物理层专业知识讲座省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

第二章 物 理 层物理层基本概念物理层基本概念数据通信理论基础数据通信理论基础传输介质传输介质数据通信技术基础数据通信技术基础物理层协议物理层协议几个电信网络技术几个电信网络技术第1页2.1 物理层基本概念物理层作用物理层作用向上层向上层(Data Link)用户屏蔽物理介质用户屏蔽物理介质(media)差异，使差异，使Data Link层只考虑怎样使用物理层层只考虑怎样使用物理层服务完成本层协议服务完成本层协议向上层向上层(Data Link)用户提供透明位流传输能用户提供透明位流传输能力力提供为建立、维护与拆除物理链路所需要机械、提供为建立、维护与拆除物理链路所需要机械、电气、功效与规程特征电气、功效与规程特征 第2页信号在信道（线路）上传输受到各种原因影响而发生改变。信号在信道（线路）上传输受到各种原因影响而发生改变。改变后信号改变后信号2.2 数据通信理论基础原始信号原始信号距离距离信号传输延迟信号传输延迟距离距离第3页信号衰减信号衰减 距离距离改变后信号改变后信号最终信号（还包含噪声）最终信号（还包含噪声）距离距离第4页几个基本概念信道带宽（信道带宽（bandwidth）是指信道上所能传输电信号频率是指信道上所能传输电信号频率范围，单位为赫兹（范围，单位为赫兹（Hz）。）。信号带宽信号带宽是指信号能量按频率分布最集中区域，单位为是指信号能量按频率分布最集中区域，单位为赫兹赫兹（Hz）。）。信号传输速率信号传输速率是指每秒钟传送信号数量（码元数），单是指每秒钟传送信号数量（码元数），单位为波特（位为波特（Baud）。也叫码元速率或波特率。）。也叫码元速率或波特率。数据传输速率数据传输速率是指每秒钟传输二进制位数，单位为比特是指每秒钟传输二进制位数，单位为比特/秒（秒（bit/s=b/s=bps）。又称位速率或比特率。）。又称位速率或比特率。（注：（注：1Kbps=1000bps，1Mbps=1000Kbps，1Gbps=1000Mbps，1Byte/s=1Bps=8bps）第5页波特率和比特率波特率波特率RB与比特率与比特率Rb关系关系：Rb=RBlog2V 其中其中V为为数字数字传输传输系系统统中中码码元状元状态态数或离散数或离散级级数，即数，即V进进制数。制数。比如：比如：RB=2400波特波特V=2Rb=2400 bpsRB=2400波特波特V=16Rb=9600 bpsDTE（data terminal equipment）数据终端设备数据终端设备DCE（data circuit-terminating equipment）数据电路端接设备数据电路端接设备DTEDCEDCEDTE传输介质传输介质波特率波特率Baud rate比特率比特率Bit rate接口接口接口接口第6页傅立叶分析任何正常周期为T函数g(t)，都可由无限个正弦和余弦函数合成：1 g(t)=c+an sin(2nft)+bn cos(2nft)2 n=1 n=1f=1T 为基频，an和bn为正弦和余弦函数n次谐波振幅。用 表示信号n次谐波能量任何连续时间有限(T)非周期为函数g(t),可以把它想象成一个周期为T函数,从而分解成无数个正旋和余旋函数在传输介质上直接传送数字信号（电压脉冲序列），都可表示成时间单值函数，它谐波（harmonic）分量可用傅立叶级数来表示。第7页有限带宽信号考虑传输考虑传输ASCII字符字符“b”01100010，经傅立叶变换可得：经傅立叶变换可得：1 an=cos(n/4)-cos(3n/4)+cos(6n/4)-cos(7n/4)n 1bn=sin(3n/4)-sin(n/4)+sin(7n/4)-sin(6n/4)n c =3/8 几个低次谐波振幅平方根几个低次谐波振幅平方根an2+bn2 与对应频率处能量成正与对应频率处能量成正比。比。有限带宽信道会对所传信号各次谐波振幅作不等量衰减及相位延有限带宽信道会对所传信号各次谐波振幅作不等量衰减及相位延迟。迟。要确保信号传输质量，信道带宽必须适应或高于信号带宽。要确保信号传输质量，信道带宽必须适应或高于信号带宽。第8页(a)为原始二进制为原始二进制信号和它前信号和它前15次次谐波平方根振幅。谐波平方根振幅。(b)(e)为前几次为前几次谐波合成。谐波合成。第9页谐波分解与合成演示视频谐波分解与合成演示视频第10页在电话语音信道上采取二值信号编码，波特率等于比特率。采取二值信号编码，波特率等于比特率。假设比特率为假设比特率为b，发送，发送8比特所需要得时间比特所需要得时间T=8/b秒，因而秒，因而一次谐波频率即基频一次谐波频率即基频f=1/T=b/8Hz。话音信道截止频率约为话音信道截止频率约为3000 Hz，采取二值信号编码，则，采取二值信号编码，则话音信道能经过最大谐波次数为：话音信道能经过最大谐波次数为：3000/f=24000/b次。次。在接收端要想识别传来信号，信道必须允许信号十次谐波在接收端要想识别传来信号，信道必须允许信号十次谐波经过，所以话音信道极限信号传输速率为经过，所以话音信道极限信号传输速率为2400波特。波特。第11页数据传输速率与谐波数之间关系波特率(Baud)周期(ms)一次谐波频率(Hz)经过谐波数30026.6737.58060013.3375.04012006.67150.02024003.33300.01048001.67600.0596000.831200.02192000.422400.01384000.214800.00第12页信道最大数据传输速率奈奎斯特（奈奎斯特（H.Nyquist）证实，假如一个任意信号经过）证实，假如一个任意信号经过带宽为带宽为H低通滤波器，每秒采样低通滤波器，每秒采样2H能完整地重现经过这能完整地重现经过这个滤波器信号。更高采样频率是无意义，因为高频分量个滤波器信号。更高采样频率是无意义，因为高频分量已被滤波器滤掉无法恢复了。已被滤波器滤掉无法恢复了。奈奎斯特定理：奈奎斯特定理：一个无噪音信道，若信号电平分为一个无噪音信道，若信号电平分为V级，级，则限定最大数据传输率则限定最大数据传输率Rb=2H log2V bps。例：对于一个例：对于一个3000 Hz无噪音信道，若采取两电平信号无噪音信道，若采取两电平信号传输，最大速率不会超出传输，最大速率不会超出 23000 Hz=6000 bps。若。若V=16，最大速率，最大速率则则可提升到可提升到 24000 bps。此定理此定理针对针对理想信道理想信道进进行行计计算，不考算，不考虑虑噪音原因影响，噪音原因影响，故与故与实际值实际值相差甚大。相差甚大。第13页信道最大数据传输速率香农定理：香农定理：任何带宽为任何带宽为 H（Hz），信噪比为），信噪比为 S/N 信道，其信道，其最大数据传输速率为：最大数据传输速率为：Rb=H log2(1+S/N)bps 实际中，信噪比惯用分贝（实际中，信噪比惯用分贝（dB）表示，即）表示，即10 log10 S/N。例：一个经典参数模拟电话系统，话音信道带宽为例：一个经典参数模拟电话系统，话音信道带宽为 3400Hz，信噪比为，信噪比为 30dB=10 log10 S/N，即，即S/N=103，则信道最大，则信道最大数据传输速率为数据传输速率为 3400 log2 1001 34 000 bps。香香农农定理限定信道最大数据定理限定信道最大数据传输传输速率是理速率是理论值论值，实际值实际值不不可能超越它。但在可能超越它。但在模拟电话系统中，若超越模拟电话系统中，若超越 3400Hz 信道带信道带宽或提升信噪比，就能够超越宽或提升信噪比，就能够超越34000 bps 最大数据传输速率。最大数据传输速率。比如比如V.90调制解调器实现了调制解调器实现了50Kbps以上下行传输速率，以上下行传输速率，ADSL系统甚至能够到达系统甚至能够到达2Mbps下行传输速率。下行传输速率第14页2.2 传输介质传输介质是通信网络中从一台机器到另一台机器之间传输介质是通信网络中从一台机器到另一台机器之间传送信号物理通路。传送信号物理通路。各种传输介质在带宽、延迟、传输距离、抗干扰和成各种传输介质在带宽、延迟、传输距离、抗干扰和成本等性能上不一样。本等性能上不一样。通信网络传输介质分为有线和无线两大类：通信网络传输介质分为有线和无线两大类：有线介质：双绞线、基带同轴电缆、宽带同轴电缆有线介质：双绞线、基带同轴电缆、宽带同轴电缆和光纤。和光纤。无线介质：无线电、微波、红外线以及光波。无线介质：无线电、微波、红外线以及光波。移动存放介质：磁带、磁盘、光盘和硅存放芯片等也移动存放介质磁带、磁盘、光盘和硅存放芯片等也可用来传送数据。但延迟太大，属于离线传输系统。可用来传送数据。但延迟太大，属于离线传输系统。第15页双绞线（Twisted Pair）双绞线由两条相互绝缘铜线象螺纹一样扭绞在一起。扭绞目标是双绞线由两条相互绝缘铜线象螺纹一样扭绞在一起。扭绞目标是为了降低线对之间电磁干扰。为了降低线对之间电磁干扰。把把4对双绞线封装在塑料套中组成非屏蔽双绞线对双绞线封装在塑料套中组成非屏蔽双绞线UTP（Unshielded TP），其中有两类最惯用于计算机网络：），其中有两类最惯用于计算机网络：3类（类（category 3）UTP：较早应用于：较早应用于10 Mbps以太网和电话通以太网和电话通信，其扭绞程度较为涣散。信，其扭绞程度较为涣散。5类（类（category 5）或超）或超5类（类（category 5e）UTP：现普遍用：现普遍用于百兆和千兆以太网中，其扭绞程度比于百兆和千兆以太网中，其扭绞程度比3类类UTP愈加紧密，抗愈加紧密，抗干扰能力更强。在干扰能力更强。在100米距离内速率可达米距离内速率可达100 Mbps，甚至是，甚至是250 Mbps。屏蔽双绞线屏蔽双绞线STP（Shielded TP）有一层总屏蔽层，）有一层总屏蔽层，STP中每对线中每对线及总体都有屏蔽层。价格贵，性能好，应用少。及总体都有屏蔽层。价格贵，性能好，应用少。第16页Categories of Unshielded Twisted PairTypeUseCategory 1Voice Only(Telephone Wire)Category 2Data to 4 Mbps(LocalTalk)Category 3Data to 10 Mbps(Ethernet)Category 4Data to 20 Mbps(16 Mbps Token Ring)Category 5Data to 100 Mbps(Fast Ethernet)Category 5eData to 1000 Mbps(Gigabit Ethernet)Category 6Data to 1000 Mbps(Gigabit Ethernet)Category 7?The EIA/TIA(Electronic Industry Association/Telecommunication Industry Association)has established standards of UTP.第17页双绞线（Twisted Pair）l3类（类（category 3）UTPl5类（类（category 5）UTP第18页UTP连接标准TIA/EIA 568A/568BTIA/EIA 568B标准标准 白橙白橙 橙橙 白绿白绿 兰兰 白兰白兰 绿绿 白棕白棕 棕棕 1 2 3 4 5 6 7 8Cat 5 UTP第19页RJ-45连接器（水晶头）1 2 3 4 5 6 7 8TIA/EIA 568A标准标准 1 2 3 4 5 6 7 8 白绿 绿 白橙 兰 白兰 橙 白棕 棕RJ-45模块第20页使用中UTP第21页STP第22页同轴电缆（Coaxial Cable）一对导体（铜芯和屏蔽网）按一对导体（铜芯和屏蔽网）按“同轴同轴”形式组成线形式组成线对。对。带宽高，抗干扰能力强。带宽高，抗干扰能力强。同轴电缆分为基带同轴电缆和宽带同轴电缆两种。同轴电缆分为基带同轴电缆和宽带同轴电缆两种。铜芯铜芯绝缘绝缘材料材料外园外园编织导线编织导线外层外层保护塑料保护塑料第23页两种同轴电缆基带同轴电缆基带同轴电缆（Baseband Coax）：阻抗为）：阻抗为50，用于，用于数字数字传输传输，1公里公里电缆电缆可达可达12Gbps传输传输速率。又分速率。又分为为：粗粗缆缆（Thick）：10Base-5，AUI，单单段段长长度度 500米，米，最最长长5段达段达2.5公里。公里。细缆细缆（Thin）：）：10Base-2，BNC，单单段段长长度度 185米，米，最最长长5段达段达925米。米。宽带同轴电缆宽带同轴电缆（Broadband Coax）：阻抗匹配为）：阻抗匹配为75，用于，用于电视电视信号模信号模拟传输拟传输（CATV），），带宽带宽可达可达800MHz以上，采取以上，采取载载波信号波信号调调制技制技术术。传输传输数字信号数字信号时时，要使用，要使用Cable MODEM设备调设备调制解制解调调数字信号，数字信号，现现在在综综合有合有线电视线电视网网络络已成已成为为MAN一个形式。一个形式。第24页粗、细同轴电缆比较第25页实际使用中细同轴电缆第26页光纤（Fiber Optics）光纤由传导光波高纯石英玻璃纤维和保护层（光纤由传导光波高纯石英玻璃纤维和保护层（jacket）组成，其中纤芯（组成，其中纤芯（core）折射率大于包裹着它包层）折射率大于包裹着它包层（cladding）折射率，这么光信号就被保持在纤芯中不）折射率，这么光信号就被保持在纤芯中不会散播出去。会散播出去。经常将多根光纤封装在坚固外壳（经常将多根光纤封装在坚固外壳（sheath）中，形成所）中，形成所谓多芯光缆。谓多芯光缆。第27页光传输系统由三个部分组成：光源、光纤和光检测器。由三个部分组成：光源、光纤和光检测器。在光纤一端放上光源，另一端放上检测器，光在光纤一端放上光源，另一端放上检测器，光信号沿着光纤折射或直线传输。信号沿着光纤折射或直线传输。普通采取光强调制，有光表示比特普通采取光强调制，有光表示比特1，而无光，而无光脉冲表示比特脉冲表示比特0。第28页单模光纤和多模光纤光线能够多个不一样入射角（大于或等于临界角）在光线能够多个不一样入射角（大于或等于临界角）在纤芯内全反射传输，可认为每一束不一样入射角光线纤芯内全反射传输，可认为每一束不一样入射角光线含有一个不一样模态（含有一个不一样模态（mode），具备这种特征光纤称），具备这种特征光纤称为多模光纤（为多模光纤（multi-mode fiber）。）。当光纤直径减小到几个光波波长时，光纤就如同一个当光纤直径减小到几个光波波长时，光纤就如同一个波导，光线在纤芯内以直线传输而不会发生反射，这波导，光线在纤芯内以直线传输而不会发生反射，这种光纤称为单模光纤（种光纤称为单模光纤（single-mode fiber）。）。第29页单模光纤和多模光纤多模光纤直径约在几十多模光纤直径约在几十 m，而单模光纤不到，而单模光纤不到10 m。实际使用中，。实际使用中，裸光纤（纤芯和包层）直径普通为裸光纤（纤芯和包层）直径普通为125 m，其中多模纤芯有，其中多模纤芯有62.5 m和和50 m两种；而单模纤芯只有两种；而单模纤芯只有9 m。有两种光源可用于信号源：有两种光源可用于信号源：LED（发光二极管）和（发光二极管）和ILD（注入型激（注入型激光二极管）。以光信号有和无来表示二进制光二极管）。以光信号有和无来表示二进制“1”和和“0”。接收端由光电二极管组成光检测器将光信号转换成电信号。接收端由光电二极管组成光检测器将光信号转换成电信号。光纤连接：光纤连接：机械式：快速，普通不需特殊设备，新技术和连接器改进了接机械式：快速，普通不需特殊设备，新技术和连接器改进了接合损耗（有些合损耗（有些 0.1 dB），适合于小数量和应急应用。），适合于小数量和应急应用。熔结：需要昂贵特殊设备，极低损耗（可达熔结：需要昂贵特殊设备，极低损耗（可达 0.05 dB），长距），长距离链路唯一方法。离链路唯一方法。光纤传输比较昂贵原因主要在于光端设备和连接复杂性。实际上，光纤传输比较昂贵原因主要在于光端设备和连接复杂性。实际上，光纤本身并不算贵。光纤本身并不算贵。第30页光纤传输中使用光信号频谱集中在红外线到可见光区域范围。集中在红外线到可见光区域范围。UV可见光（750-380 nm）X-RaysIRAMRadio101210810141010101610181UHFVHF10610-310-9惯用光波长有：惯用光波长有：850、1300和和1550 nm频率频率(Hz)波长波长(m)第31页两种光源比较LEDILD波段波段0.66m，0.85m或或1.30m1.31m或1.55m（惯用），0.85m或1.30m光谱宽度光谱宽度50m10m功率功率低低大大数据速率数据速率低低高高模式模式多模多模多模和单模多模和单模距离距离短短长长生命期生命期长长短短温度敏感度温度敏感度较小较小较敏感较敏感价格价格低低贵贵第32页光纤上红外部分光衰减第33页激光产品级别Class I：无危险：无危险Class IIa：观看时间小于：观看时间小于1000秒则安全秒则安全Class II：长久观看有危险：长久观看有危险Class IIIa：直接观看有严重危害：直接观看有严重危害Class IIIb：直接辐射对眼睛和皮肤有严重伤害：直接辐射对眼睛和皮肤有严重伤害Class IV：直接观看或散射对眼睛和皮肤有严重：直接观看或散射对眼睛和皮肤有严重伤害伤害第34页实际光纤第35页一些光纤连接器件MIC：用于：用于FDDI，双光缆，双光缆ST：插入锁定：插入锁定光耦合器（光耦合器（ST）SC：568A标准，标准，方形，插入锁定方形，插入锁定第36页双绞线、同轴电缆、光纤对比第37页一些实际使用中光纤第38页光纤网络使用有源中继器光纤环使用有源中继器光纤环第39页光纤网络光纤网中一个无源星形连接光纤网中一个无源星形连接第40页光纤优点高带宽，低损耗，大数据传输速率，抗高带宽，低损耗，大数据传输速率，抗电磁干扰能力强，安全性好；且相对于电磁干扰能力强，安全性好；且相对于金属导线，体积小，重量轻，应用前景金属导线，体积小，重量轻，应用前景一片光明。一片光明。第41页无线（wireless）传输介质无线通信不需要铺设任何有线介质，只要安装无线通信不需要铺设任何有线介质，只要安装信号收发装置即可。信号收发装置即可。主要无线传输介质有：主要无线传输介质有：无线电（无线电（Radio）微波（微波（Microwave红外线和毫米波（红外线和毫米波（Infrared and Millimeter Waves）光波（光波（Light Wave）第42页电磁波频谱电磁波频率电磁波频率f、波长、波长l l和真空中电磁波传输速度即光速和真空中电磁波传输速度即光速c（约为（约为3 108 m/s，常数，与频率无关）之间关系为：，常数，与频率无关）之间关系为：c=l l f 电磁波在铜线和光纤中传输速度大约要降低到光速电磁波在铜线和光纤中传输速度大约要降低到光速2/32/3，且与频率稍相关系，约为且与频率稍相关系，约为2 108 m/s，也就是，也就是200 m/s。1m1mm1km1m（1G）（1M）（1T）第43页传输速率、带宽及波段关系依据上面推导可得：波段（依据上面推导可得：波段（DlDl）越宽，波长（）越宽，波长（l l）越短，）越短，带宽（带宽（D Df）就越高。）就越高。比如：采取比如：采取1.30m红外光光纤传输中，红外光光纤传输中，l=l=1.3 10-6 m，Dl=0.16Dl=0.16 10-6m，则带宽可到达，则带宽可到达30 THz，而每赫兹信号，而每赫兹信号又可对若干位比特编码，所以可得到很大数据率。又可对若干位比特编码，所以可得到很大数据率。第44页无线电传输（VLFVHF）无线电波轻易产生，可全方位传输，距离远，并能轻易穿过建筑物无线电波轻易产生，可全方位传输，距离远，并能轻易穿过建筑物（低频波段），被广泛应用于各种通信领域。（低频波段），被广泛应用于各种通信领域。VLF、LF、MF低频波段电波沿地表传输，因为可绕过建筑物，所低频波段电波沿地表传输，因为可绕过建筑物，所以传输距离远。而以传输距离远。而HF和和VHF波段地表电波会被地球吸收，但可经波段地表电波会被地球吸收，但可经过地球上空电离层反射实现长距离传输。过地球上空电离层反射实现长距离传输。缺点是带宽较低（尤其是低频波段），易受电磁干扰和天气影响。缺点是带宽较低（尤其是低频波段），易受电磁干扰和天气影响。第45页微波传输在在100MHz以上，微波经过抛物状天线把能量以上，微波经过抛物状天线把能量集中于一小束，含有极高信噪比，沿直线实现集中于一小束，含有极高信噪比，沿直线实现可视距传输。可视距传输。在地面因地表弯曲，需中继站接续微波信号，在地面因地表弯曲，需中继站接续微波信号，100米高塔可接续约米高塔可接续约80公里。公里。天气和频率影响可造成多路减弱。天气和频率影响可造成多路减弱。开放波段：开放波段：2.4 GHz 2.484 GHz，即工业，即工业/科学科学/医学波段。医学波段。第46页微波传输第47页红外线和毫米波有方向性，廉价，穿透能力差，传输距有方向性，廉价，穿透能力差，传输距离短。离短。如：遥控器，防盗报警等。如：遥控器，防盗报警等。第48页光波传输成本低，带宽高，不受管制。但受天气影响大，成本低，带宽高，不受管制。但受天气影响大，如雨、雾、雪。如雨、雾、雪。第49页2.3 数据通信技术基础数据通信基本方式数据通信基本方式调制技术调制技术数字信号编码与同时数字信号编码与同时数据通信系统普通结构数据通信系统普通结构多路复用技术多路复用技术交换技术交换技术第50页2.3.1 数据通信基本方式数据通信基本方式数据数据模拟数据：取连续值（声音，温度等）模拟数据：取连续值（声音，温度等）数字数据：取离散值（数字数据：取离散值（0，1）信号信号第51页2.3.1 数据通信基本方式数据通信基本方式数据通信四种方式数据通信四种方式模拟信号传输模拟数据（传统电话系模拟信号传输模拟数据（传统电话系统）统）模拟信号传输数字数据（调制解调）模拟信号传输数字数据（调制解调）数字信号传输数字数据（数字信号编数字信号传输数字数据（数字信号编码，收发端信号同时）码，收发端信号同时）数字信号传输模拟数据（脉冲编码调数字信号传输模拟数据（脉冲编码调制制PCM）第52页2.3.1 数据通信基本方式数据通信基本方式第53页2.3.2 调制技术因为基带（因为基带（baseband）信号在长距离传输信道上会受）信号在长距离传输信道上会受到衰减、畸变及噪音等影响，所以在发送端必须转换到衰减、畸变及噪音等影响，所以在发送端必须转换成一个适合于在信道上传输信道信号，这个转换过程成一个适合于在信道上传输信道信号，这个转换过程就叫调制（就叫调制（modulation）。在接收端相反转换过程称）。在接收端相反转换过程称为解调（为解调（demodulation）。）。调制解调器（调制解调器（MODEM）就是调制器（）就是调制器（MOdulator）和解调器（和解调器（DEModulator）组合。）组合。第54页调制技术考虑计算机经过电话线进行通信。需在电话线两考虑计算机经过电话线进行通信。需在电话线两端使用端使用MODEM将计算机中带宽很大数字基带信将计算机中带宽很大数字基带信号转换成适合于电话线上（带宽号转换成适合于电话线上（带宽 全部信号总速率全部信号总速率物理信道有效带宽物理信道有效带宽 全部信号总带宽全部信号总带宽条件条件数字数字模拟模拟信道信号信道信号TDMFDM第74页北美贝尔T1载波系统（PCM）T1信道是采取信道是采取TDM技术对技术对24个语音信道进行复用传输标准，在二个语音信道进行复用传输标准，在二十世纪六十年代由贝尔试验室为电话线路复用传输而开发。十世纪六十年代由贝尔试验室为电话线路复用传输而开发。关键技术关键技术PCM（Pulse Code Modulation，脉冲编码调制脉冲编码调制，简称脉，简称脉码调制）经过码调制）经过编解码器编解码器（coder-decoder，codec）将模拟语音信号）将模拟语音信号转换成适合于转换成适合于TDM信道上传输数字信号。分为三个步骤：信道上传输数字信号。分为三个步骤：采样采样：使模拟信号在时间上离散化。依据采样定理取采样频：使模拟信号在时间上离散化。依据采样定理取采样频率为率为8000 Hz，即每，即每125 s采样一次。采样一次。量化量化：使采样值在取值上离散化（数字量化）。先把原始信：使采样值在取值上离散化（数字量化）。先把原始信号取值范围划分为号取值范围划分为128 个等级（个等级（27），然后将每个采样值），然后将每个采样值“取取整整”到离它最近一个等级上。注意产生量化噪音。到离它最近一个等级上。注意产生量化噪音。编码编码：用一定位数二进制数码来表示量化后采样值。这里为：用一定位数二进制数码来表示量化后采样值。这里为7位（位（log2128）二进制数编码。）二进制数编码。第75页PCM原理示意图AtAtTAtT000001010011100101110111原始信号采样量化编码第76页北美贝尔T1载波系统（复用）24路语音信号被轮询进行路语音信号被轮询进行PCM，每个信道按次序在输，每个信道按次序在输出流中插入出流中插入8个比特，其中个比特，其中7比特为数据（比特为数据（PCM结果），结果），另外增加另外增加1比特用于控制。比特用于控制。24路轮询一次输出路轮询一次输出24 8=192比特，再加上比特，再加上1比特（放在比特（放在帧头帧头）用于）用于传输传输同同时时，最最终组终组成成193比特数据比特数据帧帧（frame）。即每）。即每125 s输输出出193比特，所以比特，所以T1信道总数据速率信道总数据速率=193 8000=1.544 Mbps。当当T1系统完全用于数据传输时，只有系统完全用于数据传输时，只有23个信道用作传个信道用作传输数据，第输数据，第24个信道完全用于同时控制，方便在失去个信道完全用于同时控制，方便在失去帧同时时快速恢复。帧同时时快速恢复。第77页T1信道帧结构第78页DPCM（Differential PCM）DPCM（差分（差分PCM）是一个数字压缩技术。因为语音信号）是一个数字压缩技术。因为语音信号改变相对迟缓，两采样点间差值非常之小，只量化第一个改变相对迟缓，两采样点间差值非常之小，只量化第一个采样点绝对值，后续量化都为相邻两采样点相对差值，所采样点绝对值，后续量化都为相邻两采样点相对差值，所以只需较少比特位就可表示，如以只需较少比特位就可表示，如5 bits。ADPCM（Adaptive DPCM，自适应，自适应DPCM）是对采样值进）是对采样值进行自适应（量化级宽度随幅值而改变）预测，然后对预测行自适应（量化级宽度随幅值而改变）预测，然后对预测误差进行量化编码。如误差进行量化编码。如ITU-TG.721标准，相当于用标准，相当于用4bit进进行编码，行编码，32 kbps数据速率。数据速率。增量调制（增量调制（Delta Modulation，DM或或M）是一个极端）是一个极端DPCM，只用一个比特来表示新采样值是大于或小于前一，只用一个比特来表示新采样值是大于或小于前一个采样值，数据速率个采样值，数据速率=1 8000=8 kbps。注意斜率过载和。注意斜率过载和颗粒噪音。颗粒噪音。第79页增量调制示意图第80页TDM可为用户提供更大带宽简单地把更多数据放入一个帧中。简单地把更多数据放入一个帧中。Sender-1Sender-2Sender-2频率要加紧频率要加紧第81页T1线路复用TDM允许多个允许多个T1线路复用到更高级线路上。线路复用到更高级线路上。T2及更高级线路上复用是按比特进行，每一次合成都及更高级线路上复用是按比特进行，每一次合成都要附加一些额外比特开销用于分帧和恢复。要附加一些额外比特开销用于分帧和恢复。复用级别为复用级别为4，7，6。第82页CCITTE1载波系统将将32个个8比特（量化级别为比特（量化级别为256）信道数据封装）信道数据封装在基于在基于125 s帧中，其中帧中，其中30个信道用于信息，个信道用于信息，2个信道用于信令（个信道用于信令（signaling）。）。总数据速率总数据速率=32 8 8000=2.048 Mbps同同T1一样，一样，E1也可复用到更高级线路上，复用也可复用到更高级线路上，复用级别都为级别都为4。第83页CCITT E系列中各种传输速率565.1488912E5（五次群）（五次群）139.2642048E4（四次群）（四次群）34.304512E3（三次群）（三次群）8.848128E2（二次群）（二次群）2.04832E1（一次群）（一次群）数据率数据率（Mbps）语音信道语音信道载波系统载波系统第84页SONET/SDH基本同时光网络（基本同时光网络（SONET）帧是每）帧是每125 s810个字节个字节（用（用90列列 9行描述），所以数据速率行描述），所以数据速率=8 bit 810 Byte 8000 Hz=51.84 Mbps，这是，这是SONET最基本信道，称最基本信道，称作同时传输信号作同时传输信号STS-1（Synchronous Transport Signal-1）。）。多条多条STS-1支流（支流（tributary）复用可组成其它）复用可组成其它SONET干线，如干线，如3条条STS-1支流被合成为支流被合成为1条条3 51.84 Mbps=155.52 MbpsSTS-3流。对应于流。对应于STS-n光纤线路被称作光纤线路被称作OC-n（Optical Carrier Level）。）。同时数字序列（同时数字序列（SDH）基本信道从）基本信道从OC-3开始，称作同开始，称作同时传输模块时传输模块STM-1（Synchronous Transport Module-1）。）。OC-n表示由表示由n条单独条单独OC-1线路组成。而线路组成。而OC-nc表示从表示从一个源来数据流。一个源来数据流。第85页SONET中多路复用示意图低速输入流低速输入流第86页SONET/SDH速率等级9953.280OC-192/STS-192（129024 CH）STM-64（122880 CH）10 G2488.320OC-48/STS-48（32356 CH）STM-16（30720 CH）2.5 G1866.240OC-36/STS-36STM-121244.160OC-24/STS-24STM-8933.120OC-18/STS-18STM-6622.080OC-12/STS-12（8046 CH）STM-4（7696 CH）622 M466.560OC-9/STS-9STM-3155.520OC-3/STS-3（1440 CH）STM-1（1920 CH）155 M51.8400OC-1/STS-1（480 CH）标准速率标准速率（Mbps）SONET等级等级SDH等级等级第87页2.3.6 交换技术数据集中与转发数据集中与转发交换（交换（switching）为何要交换？为何要交换？第88页交换技术三种基本交换技术：三种基本交换技术：电路交换（电路交换（circuit switching）：在通信双方之间建立一）：在通信双方之间建立一条实际物理通路，且被双方独占。正如传统电话系统。条实际物理通路，且被双方独占。正如传统电话系统。分为建立、通信和拆除三个过程。分为建立、通信和拆除三个过程。报文交换（报文交换（message switching）：数据被一次性作为一）：数据被一次性作为一个报文采取存放个报文采取存放-转发（转发（store-and-forward）方式一步步）方式一步步地向前传递。中间节点完整地接收相邻上一个节点传来地向前传递。中间节点完整地接收相邻上一个节点传来报文，暂存在缓冲器中，然后选择一条适当输出线路，报文，暂存在缓冲器中，然后选择一条适当输出线路，排在对应队列中等空闲时转发到下一个相邻节点。排在对应队列中等空闲时转发到下一个相邻节点。分组交换（分组交换packet switching）：将被传数据（报文）分）：将被传数据（报文）分割成若干个等长小分组，这些分组分别独立地采取存放割成若干个等长小分组，这些分组分别独立地采取存放-转发方式进行路由转发，接收端再将各分组重新组装成转发方式进行路由转发，接收端再将各分组重新组装成一个完整报文。一个完整报文。第89页电路交换和分组交换示意图第90页三种基本交换技术比较电路交换在通信时因为独享物理线路，故延迟小，可靠性高，且电路交换在通信时因为独享物理线路，故延迟小，可靠性高，且确保次序。但在通信前后建立和拆除连接过程时间长，另外独享确保次序。但在通信前后建立和拆除连接过程时间长，另外独享信道方式可能会造成资源浪费。所以适合于质量要求高大规模数信道方式可能会造成资源浪费。所以适合于质量要求高大规模数据传输。据传输。报文交换共享物理信道，提升了线路利用率，且可一到多点传输。报文交换共享物理信道，提升了线路利用率，且可一到多点传输。但因为报文长度没有限制，造成中间节点缓冲器配置困难；其次但因为报文长度没有限制，造成中间节点缓冲器配置困难；其次大报文传输延迟大，占用线路时间长；另外在误码率高信道上会大报文传输延迟大，占用线路时间长；另外在误码率高信道上会极大地影响传输效率。实际中极少使用。极大地影响传输效率。实际中极少使用。分组交换因为限定了分组长度，因而降低了对中间节点存放能力分组交换因为限定了分组长度，因而降低了对中间节点存放能力要求，也减小了传输延迟；而且因为各分组单独路由，这种并行要求，也减小了传输延迟；而且因为各分组单独路由，这种并行性提升了报文整体传送速度；另外短分组会降低犯错重发率，从性提升了报文整体传送速度；另外短分组会降低犯错重发率，从而提升了传输效率。当然分组交换也存在着一些问题，需处理因而提升了传输效率。当然分组交换也存在着一些问题，需处理因为分组丢失、重复和乱序带来问题。为分组丢失、重复和乱序带来问题。计算机网络普通采取分组交换，偶然使用电路交换，不会使用报计算机网络普通采取分组交换，偶然使用电路交换，不会使用报文交换。文交换。第91页三种交换事件时序第92页2.4 物理层协议物理层负责在传输介质上为数据链路层提供一个传输物理层负责在传输介质上为数据链路层提供一个传输原始二进制比特流物理连接（数据电路）。原始二进制比特流物理连接（数据电路）。物理连接（数据电路）可能包括中间系统，中间系统物理连接（数据电路）可能包括中间系统，中间系统用来对传输介质上物理信号进行中转（再生放大），用来对传输介质上物理信号进行中转（再生放大），称作中继器（称作中继器（repeater）。）。DTE和和DCE：物理层通信中，用户拥有数据设备（如计算机或终物理层通信中，用户拥有数据设备（如计算机或终端）称为数据终端设备端）称为数据终端设备DTE（Data Terminal Equipment）。）。为用户设备提供入网连接设备（如为用户设备提供入网连接设备（如MODEM）称作）称作数据电路终接设备或数据通信设备数据电路终接设备或数据通信设备DCE（Data Circuit-terminating Equipment或或Data Communications Equipment）。）。第93页2.6 物理层协议物理层协议：为了建立、维持和拆除物理连接，要求物理层协议：为了建立、维持和拆除物理连接，要求了机械、电气、功效和规程特征。了机械、电气、功效和规程特征。机械特征机械特征（mechanical）要求了物理连接中采取连）要求了物理连接中采取连接器几何尺寸、插针或插