1、第3章 物理层计算机网络技术及应用（第2版）3.1物理层的基本概念n物理层考虑的是怎样才能在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流，而不是指连接计算机的具体物理设备或具体的传输媒体。现有的计算机网络中的物理设备和传输媒体的种类非常繁多，而通信手段也有许多不同方式。物理层的作用正是要尽可能地屏蔽掉这些差异，使物理层上面的数据链路层感觉不到这些差异，这样就可以使数据链路层只需要考虑如何完成本层的协议和服务，而不必考虑网络具体的传输媒体是什么。用于物理层的协议也常称为物理层规程（Procedure），物理层规程也就是物理层协议。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：n（1）机械
2、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。n（2）电气特性 指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。n（3）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。n（4）规程特性 指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。n在物理连接的传输方式上一般都是串行传输传输，即一个一个比特按照时间先后顺序传输，但是，有时也可以采用多个比特的并行传输方式，处于经济上的考虑，远距离传输通常都是串行传输。3.2数据通信的理论基础n3.2.1傅立叶分析 n通信线路上传送的数据是以电信号的形式传送的，如果在传输介质上直接传送数字信号，则形成电压脉冲序列。这些电压脉冲序列都是时
3、间的单值函数，它们包含的谐波分量可以用傅立叶级数表示其特征并进行分析，以便了解信道包含的带宽以及对信号提出的要求。一般来说，基频为f的任意周期函数g（t）都可表示为无限个正弦函数和余弦函数之和，即：其中，C是一个常数，f为基频，周期T=1/f，a，b分别是n次正弦和余弦函值。如果单个矩形脉冲的幅度为A，宽度为，在时间轴两边对称，这样的矩形脉冲通过傅立叶变换，将时间函数变为频率函数，经推导可得出如下关系：n式中，为脉冲宽度，A为振幅，根据对该脉冲的频谱分析，当=4/时，sin2=0，S（）=0，近似地，如果把S（）的第一个零点处的=2/（或f=1/）看作传输宽度为的矩形脉冲所需要的频带宽度，即带
4、宽为B=f=1/n因此，带宽和脉冲宽度成反比。数字传输频率愈高，脉冲宽度就愈窄，要求的信道带宽就愈高。3.2.2有限带宽信号n信道上传输的信号可以看为不同字符编码脉冲的二进制比特流。现在以传输ASCII字符b编码脉冲信号为例，说明信道的通过能力。图3-1（a）左边示出了该编码的电压脉冲波形，该信号的傅立叶分析系数计算如下：Cn=3/8n传输信号的信道不是理想的，它对所传信号所含的各次谐波分量通过的能力不同：有些谐振波分量通过了；有些衰减了，或衰减很大；还有些谐振波分量甚至不能通过。另外，不同谐波相位延迟也不同。也就是说，信道对所传信号各次谐波的振幅作了不等量的衰减传送及相位延迟不同，引起了信号
5、波形的失真。因此要能保证信号传送的质量，信道的频带要适应或高于信号本身的频带。各次谐波振幅可用求得，此值的最小几次谐波振幅如图3-1（a）右边所示。各次谐波的能量与该次谐波的振幅成正比。图3-1 一个二进制信号和它的均方根傅立叶振幅 (b)（e）原信号的相继近似表3-1 信道数据率与通过谐波数的关系波特率B周期（ms）一次谐波频率（Hz）通过的谐波数30026.6737.59060013.3375.04512006.67150.02224003.33300.01148001.67600.0596000.831200.0212000.422400.01384000.214800.003.2.3数
6、字通信系统n1数字通信系统的组成n（1）组成 n有一些信源的信息本来就是离散的，如电报符号和数据等。所谓离散消息也称为数字信息，其信息的状态是可数的，不随时间作连续变化，最简单的一种数字信号如图3-2所示。图3-2 数字信号图3-3 数字通信系统（2）数字通信的特点优点 抗干扰能力强，尤其是数字信号通过中继再生后可消除噪声积累,理论上数字信号可以传送无限远。数字通信可以通过差错控制编码，提高通信的可靠性。由于数字信号传输一般采用二进制码，使用计算机对数字信号进行处理。数字通信可以完成计算机之间的通信，实现复杂的距离控制，例如由雷达、数字通信、计算机及导弹系统组成的自动化防空系统。数字通信系统可
7、以传送各种消息（模拟的和离散的），使通信系统灵活、通用，因而可以构成信号处理、传送、交换的现代数字通信网。数字信号易于加密处理，所以数字通信保密性强。另外，数字通信系统还具有集成化、体积小、重量轻、可靠性高等优点。缺点n数字通信较突出的缺点是比模拟通信占带宽，如一路模拟电话占4kHZ带宽，而一路数字电话约占2064 kHZ的带宽。由于卫星通信和光纤通信的工作频率带宽可达几十兆赫、几百兆赫甚至更高，所以数字通信占用频带宽的矛盾可以得到解决。2数字通信系统的主要技术指标n（1）信道最大数据传输率（尼奎斯特定理）n早在1924年，尼奎斯特（HNyquest）推导出非理想有限带宽无噪声信道的最大数据传
8、输率的表达式。一任意信号通过带宽为H的低通滤波器时，如果对被通过的信号每秒采样2H次，将采样值经过量化、编码然后变为矩形脉冲传送，在接收端依据接收的采样脉冲的编码值就可完整地重现这个滤波的信号，取更高的采样频率对恢复原波形已无意义，因为信号的高频分量已被滤波器滤掉，无法再恢复了。如果被传信号电平分为V级，尼奎斯特定理限定的最高数据率Rb为：n Rb=2Hlog2V（bps）n这个定理为估算已知带宽的信道最高速率提供了依据。虽然实际传送数据的速率远达不到这个极限值。（2）香农（Shannon）定理n实际的信道总是有噪声的，噪声影响信号的正常传送。相对于信号大小的噪声大小，经常用信噪比来度量。用S
9、表示信号功率，N表示噪声功率，则信噪比为S/N，信噪比常用dB表示，即10lgS/N，当S/N=10，则S/N为10dB，当S/N=100，则S/N为20dB。1984年，香农关于有噪声信道的主要结论是，带宽为H，信噪比为S/N的信道其最大数据传输率为RbnRb=Hlog2（1+S/N）（bps）n（3）码元传输速率Rn码元传输速率R又称传码率，是单位时间（每秒）内传送码元的数目，单位为“波特”(Boud)。n（4）信息传输速率Rn信息传输速率R又称传信率，是单位时间（每秒）内传送信息量，单位为比特/秒（bit/s）。n码元传输速率R和信息传输速率R统称为系统的传输速率。在二进制码元的传输中，
10、每个码元代表一个比特的信息量，所以这是码元传输速率R和信息传输速率R在数值上是相等的，即R=R，只是单位不同。而在多进制脉冲传输中，码元传输速率R和信息传输速率R不相等。如在M进制中，每个码元脉冲代表log2M个比特的信息量。这时传码率和传信率的关系是：R=R log2M（bit/s）n（5）误码率pn是指通信过程中系统传错码元的数目与所传输的总码元的数目之比，也就是传错码元的概率，既：n（6）误比特率pn又称误信率，是指传错信息的比特数目与所传输的总信息比特数之比，既：n传输码元的总数传错码元的个数ep传输的总比特数传错的比特数bp3.2.4 数据编码为了适应信道的传输特性及在接收端再生恢复
11、数字信号、基带信号应考虑的6原则:有利于提高系统的频带利用率。基带数字信号应具有尽量少的直流、甚低频及高频分量。基带数字信号中应具有足够大的供提取码元同步用的信号分量。基带数字信号传输的码型应基本上不受信号源统计特性的影响。基带数字信号传输的码型对噪声和码间串扰具有较强的抵抗力和自检能力。尽量降低译码过程引起的误码扩散，提高传输性能。码型及其编码方法主要掌握码型构成、波形及其特点n1.二电平码n二电平码是最基本的一种码型，它采用两种不同的电平来分别表示二进制中的“0”和“1”。例如，用恒定的正电平表示“1”，用无电平的状态表示“0”。下面主要介绍非归零电平码(NRZ-L)它是一种负逻辑的码型。
12、n(1)码型构成n用正电平表示0，用负电平表示1。n(2)波形如图3-4所示。2差分码n差分码是一种以电平跳变来表示数据信息的码型。以差分码传输数据时，在一个比特传输的持续时间内信号电平不会出现跳变，而且这段时间内的电平值与数据无关。差分码主要介绍非归零反相码(NRZ-I，Not Return to Zero-Invert on ones)n(1)码型构成n传输一个比特的起始电平发生跳转，这个比特表示二进制的1；如果此刻电平没有发生跳转，这个比特表示二进制的0。(2)波形如图3-5所示n(3)特点n优点：抗干扰能力强，在传输连续的比特1时，每个比特开始时刻都将发生电平的转换，此时信号具备了同步
13、信息。n缺点：在传输连续的比特0时，却不具备同步能力。3.双极性码n用三电平表示二进制数的码型。常用的双极性码有信号交替反转码（AMI）、8零替换码（B8ZS）和高密度双极性3零码（HDB3）。其中，8零替换码（B8ZS）和高密度双极性3零码（HDB3）均是信号交替反转码（AMI）的变种，主要解决在数据序列中传输连续的比特0时，信号的同步问题。(1)信号交替反转码（AMI）n码型构成n信号交替反转码用无电压的状态表示二进制的0，用交替的正、负电平表示1。n波形如图3-6所示n特点n优点：信号交替反转码用交替变换的正、负电平表示比特1的方法，使其所含的直流分量为0。能取得同步信号。n缺点：对于较
14、长的比特0序列，它还是无法取得同步信号。(2)双极性8零替换码n8零替换码是北美地区使用的一种AMI的变形码，为解决长0串提供同步信息的问题。n替换方法nB8ZS通过对连续8个比特0进行替换来实现上述功能，具体的替换方法如图3-7所示。两种模式的选择取决于待转换序列的前导比特1所采用的极性。图3-7 B8ZS 的替换方法接收端解码n无论选择哪种模式，在替换后的序列中均会出现两次相邻非零电平同极的现象。接收端正是通过检测这个特征来确定被替换序列的位置，以便把它还原成连续的8个比特0。n波形如图3-8所示。(3)高密度双极性3零码n为了克服传输波形中出现长连“0”的情况，人们在AMI码的基础上设计
15、了改进型的HDB码。在它的码字中最长连“0”数不超过3个。HDB码的编码规则：n在传输的二进制序列中，当连“0”码不大于3个时，HDB码的编码规律与AMI码相同，即“1”码变为“+1”、“-1”的交替脉冲，“0”码保持不变。n当代码序列中出现4个连“0”码或超过4个连“0”码时，把连“0”码按4个“0”分节，并使第4个“0”码变为“1”码，用V脉冲表示，即将“0000”变为“000V”。为了便于识别V脉冲，要使V脉冲的极性与前一个“1”码脉冲极性相同。由于连“0”节的这种安排破坏了AMI码的极性交替变化规律，故称V脉冲为破坏点脉冲。“000V”称为破坏节。n为使代码序列不含直流分量，要使相邻破
16、坏点V脉冲的极性交替变化。n要使两个相邻的破坏点V脉冲之间有奇数个“1”码，如果原序列中两个相邻的破坏点之间“1”码的个数为偶数个，则必须补为奇数。这就要使破坏节中的第一个“0”变为“1”码，并用B脉冲表示。这时破坏节变为“B00V”的形式。B脉冲的极性要求与前一个“1”脉冲相反，而保持V脉冲极性相同。HDB码的特点：n正负脉冲平衡，无直流分量，便于直接传输。n克服了出现长连“0”的缺点，也避免了因失去定时信息而造成的问题。nHDB码具有检错能力，当传输过程出现单个误码时，破坏点序列的极性交替规律将受到破坏，在接收端通过检查相邻的破坏点脉冲的极性是否符合极性交替规律便可进行差错检查，而且检查设
17、备比较简单。正因为如此，HDB码在PCM基带传输和高次群传输中得到了广泛的应用。波形如图3-9所示。4裂相码n裂相码是一种在比特中点位置上电平跳转为相反极的码型。常用的两种裂相码是：曼彻斯特码和差分曼彻斯特码。（1）曼彻斯特码n码型构成：n在比特中点位置上电平的跳变既作为数据信息又作为同步信息。在比特中点位置上出现的从负电平到正电平的跳变表示二进制的“1”码，将此刻出现从正电平倒负电平的跳变表示二进制的“0”码。图3-10曼彻斯特码波形图（2）差分曼彻斯特码n码型构成：n以比特中点位置上电平的跳变作为同步信息。以比特开始时刻是否出现电平跳变作为数据信息，比特开始时刻出现电平跳变，则该比特表示0
18、，否则表示1。n波形如图3-11所示。裂相码的特点：n裂相码通过位于比特中点电平跳变使数据信号自身夹带了时钟节拍，从而确保收发双方能够同步工作。但传输裂相码时需要更大的带宽。5多电平码：n多电平码是一种以M个电平状态表示由 n个比特组成的码元的编码（其中n与M的关系是n=log)。常用多电平码有自然码、格雷码。多电平码所需的M个电平是以0电平为中心对称等距离设置的。例如，当M=4时多电平码所选用的四个电平为3a、a、-a和-3a。表3-2列出了在4电平自然码和4电平格雷码中电平与码元的对应关系。表 3-2 M=4时自然码和格雷码的定义表自然码格雷码电平码元电平码元-3a00-3a00-a01-
19、a01a10a113a113a10特点：n优点：提高了传输效率和频带利用率。n缺点：M越大抗干扰能力越低，M一般不易超过16。4电平自然码波形如图3-12，4电平格雷码波形如图3-13所示。图3-12电平自然码 图3-13 4电平格雷码3.2.5数字调制技术n数据通信中数字信号的传输方式,分为基带传输和频带传输。n基带传输：当二进制编码的“0”和“1”的符号用电脉冲的“正”、“负”表示时，形成的是基带信号，将基带信号直接在信道上传输的方式称为基带传输方式。n频带传输：将数字基带信号变换成适合信道传输的数字频带信号，用载波调制方式进行传输，这种传输方式称为频带传输。频带传输系统的基本结构如图3-
20、14所示。图3-14 频带传输系统的基本结构n数字信号的载波调制有三种方法：即以数字基带信号去控制正弦载波的振幅、频率和相位，实现幅度键控（ASK）、频率键控（FSK）、相位键控（PSK）。1.数字幅度调制n用数字基带信号去控制正弦载波的振幅，使载波信号振幅随基带信号的变化而变化。n（1）2ASK信号的表示n在幅度键控调制(ASK)方式下，用载波的两个不同的振幅来表示两个二进制的值。假设用载波振幅等于0表示二进制数字信号的0，用载波振幅等于A表示二进制数字信号的1。即用振幅恒定载波的有无来表示二进制数字信号的1，0。如图3-15所示图3-15 2ASK信号的产生及波形（2）2ASK的特点：n2
21、ASK含有较大的载波分量，而载波分量不携带基带信号的任何内容的，所以2ASK系统的频带利用率和功率利用率较低。2.数字频率调制技术n数字频率调制是用数字基带信号去控制正弦载波的频率，使载波信号的频率随基带信号的变化而变化。载波振幅保持不变。n（1）2FSK信号的产生n设基带信号为“1”码时，用载频传输；“0”码时，用载频传输，则产生的2FSK信号，波形如图3-16所示。图3-16 2FSK信号的产生及波形（2）特点：n这种调制技术抗干扰能力强，适用于数字电路，但这种方法产生的2FSK信号的相位是不连续的，而且占用带宽较大。n相位不连续的2FSK信号可看成两个2ASK信号的叠加，在频域2FSK调
22、制就是将两个基带信号的频谱分别搬移到两个载波频率f1和f2的位置上，并对称于标称频率f0。3.数字相位调制n数字相位调制是用数字基带信号去控制正弦载波的相位，使载波信号的相位随基带信号的变化而变化。它有两种形式。绝对移相调制和相对移相调制。n （1）二相绝对移相调制（2PSK）n绝对移相调制用载波相位的不同值表示不同的数字信号，例如：用0相表示“1”码、用相表示“0”码。它们相对于固定不变的参考电位0，因此称为绝对移相。n2PSK信号的产生及波形如图3-17所示：n绝对移相调制的特点：n在绝对移相解调中会产生“相位模糊”，所以必须采用相对移相调制方法。n（2）二相相对移相2DPSK信号的产生n
23、相对移相可以看成是数字基带信号（绝对码）经过变换形成相对码后对载波的绝对移相。n2DPSK信号的产生原理图如图3-18所示。n绝对码：an相对码：b=b a图3-18 2DPSK信号的产生原理图 3.2.6脉冲编码调制n模拟数据通过数字信道传输有效率高、失真小的优点，而且可以开发新的通信业务，例如，数字电话系统可提供语音信箱的功能。把模拟数据转化成数字信号，要使用一种叫编码解码器（Codec）的设备。这种设备的作用和调制解调器的作用相反；调制解调器的作用是把数字数据变成模拟信号，经传输到达接收端再解调还原为数字数据。而编码解码器的作用是把模拟数据（例如，声音、图像等）变换成数字信号，经传输到达
24、接收端再解码还原为模拟数据。用编码解码器把模拟数据变换为数字信号的过程叫模拟数据的数字化。常用的数字化技术就是所谓的脉冲编码调制技术PCM（Pulse Code Modulation），简称脉码调制。PCM的原理如下：n（1）取样。每隔一定时间间隔，取模拟信号的当前值作为样本。该样本代表了模拟信号在某一时刻的瞬时值。一系列连续的样本可用来代表模拟信号在某一区间随时间变化的值。以什么样的频率取样，才能得到近似于原信号的样本空间呢？尼奎斯特（Nyquist）取样定理告诉我们：如果取样速率大于模拟信号最高频率的二倍，则可以用得到的样本空间恢复原来的模拟信号。即 f=2 fn其中f1为取样频率，T为取
25、样周期（即两次取样之间的时间间隔），f为信号的最高频率。n（2）量化。取样后得到的样本是连续值，这些样本必须量化为离散值，离散值的个数决定了量化的精度。图3.15中我们把量化的等级分为16级。每个样本都量化为它附近的等级值（图3-19）。n（3）编码。把量化后的样本值变成相应的二进制代码。按图3.15（b）的编码方案，我们得到相应的二进制代码序列，其中每个二进制代码都可用一个脉冲串（4位）来表示。这4位一组的脉冲序列就代表了经PCM编码的原模拟信号。图3-19 模拟信号采样 3.3 通信方式与交换方式n3.3.1数据通信方式n串行通信中，数据通常是在两个站（如终端和微机）之间进行传送，按照同一
26、时刻数据流的方向可分成三种基本传送模式，这就是全双工、半双工和单工传送。如图3-20所示。3.3.2异步传输和同步传输n在传送数字信号时，接收端必须有与数据位脉冲相同的频率的时钟来逐位将数据读入寄存器。这种在接收端使数据位与时钟在频率和相位上保持一致的机制成为同步。实现这种同步的技术称为同步方式。根据在接收端获取同步信号的方法不同，同步方式分为字符同步方式和位同步方式，也称异步传输方式和同步传输方式。1异步传输方式n异步传输方式特点是一个字符一个字符传输，每个字符由四个部分组成：起始位（占1位），数据位（占58位），奇偶校验位（占1位，也可以没有校检位），停止位（占1位或1位半或2位），每传送
27、一个字符都是以起始位开始，以停止位结束，字符之间没有固定的时间间隔要求。一帧数据的格式如图3-21所示。图3-21 数据帧的格式2同步传输方式n同步通信不像异步通信那样一次传送一个字符，而是一次传送一个字符块（如200个字符）。当然这个数据块的前后也有同步字符和数据校验字符。这种通信方式要求发送和接收设备要保持完全的同步，因此硬件复杂。(1)面向字符的同步协议n这种协议的典型代表是IBM公司的二进制同步通信协议（BSC）。它的特点是一次传送由若干个字符组成的数据块，而不是每次只传送一个字符，并规定了10个特殊字符作为这个数据块的开头与结束标志以及整个传输过程的控制信息，它们也叫做通信控制字。由
28、于被传送的数据块是由字符组成，故被称作面向字符的协议。协议的一帧数据格式如图3-22所示。SYNSYNSOH标 题STX数据块ETB/EXT块校验(2)面向比特的同步协议n面向比特的协议中最有代表性的是IBM的同步数据链路控制规程SDLC（Synchronous Data Control），国际标准化组织ISO的高级数据链路控制规程HDLC（High Level Data Link Control），美国国家标准协会（American Control Institute）的先进数据通信规程ADCCP（Advanced Data Communications Control Procedure）
29、。这些协议的特点是所传输的一帧数据可以是任意位，而且它是靠约定的位组合模式，而不是靠特定字符来标志帧的开始和结束，故称“面向比特”的协议。这种协议的一般帧格式如图3-23所示。图3-23 面向比特同步协议的帧格式01111110ACIFC01111110开始标志地址场控制场信息场校验场结束标志 8位 8位 8位 0位 16位 8位3.3.3交换方式n一个通信网络由许多交换结点互连而成。信息在这样的网络中传输就像火车在铁路网络中运行一样，经过一系列交换结点（车站），从一条线路换到另一条线路，最后才能到达目的地。交换结点转发信息的方式就是所谓交换方式。线路交换、报文交换和分组交换是三种最基本的交换
30、方式。1线路交换n线路交换方式把发送方和接受方用一系列链路直接连通。电话交换系统就是采用这种交换方式。当交换机收到一个呼叫后就在网络中、寻找一条临时通路供两端的用户通话，这条临时通路可能要经过若干个交换局的转换，并且一旦建立就成为这一对用户之间的临时专用通路，别的用户不能打断，直到通话结束才拆除连接。n电路交换的特点是建立连接需要等待较长的时间。由于连接建立后通路是专用的，因而不会有别的用户干扰，不再有传输延迟。这种交换方式适合于传输大量的数据。在传输少量信息时效率不高。2报文交换n这种方式不要求在两个通信结点之间建立专用通路。当一个结点发送信息时，它把要发送的信息组织成一个数据包报文，该数据
31、包中某个约定的位置含有目标结点的地址。完整的报文在网络中一站一站地传送。每一个结点接收整个报文，检查目标结点地址，然后根据网络中的交通情况在适当的时候转发到下一个结点。经过多次的存储一转发，最后到达目标结点(图)，因而这样的网络叫存储一转发网络。其中的交换结点要有足够大的存储空间（一般是磁盘），用以缓冲收到的长报文。交换结点对各个方向上收到的报文排队，寻找下一个转发结点，然后再转发出去，这些都带来了传输时间上的延迟（图）。报文交换的优点是不建立专用链路，线路利用率较高，这是由通信中的传输时延换来的。电子邮件系统（例如Email）适合于采用报文交换方式（因为传统的邮政本来就是这种交换方式）。3分
32、组交换n按照这种交换方式，数据包有固定的长度。因而交换结点只要在内存中开辟一个小的缓冲区就可以了。进行分组交换时，发结点先要对传送的信息分组，对各个分组编号，加上源和宿地址以及约定的头和尾信息。这个过程也叫信息的打包。一次通信中的所有分组在网络中传播又有两种方式。一种叫数据报（Datagram），另一种叫虚电路（Virtual Circuit）。（1）数据报。n类似于报文交换，每个分组在网络中的传播路径完全是由网络当时的状况随机决定的，因为每个分组都有完整的地址信息，所以都可以到达目的地（如果不出意外的话）。但是到达目的地的顺序可能和发送的顺序不一致。有些早发的分组可能在中间某段交通拥挤的线路
33、上耽搁了，比后发的分组到得迟（图），目标主机必须对收到的分组重新排序才能恢复原来的信息。一般来说在发送端要有一个设备对信息进行分组和编号，在接收端也要有一个设备对收到的分组拆去头尾，重新排序，具有这些功能的设备叫分组拆装设备PAD(Packet Assembly and Disassembly device)，通信双方各有一个。（2）虚电路。n类似于电路交换，这种方式要求在发送端和接收端之间建立一个所谓的逻辑连接。在会话开始时，发送端先发送一个要求建立连接的请求消息，这个请求消息在网络中传播，途中的各个交换结点根据当时的交通状况决定取哪条线路来响应这一请求，最后到达目的端。如果目的端给予肯定回
34、答，则逻辑连接就建立了。以后由发送端发出的一系列分组都走这同一条通路，直到会话结束，拆除连接。和线路交换不同的是，逻辑连接的建立并不意味着别的通信不能使用这条线路。它仍然具有线路共享的优点。图3-24交换方式 (a)线路交换(b)报文交换(c)分组交换nv3.4多路复用技术n多路复用技术解决的主要问题是在两地之间同时传送多路信号，最简单的办法是：使用多条线路，在每一条线路上传送一路信号。这个方法将大量浪费传输系统的效率和宝贵的资源。n由于传输介质的带宽与一路信号的所用的带宽相比，传输介质的带宽很宽，那么，传输介质的能力远远超过传输单一信号的能力。多路复用就是在一条线路上同时携带多个信号来高效地
35、使用传输介质。n（2）复用技术广泛使用的原因：n数据传输率越高传输系统的性能价格比越高n大多数通信设备要求达到的数据传输率并不高。n（3）根据信号分割技术的不同，多路复用分为频分多路复用和时分多路复用，时分多路复用又可分为同步时分多路复用和统计时分多路复用。3.4.1多路复用的基本概念n1多路复用技术的概念n多路复用就是一种将一些彼此无关的低速信号按照一定的方法和规则合并成一路复用信号，并在一条公用信道上进行数据传输，到达接收端后再进行分离的方法。2 多路复用技术组成原理 n复用器：复用器将n个输入信号，组合成一个单独的传输流。n解复用器：在接收端，传输流被解复用器接收，并分解成原来的几个独立
36、数据流，并导向所期望的接收设备。图3-25多路复用原理n通路：是指一条物理链路。n通道（信道）：通道是指通路中用来完成一路信号传输的单位，也称信道。一条通路可以有多条通道。3.4.2频分多路复用（FDM）n1FDM处理过程n（1）复用过程：n在复用器中，这些相似的信号被调制到不同的载波频率（f，f，f）上，将调制后的信号合成一个复用信号并通过宽频带的传输媒介传送出去。n通道之间要有相应的保护频带，所以调制后的复用信号带宽要大于每个输入信号带宽的n倍。n(2)解复用过程：n解复用器采用滤波器将复合信号分解成各个独立信号，然后每个信号再被送往解调器将他们与载波信号分离，最后将传输信号送给接收方处理
37、。图3-26频分多路复用原理2FDM标准化n为了适应各种传输系统的不同容量，AT&T设计了一种分级结构FDM机制。n群：分级结构的第一级标准是12路带宽为4000HZ的音频通道（信号占3000HZ，附加两个500HZ的保护频带），其带宽为12*4KHZ被复用到60108KHZ的频带上，这个单位叫做群。n超群：5个群涵该盖了60个话音通道，即被复用成一个超群。超群的频带范围为312552KHZ。n主群：10个超群输入组成主群组。任何带宽为240KHZ且频率范围在312552内的信号都可以作为主群复用器的输入。主群的带宽为2.52MHZ，并能支持600路音频信道。n巨群：6个主群组合成一个巨群。一
38、个巨群必须有6*2.52MHZ的带宽。加上保护频带，调整为16.984MHZ。3FDM的性能评价优点：n（1）系统效率较高，充分利用传输媒介的带宽。n（2）技术比较成熟，实现起来相对比较容易。缺点：n（1）对于信道的失真具有较高的要求，非线性失真会造成严重的串音和交叉调制的干扰。n（2）FDM系统所需的载波量大，所需设备随着输入信号的增多而增多。设备繁杂，不宜小型化。n（3）FDM技术本身不提供差错控制功能，不便于性能检测。n频分复用技术逐渐被时分多路复用技术所取代。3.4.3同步时分多路复用（TDM）n 1原理n抽样定理：n一个带限于（0，f）赫兹内的连续时间信号f(t)，如果以T小于或等于
39、1/（2 f）秒的时间间隔进行抽样，则f(t)将由得到抽样值f(k T)完全确定。这就是说f(t)完全可以用样值点代替。这就是带限波形信号的均匀抽样定理。该定理是模拟信号数字化的基础。n当抽样脉冲占据较短的时间时，在抽样脉冲之间就留有了空隙，利用这些空隙可以传输其它信号的抽样值。因此，就可以在一条信道上同时传递多个基带信号。2时分复用的基本概念n(1)帧nTNM在传送信号时，将通信时间分成一定长度的帧，每一个帧又分成若干时间片，每个时间片被分配来传输一条特定输入线路的数据，如果所有设备以相同的速率发送数据，每个设备就在每帧内获得一个时间片。一帧正是由时间片的完整循环组成的。n同步时分复用：每一
40、个时间片是预先分配给数据源的，而且是固定的。各个帧的某一个时间片组成了某个设备的传输通道。如图3-26每一个帧的第一个时间片组成了输入信号1和输出信号1的传输通道。图3-27 同步时分复用帧的传输(2)帧比特定位n在同步时分复用技术中，每一帧内时间片的顺序是固定的。复用器接收数据的信息就告诉了解复用器如何对每个时间片进行传输定向。因此帧中可以不需要地址信息。n在每一帧的开始附加一个或多个同步比特，以便于解复用器根据复用信息进行同步，从而正确的分离各时间片。3北美和国际的TDM传输标准n在时分复用技术中，模拟信号被端局的编码解码器数字化，生成一个8Bit的数字，编码解码器每秒采样8000次（12
41、5us/次）。n（1）在北美和日本使用T1线路，技术上的传输格式为DS1，T1线路由24个多路复用的话音信道组成，模拟信号被轮流采样，其样值被送到编码解码器，24路合用一个编码解码器，输出数字码流为1.544Mbit/s。n（1.544Mbit/s的计算：每帧由248=192bit，在加上1bit用于分帧，即125us产生193个bit，1938000=1.544Mbit/s。）n帧同步的模式：同步比特：01010101，接收端不断的检测该比特以保持同步，23个信道用于数据，第24个信道完全用于同步模式。n（2）在西欧和中国采用E1线路由30/32个多路复用的信道组成，输出数字码流为2.048
42、Mbit/s。它是国际（ITU-T）标准。3.4.4统计时分多路复用（STDM）n（1）同步时分复用系统存在的问题：n固定分配时隙，浪费系统资源。n（2）为提高时隙利用率，采用按需分配时隙技术，即动态分配所需时隙技术，称为统计时分复用技术。也称异步TDM或智能TDM。图3-28 同步时分复用2.实例图3-29 统计时分复用3.4.5两种多路复用技术的比较n 1.时分复用技术和频分多路复用技术相比较：n（1）抗干扰能力强n（2）信号可以再生n（3）由于大量采用数字电路，因而便于大规模集成，有利于小型化和降低成本。n（4）TDM非常适合数据传输和其他数字信号的传输。n（5）便于进行加密n（6）适合
43、光纤传输n（7）易于和程控交换机结合，构成综合业务数字网。2.具体应用比较n（1）低速设备较少时，FDM设备比TDM设备便宜。n（2）因为FDM需要保护带，FDM可达到的集合比特速率小于TDM的集合速率。n（3）TDM比FDM灵活，同一TDM对不同速率的终端可任意组合复用。n（4）TDM使用先进的监控系统、诊断系统、便于维护管理。3.4.6波分复用技术n波分复用就是光的频分复用。n波分复用(WDM)是将两种或多种不同波长的光载波信号(携带各种信息)在发送端经复用器(亦称合波器，Multiplexer)汇合在一起，并耦合到光线路的同一根光纤中进行传输的技术；在接收端，经解复用器(亦称分波器或称去
44、复用器，Demultiplexer)将各种波长的光载波分离，然后由光接收机作进一步处理以恢复原信号。这种在同一根光纤中同时传输两个或众多不同波长光信号的技术，称为波分复用。通信系统的设计不同，每个波长之间的间隔宽度也有不同。n按照通道间隔的不同，WDM可以细分为CWDM（稀疏波分复用）和DWDM（密集波分复用）。3.4.7码分复用（CDMA）n码分多址系统为每个用户分配了各自特定的地址码，利用公共信道来传输信息。CDMA系统的地址码相互具有准正交性以区别地址，而在频率、时间和空间上都可能重叠。也就是说，每一个用户有自己的地址码，这个地址码用于区别每一个用户，地址码彼此之间是互相独立的，也就是互
45、相不影响的，但是由于技术等种种原因，我们采用的地址码不可能做到完全正交，即完全独立，相互不影响，所以称为准正交，由于有地址码区分用户，所以我们对频率、时间和空间没有限制，在这些方面他们可以重叠。系统的接收端必须有完全一致的本地地址码用来对接收的信号进行相关检测。其他使用不同码型的信号因为和接收机本地产生的码型不同而不能被解调。它们的存在类似于在信道中引入了噪声或干扰，通常称之为多址干扰。n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，
46、不易被敌人发现。n每一个比特时间划分为 m 个短的间隔，称为码片(chip)。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。n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)。n 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)。在实用的系统中是使用伪随机码序列。n码片序列的正交关系 n令向量 S 表示站 S
47、的码片向量，令 T 表示其他任何站的码片向量。n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 0：011miiiTSmTS码片序列的正交关系举例n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)。n把向量 S 和 T 的各分量值代入上式就可看出这两个码片序列是正交的。正交关系的另一个重要特性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。n一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是 1。mimiimiiimSmSSm112211)1(111SS3.5计算机网络的传输介质n 传输介质是网络中连
48、接收发双方的物理通道，也是通信中实际传送信息的载体。网络中常用的传输介质分为有线传输介质和无线传输介质。传输介质的特性对网络中数据通信质量的影响很大，这些特性主要是：n（1）物理特性：对传输介质物理结构的描述。n（2）传输特性：传输介质允许传送信号的信号形式，使用的调制技术、传输容量与传输的频率范围。n（3）连通特性：允许点点或多点的连接。n（4）地理范围：传输介质的最大传输范围。n（5）抗干扰性：传输介质防止噪声与电磁干扰对传输数据影响的能力。n（6）相对价格：器件、安装与维护费用。3.5.1有线传输介质n1双绞线n（1）物理特性n双绞线由按规则螺旋结构排列的两根、四根、八根绝缘导线组成。一
49、对线可以作为一条通信线路。各个线对螺旋排列的目的是为了使各线对之间的电磁干扰最小。n在局域网中使用的双绞线分为两类：n屏蔽双绞线（STP:Shielded Twisted Pair）n非屏蔽双绞线（UTP：Unshielded Twisted Pair）。n 屏蔽双绞线在双绞线和外层保护套之间增加一层金属屏蔽保护膜，用以减少电磁干扰。传输速率在1M155M之间，一般为16M。（2）传输特性n在局域网中常用的双绞线根据传输特性可以分为五类：在典型的以太网中，常用第三类、第四类、第五类、超五类线非屏蔽双绞线。通常简称三类线、四类线、五类线、超五类线。n其中，三类线：带宽为16MHZ，适用于语音及1
50、0Mbps以下的数据传输；n四类线：20M的带宽，16M的速率，语音传输。n五类线：带宽为100MHZ，适用于语音及100Mbps的高速数据传输，甚至可以支持155Mbps的ATM数据传输。n超五类线：100M的带宽，100M的速率。与5类相比衰减小，抗干扰能力强n（3）连通性n双绞线可以用于点对点连接、多点连接。n（4）地理范围n双绞线用于远程中继线时最大距离可达15公里。用于10Mbps局域网时，与集线器的距离最大为100m。n（5）抗干扰能力n双绞线的抗干扰能力取决于一束线中相邻线对的扭曲长度及适当的屏蔽。n（6）价格n双绞线的价格低于其它传输介质,安装、维护方便。n组建局域网络所用的双
