計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)第8章

1、Nankai University計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)教程計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)教程自頂向下的分析與設(shè)計(jì)方法自頂向下的分析與設(shè)計(jì)方法吳功宜吳功宜 吳英吳英編著編著1Nankai University第第8章章 物理層與物理層與物理層協(xié)議物理層協(xié)議2Nankai University3Nankai University8.1 物理層的基本概念物理層的基本概念8.8.1 物理層的主要服務(wù)功能物理層的主要服務(wù)功能物理連接的建立、維護(hù)物理連接的建立、維護(hù)與釋放與釋放比特流的傳輸比特流的傳輸4Nankai University8.1.2 物理層協(xié)議的類型物理層協(xié)議的類型物理線路的類型物理線路的類型計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)使用的通信

2、信道分為兩計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)使用的通信信道分為兩類類： 點(diǎn)點(diǎn)-點(diǎn)通信線路點(diǎn)通信線路 廣播通信線路廣播通信線路5Nankai University點(diǎn)點(diǎn)-點(diǎn)通信線路的物理層協(xié)議點(diǎn)通信線路的物理層協(xié)議 電話線路是典型的點(diǎn)電話線路是典型的點(diǎn)-點(diǎn)通信線路；點(diǎn)通信線路； 家庭的個(gè)人計(jì)算機(jī)可以使用家庭的個(gè)人計(jì)算機(jī)可以使用ADSL調(diào)調(diào)制解調(diào)器，通過(guò)電話線路接入制解調(diào)器，通過(guò)電話線路接入ISP； 兩個(gè)兩個(gè)ADSL調(diào)制解調(diào)器之間通過(guò)電話調(diào)制解調(diào)器之間通過(guò)電話線路傳輸比特流所遵循的通信協(xié)議線路傳輸比特流所遵循的通信協(xié)議就是一種點(diǎn)就是一種點(diǎn)-點(diǎn)通信線路的物理層協(xié)點(diǎn)通信線路的物理層協(xié)議。議。6Nankai University

3、廣播通信線路的物理層協(xié)議廣播通信線路的物理層協(xié)議 廣播通信線路又分為有線與無(wú)線兩種；廣播通信線路又分為有線與無(wú)線兩種； 傳統(tǒng)的傳輸速率為傳統(tǒng)的傳輸速率為10Mbps的的Ethernet協(xié)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)議標(biāo)準(zhǔn)802.3是一種針對(duì)共享總線傳輸介是一種針對(duì)共享總線傳輸介質(zhì)的物理層協(xié)議；質(zhì)的物理層協(xié)議； 無(wú)線局域網(wǎng)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)無(wú)線局域網(wǎng)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)802.11是一種針對(duì)是一種針對(duì)共享無(wú)線通信信道的物理層協(xié)議。共享無(wú)線通信信道的物理層協(xié)議。7Nankai University8.2 數(shù)據(jù)通信的基本概念數(shù)據(jù)通信的基本概念8.2.1 信息與數(shù)據(jù)信息與數(shù)據(jù) 通信的目的是交換信息，信息的載體可通信的目的是交換信息，信息的載體

4、可以是文字、語(yǔ)音、圖形或圖像；以是文字、語(yǔ)音、圖形或圖像； 為了傳送這些信息，首先要將字母、數(shù)為了傳送這些信息，首先要將字母、數(shù)字、語(yǔ)音、圖形或圖像用二進(jìn)制代碼來(lái)字、語(yǔ)音、圖形或圖像用二進(jìn)制代碼來(lái)表示；表示； 為了傳輸二進(jìn)制代碼的數(shù)據(jù)，必須將它為了傳輸二進(jìn)制代碼的數(shù)據(jù)，必須將它們用模擬或數(shù)字信號(hào)編碼的方式表示。們用模擬或數(shù)字信號(hào)編碼的方式表示。8Nankai University8.2.2 信號(hào)的基本概念信號(hào)的基本概念 信號(hào)是數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中電信號(hào)的表示形式；信號(hào)是數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中電信號(hào)的表示形式； 信號(hào)分為模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)兩類；信號(hào)分為模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)兩類； 模擬信號(hào)的電平連續(xù)變化；模擬

5、信號(hào)的電平連續(xù)變化； 數(shù)字信號(hào)的電平以脈沖變化；數(shù)字信號(hào)的電平以脈沖變化；模擬信號(hào)模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)與數(shù)字信號(hào)波形波形9Nankai University8.3 數(shù)據(jù)編碼技術(shù)數(shù)據(jù)編碼技術(shù)8.3.1 數(shù)據(jù)編碼類型數(shù)據(jù)編碼類型10Nankai University8.3.2 模擬數(shù)據(jù)編碼方法模擬數(shù)據(jù)編碼方法11Nankai University8.3.3 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)編碼方法數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)編碼方法12Nankai University曼徹斯特（曼徹斯特（manchester）編碼）編碼 曼徹斯特編碼是應(yīng)用最廣泛的編碼方法之一；曼徹斯特編碼是應(yīng)用最廣泛的編碼方法之一； 曼徹斯特編碼的規(guī)則是：每比特的周期曼徹斯

6、特編碼的規(guī)則是：每比特的周期T分為分為前前T/2與后與后T/2兩部分；通過(guò)前兩部分；通過(guò)前T/2傳送該比特傳送該比特的反碼，通過(guò)后的反碼，通過(guò)后T/2傳送該比特的原碼；傳送該比特的原碼； 曼徹斯特編碼的優(yōu)點(diǎn)是：每個(gè)比特的中間有一曼徹斯特編碼的優(yōu)點(diǎn)是：每個(gè)比特的中間有一次電平跳變，兩次電平跳變的時(shí)間間隔可以是次電平跳變，兩次電平跳變的時(shí)間間隔可以是T/2或或T，利用電平跳變可以產(chǎn)生收發(fā)雙方的同，利用電平跳變可以產(chǎn)生收發(fā)雙方的同步信號(hào)；步信號(hào)； 曼徹斯特編碼信號(hào)稱為曼徹斯特編碼信號(hào)稱為“自含鐘編碼自含鐘編碼”信號(hào)，發(fā)信號(hào)，發(fā)送曼徹斯特編碼信號(hào)時(shí)無(wú)需另發(fā)同步信號(hào)。送曼徹斯特編碼信號(hào)時(shí)無(wú)需另發(fā)同步信號(hào)

7、。13Nankai University差分曼徹斯特（差分曼徹斯特（difference manchester）編碼）編碼 差分曼徹斯特編碼是對(duì)曼徹斯特編碼的差分曼徹斯特編碼是對(duì)曼徹斯特編碼的改進(jìn)；改進(jìn)； 差分曼徹斯特編碼與曼徹斯特編碼不同差分曼徹斯特編碼與曼徹斯特編碼不同點(diǎn)是：每比特的中間跳變僅做同步使用點(diǎn)是：每比特的中間跳變僅做同步使用，每比特的值根據(jù)其開始邊界是否跳變，每比特的值根據(jù)其開始邊界是否跳變來(lái)決定；來(lái)決定； 某個(gè)比特開始處發(fā)生電平跳變表示傳輸某個(gè)比特開始處發(fā)生電平跳變表示傳輸二進(jìn)制二進(jìn)制“0”；不發(fā)生跳變表示傳輸二進(jìn)制；不發(fā)生跳變表示傳輸二進(jìn)制“1”。14Nankai Univ

8、ersity脈沖編碼調(diào)制方法脈沖編碼調(diào)制方法 脈沖編碼調(diào)制（脈沖編碼調(diào)制（PCM）是模擬數(shù)據(jù)數(shù)字化的主）是模擬數(shù)據(jù)數(shù)字化的主要方法；要方法； PCM的工作原理示意圖的工作原理示意圖15Nankai University PCM操作包括：采樣、量化與編碼；操作包括：采樣、量化與編碼；采樣采樣 采樣是隔一定的時(shí)間間隔，將模擬信號(hào)的電平采樣是隔一定的時(shí)間間隔，將模擬信號(hào)的電平幅度取出作為樣本，讓其表示原來(lái)的信號(hào)；幅度取出作為樣本，讓其表示原來(lái)的信號(hào)； 采樣頻率采樣頻率f應(yīng)為：應(yīng)為：f2B或或f=1/T2fmax。 其中，其中，B為通信信道帶寬，為通信信道帶寬，T為采樣周期，為采樣周期，fmax為信道

9、允許通過(guò)的信號(hào)最高頻率；為信道允許通過(guò)的信號(hào)最高頻率； 如果以大于或等于通信信道帶寬如果以大于或等于通信信道帶寬2倍的速率對(duì)倍的速率對(duì)信號(hào)采樣，其樣本可以包含足以重構(gòu)原模擬信信號(hào)采樣，其樣本可以包含足以重構(gòu)原模擬信號(hào)的所有信息。號(hào)的所有信息。16Nankai University量化量化 量化是將樣本幅度按量化級(jí)決定取值的過(guò)程；量化是將樣本幅度按量化級(jí)決定取值的過(guò)程； 經(jīng)過(guò)量化后的樣本幅度為離散的量級(jí)值，已不經(jīng)過(guò)量化后的樣本幅度為離散的量級(jí)值，已不是連續(xù)值；是連續(xù)值；17Nankai University編碼編碼 編碼是用相應(yīng)位數(shù)的二進(jìn)制代碼表示量化后的編碼是用相應(yīng)位數(shù)的二進(jìn)制代碼表示量化后的

10、樣本的量級(jí)；樣本的量級(jí)； 當(dāng)當(dāng)PCM用于數(shù)字化語(yǔ)音系統(tǒng)時(shí)，它將聲音分為用于數(shù)字化語(yǔ)音系統(tǒng)時(shí)，它將聲音分為128個(gè)量化級(jí)，每個(gè)量化級(jí)采用個(gè)量化級(jí)，每個(gè)量化級(jí)采用7位二進(jìn)制編碼位二進(jìn)制編碼表示；表示； PCM可以用于計(jì)算機(jī)中的圖形、圖像數(shù)字化與可以用于計(jì)算機(jī)中的圖形、圖像數(shù)字化與傳輸處理中；傳輸處理中； PCM的缺點(diǎn)是采用二進(jìn)制編碼，由于使用的二的缺點(diǎn)是采用二進(jìn)制編碼，由于使用的二進(jìn)制位數(shù)較多，因此進(jìn)制位數(shù)較多，因此PCM的編碼效率比較低。的編碼效率比較低。18Nankai University8.4 數(shù)據(jù)傳輸類型與通信方式數(shù)據(jù)傳輸類型與通信方式8.4.1 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)19

11、Nankai University8.4.2 數(shù)據(jù)通信方式數(shù)據(jù)通信方式設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)需要回答設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)需要回答以下以下3個(gè)基本問(wèn)題個(gè)基本問(wèn)題： 串行通信與并行通信串行通信與并行通信 單工、半雙工與全雙工通信單工、半雙工與全雙工通信 同步技術(shù)同步技術(shù)20Nankai University串行通信串行通信與并行通信與并行通信21Nankai University單工、半雙工與全雙工通信單工、半雙工與全雙工通信22Nankai University同步技術(shù)同步技術(shù)同步是保持通信雙方在時(shí)間基準(zhǔn)上保持一致的過(guò)程；同步是保持通信雙方在時(shí)間基準(zhǔn)上保持一致的過(guò)程；數(shù)據(jù)通信的同步包括以下兩種類型

12、：數(shù)據(jù)通信的同步包括以下兩種類型： 位同步位同步 字符同步字符同步實(shí)現(xiàn)位同步的方法主要有兩種：實(shí)現(xiàn)位同步的方法主要有兩種： 外同步法外同步法 內(nèi)同步法內(nèi)同步法實(shí)現(xiàn)字符同步的方法主要有兩種：實(shí)現(xiàn)字符同步的方法主要有兩種： 同步式同步式 異步式異步式23Nankai University實(shí)現(xiàn)字符同步的同步傳輸方法實(shí)現(xiàn)字符同步的同步傳輸方法 采用同步方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸稱為同步傳輸；采用同步方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸稱為同步傳輸； 同步傳輸將字符組織成組，以組為單位連續(xù)傳送；同步傳輸將字符組織成組，以組為單位連續(xù)傳送； 每組字符之前加上一個(gè)或多個(gè)用于同步控制的同步字每組字符之前加上一個(gè)或多個(gè)用于同步控制的同步字符

13、符SYN，每個(gè)數(shù)據(jù)字符內(nèi)不加附加位；，每個(gè)數(shù)據(jù)字符內(nèi)不加附加位； 接收端接收到同步字符接收端接收到同步字符SYN后，根據(jù)后，根據(jù)SYN來(lái)確定數(shù)據(jù)來(lái)確定數(shù)據(jù)字符的起始與終止，以實(shí)現(xiàn)同步傳輸?shù)墓δ?。字符的起始與終止，以實(shí)現(xiàn)同步傳輸?shù)墓δ堋?4Nankai University異步傳輸異步傳輸 異步傳輸?shù)拿總€(gè)字符作為一個(gè)獨(dú)立的整體進(jìn)行異步傳輸?shù)拿總€(gè)字符作為一個(gè)獨(dú)立的整體進(jìn)行發(fā)送，字符之間的時(shí)間間隔可以是任意的發(fā)送，字符之間的時(shí)間間隔可以是任意的; 為了實(shí)現(xiàn)字符同步，每個(gè)字符的第一位前加為了實(shí)現(xiàn)字符同步，每個(gè)字符的第一位前加1位起始位（邏輯位起始位（邏輯“1”），字符的最后一位后加），字符的最后一位后

14、加1或或2位終止位（邏輯位終止位（邏輯“0”）;25Nankai University 在實(shí)際問(wèn)題中，人們也將同步傳輸在實(shí)際問(wèn)題中，人們也將同步傳輸稱為同步通信，將異步傳輸成為異稱為同步通信，將異步傳輸成為異步通信步通信; 同步通信比異步通信的傳輸效率要同步通信比異步通信的傳輸效率要高，因此同步通信更適用于高速數(shù)高，因此同步通信更適用于高速數(shù)據(jù)傳輸。據(jù)傳輸。26Nankai University8.5 傳輸介質(zhì)的主要類型傳輸介質(zhì)的主要類型傳輸介質(zhì)是網(wǎng)絡(luò)中連接收發(fā)雙方的物理通傳輸介質(zhì)是網(wǎng)絡(luò)中連接收發(fā)雙方的物理通路，也是通信中實(shí)際傳送信息的載體；路，也是通信中實(shí)際傳送信息的載體；網(wǎng)絡(luò)中常用的傳輸介

15、質(zhì)有網(wǎng)絡(luò)中常用的傳輸介質(zhì)有： 雙絞線雙絞線 同軸電纜同軸電纜 光纖電纜光纖電纜 無(wú)線與衛(wèi)星通信信道無(wú)線與衛(wèi)星通信信道27Nankai University8.5.1 雙絞線的主要特性雙絞線的主要特性 雙絞線由按規(guī)則螺旋結(jié)構(gòu)排列的雙絞線由按規(guī)則螺旋結(jié)構(gòu)排列的2根、根、4根或根或8根絕緣導(dǎo)線組成；根絕緣導(dǎo)線組成； 一對(duì)導(dǎo)線可以作為一條通信線路，各個(gè)線對(duì)螺一對(duì)導(dǎo)線可以作為一條通信線路，各個(gè)線對(duì)螺旋排列的目的是為了使各線對(duì)之間的電磁干擾旋排列的目的是為了使各線對(duì)之間的電磁干擾最??；最??； 局域網(wǎng)中所使用的雙絞線分為兩類：局域網(wǎng)中所使用的雙絞線分為兩類： 屏蔽雙絞屏蔽雙絞線（線（STP）與非屏蔽雙絞線（

16、）與非屏蔽雙絞線（UTP）；）；28Nankai University雙絞線的基本結(jié)構(gòu)雙絞線的基本結(jié)構(gòu)29Nankai University8.5.2 同軸電纜的主要特性同軸電纜的主要特性 同軸電纜由內(nèi)導(dǎo)體、絕緣層、外屏蔽層同軸電纜由內(nèi)導(dǎo)體、絕緣層、外屏蔽層及外部保護(hù)層組成；及外部保護(hù)層組成； 同軸介質(zhì)的特性參數(shù)由內(nèi)導(dǎo)體、外屏蔽同軸介質(zhì)的特性參數(shù)由內(nèi)導(dǎo)體、外屏蔽層及絕緣層的電參數(shù)與機(jī)械尺寸決定；層及絕緣層的電參數(shù)與機(jī)械尺寸決定； 同軸電纜的特點(diǎn)是抗干擾能力較強(qiáng)；同軸電纜的特點(diǎn)是抗干擾能力較強(qiáng)； 同軸電纜根據(jù)帶寬可以分為兩類：基帶同軸電纜根據(jù)帶寬可以分為兩類：基帶同軸電纜與寬帶同軸電纜。同軸電纜

17、與寬帶同軸電纜。30Nankai University同軸電纜的基本結(jié)構(gòu)同軸電纜的基本結(jié)構(gòu)31Nankai University8.5.3 光纖的主要特性光纖的主要特性 光纖是傳輸介質(zhì)中性能最好、應(yīng)用前途最廣泛光纖是傳輸介質(zhì)中性能最好、應(yīng)用前途最廣泛的一種；的一種； 光纖是一種直徑為光纖是一種直徑為50100m的柔軟、能傳導(dǎo)的柔軟、能傳導(dǎo)光波的介質(zhì)，多種玻璃和塑料可以用來(lái)制造光光波的介質(zhì)，多種玻璃和塑料可以用來(lái)制造光纖，其中使用超高純度石英玻璃纖維制作的光纖，其中使用超高純度石英玻璃纖維制作的光纖的纖芯可以得到最低的傳輸損耗；纖的纖芯可以得到最低的傳輸損耗； 在折射率較高的纖芯外面，用折射率較

18、低的包在折射率較高的纖芯外面，用折射率較低的包層包裹起來(lái)，外部包裹涂覆層，這樣就可以構(gòu)層包裹起來(lái)，外部包裹涂覆層，這樣就可以構(gòu)成一條光纖；成一條光纖； 多條光纖組成一束構(gòu)成一條光纜。多條光纖組成一束構(gòu)成一條光纜。32Nankai University 光纖通過(guò)內(nèi)部的全反射來(lái)傳輸一束經(jīng)過(guò)編碼的光纖通過(guò)內(nèi)部的全反射來(lái)傳輸一束經(jīng)過(guò)編碼的光信號(hào)；光信號(hào)； 由于光纖的折射系數(shù)高于外部包層的折射系數(shù)由于光纖的折射系數(shù)高于外部包層的折射系數(shù)，因此可以形成光波在光纖與包層的界面上的，因此可以形成光波在光纖與包層的界面上的全反射；全反射； 光纖結(jié)構(gòu)光纖結(jié)構(gòu)與傳輸原理與傳輸原理33Nankai Universit

19、y典型的光纖傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)典型的光纖傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在發(fā)送端，使用發(fā)光二極管（在發(fā)送端，使用發(fā)光二極管（LED）或注入型激光二極管）或注入型激光二極管（ILD）作為光源；）作為光源；在接收端，使用光電二極管在接收端，使用光電二極管PIN檢波器或檢波器或APD檢波器將光檢波器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)；信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)；光載波調(diào)制方法采用振幅鍵控光載波調(diào)制方法采用振幅鍵控ASK調(diào)制方法，即亮度調(diào)制調(diào)制方法，即亮度調(diào)制；光纖傳輸速率可以達(dá)到光纖傳輸速率可以達(dá)到Gbps的量級(jí)。的量級(jí)。34Nankai University8.5.4 無(wú)線與衛(wèi)星通信技術(shù)無(wú)線與衛(wèi)星通信技術(shù)微波通信微波通信 頻率在頻率在100MHz

20、10GHz之間的信號(hào)叫做微波信號(hào)；之間的信號(hào)叫做微波信號(hào)； 微波信號(hào)只能進(jìn)行視距傳播；微波信號(hào)只能進(jìn)行視距傳播； 由于微波信號(hào)的波長(zhǎng)比較短，因此可以利用尺寸較小由于微波信號(hào)的波長(zhǎng)比較短，因此可以利用尺寸較小的拋物面天線，就可以將微波信號(hào)能量集中在一個(gè)很的拋物面天線，就可以將微波信號(hào)能量集中在一個(gè)很小的波束內(nèi)發(fā)送出去，這樣就可以用很小的發(fā)射功率小的波束內(nèi)發(fā)送出去，這樣就可以用很小的發(fā)射功率來(lái)進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信；來(lái)進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信； 微波信號(hào)的頻率很高，因此可以獲得較大的通信帶寬微波信號(hào)的頻率很高，因此可以獲得較大的通信帶寬，特別適合于衛(wèi)星通信與城市建筑物之間的通信。，特別適合于衛(wèi)星通信與城市建筑物之間

21、的通信。35Nankai University蜂窩無(wú)線通信蜂窩無(wú)線通信 為了提高覆蓋區(qū)域的系統(tǒng)容量與充分利用頻率為了提高覆蓋區(qū)域的系統(tǒng)容量與充分利用頻率資源，人們提出了小區(qū)制的概念；資源，人們提出了小區(qū)制的概念； 將一個(gè)大區(qū)制覆蓋的區(qū)域劃分成多個(gè)小區(qū)，在將一個(gè)大區(qū)制覆蓋的區(qū)域劃分成多個(gè)小區(qū)，在每個(gè)小區(qū)（每個(gè)小區(qū)（cell）中設(shè)立一個(gè)基站（）中設(shè)立一個(gè)基站（base station），通過(guò)基站在用戶的移動(dòng)臺(tái)（），通過(guò)基站在用戶的移動(dòng)臺(tái)（mobile station）之間建立通信；）之間建立通信； 由若干個(gè)小區(qū)構(gòu)成的覆蓋區(qū)稱為區(qū)群。由若干個(gè)小區(qū)構(gòu)成的覆蓋區(qū)稱為區(qū)群。 由于區(qū)群的結(jié)構(gòu)酷似蜂窩，因此小

22、區(qū)制移動(dòng)通由于區(qū)群的結(jié)構(gòu)酷似蜂窩，因此小區(qū)制移動(dòng)通信系統(tǒng)又稱為蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)。信系統(tǒng)又稱為蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)。36Nankai University 在每個(gè)小區(qū)設(shè)立一個(gè)（或多個(gè)）基站，它與若在每個(gè)小區(qū)設(shè)立一個(gè)（或多個(gè)）基站，它與若干個(gè)移動(dòng)站建立無(wú)線通信鏈路；干個(gè)移動(dòng)站建立無(wú)線通信鏈路； 區(qū)群中各小區(qū)的基站之間可以通過(guò)電纜、光纜區(qū)群中各小區(qū)的基站之間可以通過(guò)電纜、光纜或微波鏈路與移動(dòng)交換中心連接；或微波鏈路與移動(dòng)交換中心連接； 移動(dòng)交換中心通過(guò)電路與市話交換局連接，從移動(dòng)交換中心通過(guò)電路與市話交換局連接，從而構(gòu)成一個(gè)完整的蜂窩移動(dòng)通信的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。而構(gòu)成一個(gè)完整的蜂窩移動(dòng)通信的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。蜂窩移動(dòng)通

23、信蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖：37Nankai University 1995年出現(xiàn)的第一代移動(dòng)通信是模擬方式，用年出現(xiàn)的第一代移動(dòng)通信是模擬方式，用戶的語(yǔ)音信息以模擬信號(hào)方式傳輸?shù)?；戶的語(yǔ)音信息以模擬信號(hào)方式傳輸?shù)模?1997年出現(xiàn)的第二代（年出現(xiàn)的第二代（2nd Generation，2G）移動(dòng)通信采用移動(dòng)通信采用GSM、TDMA等數(shù)字制式，使等數(shù)字制式，使得手機(jī)能夠接入互聯(lián)網(wǎng)；得手機(jī)能夠接入互聯(lián)網(wǎng)； 第三代（第三代（3rd Generation，3G）移動(dòng)通信能夠）移動(dòng)通信能夠在全球范圍內(nèi)更好地實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)的無(wú)縫漫游，在全球范圍內(nèi)更好地實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)的無(wú)縫漫游，使用手機(jī)來(lái)處理音樂(lè)

24、、圖像、視頻，瀏覽網(wǎng)頁(yè)使用手機(jī)來(lái)處理音樂(lè)、圖像、視頻，瀏覽網(wǎng)頁(yè)，參加電話會(huì)議，開展電子商務(wù)活動(dòng)，；，參加電話會(huì)議，開展電子商務(wù)活動(dòng)，； 第四代（第四代（4G）移動(dòng)通信技術(shù)正在研究中。）移動(dòng)通信技術(shù)正在研究中。38Nankai University衛(wèi)星通信衛(wèi)星通信 衛(wèi)星通信具有通信距離遠(yuǎn)、費(fèi)用與通信距離無(wú)衛(wèi)星通信具有通信距離遠(yuǎn)、費(fèi)用與通信距離無(wú)關(guān)、覆蓋面積大、不受地理?xiàng)l件限制、通信信關(guān)、覆蓋面積大、不受地理?xiàng)l件限制、通信信道帶寬大、可進(jìn)行多址通信與移動(dòng)通信的優(yōu)點(diǎn)道帶寬大、可進(jìn)行多址通信與移動(dòng)通信的優(yōu)點(diǎn)，成為現(xiàn)代主要的通信手段之一。，成為現(xiàn)代主要的通信手段之一。 衛(wèi)星通信的工作原理示意圖衛(wèi)星通信的

25、工作原理示意圖：39Nankai University8.6 數(shù)據(jù)傳輸速率的定義與信道速率的極限數(shù)據(jù)傳輸速率的定義與信道速率的極限8.6.1 數(shù)據(jù)傳輸速率的定義數(shù)據(jù)傳輸速率的定義 數(shù)據(jù)傳輸速率等于每秒傳輸構(gòu)成數(shù)據(jù)代碼的二數(shù)據(jù)傳輸速率等于每秒傳輸構(gòu)成數(shù)據(jù)代碼的二進(jìn)制比特?cái)?shù)，單位為進(jìn)制比特?cái)?shù)，單位為bit/s，表示為，表示為bps； 常用的數(shù)據(jù)傳輸速率單位有：常用的數(shù)據(jù)傳輸速率單位有： kbps、Mbps、Gbps與與Tbps。其中：。其中： 1kbps=1103 bps 1Mbps=1106 bps 1Gbps=1109 bps 1Tbps=11012 bps40Nankai Universit

26、y“調(diào)制速率調(diào)制速率”與與“波特率波特率” 調(diào)制速率描述模擬數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸過(guò)程中調(diào)制速率描述模擬數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸過(guò)程中調(diào)制解調(diào)器每秒鐘載波調(diào)制狀態(tài)改變的調(diào)制解調(diào)器每秒鐘載波調(diào)制狀態(tài)改變的數(shù)值，單位是數(shù)值，單位是1/s，稱為波特（，稱為波特（baud），），調(diào)制速率也稱為波特率；調(diào)制速率也稱為波特率； 數(shù)據(jù)傳輸速率數(shù)據(jù)傳輸速率S（單位為（單位為bps）與調(diào)制速）與調(diào)制速率率B（單位為（單位為baud）之間關(guān)系可以表示）之間關(guān)系可以表示為：為：S=Blog2k，式中，式中k為多相調(diào)制的相為多相調(diào)制的相數(shù)；數(shù)；41Nankai University調(diào)制速率與數(shù)據(jù)傳輸速率的關(guān)系調(diào)制速率與數(shù)據(jù)傳輸速率的關(guān)系4

27、2 調(diào)制調(diào)制速率（速率（baud） 多多相調(diào)制的相數(shù)相調(diào)制的相數(shù) 數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)傳輸速率（傳輸速率（bps） 1200 二相調(diào)制（二相調(diào)制（k=2） 1200 1200 四相調(diào)制（四相調(diào)制（k=4） 2400 1200 八相調(diào)制（八相調(diào)制（k=8） 3600 1200 十六相調(diào)制（十六相調(diào)制（k=16） 4800Nankai University8.6.2 奈奎斯特準(zhǔn)則與香農(nóng)定律的基本內(nèi)容奈奎斯特準(zhǔn)則與香農(nóng)定律的基本內(nèi)容 奈奎斯特定理描述有限帶寬、無(wú)噪奈奎斯特定理描述有限帶寬、無(wú)噪聲的理想信道的最大傳輸速率與信聲的理想信道的最大傳輸速率與信道帶寬的關(guān)系；道帶寬的關(guān)系； 香農(nóng)定理則描述了有限帶寬、有隨

28、香農(nóng)定理則描述了有限帶寬、有隨機(jī)熱噪聲信道的最大傳輸速率與信機(jī)熱噪聲信道的最大傳輸速率與信道帶寬、信號(hào)噪聲功率比之間的關(guān)道帶寬、信號(hào)噪聲功率比之間的關(guān)系。系。43Nankai University奈奎斯特準(zhǔn)則奈奎斯特準(zhǔn)則 奈奎斯特準(zhǔn)則指出：如果表示碼元的窄脈沖信奈奎斯特準(zhǔn)則指出：如果表示碼元的窄脈沖信號(hào)以時(shí)間間隔為號(hào)以時(shí)間間隔為/（=2f）通過(guò)理想通信信）通過(guò)理想通信信道，則前后碼元之間不產(chǎn)生相互串?dāng)_；道，則前后碼元之間不產(chǎn)生相互串?dāng)_； 根據(jù)奈奎斯特準(zhǔn)則，二進(jìn)制數(shù)據(jù)信號(hào)的最大數(shù)根據(jù)奈奎斯特準(zhǔn)則，二進(jìn)制數(shù)據(jù)信號(hào)的最大數(shù)據(jù)傳輸速率據(jù)傳輸速率Rmax與理想信道帶寬與理想信道帶寬B（B=f，單，單位位

29、Hz）的關(guān)系可以寫為：）的關(guān)系可以寫為：Rmax=2f（bps）；）； 對(duì)于二進(jìn)制數(shù)據(jù)，如果信道帶寬對(duì)于二進(jìn)制數(shù)據(jù)，如果信道帶寬B=3000Hz，則最大傳輸速率為則最大傳輸速率為6000bps。44Nankai University香農(nóng)定理香農(nóng)定理 香農(nóng)定理指出：在有隨機(jī)熱噪聲的信道中傳輸數(shù)據(jù)信香農(nóng)定理指出：在有隨機(jī)熱噪聲的信道中傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)時(shí)，傳輸速率號(hào)時(shí)，傳輸速率Rmax與信道帶寬與信道帶寬B、信噪比、信噪比S/N的關(guān)系的關(guān)系為：為：Rmax=Blog2（1+S/N）；式中，）；式中，Rmax單位為單位為bps，帶寬帶寬B單位為單位為Hz； 信噪比是信號(hào)功率與噪聲功率之比的簡(jiǎn)稱。在通信系信

30、噪比是信號(hào)功率與噪聲功率之比的簡(jiǎn)稱。在通信系統(tǒng)中，信噪比通常以分貝（統(tǒng)中，信噪比通常以分貝（db）表示。如果信噪比）表示。如果信噪比S/N為為1000，根據(jù)信噪比計(jì)算公式：，根據(jù)信噪比計(jì)算公式：S/N（db）=10lg（S/N），則用表示的該信道的信噪比），則用表示的該信道的信噪比S/N為為30db； 如果如果S/N=1000，信道帶寬，信道帶寬B=3000Hz，則該信道的最大，則該信道的最大傳輸速率傳輸速率Rmax30kbps； 香農(nóng)定律給出一個(gè)有限帶寬、有熱噪聲信道的最大數(shù)香農(nóng)定律給出一個(gè)有限帶寬、有熱噪聲信道的最大數(shù)據(jù)傳輸速率的極限值。據(jù)傳輸速率的極限值。45Nankai Univers

31、ity 由于信道的最大傳輸速率與帶寬由于信道的最大傳輸速率與帶寬 之間存在著明確關(guān)系，因此人們之間存在著明確關(guān)系，因此人們 可以用可以用“帶寬帶寬”表示表示“速率速率”； 人們常將網(wǎng)絡(luò)的人們常將網(wǎng)絡(luò)的“高傳輸速率高傳輸速率”用用網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)的“高帶寬高帶寬”表述。表述。46Nankai University 8.7 多路復(fù)用技術(shù)多路復(fù)用技術(shù) 8.7.1 多路復(fù)用的基本概念多路復(fù)用的基本概念 多路復(fù)用技術(shù)的實(shí)質(zhì)是：發(fā)送方將多路復(fù)用技術(shù)的實(shí)質(zhì)是：發(fā)送方將多個(gè)用戶的數(shù)據(jù)通過(guò)復(fù)用器匯集，多個(gè)用戶的數(shù)據(jù)通過(guò)復(fù)用器匯集，并將匯集的數(shù)據(jù)通過(guò)一條物理線路并將匯集的數(shù)據(jù)通過(guò)一條物理線路傳送到接收方；傳送到接收方；

32、 接收方通過(guò)分用器將數(shù)據(jù)分離成各接收方通過(guò)分用器將數(shù)據(jù)分離成各個(gè)單獨(dú)的數(shù)據(jù)，然后分發(fā)給接收方個(gè)單獨(dú)的數(shù)據(jù)，然后分發(fā)給接收方的多個(gè)用戶。的多個(gè)用戶。47Nankai University多路復(fù)用系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能多路復(fù)用系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能48Nankai University多路復(fù)用可以分為四種基本形式多路復(fù)用可以分為四種基本形式： 頻分多路復(fù)用（頻分多路復(fù)用（FDM）：以信道頻率為對(duì)象，通過(guò)設(shè)：以信道頻率為對(duì)象，通過(guò)設(shè)置多個(gè)頻率互不重疊的信道，達(dá)到同時(shí)傳輸多路信號(hào)置多個(gè)頻率互不重疊的信道，達(dá)到同時(shí)傳輸多路信號(hào)的目的。的目的。 波分多路復(fù)用（波分多路復(fù)用（WDM）：在一根光纖上復(fù)用多路光載：在一根光

33、纖上復(fù)用多路光載波信號(hào)，是光頻段的頻分多路復(fù)用。波信號(hào)，是光頻段的頻分多路復(fù)用。 時(shí)分多路復(fù)用（時(shí)分多路復(fù)用（TDM）：以信道傳輸時(shí)間為對(duì)象，通：以信道傳輸時(shí)間為對(duì)象，通過(guò)為多個(gè)信道分配互不重疊的時(shí)間片，達(dá)到同時(shí)傳輸過(guò)為多個(gè)信道分配互不重疊的時(shí)間片，達(dá)到同時(shí)傳輸多路信號(hào)的目的。多路信號(hào)的目的。 碼分多路復(fù)用（碼分多路復(fù)用（CDM或或CDMA）：在同一頻段的不同：在同一頻段的不同的信道采用經(jīng)過(guò)特殊挑選的碼型，使得在多個(gè)用戶同的信道采用經(jīng)過(guò)特殊挑選的碼型，使得在多個(gè)用戶同時(shí)利用共享信道通信時(shí)相互之間不產(chǎn)生干擾。時(shí)利用共享信道通信時(shí)相互之間不產(chǎn)生干擾。49Nankai University8.7.2

34、 時(shí)分多路復(fù)用時(shí)分多路復(fù)用 T1載波系統(tǒng)是將載波系統(tǒng)是將24路音頻信道復(fù)用在一條通信路音頻信道復(fù)用在一條通信線路；線路； PCM編碼器每秒取樣編碼器每秒取樣8000次；次； 24路路PCM信號(hào)的每一路，輪流將一個(gè)字節(jié)插入信號(hào)的每一路，輪流將一個(gè)字節(jié)插入到到1幀中。每個(gè)字節(jié)為幀中。每個(gè)字節(jié)為8位；位； 每幀由每幀由248=192位組成，附加一位作為幀開始位組成，附加一位作為幀開始標(biāo)志位，因此每幀共有標(biāo)志位，因此每幀共有193位；位； 發(fā)送一幀需要發(fā)送一幀需要125s； T1載波的傳輸速率為載波的傳輸速率為1.544Mbps。50Nankai University時(shí)分多路復(fù)用時(shí)分多路復(fù)用T1載波幀

35、結(jié)構(gòu)載波幀結(jié)構(gòu)51Nankai University同步時(shí)分多路復(fù)用同步時(shí)分多路復(fù)用時(shí)分多路復(fù)用分為時(shí)分多路復(fù)用分為： 同步時(shí)分多路復(fù)用同步時(shí)分多路復(fù)用 統(tǒng)計(jì)時(shí)分多路復(fù)用統(tǒng)計(jì)時(shí)分多路復(fù)用同步時(shí)分多路復(fù)用同步時(shí)分多路復(fù)用：將時(shí)間片預(yù)先分配給各個(gè)信道，并且時(shí)間將時(shí)間片預(yù)先分配給各個(gè)信道，并且時(shí)間片固定不變；片固定不變；統(tǒng)計(jì)時(shí)分多路復(fù)用統(tǒng)計(jì)時(shí)分多路復(fù)用：動(dòng)態(tài)地給信道分配時(shí)間片動(dòng)態(tài)地給信道分配時(shí)間片。52Nankai University 時(shí)分多路復(fù)用工作原理示意圖時(shí)分多路復(fù)用工作原理示意圖53Nankai University8.7.3 頻分多路復(fù)用頻分多路復(fù)用頻分多路復(fù)用是在一條通信線路上設(shè)置多個(gè)

36、信道，每頻分多路復(fù)用是在一條通信線路上設(shè)置多個(gè)信道，每個(gè)信道的中心頻率不相同，各個(gè)信道的頻率范圍互不個(gè)信道的中心頻率不相同，各個(gè)信道的頻率范圍互不重疊，這樣一條通信線路就可以同時(shí)傳輸多路信號(hào)。重疊，這樣一條通信線路就可以同時(shí)傳輸多路信號(hào)。54Nankai University8.7.4 波分多路復(fù)用波分多路復(fù)用 波分復(fù)用是在一根光纖上復(fù)用多路光載波信號(hào)波分復(fù)用是在一根光纖上復(fù)用多路光載波信號(hào)，是光頻段的頻分多路復(fù)用技術(shù)。，是光頻段的頻分多路復(fù)用技術(shù)。55Nankai University8.7.5 碼分多址與正交頻分復(fù)用碼分多址與正交頻分復(fù)用 碼分多址碼分多址CDMA：多個(gè)移動(dòng)通信用戶在同一個(gè)

37、：多個(gè)移動(dòng)通信用戶在同一個(gè)時(shí)間，使用相同的頻段進(jìn)行通信，各個(gè)用戶使時(shí)間，使用相同的頻段進(jìn)行通信，各個(gè)用戶使用特殊設(shè)計(jì)的碼型，它們之間不會(huì)互相干擾。用特殊設(shè)計(jì)的碼型，它們之間不會(huì)互相干擾。 多載波調(diào)制多載波調(diào)制OFDM：將信道分成若干個(gè)正交的：將信道分成若干個(gè)正交的子信道，將高速數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)換成子信道，將高速數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)換成n個(gè)并行的低個(gè)并行的低速子數(shù)據(jù)流，調(diào)制到在每個(gè)子信道上進(jìn)行傳輸速子數(shù)據(jù)流，調(diào)制到在每個(gè)子信道上進(jìn)行傳輸。正交信號(hào)可以在接收端采用相關(guān)技術(shù)來(lái)分開。正交信號(hào)可以在接收端采用相關(guān)技術(shù)來(lái)分開，實(shí)現(xiàn)頻分多路復(fù)用。，實(shí)現(xiàn)頻分多路復(fù)用。56Nankai University8.8 同步光纖網(wǎng)同

38、步光纖網(wǎng)SONET與同步數(shù)字體系與同步數(shù)字體系SDH8.8.1 SONET與與SDH的基本概念的基本概念同步、異步與準(zhǔn)同步的基本概念同步、異步與準(zhǔn)同步的基本概念同步同步 一組信號(hào)為同步信號(hào)，意味著信號(hào)之間是以絕一組信號(hào)為同步信號(hào)，意味著信號(hào)之間是以絕對(duì)相同的速率和相位傳輸；對(duì)相同的速率和相位傳輸； 如果信號(hào)之間的相位或速率存在偏差，則這個(gè)如果信號(hào)之間的相位或速率存在偏差，則這個(gè)偏差必須在規(guī)定范圍內(nèi)；偏差必須在規(guī)定范圍內(nèi)； 在同步網(wǎng)絡(luò)中所有時(shí)鐘都是通過(guò)銫原子鐘在同步網(wǎng)絡(luò)中所有時(shí)鐘都是通過(guò)銫原子鐘PRC獲得，獲得，PRC精度必須保持在精度必須保持在110-11之內(nèi)。之內(nèi)。57Nankai Univ

39、ersity準(zhǔn)同步準(zhǔn)同步 如果一組信號(hào)為準(zhǔn)同步信號(hào)，意味著信如果一組信號(hào)為準(zhǔn)同步信號(hào)，意味著信號(hào)之間的速率和相位必須基本相同；號(hào)之間的速率和相位必須基本相同； 如果信號(hào)之間的相位或速率存在偏差，如果信號(hào)之間的相位或速率存在偏差，則這個(gè)偏差也必須在規(guī)定范圍內(nèi)；則這個(gè)偏差也必須在規(guī)定范圍內(nèi)； 在兩個(gè)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的時(shí)鐘在兩個(gè)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的時(shí)鐘都通過(guò)基本的參考時(shí)鐘都通過(guò)基本的參考時(shí)鐘PRC獲得，但兩獲得，但兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)的個(gè)網(wǎng)絡(luò)的PRC之間的精度可能存在偏差之間的精度可能存在偏差，因此這種系統(tǒng)通常稱為準(zhǔn)同步系統(tǒng)。，因此這種系統(tǒng)通常稱為準(zhǔn)同步系統(tǒng)。58Nankai University異步

40、異步 如果一組信號(hào)為異步信號(hào)，各個(gè)信號(hào)之間的速如果一組信號(hào)為異步信號(hào)，各個(gè)信號(hào)之間的速率和相位偏差要大于準(zhǔn)同步信號(hào)，如果兩個(gè)網(wǎng)率和相位偏差要大于準(zhǔn)同步信號(hào)，如果兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)鐘分別從各自的石英振蕩器中獲得，則絡(luò)的時(shí)鐘分別從各自的石英振蕩器中獲得，則這兩組信號(hào)就是異步信號(hào)；這兩組信號(hào)就是異步信號(hào)； 由于異步傳輸系統(tǒng)的時(shí)鐘是獨(dú)立和非同步的，由于異步傳輸系統(tǒng)的時(shí)鐘是獨(dú)立和非同步的，接收時(shí)鐘與發(fā)送時(shí)鐘的差異會(huì)造成發(fā)送數(shù)據(jù)速接收時(shí)鐘與發(fā)送時(shí)鐘的差異會(huì)造成發(fā)送數(shù)據(jù)速率與接收數(shù)據(jù)速率的差異；率與接收數(shù)據(jù)速率的差異； 要保證接收端正確識(shí)別接收二進(jìn)制比特流，接要保證接收端正確識(shí)別接收二進(jìn)制比特流，接收端和發(fā)送端必

41、須采用復(fù)雜的同步技術(shù)。收端和發(fā)送端必須采用復(fù)雜的同步技術(shù)。59Nankai UniversitySDH的發(fā)展的三個(gè)階段的發(fā)展的三個(gè)階段： SONET的概念由美國(guó)貝爾通信研究所在的概念由美國(guó)貝爾通信研究所在1985年首先提年首先提出。設(shè)計(jì)出。設(shè)計(jì)SONET的目的是解決光接口標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范問(wèn)題，的目的是解決光接口標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范問(wèn)題，定義同步傳輸?shù)木€路速率的等級(jí)體系，以便不同的廠定義同步傳輸?shù)木€路速率的等級(jí)體系，以便不同的廠家的產(chǎn)品可以互聯(lián)，從而能夠建立大型的光纖網(wǎng)絡(luò)；家的產(chǎn)品可以互聯(lián)，從而能夠建立大型的光纖網(wǎng)絡(luò)； 1986年，年，CCITT（現(xiàn)（現(xiàn)ITU-T）接受）接受SONET的概念，并的概念，并于于1986年年7月成立了第月成立了第18研究組，開始同步數(shù)字體系研究組，開始同步數(shù)字體系SDH的研究工作，并使它成為通用性技術(shù)體制；的研究工作，并使它成為通用性技術(shù)體制； 1988年年ITU-T第第18研究組通過(guò)有關(guān)研究組通過(guò)有關(guān)SDH的三個(gè)建議，的三個(gè)建議，并在并在1989年年ITU-T的蘭皮書上正式登載，從而確立作的蘭皮書上正式登載，從而確立作為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的SDH。1992年，年，ITU-T增加十幾個(gè)建議增加十幾個(gè)建議書，從而出現(xiàn)國(guó)際統(tǒng)一的通信傳輸體制與速率、接口書，從而出現(xiàn)國(guó)際統(tǒng)一的通信傳輸體