计算机网络-第2章.ppt

1、课件制作人：沈红,计算机网络,沈阳理工大学信息科学与工程学院,课件制作人：沈红,2 物理层,2.1 物理层的基本概念 是为在物理媒体上准确无误的传输原始数据的比特流而设立的。 尽可能屏蔽传输媒体的差异，透明传送和接收位流 2.1.1 物理层功能 物理层的主要任务描述为确定与传输媒体的接口的一些特性，即： 机械特性 指明接口所用接线器的形状和尺寸、引线数目和排 列、固定和锁定装置等等。EIA RS-232-C，规定使用DB-25插 针和插孔，插孔用于DCE方面。 电气特性 指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围， RS-232-C关于电气信号特性的要求，规定逻辑“1”的电平为低于 -3V，而逻

2、辑“0”的电平为高于+3V 功能特性 指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意 义。 规程特性 指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。,课件制作人：沈红,课件制作人：沈红,2.2 数据通信基本概念 数据通信是指在两点或多点之间通过通信系统以某种数据形式 进行信息交换的过程，它可以把信息从某一处安全可靠地传送到 另一处。DCE的作用就是在DTE和传输线路之间提供信号变换和编码的 功能，并且负责建立、维护和拆除数据链路的连接。数据终端设备 DTE与数据通信设备DCE（电路连接设备）连接 示意图,课件制作人：沈红,2.2.1 基本概念 1、信息、数据与信号 信息:是人对现实世界事物存在方式或运

3、动状态 的某种认识。（不确定性） 数据:是一种承载信息的实体 。数据可分为模拟 数据和数字数据两种形式。 信号:是消息或者说是信息的携带者，即数据的 电气的或电磁的表现。是数据的具体表现形式。 信号可分为模拟信号和数字信号两种形式。,课件制作人：沈红,2、信号分类 信号根据载体的不同，可以是电、磁、声、光、热等 的各种信号。模拟信号 数字信号 如果信号的时间变量是连续的，则称为连续信号，若 幅度也是连续的，则称为模拟信号如果时间变量是离散数值，则称为离散时间信号，若 幅度也是离散的，则称为数字信号,课件制作人：沈红,3、模拟传输与数字传输 （1）模拟传输模拟传输是一种不考虑信号内容的信号传输方

4、 法。信号可以表示模拟数据或表示数字数据。因噪声变形继而被放大的模拟信号,课件制作人：沈红,（2） 数字传输受噪声影响的数字信号被转发后波形图,课件制作人：沈红,4 、基带与宽带 基带传输：二进制数字序列最方便的电信号 形式是矩形（数字）脉冲信号。把矩形(数字)脉 冲信号的固有频率称为基带。数字脉冲信号称为 基带信号。在数字通信信道上，直接传输基带信 号，称为基带传输（编码）。 频带传输：为了利用电话交换网实现计算机 之间的数字信号传输，必须将数字信号转换成模 拟信号。音频范围（300Hz3400Hz）这种利用模拟信道实现数字信号传输的方法称 为”频带传输”,课件制作人：沈红,宽带传输 所谓宽

5、带，就是指比音频带宽还要宽，简单地 说就是包括了大部分电磁波频谱的频带。频带宽 度至少为1000MHza.宽带系统能同时接入几个信道，因而能够比 基带系统传输更多的数据。宽带传输能将有线 电视带入家庭。有线电视能够传输的数据量至少 是一个典型基带系统（如Ethernet）传输数量 的2 .5 倍。,课件制作人：沈红,b.在宽带系统中，信号仅仅只能进行单向传 输。因此，宽带电缆必须为数据的发送和接收提 供独立的电缆。由于大部分有线电视电缆只提供 一条电线，若不做任何修改，它将不能用于把数 据从屋中向外传输。 c.传输数字信号，就必须利用射频调制解调器， 把数字信号变换成频率为几十兆赫兹到几百赫兹

6、 的模拟信号。由于使用一些额外的硬件，宽带传 输通常比基带传输昂贵得多。 d.另一方面，宽带系统能够比基带系统跨越更 长的距离。,课件制作人：沈红,Note：在网络领域，一些术语根据上下文常有 多种意思。宽带即是这样的术语。这里描述的宽带 是指通过多个信道在同轴电缆上传输信号的传输系 统，例如有线电视所使用的系统。这种定义是宽带 的原始意义。 在高速数字网络中也用到了“宽带”，这时“宽带” 是指使用数字信号并且有非常高的传输速率的网络， 例如异步传输模式（ATM）网络。,课件制作人：沈红,速率 比特（bit）是计算机中数据量的单位，也是信息论中使用的信息量的单位。 Bit 来源于 binary

7、 digit，意思是一个“二进制数字”，因此一个比特就是二进制数字中的一个 1 或 0。 速率即数据率(data rate)或比特率(bit rate)是计算机网络中最重要的一个性能指标。速率的单位是 b/s，或kb/s, Mb/s, Gb/s 等 速率往往是指额定速率或标称速率。,课件制作人：沈红,2.2数据通信基本概念 2.2.2 信道特性,1 信道带宽 信道的带宽是指信道频率响应曲线上幅度是其频带中心处 幅度值的1/2倍的两个频率之间的宽度 。如图所示，带宽W=f2-f1，其中f1是信道能通过的信号的最低频率，f2是信道能通过的信号的最高频率,课件制作人：沈红,例如，在传统的通信线路上传

8、送的电话信号的标准带宽 是3.lkHz，话音的主要频率范围从 300Hz 到3.4kHz。 带宽的单位是赫 ( 或千赫、兆赫等 ) 数字信道是一种离散信道，它只能传送取离散值的数字 信号。信道的带宽决定了信道中能不失真地传输的数字脉 冲序列的最高速率。数字信道传送数字信号的速率称为数据率或比特率。网 络或通信链路上的带宽单位可记为 bit/s(更常用的带宽单 位是千比特/每秒,即 kbit/s 、Mbit/s 、Gbit/s、 Tbit/s)。也称为吞吐量(Thoughput) 信息的单位和数据率的单位的进制不一样,课件制作人：沈红,数字信号流随时间的变化,在时间轴上信号的宽度随带宽的增大而变

9、窄。,课件制作人：沈红,2 传输速率传输速率是指单位时间内传输信息单元的数量。它是衡量数据通 信系统传输能力的重要指标，有两种表示方法，即数据信号速率和 码元速率。1）数据信号速率指单位时间内所传送的二进制代码的有效位数，以每秒多少比特 数计，单位为bit/秒，记作b/s。计算公式为S=1/Tlog2N式中 T：一个数字脉冲信号的时间宽度，单位为秒 （s）；N：一个码元所取的离散值个数。通常，N=2K ,K为二进 制信息的位数，K=log2N，N=2时，S=1/T表示数据信号速率等于码元脉冲的重复 频率。,课件制作人：沈红,2）码元速率（调制速率）信号调制过程中，把一个数字脉冲称为一个码元，并

10、用码 元速率表示单位时间内信号波形的变换次数，即单位时间内 通过信道传输的码元个数。单位为波特，记作Baud。 计算公式为B=1/T (Baud) 式中 T 信号码元的宽度，单位为s。 码元速率也称信号传输速率、调制速率、波特率或传码率。 例： 采用四相调制方式，即N=4，且T=83310-6s，则S=1/Tlog2N=1/83310-6log24=2400b/s B=1/T=1/83310-6=1200Baud,课件制作人：沈红,3）数据信号速率与调制速率的关系 数据信号速率S与调制速率B有如下关系： S=B log2N (b/s) 或 B=S/log2N (Baud) 其中N为一个脉冲信号

11、所表示的有效状态。在二进制中， 脉冲只有两种状态0或1，即N=2，也就是说，数据信号速率 S与调制速率B是一致的。当采用不同的调制方式时，N的取 值是不同的，这时即使调制速率相同，得到的数据信号速率 也是不同的，,课件制作人：沈红,3 、 信道极限信道极限表示一个信道的最大数据传输速率，单位：位/秒 （b/s），也就是信道传输信息的最大能力。 (1)理想的信道极限奈奎斯特（Nyquist）无噪声下的码元速率极限值B与信 道带宽H的关系为：B=2H（Baud）奈奎斯特公式 无噪信道传输速率极限值公式如下： C=2Hlog2V（bps）式中 H：信道的带宽，即信道传输上、下限频率的差 值，单位为赫

12、（Hz）；V：一个码元所取的离散值个数(电平分级);例:普通电话线路带宽约3 kHz ，则码元数率极限值 B=2H=23k =6k（Baud），若码元的离散个数V=16，则 最大数据传输数C=23klog216=24k(b/s),课件制作人：沈红,（2）带噪声的信道极限主要结论是：对于任何带宽为H、信噪比为S/N的信道：(香农公式) 带噪信道传输速率极限值公式如下:C = Hlog2（1+ S/N）(bps) 式中 H：信道的带宽,单位为Hz；S：信号功率；N：噪声功率；S/N ：信噪比，通常把信噪比表示成10lg（S/N） 分贝（dB）。香农公示表明：信道的带宽越大或信道中的信噪比越大，则信

13、息 的极限传输率就最高。,课件制作人：沈红,只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定可以 找到某种办法来实现无差错的传输。 若信道带宽H或信噪比 S/N 没有上限（当然实际信道不可 能是这样的），则信道的极限信息传输速率 C 也就没有上限。实际信道上能够达到的信息传输速率要比香农的极限传输速率 低不少。对于频带宽度已确定的信道，如果信噪比不能再提高了，并且 码元传输速率也达到了上限值，那么还有办法提高信息的传输速 率。这就是用编码的方法让每一个码元携带更多比特的信息量。例2-3 已知信噪比为30dB，带宽为3KHz ，求信道的最大数据 传输速率。 10lg(S/N)=30 S/N=1

14、030/10 = 1000 C=3000log2(1+1000)30k(b/s),课件制作人：沈红,4、误码率表示传输二进制位时出现差错的概率。5、信道延迟信号从源端到达宿端所需要的时间。时延通常由四部分组成：发送时延。发送时延是结点在发送数据时使数据块从结点进 入到传输媒体所需要的时间，也就是从数据块的第一个比特开始发 送算起，到最后一个比特发送完毕所需的时间。发送时延又称为传 输时延，它的计算公式:,课件制作人：沈红,传播时延 电磁波在信道中需要传播一定的距离而花费 的时间。这个时间与源端和宿端的距离有关，也与具体信 道中的信号传播速度有关。 信号传输速率（即发送速率）和信号在信道上的传播

15、速率 是完全不同的概念。处理时延 交换结点为存储转发而进行一些必要的处理 所花费的时间。 排队时延 结点缓存队列中分组排队所经历的时延。 排队时延的长短往往取决于网络中当时的通信量。 数据经历的总时延就是发送时延、传播时延、处理时延和 排队时延之和：,总时延 = 发送时延+传播时延+处理时延+排队时延,课件制作人：沈红,四种时延所产生的地方,1 0 1 1 0 0 1,发送器,队列,结点 B,结点 A,在结点 A 中产生 处理时延和排队时延,数据,从结点 A 向结点 B 发送数据,链路,课件制作人：沈红,容易产生的错误概念,对于高速网络链路，我们提高的仅仅是数据 的发送速率而不是比特在链路上的

16、传播速率。 提高链路带宽减小了数据的发送时延。 电磁波在自由空间的传播速率是3.0105km/s ，在铜线电缆中的传播速率是2.3105km/s ，在光纤中的传播速率是2.0105km/s 。,课件制作人：沈红,6、 时延带宽积与往返时延,（传播）时延,链路,带宽,时延带宽积 = 传播时延 带宽,链路的时延带宽积又称为以比特为单位 的链路长度。,时延带宽积,课件制作人：沈红,往返时延 RTT(Round-Trip Time)是一个重要的性能指标 , 它 可以表示从发送端发送数据开始，到发送端收到来自接收端的确 认 ( 接收端收到数据后便立即 发送确认 ), 总共经历的时延。 往返时延带宽积的意

17、义：就是当发送端连续发送数据时,在收到 对方的确认之前,就已经将这样多的比特发送到链路上了。 往返时延 带宽积=往返时延 带宽,课件制作人：沈红,2.2数据通信基本概念 2.2.3 数据通信系统 1通信系统模型,课件制作人：沈红,调制解调器,PC 机,公用电话网,调制解调器,数字比特流,数字比特流,模拟信号,模拟信号,输入 汉字,显示 汉字,PC 机,模拟传输和数字传输,话音,电话,模拟,数字,Modem,模拟,模拟,CODEC,数字,数字,数字传输,数字,模拟数据,模拟信号,数字数据，模拟信号,数字数据，数字信号,模拟数据，数字信号,课件制作人：沈红,（1）、模拟通信系统 以模拟信号来传送信

18、息的通信方式称为模拟通信特点：抗干扰能力差、保密性差、设备不易大规模集成， 不适应计算机通信的需要。,（2）、数字通信系统以数字信号传送信息的通信方式称为数字通信,课件制作人：沈红,课件制作人：沈红,数字通信系统相对模拟通信系统具有以下特点： 抗干扰能力强、无噪声积累。 便于加密处理。 便于存储、处理和交换。 设备便于集成化、微型化。 便于构成综合数字网和综合业务数字网。 数字通信占用信道频带较宽，信道利用率低。 2、数据通信方式根据传输方向与时间特性，数据通信可以分为下列三 种方式：单工(Simplex)、半双工(Half-duplex)和全双 工(Full-duplex)，,课件制作人：沈

19、红,1）. 单工操作模式在单工操作模式中，发送器和接收器之间只有一个单 向的传输信道，数据传输是单向的，只能从发送器传送到 接收器。 2）. 半双工操作模式在半双工操作模式中，传输信道是双向的，并且每个 设备同时具有发送器和接收器功能，它们之间可以分时轮 流进行双向数据传输，但在某一时刻只能沿一个方向传输 数据。 3）. 全双工操作模式在全双工操作模式中，传输信道是双向的，并且每个 通信设备同时具有发送器和接收器功能，它们之间可以同 时进行双向数据传输。,课件制作人：沈红,通信操作模式,课件制作人：沈红,3、数据同步方式数据通信过程中收、发双方必须在时间上保持同步,一方面码元 之间要保持同步,

20、另一方面由码元组成的字符或数据块之间在起止 时间上也要保持同步。实现字符或数据块之间在起止时间上同步的 常用方法有异步传输和同步传输两种。1）异步传输（发送端和接收端的时钟信号是各自独立的）其原理是：每个字符都独立传输，接收设备每收到一个字符的开 始位后进行同步。异步传输方式中,一次只传输一个字符(由78位数据组成)。每 个字符用一位起始位引导、一位停止位结束。起始位为“0”,占一 位时间；停止位为“1”，占12位的持续时间。在没有数据发送时, 发送方可发送连续的停止位(称空闲位)。接收方根据“1”至“0”的 跳变来判别一个新字符的开始,然后接收字符中的所有位。这种通 信方式简单便宜,但每个字

21、符有23位的额外开销。,课件制作人：沈红,异步传输特点：在异步传输方式中由于不需要发送和接收设备之间另外传输定时 信号，因而实现起来比较简单。其缺点是： （1）一方面，由于每个字符都要加上起始位和结束位，因而传 输开销较大； （2）另一方面，由于发收双方时钟的差异（异步）使得传输速 率不宜过高，因而传输效率低，常用于低速数据传输中。（3）任何两个字符之间的时间间隔可以是随机的、不同步的，但 在一个字符时间之内，收发双方各数据位必须同步。,课件制作人：沈红,2）同步传输它的原理是：其信息格式是一组字符或一个二进制组成 的数据块。对这些数据，不需要附加起始位和停止位，而 是在一组字符或数据块之前先

22、发送一个同步字符SYN或一 个同步字节，用于接收方进行同步检测，从而使收发双方 进入同步状态。在同步字节或字符之后，可以连续发送多 个字符或数据块，发送数据完毕后，再使用同步字符或字 节来标识整个发送过程的结束。即：为使接收方能判定 数据块的开始和结束, 在每个数据块的开始处和结束处各 加一个帧头和一个帧尾,加有帧头、帧尾的数据称为帧 (Frame)。,课件制作人：沈红,同步传输,课件制作人：沈红,但是，在同步通信中，要求收发双方之间的 时钟严格同步，而使用同步字符或同步字节， 只能用于同步接收数据帧，只有保证接收端接 收的每一个比特都与发送端保持一致，接收方 才能正确的接收数据，这就要使用位

23、同步方 法。 1）使用专用信道发送同步时钟保持双方的同步 2）编码的方法（效率高，使用普遍）,课件制作人：沈红,2.3 数据的调制与编码4种编码方式，即模拟信号传输模拟数据，数字信号 传输模拟数据，模拟信号传输数字数据和数字信号传输 数字信号。,电话,模拟数据,模拟信号,话音,模拟,模拟,模拟数据，数字信号,CODEC,数字,数字,数字,Modem,数字数据，模拟信号,模拟,数字数据，数字信号,数字编码器,数字,课件制作人：沈红,2.3.1 数字数据的模拟信号编码有三种基本调制方式，是通过采用三种模拟信号的载 波特性(振幅、频率和相位)之一来表示被调制的数字数据(1) 幅移键控(ASK)法AS

24、K(Amplitude Shift Keying)是使用载波频率的 两个不同振幅来表示两个二进制值。即载波的振幅随基带 数字信号而变化。特点：ASK方式的编码效率较低，抗干扰性较差，在音 频电话线路上一般只能达到1200 b/s的传输速率。,课件制作人：沈红,(2) 频移键控(FSK)法FSK(Frequency Shift Keying)是使用载波频率附近的两个 不同频率来表示两个二进制值。即载波的频率随基带数字信号而变 化。特点：FSK比ASK的编码效率高，不易受干扰的影响，抗干扰性 较强，在音频电话线路上的传输速率可以大于1200 b/s。(3) 相移键控(PSK)法PSK(Phase

25、Shift Keying)是使用载波信号的相位偏移来表 示二进制数据，即载波的初始相位随基带数字信号而变化。 特点：PSK方式具有很强的抗干扰能力，其编码效率比FSK还要 高。在音频线路上，传输速率可达9600 b/s。,课件制作人：沈红,对基带数字信号的几种调制方法,0,1,0,0,1,1,1,0,0,基带信号,调幅,调频,调相,课件制作人：沈红,多相调制,PSK方式也可以用于多相的调制，例如在四相 调制中可把每个信号序列编码为两位。 多级调制方法数据率 = n x 信号速率,00,01,11,10,0,+90,+180,+270,+90：01,+0：00,+270：11,+180：10,4

26、-PSK,课件制作人：沈红,正交振幅调制 QAM (Quadrature Amplitude Modulation),r,(r, ),可供选择的相位有 12 种， 而对于每一种相位有 1 或 2 种振幅可供选择。,由于4 bit 编码共有16 种不同的 组合，因此这 16 个点中的每个 点可对应于一种 4 bit 的编码。,若每一个码元可表示的比特数越多，则在接收端进行 解调时要正确识别每一种状态就越困难。,举例,课件制作人：沈红,2.3.2 数字数据的数字信号编码常用的数字信号编码有不归零 NRZ (Non Return toZero)码、差分不归零DNRZ (Differential No

27、nReturn to Zero)码、曼彻斯特(Manchester)码及差分 曼彻斯特(Differential Manchester)码等 。,课件制作人：沈红,(1) NRZ码（不归零编码）NRZ码是用信号的幅度来表示二进制数据的，通常 用正电压表示数据“1”，用负电压表示数据“0”，并且 在表示一个码元时，电压均无需回到零，故称不归零 码。NRZ码的特点是一种全宽码，即一位码元占一个单 位脉冲的宽度。不能保持同步，要采用其它方法。(2) DNRZ码（差分不归零编码）DNRZ码是一种NRZ码的改进形式，它是用信号的 相位变化来表示二进制数据的，一个信号位的起始处有跳 变表示数据“1”，无跳

28、变表示数据“0”。 (3) 曼彻斯特码（自同步码）在曼彻斯特码中，用一个信号码元中间电压跳变的 相位不同来区分数据“1”和“0”，它用从低到高电压跳 变表示“0”；用从高到低电压跳变表示“1”。以太网 (Ethernet)采用这种曼彻斯特码。,课件制作人：沈红,(4) 差分曼彻斯特码（自同步码）差分曼彻斯特码是一种曼彻斯特码的改进形 式，其差别在于：每个码元的中间跳变只作为同 步时钟信号，而数据“0”和“1”的取值是用信号 位的起始处有无跳变来表示的：若有跳变则为 “0”；若无跳变则为“1”。令牌环(Token-Ring) 网采用这种差分曼彻斯特编码。主要用于中速网络(Ethernet为10

29、Mb/s； Token-Ring最高为16 Mb/s),课件制作人：沈红,数字信号编码 :,课件制作人：沈红,2.3.3 模拟数据的数字信号编码常用的编码技术是脉冲编码调制PCM(Pulse CodeModulation)技术。 PCM原理如图所示：在信号源端，模拟信号X(t) 经过反混叠滤波器和采样器处理后变换成脉冲调幅信号 X(n)，然后送入量化器进行均匀分层量化为Y(n)，再经 过编码器将量化后的脉冲信号表示成一组二进制码 C(n)，并输出。在接收端，PCM解码器将接收信号C1 (n) 解码成Y1(n)，经过逆量化器和平滑滤波器就可建立重 建信号X1(t)，X1(t)和X(t)之差就是量

30、化误差。,课件制作人：沈红,PCM原理框图 采用PCM把模拟信号数字化的3个步骤如图所示：采样,课件制作人：沈红,量化编码,课件制作人：沈红,2.4 数据传输媒体,所谓的传输介质就是信号传输时借助的物质， 分为两类：有线介质和无线介质 2.4.1 有线介质 包括：双绞线、同轴电缆和光纤 1、双绞线 分为屏蔽双绞线和无屏蔽双绞线适用于短距离传输 无屏蔽双绞线的传送速率是10 Mb/s或100 Mb/s， 短距离甚至可以达到1000 Mb/s。,课件制作人：沈红,无屏蔽双绞线电缆(Unshielded Twisted Pair,UTP)由 不同颜色的(蓝/橙/绿/棕)4对双绞线组成 屏蔽双绞线(S

31、hielded Twisted Pair, STP)电缆的外层由铝箔包裹,课件制作人：沈红,特点：传输速率快、价格便宜，安装容易，适用于结 构化综合布线，使用广泛。适合模拟和数字传输。 2、同轴电缆主要应用于有线电视网、电视天线馈线和局域网。同 轴电缆的基本结构为：轴心为一根铜制导线，轴心被均匀 的绝缘层包裹，在绝缘层外边包裹着外导体（通常为网 状），最外边为塑料护套。 标注方式有两种：以其特性阻抗分类可分为50、75、93按直径分类可分为粗缆和细缆等。 50电缆用于传输数字信号，75电缆用于传输电 视信号,课件制作人：沈红,基带 一条电缆只用于一个信道，50，用于数字传输 宽带 一条电缆同时

32、传输不同频率的几路模拟信号，75，用于模拟传输，300450MHz，100km，需要放大器,课件制作人：沈红,各种电缆,铜线,铜线,聚氯乙烯 套层,聚氯乙烯 套层,屏蔽层,绝缘层,绝缘层,外导体屏蔽层,绝缘层,绝缘保护套层,内导体,无屏蔽双绞线 UTP,屏蔽双绞线 STP,同轴电缆,课件制作人：沈红,3、光纤（光导纤维）它是一种光导体 光纤的分类：按传输光波模式的分类方法 （）单模光纤：纤维直径很小(10m)传输频带很宽，传输 容量大。输入设备复杂。因此只适合于大容量、 长距离传输。 （）多模光纤：纤维直较大(5075m，典型的为62.5m)同 波长的光可以有多种模式在光纤中传输。传输的 模式

33、比较多，容易发生色散，所以这种光纤的传 输频带较窄，传输容量小；设备简单，使用广 泛。,课件制作人：沈红,光线在光纤中的折射,折射角,入射角,包层 （低折射率的媒体）,包层 （低折射率的媒体）,纤芯 （高折射率的媒体）,课件制作人：沈红,光纤的工作原理,高折射率 (纤芯),低折射率 (包层),光线在纤芯中传输的方式是不断地全反射,课件制作人：沈红,多模光纤与单模光纤,多模光纤,课件制作人：沈红,单模光纤（single-mode fiber） 使用激光源 中继距离100公里 内芯直径与光源波长相近 直径为410m 多模光纤（multi-mode fiber） 使用普通发光二极管作为光源 中继距离

34、2公里 多种模式，易发生色散 内芯直径稍大 直径为62.5m,课件制作人：沈红,单模光纤与多模光纤的比较,课件制作人：沈红,光纤的特点,优点 高带宽、高数据传输率 安全、可靠 抗腐蚀、抗干扰性能好 衰减小 体积小，重量轻 缺点 单向传输 光纤接口价格昂贵 工艺复杂、安装技术复杂,课件制作人：沈红,2.4.2 无线介质信号通过空间传播，我们称之为无线介质。无线介质 包括微波、激光、红外和短波 1、微波微波系统可分为地面微波系统和卫星微波系统。地面微波系统由视野范围内的两个互相对准方向的抛 物面天线组成, 长距离通信则需要多个中继站组成微波中 继链路。通信卫星可看作是悬在太空中的微波中继站。 卫星

35、 上的转发器把它的波束对准地球上的一定区域, 在此区域 中的卫星地面站之间就可互相通信。,课件制作人：沈红,地面微波接力,两个地面站之间传送 距离：50 -100 km,地面站之间的直视线路,微波传送塔,课件制作人：沈红,微波,对于频率在300MHz-300GHz之间的无线电波，其能 量将集中于一点并沿直线传播，这就是微波。 微波通信是利用无线电波在对流层的视距范围内进行 信息传输的一种通信方式，微波通信的频率段为吉兆段的 低端，一般是1 GHz11 GHz。 由于微波只能沿直线传播，所以微波的发射天线和接收 天线必须精确对准，而且每隔一段距离就需要一个中继 站。 中继站之间的距离与微波塔高度

36、成正比例。对于100m 高的微波塔，中继站之间的距离可以达到80km。,课件制作人：沈红,它具有带宽高,容量大的特点。由于使用了高 频率, 因此可使用小型天线,便于安装和移动。微波信号容易受到电磁干扰，地面微波通信会 造成相互之间的干扰，大气层中的雨雪也会大量 吸收微波信号，当长距离传输时会使得信号衰减 以至无法接收；,课件制作人：沈红,卫星通信方法：是在地球站之间利用位于约3万6千公里高空 的人造同步地球卫星作为中继器的一种微波接力通信。 特点：是通信距离远,且通信费用与通信距离无 关。频带很宽,通信容量很大,信号所受到的干扰也较小, 通信比较稳定。具有较大的传播时延。 同步卫星发射出的电磁

37、波能辐射到地球上的通信覆 盖区的跨度达1万8千多公里。只要在地球赤道上空的同 步轨道上,等距离地放置3颗相隔120度的卫星 , 就能基 本上实现全球的通信。从一个地球站经卫星到另一地球站的传播时延在 250-300ms之间。一般可取为270ms。,课件制作人：沈红,卫星,地球,地面站,地面站,C波段 4/6 GHz上行5.925 - 6.425 GHz下行3.7 - 4.2 GHz KU波段 12/14 GHz上行14 - 14.5 GHz 下行11.7 - 12.2 GHz,使用微波 使用转发器接收和转发,课件制作人：沈红,地球同步卫星,22,300 公里,地球,与地面站相对固定位置 使用3

38、个卫星覆盖全球,课件制作人：沈红,2 、激光在空间传播的激光束可以调制成光脉冲以传输数据， 和地面微波一样，可以在视距范围内安装两个彼此相对的 激光发射器和接收器进行通信。激光传输,课件制作人：沈红,特点：频率比微波更高，因而可获得更高的带宽。激光束的方向性比微波束更好，不受电磁干扰 的影响，保密性好。激光穿越大气时会衰减，易受天气的干扰。只能在短距离通信中使用。,课件制作人：沈红,3 红外线红外传输系统(图2-24)可利用墙壁或屋顶反射红 外线从而形成整个房间内的广播通信系统，这种系统 所用的红外光发射器和接收器与光纤通信中使用的类 似，也常见于电视机的遥控装置中。 红外传输,课件制作人：沈

39、红,4 、无线电短波无线电短波通信早已用在计算机网络中了, 已经 建成的无线通信局域网使用了甚高频VHF(30 MHz300MHz)和超高频(300 MHz3 000 MHz)的电视广播频段,这个频段的电磁波是以直线方式在视距范围内传播的,所以用作局部地区的通信是很适宜的。,课件制作人：沈红,短波通信设备比较便宜，便于移动，没有像 地面微波站那样的方向性，加上中继站可以传 送很远的距离。短波通信也容易受到电磁干扰和地形地貌的 影响，通信质量差。而且带宽比微波通信要小。适合短距离传输,课件制作人：沈红,2.5 多路复用技术,多路复用技术 原因：在数据通信系统或计算机网络系统中,传输 媒体的带宽或

40、容量往往超过传输单一信号的需求。目的：为了有效地利用通信线路,希望一个信道同 时传输多路信号,这就是所谓的多路复用技术 (MultiplexiI1g)。采用多路复用技术能把多个信号组合 起来在一条物理信道上进行传输,在远距离传输时可大大 节省电缆的安装和维护费用。,课件制作人：沈红,多路复用技术是把多个低速信道组合成一个高速信道 的技术(见图2-25)，这种技术要用到两种设备：多路复用 器(Multiplexer) 和多路分配器(Demultiplexer) 。多路 复用器和多路分配器统称多路器，简写为MUX。 多路复用多路复用技术包括4类，共5种，分别为：频分复用、 同步时分复用、异步时分复

41、用，波分多路复用，码分多路 复用,课件制作人：沈红,共享信道,复用(multiplexing)是通信技术中的基本概念。,信道,A1,A2,B1,B2,C1,C2,信道,信道,A1,A2,B1,B2,C1,C2,复用,分用,(a) 不使用复用技术,(b) 使用复用技术,课件制作人：沈红,频分复用 FDM (Frequency Division Multiplexing)是在一条传输介质上使用多个频率不同的模 拟载波信号进行多路传输，这些载波可以进行任 何方式的调制：ASK、FSK、PSK以及它们的组合。 每一个载波信号形成了一个子信道，各个子信道 的中心频率不相重合，子信道之间留有一定宽度 的隔

42、离频带 。,课件制作人：沈红,特点： 用户在分配到一定的频带后，在通信过程中自始至终都 占用这个频带。 频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源 （请注意，这里的“带宽”是频率带宽而不是数据的发送 速率）。,课件制作人：沈红,时分复用TDM (Time Division Multiplexing),时分复用则是将时间划分为一段段等长的时分复用帧 （TDM 帧）。每一个时分复用的用户在每一个TDM 帧 中占用固定序号的时隙。 每一个用户所占用的时隙是周期性地出现（其周期就是 TDM 帧的长度）。 TDM 信号也称为等时(isochronous)信号。 时分复用的所有用户是在不同的时间占用

43、同样的频带宽 度。,课件制作人：沈红,时分多路技术可以用在宽带系统中，也可以用在频分多路下的某个子通道上。时分多路复用按照子通道动态利用情况又可再分为同步时分和统计时分两种 1、同步时分复用(Statistic TDM) （Synchronous TDM）,频率,时间,B,C,D,B,C,D,B,C,D,B,C,D,A 在 TDM 帧中 的位置不变,课件制作人：沈红,时分复用,频率,时间,C,D,C,D,C,D,A,A,A,A,C,D,B 在 TDM 帧中 的位置不变,课件制作人：沈红,时分复用,频率,时间,B,D,B,D,B,D,A,A,A,A,B,D,C 在 TDM 帧中 的位置不变,课件

44、制作人：沈红,时分复用,频率,时间,B,C,B,C,B,C,A,A,A,A,B,C,D 在 TDM 帧中 的位置不变,课件制作人：沈红,时分复用可能会造成 线路资源的浪费,A,B,C,D,a,a,b,b,c,d,b,c,a,t,t,t,t,t,4 个时分复用帧,#1,a,c,b,c,d,时分复用,#2,#3,#4,用户,使用时分复用系统传送计算机数据时， 由于计算机数据的突发性质，用户对 分配到的子信道的利用率一般是不高的。,课件制作人：沈红,统计时分复用( Asynchronous STDM),用户,A,B,C,D,a,b,c,d,t,t,t,t,t,3 个 STDM 帧,#1,a,c,b,

45、a,b,b,c,a,c,d,#2,#3,统计时分复用,课件制作人：沈红,1550 nm 0 1551 nm 11552 nm 21553 nm 31554 nm 41555 nm 51556 nm 61557 nm 7,0 1550 nm 1 1551 nm 2 1552 nm 3 1553 nm 4 1554 nm 5 1555 nm 6 1556 nm 7 1557 nm,2.4.2 波分复用 WDM (Wavelength Division Multiplexing),一根光纤上使用不同的波长同时传送多路光波信号的一种技术。波分复用就是光的频分复用。,8 2.5 Gb/s 1310 nm

46、,20 Gb/s,复 用 器,分 用 器,EDFA,120 km,光调制器,光解调器,课件制作人：沈红,波分复用的技术特点与优势： 可灵活增加光纤传输容量（利用低损耗波 段） 同时传输多路信号（非同步信号 ） 成本低、维护方便 可靠性高，应用广泛,课件制作人：沈红,2.4.3 码分复用 CDM (Code Division Multiplexing),常用的名词是码分多址 CDMA (Code Division Multiple Access)。 各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此彼 此不会造成干扰。 这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力，其 频谱类似于白噪声，不易被敌人发现。 每一个比特

47、时间划分为 m 个短的间隔，称为 码片(chip)。,课件制作人：沈红,码片序列(chip sequence),每个站被指派一个唯一的 m bit 码片序列。 如发送比特 1，则发送自己的 m bit 码片序列 如发送比特 0，则发送该码片序列的二进制反码 例如，S 站的 8 bit 码片序列是 00011011。 发送比特 1 时，就发送序列 00011011 发送比特 0 时，就发送序列 11100100 S 站的码片序列：(1 1 1 +1 +1 1 +1 +1),课件制作人：沈红,CDMA 的重要特点,每个站分配的码片序列不仅必须各不相同， 并且还必须互相正交(orthogonal)。

48、 在实用的系统中是使用伪随机码序列。,课件制作人：沈红,码片序列的正交关系,令向量 S 表示站 S 的码片向量，令 T 表示其他任何站的码片向量。 两个不同站的码片序列正交，就是向量 S 和T 的规格化内积(inner product)都是 0：,(2-3),课件制作人：沈红,码片序列的正交关系举例,令向量 S 为(1 1 1 +1 +1 1 +1 +1)，向量 T 为(1 1 +1 1 +1 +1 +1 1)。 把向量 S 和 T 的各分量值代入(2-3)式就可看出这两个码片序列是正交的。,课件制作人：沈红,任何一个码片向量和该码片向量自己的规格化内积都是1 。一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是 1。,