计算机网络第三章(rev1).ppt

计算机网络原理计算机网络原理第第3章物理层章物理层3.1物理层接口与协议物理层接口与协议3.2传输介质传输介质3.3数据通信技术数据通信技术3.4数据编码数据编码3.5数据交换技术数据交换技术第第3章物理层章物理层物物理理层层位位于于OSI参参考考模模型型的的最最底底层层，它它直直接接面面向向实实际际承承担担数数据据传传输输的的传传输输介介质质（即即通通信信通通道道），物物理理层层的的传传输输单单位位为为比比特特（bit），即即一一个个二二进进制制位位（“0”或或“1”）。物理层建立在物理通信介质的基础上，为设备之间的数据通信提供传输介质及互连设备，为数据传输提供可靠的环境。物理层考虑的是如何才能在连接各种计算如何才能在连接各种计算机的传输介质上传输比特流机的传输介质上传输比特流，而不必考虑连接各种计算机的具体物理设备和传输介质。3.1物理层接口与协议物理层接口与协议3.1.1物理层接口物理层接口物理层上的协议也称为接口。它规定了物理层上的协议也称为接口。它规定了与建立、维持及断开物理信道有关的特性。与建立、维持及断开物理信道有关的特性。3.1.2物理层的功能和提供的服务物理层的功能和提供的服务（1）为为数数据据端端设设备备提提供供传传送送数数据据的的通通路路。数数据据通通路路可可以以是是一一个个物物理理介介质质，也也可可以以是是多多个个物物理理介介质质连连接接而而成成.一一次次完完整整的的数数据据传传输输，包包括括激激活活物物理理连连接接，传传送送数数据据，终终止止物物理理连连接接。所所谓谓激激活活，就就是是不不管管有有多多少少物物理理介介质质参参与与，都都要要在在通通信信的的两两个个数数据据终端设备间连接起来，形成一条通路终端设备间连接起来，形成一条通路。（2）传传输输数数据据。物物理理层层要要形形成成适适合合数数据据传传输输需需要要的的实实体体，为为数数据据传传送送服服务务。一一是是要要保保证证数数据据能能在在其其上上正正确确通通过过，二二是是要要提提供供足足够够的的带带宽宽（带带宽宽是是指指每每秒秒钟钟内内能能通通过过的的比比特特数数），以以减减少少信信道道上上的的拥拥塞塞。传传输输数数据据的的方方式式能能满满足足点点到到点点，一一点点到到多多点，串行或并行，半双工或全双工，同步或异步传输的需要。点，串行或并行，半双工或全双工，同步或异步传输的需要。（3）完成物理层的一些管理工作。网络节点的物理层控制）完成物理层的一些管理工作。网络节点的物理层控制网络节点与物理通信通道之间的物理连接。网络节点与物理通信通道之间的物理连接。DTE和和DCEDTE（数据终端设备）又称物理设备，如计算（数据终端设备）又称物理设备，如计算机、终端等机、终端等.DCE（数数据据电电路路端端接接设设备备）是是对对为为用用户户提提供供入入接接点点的的网网络络设设备备的的统统称称，如如自自动动呼呼叫叫应应答答设设备备、调调制制解解调调器器等等。由由于于数数据据终终端端设设备备的的数数据据传传输输能能力力有有限限，因因此此，必必须须在在DTE和和传传输输线线路路之之间间加加上上DCE，DCE的的作作用用是是在在DTE和和传传输输线线路路之之间间提提供供信信号号变变换换和和编编码码的的功功能能，并并负负责责建建立立、保保持持和和释释放放数数据据链链路路的连接。的连接。n物理层的主要任务描述为确定与传输介质为确定与传输介质的接口的一些特性的接口的一些特性，即：n机械特性机械特性 指明接口所用接线器的形状和尺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。寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等等。n电气特性电气特性 指明在接口电缆的各条线上出现指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。的电压的范围。n功能特性功能特性 指明某条线上出现的某一电平的指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义。电压表示何种意义。n规程特性规程特性 指明对于不同功能的各种可能事指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。件的出现顺序。3.1.2物理层的功能和提供的服务物理层的功能和提供的服务3.1.2物理层的功能和提供的服务物理层的功能和提供的服务1.机械特性(mechanicalcharacteristics)机械特性规定了DTE和DCE实际的物理连接。规定物理连接器的规格尺寸、插针或插孔的数量和排列情况、相应通信介质的参数和特性等。常用的被ISO标准化的机械接口有：ISO2110，25芯连接器，EIARS-232-C，EIARS-366-AISO2593，34芯连接器，V.35宽带MODEMISO4902，37芯和9芯连接器，EIARS-449ISO4903，15芯连接器，X.20、X.21、X.221.机械特性(mechanicalcharacteristics)（1）ISO-2110。数据通信用25针的DTE/DCE接口连接器与插针分配。EIARS-232C和EIARS-366A等均是与ISO-2110相兼容的标准,可用于音频调制解调器、公用数据网络的接口中。RS-232CEIARS-232C是一种目前使用最广泛的串行物理接口，主要机械特性：建议使用25针连接器(DB-25)。在DTE一侧采用孔式插座形式，DCE一侧采用针式插头形式，并对连接器的尺寸、针或孔芯的排列位置等都作了确切的规定。图3.4DTEDCE接口图ELARS-232C接口标准EIARS-232是美国电子工业协会在1969年颁布串行物理接口标准。RS（RecommendedStandard）的意思是“推荐标准”，232是标识号码，“C”表示该推荐标准被修改过的次数RS-232C的的机机械械接接口口分分为为9针针、15针针和和25针针三三种种类类型型。标标准准的的RS-232C接接口口使使用用25针针的的DB连连接接器器（DatabaseBusConnector）。RS-232采采取取不不平平衡衡传传输输方方式式，即即单单端端通通讯讯。其其传传输输距距离离最最大大约约为为15m，最最高高速速率率为为20kbps，且且只只能能支支持持点对点通信。点对点通信。RS-232C标标准准接接口口也也可可以以用用于于直直接接连连接接两两台台近近地地设设备备，如如图图3.5所示，此时既不使用电话网也不使用调制解调器。所示，此时既不使用电话网也不使用调制解调器。图3.5DTE和DCE的近地连接（2）ISO-2593。数据通信用34针的DTE/DCE接口连接器与插针分配。可用于CCITTV.35建议的宽带调制解调器中。（3）ISO-4902。数据通信用37针和9针DTE/DCE接口连接器。可用于音频和宽带调制解调器中,与EIARS-449相兼容。（4）ISO-4903。数据通信用15针DTE/DCE接口连接器。可用于由CCITTX.20、X.21及X.22建议中所指定的公用数据网络的接口中。2.电气特性电气特性规定了在链路上传输二进制比特流有关的电路特性，如信号电压的高低、阻抗匹配、传输速率和距离限制等，通常包括发送器和接收器的电气特性以及与互连电缆相关的有关规则等。物理层电气特性分3类：非平衡型非平衡型、新型新型非平衡型非平衡型和平衡型平衡型。几种CCITT标准化的电气特性标准是：CCITTV.10/X.26：新型非平衡式电气性能。与之相兼容的标准有EIARS-423A等。CCITTV.11/X.27：新型平衡型电气特性。与之相兼容的标准有EIARS-422A等。CCITTV.28：非平衡型电气特性。与之相兼容的标准有EIARS-232C。CCITTX.21/EIARS-449平衡型电气特性非 平 衡 型半平衡型(非平衡发送,差分接受)平 衡 型最高速度20kbit/s300kbit/s10Mbit/s电缆长度15m101000m101000m信号电平5V15V：05V-15V：14V6V：04V-6V：12V6V：02V-6V：1输入阻抗37k10 k 10k线间干扰大中小传统非平衡型采用单信号传输线和公共地线，信号发送器和接收器都是非平衡型工作方式。非平衡型电气特性电气性能比较好，但信号线间易产生干扰。3.功能特性功能特性是指接口的信号根据其来源、作用以及与其它信号之间的关系而各自所具有的特性功能，即DTE-DCE之间各信号线的信号含义。通常信号线可分为四类：数据线、控制线、同步线和接地线。4.规程特性规程特性就是协议。规程特性说明了交换电路进行数据交换的一组操作序列,由这些规程来完成位传输功能。规程特性定义DTE和DCE通过接口连接时，各信号线进行二进制位流传输的一组操作规程（动作序列），如，怎样建立、维持和拆除物理连接，全双工还是半双工操作等等。RS-232-C/CCITTV.24与X.21是两个著名的物理层协议实例。典型的物理层接口标准EIARS-232-CEIARS-232C是美国电子工业协会(ElectronicIndustryAssociation,EIA)1969年修订的物理接口标准。RS(RecommendedStandard)的意思是“推荐标准”，232是一个标识号码,C表示该标准已被修改过的次数。RS-232C标准电缆长度30m（20kbps）传输速率20Kbps异步口用于用户线路为模拟线路时，用户端DTE和DCE的连接。或者两个邻近数据处理设备之间的低速接口。RS-232C机械特性RS-232C没有规定固定的接口外观25针9针RS-232C机械特性RS-232C电气特性RS-232C功能特性RS-232C功能特性1.TXD-TransportDATA2.RXD-ReceivedData3.RTS-RequesttoSend4.CTS-CleartoSend5.DSR-DataSetReady6.DCD-CarrierDetect7.DTR-DataTerminalReady8.RI-RingingIndicator9.GND-GrouND10.SG-SingnalGroundRS-232C规程特性用户拨号TXDDTRON拨号数字RIONDTRON发载波DCDON呼叫建立按数据按钮DTRONCTSONDSRONTXDRXDDCDOFF邀请发送信号载波关RTSOFFCTSOFFRTSONRTSONCTSONTXDRXDRTSOFF数据传送CTSOFFDCDOFFDSROFF呼叫释放载波关RTSOFFDCDOFFDSROFFCTSOFFX.21标准使用数字线路连接公用数据网时，用户端DTE和DCE的接口。同步接口速率：10Mbps 电缆长度：300mX.21机械特性3.2传输介质传输介质传输介质的种类传输介质软介质（无线）硬介质（有线）双绞线同轴电缆光纤微波卫星3.2传输介质传输介质3.2.1双绞线双绞线双双绞绞线线（Twisted-Pair）它它由由四四组组两两两两緾緾绕绕在在一一起起的的8根根绝绝缘缘的的铜铜线线组组成成，典典型型直直径径为为1毫毫米米。两两根根线线绞绞接接在在一一起起是是为为了了防防止止其其电电磁磁感感应应在在邻邻近近线线对对中中产产生生干干扰扰信信号号。在在8根根线线中中，计计算算机机网网络络使使用用12、36两两组组线线对对分分别别来来发发送送和和接接收收数数据据。双双绞绞线线接接头头为为具具有有国国际际标标准准的的RJ-45插插头头和和插插座座。双双绞绞线线分分为为屏屏蔽蔽（Shielded）双双绞绞线线STP和和非非屏屏蔽蔽（Unshielded）双双绞绞线线UTP，非非屏屏蔽蔽双双绞绞线线的的线线缆缆外外皮皮作作为为屏屏蔽蔽层层，适用于网络流量不大的场合中。适用于网络流量不大的场合中。表表3.1UTP电缆的常见类型电缆的常见类型双绞线分类：屏蔽双绞线，简称STP无屏蔽双绞线，简称UTP种类：UTP标准（1，2，3，4，5，超5，6类线）常用：5类线n以箔屏蔽以减少n干扰和串音3类、5类双绞线外没有任何附加屏蔽屏蔽双绞线(STP)非屏蔽双绞线(UTP)UTP3类UTP和5类UTP绞合密度不同Category3UTP.Category5UTP局域网常用双绞线EIA/TIA标准UTP类EIA/TIA标准 用途带宽1类传输语音，不传输数据2类语音传输最高传输速率4Mbps的数据传输1MHz3类语音传输最高传输速率为10Mbps的数据传输16MHz4类语音传输最高传输速率16Mbps的数据传输20MHz5类语音传输最高传输速率为100Mbps的数据传输100MHz超5类1000 Mbps速率以下的语音和数据应用。155MHz*6类最高传输速率为1000Mbps的数据传输200MHz250MHz350MHz*7类600MHz局域网常用双绞线EIA/TIA标准应用3类IEEE802.5令牌环IEEE802.310BASETIEEE802.12100BASE-VGIEEE802.310BASET4ATM51.84/25.92/12.96Mbps5类IEEE802.3100BASET快速以太网ATM155Mbps超5类1000BASE-T6类1000BASE-T双绞线线序及RJ-45接口双绞线线序EIA/TIAT568A标准T568B标准T568A白绿、绿、白橙、蓝、白蓝、橙、白棕、棕T568B白橙、橙、白绿、蓝、白蓝、绿、白棕、棕3.2.2同轴电缆同轴电缆两两种种：电电阻阻50同同轴轴电电缆缆，用用于于数数字字信信号号的的传传输输，即即基带同轴电缆基带同轴电缆；另另一一种种是是电电阻阻为为75同同轴轴电电缆缆，用用于于宽宽带带模模拟拟信信号号的的传传输，即宽带同轴电缆输，即宽带同轴电缆。同同轴轴电电缆缆以以单单根根铜铜导导线线为为内内芯芯，外外裹裹一一层层绝绝缘缘材材料料，外外覆覆密密集集网网状状导导体体，最最外外面面是是一一层层保保护护性性塑塑料料。金金属属屏屏蔽蔽层层能能将将磁磁场场反反射射回回中中心心导导体体，同同时时也也使使中中心心导导体体免免受受外外界界干干扰扰，故故同同轴轴电缆比双绞线具有更高的带宽和更好的噪声抑制特性。电缆比双绞线具有更高的带宽和更好的噪声抑制特性。两种接法：两种接法：直径为直径为0.4cm的的RG-11粗缆采用凿孔接头接法；粗缆采用凿孔接头接法；直径为直径为0.2cm的的RG-58细缆采用细缆采用T型头接法。型头接法。粗粗缆缆符符合合10Base-5介介质质标标准准，单单根根最最大大长长度度为为500m，最最多多可可接接100台台计计算算机机，两两台台计计算算机机的的最最小小间间距距为为2.5m。细细缆缆按按10Base-2介介质质标标准准连连到到网网卡卡的的T型型头头上上，单单段段最最大大长长度度185m，最多可接，最多可接30个工作站，最小站间距为个工作站，最小站间距为0.5m。同轴电缆同轴电缆种类种类应用应用带宽带宽最大干最大干线长度线长度网络网络总长总长每个干每个干线最大线最大节点数节点数7575有线电视系有线电视系统（频带）统（频带）300300400MHz400MHz100km100km50501.1.粗缆粗缆(RG(RG1111型型)2.2.细缆细缆(RG(RG5858型型)10base510base510base210base210Mbps 10Mbps 500500米米185185米米2500m2500m925m925m100100个个3030个个9393ARCnetARCnet和和IBM3270IBM3270终终端端 2 220M 20M bps bps 3.2.3光纤光纤光光导导纤纤维维（OpticalFiber）是是软软而而细细的的、利利用用内内部部全全反反射射原原理理来来传传导导光光束束的的传传输输介介质质，有有单单模模（只只提提供供单单路路光光通通道道）和和多多模模（提提供供多多路路光光通通道道）之之分分。单单模模（模模即即Mode，入入射射角角）光光纤纤多多用用于于通通信信行行业业。多多模模光光纤纤多多用用于于网网络络布布线线系系统。统。光光纤纤为为圆圆柱柱状状，由由3个个同同心心部部分分组组成成纤纤芯芯、包包层层和和护护套套，每每一一路路光光纤纤包包括括两两根根，一一根根接接收收，一一根根发发送送。用用光光纤纤作作为为网网络络介介质质的的LAN技技术术主主要要是是光光纤纤分分布布式式数数据据接接口口（FiberDistributedDataInterface，FDDI）。在在光光纤纤一一头头的的发发射射器器使使用用LED光光发发射射二二极极管管（LightEmittingDiode）或或激激光光（Laser）来来发发射射光光脉脉冲冲，在在光光纤纤另另一一头头的的接接收收器器使使用光敏半导体管探测光脉冲。用光敏半导体管探测光脉冲。图图1.6几种常见有线介质几种常见有线介质光纤通信的优点传输频带宽、通讯容量大。信号损耗低、中继距离长。不受电磁波干扰、抗腐蚀、抗辐射、无电火花、可绕性好、泄露小、保密性强。线径细、重量轻、原料为石英，节省金属材料。资源丰富。缺点质地脆，机械强度低 易碎不易接续，切断连接技术复杂光纤光纤的工作原理高折射率(纤芯)低折射率(包层)光线在纤芯中传输的方式是不断地全反射光纤传输系统光纤传输系统主要由：光发送机、光接收机、光缆传输线路、光中继器和各种无源光器件构成。要实现通信，基带信号还必须经过电端机对信号进行处理后送到光纤传输系统完成通信过程。驱 动 电 路光源光中继器光检测器放大电路光发送机 光接收机 电信号 光缆 光缆 电信号3.2.4无线传输介质无线传输介质无无线线传传输输介介质质是是指指在在两两个个通通信信设设备备之之间间不不使使用用任任何何物物理理连连接接，而而是是通通过过空空间间传传输输的的一一种种技技术术。无无线线介介质质不不使使用用电电或或光导体进行电磁信号的传递工作。光导体进行电磁信号的传递工作。1、无线电波、无线电波无无线线电电磁磁波波的的频频谱谱在在10KHz1GHz之之间间。它它可可以以通通过过各各种种传传输输天天线线产产生生全全方方位位广广播播或或有有向向发发射射。典典型型的的天天线线包包括括方方向塔、缠绕天线、半波偶极天线以及杆型天线。向塔、缠绕天线、半波偶极天线以及杆型天线。（1）低功率、单频率无线电仅适用于短距离、开放式环）低功率、单频率无线电仅适用于短距离、开放式环境中。境中。（2）大大功功率率、单单频频率率无无线线电电也也可可以以在在整整个个无无线线电电频频率率范范围使用。它主要用于长距离户外环境。围使用。它主要用于长距离户外环境。（3）扩展频谱无线电的传播，同时采用多种频率的方式）扩展频谱无线电的传播，同时采用多种频率的方式.无无线线电电波波方方便便用用于于远远距距离离通通信信，灵灵活活机机动动、抗抗自自然然灾灾害害能力和可靠性高，但信号失真大。能力和可靠性高，但信号失真大。2、微波、微波（1）地地面面微微波波：一一般般采采用用定定向向抛抛物物面面天天线线，要要求求发发送送与与接接收收方方之之间间的的通通路路没没有有大大障障碍碍或或视视线线能能及及。信信号号一一般般在在低低GHz频频率率范范围围。适适合合跨跨跃跃荒荒凉凉或或难难以以通通过过的的地地段段。一一般般它它经经常常用用于于连连接接两两个个分分开开的的建建筑筑物物或或在在建建筑筑群群中中构构成成一一个个完完整整网网络络。它它的的频段：频段：46GHz或或2123GHz之间。之间。（2）卫卫星星微微波波：利利用用地地面面上上的的定定向向抛抛物物天天线线，将将视视线线指指向向地地球球同同频频卫卫星星。卫卫星星微微波波传传输输跨跨越越陆陆地地或或海海洋洋。由由于于信信号号传传输输的的距距离离相相当当远远，所所以以会会有有一一段段传传播播延延迟迟。这这段段传传播播延延迟迟时时间间小为小为500ms，大至数秒。，大至数秒。卫星微波也常使用低卫星微波也常使用低GHz频率，在频率，在1114GHz之间。之间。微波具有频段范围宽，信道容量大、传输质量可靠，投资微波具有频段范围宽，信道容量大、传输质量可靠，投资少、见效快等优点，但安全、保密性差，维护费用高。少、见效快等优点，但安全、保密性差，维护费用高。微波n 视距传播n 电离层反射3、红外系统、红外系统红红外外系系统统采采用用光光发发射射二二极极管管（LightingEmittingDiode，LED）、激激光光二二极极管管（LaserDiode，LD）来来进进行行站站与与站站之之间间的数据交换。的数据交换。它分为点到点与广播式两类：它分为点到点与广播式两类：（1）点到点红外系统）点到点红外系统红红外外传传输输器器使使用用光光频频（大大约约100GHz到到1000THz）的的最最低低部部分分。一一般般用用于于数数据据传传输输的的红红外外装装置置都都非非常常便便宜宜。然然而而它它的的安安装装必必须须精精确确到到绝绝对对点点对对点点。它它的的传传输输率率一一般般为为几几Kbps，根根据据发发射射光光的的强强度度、纯纯度度和和大大气气情情况况，衰衰减减有有较较大大的的变变化化，一一般般距距离为几米到几公里不等。聚焦传输具有极强的抗干扰性。离为几米到几公里不等。聚焦传输具有极强的抗干扰性。（2）广播式红外系统）广播式红外系统广广播播式式红红外外系系统统是是把把集集中中的的光光束束，以以广广播播或或扩扩散散方方式式向向四四周散发。这种方法也常用于遥控和其它一些消费设备上。周散发。这种方法也常用于遥控和其它一些消费设备上。红红外外系系统统具具有有抗抗干干扰扰能能力力强强，易易安安装装，传传输输速速率率高高等等优优点，但方向性高。点，但方向性高。4、卫星通信、卫星通信优点：优点：卫星通信的传播距离远。同步通信卫星可以卫星通信的传播距离远。同步通信卫星可以覆盖最大跨度达一万八千公里的区域。覆盖最大跨度达一万八千公里的区域。卫星通信路数多、容量大。卫星通信路数多、容量大。卫星通信质量好、可靠性高。卫星通信质量好、可靠性高。卫星通信运用灵活、适应性强。卫星通信运用灵活、适应性强。成本低。成本低。卫星通信传播时延长，复杂度和造价高。卫星通信传播时延长，复杂度和造价高。卫星无线传输的特点优点：不需铺设传输线路单段传输距离远缺点：受环境影响大卫星通信的时延大3.3数据通信技术数据通信技术通信系统概述通信的目的就是传递信息。通信系统模型通信系统模型3.3数据通信技术数据通信技术3.3.1通信信道通信信道1、数据、数据数数据据是是计计算算机机所所能能接接受受的的（二二进进制制）符符号号，是是网网络络中中存存储储、传传输输和和处处理理的的对对象象。例例如如，文文字字、图图形形、图图像像、语语音音及及其他的数字数据等。其他的数字数据等。2、信息、信息信信息息是是经经过过加加工工处处理理之之后后的的数数据据，是是数数据据的的内内容容和和解解释释。而而数数据据则则是是未未经经加加工工的的数数据据。按按照照这这种种标标准准，数数据据也也就就是原始数据。是原始数据。3、信源、信宿和信道、信源、信宿和信道信信源源是是通通信信过过程程中中产产生生和和发发送送信信息息的的设设备备或或计计算算机机。信信宿宿是是通通信信过过程程中中接接收收和和处处理理信信息息的的设设备备或或计计算算。信信道道是是传传送送信信号号的的一一条条通通路路，由由传传输输介介质质和和传传输输设设备备构构 成。成。同同一一传传输输介介质质上上可可能能提提供供多多条条信信道道。一一条条信信道道允允许许一一路路信号通过。信号通过。4、信号、信号信号是携带信息的传输介质。信号是携带信息的传输介质。CCITT指出：指出：“信号是以信号是以其某种特性参数的变化来代表信息的其某种特性参数的变化来代表信息的”。信号的频谱宽度称为信号的带宽。信号的频谱宽度称为信号的带宽。信号分数字信号和模拟信号。信号分数字信号和模拟信号。模拟信号是连续变化的电模拟信号是连续变化的电信号。数字信号是电脉冲序列的电信号。信号。数字信号是电脉冲序列的电信号。图3.1模拟信号 图3.2数字信号5、码元、码元码元指网络传送的数据的每一位。码元指网络传送的数据的每一位。如二进制数据如二进制数据100101由由6个码元组成，而八进制数据个码元组成，而八进制数据165由由3个码元组成，相当于个码元组成，相当于9位二位二进制数据。进制数据。6、数据包和数据帧、数据包和数据帧在数据传送时，往往要将传送的大段数据划分成若干个小在数据传送时，往往要将传送的大段数据划分成若干个小数据段，并附加一些信息（如序号、地址、校验等）形成一个数据段，并附加一些信息（如序号、地址、校验等）形成一个逻辑数据单位，称为数据包（逻辑数据单位，称为数据包（Packet）。）。在实际传输时，还要在实际传输时，还要将数据包划分为将数据包划分为更小的逻辑数据单位，称为数据帧更小的逻辑数据单位，称为数据帧（Frame）数据通信系统的主要质量指标数据通信系统的主要质量指标通通信信的的有有效效性性和和可可靠靠性性是是数数据据通通信信系系统统最最重重要要的的两两个个指指标标。有有效效性性指指传传输输一一定定的的信信息息量量所所消消耗耗的的信信道道资资源源（带带宽宽或或时时间），可靠性指接收信息的准确程度。间），可靠性指接收信息的准确程度。任何实际的信道都不是理想的，在传输任何实际的信道都不是理想的，在传输信号时会产生各种失真以及带来多种干信号时会产生各种失真以及带来多种干扰。扰。码元传输的速率越高，或信号传输的距码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远，在信道的输出端的波形的失真离越远，在信道的输出端的波形的失真就越严重。就越严重。数字信号通过实际的信道数字信号通过实际的信道实际的信道（带宽受限、有噪声、干扰和失真）输入信号波形输出信号波形(失真不严重)输入信号波形实际的信道（带宽受限、有噪声、干扰和失真）输出信号波形(失真严重)“带宽带宽”(bandwidth)本来是指信号具有本来是指信号具有的频带宽度，单位是赫兹（或千赫、兆的频带宽度，单位是赫兹（或千赫、兆赫、吉赫等）。赫、吉赫等）。*现在现在“带宽带宽”是数字信道所能传送的是数字信道所能传送的“最高数据传输速率最高数据传输速率”的同义语，单位是的同义语，单位是“比特每秒比特每秒”，或，或bps(bit/s)。信道带宽信道带宽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。每秒106个比特时间1010111 s带宽为1Mb/s时间每秒4106个比特0.25s带宽为4Mb/s模拟通信系统的主要质量指标模拟通信系统的主要质量指标（1）有效性）有效性模拟通信系统的有效性用有效传输带宽度量。频带宽度越模拟通信系统的有效性用有效传输带宽度量。频带宽度越窄，有效性越好。窄，有效性越好。（2）可靠性）可靠性模拟通信系统的可靠性用接收端最终的输出信噪比度量。模拟通信系统的可靠性用接收端最终的输出信噪比度量。信噪比越大，通信质量就越高。信噪比越大，通信质量就越高。数字通信系统的质量指标数字通信系统的质量指标数字通信系统的有效性用传输速率衡量，可靠性用差错率数字通信系统的有效性用传输速率衡量，可靠性用差错率（误码率）衡量。（误码率）衡量。1、数据传输速率、数据传输速率数据传输线路上每秒内传输的二进制数据位数称为数据传输速率（信息速率），记为R。单位为比特/秒或bps（bit per second）。单位时间内传输的码元数称为码元速率（信号传输速率），记为B。单位为码元/秒或波特（Baud）,若码元的宽度为T秒，则码元速率定义为 B 1/T一个二进制码元的信息量为 1 bit，一个N进制码元的信息量为log2 N bit。故 R(1/T)log2 N （bps）因此，码元速率B和信息速率R之间的关系为 B R/log2 N （Baud）或 R B log2 N （bps）波特率与比特率的关系波特率与比特率的关系n为一个码元携带信息量的位数为一个码元携带信息量的位数M为码元状态数为码元状态数或或01230001101101波特率与比特率的关系波特率与比特率的关系波特率一定的条件下，用波特率一定的条件下，用1个码元表示更多的个码元表示更多的比特位可以提高信息传输速率。比特位可以提高信息传输速率。比特率比特率=nX波特率波特率2、信道容量、信道容量信信道道容容量量表表征征一一个个信信道道传传输输的的能能力力，单单位位为为位位/秒秒（bps）。它它与与数数据据传传输输速速率率的的区区别别：信信道道容容量量表表示示信信道道的的最最大大数数据据传传输输速速率率，是是信信道道传传输输数数据据能能力力的的极极限限；数数据据传传输输速速率率表表示示实实际际的的数数据据传传输输速速率率。奈奎斯特（奈奎斯特（Nyquist）给出无噪声情况下码元速给出无噪声情况下码元速率的极限值率的极限值Bm=max(B)与信道带宽与信道带宽H的关系：的关系：Bm2H（Baud）H也称为频率范围，即信道能传输的上、下限频率的也称为频率范围，即信道能传输的上、下限频率的差值，单位为差值，单位为Hz。设信道的最大数据传输速率设信道的最大数据传输速率C=Rm=max(R)则有则有CBmlog2N2Hlog2N（bps）实实际际的的信信道道受受到到各各种种噪噪声声的的干干扰扰，香香农农（S h a n n o n）给给出出计计算算信信道道容容量量的的香香农农公公式式CHlog2（1+S/N）（bps）S为信号功率，为信号功率，N为噪声功率，为噪声功率，S/N为信噪比。为信噪比。但是，当讨论信噪比（但是，当讨论信噪比（S/N）时，常以分贝（）时，常以分贝（dB）为单位。公式如下：为单位。公式如下：SNR(信噪比，单位为信噪比，单位为dB)=10log10(S/N)故故S/N=10exp(SNR/10)所以所以CHlog2（1+10exp(SNR/10)）（bps）例如例如，信噪比为，信噪比为30dB，带宽为，带宽为3kHz的信道的最大数据传输速率的信道的最大数据传输速率C为为CHlog2（1+10exp(SNR/10)）3log2（1+10exp(30/10)）30kbps可见，只要提高信道的信噪比，就可提高信道的最大数据传输速率可见，只要提高信道的信噪比，就可提高信道的最大数据传输速率。奈氏准则和香农公式在数据通信系统中的作用范围 源系统传输系统目的系统传输系统源点终点发送器接收器输入信息输出信息输入数据输出数据发送的信号接收的信号码元传输速率受奈氏准则的限制信息传输速率受香农公式的限制3、差错率、差错率二进制码元被传输出错的概率称为差错率（误二进制码元被传输出错的概率称为差错率（误码率）。码率）。设被传错的码元数为设被传错的码元数为Ne，传输的二进制码元总，传输的二进制码元总数为数为N，则误码率（误符号率）为，则误码率（误符号率）为Pe错误码元数错误码元数/传输的总码元数传输的总码元数Ne/N计算机网络中，误码率通常要求低于计算机网络中，误码率通常要求低于109。误比特率（误信率）定义误比特率（误信率）定义Pb错误比特数错误比特数/传输的总比特数传输的总比特数差错率越小，通信的可靠性越高。差错率越小，通信的可靠性越高。4、数据通信的几种方式、数据通信的几种方式（1）并行通信方式）并行通信方式数数据据传传输输中中，至至少少有有8个个数数据据位位（可可附附加加一一位位数数据据校校验验位位）同同时时从从一一个个设设备备传传送送到到另另一一个个设设备备，发发送送设设备备将将8个个数数据据位位通通过过8条条数数据据线线传传送送给给接接收收设设备备。接接收收设设备备接接收收到到这这些些数数据据后，不经过任何改变就可直接使用。后，不经过任何改变就可直接使用。优点：传输速度快，处理简单。并行数据传输见图优点：传输速度快，处理简单。并行数据传输见图3.12。并行传输0123:n-1信号地0123:n-1信号地1110001并行（2）串行通信方式）串行通信方式串行数据传输时，数据是一位一位地在通信线上传输串行数据传输时，数据是一位一位地在通信线上传输的，先由具有几位总线的计算机内的发送设备，将几位并的，先由具有几位总线的计算机内的发送设备，将几位并行数据经并行数据经并串转换硬件转换成串行方式，再逐位经传串转换硬件转换成串行方式，再逐位经传输线到达接收站的设备中，并在接收端将数据从串行方式输线到达接收站的设备中，并在接收端将数据从串行方式重新转换成并行方式，以供接收方使用。重新转换成并行方式，以供接收方使用。串行数据传输如图串行数据传输如图3.133.13所示。所示。串行传输源DTE目的DTE信号地1 0 0 1 0 0 1 1串行成本低，成本低，远程通信中常用远程通信中常用需解决位同步问题需解决位同步问题（3）单工通信与双工通信）单工通信与双工通信串行数据通信方式有三种，即单工、半双工和全双工通信。串行数据通信方式有三种，即单工、半双工和全双工通信。单单工工数数据据传传输输（SimplexTransmission）只只支支持持数数据据在在一一个个方方向向上上传传输输，如如图图3.14（a）所所示示。如如电电台台发发送送，收收音音机机的接收等。的接收等。图3.12并行数据传输图3.13串行数据传输半半双双工工数数据据传传输输（HalfDuplexTransmission）允允许许数数据据在在两两个个方方向向上上传传输输，但但是是，在在某某一一时时刻刻，只只允允许许数数据据在在一一个个方方向向上上传传输输，它它实实际际上上是是一一种种切切换换方方向向的的单单工工通通信信，如如图图3.14（b）所示。例如，无线电话机就是一种半双工设备。）所示。例如，无线电话机就是一种半双工设备。图3.14单工、半双工与全双工通信全全双双工工数数据据通通信信（FullDuplexTransmission）允允许许数数据据同同时时在在两两个个方方向向上上传传输输，因因此此，全全双双工工通通信信是是两两个个单单工工通通信信方方式式的的结结合合，它它要要求求发发送送设设备备和和接接收收设设备备都都有有独独立立的的接接收收和和发发送送能能力力，如如图图3.14（c）所所示示。例例如如，电电话话机机是是一一种种全全双双工工设设备备，任任意意一一方方可可同同时听到另一方的说话。时听到另一方的说话。3.3.2模拟数据通信和数字数据通信模拟数据通信和数字数据通信编码编码是将模拟数据或数字数据变换成数字信号，是将模拟数据或数字数据变换成数字信号，以便通过数字通信介质传输出去的过程。以便通过数字通信介质传输出去的过程。而在接收端将收到的数字信号反变换恢复成原来的模拟或而在接收端将收到的数字信号反变换恢复成原来的模拟或数字信号的过程称为数字信号的过程称为解码解码。数据与信号之间可能的四种组合方式如图数据与信号之间可能的四种组合方式如图3.16所所示。示。图图3.16模拟数据、数字数据的模拟信号、数字信号的传输表示模拟数据、数字数据的模拟信号、数字信号的传输表示（1）模拟信号的模拟传输）模拟信号的模拟传输（2）模拟信号的数字传输）模拟信号的数字传输3信号传输过程信号传输过程（3）数字信号的模拟传输）数字信号的模拟传输（4）数字信号的数字传输）数字信号的数字传输（1）模模拟拟数数据据可可以以用用模模拟拟信信号号来来表表示示。模模拟拟数数据据是是时时间间的的函函数数，并并占占有有一一定定的的频频率率范范围围，即即频频带带。这这种种数数据据可可以以直直接接用用占占有有相相同同频频带带的的电电信信号号，即即对对应应的的模模拟拟信信号号来来表表示示。模模拟拟电电话话通通信信是是它它的的一一个个应应用用模模型型。（2）数数字字数数据据可可以以用用模模拟拟信信号号来来表表示示。如如Modem可可以以把把数数字字数数据据调调制制成成模模拟拟信信号号；也也可可以以把把模模拟拟信信号号解解调调成成数数字字数数据。用据。用Modem拨号上网是它的一个应用模型。拨号上网是它的一个应用模型。多路复用技术多路复用技术多路复用多路复用：在一条物理信道上能同时传输多路信号，：在一条物理信道上能同时传输多路信号，并且信号之间互不影响。并且信号之间互不影响。能够完成多路复用和解复用的设备就称为能够完成多路复用和解复用的设备就称为多路复多路复用器用器。1、频分多路复用技术、频分多路复用技术频分多路复用频分多路复用：在物理信道