第3讲 物理层
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第3讲 物理层
本章学习要求：
掌握：物理层与物理层协议的基本概念。
掌握：数据通信的基本概念。
了解：无线与卫星通信技术的基本概念。
掌握：数据编码的类型和基本方法。
了解：基带传输的基本概念。
掌握：频带传输的基本概念。
掌握：多路复用的分类与特点。
掌握：广域网中的数据交换技术。
3.1 物理层与物理层协议的基本概念
3.1.1 物理层的基本概念
通信子网分为点-点通信线路通信子网与广播信道通信子网;
广域网主要采用点到点通信线路，局域网与城域网一般采用广播信道;
由于技术上存在较大的差异，在物理层和数据链路层协议上出现了两个分支，一类是基于点-点通信线路，另一类是基于广播信道。
3.1.2 物理层基本服务功能
传输各种数据的比特流；
计算机网络可以利用的物理传输介质与传输设备存在着很大的差异，设计物理层的主要目的是向数据链路层屏蔽通信技术的差异性；
数据链路层通过与物理层的接口，将数据传送给物理层，通过物理层按比特流的顺序，将信号传输到另一个数据链路层。
3.1.3 物理层向数据链路层提供的服务
物理连接的建立、维护与释放 ；
物理连接分为点-点连接与多点连接 ；
数据传输分为全双工、半双工与单工方式 ；
数据传输分为串行传输方式与并行传输方式 ；
串行传输方式的物理数据服务单元是位；
并行传输方式的物理数据服务单元是N位，N为并行连接的物理通道数。
3.2 数据通信的基本概念
3.2.1 信息、数据与信号
1. 信息的基本概念
通信的目的是交换信息。
信源:一次通信中产生和发送信息的一端。
信宿：接收信息的一端。
信源和信宿之间要有通信线路才能互相通信。
信道：信源和信宿之间的通信线路。
通信信道包括传输介质（如同轴电缆、光纤等）和通信设备。
数据（Data）：是用二进制比特序列表示的文本、数字、语音、图形、图像或视频。
数据是传递信息的载体。
信息（Information）：是字母、数字、符号的组合。即信息是数据的内容和解释。
数据通信是指在不同计算机之间传送表示字母、数字、符号的二进制代码0、1比特序列的模拟或数字信号的过程。
通信系统模型
补充图
热燥声和冲击燥声
信息编码标准
ASCII 码;
ASCII 码用于计算机内码，也用做数据通信中的编码标准;
ASCII码采用7位二进制比特编码，可以表示128个字符;
2. 信号的概念
信号是数据在传输过程中电信号的表示形式；电信号分为模拟信号和数字信号两种。
模拟信号（analog signal）:信号电平连续变化；
数字信号（digital signal）用两种不同的电平去表示0、1比特序列的电压脉冲信号（又称码元）表示；同模拟传输相比，数字传输的质量高，是今后数据通信的发展方向。
按照在传输介质上传输的信号类型，通信系统分为模拟通信系统与数字通信系统。
模拟信号波型
数字信号波型
3.2.2 数据传输类型与通信方式
网络中两台计算机的通信过程
如果资源子网中的主机HA要与主机HB通信，典型的通信过程是： HA将要发送的数据传送给CCPA； CCPA以存储转发方式接收数据，由CCPA决定通信子网中数据传送的路径；由于源CCPA与目的CCPB之间无直接连接，数据可能要通过CCPA → CCPE → CCPD → CCPB到达HB 。
网络通信系统设计中要解决的几个基本问题
数据传输类型
模拟通信
数字通信
数据通信方式
串行通信、并行通信
单工通信、半双工或全双工通信
同步方式
同步通信
异步通信
1、数据传输类型
无论信源产生的是模拟数据还是数字数据, 在传输过程中都要变成适合信道传输的信号形式。 在模拟信道中传输的是模拟信号, 在数字信道中传输的是数字信号。
模拟通信：如果信源产生的是模拟数据并且以模拟信道传输的通信方式；
数字通信：如果信源发出的是模拟数据而以数字信号的形式进行传输的通信方式。
根据在传输介质上传输的信号类型，可将通信系统分为模拟通信系统和数字通信系统。
数字通信系统的模型表示在下图中。
数字通信系统模型
模拟信号→数字信号
数字信号→模拟信号
发送端
接收端
在设计一个数据通信系统时，要回答以下三个问题：
采用串行通信方式，还是采用并行通信方式 ？
采用单工通信方式，还是采用半双工或全双工通信方式？
采用同步通信方式，还是异步通信方式？
2、数据通信方式
串行通信与并行通信
将待传送的每个字符（8位）的二进制代码按由低到高的顺序依次发送，成本低。在远程通信中一般采用串行通信方式。
将表示一个字符的8位二进制代码通过8条并行的通信信道同时发送。
单工、半双工与全双工通信
(1) 单工： 信息只能在一个方向传送。
(2) 半双工：通信的双方可交替发送和接收信息, 但不能同时发送和接收。
(3) 全双工：可同时进行双向信息传送的通信方式。
3、同步技术
数据通信的同步有：位同步和字符同步，实现位同步后进行字符同步。
(1) 位同步（Bit Synchronous）：要求接收端根据发送端发送数据的起止时间和时钟频率来校正自己的时间基准和时钟频率。
实现位同步的方法：
外同步法：在发送端发送一路数据信号的同时，另外发送一路同步时钟信号，接收端根据接收到的同步时钟信号来校正时间基准和时钟频率。
内同步法：从自含时钟编码的发送数据中提取同步时钟的方法。曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码自含时钟编码。
(2)字符同步（Character Synchronous ）：保证收发双方正确传输字符的过程。例：传送ASCII字符（8位）时，发送端以8为一个字符单元来传送，接收端也以8位的字符单元来接收。
实现字符同步的方法有两种：
同步传输：采用同步方式进行数据传输。同步传输将字符组织成组，以组为单位连续传送。
异步传输：
同步通信与异步通信
异步传输
起始位:高电平1,
停止位:低电平0
例：用异步通信方式传送字符“A”和“8”，数据有7位，偶校验1位。起始位1位,停止位l位，请分别画出波形图。 解：字符A的ASCII码为：41H=1000001B； 字符8的ASCII码为：38H=0111000B； 假设起始位用低电平0表示, 停止位用高电平1表示 (与教材相反),没有字符传送时,连续传送停止位1,故异步通信方式传送波形图为：
注： B：起始位 C：校验位 S：停止位
低位
高位
3.2.3 传输介质的主要类型
传输介质是通信网络中发送方和接收方之间的物理通路。
计算机网络中常用的传输介质有：
双绞线
同轴电缆
光纤电缆
无线与卫星通信信道
1.双绞线(TP)
双绞线：由粗约1 mm的互相绝缘的螺旋状扭在一起的两根绝缘导线组成。对称均匀的绞扭可以减少线对之间的电磁干扰。 双绞线大量使用在传统的电话系统中, 适用于短距离传输, 超过几公里, 就要加入中继器。
按类型分：
三类线 （1988年以前, 16Mb/s）
四类线 （20Mb/s）
五类线 （100Mb/s）
超五类线 （155Mb/s）
六类线 （200Mb/s）
七类 （600Mb/s ~ 1200Mb/s）
按屏蔽性质分：
屏蔽双绞线（STP） STP分为三类、五类、七类
非屏蔽双绞线（UTP） UTP分为三类、四类、五类、超五类、六类 。
双绞线结构示意图
补充：
双绞线、网线选购、RJ45头选购、网线制作、插拔网线
实验内容
目前广泛使用的双绞线是：
五类和超五类非屏蔽双绞线
2. 同轴电缆的主要特性
由绕同一轴线的两个导体所组成，同轴电缆的芯线为铜质导线, 外包一层绝缘材料, 再外面是由细铜丝组成的网状导体, 最外面加一层塑料保护膜。芯线与网状导体同轴, 故名同轴电缆，如下图所示。为保持同轴电缆的正确电气特性，电缆必须接地，同时两头要有终端电阻来削弱信号反射作用。
同轴电缆分为传播数字信号的基带电缆和传播模拟信号的宽带电缆。
宽带电缆：主要用在城域网中（比基带电缆传输的距离更远，可以使用频分多路技术提供多个信道和多种数据传输业务）；
基带电缆：主要用于室内或建筑物内部连网。
同轴电缆具有高带宽和极好的噪声抑制特性，被广泛用于局域网中。
在局域网中常用的同轴电缆有两种：
（1）电阻值为50 ：用于传输数字信号， 例：RG-8、RG-11粗缆和RG-58细缆
（2）电阻值为75 的CATV电缆RG-59用于传 输模拟信号（用于CATV网络）。
由能传送光波的超细石英玻璃纤维外包一层比玻璃折射率低的材料构成。 进入光纤的光波在两种材料的介面上形成全反射, 从而不断地向前传播, 如下图所示。
光纤具有宽带、数据传输率高、抗干扰能力强、传输距离远等优点。
3. 光纤电缆的主要特性
光纤结构与原理图
光纤信道中的光源可以是发光二极管LED(Light Emitting Diode), 或注入式激光二极管ILD(Injection Laser Diode)。 LED和ILD在有电流通过时都能发出光脉冲, 光脉冲通过光导纤维传播到达接收端。
如果采用不同的互连方式, 把所有的通信结点通过光缆连接成一个环, 环上的信号虽然是单向传播, 但任一结点发出的信息其他结点都能收到, 从而达到了互相通信的目的， 见下图所示。
光纤环网
多模光纤：光波在光纤中以多种模式传播，不同的传播模式有不同的电磁场分布和不同的传播路径。光波在光纤中以什么模式传播, 与芯线和包层的相对折射率, 芯线的直径, 以及工作波长λ有关。
单模光纤：如果芯线的直径小到光波波长大小, 光纤成为波导, 光在其中无反射地沿直线传播。
单模光纤比多模光纤更难制造, 价格更贵。
单模光纤与多模光纤的比较
有线传输介质的主要知识点
例题
4. 无线与卫星通信技术
电磁波的传播有两种方式：
— 以无线方式一种是在自由空间中传播；
— 以有线方式在同轴电缆、双绞线、光纤中传输。
目前以无线方式进行通信的主要有：
— 无线（radio）；
— 微波（microwave）；
— 红外线（infrared）；
— 可见光（visible light）。
电磁波谱与通信类型的关系
（1）无线通信
从电磁波谱中可以看出，无线通信 所使用的频段覆盖低频到特高频，其中调频无线电通信使用中波MF，调频无线电广播使用甚高频VHF(30 MHz～300 MHz) 、电视广播使用甚高频到特高频。
无线电短波通信早已用在计算机网络中了, 已经建成的无线通信局域网使用了甚高频和超高频(300 MHz～3000 MHz)的电视广播频段, 这个频段的电磁波是以直线方式在视距范围内传播的,适宜作局部地区的通信。
视距传播
电离层反射
高频无线电信号由天线发出后，沿两条路径在空间传播，其中地波沿表面传播，天波则在地球电离层之间来回反射。
（2）微波通信
在电磁波谱中频率在100MHz-10GHz的信号叫微波信号。
只能进行视距传播。微波信号没有绕射功能，两个微波信号只能在可视的情况下才能正常接收。
大气对微波信号的吸收和散射影响较大。
微波可分为地面微波和卫星微波，微波通信系统分为地面微波系统和卫星微波系统,两者的功能相似, 但通信能力有很大差别。 地面微波系统由视野范围内的两个互相对准方向的抛物面天线组成, 长距离通信则需要多个中继站组成微波中继链路。
微波频率高，带宽高，容量大，可同时传送大量信息，特别适用于卫星通信与城市建筑物之间的通信。
（3）卫星通信
利用地球同步卫星作为中继来转发微波信号的一种特殊微波通信形式（通信卫星看作是悬在太空中的微波中继站 ） 。卫星上的转发器把它的波束对准地球上的一定区域, 在此区域中的卫星地面站之间就可互相通信。卫星通信可以克服地面微波通信距离的限制，三个同步卫星可以覆盖地球上全部通信区域。
卫星通信
（4）激光通信
在空间传播的激光束可以调制成光脉冲以传输数据。 有很强的方向性，沿直线传播，可以在视野范围内安装两个彼此相对的激光发射器和接收器进行通信(见下图)。
高带宽。
激光传输
（5）红外通信
和微波通信一样，有很强的方向性，沿直线传播。但红外通信要把传输的信号转换为红外光信号后才能直接在空间沿直线传播。
优点：红外通信设备相对便宜，可获得较高 的带宽。
缺点：传播距离有限，易受室内空气状态 （例如烟雾等）的影响。
红外传输
（6） 蜂窝无线通信
多址接入方法：
频分多址接入（FDMA）
时分多址接入（TDMA）
码分多址接入（CDMA）
传输介质的选择
网络的拓扑结构
实际需要的通信容量
可靠性要求
能承受的价格范围
信道特性（数据通信中的几个主要指标）
信道带宽
信号传输速率
数据传输速率
误码率
重点掌握
1、信道带宽
信道带宽指在该通信线路上能不失真地传送信号的频率范围。
模拟信道的带宽是信道频率响应曲线上幅度取其频带中心处值的 倍的两个频率之间的宽度，如下图所示。
即模拟信道的带宽：W=f2-f1
单位：赫兹
信道带宽
数字信道的带宽（即通频带）
数字信道只能传送数字信号。
数字信道的带宽：信道中能不失真地传输脉冲序列的最高速率。
2、信号传输速率
定义：单位时间内通过信道传输的码元数。
单位：波特，记作Baud 。
信号传输速率,也称码元速率、调制速率或波特率。
信号传输速率计算公式 ：B=1/T (Baud)，
T为脉冲周期，即信号码元的宽度，单位为秒。
定义：每秒传输的二进制信息位数(即单位时间内在信道上传送的信息量)，单位为比特/秒，记作bps或b/s。
计算公式: = B*log2N (bps)
T：为脉冲周期,单位为秒；
N：码元可能出现的状态个数总和。
若n为二进制信息的位数，则N=2n ，n= log2N 。
数据传输速率=信号传输速率*码元位数
（即R= B*log2N= B * n） 。
3、数据传输速率(又称比特率)
常用的数据传输速率单位有：Kbps、Mbps、Gbps和Tbps，其中：
1Kbps = 1×103 bps
1Mbps = 1×106 bps
1Gbps = 1×109 bps
1Tbps = 1×1012 bps
例1：关于S和B公式的应用
若采用四相调制方式，即N=4，且T=833× 10-6秒，求数据传输速率和码元速率各为多少？
解:
(1)码元速率（即信号传输速率）
B=1/T=1/(833 × 10-6)=1200 (Baud)
(2)数据传输速率
R=B×log2N =1200×log2N =2400 (bps)
4、最大数据传输速率
单位：位/秒(bps)
最大数据传输速率与数据传输速率的区别：
最大数据传输速率是信道传输数据能力的极限；
数据传输速率是实际的数据传输速率。
与公路上的最大限速与汽车实际速度的关系相似。
（1）离散（无噪声）最大数据传输速率
1924年, 贝尔实验室的研究员亨利·尼奎斯特(Harry Nyquist)推导出了有限带宽无噪声信道的极限波特率（最大码元速率）。
尼奎斯特定理：如果表示码元的窄脉冲信号以时间间隔为π/ω（ω =2πf）通过理想通信信道，前后码元之间不产生相互串扰。
根据尼奎斯特定理，无噪声信道最大码元速率为：Bmax=2*W (Baud) W为信道带宽
有限带宽无噪声信道最大数据传输速率： Rmax= Bmax *log2N =2*W*log2N (bps) 。
例2：普通电话线路带宽约3kHz，则码元速率极限值为：Bmax=2*W=2*3k=6k (Baud) 若码元的离散值个数N=16，则最大数据传输速率为：
Rmax= 2*W*log2N =2*3k*log216=24k (bps)
（2）连续（带噪声）最大数据传输速率
实际信道会受到各种噪声的干扰, 达不到按尼奎斯特定理计算出的数据传送速率。
香农(Shannon)定理：在有随机热噪声的信道上传输数据信号时，最大数据传输速率Rmax与信道带宽W，信噪比S/N 的关系为：
C= Rmax= W*log2（1+S/N） (bps) 。
（有噪声信道的极限数据传输速率）
式中：S为信号平均功率， N为噪声平均功率， S/N为信噪比；
解：∵ 10*log10(S/N)=30
∴ S/N = 103 = 1000
∴ Rmax = W*log2(1+S/N)
=3k *log2(1+1000)≈30k (bps)
使用香农定理时，由于S／N(信噪比)的比值太大， 通常使用分贝数(dB）来表示：
dB=10*log10(S/N) 。
[例3]已知信噪比为30dB，带宽为3kHz，求信道的最大数据传输速率。
5、误码率--传输二进制位时出现差错的概率
在有噪声的信道中(实际使用的信道都是有噪声的), 数据速率的增加意味着传输中出现差错的概率增加。
用误码率表示传输二进制位时出现差错的概率。
误码率是衡量数据通信系统在正常工作情况下的传输可靠性的指标。
在计算机网络中，一般要求误码率低于10-6， 若误码率达不到这个指标，可通过差错控制方法检错和纠错。
6.信道延迟
信号在信道中传播, 从源端到达宿端需要的时间与源端和宿端的距离有关, 也与具体信道中的信号传播速度有关。 以后考虑的信号主要是电信号(在某些情况下可能会用到红外或激光),电信号一般以接近光速的速度(300 m/μs)传播, 但随传输介质的不同而略有差别。 例如在电缆中的传播速度一般为光速的77%, 即200 m/μs左右。
500m同轴电缆时延大约为2.5 μs；
卫星信道的时延大约为270ms。
总结
1、信号传输速率（又称码元速率）：B=1/T (Baud)
2、有限带宽无噪声信道最大信号传输速率为： Bmax=2*W (Baud)（尼奎斯特定理） W为信道带宽。
3、数据传输速率(又称比特率)：
R=1/T× log2N=B × log2N (bps)
4、有限带宽无噪声信道最大数据传输速率 ： Rmax= Bmax *log2N =2*W*log2N (bps)
5、有限带宽有随机热噪声信道的极限数据传输速率：
C= Rmax =W*log2(1+S/N)
6、模拟信道的带宽：W=f2-f1
7、数字信道的带宽是信道能够达到的最大数据传输速 率： C=W*log2(1+S/N)
三种常用公式的比较
3.5 频带传输技术
3.5.1 电话交换网的结构
3.5.2 频带传输的定义
利用模拟信道传输数据信号的方法称为频带传输；
调制解调器（modem）是频带传输中最典型的通信设备；
调制解调器的作用是：
在数据的发送端将计算机中的数字信号转换成能在电话线上传输的模拟信号；
在接收端将从电话线路上接收到的模拟信号还原成数字信号。
3.5.3 调制解调器的基本工作原理
数字信号转换成模拟信号
模拟信号转换成数字信号
modem实现全双工通信的工作原理
原理：发送端调制器用输入的数字脉冲信号控制两个不同频率振荡器信号的输出来实现数字信号转换为模拟信号。
当输入的数字脉冲信号为高电平（对应逻辑1），频率f1=1270Hz的振荡器有信号输出，当输入的数字脉冲信号为低电平（对应逻辑0），频率f2=1070Hz的振荡器有信号输出。
在调制器的输出端，组合器根据输入的数字脉冲信号1，0序列排列顺序控制的两种频率的正（余）弦信号组合起来，构成频移健控FSK信号。
模似数字信号FSK通过模似电话交换网到达接收端。
接收端：设置对应f1和f2两种频率的带通滤波器，使频率为f1和f2的正（余）弦信号分别通过两个滤波器，再将滤波器输出信号送给组合器叠加，在输出端输出与输入端相同的数字信号，从而实现数字数据信号通过模拟通信信道的传输和接收。
呼叫端：主动发起通信的一端。使用下频带发送数据，在上频带接收数据。
应答端：被动参加通信的一端。使用上频带发送数据，在下频带接收数据。
在典型的调制解调器（例如 Bell 103标准）中规定：FSK使用的上下频带对应于逻辑的1和0的信号频率分别为：
上频带：逻辑1 2225Hz
逻辑0 2025Hz
下频带：逻辑1 1270Hz
逻辑0 1070Hz
带通滤波器只允许频率为f0±△f 范围的信号通过（ f0和△f在带通滤波器电路设计中根据需要加以设定）。
下频带中心频率 f0 = 1170Hz
△f =200Hz
即只允许频率为970Hz ~ 1370Hz的信号通过，意味着1070Hz和1270Hz的信号可以通过；
上频带中心频率： f0 =2125Hz
△f =200Hz
即允许频率为2025Hz与2225Hz的信号通过。
调制解调器的分类与应用
外置Modem与计算机的连接
难度系数：*** 考查频度：*** 考查权重：***
主要了解多路复用技术的类型、技术要点和应用点，对复用的产物T1、E1也应有一定了解。在历年考题中出现了两次：2004年11月“网络工程师”考试的问题(27)～(29)，2001年“网络设计师”考试的问题(17)～(20)。分别考查了适用光纤的复用技术及E1载波，多路复用的特点，以及WDM与FDM的区别与联系。
3.6 多路复用技术
多路复用技术是把多个低速信道组合成一个高速信道的技术。
多路复用技术需要用到两个设备：
多路复合器(Multiplexer)：在发送端根据某种约定的规则把多个低带宽的信号复合成一个高带宽的信号；
多路分配器(Demultiplexer)：在接收端根据同一规则把高带宽信号分解成多个低带宽信号。
多路分配器
多路复合器
多路复用
多路复合器和多路分配器统称多路器（也称多路复用器）, 简写为MUX, 如下图所示。
3.6.1 多路复用技术的分类
频分多路复用FDM (Frequency Division Multiplexing)
时分多路复用TDM (Time Division Multiplexing)
波分多路复用WDM( Wavelength Division Multiplexing)
3.6.2 频分多路复用(FDM)
FDM(Frequency Division Multiplexing)：在一条通信线路上使用多个频率不同的模拟载波信号进行多路传输。
一条通信线路设计多路通信信道;一条通信线路可以同时独立地传输多路信号。
每路信道的信号以不同的载波频率进行调制;
这些载波可以进行任何方式的调制：ASK, FSK, PSK以及它们的组合。
每一个载波信号形成一个子信道, 各条子信道的载波频率不重叠, 子信道之间留有一定宽度的隔离频带。
P87
频分多路复用
3.6.3 波分多路复用 (WDM)
光纤通道（fiber optic channel）技术采用了波长分隔多路复用方法，简称为波分复用WDM;
在一根光纤上复用80路或更多路的光载波信号称为密集波分复用DWDM；
目前一根单模光纤的数据传输速率最高可以达到20Gb/s 。
光波1只能传给光波3不能传给光波4
3.6.4 时分多路复用(TDM)
TDM(Time Division Multiplexing)：将信道用于传输的时间划分为若干个时间片；
每个用户分得一个时间片；在用户占有的时间片内，使用通信信道的全部带宽）
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。
时分多路复用 补充图
时分多路复用原理示意图
1
24
时分多路复用的分类
同步时分多路复用:整个传输时间划分为固定大小的周期,每个周期内,各子通道都在固定位置占有一个时槽。（子通道3没有用也占用了一个时槽——浪费）
统计时分多路复用：发送端集中器依次扫描各个子通道，只为有信息发送的子通道分配一个时槽，没有信息发送的子通道不分配时槽。（子通道3没有用不占用时槽——避免浪费）
教材中2改为3
同步TDM和统计TDM的比较
对4kHz的话音信道按8kHz的速率采样，128级量化，则每个话音信道的比特率是56 kb/s。 为每一个低速信道敷设一条通信线路太不划算，所以在实用中要利用多路复用技术建立更高效的通信线路。
存在两种不兼容的标准：
（1）在北美和日本广泛使用的一种通信标 准：贝尔系统的T1载波（24路），数据 传输速率为1.544Mb/s 。
（2）欧洲E1载波(30路话音信道和2路控制信 道)，数据传输速率为2.048Mb/s。
贝尔系统的T1载波
T1载波也叫一次群，它把24路音频信道按时分多路复用原理复合在一条1.544Mb/s的高速信道上；
每路音频模拟信号在送到多路复用器之前，要通过一个PCM编码器；
编码器每秒取样8000次；
24路PCM信号的每一路轮流将一个字节插入到帧中；
每个字节的长度为8位，其中7位是数据位，1位用于信道控制；
每帧由24路×8位=192位组成，附加一位作为帧开始标志位， 每帧共有193位；
发送一帧需要125微秒；
T1载波的数据传输速率为1.544Mb/s。
（193b/125 μs = 1.544Mb/s ）
CCITT T1载波还可以多路复用到更高级的载波上，如下图所示。
多路复用
4个1.544Mb/s的T1信道结合成1个6.312Mb/s的T2信道，多增加的位（6.312-4*1.544=0.136）是为了成帧和差错控制，其余相似，这些组合方法是BELL系统的标准，只适用于美国和日本。
多路复用技术比较
常见数字传输系统
例题
一个通信网络由许多交换结点互连而成。 信息在这样的网络中传输就像火车在铁路网络中运行一样, 经过一系列交换结点(车站), 从一条线路换到另一条线路, 最后才能到达目的地。
3.7 广域网中的数据交换技术
交换方式：交换结点转发信息的方式。
最基本的交换方式：
（store-and-forward exchanging）
难度系数：** 考查频度：** 考查权重：***
对于本知识点，主要是能够从原理性上了解各种交换方式，特别是要扎实地掌握各种交换方式的过程、开销、特点及主要代表。在历年考题中仅出现了一次：
2002年“网络工程师”考试的问题(11)~(15)。考查的是线路交换、分组交换、虚电路交换的特点和通信时间计算。
3.7.1 线路交换方式
线路交换方式把发送方和接收方用一系列链路直接连通。
电话交换系统采用线路交换方式。
线路交换是面向连接的服务；
两台计算机通过通信子网进行数据交换之前，首先要在通信子网中建立一个实际的物理线路连接；
线路交换在数据传输过程中要经过建立连接、数据传输与释放连接的三个阶段；
线路交 换过程 示意图
(1) 线路建立阶段
如果主机HA要向主机HB传输数据，首先要通过通信子网在HA与HB之间建立线路连接。HA首先向通信子网中结点A发送“呼叫请求包”，其中含有需要建立线路连接的源主机地址与目的主机地址。结点A根据目的主机地址，根据路由选择算法，如果选择下一个结点为B，则向结点B发送“呼叫请求包”。结点B接到呼叫请求后，同样根据路由选择算法，如果选择下一个结点为C，则向C发送“呼叫请求包”。
结点C接到呼叫请求后，也要根据路由选择算法，如果选择下一个结点为D，则向D发送“呼叫请求包”。结点D接到呼叫请求后，向与其直接连接的HB发送“呼叫请求包”。HB如接受HA的呼叫连接请求，则通过已经建立的物理线路连接D — C — B — A，向HA发送“呼叫应答包”。至此，从HA— A — B — C — D — HB的专用物理线路连接建立完成，该物理连接为此次HA与HB的数据交换服务。
(2)数据传输阶段
在HA与HB通过通信子网的物理线路连接建立以后，HA与HB就可以通过该连接实时、双向交换数据。
(3)线路释放阶段
数据传输完成后，进入线路释放阶段。一般可以由HA向HB发出“释放请求包”，HB同意结束传输并释放线路后，将向结点D发送“释放应答包”，然后按照C — B — A次序，依次将建立的物理连接释放。到这时，此次通信结束。
线路交换方式的优点：通信实时性强(即没有传输延迟)（因为连接建立后通路是专用的, 没有其他用户的干扰），适用于交互式会话类通信；适合于传输大量的数据。
线路交换方式的缺点：不能适应突发性通信，系统效率低，系统不具有存储数据的能力，不能平滑交通量。系统不具备差错控制能力，无法发现与纠正传输过程中发生的数据差错。
3.7.2 存储转发交换方式
存储转发交换方式与线路交换方式的主要区别
发送的数据与目的地址、源地址、控制信息按照一定格式组成一个数据单元（报文或报文分组）进入通信子网；
通信子网中的结点是通信控制处理机，它负责完成数据单元的接收、差错校验、存储、路选和转发功能。
存储转发方式的优点
由于通信子网中的通信控制处理机可以存储分组，多个分组可以共享通信信道，线路利用率高；
通信子网中通信控制处理机具有路选功能，可以动态选择报文分组通过通信子网的最佳路径；
可以平滑通信量，提高系统效率；
分组在通过通信子网中的每个通信控制处理机时，均要进行差错检查与纠错处理，因此可以减少传输错误，提高系统可靠性；
通过通信控制处理机可以对不同通信速率的线路进行转换，也可以对不同的数据代码格式进行变换。
数据通过通信子网传输时可以有：
报文（message） 传输层
报文分组（packet） 网络层
报文传输：不管发送数据的长度是多少，都把它当作一个逻辑单元发送；
报文分组传输：限制一次传输数据的最大长度，如果传输数据超过规定的最大长度，发送结点就将它分成多个报文分组发送。
报文与报文分组
2. 报文交换
不要求在两个通信结点之间建立专用通路。 当一个结点发送信息时, 先把要发送的信息组织成一个数据包——报文, 数据包中某个约定的位置含有目标结点的地址。完整的报文在网络中一站一站地传送。（不管发送数据的长度是多少，都把它当作一个逻辑单元发送）；
报文经过多次的存储—转发, 最后到达目标结点,采用存储—转发的网络叫存储—转发网络。
报文交换
报文和报文分组结构
由于分组长度较短，在传输出错时，检错容易并且重发花费的时间较少； 限定分组最大数据长度，有利于提高存储转发结点的存储空间利用率与传输效率；
公用数据网采用的是分组交换技术。
3. 分组交换
采用分组交换方式, 数据包有固定的长度,如果传输数据超过规定的最大长度，发送结点先要对传送的信息分组,对各个分组编号, 加上源和宿地址以及约定的头和尾信息。 这个过程也叫信息的打包。
一次通信中的所有分组在网络中的传播有三种方式 ：
数据报(Datagram)
虚电路(Virtual Circuit)
信元交换 用于ATM中,不介绍
分组交换
(1) 数据报
数据报方式工作原理示意图
数据报工作方式的特点
在数据报方式中，分组传送之间不需要预先在源主机与目的主机之间建立“线路连接”；
每一个分组在传输过程中都必须带有目的地址与源地址；
同一报文的不同分组可以由不同的传输路径通过通信子网；
同一报文的不同分组到达目的结点时可能出现乱序、重复与丢失现象；
数据报方式报文传输延迟较大，适用于突发性通信，不适用于长报文、会话式通信。
(2) 虚电路
虚电路方式将数据报方式与线路交换方式结合起来，充分发挥两种方法的优点，以达到最佳的数据交换效果;
虚电路方式与线路交换方式相似，整个通信过程分为三个阶段：虚电路建立、数据传输与虚电路释放阶段。
虚电路方式
原理示意图
虚电路的特点
在每次分组发送之前，必须在发送方与接收方之间建立一条逻辑连接的虚电路。（因为连接发送方与接收方的物理链路已经存在，不需要真正去建立一条物理链路）
（数据报方式在分组发送之前，发送方与接收方之间不需要预先建立连接）;
一次通信的所有分组都通过虚电路顺序传送，因此报文分组不必带目的地址、源地址等辅助信息。分组到达目的结点时不会出现丢失、重复与乱序的现象；
分组通过虚电路上的每个结点时，结点只需要做差错检测，不需要做路径选择；
通信子网中每个结点可以和任何结点建立多条虚电路连接。
虚电路方式与线路交换方式的不同之处
虚电路是在传输分组时建立起的逻辑连接；
一个结点可以同时与多个结点之间具有虚电路；（因为这种电路不是专用的，故称为“虚电路” ）
每条虚电路支持特定的两个结点之间的数据传输。
虚电路方式具有分组交换与线路交换两种方式的优点，在计算机网络中得到了广泛的应用。
小结
通信的目的是交换信息；
信息的载体可以是数字、文字、语音、图形或图像，计算机用二进制代码的数据来表示各种信息；
数据通信是指在不同计算机之间传送表示字母、数字、 符号的二进制代码0、1比特序列的过程。信号是数据在传输过程中的电信号的表示形式；
物理层在传输介质上传输比特流；
在数据通信技术中，利用模拟通信信道，通过调制解调器传输模拟数据信号的方法称做频带传输；而利用数字通信信道直接传输数字数据信号的方法称做基带传输；
数据传输速率与误码率是描述数据传输系统的重要参数。
10表示数据传输速率为10Mb/s，Base表示基带
T表示计算机通过双绞线连接到HUB （集线器）上。
每段双绞线电缆的最大长度是100m。
10Base-T
10Base-F
F表示传输介质是光纤
抗干扰性好
Fast Ethernet
物理层，
LLC子层使用IEEE802.2标准
100Base-T定义了介质专用接口MII，将MAC子层与物理层隔开
MII （Media Independent Interface）
介质访问控制子层
逻辑链路控制子层
例题(2004上半年网络工程师44/45)
光纤分为单模光纤和多模光纤，与多模光纤相比，单模光纤的主要特点是 44 ，为了充分利用其容量，可使用 45 技术同时传输多路信号。
44.
A. 高速度、短距离、高成本、粗芯线
B. 高速度、长距离、低成本、粗芯线
C. 高速度、短距离、低成本、细芯线
D. 高速度、长距离、高成本、细芯线
45.
A. TDM
B. FDM
C. WDM
D. ATDM
44 D
45 C
2003年网络设计师试题
设信道带宽为3000Hz，根据尼奎斯特定理，理想信道的波特率为 （16） 波特，若采用QPSK调制，其数据传输速率为 （17），如果该信道信噪比为30dB，则该信道的带宽约为 （18） 。设信道误码率为10-5，帧长为10K比特，差错为单个错，则帧出错的概率为 （19） 。若整个报文被分成5个帧，帧出错的概率为0.1，纠错重发以报文为单位，则整个报文的平均发送次数约为 (20) 次。
(16) A.3000 B.6000 C.12000 D.24000
(17) A. 6Kb/s B. 12Kb/s
C. 18Kb/s D. 24Kb/s
(18) A. 10Kb/s B. 20Kb/s
C. 30Kb/s D. 40Kb/s
(19) A. 1-(1- 10-5)10K B. (1- 10-5)10K
C. 10-5*10K D. (1- 10-5)*10K
(20) A. 1.24 B. 1.33
C. 1.54 D. 1.69
参考答案：
（16）B 分析: B=2W=2*3000=6000 波特
（17）B 分析: R=B*log2N=6000*log24= 12Kb/s
（18）C 分析: Rmax= W*log2（1+S/N）
=3K* log2（1+1000）=30Kb/s
（19）A 分析:信道误码率为10-5，正确率为（1-10-5），帧长为10K比特，整个帧传输正确的概率为（1-10-5）10K,则帧出错的概率为1-（1-10-5）10K。
（20）D
分析:帧出错的概率为0.1，帧正确的概率为（1- 0.1=0.9），整个报文被分成5个帧，整个报文传输正确的概率为0.9*0.9*0.9*0.9*0.9≈0.59,则整个报文的平均发送次数约为1/0.59 ≈1.69次
2005年5月网络工程师试题
10个9.6Kb／s的信道按时分多路复用在一条线路上传输，如果忽略控制开销，在同步TDM情况下，复用线路的带宽应该是（24）；在统计TDM情况下，假定每个子信道具有30％的时间忙，复用线路的控制开销为10％，那么复用线路的带宽应该是（25）。
(24)A. 32Kb／s B．64Kb／s
C．72Kb／s D．96Kb／s
(25) A．32Kb／s B．64Kb／s
C．72Kb／s D．96Kb／s
【解析】
(24)10*9.6 Kb/s=96 Kb/s 选D
(25)传输数据所需总带宽为:
10*9.6×30%=28.8 Kb/s
10%的控制开销,表示90%的线路带宽用于传输数据。即所需线路总带宽*90%= 28.8 Kb/s
所需线路总带宽= 28.8/ 90%= 32 Kb/s
选A
2004年11月网络工程师试题
光纤通信中使用的复用方式是 （27） ，E1载波把32个信道按照 (28) 方式复用，在一条2.048Mb/s的高速信道上，每条话音信道的数据传输速率是 (29) 。
(27) A.时分多路 B. 空分多路
C.波分多路 D. 频分多路
(28) A.时分多路 B.空分多路
C.波分多路 D. 频分多路
(29) A. 56 Kb/s B. 64 Kb/s
C. 128 Kb/s D. 512 Kb/s
C (波分多路复用WDM）
A
B（一个信道可供多少路信号共享与复用，主要取决于信道的带宽与每路信号的需求，一条E1是2.048Mb的链路，用PCM编码。每个E1的帧长为256个bit，分为32个时隙（时槽）,每个时隙在E1帧中占8bit,8*8Kb/s=64Kb/s)
香农介绍
香农（1916--2001），1916年生于美国密执安州的加洛德,硕士论文就是关于布尔代数在逻辑开关理论中的应用,后就职于贝尔电话研究所。于1948年在《贝尔系统技术杂志》上发表了244页的长篇论著《通信的数学理论》，次年又在同一杂志上发表了另一篇名著《噪声下的通信》；经典地阐明了通信的基本问题，提出了通信系统的模型，给出了信息量的数学表达式，解决了信道容量、信源统计特性、信源编码、信道编码等有关通信基本技术问题，成为信息论的奠基者。
第3讲 物理层
本章学习要求：
掌握：物理层与物理层协议的基本概念。
掌握：数据通信的基本概念。
了解：无线与卫星通信技术的基本概念。
掌握：数据编码的类型和基本方法。
了解：基带传输的基本概念。
掌握：频带传输的基本概念。
掌握：多路复用的分类与特点。
掌握：广域网中的数据交换技术。
3.1 物理层与物理层协议的基本概念
3.1.1 物理层的基本概念
通信子网分为点-点通信线路通信子网与广播信道通信子网;
广域网主要采用点到点通信线路，局域网与城域网一般采用广播信道;
由于技术上存在较大的差异，在物理层和数据链路层协议上出现了两个分支，一类是基于点-点通信线路，另一类是基于广播信道。
3.1.2 物理层基本服务功能
传输各种数据的比特流；
计算机网络可以利用的物理传输介质与传输设备存在着很大的差异，设计物理层的主要目的是向数据链路层屏蔽通信技术的差异性；
数据链路层通过与物理层的接口，将数据传送给物理层，通过物理层按比特流的顺序，将信号传输到另一个数据链路层。
3.1.3 物理层向数据链路层提供的服务
物理连接的建立、维护与释放 ；
物理连接分为点-点连接与多点连接 ；
数据传输分为全双工、半双工与单工方式 ；
数据传输分为串行传输方式与并行传输方式 ；
串行传输方式的物理数据服务单元是位；
并行传输方式的物理数据服务单元是N位，N为并行连接的物理通道数。
3.2 数据通信的基本概念
3.2.1 信息、数据与信号
1. 信息的基本概念
通信的目的是交换信息。
信源:一次通信中产生和发送信息的一端。
信宿：接收信息的一端。
信源和信宿之间要有通信线路才能互相通信。
信道：信源和信宿之间的通信线路。
通信信道包括传输介质（如同轴电缆、光纤等）和通信设备。
数据（Data）：是用二进制比特序列表示的文本、数字、语音、图形、图像或视频。
数据是传递信息的载体。
信息（Information）：是字母、数字、符号的组合。即信息是数据的内容和解释。
数据通信是指在不同计算机之间传送表示字母、数字、符号的二进制代码0、1比特序列的模拟或数字信号的过程。
通信系统模型
补充图
热燥声和冲击燥声
信息编码标准
ASCII 码;
ASCII 码用于计算机内码，也用做数据通信中的编码标准;
ASCII码采用7位二进制比特编码，可以表示128个字符;
2. 信号的概念
信号是数据在传输过程中电信号的表示形式；电信号分为模拟信号和数字信号两种。
模拟信号（analog signal）:信号电平连续变化；
数字信号（digital signal）用两种不同的电平去表示0、1比特序列的电压脉冲信号（又称码元）表示；同模拟传输相比，数字传输的质量高，是今后数据通信的发展方向。
按照在传输介质上传输的信号类型，通信系统分为模拟通信系统与数字通信系统。
模拟信号波型
数字信号波型
3.2.2 数据传输类型与通信方式
网络中两台计算机的通信过程
如果资源子网中的主机HA要与主机HB通信，典型的通信过程是： HA将要发送的数据传送给CCPA； CCPA以存储转发方式接收数据，由CCPA决定通信子网中数据传送的路径；由于源CCPA与目的CCPB之间无直接连接，数据可能要通过CCPA → CCPE → CCPD → CCPB到达HB 。
网络通信系统设计中要解决的几个基本问题
数据传输类型
模拟通信
数字通信
数据通信方式
串行通信、并行通信
单工通信、半双工或全双工通信
同步方式
同步通信
异步通信
1、数据传输类型
无论信源产生的是模拟数据还是数字数据, 在传输过程中都要变成适合信道传输的信号形式。 在模拟信道中传输的是模拟信号, 在数字信道中传输的是数字信号。
模拟通信：如果信源产生的是模拟数据并且以模拟信道传输的通信方式；
数字通信：如果信源发出的是模拟数据而以数字信号的形式进行传输的通信方式。
根据在传输介质上传输的信号类型，可将通信系统分为模拟通信系统和数字通信系统。
数字通信系统的模型表示在下图中。
数字通信系统模型
模拟信号→数字信号
数字信号→模拟信号
发送端
接收端
在设计一个数据通信系统时，要回答以下三个问题：
采用串行通信方式，还是采用并行通信方式 ？
采用单工通信方式，还是采用半双工或全双工通信方式？
采用同步通信方式，还是异步通信方式？
2、数据通信方式
串行通信与并行通信
将待传送的每个字符（8位）的二进制代码按由低到高的顺序依次发送，成本低。在远程通信中一般采用串行通信方式。
将表示一个字符的8位二进制代码通过8条并行的通信信道同时发送。
单工、半双工与全双工通信
(1) 单工： 信息只能在一个方向传送。
(2) 半双工：通信的双方可交替发送和接收信息, 但不能同时发送和接收。
(3) 全双工：可同时进行双向信息传送的通信方式。
3、同步技术
数据通信的同步有：位同步和字符同步，实现位同步后进行字符同步。
(1) 位同步（Bit Synchronous）：要求接收端根据发送端发送数据的起止时间和时钟频率来校正自己的时间基准和时钟频率。
实现位同步的方法：
外同步法：在发送端发送一路数据信号的同时，另外发送一路同步时钟信号，接收端根据接收到的同步时钟信号来校正时间基准和时钟频率。
内同步法：从自含时钟编码的发送数据中提取同步时钟的方法。曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码自含时钟编码。
(2)字符同步（Character Synchronous ）：保证收发双方正确传输字符的过程。例：传送ASCII字符（8位）时，发送端以8为一个字符单元来传送，接收端也以8位的字符单元来接收。
实现字符同步的方法有两种：
同步传输：采用同步方式进行数据传输。同步传输将字符组织成组，以组为单位连续传送。
异步传输：
同步通信与异步通信
异步传输
起始位:高电平1,
停止位:低电平0
例：用异步通信方式传送字符“A”和“8”，数据有7位，偶校验1位。起始位1位,停止位l位，请分别画出波形图。 解：字符A的ASCII码为：41H=1000001B； 字符8的ASCII码为：38H=0111000B； 假设起始位用低电平0表示, 停止位用高电平1表示 (与教材相反),没有字符传送时,连续传送停止位1,故异步通信方式传送波形图为：
注： B：起始位 C：校验位 S：停止位
低位
高位
3.2.3 传输介质的主要类型
传输介质是通信网络中发送方和接收方之间的物理通路。
计算机网络中常用的传输介质有：
双绞线
同轴电缆
光纤电缆
无线与卫星通信信道
1.双绞线(TP)
双绞线：由粗约1 mm的互相绝缘的螺旋状扭在一起的两根绝缘导线组成。对称均匀的绞扭可以减少线对之间的电磁干扰。 双绞线大量使用在传统的电话系统中, 适用于短距离传输, 超过几公里, 就要加入中继器。
按类型分：
三类线 （1988年以前, 16Mb/s）
四类线 （20Mb/s）
五类线 （100Mb/s）
超五类线 （155Mb/s）
六类线 （200Mb/s）
七类 （600Mb/s ~ 1200Mb/s）
按屏蔽性质分：
屏蔽双绞线（STP） STP分为三类、五类、七类
非屏蔽双绞线（UTP） UTP分为三类、四类、五类、超五类、六类 。
双绞线结构示意图
补充：
双绞线、网线选购、RJ45头选购、网线制作、插拔网线
实验内容
目前广泛使用的双绞线是：
五类和超五类非屏蔽双绞线
2. 同轴电缆的主要特性
由绕同一轴线的两个导体所组成，同轴电缆的芯线为铜质导线, 外包一层绝缘材料, 再外面是由细铜丝组成的网状导体, 最外面加一层塑料保护膜。芯线与网状导体同轴, 故名同轴电缆，如下图所示。为保持同轴电缆的正确电气特性，电缆必须接地，同时两头要有终端电阻来削弱信号反射作用。
同轴电缆分为传播数字信号的基带电缆和传播模拟信号的宽带电缆。
宽带电缆：主要用在城域网中（比基带电缆传输的距离更远，可以使用频分多路技术提供多个信道和多种数据传输业务）；
基带电缆：主要用于室内或建筑物内部连网。
同轴电缆具有高带宽和极好的噪声抑制特性，被广泛用于局域网中。
在局域网中常用的同轴电缆有两种：
（1）电阻值为50 ：用于传输数字信号， 例：RG-8、RG-11粗缆和RG-58细缆
（2）电阻值为75 的CATV电缆RG-59用于传 输模拟信号（用于CATV网络）。
由能传送光波的超细石英玻璃纤维外包一层比玻璃折射率低的材料构成。 进入光纤的光波在两种材料的介面上形成全反射, 从而不断地向前传播, 如下图所示。
光纤具有宽带、数据传输率高、抗干扰能力强、传输距离远等优点。
3. 光纤电缆的主要特性
光纤结构与原理图
光纤信道中的光源可以是发光二极管LED(Light Emitting Diode), 或注入式激光二极管ILD(Injection Laser Diode)。 LED和ILD在有电流通过时都能发出光脉冲, 光脉冲通过光导纤维传播到达接收端。
如果采用不同的互连方式, 把所有的通信结点通过光缆连接成一个环, 环上的信号虽然是单向传播, 但任一结点发出的信息其他结点都能收到, 从而达到了互相通信的目的， 见下图所示。
光纤环网
多模光纤：光波在光纤中以多种模式传播，不同的传播模式有不同的电磁场分布和不同的传播路径。光波在光纤中以什么模式传播, 与芯线和包层的相对折射率, 芯线的直径, 以及工作波长λ有关。
单模光纤：如果芯线的直径小到光波波长大小, 光纤成为波导, 光在其中无反射地沿直线传播。
单模光纤比多模光纤更难制造, 价格更贵。
单模光纤与多模光纤的比较
有线传输介质的主要知识点
例题
4. 无线与卫星通信技术
电磁波的传播有两种方式：
— 以无线方式一种是在自由空间中传播；
— 以有线方式在同轴电缆、双绞线、光纤中传输。
目前以无线方式进行通信的主要有：
— 无线（radio）；
— 微波（microwave）；
— 红外线（infrared）；
— 可见光（visible light）。
电磁波谱与通信类型的关系
（1）无线通信
从电磁波谱中可以看出，无线通信 所使用的频段覆盖低频到特高频，其中调频无线电通信使用中波MF，调频无线电广播使用甚高频VHF(30 MHz～300 MHz) 、电视广播使用甚高频到特高频。
无线电短波通信早已用在计算机网络中了, 已经建成的无线通信局域网使用了甚高频和超高频(300 MHz～3000 MHz)的电视广播频段, 这个频段的电磁波是以直线方式在视距范围内传播的,适宜作局部地区的通信。
视距传播
电离层反射
高频无线电信号由天线发出后，沿两条路径在空间传播，其中地波沿表面传播，天波则在地球电离层之间来回反射。
（2）微波通信
在电磁波谱中频率在100MHz-10GHz的信号叫微波信号。
只能进行视距传播。微波信号没有绕射功能，两个微波信号只能在可视的情况下才能正常接收。
大气对微波信号的吸收和散射影响较大。
微波可分为地面微波和卫星微波，微波通信系统分为地面微波系统和卫星微波系统,两者的功能相似, 但通信能力有很大差别。 地面微波系统由视野范围内的两个互相对准方向的抛物面天线组成, 长距离通信则需要多个中继站组成微波中继链路。
微波频率高，带宽高，容量大，可同时传送大量信息，特别适用于卫星通信与城市建筑物之间的通信。
（3）卫星通信
利用地球同步卫星作为中继来转发微波信号的一种特殊微波通信形式（通信卫星看作是悬在太空中的微波中继站 ） 。卫星上的转发器把它的波束对准地球上的一定区域, 在此区域中的卫星地面站之间就可互相通信。卫星通信可以克服地面微波通信距离的限制，三个同步卫星可以覆盖地球上全部通信区域。
卫星通信
（4）激光通信
在空间传播的激光束可以调制成光脉冲以传输数据。 有很强的方向性，沿直线传播，可以在视野范围内安装两个彼此相对的激光发射器和接收器进行通信(见下图)。
高带宽。
激光传输
（5）红外通信
和微波通信一样，有很强的方向性，沿直线传播。但红外通信要把传输的信号转换为红外光信号后才能直接在空间沿直线传播。
优点：红外通信设备相对便宜，可获得较高 的带宽。
缺点：传播距离有限，易受室内空气状态 （例如烟雾等）的影响。
红外传输
（6） 蜂窝无线通信
多址接入方法：
频分多址接入（FDMA）
时分多址接入（TDMA）
码分多址接入（CDMA）
传输介质的选择
网络的拓扑结构
实际需要的通信容量
可靠性要求
能承受的价格范围
信道特性（数据通信中的几个主要指标）
信道带宽
信号传输速率
数据传输速率
误码率
重点掌握
1、信道带宽
信道带宽指在该通信线路上能不失真地传送信号的频率范围。
模拟信道的带宽是信道频率响应曲线上幅度取其频带中心处值的 倍的两个频率之间的宽度，如下图所示。
即模拟信道的带宽：W=f2-f1
单位：赫兹
信道带宽
数字信道的带宽（即通频带）
数字信道只能传送数字信号。
数字信道的带宽：信道中能不失真地传输脉冲序列的最高速率。
2、信号传输速率
定义：单位时间内通过信道传输的码元数。
单位：波特，记作Baud 。
信号传输速率,也称码元速率、调制速率或波特率。
信号传输速率计算公式 ：B=1/T (Baud)，
T为脉冲周期，即信号码元的宽度，单位为秒。
定义：每秒传输的二进制信息位数(即单位时间内在信道上传送的信息量)，单位为比特/秒，记作bps或b/s。
计算公式: = B*log2N (bps)
T：为脉冲周期,单位为秒；
N：码元可能出现的状态个数总和。
若n为二进制信息的位数，则N=2n ，n= log2N 。
数据传输速率=信号传输速率*码元位数
（即R= B*log2N= B * n） 。
3、数据传输速率(又称比特率)
常用的数据传输速率单位有：Kbps、Mbps、Gbps和Tbps，其中：
1Kbps = 1×103 bps
1Mbps = 1×106 bps
1Gbps = 1×109 bps
1Tbps = 1×1012 bps
例1：关于S和B公式的应用
若采用四相调制方式，即N=4，且T=833× 10-6秒，求数据传输速率和码元速率各为多少？
解:
(1)码元速率（即信号传输速率）
B=1/T=1/(833 × 10-6)=1200 (Baud)
(2)数据传输速率
R=B×log2N =1200×log2N =2400 (bps)
4、最大数据传输速率
单位：位/秒(bps)
最大数据传输速率与数据传输速率的区别：
最大数据传输速率是信道传输数据能力的极限；
数据传输速率是实际的数据传输速率。
与公路上的最大限速与汽车实际速度的关系相似。
（1）离散（无噪声）最大数据传输速率
1924年, 贝尔实验室的研究员亨利·尼奎斯特(Harry Nyquist)推导出了有限带宽无噪声信道的极限波特率（最大码元速率）。
尼奎斯特定理：如果表示码元的窄脉冲信号以时间间隔为π/ω（ω =2πf）通过理想通信信道，前后码元之间不产生相互串扰。
根据尼奎斯特定理，无噪声信道最大码元速率为：Bmax=2*W (Baud) W为信道带宽
有限带宽无噪声信道最大数据传输速率： Rmax= Bmax *log2N =2*W*log2N (bps) 。
例2：普通电话线路带宽约3kHz，则码元速率极限值为：Bmax=2*W=2*3k=6k (Baud) 若码元的离散值个数N=16，则最大数据传输速率为：
Rmax= 2*W*log2N =2*3k*log216=24k (bps)
（2）连续（带噪声）最大数据传输速率
实际信道会受到各种噪声的干扰, 达不到按尼奎斯特定理计算出的数据传送速率。
香农(Shannon)定理：在有随机热噪声的信道上传输数据信号时，最大数据传输速率Rmax与信道带宽W，信噪比S/N 的关系为：
C= Rmax= W*log2（1+S/N） (bps) 。
（有噪声信道的极限数据传输速率）
式中：S为信号平均功率， N为噪声平均功率， S/N为信噪比；
解：∵ 10*log10(S/N)=30
∴ S/N = 103 = 1000
∴ Rmax = W*log2(1+S/N)
=3k *log2(1+1000)≈30k (bps)
使用香农定理时，由于S／N(信噪比)的比值太大， 通常使用分贝数(dB）来表示：
dB=10*log10(S/N) 。
[例3]已知信噪比为30dB，带宽为3kHz，求信道的最大数据传输速率。
5、误码率--传输二进制位时出现差错的概率
在有噪声的信道中(实际使用的信道都是有噪声的), 数据速率的增加意味着传输中出现差错的概率增加。
用误码率表示传输二进制位时出现差错的概率。
误码率是衡量数据通信系统在正常工作情况下的传输可靠性的指标。
在计算机网络中，一般要求误码率低于10-6， 若误码率达不到这个指标，可通过差错控制方法检错和纠错。
6.信道延迟
信号在信道中传播, 从源端到达宿端需要的时间与源端和宿端的距离有关, 也与具体信道中的信号传播速度有关。 以后考虑的信号主要是电信号(在某些情况下可能会用到红外或激光),电信号一般以接近光速的速度(300 m/μs)传播, 但随传输介质的不同而略有差别。 例如在电缆中的传播速度一般为光速的77%, 即200 m/μs左右。
500m同轴电缆时延大约为2.5 μs；
卫星信道的时延大约为270ms。
总结
1、信号传输速率（又称码元速率）：B=1/T (Baud)
2、有限带宽无噪声信道最大信号传输速率为： Bmax=2*W (Baud)（尼奎斯特定理） W为信道带宽。
3、数据传输速率(又称比特率)：
R=1/T× log2N=B × log2N (bps)
4、有限带宽无噪声信道最大数据传输速率 ： Rmax= Bmax *log2N =2*W*log2N (bps)
5、有限带宽有随机热噪声信道的极限数据传输速率：
C= Rmax =W*log2(1+S/N)
6、模拟信道的带宽：W=f2-f1
7、数字信道的带宽是信道能够达到的最大数据传输速 率： C=W*log2(1+S/N)
三种常用公式的比较
3.5 频带传输技术
3.5.1 电话交换网的结构
3.5.2 频带传输的定义
利用模拟信道传输数据信号的方法称为频带传输；
调制解调器（modem）是频带传输中最典型的通信设备；
调制解调器的作用是：
在数据的发送端将计算机中的数字信号转换成能在电话线上传输的模拟信号；
在接收端将从电话线路上接收到的模拟信号还原成数字信号。
3.5.3 调制解调器的基本工作原理
数字信号转换成模拟信号
模拟信号转换成数字信号
modem实现全双工通信的工作原理
原理：发送端调制器用输入的数字脉冲信号控制两个不同频率振荡器信号的输出来实现数字信号转换为模拟信号。
当输入的数字脉冲信号为高电平（对应逻辑1），频率f1=1270Hz的振荡器有信号输出，当输入的数字脉冲信号为低电平（对应逻辑0），频率f2=1070Hz的振荡器有信号输出。
在调制器的输出端，组合器根据输入的数字脉冲信号1，0序列排列顺序控制的两种频率的正（余）弦信号组合起来，构成频移健控FSK信号。
模似数字信号FSK通过模似电话交换网到达接收端。
接收端：设置对应f1和f2两种频率的带通滤波器，使频率为f1和f2的正（余）弦信号分别通过两个滤波器，再将滤波器输出信号送给组合器叠加，在输出端输出与输入端相同的数字信号，从而实现数字数据信号通过模拟通信信道的传输和接收。
呼叫端：主动发起通信的一端。使用下频带发送数据，在上频带接收数据。
应答端：被动参加通信的一端。使用上频带发送数据，在下频带接收数据。
在典型的调制解调器（例如 Bell 103标准）中规定：FSK使用的上下频带对应于逻辑的1和0的信号频率分别为：
上频带：逻辑1 2225Hz
逻辑0 2025Hz
下频带：逻辑1 1270Hz
逻辑0 1070Hz
带通滤波器只允许频率为f0±△f 范围的信号通过（ f0和△f在带通滤波器电路设计中根据需要加以设定）。
下频带中心频率 f0 = 1170Hz
△f =200Hz
即只允许频率为970Hz ~ 1370Hz的信号通过，意味着1070Hz和1270Hz的信号可以通过；
上频带中心频率： f0 =2125Hz
△f =200Hz
即允许频率为2025Hz与2225Hz的信号通过。
调制解调器的分类与应用
外置Modem与计算机的连接
难度系数：*** 考查频度：*** 考查权重：***
主要了解多路复用技术的类型、技术要点和应用点，对复用的产物T1、E1也应有一定了解。在历年考题中出现了两次：2004年11月“网络工程师”考试的问题(27)～(29)，2001年“网络设计师”考试的问题(17)～(20)。分别考查了适用光纤的复用技术及E1载波，多路复用的特点，以及WDM与FDM的区别与联系。
3.6 多路复用技术
多路复用技术是把多个低速信道组合成一个高速信道的技术。
多路复用技术需要用到两个设备：
多路复合器(Multiplexer)：在发送端根据某种约定的规则把多个低带宽的信号复合成一个高带宽的信号；
多路分配器(Demultiplexer)：在接收端根据同一规则把高带宽信号分解成多个低带宽信号。
多路分配器
多路复合器
多路复用
多路复合器和多路分配器统称多路器（也称多路复用器）, 简写为MUX, 如下图所示。
3.6.1 多路复用技术的分类
频分多路复用FDM (Frequency Division Multiplexing)
时分多路复用TDM (Time Division Multiplexing)
波分多路复用WDM( Wavelength Division Multiplexing)
3.6.2 频分多路复用(FDM)
FDM(Frequency Division Multiplexing)：在一条通信线路上使用多个频率不同的模拟载波信号进行多路传输。
一条通信线路设计多路通信信道;一条通信线路可以同时独立地传输多路信号。
每路信道的信号以不同的载波频率进行调制;
这些载波可以进行任何方式的调制：ASK, FSK, PSK以及它们的组合。
每一个载波信号形成一个子信道, 各条子信道的载波频率不重叠, 子信道之间留有一定宽度的隔离频带。
P87
频分多路复用
3.6.3 波分多路复用 (WDM)
光纤通道（fiber optic channel）技术采用了波长分隔多路复用方法，简称为波分复用WDM;
在一根光纤上复用80路或更多路的光载波信号称为密集波分复用DWDM；
目前一根单模光纤的数据传输速率最高可以达到20Gb/s 。
光波1只能传给光波3不能传给光波4
3.6.4 时分多路复用(TDM)
TDM(Time Division Multiplexing)：将信道用于传输的时间划分为若干个时间片；
每个用户分得一个时间片；在用户占有的时间片内，使用通信信道的全部带宽）
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。
时分多路复用 补充图
时分多路复用原理示意图
1
24
时分多路复用的分类
同步时分多路复用:整个传输时间划分为固定大小的周期,每个周期内,各子通道都在固定位置占有一个时槽。（子通道3没有用也占用了一个时槽——浪费）
统计时分多路复用：发送端集中器依次扫描各个子通道，只为有信息发送的子通道分配一个时槽，没有信息发送的子通道不分配时槽。（子通道3没有用不占用时槽——避免浪费）
教材中2改为3
同步TDM和统计TDM的比较
对4kHz的话音信道按8kHz的速率采样，128级量化，则每个话音信道的比特率是56 kb/s。 为每一个低速信道敷设一条通信线路太不划算，所以在实用中要利用多路复用技术建立更高效的通信线路。
存在两种不兼容的标准：
（1）在北美和日本广泛使用的一种通信标 准：贝尔系统的T1载波（24路），数据 传输速率为1.544Mb/s 。
（2）欧洲E1载波(30路话音信道和2路控制信 道)，数据传输速率为2.048Mb/s。
贝尔系统的T1载波
T1载波也叫一次群，它把24路音频信道按时分多路复用原理复合在一条1.544Mb/s的高速信道上；
每路音频模拟信号在送到多路复用器之前，要通过一个PCM编码器；
编码器每秒取样8000次；
24路PCM信号的每一路轮流将一个字节插入到帧中；
每个字节的长度为8位，其中7位是数据位，1位用于信道控制；
每帧由24路×8位=192位组成，附加一位作为帧开始标志位， 每帧共有193位；
发送一帧需要125微秒；
T1载波的数据传输速率为1.544Mb/s。
（193b/125 μs = 1.544Mb/s ）
CCITT T1载波还可以多路复用到更高级的载波上，如下图所示。
多路复用
4个1.544Mb/s的T1信道结合成1个6.312Mb/s的T2信道，多增加的位（6.312-4*1.544=0.136）是为了成帧和差错控制，其余相似，这些组合方法是BELL系统的标准，只适用于美国和日本。
多路复用技术比较
常见数字传输系统
例题
一个通信网络由许多交换结点互连而成。 信息在这样的网络中传输就像火车在铁路网络中运行一样, 经过一系列交换结点(车站), 从一条线路换到另一条线路, 最后才能到达目的地。
3.7 广域网中的数据交换技术
交换方式：交换结点转发信息的方式。
最基本的交换方式：
（store-and-forward exchanging）
难度系数：** 考查频度：** 考查权重：***
对于本知识点，主要是能够从原理性上了解各种交换方式，特别是要扎实地掌握各种交换方式的过程、开销、特点及主要代表。在历年考题中仅出现了一次：
2002年“网络工程师”考试的问题(11)~(15)。考查的是线路交换、分组交换、虚电路交换的特点和通信时间计算。
3.7.1 线路交换方式
线路交换方式把发送方和接收方用一系列链路直接连通。
电话交换系统采用线路交换方式。
线路交换是面向连接的服务；
两台计算机通过通信子网进行数据交换之前，首先要在通信子网中建立一个实际的物理线路连接；
线路交换在数据传输过程中要经过建立连接、数据传输与释放连接的三个阶段；
线路交 换过程 示意图
(1) 线路建立阶段
如果主机HA要向主机HB传输数据，首先要通过通信子网在HA与HB之间建立线路连接。HA首先向通信子网中结点A发送“呼叫请求包”，其中含有需要建立线路连接的源主机地址与目的主机地址。结点A根据目的主机地址，根据路由选择算法，如果选择下一个结点为B，则向结点B发送“呼叫请求包”。结点B接到呼叫请求后，同样根据路由选择算法，如果选择下一个结点为C，则向C发送“呼叫请求包”。
结点C接到呼叫请求后，也要根据路由选择算法，如果选择下一个结点为D，则向D发送“呼叫请求包”。结点D接到呼叫请求后，向与其直接连接的HB发送“呼叫请求包”。HB如接受HA的呼叫连接请求，则通过已经建立的物理线路连接D — C — B — A，向HA发送“呼叫应答包”。至此，从HA— A — B — C — D — HB的专用物理线路连接建立完成，该物理连接为此次HA与HB的数据交换服务。
(2)数据传输阶段
在HA与HB通过通信子网的物理线路连接建立以后，HA与HB就可以通过该连接实时、双向交换数据。
(3)线路释放阶段
数据传输完成后，进入线路释放阶段。一般可以由HA向HB发出“释放请求包”，HB同意结束传输并释放线路后，将向结点D发送“释放应答包”，然后按照C — B — A次序，依次将建立的物理连接释放。到这时，此次通信结束。
线路交换方式的优点：通信实时性强(即没有传输延迟)（因为连接建立后通路是专用的, 没有其他用户的干扰），适用于交互式会话类通信；适合于传输大量的数据。
线路交换方式的缺点：不能适应突发性通信，系统效率低，系统不具有存储数据的能力，不能平滑交通量。系统不具备差错控制能力，无法发现与纠正传输过程中发生的数据差错。
3.7.2 存储转发交换方式
存储转发交换方式与线路交换方式的主要区别
发送的数据与目的地址、源地址、控制信息按照一定格式组成一个数据单元（报文或报文分组）进入通信子网；
通信子网中的结点是通信控制处理机，它负责完成数据单元的接收、差错校验、存储、路选和转发功能。
存储转发方式的优点
由于通信子网中的通信控制处理机可以存储分组，多个分组可以共享通信信道，线路利用率高；
通信子网中通信控制处理机具有路选功能，可以动态选择报文分组通过通信子网的最佳路径；
可以平滑通信量，提高系统效率；
分组在通过通信子网中的每个通信控制处理机时，均要进行差错检查与纠错处理，因此可以减少传输错误，提高系统可靠性；
通过通信控制处理机可以对不同通信速率的线路进行转换，也可以对不同的数据代码格式进行变换。
数据通过通信子网传输时可以有：
报文（message） 传输层
报文分组（packet） 网络层
报文传输：不管发送数据的长度是多少，都把它当作一个逻辑单元发送；
报文分组传输：限制一次传输数据的最大长度，如果传输数据超过规定的最大长度，发送结点就将它分成多个报文分组发送。
报文与报文分组
2. 报文交换
不要求在两个通信结点之间建立专用通路。 当一个结点发送信息时, 先把要发送的信息组织成一个数据包——报文, 数据包中某个约定的位置含有目标结点的地址。完整的报文在网络中一站一站地传送。（不管发送数据的长度是多少，都把它当作一个逻辑单元发送）；
报文经过多次的存储—转发, 最后到达目标结点,采用存储—转发的网络叫存储—转发网络。
报文交换
报文和报文分组结构
由于分组长度较短，在传输出错时，检错容易并且重发花费的时间较少； 限定分组最大数据长度，有利于提高存储转发结点的存储空间利用率与传输效率；
公用数据网采用的是分组交换技术。
3. 分组交换
采用分组交换方式, 数据包有固定的长度,如果传输数据超过规定的最大长度，发送结点先要对传送的信息分组,对各个分组编号, 加上源和宿地址以及约定的头和尾信息。 这个过程也叫信息的打包。
一次通信中的所有分组在网络中的传播有三种方式 ：
数据报(Datagram)
虚电路(Virtual Circuit)
信元交换 用于ATM中,不介绍
分组交换
(1) 数据报
数据报方式工作原理示意图
数据报工作方式的特点
在数据报方式中，分组传送之间不需要预先在源主机与目的主机之间建立“线路连接”；
每一个分组在传输过程中都必须带有目的地址与源地址；
同一报文的不同分组可以由不同的传输路径通过通信子网；
同一报文的不同分组到达目的结点时可能出现乱序、重复与丢失现象；
数据报方式报文传输延迟较大，适用于突发性通信，不适用于长报文、会话式通信。
(2) 虚电路
虚电路方式将数据报方式与线路交换方式结合起来，充分发挥两种方法的优点，以达到最佳的数据交换效果;
虚电路方式与线路交换方式相似，整个通信过程分为三个阶段：虚电路建立、数据传输与虚电路释放阶段。
虚电路方式
原理示意图
虚电路的特点
在每次分组发送之前，必须在发送方与接收方之间建立一条逻辑连接的虚电路。（因为连接发送方与接收方的物理链路已经存在，不需要真正去建立一条物理链路）
（数据报方式在分组发送之前，发送方与接收方之间不需要预先建立连接）;
一次通信的所有分组都通过虚电路顺序传送，因此报文分组不必带目的地址、源地址等辅助信息。分组到达目的结点时不会出现丢失、重复与乱序的现象；
分组通过虚电路上的每个结点时，结点只需要做差错检测，不需要做路径选择；
通信子网中每个结点可以和任何结点建立多条虚电路连接。
虚电路方式与线路交换方式的不同之处
虚电路是在传输分组时建立起的逻辑连接；
一个结点可以同时与多个结点之间具有虚电路；（因为这种电路不是专用的，故称为“虚电路” ）
每条虚电路支持特定的两个结点之间的数据传输。
虚电路方式具有分组交换与线路交换两种方式的优点，在计算机网络中得到了广泛的应用。
小结
通信的目的是交换信息；
信息的载体可以是数字、文字、语音、图形或图像，计算机用二进制代码的数据来表示各种信息；
数据通信是指在不同计算机之间传送表示字母、数字、 符号的二进制代码0、1比特序列的过程。信号是数据在传输过程中的电信号的表示形式；
物理层在传输介质上传输比特流；
在数据通信技术中，利用模拟通信信道，通过调制解调器传输模拟数据信号的方法称做频带传输；而利用数字通信信道直接传输数字数据信号的方法称做基带传输；
数据传输速率与误码率是描述数据传输系统的重要参数。
10表示数据传输速率为10Mb/s，Base表示基带
T表示计算机通过双绞线连接到HUB （集线器）上。
每段双绞线电缆的最大长度是100m。
10Base-T
10Base-F
F表示传输介质是光纤
抗干扰性好
Fast Ethernet
物理层，
LLC子层使用IEEE802.2标准
100Base-T定义了介质专用接口MII，将MAC子层与物理层隔开
MII （Media Independent Interface）
介质访问控制子层
逻辑链路控制子层
例题(2004上半年网络工程师44/45)
光纤分为单模光纤和多模光纤，与多模光纤相比，单模光纤的主要特点是 44 ，为了充分利用其容量，可使用 45 技术同时传输多路信号。
44.
A. 高速度、短距离、高成本、粗芯线
B. 高速度、长距离、低成本、粗芯线
C. 高速度、短距离、低成本、细芯线
D. 高速度、长距离、高成本、细芯线
45.
A. TDM
B. FDM
C. WDM
D. ATDM
44 D
45 C
2003年网络设计师试题
设信道带宽为3000Hz，根据尼奎斯特定理，理想信道的波特率为 （16） 波特，若采用QPSK调制，其数据传输速率为 （17），如果该信道信噪比为30dB，则该信道的带宽约为 （18） 。设信道误码率为10-5，帧长为10K比特，差错为单个错，则帧出错的概率为 （19） 。若整个报文被分成5个帧，帧出错的概率为0.1，纠错重发以报文为单位，则整个报文的平均发送次数约为 (20) 次。
(16) A.3000 B.6000 C.12000 D.24000
(17) A. 6Kb/s B. 12Kb/s
C. 18Kb/s D. 24Kb/s
(18) A. 10Kb/s B. 20Kb/s
C. 30Kb/s D. 40Kb/s
(19) A. 1-(1- 10-5)10K B. (1- 10-5)10K
C. 10-5*10K D. (1- 10-5)*10K
(20) A. 1.24 B. 1.33
C. 1.54 D. 1.69
参考答案：
（16）B 分析: B=2W=2*3000=6000 波特
（17）B 分析: R=B*log2N=6000*log24= 12Kb/s
（18）C 分析: Rmax= W*log2（1+S/N）
=3K* log2（1+1000）=30Kb/s
（19）A 分析:信道误码率为10-5，正确率为（1-10-5），帧长为10K比特，整个帧传输正确的概率为（1-10-5）10K,则帧出错的概率为1-（1-10-5）10K。
（20）D
分析:帧出错的概率为0.1，帧正确的概率为（1- 0.1=0.9），整个报文被分成5个帧，整个报文传输正确的概率为0.9*0.9*0.9*0.9*0.9≈0.59,则整个报文的平均发送次数约为1/0.59 ≈1.69次
2005年5月网络工程师试题
10个9.6Kb／s的信道按时分多路复用在一条线路上传输，如果忽略控制开销，在同步TDM情况下，复用线路的带宽应该是（24）；在统计TDM情况下，假定每个子信道具有30％的时间忙，复用线路的控制开销为10％，那么复用线路的带宽应该是（25）。
(24)A. 32Kb／s B．64Kb／s
C．72Kb／s D．96Kb／s
(25) A．32Kb／s B．64Kb／s
C．72Kb／s D．96Kb／s
【解析】
(24)10*9.6 Kb/s=96 Kb/s 选D
(25)传输数据所需总带宽为:
10*9.6×30%=28.8 Kb/s
10%的控制开销,表示90%的线路带宽用于传输数据。即所需线路总带宽*90%= 28.8 Kb/s
所需线路总带宽= 28.8/ 90%= 32 Kb/s
选A
2004年11月网络工程师试题
光纤通信中使用的复用方式是 （27） ，E1载波把32个信道按照 (28) 方式复用，在一条2.048Mb/s的高速信道上，每条话音信道的数据传输速率是 (29) 。
(27) A.时分多路 B. 空分多路
C.波分多路 D. 频分多路
(28) A.时分多路 B.空分多路
C.波分多路 D. 频分多路
(29) A. 56 Kb/s B. 64 Kb/s
C. 128 Kb/s D. 512 Kb/s
C (波分多路复用WDM）
A
B（一个信道可供多少路信号共享与复用，主要取决于信道的带宽与每路信号的需求，一条E1是2.048Mb的链路，用PCM编码。每个E1的帧长为256个bit，分为32个时隙（时槽）,每个时隙在E1帧中占8bit,8*8Kb/s=64Kb/s)
香农介绍
香农（1916--2001），1916年生于美国密执安州的加洛德,硕士论文就是关于布尔代数在逻辑开关理论中的应用,后就职于贝尔电话研究所。于1948年在《贝尔系统技术杂志》上发表了244页的长篇论著《通信的数学理论》，次年又在同一杂志上发表了另一篇名著《噪声下的通信》；经典地阐明了通信的基本问题，提出了通信系统的模型，给出了信息量的数学表达式，解决了信道容量、信源统计特性、信源编码、信道编码等有关通信基本技术问题，成为信息论的奠基者。
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