计算机网络原理与应用完教学课件电子教案.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第,1,章 计算机网络概述,计算机网络原理及应用,1.1,计算机网络的形成与发展,计算机网络的发展大致分四个阶段：以单台计算机为中心的远程连机系统，构成面向终端的计算机网络；多个主机互连，各主机相互独立，无主从关系的计算机网络；具有统一的网络体系结构，遵循国际标准化协议的计算机网络；网络互联与高速网络。,1.1.1,面向终端的计算机网络,图,1-1,远程联机系统,1.1.2,计算机,计算机网络,1.1.3,开放式标准化网络,ISO,制定并在,1984,年正式颁布了一个称为开放系统互连基本参考模型,(Open System Interconnection Basic Reference Model,OSI/RM),的国际标准,ISO 7498,。,另一个开放式标准化网络的著名例子就是因特网（,Internet,也译为国际互联网）。它是在原,ARPAnet,技术上经过改造而逐步发展起来的，它对任何计算机开放，只要遵循,TCP/IP,协议的标准并申请到,IP,地址，就可以通过信道接入,Internet,。这里,TCP,和,IP,是,Internet,所采用的一套协议中最核心的两个，分别称传输控制协议，（,Transmission Control,Protocol,TCP,）和网际协议或互联网协议,(Internet Protocol,IP),。它们虽然不是某个国际官方组织制定的标准，但由于被广泛采用，已成为事实上的国际标准。,1.1.4,网络计算的新时代,计算机的发展已进入了网络计算机的新时代，换句话说就是以网络为中心的时代。,计算机网络向高速化发展。,三网融合甚至多网融合是一个重要的发展方向,统一的,IP,网，即”,IP over,everying,”,和“,Everying,on IP”,。,有人描述未来通信和网络的目标是实现,5W,的个人通信。,未来的计算机网络结构处于核心的是能传输各种多媒体信息的高速宽带主干网，它外连许多汇聚点（,Point Of Presence POP,）。端用户（,User,）可以通过电话线、电视电缆、光缆、无线信道等不同的传输媒体进入由形形色色的技术组成的不同接入网（,Access Network,）,再由汇聚点集中后连入主干网。,1.2,计算机网络的概念,1.2.1,计算机网络的定义,对计算机网络可做如下定义：将处于不同地理位置，并具有独立计算能力的计算机系统经过传输介质和通信设备相互连接，在网络操作系统和网络通信软件的控制下，实现资源共享的计算机的集合。,从这段话中我们可以看到三重意思：首先，一个计算机网络中包含了多台具有自主功能的计算机，所谓具有自主功能是指这些计算机离开了网络也能独立运行与工作。其次，这些计算机之间是相互连接的（有机连接），所使用的通信手段可以形式各异，距离可远可近，连接所用的媒体可以是双绞线（如电话线），同轴电缆（如闭路有线电视所用的电缆）或光纤，甚至还可以是卫星或其他无线信道，信息在媒体上传输的方式和速率也可以不同；最后，计算机之所以要相互连接是为了进行信息交换，资源共享或协同工作。,从概念上说，计算机网络由通信子网和资源子网两部分构成，如图,1-3,所示,图,1-3,中通信子网（见图,1-4,）负责计算机间的数据通信，也就是信息的传输。,图,1-3,计算机网络的构成,节点,图,1-4,通信子网,对计算机网络的概念，不同的书上有不同的定义，但不管怎样都离不开以下四个基本要素：,（,1,）两台以上的计算机,（,2,）连接计算机的线路和设备,（,3,）实现计算机之间通信的协议,（,4,）按协议制作的软件、硬件,1.2.2,计算机网络的特点,计算机网络具有较强的数据通信能力，成本低、效益高，易于分布处理，系统灵活性高、适应性强，各计算机既相互联系，又相互独立。,据预测，今后计算机网络将具有以下几个特点：,开放式的网络体系结构，使具有不同硬件环境、不同网络协议的网络可以互连，真正达到资源共享、数据通信和分布处理的目标。,向高性能发展，追求高速、高可靠和高安全性，采用多媒体技术、提供文本、声音、图像等综合性服务。,计算机网络的智能化，多方面提高网络的性能和综合的多功能服务，并更加合理地进行网络各种业务的管理，真正以分布和开放的形式向用户提供服务。,1.2.3,计算机网络的功能和应用,1.,计算机网络的功能,计算机网络的功能可归纳为资源共享，提供人际通信手段，提高可靠性，节省费用，便于扩充，分担负荷及协同处理等方面。这些方面的功能本身也是相辅相成的,.,2.,计算机网络的应用,它在工业、农业、交通运输、邮电通信、文化教育、商业、国防以及科学研究等领域获得越来越广泛的应用。,1.2.4,计算机网络的组成,计算机网络包括通信子网和资源子网。通信子网完成信息分组的传递工作，每个通信节点具有存储转发功能。资源子网包含所有由通信子网连接的主机，向网络提供各种类型的资源。通信子网和资源子网可分别建设。计算机网络系统由网络硬件和网络软件组成。,1.,网络硬件,网络硬件是指在计算机网络中所采用的物理设备，包括以下内容：,（,1,）网络服务器,提供网络资源。,（,2,）工作站,用户机。,（,3,）网络设备：,网卡（网络适配器）。,集线器,接线（,HUB,）。,中继器,放大信号。,网桥,两个局域网连接。,路由器,局域网与广域网的连接。,（,4,）传输介质：,如：同轴电缆、双绞线、光缆、无线电、微波等。,2.,网络软件,协议和软件在网络通信中扮演了极为重要的角色。网络软件可大致分为网络系统软件和网络应用软件。,网络系统软件是控制和管理网络运行、提供网络通信和网络资源分配与共享功能的网络软件，它为用户提供了访问网络和操作网络的友好界面。,网络应用软件是指为某一个应用目的而开发的网络软件，它为用户提供一些实际的应用。,1.3,计算机网络的分类,计算机网络的分类方法可以是多样的，其中最主要的两种方法是：按照网络所使用的传输技术（,transmission technology,）分类；按照网络的覆盖范围与规模（,scale,）分类。,1.3.1,按传输技术划分,在通信技术中，通信信道的类型有两类：广播通信信道与点一点通信信道。在广播通信信道中，多个结点共享一个通信信道，一个结点广播信息，其它结点必须接受信息。而在点一点通信信道中，一条通信线路只能连接一对结点，如果两个结点之间没有直接连接的线路，那么它们只能通过中间结点转接。显然，网络要通过通信信道完成数据传输任务，因此网络所采用的传输技术也只能有两类，即广播（,Broadcast,）方式与点一点（,Point-to-Point,）方式。,（,1,）广播式网络（,Broadcast Networks,）：如总线形网、环形网、微波卫星网等。,（,2,）点一点式网络（,Point-to-Point Networks,）：如星形、树形、网形等。,1.3.2,按分布距离划分,1.,局域网,(LAN,，,Local Area Network),：,2.,广域网,(WAN,，,Wide Area Network),：,3.,城域网,(MAN,，,Metropolitan Area Network),：,表,1-1,计算机网络的主要特征参数,网络分类,缩写,分布距离（大约）,网络中的物理设备,传输速率范围,局域网,LAN,10m,房间,4Mb/s,2Gb/s,100m,建筑物,几千米,校园,城域网,MAN,10km,城市,50kb/s,100Mb/s,广域网,WAN,10-1000 km,城市、国家和洲,9.6kb/s,45Mb/s,1.3.3,其它几种分类方法,1.,按传输速率划分,低速网络：传输速率为几十至,10Kbps,。,中速网络：传输速率为几万至几十,Mbps,。,高速网络：传输速率为,100M,至几个,Gbps,。,注：,1K=1024 b 1M=1024 K 1G=1024 M,。,2.,按传输媒体划分,有线计算机网：传输介质可以是双绞线、同轴电缆和光纤等。,无线计算机网：传输介质有无线电波、微波、红外线、激光等。,3.,按拓扑结构划分,网络的拓扑结构是指抛开网络中的具体设备，用点和线来抽象出网络系统的逻辑结构。可分为星型、总线型、环形、树型、网状结构。,3.,按交换方式划分,电路交换网：如电话系统。,报文交换：如电报。,分组交换（信元交换）：如因特网、,ATM,网络。,5.,按适用范围划分,公用网：如,CHINAPAC,。,专用网：如微软公司的内部网络。,6.,按照在网络中所处的位置划分,接入网：用来把用户接入到因特网的网络，由,ISP,提供的接入网只是起到让用户能够与因特网连接的“桥梁”作用。,传输网：如,x.25,，,ATM,等。,1.4,计算机网络拓扑结构,1.4.1,计算机网络拓扑的定义,计算机网络设计的第一步就是要解决在给定计算机的位置及保证一定的网络响应时间、吞吐量和可靠性的条件下，通过选择适当的线路、线路容量、连接方式，使整个网络的结构合理，成本低廉。为了应付复杂的网络结构设计问题，人们引入了网络拓扑的概念。,计算机网络拓扑主要是指通信子网的拓扑构型。,网络的拓扑结构是抛开网络物理连接来讨论网络系统的连接形式，网络中各站点相互连接的方法和形式称为网络拓扑。拓扑结构图给出网络服务器、工作站的网络配置和相互间的连接，它的结构主要有星型结构、总线结构、树型结构、网状结构、环形结构等。,1.4.2,两类网络拓扑,网络拓扑可以根据通信子网中通信信道类型分为两类：,1),点一点线路子网的拓扑,(,点对点式,),。,2),广播信道子网的拓扑,(,多点式,),。,在采用点一点线路的通信子网中，每条物理线路连接一对结点。采用点一点线路的通信子网的基本拓扑构型有,4,种：星型、环型、树型、网状型。,在采用广播信道的通信子网中，一个公共的通信信道被多个网络结点共享。采用广播信道通信子网的基本拓扑构型主要有,4,种：总线型、树型、环型、无线通信与卫星通信型。,1.4.3,常见的几种网络拓扑特点,1.,总线型拓扑,定义：总线结构是指各工作站和服务器均挂在一条总线上，各工作站地位是平等的。,特点：结构简单，可扩充性好，但维护难，分支节点故障查找难。,以太网是一种流行的公共总线网络。,2.,星型拓扑,定义：星型拓扑是指所有的网络节点都通过传输介质与中心节点相连，采用集中控制，即任何两节点之间的通信都要通过中心节点进行转发。,特点：结构简单，便于管理；控制简单，便于建网；网络延迟时间较小，传输误差较低，但成本高、可靠性较低、资源共享能力也较差。,3.,环型拓扑,定义：由网络中若干节点通过点到点的链路首尾相连形成一个闭合的环。,特点：信息流在网中是沿着固定方向流动的，两个节点仅有一条道路，故简化了路径选择的控制；环路上各节点都是自举控制，故控制软件简单；但可靠性低，一个节点故障，将会造成全网瘫痪；维护难，对分支节点故障定位较难。,4.,树型拓扑的主要特点,定义：是分级的集中控制式网络。树状型拓扑见图,1-8,。,特点：通信线路总长度短，成本较低，节点易于扩充，寻找路径比较方便，但任一节点或其相连的线路故障都会使系统受到影响。,5.,网状型拓扑,网状拓扑构型又称做无规则型。在网状拓扑构型中，结点之间的连接是任意的，没有规律的。网状型拓扑见图,1-9,。,特点：它的安装也很复杂，但系统可靠性高，容错能力强。,6.,分布式结构,定义：是将分布在不同地点的计算机通过线路互连起来的一种网络形式。,特点：由于采用分散控制，即使整个网络中的某个局部出现故障，也不会影响全网的操作，因而具有很高的可靠性，但连接线路电缆长，造价高；网络管理软件复杂；报文分组交换、路径选择、流向控制复杂；在一般局域网中不采用这种结构。,1.5,几种典型的计算机网络结构类型,依信息处理的方式不同,计算机局域网的类型常见的主要有以下四种：集中处理的主机,-,终端机结构、对等网络系统结构和基于服务器的客户机服务器系统结构以及无盘工作站网络结构。,1.5.1,集中处理的主机,-,终端机结构,从计算机的发展来看，在,20,世纪,60,年代后期曾形成了以一台主机为中心的多用户系统，这是一种集中式网络（,centralized network,）的主机,-,终端机系统结构。这种系统结构的特点是终端计算机只是简单的输入,/,输出设备，其本身不做任何处理，所有事务都由主机集中处理。,1.5.2,对等网络结构,对等网络是非结构化的访问网络资源。网络中的所有设备可直接访问数据、软件和其他网络资源。换言之，每一台网络计算机与其他连网的计算机是对等（,peer,）的，它们没有层次的划分。,1.5.3,客户机服务器网络结构,客户,-,服务器结构（简称,C/S,结构）是在专用服务器结构的基础上发展起来的。随着局域网的不断扩大和改进，在局域网的服务器中共享文件、共享设备的服务仅仅是典型应用中的一部分。技术的发展使得文件服务器也可以完成一部分处理工作。每当用户需要一个服务时，由工作站发出请求，然后由服务器执行相应的服务，并将服务的结果送回工作站，这时工作站已不再运行完整的程序，其身份也自然从工作站变化为客户机。这里的,C/S,结构是指将局域网中需要处理的工作任务分配给客户机和服务器端共同完成的。其实，客户机和服务器并没有一定的界限，必要时两者的角色可以交换，到底何为客户机？何为服务器？完全按照其所扮演的角色来确定。一般的定义是：提出服务请求的一方称为客户机，而提供服务的一方就是服务器。,1.5.4,无盘工作站网络结构,无盘工作站顾名思义就是没有硬盘，软驱基于服务器网络的一种结构，无盘工作站利用网卡上的启动芯片与服务器连接，使用服务器的硬盘空间进行资源共享。,“无盘工作站网络”可以实现“客户机服务器网络”的所有功能，在它的工作站上，没有磁盘驱动器，但因为每台工作站都需要从“远程服务器”启动，所以对服务器、工作站以及网络组建的要求较高，因而成本并不比“客户机服务器网络”成本低多少，但它的稳定性，安全性一直为大众所看好，特别是被一些安全系数要求较高的企业所喜爱。,1.6,计算机网络的性能,1.6.1,计算机网络的性能指标,1.,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 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。,2.,带宽,“带宽”,(bandwidth),本来是指信号具有的频带宽度，单位是赫（或千赫、兆赫、吉赫等）。现在“带宽”是数字信道所能传送的“最高数据率”的同义语，单位是“比特每秒”，或,b/s,(bit/s),。,常用的带宽单位,b/s,(bit/s),，更常用的带宽单位是：千比每秒，即,kb/s,（,103,b/s,），兆比每秒，即,Mb/s,（,106,b/s,），吉比每秒，即,Gb/s,（,109,b/s,），太比每秒，即,Tb/s,（,1012,b/s,）。,请注意：在计算机界，,K=210=1024,，,M=220,G=230,T=240,。,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窄。,图,1-10,时间轴上信号的宽度随带宽的增大而变窄,3.,吞吐量,吞吐量,(throughput),表示在单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的数据量。吞吐量更经常地用于对现实世界中的网络的一种测量，以便知道实际上到底有多少数据量能够通过网络。吞吐量受网络的带宽或网络的额定速率的限制。,4.,时延,(delay,或,latency),传输时延（发送时延）发送数据时，数据块从结点进入到传输媒体所需要的时间。也就是从发送数据帧的第一个比特算起，到该帧的最后一个比特发送完毕所需的时间。,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。,信号传输速率（即发送速率）和信号在信道上的传播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（如图,1-11,所示）：,总时延,=,发送时延,+,传播时延,+,处理时延,+,处理时延,下面是四种时延所产生的地方。假设信息从结点,A,向结点,B,发送数据。,5.,时延带宽积,传播时延和带宽的乘积叫做时延带宽积，如图所示。这是一个代表链路的圆形管道，管道的长度是链路的传播时延，而管道的截面积是链路的带宽，因此，时延带宽积就表示这个管道的体积，表示这样的链路可容纳多少个比特。,6.,利用率,信道利用率指出某信道有百分之几的时间是被利用的（有数据通过）。完全空闲的信道的利用率是零。网络利用率则是全网络的信道利用率的加权平均值。信道利用率并非越高越好。,时延与网络利用率的关系：,根据排队论的理论，当某信道的利用率增大时，该信道引起的时延也就迅速增加。若令,D0,表示网络空闲时的时延，,D,表示网络当前的时延，则在适当的假定条件下，可以用下面的简单公式表示,D,和,D0,之间的关系：,U,是网络的利用率，数值在,0,到,1,之间。,1.6.2,计算机网络的非性能特征,1.,费用,2.,质量,3.,标准化,4.,可靠性,5.,可扩展性和可升级性,6.,易于管理和维护,第,3,章 物理层技术,计算机网络原理及应用,3.1,物理层的基本概念,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：,（,1,）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。,（,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。,（,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。,（,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。,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,3.2.1,傅立叶分析,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：,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，即带宽为,B=f=1/,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,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：,C,n,=3/8,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,300,26.67,37.5,90,600,13.33,75.0,45,1200,6.67,150.0,22,2400,3.33,300.0,11,4800,1.67,600.0,5,9600,0.83,1200.0,2,1200,0.42,2400.0,1,38400,0.21,4800.0,0,3.2.3,数字通信系统,1,数字通信系统的组成,（,1,）组成,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,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,20,64,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,（,1,）信道最大数据传输率（尼奎斯特定理）,早在,1924,年，尼奎斯特（,H,Nyquest,）推导出非理想有限带宽无噪声信道的最大数据传输率的表达式。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：,Rb,=2Hlog2V,（,bps,）,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,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,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,Rb,Rb,=Hlog2,（,1+S/N,）（,bps,）,（,3,）码元传输速率,R,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,),。,（,4,）信息传输速率,R,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,）。,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，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,）,（,5,）误码率,p,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：,（,6,）误比特率,p,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：,3.2.4,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,1.,二电平码,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。,(1),码型构成,用正电平表示,0,，用负电平表示,1,。,(2),波形如图,3-4,所示。,2,差分码,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),(1),码型构成,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,(3),特点,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信息。,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,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,）,码型构成,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,。,波形如图,3-6,所示,特点,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。,缺点：对于较长的比特,0,序列，它还是无法取得同步信号。,(2),双极性,8,零替换码,8,零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。,替换方法,B8ZS,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,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,。,波形如图,3-8,所示。,(3),高密度双极性,3,零码,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：,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。,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。,为使代码序列不含直流分量，要使相邻破坏点,V,脉冲的极性交替变化。,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：,正负脉冲平衡，无直流分量，便于直接传输。,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。,HDB,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,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,码型构成：,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,码型构成：,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,，否则表示,1,。,波形如图,3-11,所示。,裂相码的特点：,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：,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,-3a,00,-3a,00,-a,01,-a,01,a,10,a,11,3a,11,3a,10,特点：,优点：提高了传输效率和频带利用率。,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,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。,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。,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,3-14,所示。,图,3-14,频带传输系统的基本结构,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,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。,（,1,）,2ASK,信号的表示,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：,2ASK,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,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。,（,1,）,2FSK,信号的产生,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：,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。,相位不连续的,2FSK,信号可看成两个,2ASK,信号的叠加，在频域,2FSK,调制就是将两个基带信号的频谱分别搬移到两个载波频率,f,1,和,f,2,的位置上，并对称于标称频率,f,0,。,3.,数字相位调制,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。,（,1,）二相绝对移相调制（,2PSK,）,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。,2PSK,信号的产生及波形如图,3-17,所示：,绝对移相调制的特点：,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。,（,2,）二相相对移相,2DPSK,信号的产生,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。,2DPSK,信号的产生原理图如图,3-18,所示。,绝对码：,a,相对码：,b=,ba,图,3-18 2DPSK,信号的产生原理图,3.2.6,脉冲编码调制,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。