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实验报告实验报告上传密码：network实验报告命名实验报告1_张三_学号.rar1第一次作业提取码：homework1直接下载链接：=提取码23第2章物理层钱权[e-mail]4第2章物理层提纲2.1基本通信理论2.2传输介质2.3同步光纤网和同步数字系列2.3物理层协议举例52.1基本通信理论2.1.1数据通信的基本概念2.1.2数据通信中的几个指标2.1.3多路复用技术2.1.4数字调制技术2.1.5数字信号编码2.1.6交换技术62.1.1数据通信的基本概念数据通信的基本概念通信的目的就是传递信息。一次通信中产生和发送信息的一端叫信源,接收信息的一端叫信宿。信源和信宿之间要有通信线路才能互相通信。按通信专家的行话来说,通信线路称为信道,所以信源和信宿之间的信息交换是通过信道进行的。数据通信系统的组成源系统(发送端、信源)传输系统目的系统(接收端、信宿)7数据通信系统的模型8几个术语数据在信道中以电信号的形式传送，电信号分为：模拟信号和数字信号。模拟信号：是连续变化的电压或电流波形。数字信号：是一系列表示“0”和“1”的电脉冲（码元）。数据(data)——运送信息的实体。信号(signal)——数据的电气的或电磁的表现。“模拟的”(analogous)——连续变化的。“数字的”(digital)——取值是离散数值。调制——把数字信号转换为模拟信号的过程。解调——把模拟信号转换为数字信号的过程。9模拟信号与数字信号图2.2模拟信号与数字信号(a)模拟信号(b)数字信号10模拟的和数字的数据、信号11不同组合模拟数据、模拟信号最早的电话系统模拟数据、数字信号模拟数据数字化后，可以使用先进的数字传输和交换设备，如现代的电话系统。数字数据、模拟信号有些传输媒体只适合传输模拟信号，如光纤和无线信道。数字数据、数字信号数字数据编码成数字信号的设备，比起数字到模拟设备更简单、更廉价。122.1.2数据通信中的几个指标信号传输速率数据传输速率信道的容量带宽时延误码率13信道的最高码元传输速率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扰。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就越严重。14数字信号通过实际的信道15信号的传输速率每秒钟发送的码元数目，单位为波特（baud），信号传输速率又称为波特率。1波特为每秒传送1个码元。信道的最高码元传输速率早在1924年,贝尔实验室的研究员亨利·尼奎斯特(HarryNyquist)就推导出了低通信道最高码元传输速率。理想低通信道：信号的所有低频分量，只要频率不超过某个上限，都能够不失真地通过信道。理想带通信道：信号的频率在某个范围F1～F2之间的频率分量能够不失真地通过信道，其它分量不能通过。信道的带宽：信道所能传输的电信号的频率范围，单位为赫兹。16奈氏(Nyquist)准则每赫带宽的理想低通信道的最高码元传输速率是每秒2个码元。Baud是波特，是码元传输速率的单位，1波特为每秒传送1个码元。理想低通信道的最高码元传输速率=2WBaudW是理想低通信道的带宽，单位为赫(Hz)不能通过能通过0频率(Hz)W(Hz)17另一种形式的奈氏准则每赫带宽的理想带通信道的最高码元传输速率是每秒1个码元。理想带通特性信道的最高码元传输速率=WBaudW是理想带通信道的带宽，单位为赫(Hz)不能通过能通过0频率(Hz)W(Hz)不能通过18数据传输速率数据传输速率：每秒钟能传输的二进制位数，单位比特/秒（bps），数据传输速率又称为比特率。若码元的状态数为2时，可用一种状态表示“1”，另一种状态表示“0”。此时比特率=波特率（即每秒钟传输的二进制位数等于每秒钟传输的码元数）。若码元的状态数为4时，四种状态分别表示为“00”，“01”，“10”，“11”。则一个码元可以携带两位二进制数，此时比特率=2*波特率。一般情况：若码元状态数为N，则比特率和波特率的关系为：19要点数据的传输速率“比特/秒”与码元的传输速率“波特”在数量上却有一定的关系。若1个码元只携带1bit的信息量，则“比特/秒”和“波特”在数值上相等。若1个码元携带nbit的信息量，则MBaud的码元传输速率所对应的信息传输速率为Mnb/s。20信道容量(1)信道容量也称为信道的极限信息数据传输速率：表示信道传输数字信号的能力，是信道所能支持的数据速率的上限。对于无噪声低通信道：若信道带宽为H，码元状态数为N。根据尼奎斯特定理：B=2H（baud）信道的最大数据传输速率：S=B*Log2N所以有：S=2H*Log2N(bps)无噪声信道N可以取任意值，所以无噪声信道的信道容量是无限的。21信道容量(2)对于有噪声信道：N不能无限增长，香农(Shannon)用信息论的理论推导出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限、无差错的信息传输速率。若带宽为H的有噪声信道，信道容量为：C=Hlog2(1+S/N)(bps)其中：S为信号功率，N为噪声功率，S/N为信道的信噪比信噪比的单位为分贝（dB），换算关系为：信噪比（dB）=10Log10(S/N)22带宽“带宽”(bandwidth)本来是指信号具有的频带宽度，单位是赫（或千赫、兆赫、吉赫等）。一个特定的信号常由不同的频率成分组成。信号的带宽指信号各种不同频率成份所占据的频率范围。例如：电话信号的标准带宽为3.1kHz，频率范围从300Hz到3.4kHz。现在“带宽”是数字信道所能传送的“最高数据率”的同义语，单位是“比特每秒”，或b/s(bit/s)。23常用的带宽单位更常用的带宽单位是千比每秒，即kb/s（103b/s）兆比每秒，即Mb/s（106b/s）吉比每秒，即Gb/s（109b/s）太比每秒，即Tb/s（1012b/s）请注意：在计算机界，K=210=1024M=220,G=230,T=240。24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4106个比特0.25s带宽为4Mb/s25时延(delay或latency)时延：是指一个报文或分组从一个网络（或一条链路）的一端传送到另一端所需的时间。时延分为：发送时延传播时延处理时延26三种时延所产生的地方1011001…发送器队列在链路上产生传播时延结点B结点A在发送器产生发送时延(即传输时延)在队列中产生处理时延数据从结点A向结点B发送数据链路27时延(delay或latency)发送时延（传输时延）：发送数据时，数据块从结点进入到传输媒体所需要的时间。即数据块第一个比特开始发送算起，到最后一个比特发送完毕所需的时间。信道带宽：数据在信道上的发送速率。常称为数据在信道上的传输速率。发送时延=数据块长度（比特）信道带宽（比特/秒）28时延(delay或latency)传播时延：电磁波在信道中需要传播一定的距离而花费的时间。电磁波在自由空间的传播速率为光速，3.0*105km/s，在铜线中为2.3*105km/s，光纤中为2.0*105km/s。信号传输速率（即发送速率）和信号在信道上的传播速率是完全不同的概念。传播时延=信道长度（米）信号在信道上的传播速率（米/秒）29时延(delay或latency)处理时延交换结点为存储转发而进行一些必要的处理所花费的时间。结点缓存队列中分组排队所经历的时延是处理时延中的重要组成部分。处理时延的长短往往取决于网络中当时的通信量。有时可用排队时延作为处理时延。30时延(delay或latency)数据经历的总时延就是发送时延、传播时延和处理时延之和：总时延=发送时延+传播时延+处理时延31注意点对于高速网络链路，我们提高的仅仅是数据的发送速率而不是比特在链路上的传播速率。提高链路带宽减小了数据的发送时延。32往返时延RTT往返时延RTT(Round-TripTime)表示从发送端发送数据开始，到发送端收到来自接收端的确认（接收端收到数据后立即发送确认），总共经历的时延。复杂互联网中，RTT要包括各中间节点的处理时延和转发数据的发送时延。33误码率误码率：传输出错的码元数占传输总码元数的比例，是衡量数据通信系统在正常工作情况下传输可靠性的指标。设传输总的码元数为N，传输出错的码元数为Ne，则误码率Pe为：Pe=Ne/N误码率的应用：误码率决定传输的数据单元的大小，信道的质量较差，误码率比较大则采用较小的数据单元传输。例子：假设误码率为10-5(即每传输100,000比特，发生1比特错误)；此时若数据单元为1000比特，则每发送100数据单元，发送一个错误，重传1000比特即可。此时若数据单元为10000比特，则每发送10个单元会发生1个错误，需要重传10000比特。但并非数据单元越小越好，控制信息增加，额外开销增大.342.1.3多路复用技术一条物理线路上仅传输一路信号，资源浪费。采用多路复用，可以将多路信号组合在一条物理信道上进行传输，在接收端再将各路信号分离开来，提高通信线路的利用率。多路复用技术：频分多路复用时分多路复用波分多路复用码分多路复用35频分多路复用频谱：信号的能量随频率的分布规律为信号的频谱。信号的带宽：能量集中的区域为信号的带宽。当信道的带宽等于或大于信号的带宽时，信号的频谱在传输过程中不会被改变。频分多路复用（FrequencyDivisionMultiplexing，FDM）：当信道的带宽大于各路信号的总带宽时，可以将信道分割成若干个子信道，每个子信道用来传输一路信号。要求：各路信号的频谱在传输过程中不互相重叠和干扰，采用频谱搬移技术。36FDM示意图37FDM示意图图2.22频分多路38时分多路复用TDM(TimeDivisionMultiplexing)将使用信道的时间分成一个个时间片，按一定规则将这些时间片分配给各路信号，每一路信号在自己的时间片内独占整个信道进行传输。时间片的大小可以按一次传送一位,一个字节或一个固定大小的数据块所需的时间来确定。39TDM示意图图时分多路复用40TDM类型同步TDM（普通TDM）时间片的分配事先约定，且固定不变。优点：控制简单，接收设备根据预约的时间片分配方案，将收到的数据分发到不同的输出线路上。缺点：当某个信号源没有数据时，仍然占用时间片，不能充分利用信道。同步TDM将时间划分为一段段等长的TDM帧，每个用户占用的时隙周期性出现。即：信号源与时隙序号固定，即同步。41时分复用频率时间BCDBCDBCDBCDAAAA在TDM帧中的位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧…TDM帧42时分复用频率时间CDCDCDAAAABBBBCD在TDM帧中的位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧…TDM帧43时分复用频率时间BDBDBDAAAABCCCCD在TDM帧中的位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧…TDM帧44时分复用频率时间BCBCBCAAAABCDDDD在TDM帧中的位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧…TDM帧45时分复用可能会造成线路资源的浪费ABCDaabbcdbcattttt4个时分复用帧#1④③②①acbcd时分复用#2#3#4用户46TDM类型统计时分复用STDM（异步TDM）时间片按需分配，需要发送数据的信号源提出申请，才能获得时间片。即：公共信道的时隙实行“按需分配”，对那些需要传送信息或正在工作的终端（信号源）才分配时隙，可以使得所有时隙都能够饱满地得到使用，可以使得服务的终端数大于时隙的个数，提高信道的利用率。特点：可以