第三章物理层讲义

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1、第三章 数据通信基础与物理层,课前思考,什么是数据通信系统的基本模型？ 信道的基本参数有哪些？ 最大数据率如何确定？ 什么叫模拟通信、数字通信？ 模拟信号和数字信号如何相互转化？ 什么叫同步传输和异步传输？ 何谓复用技术？常用的复用方技术有哪几种？,本章内容,3.1 数据通信基础 3.1.1通信系统模型 3.1.2 模拟通信与数字通信 3.1.3 信号带宽 3.1.4 信道 3.1.5 物理传输媒体 3.1.6 数字信号的编码 3.1.7 数字调制技术 3.1.8 模拟信号的脉码调制 3.1.9 数据同步方式 3.1.10 多路复用技术,3.2 物理层协议 3.2.1物理层协议在通信系统中的地

2、位 3.2.2 四类物理层协议 3.3 物理层协议举例,3.1 数据通信基础,3.1.1 通信系统模型,信源,变换器,信 道,反变换器,信宿,噪声源,信源：将各种信息转换成原始物理信号，如计算机，手机，电话机等。 变换器/反变换器：对原始物理信号进行变换/反变换，以便适合在给定的信道上传输，如MODEM ， TA ，光/电转换器等。 信道：传输信号的一条通路。一条物理线路可构成一个或多个信道。 噪声源：信道自身的噪声以及周围环境对信道的干扰。如热噪声，闪电，强电磁场干扰等。 信宿：将物理信号转换为信息，如计算机，手机，电话机等。,发送端,接收端,3.1 数据通信基础,模拟信号: 信号在传输过程

3、中连续变化。 数字信号: 信号在传输过程中离散变化。,模拟通信：利用模拟信号来传输数据。 数字通信：通过数字信号来传输数据。,3.1.2 模拟通信与数字通信,3.1 数据通信基础,数字通信的优点 抗干扰能力强。 适合远距离传输。 有利于安全性。 适合多媒体信息传输。,3.1.3 信号带宽 信号带宽: 信号能量所集中的频率范围（频谱）。 例如:语音信号占用的频率谱为300-3400Hz,那么带宽为3400-300=3100Hz 对数字信号,带宽 H 可近似表示为： H =1/ 为脉冲宽度；数据率越高，脉宽越窄，数字信号的带宽越大。,3.1 数据通信基础,3.1.4 信道 信道 信道是传输信号的一

4、条通路。 信道通常由物理传输介质和通信设备（如MODEM，中继器，均衡器）组成。 一条物理线路可同时复用多条信道。 衡量信道质量的两个重要参数 信道的带宽。 信道的误码率。 信道带宽 信道带宽：信道允许传输信号的频率范围，单位为Hz。 如普通电话线的带宽是4KHz。 对数字通信，通常用数据率来表示带宽。 数据率：信道每秒最多传输的二进制位数，单位为bps。,3.1 数据通信基础,波特率 波特率又称码元速率，是指每秒传输码元的数目，单位为波特（Baud）. 若码元的离散取值数目为L，波特率为B，数据率为C，则： C = B log2L,3.1 数据通信基础,信道带宽与数据率的关系 奈奎斯特定理（

5、无噪声信道） C=2H log2L ( bps) 其中，C为信道的数据率（即容量）；H为信道的带宽；L为 数字信号的离散取值数目。 香农定理（有噪声信道，不受限） C=H log2(1+S/N) ( bps) 其中，S为信号功率，N为噪音功率，S/N为信噪比。 例：H=4KHz, S/N =1023, L=8； 求C。 解：（）由奈奎斯特定理： C=2H log2L =24000log28=24000 （bps）,3.1 数据通信基础,（2）由香农定理： C = H log2(1+S/N) =4000log2（1+1023） = 40000bps,所以，信道最大数据率24000bps,3.1

6、数据通信基础,误码率 误码率是指数字信号比特（二进制位）在传输过程中出错的概率。 P = Ne/N 其中，P为误码率；Ne为出错的比特数；N为传输的总比特数。 信道的通信方向 单工信道 只允许数据信号在信道上的单向传输。如：无线电广播，电视。 半双工信道 数据信号可以在信道上双向传输，但同一时刻只允许单向传输。 如：无线对讲机。 全双工信道 允许数据同时双向传输。如：计算机通信。,3.1 数据通信基础,数据,应答,数据,应答,数据,应答,单工信道,半双工信道,全双工信道,3.1 数据通信基础,3.1.5 物理传输媒体（通信介质） 双绞线 非屏蔽双绞线（UTP） 三类UTP 100, 100m,

7、10Mbps，用于10BASE-T以太网。 五类UTP（目前常用） 100, 100m,100Mbps，用于100BASE-T以太网。 超五类UTP 100, 80m,1000Mbps，用于千兆以太网。 六类UTP 100, 100m,1000Mbps，用于千兆以太网。,3.1 数据通信基础,屏蔽双绞线（STP） 抗干扰性能好。 价格昂贵、安装麻烦。 同轴电缆,3.1 数据通信基础,同轴电缆中央是一根铜导线，外包一层绝缘材料（泡沫塑料），这层绝缘材料又被第二层网状导体裹住，以屏蔽外界电磁干扰。,基带同轴电缆（50） 粗缆: 10BASE-5 细缆: 10BASE-2 宽带同轴电缆（75） 用于

8、闭路电视。 与双绞线相比，同轴电缆传输距离长，抗干扰能力强，但价格贵，布线麻烦。,3.1 数据通信基础,光纤的中央是一根直径几十微米光导玻璃或塑料芯。外面用一层玻璃体包住，最外层是塑料保护层。多根光纤由外包层包裹在一起构成光缆。 光纤分为单模和多模两类。,光纤,单模光纤 光线主要沿着光线的轴心向前传输 单模光纤传输距离较长，但对光源要求高。,3.1 数据通信基础,多模光纤 光线沿着光纤以多种角度被包层反射向前传输。 多模光纤传输距离较短，但对光源要求不高。,光纤优点 容量大：可达几百Gbps。 距离远：100km（无需中继）。 抗干扰能力强：不受外部电磁场干扰。 化学性质稳定。,3.1 数据通

9、信基础,无线传输媒体 无线传输以自由空间作为传输媒体，主要包括无线电波、微波、卫星通信、激光、红外线等。 无线电波划分 国际电信联盟将无线电波划分为： 低频：（LF） (30kHz 300KHz) 中频：（MF）(300kHz 3MHz) 高频：（HF）(3MHz 30MHz) 甚高频：（VHF） (30MHz 300MHz) 超高频：（UHF） (300MHz 3GHz) 特高频：（SHF） (3GHz 30GHz) 极高频：（EHF） (30GHz 300GHz),3.1 数据通信基础,无线电波无线电波的传播特性 低中频 可轻易的通过障碍物（绕射）； 但能量随距离增加而急剧减少，传输距离有

10、限。 高频和甚高频 能量会被地表吸收； 但能通过电离层反射。 超高频和特超高频（微波） 只能直线传播； 既不能绕射也不能反射。,3.1 数据通信基础,微波 微波频率大致为1GHz 100GHz 用于无线局域网的微波频率范围为： 2.4GHz 2.484GHz 5.725GHz 5.825 GHz 18.825GHz 19.205GHz 微波通信必须要有微波中继站：100m高，相距80km 。 卫星通信 卫星通信是一种特殊的微波通信，使用同步通信卫星作为微波中继站 与地面中继站相比，卫星的通信距离远，从理论上讲，三个同步卫星就能覆盖整个地球表面。 卫星通信的特点 （1）传输延迟长达270ms。

11、（2） 通信费用与距离无关。 （3）抗干扰能力差，甚至雨水也能吸收微波能量,3.1 数据通信基础,3.1.6 数字信号的编码 数字信号的编码：用何种物理信号来表示“0”和“1”。 非归零编码（NRE: Non-Return to Zero） 以高电平表示“0”，低电平表示“1”，反之亦然。 优点：编/译码简单。 缺点：内部不含时钟信号，收/发端同步困难。 用途： 计算机内部 低速数据通信,3.1 数据通信基础,曼彻斯特编码（Manchester Encoding） 每一位中间有一次跳变，既表示数据，又作为同步信号。从高电平跳变到低电平表示“0”，从低电平跳变到高电平表示“1”；反之亦然。 优点

12、：内部自含时钟，收/发端同步容易。 缺点： 编/译码较复杂。 占用更多的信道带宽，在同样的波特率的情况下，要比非归零编码多占用一倍信道带宽，或者说编码效率只有50%。,3.1 数据通信基础,用途：802.3局域网（以太网） 差分曼彻斯特编码（Differential Manchester Encoding） 每一位中间也有一次跳变，但这种跳变仅作为同步信号，不表示数据。数据值通过每位开始时无跳变来表示；有跳变表示“0”，无跳变表示“1”；反之亦然。 优点： 内部自含时钟，收/发端同步容易。 比曼彻斯特编码的抗干扰能力更强。,3.1 数据通信基础,缺点： 编/译码更复杂。 同样需要多占用一倍信道

13、带宽。 用途：802.5局域网（令牌环网）,3.1.7 数字调制技术,3.1.7 数字调制技术 数字信号的模拟传输 基带信号：由信源产生的原始电信号。 载波：频率较高的正弦波信号。 调制：将基带信号加载到载波上，即按基带信号的变化规律去改变载 波的某些参数。 解调：从载波中提取基带信号。 调制技术,模拟信道,调制技术,调幅：用载波信号不同振幅表示数据, 又称幅移键控法ASK。 易受突发干扰，适合低速数据传输，典型为1200bps 调频 用载波信号不同频率表示数据,频率高表示“1”，频率低表示“0” 又称频移键控法FSK 抗干扰优于调幅方式，但频带利用率不高 调相 用载波信号不同相位表示数据 又

14、称相移键控法PSK 占用频带宽，抗干扰能力强，数据率高，可达9600bps,调制方法举例,0,1,0,0,1,1,1,0,0,数字信号,调幅,调频,调相,3.1.8 模拟信号的脉码调制,模拟信号的数字传输 信源是模拟信号可以先转化为数字信号，然后再通过数字信道传输。,最常用的模/数转化方式是脉码调制（PCM：Pulse Code Modullation）,脉码调制,采样 按照一定的时间间隔采样测量模拟信号幅值 。 量化 将采样点测得的信号幅值分级取整。 编码 将量化后的整数值用二进制数表示,采样和量化,采样定理 若模拟信号的带宽为H(Hz),则采用频率B只要大于或等于2H就可以恢复原样模拟信号

15、。即： B2H. 语音信号带宽为4kHz,则采样频率可取每秒8k次。（或每125us采样一次）。,量化 设数字信号的离散取值数目为2n，则将采样值按0，1，2，.，2n-1进行取整。 量化误差：量化取整值与实际幅值之间的误差。,编码,若数字信号取值数128，量化值为0127，则每个采样值要用7bits来编码。 若数字信号取值为64级，量化值为063，则每个采样值要用6bits来编码。 分级越多，误差越小，但每个采样取值点编码所需的比特数就越多。,PCM编码过程举例,差分脉码调制,差分脉码调制 其输出值不是数字化采样值本身，而是当前值和上一个值之差。 如果按128级，对多数模拟信号来讲。相邻采样

16、点的差值大于16的可能性非常小。所以主要4个比特就可以编码了，而不需要7个比特。 具有压缩作用,3.1.9 数据同步方式,同步：接收端按发送端发送代码的频率和起始时间来接收数据。,字符同步方式（异步通信）,字符同步：仅针对一个字符内所含的二进制位进行同步。,起始位是低电平（1位） 停止位是高电平（1.5或2位） 停止位后面是起始位或空闲位,优点 时钟飘移被限制在一个字符内，不会产生积累误差。因此对同步精度要求不高。 缺点 每个字符均有起始/停止位，因而传输效率较低。 适用 低速通信。 字符同步方式又称异步通信。,位同步 （同步通信）,位同步：针对每个数据块内的每位进行同步。 实现位同步的两种方法： 内同步：不单独发同步位号，而是将同步位号嵌入数据编码内部。例如曼彻斯特编码。 外同步：在发送端和接收端之间提供专门的时钟信号