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1、第 2 章 物理层 第 2 章 物理层 n2.1 物理层的基本概念 n2.2 数据通信的基础知识 n2.3 物理层下面的传输媒体 n2.4 信道复用技术 n2.5 数字传输系统 n2.6 宽带接入技术 2.1 物理层的基本概念 n物理层考虑的是怎样才能在连接各种计算机的传 输媒体上传输数据比特流，而不是指具体的传输 媒体。 n物理层的作用是要尽可能地屏蔽掉不同传输媒体 和通信手段的差异。 n用于物理层的协议也常称为物理层规程 (procedure)。 物理层的主要任务 n机械特性 ：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。 n电气特性：指明在接口电缆的各条线上出现的
2、电压的范 围。 n功能特性：指明某条线上出现的某一电平的电压表示何 种意义。 n过程特性 ：指明对于不同功能的各种可能事件的出现 顺序。 主要任务：确定与传输媒体的接口的一些特性。 2.2 数据通信的基础知识 n2.2.1 数据通信系统的模型 n2.2.2 有关信道的几个基本概念 n2.2.3 信道的极限容量 2.2.1 数据通信系统的模型 一个数据通信系统包括三大部分：源系统（或发送端、发送方）、 传输系统（或传输网络）和目的系统（或接收端、接收方）。 传输 系统 输 入 信 息 输 入 数 据 发送 的信号 (数字的或 模拟的) 接收 的信号 (数字的或 模拟的) 输 出 数 据 源点终点
3、发送器接收器 调制解调器 PC 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 输入 汉字 显示 汉字 数据通信系统 源系统目的系统传输系统 输 出 信 息 PC 数据通信系统的模型 常用术语 n数据 (data) 运送消息的实体。 n信号 (signal) 数据的电气的或电磁的表现。 n模拟信号 (analogous signal) 代表消息的参数的 取值是连续的。 n数字信号 (digital signal) 代表消息的参数的取值 是离散的。 n码元 (code) 在使用时间域（或简称为时域）的波 形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形。 2.2.2 有关信道的几个基本
4、概念 n信道 一般用来表示向某一个方向传送信息 的媒体。 n单向通信（单工通信）只能有一个方向的通 信而没有反方向的交互。 n双向交替通信（半双工通信）通信的双方都 可以发送信息，但不能双方同时发送(当然也就 不能同时接收)。 n双向同时通信（全双工通信）通信的双方可 以同时发送和接收信息。 2.2.2 有关信道的几个基本概念 n基带信号（即基本频带信号） 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 的数据信号都属于基带信号。 n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。因此必须对基带信号进行调制 (modulation)。
5、2.2.2 有关信道的几个基本概念 调制分为两大类： n基带调制：仅对基带信号的波形进行变换，使它能够与 信道特性相适应。变换后的信号仍然是基带信号。把这 种过程称为编码 (coding)。 n带通调制：使用载波 (carrier)进行调制，把基带信号 的频率范围搬移到较高的频段，并转换为模拟信号，这 样就能够更好地在模拟信道中传输（即仅在一段频率范 围内能够通过信道） 。 n带通信号 ：经过载波调制后的信号。 (1) 常用编码方式 n不归零制：正电平代表 1，负电平代表 0。 n归零制：正脉冲代表 1，负脉冲代表 0。 n曼彻斯特编码：位周期中心的向上跳变代表 0， 位周期中心的向下跳变代表
6、 1。但也可反过来定 义。 n差分曼彻斯特编码：在每一位的中心处始终都有 跳变。位开始边界有跳变代表 0，而位开始边界 没有跳变代表 1。 (1) 常用编码方式 不归零制 曼彻斯特 1111100000 比特流 差分 曼彻斯特 归零制 数字信号常用的编码方式 (1) 常用编码方式 n从信号波形中可以看出，曼彻斯特 (Manchester) 编码和差分曼彻斯特编码产生的 信号频率比不归零制高。 n从自同步能力来看，不归零制不能从信号波形本 身中提取信号时钟频率（这叫作没有自同步能力 ），而曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码具有自 同步能力。 (2) 基本的带通调制方法 n基带信号往往包含有较多的低频
7、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。为了解决这一问题，就必须对基带信 号进行调制 (modulation)。 n最基本的二元制调制方法有以下几种： n调幅(AM)：载波的振幅随基带数字信号而变化。 n调频(FM)：载波的频率随基带数字信号而变化。 n调相(PM) ：载波的初始相位随基带数字信号而变 化。 (2) 基本的带通调制方法 010011100 基带信号 调幅 调频 调相 最基本的三种调制方式 正交振幅调制 QAM (Quadrature Amplitude Modulation) r (r, ) 不是码元越多越好。若每一个码元可表示的比特数越多，则在接
8、收 端进行解调时要正确识别每一种状态就越困难，出错率增加。 举例 为了达到更高的信息传输速率，必须采 用技术上更为复杂的多元制的振幅相位 混合调制方法。 例如： n可供选择的相位有 12 种，而对于每一种相 位有 1 或 2 种振幅可供选择。总共有 16 种 组合，即 16 个码元。 n由于 4 bit 编码共有 16 种不同的组合，因此 这 16 个点中的每个点可对应于一种 4 bit 的 编码。数据传输率可提高 4 倍。 2.2.3 信道的极限容量 n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。 n码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远， 或传输媒体质量越差
9、，在信道的输出端的波形的 失真就越严重。 数字信号通过实际的信道 实际的信道 （带宽受限、有噪声、干扰和失真） 发送信号波形接收信号波形 有失真，但可识别 发送信号波形 实际的信道 （带宽受限、有噪声、干扰和失真） 接收信号波形 失真大，无法识别 2.2.3 信道的极限容量 从概念上讲，限制码元在信道上的传输速率 的因素有以下两个： n信道能够通过的频率范围 n信噪比 (1) 信道能够通过的频率范围 n具体的信道所能通过的频率范围总是有限的。信 号中的许多高频分量往往不能通过信道。 n1924年，奈奎斯特 (Nyquist) 就推导出了著名 的奈氏准则。他给出了在假定的理想条件下，为 了避免码
10、间串扰，码元的传输速率的上限值。 (1) 信道能够通过的频率范围 在任何信道中，码元传输的速率是有上限的， 否则就会出现码间串扰的问题，使接收端对码 元的判决（即识别）成为不可能。 如果信道的频带越宽，也就是能够通过的信号 高频分量越多，那么就可以用更高的速率传送 码元而不出现码间串扰。 (2) 信噪比 n噪声存在于所有的电子设备和通信信道中。 n噪声是随机产生的，它的瞬时值有时会很大。因此噪声 会使接收端对码元的判决产生错误。 n但噪声的影响是相对的。如果信号相对较强，那么噪声 的影响就相对较小。 n信噪比就是信号的平均功率和噪声的平均功率之比。常 记为 S/N，并用分贝 (dB) 作为度量
11、单位。即： 信噪比(dB) = 10 log10(S/N) (dB) n例如，当 S/N = 10 时，信噪比为 10 dB，而当 S/N = 1000时，信噪比为 30 dB。 (2) 信噪比 n1984年，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（香农公式）。 n信道的极限信息传输速率 C 可表达为： C = W log2(1+S/N) (bit/s) 其中：W 为信道的带宽（以 Hz 为单位）； S 为信道内所传信号的平均功率； N 为信道内部的高斯噪声功率。 香农公式表明 n信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的
12、极限传输 速率就越高。 n只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一 定可以找到某种办法来实现无差错的传输。 n若信道带宽 W 或信噪比 S/N 没有上限（当然实际信道 不可能是这样的），则信道的极限信息传输速率 C 也 就没有上限。 n实际信道上能够达到的信息传输速率要比香农的极限传 输速率低不少。 请注意 n对于频带宽度已确定的信道，如果信噪比不能再 提高了，并且码元传输速率也达到了上限值，那 么还有办法提高信息的传输速率。 n这就是：用编码的方法让每一个码元携带更多比 特的信息量。 2.3 物理层下面的传输媒体 n2.3.1 导引型传输媒体 n2.3.2 非导引型传输媒体 2.3
13、物理层下面的传输媒体 n传输媒体也称为传输介质或传输媒介，它就是数 据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通 路。 n传输媒体可分为两大类，即导引型传输媒体和非 导引型传输媒体。 n在导引型传输媒体中，电磁波被导引沿着固体媒 体（铜线或光纤）传播。 n非导引型传输媒体就是指自由空间。在非导引型 传输媒体中，电磁波的传输常称为无线传输。 2.3 物理层下面的传输媒体 无线电微波红外线 可见光紫外线 X射线 射线 双绞线 同轴电缆 卫星 地面微波 调幅 无线电 调频 无线电 海事 无线电 光纤 电视 (Hz)f (Hz)f LFMFHFVHFUHFSHFEHFTHF 波段 104 105 106
14、107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016 100 102 104 106 108 1010 1012 1014 1016 1018 1020 1022 1024 移动 无线电 电信领域使用的电磁波的频谱： 2.3.1 导引型传输媒体 n双绞线 n最常用的传输媒体。 n模拟传输和数字传输都可以使用双绞线，其通信距 离一般为几到十几公里。 n屏蔽双绞线 STP (Shielded Twisted Pair) p带金属屏蔽层 n无屏蔽双绞线 UTP (Unshielded Twisted Pair) 2.3.1 导引型传输媒体 铜线聚氯乙 烯套层
15、绝缘层 (a) 无屏蔽双绞线 铜线 聚氯乙烯 套层 屏蔽层绝缘层 (b) 屏蔽双绞线 3 类线 5 类线 (c) 不同的绞合度的双绞线 双绞线的示意图 双绞线标准 n1991年，美国电子工业协会 EIA 和电信行业协 会联合发布了一个用于室内传送数据的无屏蔽双 绞线和屏蔽双绞线的标准 EIA/TIA-568。 n1995年将布线标准更新为 EIA/TIA-568-A。 n此标准规定了 5 个种类的 UTP 标准（从 1 类线 到 5 类线）。 n对传送数据来说，现在最常用的 UTP 是5类线 （Category 5 或 CAT5）。 双绞线标准 绞合线类别带宽线缆特点典型应用 316 MHz2
16、对4芯双绞线 模拟电话；曾用于传统以太网（ 10 Mbit/s） 420 MHz4对8芯双绞线曾用于令牌局域网 5100 MHz 与4类相比增加了绞 合度 传输速率不超过100 Mbit/s的应 用 5E（超5类 ） 125 MHz与5类相比衰减更小传输速率不超过1 Gbit/s的应用 6250 MHz 与5类相比改善了串 扰等性能 传输速率高于1 Gbit/s的应用 7600 MHz使用屏蔽双绞线传输速率高于10 Gbit/s的应用 常用的绞合线的类别、带宽和典型应用 2.3.1 导引型传输媒体 n同轴电缆 n同轴电缆具有很好的抗干扰特性，被广泛用于传输 较高速率的数据。 n同轴电缆的带宽取决于电缆的质量。 n50 同轴电缆 LAN / 数字传输常用 n75 同轴电缆 有线电视 / 模拟传输常用 内导体 外导体屏蔽层 绝缘层
