Internet第二章网络通信技术.ppt

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1、第二章：数据传输通信技术第二章：数据传输通信技术1、数据据传输的基本概念、数据据传输的基本概念2、信号在介质中的传输衰减、延时与失真、信号在介质中的传输衰减、延时与失真3、信号的基带传输和载波传输、信号的基带传输和载波传输4、调制与解调、调制与解调5、模拟传输系统与数字传输系统的异同点、模拟传输系统与数字传输系统的异同点6、信道容量、信道容量7、传输介质、传输介质8、多路复用技术、多路复用技术1、数据据传输的基本概念、数据据传输的基本概念 在广域网上，主机和通信设备、通信设备与通信设备间的通信都是点到点的传输。信道：每一对点到点的传输通道称为一个信道。早期计算机网络传输通信信道都是叠加在电信大

2、网上的，因为远程传输属于通信基础设施，只有国家和大的电信公式才有实力建设，投资大，投资回收时间长5年、10年、20年。Router2Router1 Router3 HostHostHostLAN2LAN1电信传输网各种广域传输技术HostHostHostHostLAN1Router1Host发送器介质接收器交叉连接设备发送数据口交叉连接设备接收数据口发送器介质接收器交叉连接设备可以是：Router(路由器)、ATM交换机、10M/100M/1G/10G以太网交换机，.电信公司提供的通信信道有：双绞线或铜缆：64k2M DDN,56K MODEM、64k/128K ISDN MODEM 光纤 S

3、DH:E1(2M)、E2(34M)、E3(155M)、E4(625M),.，WDM、DWDM:2.4G50G 2、信号在介质中的传输衰减、延时与失真、信号在介质中的传输衰减、延时与失真 信号在不同介质中的传输特性是不一样的，主要表现在介质对信号的衰减、延时等而引起的信号失真。周期信号可以表示为：f(t)=A0+AnCOS(2PI n f0 t+Pn)其中A0为直流分量，f0为基波频率，信号由直流、基波以及各次谐波叠加而组成。若介质对所有频率信号的衰减和延时都是一样，并且没有噪声的话，信号传输的衰减和延时是不会引起信号的失真的:f(t)=K f(t+t0)由于不同谐波频率成分的信号在介质中的衰减

4、和信号传播速度不一样以及线路中噪声的叠加等，所以上式并不成立,必须改写为：f(t)=k0 A0+Kn An COS2PI n f0(t+tn)+Pn+N(t)双绞线信号相对衰减量与频率的关系（色散曲线）因为辐射和介质对信号能量的吸收等原因，不同频率成分的信号衰减将有很大不同，频率越高信号辐射衰减越大，介质吸收也厉害，即K0-Kn各不相同，一般直流和高频衰减大，某一频率的衰减最小，信号衰减色散特性。比如电话线1kHz的传输特性最小，所以电话拨号从脉冲信号改为1kHz的双音频信号，拨号识别的误码率大大降低。因传输线分布电感、电容等参数影响，不同频率信号传播速度是不一样的，其变化特性称为延时色散特性

5、延时色散特性 所有频率的光波和无线电波在真空介质的自由空间自由空间中的传播速度都是一样的，没有色散现象色散现象。但在光波导（光纤）、微波波导（空心金属圆/方管）、同轴电缆、双绞线等有边界的非自由空间中，不同频率的电磁波传播速度是不一样的，所以不同频率信号的传输延时将不同。由于噪声、衰减和延时的色散等原因，信号经过较长线路传输后，将出现失真 衰减延时的色散特性和噪声决定了信号的传输距离。比如在给定信号功率时下列介质的传输距离为：电话线最大5km,一般3km RS-232 15m,SDH 50km 光纤的传输距离大是因为：光纤的传输距离大是因为：光纤介质对光的吸收小；光在光纤内全反射，没有辐射损耗

6、；光信号频率高，相对色散小；光纤内比电缆内要小。电磁噪声很容易进入电缆内，而光噪声却很难进入光纤内。3、信号的基带传输和载波传输、信号的基带传输和载波传输 信号的基带传输：把要传输的模拟信号功率或编码数字信号功率直接耦合到传输介质中的传输方法称为基带传输。信号的载波传输：把要传输的模拟信号功率或编码数字信号功率调制在一个较高载波频率上后，再耦合到传输介质中的传输方法称为载波传输。基带信号频率成分相当丰富，相对带宽B/f0很大（17），从上一节分析我们知道介质传输具有衰减和延时的色散特性知道，基带信号经过长线传输后，失真很严重，所以基带信号传输一般只在近距离使用。如同一线路板的芯片间、板卡间、和

7、相距几米到几十范围内的设备间采用基带传输方式。频率低的信号可以扩大到几km。若把基带信号调制到一个高频载波信号上，相对带宽B/f0大大减小 一般都(1/6，只要介质的传输带宽足够，传输介质的色散特性引起的相对失真将大大减小，从而可以解调恢复出失真极小的基带信号。4、调制与解调：调制与解调：载波信号一般是正弦信号 Acos(2ft+)，其中有三个参数：A载波幅度、频率、相位可以用于调制和传递信息。S(t)连续时变信号，U(t)是开关通断控制信号。幅度调制：A=A0S(t)幅度键控：ASK A=A0U(t)频率调制：f=f0+S(t)频率键控：FSK f=f1U(t)+f2(U(t)相位调制：=S

8、(t);S(t)=-+相位键控：PSK,=U(t);QPSK:四相位键控。Vc(t)Vs(t)Vo(t)调幅原理图Sin(w2t)Sin(w1t)Vo(t)FSK原理图Ub0(t)-Sin(wt)Sin(wt)Vo(t)Ub0(t)-Cos(wt)Cos(wt)Ub1(t)4QPSK几种信号调制逻辑图几种信号调制逻辑图5、模拟传输系统与数字传输系统的异同点、模拟传输系统与数字传输系统的异同点。模拟。模拟/数字信号在信道中传输都可以基带传输、数字信号在信道中传输都可以基带传输、也可以载波传输也可以载波传输。模拟信号在传输过程中可以中继和放大，但每。模拟信号在传输过程中可以中继和放大，但每次中继和

9、放大都会叠加噪声，所以信号经过若干中次中继和放大都会叠加噪声，所以信号经过若干中继放大后，信号质量（信噪比）会大幅下降。继放大后，信号质量（信噪比）会大幅下降。所以在模拟信号传输中研究低噪声放大器成为所以在模拟信号传输中研究低噪声放大器成为当时热点，信道传输过程中也会叠加噪声，模拟信当时热点，信道传输过程中也会叠加噪声，模拟信号的复制也会叠加噪声。号的复制也会叠加噪声。数字信号在传输过程中可以中继和放大，数字信号在传输过程中可以中继和放大，每次中继和放大都可以对信号整型再生，消除每次中继和放大都可以对信号整型再生，消除前一级系统叠加的噪声，所以信号经过若干中前一级系统叠加的噪声，所以信号经过若

10、干中继放大后，信号质量（信噪比）不会下降。数继放大后，信号质量（信噪比）不会下降。数字信号（息）复制方便。字信号（息）复制方便。音乐磁带音乐磁带/录象带录象带 复制次数有限复制次数有限 所以有原版之称，所以有原版之称，mp3数数码音乐可无限次复制，版权保护变得极为困难。码音乐可无限次复制，版权保护变得极为困难。模拟时代的复用技术频分复用术。模拟时代的复用技术频分复用术 。大规模集成电路使用使得。大规模集成电路使用使得数字传输数字传输的的时时分复用分复用/码分复用码分复用变得极为简单方便，有效，变得极为简单方便，有效，信道容量信道容量大幅增加。大幅增加。6、信道容量、信道容量PCM(脉冲载波调制

11、）脉冲载波调制）采样定理：采样定理：信号的带宽为信号的带宽为W(Hz)时，要从采样脉冲恢时，要从采样脉冲恢复出原始信号的最低频率复出原始信号的最低频率fs=2W 称为称为Nyquist频率。频率。如话音如话音3003400Hz,所以话音所以话音PCM编码采编码采用用8khz Ts=125usLFPPCM信道LFPDPCM话音话音 对带宽为对带宽为W的信道，只能传输带宽为的信道，只能传输带宽为W的信的信号，而不失真，根据采样定理能传号，而不失真，根据采样定理能传2W脉冲数据，脉冲数据，每个采样脉冲的编码可以是每个采样脉冲的编码可以是2值、值、4值、值、.、64值值、M值等，值等，则信道能传输的数

12、据量为：则信道能传输的数据量为：信道容量为：信道容量为：C=2W log 2 M （bit/s)56k Modem 每个脉冲的编码为每个脉冲的编码为8bit M=256;接近接近64kbps最大值最大值 信道越精确传递信号幅度信道越精确传递信号幅度/相位信息，信道相位信息，信道容量就越大。容量就越大。Nyquist信道容量是理论值，在含有白噪声的信道中的信道容量为：C=W log 2(1+S/N);若VS/VN=1000,电压信噪比：10log101000=30db mv 功率信噪比：20log101000=60db mw C=w log 2(1+1000)=10W 实际容量仍比这个容量小。7

13、、传输介质、传输介质（1）双绞线）双绞线 STP屏蔽双绞线屏蔽双绞线 UTP非屏蔽双绞线非屏蔽双绞线（有（有3类线、五类线、超五类线、六类线）类线、五类线、超五类线、六类线）他们的主要区别是绞线螺纹密度和铜芯线径不一样；他们的主要区别是绞线螺纹密度和铜芯线径不一样；为了减少传串扰，同一为了减少传串扰，同一UTP电缆内四对线的螺距也不一样；电缆内四对线的螺距也不一样；绞线越密，辐射损耗越小；绞线越密，辐射损耗越小；UTP线线 主要主要用在用在10M/100M/1000Mbps 以及电信局到用户末端以及电信局到用户末端的电话线最后一公里之中。的电话线最后一公里之中。（2）同轴电缆）同轴电缆 同轴电

14、缆比双较线有更低的（含辐射）损耗和更宽的频带宽度同轴电缆比双较线有更低的（含辐射）损耗和更宽的频带宽度（400M)、传输的是横向电磁波（传输的是横向电磁波（TEM波），信号频谱的传播速度波），信号频谱的传播速度接近光速；接近光速；50欧欧/75殴两种最多，有线电视电缆殴两种最多，有线电视电缆75殴，殴，10M网网50殴等；殴等；同轴电缆比双绞线的成本更高；同轴电缆比双绞线的成本更高；（3）微波波导）微波波导,金属圆金属圆/方管，方管，管壁可反射电磁波管壁可反射电磁波（4）光波导，也可用金属管，但利用全反射制成的成本更低）光波导，也可用金属管，但利用全反射制成的成本更低n2n1n2外层套管介质2

15、介质1（石英玻璃），SiO2单模光纤单模光纤：光纤内只有一种传播模式光纤内只有一种传播模式,光线不反射而直线向前传播光线不反射而直线向前传播 一般单模光纤内芯直径为一般单模光纤内芯直径为9um，传输距离传输距离1050km，长长 途干线。途干线。多模光纤：光线在光线内来回反射曲线向前传播多模光纤：光线在光线内来回反射曲线向前传播50um/125um,传输传输 距离小于距离小于5km,园园区内使用；区内使用；激光光源：半导体激光器，在通信中一般用红或红外波段的激光激光光源：半导体激光器，在通信中一般用红或红外波段的激光 光源，介质对兰光吸收较厉害，传播距离较短，同时蓝光源，介质对兰光吸收较厉害，

16、传播距离较短，同时蓝 光源也较难开发制造；光源也较难开发制造；波长在波长在800nm1500nm间；间；室外光缆：由多根（室外光缆：由多根（250、100芯）组合在一起，外面用罗纹钢管芯）组合在一起，外面用罗纹钢管 和钢丝做护套，保护光纤不被弯曲和破坏，没有工具很和钢丝做护套，保护光纤不被弯曲和破坏，没有工具很 难弯曲和破坏。难弯曲和破坏。（5）无线传输）无线传输 主要使用微波波段，主要使用微波波段，30M/50G频段，波长频段，波长3mm10cm,有地面和有地面和卫星传输卫星传输,卫星同步地球轨道上卫星同步地球轨道上3.6万万km,传输延时较大。传输延时较大。无线介质的最大好处是移动性，接入

17、的方便性，很有可能将来无线介质的最大好处是移动性，接入的方便性，很有可能将来以无线接入设备为主，在电信网以无线接入设备为主，在电信网/互连网的骨干传输网的投资所占互连网的骨干传输网的投资所占比例很小，而大部分投资用在最后一公里（象毛细血管一样）。比例很小，而大部分投资用在最后一公里（象毛细血管一样）。50km 所以有线电信公司运营商要挖空心思发展下所以有线电信公司运营商要挖空心思发展下列技术：列技术：Modem：/600bps/1200bps/9.6kbps /19.2kbps/36kbps/56kbps；ISDN ：64k/128k 数字环路（数字环路（DSL)技术、技术、ADSL技术：技术

18、：540k9M 以上技术延长了话音双绞线的使用寿命，保以上技术延长了话音双绞线的使用寿命，保护早期投资，抗拒新技术的使用（光纤到户）。护早期投资，抗拒新技术的使用（光纤到户）。现在光纤到户的成本已大大下降，当然无线成本现在光纤到户的成本已大大下降，当然无线成本更低，所以电信公司无法抗拒无线技术普及的到更低，所以电信公司无法抗拒无线技术普及的到来，但无线的通信质量和可靠性等不如有线，带来，但无线的通信质量和可靠性等不如有线，带宽也不如光纤。宽也不如光纤。8、多路复用技术、多路复用技术 （1）频分复用技术（频分复用技术（FDM):把各路不同输入信号调制在不同载波频率上然后混合在把各路不同输入信号调

19、制在不同载波频率上然后混合在同一介质中传输。同一介质中传输。有线电视系统、无线电广播是典型的有线电视系统、无线电广播是典型的FDM多路复用系统。多路复用系统。多路复用器多路分解器信道介质（2)时分多路系统：时分多路系统：在目前的技术中，时间是人类能最精确测量的在目前的技术中，时间是人类能最精确测量的物理量（比如几年只差几秒），定时非常精确，所物理量（比如几年只差几秒），定时非常精确，所以可以对时间片精确划分，而多个频率滤波却做不以可以对时间片精确划分，而多个频率滤波却做不到这样精确，每路信号占一小段时间片称为时隙。到这样精确，每路信号占一小段时间片称为时隙。这种技术称为时分技术（这种技术称为时

20、分技术（TDM)E1:32 路路PCM,每路要在每路要在125us内传输内传输8bit数据，数据，E1口口 2.048Mbps,125um可传可传256比特，所以可传比特，所以可传32路电话，每路只占路电话，每路只占3.9us;12 3 4 5 6 7 8125us256bit132 1 2 3 4 5 6 7 8 E1=32XPCM 2.048mbpsE2=4XE1 120PCM 8.44MbpsE3=4XE2 480PCM 34.36MbpsE4=4XE3 1920PCM 139.26MbpsDS1=24XPCM 1.544mbpsDS2=4Xds1 96PCM 6.312MbpsDS3=

21、4XDS2 672PCM 44.736MbpsDS4=4XDS3 4032PCM 274.176Mbps PDH/SDH，PDH 准同步数字序列：各路准同步数字序列：各路PCM码流码流 有各自独立的定时时钟，在有各自独立的定时时钟，在PCM码流码流进入数字复接设备前，码元是不同步的，有的要进入数字复接设备前，码元是不同步的，有的要快一点，有的要慢一点，所以复接码流比所有码快一点，有的要慢一点，所以复接码流比所有码速之和一般略高，保证不丢失数据，码流入高时速之和一般略高，保证不丢失数据，码流入高时插入一些比特，而码流入低时，则插入空号，所插入一些比特，而码流入低时，则插入空号，所以复接后的码流速

22、度有一定抖动。以复接后的码流速度有一定抖动。光纤光纤SDH同步数字序列：各路同步数字序列：各路PCM码流码流 有都有都同步在统一授时时钟之下（同步在统一授时时钟之下（铯原子原子钟最稳定铯原子原子钟最稳定），在，在PCM码流进入数字复接设备前，各路码元是码流进入数字复接设备前，各路码元是同步的，速度是恒定的，所以复接码流也是恒定同步的，速度是恒定的，所以复接码流也是恒定的，不须码元的插入和删除操作。的，不须码元的插入和删除操作。SDH的时钟同的时钟同步是一个很复杂的技术问题。步是一个很复杂的技术问题。（3）空分多路技术空分多路技术 把空间分割，某几路信号局限在一定空间内，把空间分割，某几路信号局

23、限在一定空间内，卫星定向卫星定向/蜂窝无线网（移动通信网）。蜂窝无线网（移动通信网）。（4）WDM /DWDM 光纤波分复用系统实际上与频光纤波分复用系统实际上与频分复用类似，只不个前这是有线电号分复用类似，只不个前这是有线电号/或无线电或无线电信号，后者是不同频率信号，后者是不同频率/波长的光信号。波长的光信号。DWDM:能区别差别更精细波长的光信号。能区别差别更精细波长的光信号。（5）CDMA/WCDMA:扩频无线通信，把窄带扩频无线通信，把窄带信号用高速随机码流调制（扩频处理），然后把信号用高速随机码流调制（扩频处理），然后把扩频后的信号调制到同一载波上。通过识别随机扩频后的信号调制到同一载波上。通过识别随机码流来区别不同信道。码流来区别不同信道。