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 Chapter Three 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) 1001110 1000101 1010100 1010111 1001111 1010010 1001011 信号: t 1 0 0 1 1 1 0 10 0 0 101 101010 0 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 Vocabulary and Term 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-Return to Zero) 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Manchester and NRZ 编码在基于铜缆的网 络中较为普遍 are popular on copper-based networksManchester and 4B/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)。 Modem modulation+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:yA sinω t+φ幅移键控(ASK, Amplitude-Shift Keying) ?幅移键控(FSK ,Frequency-Shift Keying) 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amplitude modulation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frequency modulation 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phase modulation 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 01 0010 11 01 000100 110 010 111 011 001 101 二相制 八相制 四相制 Vocabulary and Term 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 Vocabulary and Term 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(bit per second) 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+1000 bps. 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 b0 b1 b2 b3 b4 b5 b6 b7 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( Frequency Division Multiplexing ) 时分多路复用(Time Division Multiplexing) 波分多路复用(Wave-length Division Multiplexing) 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(time slot),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。 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(125 μs) 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) PCM Pulse code Modulation : 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。 W5 W1W2W3W4 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。 Vocabulary and Term 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 : 100 ohms外径 : .43 cm 信号的最大传输距离:100M 传输速率: 10M-1000Mbps Unshielded Twisted Pair 2 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: 150 Ohm 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50 Ohm / 宽带同轴电缆75 Ohm 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 WLANs the IEEE 802.11standards. 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 ,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 - Institute of Electrical and Electronics EngineersUL - Underwriters LaboratoriesEIA - Electronic Industries AllianceTIA - Telecommunications Industry Association 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 )-(telecommunications closets) -垂直布线backbone cabling -设 备间(equipment rooms ) -工作区(work areas ) -entrance facilities 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CAT 5 线缆 UTP100 ohm, STP150 ohm, Coaxial50 ohm Fiber 62.5/125 multi-mode Cat 5e, Cat 6, and Cat 7 是 Cat 5的改进 Horizontal Cabling TIA/EIA 568A Work Station Patch Cable Horizontal Cable Run Cross-Connect Jumpers Patch Cable 3m 90m 6m+ + 99m.or approx. 100 meters for CAT 5 UTP 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 DTE DTE TIA-232标准 DCE公用电话网 Modem ModemPSTN 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 Registered Jack-45的缩写。用于UTP线 缆的连接可减少噪声,反射和机械可靠性问题 接线面板( Patch Panels)RJ-45 座的组合,常见的有12,24, and 48 口转 换器接收器和发送器的组合。 ?用于不同物理接口或传输介质间的转换 转换器应用示例 FiberCat 5 UTP 中继器 ?物理信号的放大与再 生 “单进单出”形式 中继器使用举例 集线器 多端口中继器 典型的端口数为 4, 8, 或 24 对物理信号进放大与再生 起到线缆集中器的作用,所以又称集 线器 提高了物理连接的可靠性 Hub使用举例 The Cloud 关于物理层设备和组件的 评论 只关注原始比特流的传送,即物理 信号的传输。其不关心也不认识所 传输信号所包含的信息。 物理层是网络的物理基础,也是网 络故障的多发层,不可被低估或轻 视。 Homework 对物理层进行小结 预习内容 局域网技术(MAC子层)