示表明：.

「①信道的帶寬越大或信道中的信噪比越大，則信息

的極限傳輸率就最高。

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②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

找到某種辦法來實現無差錯的傳輸。

③若信道帶寬H或信噪比SZN沒有上限(當然實際信道不可

能是這樣的)，則信道的極限信息傳輸速率C也就沒有上限。

④實際信道上能夠達到的信息傳輸速率要比香農的極限傳輸速率

低不少。

⑤對于頻帶寬度已確定的信道，如果信噪比不能再提高了，并且

碼元傳輸速率也達到了上限值，那么還有辦法提高信息的傳輸速

率。這就是用編碼的方法讓每一個碼元攜帶更多比特的信息量。

例2?3已知信噪比為30dB,帶寬為3KHz,求信道的最大數據

傳輸速率。

10lg(S/N)=30

???S/N=1030/10?1000

??

?C=3000xlog2(l+1000)?30k(b/s)

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4、誤碼率

表示傳輸二進制位時出現差錯的概率。

M（出錯的位數）

「N（傳送的總位數）

5、信道延遲

信號從源端到達宿端所需要的時間。

時延通常由四部分組成:

發送時延。發送時延是結點在發送數據時使數據塊從結點進

入到傳輸媒體所需要的時間，也就是從數據塊的第一個比特開始發

送算起，到最后一個比特發送完畢所需的時間。發送時延又稱為傳

輸時延，它的計算公式：

發送時延=數據塊長度（比特）-

信道帶寬（比特/秒）

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傳播時延電磁波在信道中需要傳播一定的距離而花費

的時間。這個時間與源端和宿端的距離有關，也與具體信

道中的信號傳播速度有關。

信號傳輸速率（即發送速率）和信號在信道上的傳播速率

是完全不同的概念。

傳播時延=信號在信器罌番霹（米/秒）

處理時延交換結點為存儲轉發而進行一些必要的處理

所花費的時間。

排隊時延結點緩存隊列中分組排隊所經歷的時延。

排隊時延的長短往往取決于網絡中當時的通信量。

數據經歷的總時延就是發送時延、傳播時延、處理時延和

排”時桿^和-

總時延=發送時延+傳播時延+處理時延+排隊時延

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四種時延所產生的地方

從結點A向結點B發送數據

在結點A中產生

處理時延和排隊時延

在鏈路上產生

在發送器產生傳輸時延傳播時延

（即發送時延）

數據

隊列鏈路

結點A發送器結點B

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容易產生的錯誤概念

對于高速網絡鏈路，我們提高的僅僅是數據?

的發送速率而不是比特在鏈路上的傳播速率。

提高鏈路帶寬減小了數據的發送時延。

電磁波在自由空間的傳播速率是3.0xi05km/s，

在銅線電纜中的傳播速率是Z3xl05km/s,

在光纖中的傳播速率是2.0x：L05km/so

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6、時延帶寬積與往返時延

■鏈路的時延帶寬積又稱為以比特為單位

的鏈路長度。

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往返時延RTT（Round-TripTime）是一個重要的性能指標，它

可以表示從發送端發送數據開始，到發送端收到來自接收端的確

認（接收端收到數據后便立即發送確認）,總共經歷的時延。

往返時延帶寬積的意義：就是當發送端連續發送數據時,在收到

對方的確認之前，就已經將這樣多的比特發送到鏈路上了。

（傳播）時延

-H4-j

市/.

鏈路

寬\

時延帶寬積=傳播時延x帶寬

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2?2數據通信基本概念

2.2.3數據通信系統

工通信系統模型

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數據通信系統

輸入數字比特流模擬信號模擬信號數字比特流顯示

漢字

公用電話網———

PC機調制解調器調制解調器PC機

源系統傳輸系統目的系統

傳輸

點

送

終

發

足T

口

系

統4

輸

源點攵

輸

發

工

輸

輸

士

入

號

入

削

白

出

出

白_1_

百=

口

數

信

信

數

據

息

息

據

(1)、模擬通信系統

(2)、數字通信系統

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數字信號通過實際的信道

有失真，但可識別

實際的信道

（帶寬受限、有噪聲、干擾和失真）

發送信號波形*接收信號波形

失真大，無法識別

I_II_I實際的信道

IIII（帶寬受限、有噪聲、干擾和失真）

發送信號波形?>

接收信號波形

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數字通信系統相對模擬通信系統具有以下特點：

①抗干擾能力強、無噪聲積累。

②便于加密處理。

③便于存儲、處理和交換。

④設備便于集成化、微型化。?

⑤便于構成綜合數字網和綜合業務數字網。/

⑥數字通信占用信道頻帶較寬，信道利用率低。

2、數據通信方式

數據通信可以分為下列三種方式：單工(Simplex)、半

雙工(Half-duplex)和全雙工(Full-duplex),

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工)■單工操作模式

在單工操作模式中，發送器和接收器之間只有一個單

向的傳輸信道，數據傳輸是單向的，只能從發送器傳送到

接收器。

2).半雙工操作模式

在半雙工操作模式中，傳輸信道是雙向的，并且每個

設備同時具有發送器和接收器功能，它們之間可以分時輪

流進行雙向數據傳輸，但在某一時刻只能沿一個方向傳輸

數據。

3)?全雙工操作模式

在全雙工操作模式中，傳輸信道是雙向的，并且每個

通信設備同時具有發送器和接收器功能，它們之間可以同

時進行雙向數據傳輸。

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通信操作模式

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3、數據同步方式

數據通信過程中收、發雙方必須在時間上保持同步，一方面碼元

之間要保持同步,另一方面由碼元組成的字符或數據塊之間在起止

時間上也要保持同步。實現字符或數據塊之間在起止時間上同步的

常用方法有異步傳輸和同步傳輸兩種。

1）異步傳輸

其原理是：每個字符都獨立傳輸，接收設備每收到一個字符的開

始位后進行同步。

異步傳輸方式中,一次只傳輸一個字符（由7~8位數據組成）。每

個字符用一位起始位引導、一位停止位結束。起始位為“0”,占一

位

時間；停止位為“1”，占1~2位的持續時間。在沒有數據發送時，

愛

送方可發送連續的停止位（稱空閑位）。接收方根據“1”至“0”的跳

變

來判別一個新字符的開始,然后接收字符中的所有位。這種通信方

式聞編第宜推每個字符有2~3位的額外開銷。

異步傳輸

10110010

I位起始位H-------------------8位數據-------------------------->1結束位

特點：

在異步傳輸方式中由于不需要發送和接收設備之間另外傳輸定時

信號，因而實現起來比較簡單。其缺點是：

■(1)一方面，由于每個字符都要加上起始位和結束位，因而傳

輸開銷較大；

(2)另一方面，由于發收雙方時鐘的差異(異步)使得傳輸速

率不宜過高，因而傳輸效率低，常用于低速數據傳輸中。

2)同步傳輸

其的原理是：其信息格式是一組字符或一個二進制組成

的數據塊。對這些數據，不需要附加起始位和停止位，而

是在一組字符或數據塊之前先發送一個同步字符SYN或一

個同步字節，用于接收方進行同步檢測，從而使收發雙方

進入同步狀態。在同步字節或字符之后，可以連續發送多

個字符或數據塊，發送數據完畢后，再使用同步字符或字

節來標識整個發送過程的結束。即：為使接收方能判定

數據塊的開始和結束，在每個數據塊的開始處和結束處各

加一個幀頭和一個幀尾，加有幀頭、幀尾的數據稱為幀

(Frame)。

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同步傳輸

傳送的1幀數據

幀起始?幀終止

空白字符節字?空白字符

同步字符—:字1..字符

幀內容

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但是，在同步通信中，要求收發雙方之間的

時鐘嚴格同步，而使用同步字符或同步字節，

只能用于同步接收數據幀，只有保證接收端接

收的每一個比特都與發送端保持一致，接收方

才能正確的接收數據，這就要使用位同步方

法。

1）使用專用信道發送同步時鐘保持雙方的同步

2）編碼的方法（效率高，使用普遍）

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2.3數據的調制與編碼

4種編碼方式，即模擬信號傳輸模擬數據，數字信號

傳輸模擬數據，模擬信號傳輸數字數據和數字信號傳輸

數字信號。

模擬數據，模擬信號模擬數據，數字信號

話聲電話模擬模擬CODEC數字

數字數據，模擬信號數字數據，數字信號

數字模擬數字數字

Modem數字傳輸

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2.3.1數字數據的模擬信號編碼

有三種基本調制方式，是通過采用三種模擬信號的載

波特性(振幅、頻率和相位)之一來表示被調制的數字數據

(1)幅移鍵控(ASK)法

ASKfAmplitudeShiftKeying)是使用載波頻率的

兩個不同振幅來表示兩個二進制值。即載波的振幅隨基帶

數字信號而變化。

特點：ASK方式的編碼效率較低，抗干擾性較差，在音

頻電話線路上一般只能達到

1200b/s的傳輸速率。

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(2)頻移鍵控(FSK)法

FSKfFrequencyShiftKeying)是使用載波頻率附近的兩個

不同頻率來表示兩個二進制值。即載波的頻率隨基帶數字信號而變

化。

特點：FSK比ASK的編碼效率高,不易受干擾的影響，抗干擾性

較強，在音頻電話線路上的傳輸速率可以大于1200b/s。

(3)相移鍵控(PSK)法

PSK(PhaseShiftKeying)是使用載波信號的相位偏移來表

示二進制數據，即載波的初始相位隨基帶數字信號而變化。在PSK

方式中，信號相位與前面信號序列同相位的信號表示0,信號相位

與前面信號序列反相位的信號表示1。

特點：PSK方式具有很強的抗干擾能力，其編碼效率比FSK還要

高。在音頻線路上，傳輸速率可達9600b/s。

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對基帶數字信號的幾種調制方法

基帶信號010011100

調幅

調頻

調相WVWWWWVWA/

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多相調制

PSK方式也可以用于多相的調制，例如在四相

調制中可把每個信號序列編碼為兩位。

多級調制方法

4-PSK

數據率=nx信號速率

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正交振幅調制QAM

(QuadratureAmplitudeModulation)

舉例

□可供選擇的相位有12種，

而對于每一種相位有1或

2種振幅可供選擇。

口由于4bit編碼共有16種不同的

組合，因此這16個點中的每個

點可對應于一種4bit的編碼。

□若每一個碼元可表示的比特數越多，則在接收端進行

解調時要正確識別每一種狀態就越困難。

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2.3.2數字數據的數字信號編碼

常用的數字信號編碼有不歸零NRZ(NonReturnto

Zero)碼、差分不歸零DNRZ(DifferentialNon

ReturntoZero)碼、曼徹斯特(Manchester)碼及差分

曼徹斯特(DifferentialManchester)碼等。

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(1)NRZ碼(不歸零編碼)

NRZ碼是用信號的幅度來表示二進制數據的，通

常用正電壓表示數據“工”，用負電壓表示數據“0”，并

且

在表示一個碼元時，電壓均無需回到零，故稱不歸零

碼。NRZ碼的特點是一種全寬碼，即一位碼元占一個單

位脈沖的寬度。不能保持同步，要采用其它方法。

(2)DNRZ碼(差分不歸零編碼)

DNRZ碼是一種NRZ碼的改進形式，它是用信號

的相位變化來表示二進制數據的，一個信號位的起始處

有跳變表示數據“工”，無跳變表示數據“0”。

(3)曼徹斯特碼

在曼徹斯特碼中，用一個信號碼元中間電壓跳變的

相位不同來區分數據“工”和“0”，它用從低到高電壓跳

變

表帝金就飛紅用從高到低電壓跳變表示10Mb/s

(4)差分曼徹斯特碼

差分曼徹斯特碼是一種曼徹斯特碼的改進形

式，其差別在于：每個碼元的中間跳變只作為同

步時鐘信號，而數據“0”和“11”的取值是用信號

位

的起始處有無跳變來表示的：若有跳變則為“0”；

若無跳變則為“工”。令牌環(Token-Ring)網采用

這種差分曼徹斯特編碼。特點是每一位均用不同

電平的兩個半位來表示，因而始終能保持直流的

平衡。

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數字信號編碼:

1000100111:

(a)雙極性不歸零碼

(b)曼徹斯特碼1J1J1丁

—

(C)差分曼徹斯特碼U11J1丁1

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2.3.3模擬數據的數字信號編碼

常用的編碼技術是脈沖編碼調制PCM（PulseCode

Modulation）技術。

PCM原理如圖所示：在信號源端,模擬信號t）

經過反混疊濾波器和采樣器處理后變換成脈沖調幅信號

然后送入量化器進行均勻分層量化為八力），再經

過編碼器將量化后的脈沖信號表示成一組二進制碼

cm并輸出。在接收端，PCM解碼器將接收信號61（刀）

解碼成n（刀），經過逆量化器和平滑濾波器就可建立重

建信號用（力，-&）和乃（1）之差就是量化誤差。

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0110011(10III110(WOID101

量化

編碼

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2.4數據傳輸媒體

所謂的傳輸介質就是信號傳輸時借助的物質,

分為兩類：有線介質和無線介質

2.4.1有線介質.——

包括：雙絞線、同軸電纜和光纖-

1、雙絞線

分為屏蔽雙絞線和無屏蔽雙絞線

適用于短距離傳輸

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無屏蔽雙絞線電纜(UnshieldedTwistedPair,UTP)由

不同顏色的(藍/橙/綠/棕)4對雙絞線組成

屏蔽雙絞線(ShieldedTwistedPair,STP)電纜的外層由鋁箔包裹

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特點：傳輸速率快、價格便宜，安裝容易，適用于結

構化綜合布線，使用廣泛。適合模擬和數字傳輸。

2、同軸電纜

主要應用于有線電視網、電視天線饋線和局域網。同

軸電纜的基本結構為：軸心為一根銅制導線，軸心被均勻

的絕緣層包裹，在絕緣層外邊包裹著外導體（通常為網

狀），最外邊為塑料護套。

標注方式有兩種：

以其特性阻抗分類可分為50Q、75Q；

按直徑分類可分為粗纜和細纜等。

50c電纜用于傳輸數字信號，75C電纜用于傳輸電

視信號

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基帶

一條電纜只用于一個信道，50。，用于數字傳輸電

寬帶

一條電纜同時傳輸不同頻率的幾路模擬信號，75

用于模擬傳輸，300—450MHz,100km,需要放大器

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各種電纜

無屏蔽雙絞線UTP屏蔽雙絞線STP

聚氯乙烯絕緣層銅線聚氯乙烯屏蔽層以公=銅線

套層套層絕緣層

同軸電纜

絕緣保護套層外導體屏蔽層絕緣層

導體

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3光纖

光纖的分類：按傳輸光波模式的分類方法

(1)單模光纖：

纖維直徑很小傳輸頻帶很寬，傳輸容量大。輸

入設備復雜。因此只適合于大容量、長距離傳

輸。

(2)多模光纖：

同波長的光可以有多種模式在光纖中傳輸。傳輸

的模式比較多，容易發生色散，所以這種光纖的

傳輸頻帶較窄，傳輸容量??；設備簡單，使用廣

泛。

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光線在光纖中的折射

包層折射角包層

纖（低折射率的媒體）

-纖芯

一（高折射率的媒體）

入射

包層

u扇f射率的媒體）

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光纖的工作原理

低折射率高折射率

（包層）（纖芯）

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多模光纖與單模光纖

課件制作人：沈紅

單模光纖(single-modefiber)

■使用激光源

■中繼距離100公里

■內芯直徑與光源波長相近’’

直徑為4?10/zm

多模光纖(multi-modefiber)

■使用普通發光二極管作為光源

■中繼距離2公里

:■多種模式，易發生色散

,■內芯直徑稍大」

直徑為62?5〃m

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單模光纖與多模光纖的比較

課件制作人：沈紅

光纖的特點

優點

■高帶寬、高數據傳輸率

■安全、可靠

■抗腐蝕、抗干擾性能好

■衰減小

■體積小，重量輕

缺點.

■單向傳輸

■光纖接口價格昂貴

■工藝復雜、安裝技術復雜

課件制作人：沈紅

2.4.2無線介質

信號通過空間傳播，我們稱之為無線介質。無線介質

包括微波、激光、紅外和短波

1＞微波

微波系統可分為地面微波系統和衛星微波系統。

地面微波系統由視野范圍內的兩個互相對準方向的拋

物面天線組成，長距離通信則需要多個中繼站組成微波中

繼鏈路。

通信衛星可看作是懸在太空中的微波中繼站。衛星

上的轉發器把它的波束對準地球上的一定區域，在此區域

中的衛星地面站之間就可互相通信。

課件制作人：沈紅

微波

對于頻率在100MHz以上的無線電波，其能量將集中

于一點并沿直線傳播，這就是微波。

■.微波通信是利用無線電波在對流層的視距范圍內進行

信息傳輸的一種通信方式，它使用的頻率范圍一般在

300MHz至200GHz左右。主要使用：2至40GHz。

由于微波只能沿直線傳播，所以微波的發射天線和接收

天線必須精確對準，而且每隔一段距離就需要一個中繼

站。

中繼站之間的距離與微波塔的高度成正比例。對于

100m高的微波塔，中繼站之間的距離可以達到

80kBi傳人：沈紅

它具有帶寬高，容量大的特點。由于使用了高

頻率，因此可使用小型天線，便于安裝和移動。

,微波信號容易受到電磁干擾，地面微波通信會

造成相互之間的干擾，大氣層中的雨雪也會大量

吸收微波信號，當長距離傳輸時會使得信號衰減

以至無法接收；

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衛星通信

方法：是在地球站之間利用位于約3萬6千公里高空

的人造同步地球衛星作為中繼器的一種微波接力通信。

特點：是通信距離遠,且通信費用與通信距離無

關。頻帶很寬，通信容量很大,信號所受到的干擾也較小,

通信比較穩定。具有較大的傳播時延。

同步衛星發射出的電磁波能輻射到地球上的通信覆

蓋區的跨度達1萬8千多公里。只要在地球赤道上空的同

步軌道上,等距離地放置3顆相隔120度的衛星，就能基

本上實現全球的通信。

從一個地球站經衛星到另一地球站的傳播時延在

250-300ms之間。一般可取為270ms。

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衛星

使用微波

使用轉發器接收和轉發

c波段4/6GHz

上行5.925-6.425GHz

下行口.7?4.2GHz

KU波段12/14GHz

上行14.14.5GHz

下行1L7-12.2GHz

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2、激光

在空間傳播的激光束可以調制成光脈沖以傳輸數據，和地面微

波一樣，可以在視距范圍內安裝兩個彼此相對的激光發射器和接收

器進行通信。

由于激光的頻率比微波更高，因而可獲得更高的帶寬。

激光傳輸

課件制作人：沈紅

特點：

頻率比微波更高，因而可獲得更高的帶寬。

激光束的方向性比微波束更好，不受電磁干擾

的影響，保密性好。

激光穿越大氣時會衰減，易受天氣的干擾。

只能在短距離通信中使用。

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3紅外線

紅外傳輸系統（圖2-24）可利用墻壁或屋頂反射紅

外線從而形成整個房間內的廣播通信系統，這種系統

所用的紅外光發射器和接收器與光纖通信中使用的類

似，也常見于電視機的遙控裝置中。

紅外傳輸

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4、無線電短波

無線電短波通信早已用在計算機網絡中了，已經

建成的無線通信局域網使用了甚高頻VHF(30MHz?300

MHz)和超高頻(300MHz-3000MHz)的電視廣播頻段,

這個頻段的電磁波是以直線方式在視距范圍內傳播的,

所以用作局部地區的通信是很適宜的。

短波通信設備比較便宜，便于移動，沒有像

地面微波站那樣的方向性，加上中繼站可以傳

送很遠的距離。

短波通信也容易受到電磁干擾和地形地貌的

影響，而且帶寬比微波通信要小。

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2.5多路復用技術

多路復用技術

原因口在數據通信系統或計算機網絡系統中，傳輸

媒體的帶寬或容量往往超過傳輸單一信號的需求。

目的：為了有效地利用通信線路，希望一個信道同

時傳輸多路信號,這就是所謂的多路復用技術

(Multiplexing)o采用多路復用技術能把多個信號組合

起來在一條物理信道上進行傳輸，在遠距離傳輸時可大大

節省電纜的安裝和維護費用。

課件制作人：沈紅

多路復用技術是把多個低速信道組合成一個高速信道

的技術(見圖2-25),這種技術要用到兩種設備：多路復用

器(Multiplexer)和多路分配器(Demultiplexer)。多路

復用器和多路分配器統稱多路器，簡寫為MUX。

多路復用

多路復用技術包括4類，共5種，分別為：頻分復用、

同步時分復用、異步時分復用，波分多路復用，碼分多路

復用件制作人：沈紅

復用(multiplexing)是通信技術中的基本概念。

信道

信道

BiB2

信道

C

(a)不使用復用技術(b)使用復用技術

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頻分復用FDM

(FrequencyDivisionMultiplexing)

是在一條傳輸介質上使用多個頻率不同的模

擬載波信號進行多路傳輸，這些載波可以進行任

何方式的調制：ASK、FSK、PSK以及它們的組合。

每一個載波信號形成了一個子信道，各個子信道

的中心頻率不相重合，子信道之間留有一定寬度

的隔離頻帶。

課件制作人：沈紅

特點：

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據的發送

速率）。

頻率

I頻率5|

頻率4

頻率3

頻率2

頻率1

時間

課件制作人：沈紅

時分復用TDM

(TimeDivisionMultiplexing)

"時分復用則是將時間劃分為一段段等長的時分

復用幀(TDM幀)。每一個時分復用的用戶

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(其

周期就是TDM幀的長度)。;

TDM信號也稱為等時(isochronous)信號。

時分復用的所有用戶是在不同的時間占用回掛

的頻帶寬度。

課件制作人：沈紅

時分多路技術可以用在寬帶系統中，也可以用在頻分

多路下的某個子通道上。時分多路復用按照子通道動

態利用情況又可再分為同步時分和統計時分兩種

1、同步時分復用

頻率

課件制作人：沈紅

時分復用

頻率

課件制作人：沈紅

時分復用

課件制作人：沈紅

時分復用

頻率

課件制作人：沈紅

時分復用可能會造成

線路資源的浪費

使用時分復用系統傳送計算機數據時,

由于計算機數據的突發性質，用戶對

分配到的子信道的利用率一般是不高的。

用戶

時分復用

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統計時分復用STDM

(StatisticTDM)(AsynchronousTDM)

用戶

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2.4.2波分復用WDM

(WavelengthDivisionMultiplexing)

波分復用就是光的頻分復用。

光調制器8x2.5Gb/s光解調器

1310nm

0..1550nm1550nm0

1551nmT

2^^1552mri1552nm

分

3------1553nm1553nm

用

4^_^!554nm器1554nm

5?------^1555nm1555nm

6-----1556nm120km1556nm

7^=Z1557nm1557nm

課件制作人：沈紅

波分復用的技術特點與優勢：

可靈活增加光纖傳輸容量（利用低損耗波

■段）,

同時傳輸多路信號（非同步信號）

■成本低、維護方便

可靠性高，應用廣泛

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2.4.3碼分復用CDM

(CodeDivisionMultiplexing)

常用的名詞是碼分多址CDMA

(CodeDivisionMultipleAccess)。

各用戶使用經過特殊挑選的不同碼型，因此彼

此不會造成干擾。

■這種系統發送的信號有很強的抗干擾能力，其

頻譜類似于白噪聲，不易被敵人發現。.

每一個比特時間劃分為m個短的間隔，稱為

■碼片(chip)o

課件制作人：沈紅

碼片序列(chipsequence)

每個站被指派一個唯一的mbit碼片序列。

■如發送比特1,則發送自己的勿bit碼片序列

■如發送比特0,則發送該碼片序列的二進制反碼

例如，s站的8bit碼片序列是ooonon。

■發送比特1時，就發送序列00011011

■發送比特0時，就發送序列11100100

S站的碼片序列：(-1-1-1+1+1-1

+1+1)

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CDMA的重要特點

每個站分配的碼片序列不僅必須各不相同,

并且還必須互相正交(orthogonal)。

在實用的系統中是使用偽隨機碼序列。

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碼片序列的正交關系

令向量S表示站S的碼片向量，令T表示其他

任何站的碼片向量。

兩個不同站的碼片序列正交，就是向量s和T的

規格化內積(innerproduct)都是0：

(2-3)

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碼片序列的正交關系舉例

令向量S為(-1-1-1+1+1-1+1+1),向

量T為(-1-1+1-1+1+1+1-1)o

把向量S和T的各分量值代入(2-3)式就可看出

這兩個碼片序列是正交的。

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正交關系的另一個重要特性

任何一個碼片向量和該碼片向量自己的規格

化內積都是1。

課件制作人：沈紅

CDMA的工作原理

數據碼元比特0

k-m個碼格

S站的碼片序列S)

發

I

送s站發送的信號sj

端

T站發送的信號

總的發送信號Sx+T

接

收

端

規格化內積S?Tx」

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2.6數據交換技術

在網絡中，兩個端點之間通常需要通過中間節點實現

數據通信，這些中間節點并不關心數據內容，而是提供一

個交換設備，把數據從一個節點轉發到另一個節點，直至

達到目的端。

數據交換技術主要是指網絡中間節點所提供的數據交

換功能。

在交換型通信網絡中，從一個站進入網絡的數據通過

從節點到節點的交換，被選徑送往目的地。

交換：按照某種方式動態地分配傳輸線路的資源

課高利客承技術：電路交換、報文交換和分組交換

2.6.1電路交換

電路交換(CircuitSwitching)是指數據傳輸期

間，在源站點與目的站點之間建立專用電路鏈接，

在數據傳輸結束之前，電路一直被占用，而不能被

其他結點所使用。電路交換必定是面向連接的。用

電路交換完成的數據傳輸要經歷以下三個階段。

■建立連接

■通信

■釋放連接

課件制作人：沈紅

電路交換舉例

A和B通話經過四個交換機

通話在A到B的連接上進行

中繼線父換機

用戶線\

/交換機\

3

3

3

3用戶線

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電路交換舉例

C和D通話只經過一個本地交換機

課件制作人：沈紅

電路交換傳送計算機數據效率低

優點是：數據傳輸可靠、迅速，數據不會丟失且

保持原來的序列。

缺點是：電路持續時間長；線路的利用率很低；

低效；當用戶終端或網絡節點負荷過重時，可能

出現呼叫不通的情況，即不能建立電路連接。

電路交換適用于數據傳輸要求質量高且批量大的

情況。

課件制作人：沈紅

2.6.2報文交換

報文交換(MessageSwitching)方式不需在

兩個站點之間建立一條專用電路，數據傳輸單位

是報文，所謂報文就是站點一次性要發送的數據

塊，其長度不限并且可變。

課件制作人：沈勿

1、報文交換的優點

電路利用率高。

報文交換網絡上，通信量大時仍然可以接收報文，

不過傳送延遲會增加。

報文交換系統可以把一個報文發送到多個目的地，

而電路交換網絡很難做到這一點。

報文交換網絡可以進行速度和代碼的轉換。

2、報文交換的缺點

不能滿足實時或交互式的通信要求，報文經過網絡

的延遲時間長而且不定。

有時結點收到過多的數據而無空間存儲或不能及時

轉發時，就不得不丟棄報文。

課件制作人：沈紅

2,分組交換的主要特點

在發送端，先把較長的報文劃分成較短

的、固定長度的數據段。

報文

1101000110101010110101011100010011010010

假定這個報文較長

不便于傳輸

課件制作人：沈紅

添加首部構成分組

每一個數據段前面添加上首部構成分組。

分組3

_____________________________人___________

請注意：現在左邊是“前面”

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分組交換的傳輸單元

分組交換網以“分組”作為數據傳輸單元。依

次把各分組發送到接收端（假定接收端在左

邊）。

分組1

_____________________________人__________

課件制作人：沈紅

分組首部的重要性

?每一個分組的首部都含有地址等控制信

息。.

-分組交換網中的結點交換機根據收到的

分組的首部中的地址信息，把分組轉發到

下一個結點交換機。

用這樣的存儲轉發方式，最后分組就能

到達最終目的地。

課件制作人：沈紅

收到分組后剝去首部

接收端收到分組后剝去首部還原成報文。

分組1

______________________八_______________________

課件制作人：沈紅

最后還原成原來的報文

最后，在接收端把收到的數據恢復成為

原來的報文。

-------------------報文------------------

1101000110101010110101011100010011010010

這里我們假定分組在傳輸過程中沒有出

現差錯，在轉發時也沒有被丟棄。

課件制作人：沈紅

因特網的核心部分

因特網的核心部分是由許多網絡和把它們互連起

來的路由器組成,而主機處在因特網的邊緣部分。

■在因特網核心部分的路由器之間一般都用高速鏈

路相連接，而在網絡邊緣的主機接入到核心部分則

通常以相對較低速率的鏈路相連接。

主機的用途是為用戶進行信息處理的，并且可以和

其他主機通過網絡交換信息。的用途則是

用來轉發分組的，即進行分組交換的。

課件制作人：沈紅

課件制作人：沈紅

_網絡核心部分

HM\，

路由器2

D\

H

4

—

課件制作人：沈紅

分組交換網的示意圖

注意分組路徑的變化!

D

路由器

主機

H2向H6發送分組

兒向H5發送分組

互聯網

課件制作人：沈紅

注意分組的存儲轉發過程

路

也向也發送分組

路由器

在路由器中的輸入和輸出端口之間沒有直

接連線。,

路由器處理分組的過程是：

■把收到的分組先放入緩存（暫時存儲）；

■查找轉發表，找出到某個目的地址應從哪個端

口轉發；

■把分組送到適當的端口轉發出去。

課件制作人：沈紅

主機和路由器的作用不同

主機是為用戶進行信息處理的，并向網絡

發送分組，從網絡接收分組。

路由器對分組進行存儲轉發，最后把分組

交付目的主機。

課件制作人：沈紅

分組交換的優點

J高效動態分配傳輸帶寬，對通信鏈路

是逐段占用。

-靈活以分組為傳送單位和查找路由。

迅速不必先建立連接就能向其他主機

發送分組。

■可靠保證可靠性的網絡協議；分布式

的路由選擇協議使網絡有很好的生存性。

課件制作人：沈紅

分組交換帶來的問題

分組在各結點存儲轉發時需要排隊，這

就會造成一定的時延。

分組必須攜帶的首部（里面有必不可少

的控制信息）也造成了一定的開銷。

課件制作人：沈紅

存儲轉發原理

并非完全新的概念

在20世紀40年代，電報通信也采用了基于

存儲轉發原理的報文交換(message

switching)o

■報文交換的時延較長，從幾分鐘到幾小時不

等?，F在報文交換已經很少有人使用了。

課件制作人：沈紅

分組交換有虛電路分組交換和數據報分組交

換兩種

(1)數據報分組交換

數據報分組交換是將每個分組被稱為一個數

據報(datagram),若干個數據報構成一次

要傳送的報文或數據塊。每個數據報在傳輸的

過程中，都要進行路徑選擇，各個數據報可以

按照不同的路徑到達目的地。各數據報不能保

證按發送的順序到達目的結點，有些數據報甚

至還可能在途中丟失。在接收端，再按分組的

J喇蠡將這些數據報組重新合成一個完整的報文。

數據報服務

應用層為IP數據報/“I應用層

運輸層運輸層

網絡層,網絡層

數據鏈路數據鏈路層

物理層物理層

丟失

乩發送給H2的分組可能沿著不同路徑傳送

課件制作人：沈紅

ACK

數據報分組交換示意圖

課件制作人：沈紅

數據報分組交換的特點：

每個分組都必須帶有數據、源地址和目的地

址，其長度受到限制，一般為2000比特以內，，

典型長度為128個字節。

同一報文的分組可以由不同的傳輸路徑通過通

.信子網，到達目的結點時可能出現亂序、重復

或丟失現象。

-傳輸延遲較大，適用于突發性通信，不適用于

長報文、會話式通信。

課件制作人：沈紅

(2)虛電路分組交換

■虛電路方式結合了數據報方式與線路交換方式的

優點，達到最佳的數據交換效果。

兩個用戶結點在開始互相發送