信道带宽与数据传输速率.docx
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信道带宽与数据传输速率
信道带宽与数据传输速率
物理层
ChapterThree
本章教学目标
数据通信的基础知识
传输介质
物理层的网络互连设备
物理接口
信息、数据和信号
信息:
不同形式表达的知识,通信的目的是交换信息
数据:
信息的载体,可以是数字、文字、声音、图形与图象等形式。
在计算机中,以二进制代码表示。
同学们所熟悉的数据编码系统有EBCDIC和ASCII码
三者关系:
数据是信息的载体,信息涉及数据的内容和解释,信号则是数据在传输过程中的电磁波表示形式。
在计算机网络系统中,计算机系统关心的是信息所采用的编码体制（如用ASCII还是EBDIC来表达字母和数字,
采用GIF或BMP表达图像等）或数据形式;而数据通信系统则关注如何将表示数据的二进制比特序列转换成适合于通信系统传送的信号,包括数据如何用电信号表示以及如何传输信号。
例子:
信息:
NETWORK数据:
（用ASCII码表示）100111010001011010100
1010111100111110100101001011信号:
t
100111010001011010100
模拟信号
连续变化---是关于时间的连续函数
数字信号
离散的脉冲信号,关于时间的非连续函数
数据通信系统
计算机通信信道计算机
发送信号接收信号信道带宽
介质与信道
传输介质:
泛指计算机网络中用于连接各个计算机的物理媒体,特指用来连接各个通信处理设备的物理介质。
包括无线与有线两大类。
通信信道:
传送信号的一条通道,其建立在传输介质之上,但包括了传输介质和通信设备。
同一传输介质上可提供多条信道,一条信道允许一路
信号通过。
信道的类型
模拟信道与数字信道按相应的数据在传输过程中采用的信号方式划分。
有线信道与无线信道按信道所基于实现的传输介质划分。
数字通信系统
计算机数字信道计算机
发送数字信号接收数字信号信道带宽
编/解码器编/解码器
模拟通信系统
计算机模拟信道计算机
发送模拟信号接收模拟信号信道带宽
D/A转换A/D转换
第一个主题:
数据如何用电信号表示?
基带传输与数字数据编码
频带传输与模拟数据编码
VocabularyandTerm
模拟通信和数字通信（信道,介质,）
基带传输/数字数据编码（NRZ,曼彻斯特编码,差分曼彻斯特编码）频带传输/模拟数据编码（调制,解调,幅移键控,频移键控,相移键控）
基带传输
基带信号矩形脉冲信号是二进制比特的典型表达方式,按傅利叶分析,其由直流、低频、高频的多个成分组成。
在其频谱中,从零开始的能量集中的一段频率范围称为基本频带,简称基带。
基频等于脉冲信号的固有频率。
与基带对应的数字信号称为基带信号。
基带传输在数字信道上直接传送数据的基带信号
特点:
抗噪声能力强,成本低,传输速率高信号衰减严重,只能利用有线介
质近距离传输基带信号频带宽,传输时要占用整个传输介质的带宽数字数据编码
数字数据编码的任务是如何将二进制比特
转换成适合在数字信道上传送的数字信号
:
不归零（NRZ,Non-ReturntoZero）编码Manchester编码差分Manchester编码
NRZ编码
规则:
以高电平表示逻辑“1”,低电平表示
逻辑“0”。
特点由于不能判断位的开始与结束,收
发双方不能保持同步,需要用另一个信
道同时传送同步信号。
Manchester编码
规则:
将每比特周期T分为前T/2和后T/2;前T/2传送该比特的反码,后T/2传送该比特的原码。
特点:
任何两次电平跳变的时间间隔是T/2或T,提
取电平跳变信号可作为收发双方的同步信号,不
需要另外的同步信号。
即“自含时钟编码”。
差分Manchester编码
规则:
对Manchester编码的改进,保留每
比特中间的跳变作同步之用;每比特的
值则根据其开始处是否出现电平的跳变
来决定,有跳变者为“0”,无跳变者为二
进制“1”目前常用的数字编码ManchesterandNRZ编码在基于铜缆的网络中较为普遍arepopularoncopper-basednetworksManchesterand4B/5B,甚至8B/10B编码
则在基于光纤的网络中被广泛使用
频带传输
频带传输由于基带传输的近距离限制,在远距离传输中通常采用模拟信道。
利用模拟信道,传输二进制数据的方法称为频带传输。
关键技术问题:
如何将计算机中的数字信号转化为适合模拟信道传输的模
拟
信号。
解决方案将要传送的数字数据“寄载”在载波上,利用数字数据对载波的某些特性（振幅、频率、相位）进行控制,使载波特性发生了变化,然后将变化了的载波送往线路进行传输
调制与解调
调制:
在数据发送端,将数字数据寄载在载波上的
过程称为调制（modulation）
解调:
在接收端,当携带数据信号的载波到达时,
将数字信号从中分离出来的过程称为解调（
demodulation）。
Modemmodulation+demodulation
三种基本调制方法
根据调制过程中所采用的载波的特性
不同,分为三种基本调制方法:
yAsinωt+φ幅移键控（ASK,Amplitude-ShiftKeying）
?
幅移键控（FSK,Frequency-ShiftKeying）相移键控（PSK,Phase-Shift
Keying）
三种基本调制方法（续）
幅移键控ASK,又称调幅amplitudemodulation通过载波信号的振幅变化来表示二进制信号“0”与
“1”
幅移键控FSK,又称调频frequencymodulation改变载波信号的频率来表示二进制信号“0”与“1”
相移键控PSK,又称调相phasemodulation通过改变载波信号的相位值表示二进制信号“0”和
“1”。
按照使用相位的绝对值或相位的相对偏移两大表示
分为绝对调相和相对调相;按对一个完整周期的相位的
划分方式分为二相制、四相制、八相制等。
三种调制方式的比较
幅移键控:
技术简单,抗干扰能力差频移键控:
技术简单,抗干扰能力强相移键控:
技术较复杂,抗干扰能力强,
编码效率高
目前在网络中广为使用的调制方式为三种基本方式的变种。
多相调制010010
11
01
000100
110
010
111
011001
101
二相制
八相制
四相制
VocabularyandTerm信息/数据/信号
模拟通信和数字通信（信道,介质,）基带传输/数字数据编码（NRZ,曼彻斯特编码,差分曼彻斯特编码）
频带传输/模拟数据编码（调制,解调,幅移键控,频移键控,相移键
控）
Homework
复习本章内容
预习内容（数据通信基础之二）信号如何传输?
第二个主题:
信号如何传输?
对信道的要求
串行通信与并行通信
单工通信、半双工通信、全双工通信多路复用技术
异步通信与同步通信
VocabularyandTerm信道带宽/数据传输速率
单工通信、半双工通信、全双工通信串行通信/并行通信
频分多路复用/时分多路复用/波分多路复用
同步传输和异步传输
数据通信的理论基础?
Fourier分析
任何正常的周期函数,都可以由无限个正弦和余弦
函数合成,这些函数为基频的n次谐波n1,2,„?
信号传送与信道带宽
信道带宽信道中信号的频谱范围
信道带宽与信号传送:
信道的带宽至少要能保证基频信号（基次谐波）的通过;而且信道带宽越宽,信
道中所能通过的高次谐波的次数就越高,
从而在接收端信号还原后的失真就越小。
信道带宽与数据传输速率
数据传输速率:
数据传输中线路上每秒内传输的二进制数据位数,其单位为bps（bitpersecond）由脉冲信号的Fourier分析可知:
脉冲越窄,数据传输速率越高,但为了使信
号不失真
通过通信信道所需要的信道带宽越高。
信道带宽与数据传输速率:
限制信道的带宽,就是限制数据传输速率;提高
信道
的带宽,就是提高数据传输速率。
Nyquist定理
e.g一个无噪声的带宽为3KHZ的信道若用于传送二进制数（V2）,则最大数据传输速率不可能高于
6000bps.
Nyquist定理给出了有限带宽的无噪声信
道的最大数据传输速率:
最大数据传输速率2Hlog2Vb/s其中,H为信道带
宽,V表示被传信号的电
平级数。
Shannon定理
e.g一个信噪比为30db、带宽为3KHZ的信道若用于传送数据,则不管使用多少级的信号电平,其最大数据传输速率绝不可能高于3000log21+1000bps.
Shannon定理给出了有限带宽的噪声信
道的最大数据传输速率:
最大数据传输速率Hlog21+S/N其中,H为信道带
宽,S/N为信道的信
噪比。
单工通信
数据传送只能在一个固定的方向上进
行,任何时候都不能改变方向。
例子:
广播、电视发送单向通道接收半双工通信
信号可以双向进行,但不可同时进行,一
个时间只能有一个方向的传送
例子:
对讲机、计算机?
终端
发送
接收双向通道
接收
发送
双工通信
信号可以同时进行双向发送
例子:
计算机?
计算机
发送
接收双向通道
接收
发送
串行通信
数据流以串行方式在一条信道上传输。
存在字符同步问题
例子:
电话线路传送数据信号发送端b0b1b2b3b4b5b6b7接收端串行通信信道
并行通信
数据以成组方式在多个并行信道上同时传输。
在并行传输中,一次传送一个字符,所以不存在字符同步问题。
例子:
计算机中的总线
并
行
通
信
信
道
b0
b1
b2
b3b4
b5b6b7
发送端
b0
b1
b2
b3b4
b5b6b7
接收端
串行通信与并行通信的比较
在相同的发送时钟下,并行通信的数据传输速率将大于串行通信。
并行通信需要多个并行信道,实现昂贵。
并行通信方式适合于近距离通信（如计算机中）而在远程通信中一般采用串行通信方式。
串/并与并/串转换当计算机通过串行信道相互通信时,在
发送方要进行并/串转换,而在接收端要
进行串/并转换
计算机串行信道计算机
并行传输并行传输串行传输
并/串转换串/并转换
多路复用技术
多路复用:
在一条物理线路上建立多条通信信道的技术意义:
。
多路复用使得在同一传输介质上可传输多个不同信源发出的信号。
可充分利用通信线路的传输容量,提高传输介质的利用率
常用多路复用技术:
频分多路复用（FrequencyDivisionMultiplexing）
时分多路复用（TimeDivisionMultiplexing）波分多路复用（Wave-length
DivisionMultiplexing）多路复用系统的结构
多
路
复
用
器
高速通信线路
多
路
复
用
器
频分多路复用（FDM）
工作原理:
将一个具有较大带宽的线路划分为若干个具有较小带宽的信道,各条信道的中心频率互不重合,相互间留出一个适当的频率范围作保护频带用以减少干扰。
然后将多路信号分别调制到各个信道中,在线路上同时进行传输
用途:
主要用于传送模拟信号。
频带传输因此也被称为宽带传输。
e.g在公用电话网络上,12条语音信道复用在60-108KHZ或12-60KHZ的频带上。
频分多路复用示例
时分多路复用（TDM）
工作原理:
将一条信道的工作时间划分为若干个时间片（timeslot）,每个时间片供一路信号传输信号用,多路信号按时间片轮流使用通信线路的全部带宽。
用途:
既可用于传输数字信号,也可用于传输模拟信号。
举例:
T1载波Carrier或E1载波Carrier时分多路复用示例?
T1
由Bell公司制订
利用TDM和PCM技术提供24路语音信号在一条通信线路上的复用标准。
每路语音信号首先要经脉冲编码调制（PCM）进行数字化。
PCM的编码解码器每秒采样8000次,即采样一次的时间为125μs然后24路信号用TDM技术组成1帧信号,即每个语音信道依次在其使用的时间片内插入8比特（7位数据,1位控制）。
帧由1位帧标识位来标识。
信道1信道2信道3信道4信道24„„„„
第1位为帧
标识码第8位为信号位每信道每样本7个数据位193位帧（125μs）
T1的数据传输速率
PCM的编码解码器每秒采样8000次,相当于T1载波每秒发送8000帧或每125μs产生一个193（8*24+1）比特的帧
每信道的数据传输速率:
8000*756Kbps
T1的总数据传输速率可以达到:
24*8000*71.544Mbps脉冲编码调制（PCM）
PCMPulsecodeModulation:
将模拟信号转换成数字信号的一种基本方
法
典型应用:
语音数字化
工作原理:
采样---量化---编码（三部曲）语音数字化的示例
模拟信源数字信道模拟信宿
模拟信号
PCM
编/解码器
PCM
编/解码器
数字信号模拟信号
PCM的采样
模拟信号数字化的第一步
按一定的时间间隔,将模拟信号的
电平幅度取出来作为样本,让其表示原始信号。
采样定理:
若以至少两倍于最高有效信号频率的速率对
模拟信号进行采样,则其样本包含足以重构原模拟信号的所有信息。
（fs?
2fo）PCM的量化
模拟信号数字化的第二步--将采样
样本按量化级进行离散化的过程。
通过将采样所得样本与预先规定的
量化级进行比较,进行取整定级。
量化级的多少取决于量化的精度。
级数越高,量化精度越高,但所需的
编码位数相应越多。
PCM的编码
模拟信号数字化的第三步。
用相应位数的二进制代码表示采样样本
的量化级。
量化级数越多,所需的编码位数相应志
越多。
e.g.:
8级?
3位,16级?
4位T1（128级）--7位统计时分多路复用（STDM）
工作原理:
将普通时分复用中时间片的固定分配方式为动态分配方式,即若规定时间片内相应的信道无信号发送或信号提前发送完毕,则后续的信道可提前使用自己的时间片。
用途:
解决带宽的浪费问题,提高信道带宽的利用率举例:
ATM（异步传输模式）
波分多路复用
光纤上进行信道复用的技术
一根光纤的带宽可达25000GHZ,而
通常一路光信号的带宽只有几GHZ频分多路复用技术的变种
不同频率或波长的光在经过相同的光
折射介质后,其光路将会不同?
折射
率与光的频率或波长有关
WDM的原理
三棱镜或衍射
光栅
共享光纤
光信号1
光信号2
同步技术
同步:
接收端按照发送端所发送的每个码元的起止时刻和重复频率来接收数据,通信双方在时间基准上保持一致。
同步过程:
在通信过程中,接收端按照发送端所发送的每个码元的起止时刻和重复频率来校正自己的时间基准和重复频率的过程,
常用的同步方法:
位同步字符同步
位同步
使接收端接收的每一位都和发送端发
送端发送的每一位保持准确的同步。
位同步的类型:
外同步:
根据发送端所在发送的同步时钟作为接收端同步标准的方法。
如NRZ编码所采用的方法。
内同步:
从自含时钟编码的发送数据中提取同步时钟的方法。
如Manchester编码和差分Manchester编码。
字符同步
以字符或字符组为单位所采用的
同步技术。
类型:
起止式或异步式同步式
异步传输
每个字符作为一个独立的整体进行传送,字符之间的时间间隔是任意的。
为了进行字符的同步,在每个字符的第一位前加1位起始位,在其最后一位加1、1.5或2位的终止位。
W5W1W2W3W4
终止位起始位
同步传输
将字符以成组的形式连续传送,取消
了每个字的同步位,而在每组字符前
（和后）加上同步标志。
根据该标志
来实现比特同步和确定字符的起始。
类型:
面向字符的同步（标志采用同步字符）面向位的同步（标志采用同
步位串）
同步传输和异步传输的比较
异步传输:
开销大,效率低;控制简单,若传输有错,只需重传出错的字符。
同步传输开销小,传输效率大;当所传输的数据块中出现与同步字符或同步标志位相同比特序列时,需提供解决方案（如转义字符,位填充技术）;一次传输出错,需重传整个数据块。
适用于高速传输。
VocabularyandTerm信道带宽/数据传输速率
单工通信、半双工通信、全双工通信
串行通信/并行通信
频分多路复用/时分多路复用/波分多路
复用
同步传输和异步传输
Homework
复习本章内容
预习内容传输介质
传输介质
传输介质:
泛指计算机网络中用于连接各个计算机的物理媒
体,主要指用来连接各个通信处理设备的物理介质。
类型:
有线介质和无线介质
性能指标:
物理特性、传输特性、地理范围、抗干扰性、价格（包括安装与维护费用）
无屏蔽双绞线UTP
1
由四对直径为22或的铜缆组成。
每两条
线互绞成一对。
阻抗:
100ohms外径:
.43cm信号的最大传输距离:
100M
传输速率:
10M-1000Mbps
UnshieldedTwistedPair2易于安装,价格低廉
基于铜介质提供了最快的数据传
输速率。
信号衰减大,抗干扰和噪声差。
问题:
双绞线为什么要绞在一起屏蔽双绞线
STP
与无屏蔽双绞线有较多的相同点。
阻抗:
150Ohm
集成了屏蔽与抵消技术,抗干扰性
强。
价格较无屏蔽双绞线高,安装也较
无屏蔽双绞线复杂。
同轴电缆
按传输特性分为两大类:
基带同轴电缆和宽带同轴电缆
阻抗:
基带同轴电缆50Ohm/宽带同轴电缆75Ohm
基带同轴电缆又分为粗缆和细缆:
粗缆传输距离:
500m/细缆传输距
离:
185m
具有较高的噪声抑制特性,抗干扰能力强。
价格居中,安装难度居中。
目前已不再推荐使用
光纤
基于光的全反射原理制造的光传输介质。
在折射率较高的光传输层之外加上折射率较低的包裹层。
直径:
μm数量级
不受外界电磁波和噪声的干扰,传输质量高;安全性与保密性好
数据传输速率高达Gbps数量级
类型:
单模（注入式激光二极管ILED/3km）与多模光纤（发光二极管/2km）无线传输
无线传输的信号可以是电磁波的任意形式
:
无线电波,微波,红外线等
不存在有形的物理介质
常见形式:
无线通信微波通信红外通信用途:
-移动通信-无线局域网WLANstheIEEE802.11standards.
传输介质的选择
传输介质的选择要考虑多种技术和非技术的因素:
?
网络技术（拓朴结构/连接方式）?
网络的通信流量（传输容量）?
可靠性和安全性
?
地理和环境因素（介质形式和传输距离）?
价格（建设与维护成本）
Homework
复习本章内容
预习内容物理接口和物理层的标准物理层设备
信号在介质中传输存在的问题
信号在介质中传输会不可避免地存在噪声。
噪声与信号的叠加会引起数据传输的错误
信道中噪声的大小由信噪比S/N来度量,提高介质性能的一个主要目标是
提高其信噪比。
噪声的类型
热噪声:
介质中的电子热运动引起,时刻存在,幅
度较小,强度与频率无关,但频谱较宽。
具有随机性
。
冲击噪声:
外界电磁干扰引起,幅度较大,呈突
发性。
近端串扰:
可通过绞线或良好的端接来解决
接地噪声:
非良好接地引发的交流噪声。
信号反射:
信号在传输过程中遇到断点会出现信
号反射（在在线或无线介质中均存在）
信号反射可通过阻抗匹配来解决。
标准与标准组织
标准是指或官方指定的一系列规则或规程
其通常代表着广泛使用的优秀模型或规
格。
与物理层标准有关的标准组织有:
IEEE-InstituteofElectricaland
ElectronicsEngineersUL-UnderwritersLaboratoriesEIA-Electronic
IndustriesAllianceTIA-TelecommunicationsIndustryAssociation
TIA/EIA标准
TIA/EIA是最具影响力的关于网络传输
介质的标准:
TIA/EIA-568TIA/EIA-569TIA/EIA-570
TIA/EIA-606TIA/EIA-607
给出了结构化布线六大子系统的描述:
-水平布线（horizontal
cabling）-（telecommunicationsclosets）-垂直布线backbonecabling-设
备间（equipmentrooms）-工作区（workareas）-entrancefacilities
TIA/EIA-568-A
TIA/EIA-568-A是关于水平布线的标准。
水平线缆是指从通信插座到水平交叉连接
的一段布线。
通常采用CAT5线缆UTP100ohm,STP150ohm,Coaxial50ohm
Fiber62.5/125multi-mode
Cat5e,Cat6,andCat7是Cat5的改进
HorizontalCablingTIA/EIA
568A
WorkStation
PatchCable
Horizontal
CableRun
Cross-ConnectJumpers
PatchCable
3m90m6m++99m.orapprox.100metersforCAT5UTP
UTP线缆的制作与测试参见实验1的讲义实验将安排在下周。
分组:
（2大组）TIA-232-DDTE与DCE之间通信的标准接口。
前身为RS-232标准
DTEDTE
TIA-232标准DCE公用电话网
ModemModemPSTN物理层的设备与组件主动需要电源-调制解调器-中继器-集线器被
动不需要外电源
?
线缆
?
连接头
?
连接座
?
接线面板
?
转换器
RJ-45连接头/座RJ-45是英文RegisteredJack
升级会员 