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1、计算机网络与通信技术计算机网络与通信技术 电气工程学院电气工程学院 刘彪刘彪 liubiao liubiao 第二章第二章 物理层及数字通信基础物理层及数字通信基础 1 1 物理层的基本概念物理层的基本概念 2 2数据通信的基础知识数据通信的基础知识 2.1 2.1 数据通信系统的模型数据通信系统的模型 2.2 2.2 数据通信系统的相关基本概念数据通信系统的相关基本概念 2.3 2.3 几种信号传输模式几种信号传输模式 2.4 2.4 信道的极限速率信道的极限速率 3 3物理层下面的传输媒体物理层下面的传输媒体 3.13.1导向（有线）传输媒体导向（有线）传输媒体 3.23.2非导向（无线）
2、传输媒体非导向（无线）传输媒体 提纲提纲 4 4 信道复用技术信道复用技术 4.14.1频分复用频分复用 4.24.2时分复用时分复用 4.34.3统计时分复用统计时分复用 4.44.4波分复用波分复用 4.54.5码分复用码分复用 5 5数字传输系统（数字传输系统（自学自学） 6 6宽带接入宽带接入技术（仅需掌握概念）技术（仅需掌握概念） 6.1 6.1 xDSLxDSL技术技术 6.2 6.2 光纤同轴混合网（光纤同轴混合网（HFC HFC 网）网） 6.3 6.3 FTTxFTTx 技术技术 提纲提纲 1.1.物理层的基本概念物理层的基本概念 数据传输数据传输是实现数据通信的基础。着重于
3、数据的是实现数据通信的基础。着重于数据的 传输，不涉及数据所表示的原始信息。传输，不涉及数据所表示的原始信息。 物理层的主要任务描述为物理层的主要任务描述为确定与传输媒体的接口确定与传输媒体的接口 的一些特性的一些特性，即：，即： 机械特性机械特性 指明接口所用接线器的形状和尺寸、引线指明接口所用接线器的形状和尺寸、引线 数目和排列、固定和锁定装置等等。数目和排列、固定和锁定装置等等。 电气特性电气特性 指明在接口电缆的各条线上出现的电压的指明在接口电缆的各条线上出现的电压的 范围、阻抗匹配、传输速率和距离限制。范围、阻抗匹配、传输速率和距离限制。 功能特性功能特性 指明某条线指明某条线( (
4、引脚引脚) )上出现的某一电平的电上出现的某一电平的电 压表示何种意义。压表示何种意义。 规程特性规程特性 指明对于不同功能的各种可能事件的出现指明对于不同功能的各种可能事件的出现 顺序（工作规程和时序关系）。顺序（工作规程和时序关系）。 2 2数据通信的基础知识数据通信的基础知识 传输 系统 输 入 信 息 输 入 数 据 发送 的信号 接收 的信号 输 出 数 据 源点 终点 发送器 接收器 调制解调器 PC 机 公用电话网 调制解调器 数字比特流 数字比特流 模拟信号 模拟信号 正文 正文 数据通信系统 源系统 目的系统 传输系统 输 出 信 息 PC 机 一个通信系统可以划分为三大部分
5、一个通信系统可以划分为三大部分,即即源系统源系统（或发送端）、（或发送端）、传输系传输系 统统（或传输网络）和（或传输网络）和目的系统目的系统（或接收端）。（或接收端）。 2.12.1数据通信系统的模型数据通信系统的模型 数据通信系统举例数据通信系统举例 2.22.2数据通信的基本概念数据通信的基本概念 数据数据(data)(data)运送信息的实体。运送信息的实体。 信号信号(signal)(signal)数据的电气的或电磁的表现。数据的电气的或电磁的表现。 “模拟的”“模拟的”(analogous)(analogous)连续变化的。连续变化的。 “数字的”“数字的”(digital)(di
6、gital)取值是离散数值。取值是离散数值。 信道信道信号的传输通路或者传输介质。信号的传输通路或者传输介质。 （a）模拟信号）模拟信号 （b）数字信号）数字信号1 （c）数字信号）数字信号2 信道的基本概念信道的基本概念 单向通信单向通信（单工通信）（单工通信） 双向交替通信双向交替通信（半双工通信）（半双工通信） 双向同时通信双向同时通信（全双工通信）（全双工通信） 单工通信单工通信 单向通信单向通信（单工通信）（单工通信）只能有一只能有一 个方向的通信而没有反方向的交互。个方向的通信而没有反方向的交互。 例：广播、传统电视、呼机例：广播、传统电视、呼机 半双工通信半双工通信 双向交替通信
7、双向交替通信（半双工通信）（半双工通信）通信的通信的 双方都可以发送信息，但不能双方同时发双方都可以发送信息，但不能双方同时发 送送( (当然也就不能同时接收当然也就不能同时接收) )。 例：对讲机、采用例：对讲机、采用 CSMA/CDCSMA/CD的以太网的以太网 全双工通信全双工通信 双向同时通信双向同时通信（全双工通信）（全双工通信）通信的通信的 双方可以同时发送和接收信息。双方可以同时发送和接收信息。 例：电话例：电话 基带基带(baseband)(baseband)信号和信号和 带通带通(band pass)(band pass)信号信号 基带信号基带信号（即基本频带信号）（即基本频
8、带信号）来自信源的信号。像来自信源的信号。像 计算机输出的代表各种文字或图像文件的数据信号都属计算机输出的代表各种文字或图像文件的数据信号都属 于基带信号。于基带信号。 中心频率在中心频率在0 0附近附近 基带信号往往包含有较多的低频成分，甚至有直流成分，基带信号往往包含有较多的低频成分，甚至有直流成分， 而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量。因此而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量。因此 必须对基带信号进行必须对基带信号进行调制调制(modulation)(modulation)。 带通信号带通信号把基带信号经过载波调制后，把信号的频把基带信号经过载波调制后，把信号的频 率范围搬
9、移到较高的频段以便在信道中传输（即仅在一率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输（即仅在一 段频率范围内能够通过信道）。段频率范围内能够通过信道）。 中心频带在高频处中心频带在高频处 低通信道与带通信道低通信道与带通信道 “理想理想低通低通信道信道”就是信号的所有低频分量，只就是信号的所有低频分量，只 要其频率不超过某个上限值，都能够不失真地通要其频率不超过某个上限值，都能够不失真地通 过此信道过此信道；而频率超过该上限值的所有高频分量而频率超过该上限值的所有高频分量 都不能通过该信道。都不能通过该信道。 “理想理想带通带通信道”信道”只允许只允许 上下限之间上下限之间 的信号频率的信号频率 成
10、分不失真的通过，其他频率成分不能通过。成分不失真的通过，其他频率成分不能通过。 不能通过 能通过 0 频率(Hz) W (Hz) 不能通过 能通过 0 频率(Hz) W (Hz) 不能通过 波特波特Baud与比特与比特bit 码元码元(code)(code)在数字通信中常常用时间间隔相同的在数字通信中常常用时间间隔相同的 符号来表示一位二进制数字。这样的时间间隔内的符号来表示一位二进制数字。这样的时间间隔内的 信号称为二进制码元，而这个间隔被称为码元长度。信号称为二进制码元，而这个间隔被称为码元长度。 代表不同离散数值的基本波形。代表不同离散数值的基本波形。 1 1码元可以携带码元可以携带n
11、bitn bit的信息量的信息量 ，码元传输的速率单位码元传输的速率单位 是是波特波特。 波特波特(Baud)(Baud)和和比特比特(bit)(bit)是两个不同的概念。是两个不同的概念。 波特波特是码元传输的速率单位（每秒传多少个码是码元传输的速率单位（每秒传多少个码 元）。元）。码元传输速率也称为码元传输速率也称为调制速率、波形速率调制速率、波形速率 或或符号速率符号速率。 比特比特是信息量的单位。是信息量的单位。 波特率和比特率波特率和比特率 信息的传输速率“信息的传输速率“比特比特/ /秒秒”与码元的传输速”与码元的传输速 率“率“波特波特”在数量上在数量上却有一定的关系。却有一定的
12、关系。 若若 1 1 个码元只携带个码元只携带 1 bit 1 bit 的信息量，则“比特的信息量，则“比特/ / 秒”和“波特”在数值上相等。秒”和“波特”在数值上相等。 若若 1 1 个码元携带个码元携带 n n bit bit 的信息量，则的信息量，则 MM Baud Baud 的波特率所对应的比特率为的波特率所对应的比特率为 M M n n b/sb/s。 0110001011100010 00 01 10 10 00 11 01 10 00 00 00 11 10 11 00 10 波特率与比特率波特率与比特率 比特比特 波特波特 2.3几种信号传输模式几种信号传输模式 数据：模拟数
13、据、数字数据数据：模拟数据、数字数据 信号：模拟信号、数字信号信号：模拟信号、数字信号 信道：模拟信道、数字信道信道：模拟信道、数字信道 I I 数字数据的数字传输数字数据的数字传输 不归零码不归零码( (NRZNRZ，NonNon- -Return to Zero)Return to Zero) 二进制数字二进制数字0 0、1 1分别用两种电平来表示。常常用分别用两种电平来表示。常常用 负电平表示负电平表示0 0，正电平表示，正电平表示1 1。 缺点：缺点：1.1.存在直流分量，传输中不能使用变压器；存在直流分量，传输中不能使用变压器； 2.2.不具备自同步机制，必须使用外同步。不具备自同步
14、机制，必须使用外同步。 曼彻斯特编码曼彻斯特编码( (Manchester code)Manchester code)和差分和差分 曼彻斯特编码曼彻斯特编码(Differancial (Differancial Manchester Manchester code)code) 用电压的变化表示用电压的变化表示0 0和和1 1。 数字数据的数字信号编码数字数据的数字信号编码 曼彻斯特编码曼彻斯特编码 规定在规定在每个码元的中间每个码元的中间发生跳变：发生跳变： 高高 低的跳变低的跳变 0 0，低，低高的跳变高的跳变 1 1 每个码元中间都要发生跳变，接收端可将此每个码元中间都要发生跳变，接收端可
15、将此 变化提取出来作为同步信号，使接收端的时变化提取出来作为同步信号，使接收端的时 钟与发送设备的时钟保持一致。钟与发送设备的时钟保持一致。 曼彻斯特编码也称为自同步码（曼彻斯特编码也称为自同步码（SelfSelf- - Synchronizing CodeSynchronizing Code）。它具有自同步机制，）。它具有自同步机制， 无需外同步信号。无需外同步信号。 缺点：需要双倍的传输带宽（即信号速率是缺点：需要双倍的传输带宽（即信号速率是 数据速率的数据速率的2 2倍）。倍）。 数字数据的数字传输数字数据的数字传输 与与曼彻斯特编码相同，曼彻斯特编码相同，在每个码元的中间，在每个码元的中间， 信号都会发生跳变；信号都会发生跳变； 不同之处在于：不同之处在于：用在码元开始处有无跳变用在码元开始处有无跳变 来表示来表示0 0和和1 1 ： 码元开始处有跳变码元开始处有跳变0 0 码元开始处无跳变码元开始处无跳变1 1 差分曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码 数字数据的数字传输数字数据的数字传输 0 0 1 1 0 1 M DM NRZ 数字数据的数字传输数字数据的数字
