計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及通訊-201409-第2章 物理層

1第2章物理層2目錄2.1數(shù)據(jù)通訊基礎(chǔ)2.1.1通信系統(tǒng)模型與基本概念2.1.2信道帶寬與數(shù)據(jù)傳輸速率的關(guān)系2.1.3帶寬與傅立葉分析2.1.4信道的最大數(shù)據(jù)速率2.2物理傳輸介質(zhì)2.3編碼與調(diào)制2.4多路復(fù)用技術(shù)2.5數(shù)據(jù)交換技術(shù)2.6物理層設(shè)備與接口3數(shù)據(jù)：(Data)信息：(Information)信號(hào)：(Signal)2.1

數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)2.1.1通信系統(tǒng)模型與基本概念數(shù)據(jù)是對(duì)客觀事實(shí)進(jìn)行描述的物理符號(hào)，是一種能夠傳遞信息的載體。信息是數(shù)據(jù)中包含的意義，或者說對(duì)數(shù)據(jù)的進(jìn)一步解釋，是數(shù)據(jù)按有意義的關(guān)聯(lián)排列的結(jié)果。信號(hào)是數(shù)據(jù)在傳輸過程中的表現(xiàn)形式，即信號(hào)是數(shù)據(jù)的電編碼或電磁編碼。模擬信號(hào)：時(shí)間和幅度的取值都是連續(xù)的，如溫度、壓力、流量等；數(shù)字信號(hào)：時(shí)間上離散，幅度上量化，一般是由0，1的二進(jìn)制代碼組成的數(shù)字序列。4信源：發(fā)出信號(hào)的電子設(shè)備變換器：將原始信號(hào)變換為適合信道傳輸?shù)男盘?hào)類型信道：信息的通道，用于信號(hào)傳輸?shù)拿浇榧跋嚓P(guān)設(shè)備反變換器：將信道上的信號(hào)轉(zhuǎn)換成信宿可接收的信號(hào)類型信宿：信號(hào)的接收設(shè)備2.1.1通信系統(tǒng)模型與基本概念通信系統(tǒng)模型現(xiàn)實(shí)例子5現(xiàn)實(shí)生活中的通信系統(tǒng)公用電話網(wǎng)6按數(shù)據(jù)在信道上的傳輸方向?qū)⑼ㄐ欧绞椒诸悾簡(jiǎn)喂ねㄐ畔到y(tǒng)雙工通信系統(tǒng)公用電話網(wǎng)全雙工、半雙工7模擬信道和數(shù)字信道信號(hào)：連續(xù)變化——模擬(analog)信號(hào)離散變化——數(shù)字(digital)信號(hào)信道：模擬信道——傳輸模擬信號(hào)數(shù)字信道——傳輸數(shù)字信號(hào)數(shù)字信道公共電話網(wǎng)（模擬信道）數(shù)字信道通過模擬信道進(jìn)行的數(shù)據(jù)通信對(duì)于長距離傳輸，數(shù)字信號(hào)具有優(yōu)越性。82.1通信系統(tǒng)模型與信道特性2.1.2信道帶寬與數(shù)據(jù)傳輸速率的關(guān)系數(shù)據(jù)傳輸速率：通信節(jié)點(diǎn)每秒鐘發(fā)送的bit數(shù)，單位為b/s(bps)。帶寬(bandwidth)：指的是傳輸介質(zhì)所能夠傳輸?shù)男盘?hào)的頻率范圍/最高數(shù)據(jù)傳輸速率，單位是Hz/bps。超出此范圍信號(hào)會(huì)有較大的失真而導(dǎo)致信號(hào)無法正確接收。信道的帶寬是由傳輸媒體的性質(zhì)決定的。二者之間的關(guān)系：信道帶寬越大則其上允許的最大數(shù)據(jù)傳輸速率越高。

92.1.3帶寬與傅立葉分析一個(gè)具有有限持續(xù)時(shí)間T的數(shù)字信號(hào)，可以看作為一個(gè)以此有限持續(xù)時(shí)間T為周期的周期階梯函數(shù)F(t)。此函數(shù)可展開成傅里葉級(jí)數(shù)。

這里，f=1/T,是基波頻率。c是直流分量；an和bn分別是n次諧波的正弦和余弦振幅值。諧波次數(shù)越高，則其頻率也越高。信道可通過的諧波越多，疊加出來的波形與原始信號(hào)f(t)越近似，即失真越小，但同時(shí)諧波的頻率就越高。10隨著項(xiàng)的個(gè)數(shù)的增多，疊加出來的曲線更加接近于原方波。隨著項(xiàng)的個(gè)數(shù)的增多，通過的諧波頻率就越高。2.1.3帶寬與傅立葉分析（續(xù)1）11若數(shù)據(jù)通信速率恒定，信道帶寬越寬，意味著它可以傳輸更高頻率的諧波信號(hào)，數(shù)據(jù)失真越小。信道帶寬固定，數(shù)據(jù)速率越高，失真越大。

舉例：信道帶寬為3kHz，數(shù)據(jù)傳輸速率為9600b/s，發(fā)送一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)（8bits）需要時(shí)間T：T=8/9600≈0.83ms基波頻率f＝1/T=1.2kHz對(duì)于3kHz的帶寬，僅能通過兩次諧波，數(shù)據(jù)失真很大。

若數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸速率為2400b/s，基波頻率f：基波頻率f=300Hz對(duì)于3kHz的帶寬，可通過10次諧波，數(shù)據(jù)失真較小。2.1.3帶寬與傅立葉分析（續(xù)2）12信道的最大傳輸速率與信道帶寬有關(guān)：信道帶寬越大，則信道上的最大數(shù)據(jù)傳輸速率就越高。問題：在給定的信道環(huán)境下，盡可能提高信息傳輸速率，存在的上限值是多少？兩位學(xué)者對(duì)帶寬和數(shù)據(jù)傳輸速率兩者關(guān)系這個(gè)問題進(jìn)行了研究，給出了兩個(gè)著名結(jié)論：奈奎斯特準(zhǔn)則香農(nóng)定理2.1.4信道的最大數(shù)據(jù)速率記住兩個(gè)公式奈奎斯特公式香農(nóng)公式13預(yù)備概念1：兩種傳輸率及關(guān)系數(shù)據(jù)速率（比特率）——每秒鐘傳輸?shù)谋忍財(cái)?shù)，單位為b/s。碼元速率（波特率）——每秒鐘傳送的電信號(hào)個(gè)數(shù)（碼元數(shù)，1碼元可攜帶nbits的信息量，與其編碼有關(guān)），單位為“波特（Baud），簡(jiǎn)寫為B。二者關(guān)系：比特率＝Blog2M

B——波特率

M——信號(hào)可能取的離散值個(gè)數(shù) （碼元狀態(tài)數(shù)）例：如圖，求波特率、比特率：B＝4/0.001=4000波特C＝8000b/s＋5＋3－3－51ms10000111電平V14額外混進(jìn)的非期望信號(hào)稱為噪聲。類型：熱噪聲：正態(tài)（高斯）白噪聲由帶電粒子在導(dǎo)電媒體中的布朗運(yùn)動(dòng)引起。交調(diào)噪聲多個(gè)不同頻率的信號(hào)共用同一傳輸媒體可能產(chǎn)生，是輸入信號(hào)的頻率和或差及這些頻率的多倍數(shù)的組合。串音：串?dāng)_一條信號(hào)通路中的信號(hào)在另一條信號(hào)通路上產(chǎn)生的干擾信號(hào)。脈沖噪聲突發(fā)出現(xiàn)的離散脈沖，是數(shù)據(jù)通信差錯(cuò)的主要根源。預(yù)備概念2：噪聲信噪比S/N：信號(hào)功率與噪聲功率的比值Ps/Pn。常用分貝(db)來表示信道的信噪比：10lg(S/N)15預(yù)備概念3：誤碼率誤碼產(chǎn)生噪聲干擾傳輸速度過高導(dǎo)致信號(hào)失真誤碼率——衡量信道傳輸質(zhì)量計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)中，誤碼率要求低于10－6。在二進(jìn)制傳輸時(shí)，碼元與比特等價(jià)，誤碼率又稱誤比特率。在多進(jìn)制傳輸時(shí)，兩者不相等。16回到問題上來：在給定的信道環(huán)境下，盡可能提高信息傳輸速率，上限值是多少？在給定的信道環(huán)境下，在誤碼率任意趨近于零的情況下，單位時(shí)間內(nèi)所能傳輸信息的最大速率，即信道容量，單位b/s說明：如果信源的信息傳輸速率R≤信道容量C，則理論上可使信源輸出以任意小誤碼率通過信道進(jìn)行傳輸；如果R≥C，則無差錯(cuò)傳輸在理論上是不可能的。172.1.4信道的最大數(shù)據(jù)速率（1.奈奎斯特公式）無熱噪聲情況下：舉例：傳輸介質(zhì)的帶寬為4kHz，可能的電平取值為4種，則最大數(shù)據(jù)速率C：

C＝2×4×log24=16kbps奈奎斯特公式：C——最大數(shù)據(jù)傳輸速率（信道容量）W——信道帶寬M——信號(hào)可能取的離散值個(gè)數(shù)B——波特率推論182.1.4信道的最大數(shù)據(jù)速率（2.香農(nóng)公式）有高斯白噪聲干擾的信道情況：舉例：信噪比為30分貝，帶寬為4000Hz的信道最大速率C：

S/N=1030/10=1000 C=4000×log2（1＋1000）＝40kbps香農(nóng)公式:C——最大數(shù)據(jù)傳輸速率（信道容量）W——信道帶寬S/N——信噪比一般使用分貝（db）來表示信道的信噪比：10log10(S/N)19練習(xí)題1、常用的數(shù)據(jù)傳輸率單位有kbps,Mbps,Gbps，如果局域網(wǎng)的傳輸速率100Mbps，那么發(fā)送1bits數(shù)據(jù)需要的時(shí)間是：

A1×10（-6）s B1×10（-7）s C1×10（-8）s D1×10（-9）s答案：C20練習(xí)題2、誤碼率是指二進(jìn)制碼元在數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中被傳錯(cuò)的____：

A比特?cái)?shù)

B字節(jié)數(shù)

C概率

D速度答案：C21練習(xí)題3、對(duì)于一個(gè)實(shí)際的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，在數(shù)據(jù)傳輸速率確定后，如果要求誤碼率越低，那么傳輸系統(tǒng)設(shè)備的____：

Ⅰ、造價(jià)越高；

Ⅱ、結(jié)構(gòu)越復(fù)雜；

Ⅲ、線路帶寬越大；

Ⅳ、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)越簡(jiǎn)單。

AⅠ和Ⅱ； BⅠ和Ⅲ；

CⅡ和Ⅳ； DⅢ和Ⅳ。答案：A22練習(xí)題4、奈奎斯特準(zhǔn)則從定量角度描述了____與傳輸速率與狀態(tài)的關(guān)系：

答案：帶寬或信道帶寬23練習(xí)題5、香農(nóng)定理描述了信道帶寬與哪些參數(shù)之間的關(guān)系：

Ⅰ、最大傳輸速率；

Ⅱ、信號(hào)功率；

Ⅲ、噪聲功率；

AⅠ、Ⅱ和Ⅲ； B僅Ⅰ和Ⅱ；

C僅Ⅰ和Ⅲ； D僅Ⅱ和Ⅲ。答案：A24補(bǔ)：信道時(shí)延(Delay)定義：信號(hào)在信道中傳播，從源端到宿端所需要的時(shí)間。相鄰站點(diǎn)傳送數(shù)據(jù)的總時(shí)延主要是由以下幾部分組成：傳播時(shí)延

這是電磁波在信道中傳播所需要的時(shí)間，與距離和電磁波速度有關(guān)。發(fā)送時(shí)延(傳輸時(shí)延)

這是發(fā)送數(shù)據(jù)所需要的時(shí)間，與計(jì)算機(jī)發(fā)送速率有關(guān)。處理時(shí)延網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)處理分組花費(fèi)的時(shí)間。排隊(duì)時(shí)延與網(wǎng)絡(luò)的通信量有關(guān)。重發(fā)時(shí)延

實(shí)際的信道誤碼造成重新傳送，因而增加了總的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間。

對(duì)于廣域網(wǎng)而言，信道時(shí)延難以估算。252.2物理傳輸介質(zhì)介質(zhì)：用于傳送信號(hào)的實(shí)際載體。（認(rèn)為用于傳送信號(hào)的物理媒體并不屬于物理層，而是在物理層之下，因此有人把它當(dāng)做第0層）有線雙絞線同軸電纜光纖無線微波無線電波紅外線衛(wèi)星激光通信262.2物理傳輸介質(zhì)無線電微波紅外線可見光紫外線X射線射線雙絞線同軸電纜衛(wèi)星地面微波

調(diào)幅無線電

調(diào)頻無線電

海事無線電光纖電視(Hz)f(Hz)fLFMFHFVHFUHFSHFEHFTHF波段104105106107108109101010111012101310141015101610010210410610810101012101410161018102010221024

移動(dòng)無線電電信領(lǐng)域使用的電磁波的頻譜272.2.1雙絞線（TP:TwistedPairwire）最常用的物理傳輸媒體價(jià)格便宜、易于安裝由兩根絕緣銅線互相絞在一起，用于降低傳輸信號(hào)之間的干擾一般由多對(duì)雙絞線一起包在一個(gè)絕緣電纜套管內(nèi)。分類：屏蔽雙絞線STP非屏蔽雙絞線UTP28最常用：3類雙絞線（CAT3）和5類雙絞線（CAT5）CAT3：

帶寬：10M，最長傳輸距離：100m

每英尺旋絞3～4次 CAT5：帶寬：100M，最長傳輸距離：100m

每英寸旋絞3～4次UTP（非屏蔽雙絞線）29STP(屏蔽雙絞線)30STP(屏蔽雙絞線)結(jié)構(gòu)：每對(duì)雙絞線外有一個(gè)屏蔽層，4對(duì)雙絞線外還有一個(gè)屏蔽層。優(yōu)點(diǎn)：減少內(nèi)部傳輸信號(hào)之間的干擾和外部噪聲對(duì)內(nèi)部傳輸信號(hào)的干擾。缺點(diǎn)：價(jià)格昂貴，安裝相對(duì)困難。31雙絞線的接口及連線UTP的RJ-45接頭UTP的RJ-45接頭接線編號(hào)12345678顏色白綠綠白橙藍(lán)白藍(lán)橙白棕棕4，5，7，8用于電話連接。

數(shù)據(jù)通信中使用1，2，3，6四根連線。1，2：發(fā)送數(shù)據(jù)3，6：接收數(shù)據(jù)32雙絞線的接口及連線（續(xù)）兩種連接方法：平行線：

用于：計(jì)算機(jī)——集線器（HUB）

1 1 2 2 集線器uplink口連接

3 3 6 6交叉線:1 1 用于：計(jì)算機(jī)——計(jì)算機(jī)

2 2 不經(jīng)過集線器連接

3 3 6 6332.2.2同軸電纜結(jié)構(gòu)分類(1)50歐：基帶同軸電纜,用于數(shù)字基帶編碼通信如曼徹斯特編碼等,傳送的是數(shù)字信號(hào),用高低電平分別代表0,1，常用于以太網(wǎng)的連接。

終端電阻342.2.2同軸電纜(2)75歐：寬帶同軸電纜，

用于寬帶數(shù)據(jù)網(wǎng)，傳輸?shù)氖墙?jīng)調(diào)制后的模擬信號(hào)。傳輸?shù)氖沁B續(xù)的波形信號(hào)。

帶寬300-400MHz，傳輸距離可達(dá)100km。常用于CATV網(wǎng)傳輸。352.2.3光纖光纖通信就是利用光導(dǎo)纖維（以下簡(jiǎn)稱為光纖）傳遞光脈沖來進(jìn)行通信。（a）單根光纖（b）光纜36光纖的傳輸方式多模，傳輸距離短通過包層對(duì)光信號(hào)的反射向前傳播可同時(shí)傳遞多個(gè)相位不同的光信號(hào)單模，傳輸距離長光信號(hào)直線向前傳播減少光能量在反射過程中的損耗可傳輸更長距離、達(dá)到更高速率體積更小、重量更輕只能傳輸一路光信號(hào)（教材P）372.2.3光纖優(yōu)點(diǎn)：體積小、重量輕低衰減、大容量電磁隔離缺點(diǎn)：切割、安裝困難價(jià)格昂貴用途:較少用于局域網(wǎng)、短距離傳輸，普遍應(yīng)用于主干網(wǎng)絡(luò)的鋪設(shè)。382.2.4無線信道常用的無線傳輸介質(zhì)無線電微波紅外線激光衛(wèi)星39無線電（Radio）在無線電廣播和電視廣播中已廣泛使用低、中、高、甚高、超高、特高、極高頻單工雙工：ALOHA系統(tǒng)40微波（Microwave）沿直線傳播可穿越障礙物，但不可穿越金屬。兩種主要的通信方式：地面微波接力通信衛(wèi)星通信41衛(wèi)星通信同步衛(wèi)星通信衛(wèi)星在離地表36000Km的軌道上運(yùn)行，周期接近24小時(shí)，可與地球形成同步。缺點(diǎn)：信道延遲較長延時(shí)與通信兩端的距離無關(guān)，適合長距離通信。42紅外線不可穿固體越障礙物經(jīng)濟(jì)實(shí)惠、制作簡(jiǎn)單應(yīng)用：遙控器、便攜電腦的紅外通信口、無線局域網(wǎng)43激光直線傳輸不可穿固體越障礙物對(duì)雨雪霧敏感應(yīng)用：無線局域網(wǎng)44練習(xí)題城域網(wǎng)的主干網(wǎng)采用的傳輸介質(zhì)主要是：

A同軸電纜

B光纖

C屏蔽雙絞線

D無線通道452.3.1模擬傳輸與數(shù)字傳輸模擬傳輸：不考慮其內(nèi)容的模擬信號(hào)傳輸方式。放大器，畸變疊加失真數(shù)字傳輸：

關(guān)心的是信號(hào)的內(nèi)容。中繼器，不會(huì)累計(jì)畸變。2.3編碼與調(diào)制長距離傳輸，數(shù)字信號(hào)具有優(yōu)越性。46通信信道中傳輸數(shù)據(jù)的四種形式：由于數(shù)據(jù)可分為模擬數(shù)據(jù)、數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，信號(hào)也相應(yīng)分為模擬信號(hào)、數(shù)字信號(hào)，因此通信信道中傳輸數(shù)據(jù)有四種形式：1.數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)用數(shù)字信號(hào)傳輸2.數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)用模擬信號(hào)傳輸3.模擬數(shù)據(jù)用數(shù)字信號(hào)傳輸4.…………..模擬信號(hào)傳輸可直接通過信道發(fā)送需編碼/調(diào)制后傳遞47通信信道中傳輸數(shù)據(jù)的四種形式：

傳輸形式 采用技術(shù)

1.數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)用數(shù)字信號(hào)傳輸2.數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)用模擬信號(hào)傳輸3.模擬數(shù)據(jù)用數(shù)字信號(hào)傳輸4.…………..模擬信號(hào)傳輸數(shù)字-模擬調(diào)制數(shù)字-數(shù)字編碼脈沖編碼調(diào)制模擬-模擬調(diào)制48幅度調(diào)制（調(diào)幅AM）頻率調(diào)制（調(diào)頻FM）相位調(diào)制（調(diào)相PM）2.3.2模擬-模擬調(diào)制492.3.3數(shù)字-模擬調(diào)制什么是數(shù)字調(diào)制？為什么要使用數(shù)字調(diào)制？數(shù)字方波的頻帶較寬，如一路模擬電話的頻帶為4kHz帶寬，一路數(shù)字電話約占64kHz。傳統(tǒng)的模擬線路不適用于傳輸含有高頻諧波的數(shù)字信號(hào)。因此如果使用模擬信道傳輸數(shù)字信號(hào)，需要對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行調(diào)制。502.3.3數(shù)字-模擬調(diào)制調(diào)制方法對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，就是使用不同狀態(tài)的波形來區(qū)分“0”和“1”。波形函數(shù):Asin（2πft＋Φ）,通過對(duì)幅度（A）、頻率（f）和相位（Φ）的調(diào)節(jié)可獲得不同狀態(tài)的波形。三種基本的調(diào)制方法：數(shù)字調(diào)幅即載波的振幅隨基帶數(shù)字信號(hào)而變化。數(shù)字調(diào)頻………….頻率隨基帶數(shù)字信號(hào)而變化。數(shù)字調(diào)相………….初始相位隨基帶數(shù)字信號(hào)而變化。也稱為幅移鍵控(ASK),頻移鍵控(FSK),相移鍵控(PSK).512.3.3數(shù)字-模擬調(diào)制數(shù)字調(diào)幅數(shù)字調(diào)頻數(shù)字調(diào)相522.3.3數(shù)字-模擬調(diào)制Ａ.幅移鍵控ASK

二進(jìn)制幅移鍵控（2ASK）調(diào)制原理： 用兩個(gè)不同振幅的載波分別表示二進(jìn)制值"0"和"1"。

010011100基帶信號(hào)調(diào)幅532.3.3數(shù)字-模擬調(diào)制Ａ.幅移鍵控ASK（續(xù)）

①二進(jìn)制幅移鍵控（2ASK）：

②多進(jìn)制（MASK）：基本思想：利用多電平的矩形基帶脈沖去控制正弦載波信號(hào)幅度。542.3.3數(shù)字-模擬調(diào)制B.頻移鍵控FSK二進(jìn)制頻移鍵控（2FSK）調(diào)制原理：用兩個(gè)不同頻率的載波分別表示二進(jìn)制值"0"和"1"。010011100基帶信號(hào)調(diào)頻552.3.3數(shù)字-模擬調(diào)制B.頻移鍵控FSK（續(xù)）

①二進(jìn)制頻移鍵控（2FSK）： ②多進(jìn)制頻移鍵控（MFSK）：基本思想：利用M個(gè)不同頻率的信號(hào)波形（如正弦波）來代表M進(jìn)制的M個(gè)碼元符號(hào)。2FSK調(diào)制原理圖

562.3.3數(shù)字-模擬調(diào)制C.相移鍵控PSK

(1)絕對(duì)相移鍵控用兩個(gè)固定的不同相位表示數(shù)字“0”和“1”。572.3.3數(shù)字-模擬調(diào)制C.相移鍵控PSK(2)相對(duì)相移鍵控用載波在兩位數(shù)字信號(hào)的交接處產(chǎn)生的相位偏移來表示載波所表示的數(shù)字信號(hào)。最簡(jiǎn)單的相對(duì)調(diào)相方法是：與前一個(gè)信號(hào)同相表示數(shù)字“0”，相位偏移180度表示“1”

。這種方法具有較好的抗干擾性。582.3.3數(shù)字-模擬調(diào)制C.相移鍵控PSK

(1)絕對(duì)相移鍵控？

(2)相對(duì)相移鍵控？舉例判斷：調(diào)相010011100基帶信號(hào)592.3.3數(shù)字-模擬調(diào)制C.相位調(diào)制

(1)絕對(duì)相移鍵控

(2)相對(duì)相移鍵控（差分相移鍵控）

①二進(jìn)制相移鍵控（2PSK）：兩相調(diào)制：用0°、180°兩種相位變化的方式來分別表示二進(jìn)制數(shù)0和1。 ②多進(jìn)制相移鍵控（MPSK）：多相調(diào)制： 如用0°、90°、180°、270°四種相位變化的方式來調(diào)制數(shù)據(jù)，稱為四相調(diào)制。 再如：用0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°八種相位變化的方式來調(diào)制數(shù)據(jù)，成為八相調(diào)制，可分別表示八種比特組合，其數(shù)據(jù)傳輸率較兩相增加2倍。602.3.3數(shù)字-模擬調(diào)制A.幅移鍵控B.頻移鍵控C.相移鍵控D.復(fù)合多級(jí)調(diào)制：在多級(jí)調(diào)制中，調(diào)制信號(hào)的級(jí)數(shù)越多，數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的傳輸速率就越高，但相鄰級(jí)別之間的差別就越小，抗干擾能力就越低，解調(diào)的難度也越大。（多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能通常低于二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)。）因此，對(duì)單一參數(shù)的多級(jí)調(diào)制來說，數(shù)據(jù)傳輸速率不可能做到很大。為進(jìn)一步提高調(diào)制的效率，在同樣的級(jí)數(shù)下得到更多的信號(hào)狀態(tài)數(shù)，可以對(duì)兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行復(fù)合多級(jí)調(diào)制。

基本數(shù)字調(diào)制技術(shù)612.3.4模擬-數(shù)字編碼數(shù)字信號(hào)在很多方面優(yōu)于模擬信號(hào)。將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，方便計(jì)算機(jī)的處理和遠(yuǎn)距離傳輸。變換方法：脈碼調(diào)制（PCM,PulseCodeModelation）

三個(gè)步驟：采樣、量化、編碼采樣器量化器編碼器模擬數(shù)據(jù)數(shù)字信號(hào)時(shí)間離散、振幅連續(xù)的信號(hào)(PAM脈沖)時(shí)間離散、振幅離散的信號(hào)(PCM脈沖)脈沖編碼調(diào)制原理圖62采樣：在時(shí)間上將模擬信號(hào)離散化。為保證模擬信號(hào)不失真，fs>2fm（模擬信號(hào)的最高頻率）。量化：對(duì)采樣來的幅值進(jìn)行舍零取整的處理

對(duì)采樣幅值進(jìn)行8級(jí)量化，四舍五入編碼：對(duì)每個(gè)量化后的樣本進(jìn)行編碼。使用3位二進(jìn)制，對(duì)8級(jí)量化進(jìn)行編碼。2.3.4模擬-數(shù)字編碼3.23.92.83.81.23.47675627110111101110010111104111010110101111110PCM輸出：63例：--話音信道帶寬<4KHz--采樣時(shí)鐘頻率：8KHz(>2倍話音最大頻率)--量化級(jí)數(shù)：8級(jí)(3位二進(jìn)制碼表示)--數(shù)據(jù)傳輸率：8000樣本/s*3bit/樣本=24Kb/s8級(jí)量化，誤差<=最大幅值/1616級(jí)量化（4位二進(jìn)編碼），誤差<=最大幅值/32，速率要提高到8000樣本/s*4bit/樣本=32Kb/s256級(jí)量化（8位二進(jìn)編碼），誤差<=最大幅值/512，速率要提高到8000樣本/s*8bit/樣本=64Kb/s2.3.4模擬-數(shù)字編碼64改進(jìn)？非線性的編碼技術(shù)優(yōu)化PCM

差分脈碼調(diào)制增量調(diào)制預(yù)測(cè)性編碼2.3.4模擬-數(shù)字編碼652.3.5數(shù)字-數(shù)字編碼解決數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的數(shù)字信號(hào)表示問題，即通過對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行編碼來表示數(shù)據(jù)。數(shù)字信號(hào)編碼的工作由網(wǎng)絡(luò)上的硬件完成，常用的編碼方法有以下三種：1.不歸零碼NRZ（non-returntozero）單極性雙極性2.歸零碼單極性雙極性3.自同步碼典型代表是曼徹斯特編碼和差分曼徹斯特編碼4.4B/5B編碼662.3.5數(shù)字-數(shù)字編碼1.不歸零碼單極性不歸零碼：在每一碼元時(shí)間內(nèi)，無電壓表示數(shù)字“0”，有恒定的正電壓表示數(shù)字“1”。每個(gè)碼元的中心是取樣時(shí)間，即判決門限為0.5：0.5以下為“0”，0.5以上為“1”。雙極性不歸零碼：在每一碼元時(shí)間內(nèi)，以恒定的負(fù)電壓表示數(shù)字“0”，以恒定的正電壓表示數(shù)字“1”。判決門限為零電平：0以下為“0”，0以上為“1”。672.3.5數(shù)字-數(shù)字編碼1.不歸零碼（續(xù)）不歸零碼是指編碼在發(fā)送“0”或“1”時(shí)，在一碼元的時(shí)間內(nèi)不會(huì)返回初始狀態(tài)（零）。當(dāng)連續(xù)發(fā)送“1”或者“0”時(shí)，上一碼元與下一碼元之間沒有間隙，使接收方和發(fā)送方無法保持同步（同步困難）。為了保證收、發(fā)雙方同步，往往在發(fā)送不歸零碼的同時(shí)，還要用另一個(gè)信道同時(shí)發(fā)送同步時(shí)鐘信號(hào)(增加了連線數(shù)目)。存在直流分量，傳輸中不能使用變壓器682.3.5數(shù)字-數(shù)字編碼2.歸零碼指編碼在發(fā)送“0”或“1”時(shí)，在一碼元的時(shí)間內(nèi)會(huì)返回初始狀態(tài)（零）。單極性歸零碼：以無電壓表示數(shù)字“0”，以恒定的正電壓表示數(shù)字“1”。與單極性不歸零碼的區(qū)別是：“1”碼發(fā)送的是窄脈沖，發(fā)完后歸到零電平。雙極性歸零碼：以恒定的負(fù)電壓表示數(shù)字“0”，以恒定的正電壓表示數(shù)字“1”。與雙極性不歸零碼的區(qū)別是：兩種信號(hào)波形發(fā)送的都是窄脈沖，發(fā)完后歸到零電平。692.3.5數(shù)字-數(shù)字編碼3.自同步碼自同步碼是指編碼在傳輸信息的同時(shí)，將時(shí)鐘同步信號(hào)一起傳輸過去。這樣，在數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瑫r(shí)就不必通過其它信道發(fā)送同步信號(hào)。局域網(wǎng)中的數(shù)據(jù)通信常使用自同步碼。典型代表是曼徹斯特編碼和差分曼徹斯特編碼。702.3.5數(shù)字-數(shù)字編碼3.自同步碼曼徹斯特（Manchester）編碼：每一位的中間（1/2周期處）有一跳變，該跳變既作為時(shí)鐘信號(hào)（同步），又作為數(shù)據(jù)信號(hào)。從高到低的跳變表示數(shù)字“0”，從低到高的跳變表示數(shù)字“1”。差分曼徹斯特（DifferentManchester）編碼：每一位的中間（1/2周期處）有一跳變，但是，該跳變只作為時(shí)鐘信號(hào)（同步）。數(shù)據(jù)信號(hào)根據(jù)每位開始時(shí)有無跳變進(jìn)行取值：有跳變表示數(shù)字“0”，無跳變表示數(shù)字“1”。712.3.5數(shù)字-數(shù)字編碼曼徹斯特編碼、差分曼徹斯特編碼特點(diǎn)：自帶同步信號(hào)由于一位的中間必須跳變，所以都屬于歸零編碼（ReturntoZero）編碼效率低——50%，100Mbps的速率，要200M的波特率。換言之,需要發(fā)送數(shù)據(jù)的2倍寬帶。用于傳統(tǒng)局域網(wǎng)722.3.5數(shù)字-數(shù)字編碼4.4B/5B編碼（為提高編碼效率）每次對(duì)4位數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼,每4位數(shù)據(jù)編碼成5位符號(hào)。5比特編碼的32種組合中，實(shí)際只使用了24種，其中的16種用做數(shù)據(jù)符合，其余8種用做控制符號(hào)(如幀的起始和結(jié)束符號(hào)等)。對(duì)于100Ｍbps的光纖網(wǎng)只需125MHz的元件就可實(shí)現(xiàn),效率提高到80%。同步：可以采用二級(jí)編碼的方法。即先按4B/5B編碼，然后再利用一種稱為倒相的不歸零制NRZI編碼。編碼確保無論4比特符號(hào)為何種組合(包括全“0”)，其對(duì)應(yīng)的5比特編碼中至少有2位“1”，從而保證在光纖中傳輸?shù)男盘?hào)至少發(fā)生兩次跳變，接收端可得到足夠的同步信息，利于接收端的時(shí)鐘提取。原理類似于差分編碼。用于快速以太網(wǎng)732.4多路復(fù)用技術(shù)多路復(fù)用技術(shù):使用一條通信線路傳送多路數(shù)據(jù)信號(hào)為何要復(fù)用？線路成本分類：頻分多路復(fù)用（FDM-FrequencyDivisionMultiplexing）時(shí)分多路復(fù)用（TDM-TimeDivisionMultiplexing）波分多路復(fù)用（WDM-WavelengthDivisionMultiplexing）碼分多路復(fù)用（CDM-CodeDivisionMultiplexing）DEMUX復(fù)用器解復(fù)用器共享信道MUX742.4多路復(fù)用技術(shù)分類：頻分多路復(fù)用（FDM）采用調(diào)頻的多路復(fù)用技術(shù)。業(yè)務(wù)信道在不同的頻段分配給不同的用戶。

時(shí)分多路復(fù)用（TDM）是采用時(shí)分的多路復(fù)用技術(shù)。業(yè)務(wù)信道在不同的時(shí)間分配給不同的用戶。波分多路復(fù)用（WDM）實(shí)際上是FDM的一個(gè)變種，用于光纖信道的復(fù)用。

碼分多路復(fù)用（CDM）是采用擴(kuò)頻的多路復(fù)用技術(shù)。所有用戶在同一時(shí)間、同一頻段上，根據(jù)不同的編碼獲得業(yè)務(wù)信道。75CH1CH2CH3帶寬復(fù)用fCH2CH1CH3原帶寬CH1CH2CH3移頻后帶寬MUX1、頻分多路復(fù)用（FDM）應(yīng)用：適合傳輸模擬信號(hào)，應(yīng)用于無線電廣播，電視。原理：信號(hào)被劃分成若干通道(頻道,波段)，每個(gè)通道獨(dú)立進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，頻率通道之間留有防護(hù)頻帶。FDM的CCITT標(biāo)準(zhǔn)與貝爾標(biāo)準(zhǔn)(教材P)762、時(shí)分多路復(fù)用（TDM）原理：把物理信道按時(shí)間分割成若干個(gè)時(shí)間片，并輪流分配給多個(gè)信號(hào)使用。每個(gè)信號(hào)分得一個(gè)時(shí)間片，在該時(shí)間片內(nèi)該信號(hào)占用整個(gè)帶寬。通過時(shí)間片輪轉(zhuǎn)，多條低速線路共同使用一條高速線路進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。應(yīng)用：適用于數(shù)字信號(hào)傳輸。低速線路低速線路高速線路772、時(shí)分多路復(fù)用（TDM）（續(xù)1）分類：傳統(tǒng)（同步、靜態(tài)）時(shí)分復(fù)用：將時(shí)間片預(yù)先固定的分配給各個(gè)信道，即每個(gè)時(shí)間片與一個(gè)信號(hào)對(duì)應(yīng)，并且時(shí)間片固定不變。在接受端，根據(jù)時(shí)間片序號(hào)可判斷出是哪一路信號(hào)。

缺點(diǎn)：當(dāng)某信號(hào)源沒有數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，分配的時(shí)間片內(nèi)空閑，而其他繁忙的信道無法占用之，因此會(huì)降低線路的利用率。統(tǒng)計(jì)（異步、動(dòng)態(tài)）時(shí)分復(fù)用：動(dòng)態(tài)地分配時(shí)間片。先依次掃描各子信道，只把時(shí)間片分給那些有數(shù)據(jù)要發(fā)送的終端，而不分配給空閑終端。提高了線路的利用率。782、時(shí)分多路復(fù)用（TDM）（續(xù)2）目前兩大數(shù)字傳輸系統(tǒng)都是時(shí)分復(fù)用線路：T1:北美的24路脈碼調(diào)制PCM簡(jiǎn)稱T1,速率1.544Mbit/s；E1:歐洲,亞洲的30路脈碼調(diào)制PCM簡(jiǎn)稱E1,速率2.048Mbit/sCH0CH1CH10CH11CH23CH10CH11CH12CH0CH1CH10CH11CH23CH10CH11CH12TDMTDMT1的時(shí)分復(fù)用幀CH0CH1CH2···CH10CH11CH24···CH128bits79T1的時(shí)分復(fù)用幀CH0CH1CH10CH11CH23CH10CH11CH12CH0CH1CH10CH11CH23CH10CH11CH12TDMTDMT1的時(shí)分復(fù)用幀CH0CH1CH2···CH10CH11CH24···CH128bits802、時(shí)分多路復(fù)用（TDM）（續(xù)3）T1的一個(gè)時(shí)分復(fù)用幀劃分為24個(gè)相等的時(shí)隙。每個(gè)時(shí)隙傳8bit一個(gè)時(shí)分復(fù)用幀長度＝8×24＋1（分幀碼/幀同步碼）＝193bit125μs傳一幀數(shù)據(jù)速率=1.544Mb/sT2,T381WDM是指在一根光纖上同時(shí)傳輸多個(gè)波長不同的光載波。

WDM實(shí)際上是FDM的一個(gè)變種，用于光纖信道的復(fù)用。原理：要傳輸?shù)墓獠ǖ牟ㄩL（頻率）是不同的，它們通過合波器（如棱鏡、光柵）后，就可使用一條共享的光纖傳輸，到達(dá)目的地節(jié)點(diǎn)后，在經(jīng)過分波器（如棱鏡、光柵）分成多束光波。常稱一根光纖復(fù)用為兩路光載波信號(hào)為WDM；一根光纖復(fù)用為多路光載波信號(hào)為密集波分多路復(fù)用(DenseWDM)。3、波分多路復(fù)用（WDM）例：一根單模光纖數(shù)據(jù)傳輸率為2.5Gb/s，復(fù)用為n路信號(hào)后，光纖的數(shù)據(jù)傳輸總速率達(dá)n×2.5Gb/s，顯著提高了光纖的數(shù)據(jù)傳輸率。824、碼分多路復(fù)用（CDM）碼分多路復(fù)用（CDM），也常被稱為碼分多址復(fù)用即CDMA（CodeDivisionMultipleAccess）原理：基于擴(kuò)頻技術(shù)，首先發(fā)送方將需要傳輸?shù)木哂幸欢◣挼男畔?shù)據(jù)用一個(gè)偽隨機(jī)碼調(diào)制，調(diào)制后的信息帶寬遠(yuǎn)大于調(diào)制前的帶寬，這樣原始信號(hào)帶寬得到擴(kuò)展，即擴(kuò)頻。然后把擴(kuò)頻后的信號(hào)經(jīng)載波調(diào)制后發(fā)送給接受方。接受方用完全相同的偽隨機(jī)碼把收到的信號(hào)還原為原始數(shù)據(jù)。由于用戶使用了經(jīng)過特殊挑選的不同碼型，故可以在同樣時(shí)間內(nèi)使