物理层的数字通信基本知识点

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1、1 第二章 物理层基础 2.1、物理层考虑的问题： 怎样才能在连接各种计算机的传输媒体上传 输数据的比特流，而不仅仅是介质； 物理层的作用是要尽力屏蔽各种硬件设备和 各种传输介质的差异，使物理层上面的数据 链路层只需要考虑如何完成本层的协议和服 务，而不必考虑其它； 2 第二章 物理层基础 2.1、物理层的主要任务描述为确定与传输媒体的 接口的一些特性，即： 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、固定和锁定装置等等。 电气特性 指明在接口电缆的各条线上出现的电压 的范围。 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。 规程特性 指明对于不同功能的各种可能事件

2、的出 现顺序。 3 2.2 数据通信的基础知识 数据通信系统的模型 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 4 计算机网络 2.3 关于数据通信 数据通信的概念 数据通信：是计算机之间传输二进制代码比特序列的过程，该过程将计算 机系统中各种字母、数字符号的组合、语音、图形、图像等数据（二进制 代码）从信源传输到信宿。 信源、信宿和信道：发送最初信号的站点（也称为节点）

3、叫信源，最终接 收信号的站点叫信宿，信号所经过的通路称为信道。 模拟数据：连续的量。一组特定的数据点，且它们之间能取所有可能的数 据。 数字数据：离散的量。一组特定的数据点，但它们之间没有其他的数据。 信号：在通信领域中，把通信线路中出现的代表数据的电压、电流或者其 他物理量的变化叫做信号，实际上它是数据的电子或电磁编码形式。 模拟信号：随时间变化而平稳变化的连续波形式。 数字信号：是离散的，只可以包含有限数目的几个预定值。其随时间迁移 是瞬时发生的，就像开关电灯一样。 周期性信号：信号能在一段可测量的时间（称作周期）内完成一种模式， 并在随后同样长短的周期内不断重复这种模式。 非周期性信号：

4、信号没有重复的模式。 5 计算机网络 2.3关于数据通信 重要结论：已经证明，可以利用傅立叶变换的技术，将非周期 性信号分解成无数个周期性信号的叠加。因此，了解周期性信 号对深刻理解非周期性信号的特点是十分重要的。 模拟信号：模拟信号可分为简单模拟信号和复合模拟信号。简 单模拟信号（正弦波）不能被分解为更简单的模拟信号，而复 合的模拟信号却可以分解为多个简单模拟信号（正弦波）。 正弦波的三大要素：振幅（信号的高度）、周期（信号完成一 次循环所需要的时间）、频率（相对时间的变化率）。 周期单位：单位 英文表示 等价值 秒 s 1s 毫秒 ms 10-3s 微秒 us 10-6s 纳秒 na 10

5、-9s 皮秒 ps 10-12s 6 计算机网络 2.3、关于数据通信 频率的单位：频率用赫兹（ Hz ）来表示。通信领域用五种单 位来计量频率值： 单位 等值 赫兹 （Hz） 1 Hz 千赫 （KHz） 1000 Hz 兆赫 （MHz） 1000,000 Hz 千兆赫 （GHz） 1000,000,000 Hz 兆兆赫 （THz） 1000,000,000,000 Hz 时域和频域：我们经常见到的反映振幅、时间、频率的图是时 域图（振幅-时间图）。为了表现振幅、频率、相位之间的关 系，可使用频域图（最大振幅-频率图、最大振幅-相位图） 7 计算机网络 2.3、关于数据通信 复合信号：许多有用

6、的信号并不是仅仅在最大振幅和最小振幅 之间变化的简单平滑曲线，它们可以发生跳变、滑动、摆动以 及出现尖峰和低谷。但是，只要这些不规律性在各个波形循环 中是一致的，这个信号就仍然是周期性的，并且从逻辑上讲应 该使用和描述正弦波一样的术语来描述它。实际上，不管多么 复杂的周期信号，都可以分解为一系列振幅、周期、相位可度 量的正弦波的组合形式（可以进行傅立叶分析）。 频谱和带宽：信号的频谱是他所包含的所有频率分量的集合。 信号的带宽是频谱的宽度，即指频率分量的范围（一个信号频 谱是组成该信号的所有正弦波信号的组合）。 8 计算机网络 2.3、关于数据通信 数字信号：除了可以用模拟信号表示数据外，还可

7、以用数字信 号来表示数据。例如：1可以被编码为一个正电压值，而0则可 以编码为一个0电压值。 比特间隔和比特率：大多数数字信号是非周期性的，因而周期 和频率并不适用。比特间隔是指发送一比特所需要的时间。比 特率是指一秒钟内的比特间隔数。 1s=8 比特间隔 比特率=8 bps 10110 001 9 计算机网络 2.3、关于数据通信 2.3.1 编码与调制 当我们将数据由一地传送到另一地时，必须将其转换成信号。信 号的转换方式依赖于它原始的格式和通信硬件采用的格式。 如果你想用烟火信号来发送一个消息，就必须在点火之前知道哪 一种烟火模式对应你消息中的哪个词。词是信息，而烟火则是信息的 表示。

8、例：一个简单信号本身并不携带更多的信息。信号必须经过处理，以 便包含一些可识别的变化来表示预期的信息，而这些变化是发、收双 方共知的。现在一般的做法：首先利用ASCII码将信息转变成0、1模式 ，然后，为了从一个地方传到另一个地方，数据通常要转换成数字信 号；或者为了其他原因要把模拟信号转成数字信号；或者将数字信号 转换成模拟信号；或者将模拟信号转换成模拟信号（为了长距离传送 ）。 10 计算机网络 2.3、关于数据通信 2.3.1 编码与调制 转换方法 数字/数字模拟/数字数字/模拟模拟/模拟 11 计算机网络 2.3、 关于数据通信 2.3.1 编码与调制 数字-数字编码 数字/数字编码

9、单极性编码极化编码双极性编码 数字-数字编码类型 12 计算机网络 2.3、关于数据通信 2.3.1 编码与调制 单极性编码：单极性编码只使用一个电压值代表二进制的0或 者1（一般代表的是1）。 01110001 单极性编码 13 计算机网络 2.3、关于数据通信 2.3.1 编码与调制 极化编码：极化编码使用两个电压值代表二进制的0和1（一般 为一正一负电压）。 常用的有非归零法（NRZ）、归零法（ RZ）以及双相位法 极化编码 归零编码RZ 非归零编码NRZ双相位编码 非归零电平编码 NRZ-L 非归零反向编码 NRZ-I 曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码 极化编码类型 14 计算机网络 2.

10、3、关于数据通信 2.3.1 编码与调制 非归零电平编码（NRZ-L）：信号的电压值或正或负，依赖于比特的 状态。 非归零反向编码（NRZ-I）： 如果遇到比特1，信号电平就反转。 01110001 跳变，由于下一个比特为1 15 计算机网络 2.3、关于数据通信 2.3.1 编码与调制 归零编码（RZ）：信号的变化不是发生在比特之间，而是发生在比特 内。比特1是由正电压到零的跳变，比特0是由负电压到零的跳变。 01110001 这些跳变可用于同步 “1”由正电平到 0电平的跳变 “0”由负电平到0 电压的跳变 16 计算机网络 曼彻斯特编码/差分曼彻斯特编码 010 01110 0是1是 在

11、比特时间的开始时刻发生 电平跳变的代表比特0,中间的 电平跳变只用来表示同步 双相位编码 17 计算机网络 2.3、关于数据通信 2.3.1 编码与调制 双极性编码：用3个电平值表示，正、零、负。有三种双极性编码在通 信行业被广泛使用：传号交替反转（AMI）、双极性8连0替换（B8ZS ）、3阶高密度双极性（HDB3）。 双极性编码 传号交替编码双极性8连0替换编码3阶高密度双极性编码 双极性编码类型 18 计算机网络 2.3、关于数据通信 双极性传号交替反转编码（AMI）：传号一词是从电报中借用 的，用来代表1。因此，AMI意味着交替的比特反转。一个中性 的零电平代表二进制0，二进制1由交替

12、的正负电平代表。 01110001 AMI编码 正负电平交替变换代表比特1 19 计算机网络 2.3、关于数据通信 双极性8连0替换（B8ZS）：双极性8连0替换编码是用于北美的 一种约定，在AMI的基础之上，提供对长串连0比特的同步机制 。如果出现连续8个比特0，我们可以根据前导1的极性，采用两 种方式改变比特模式（扰动）。 B8ZS 编码 0+0000000 0+00+0+ 000+0+ 00000000 前导比特 的极性 前导比特 的极性 将变换为将变换为 扰动扰动扰动扰动 20 计算机网络 2.3、关于数据通信 3阶高密度双极性（HDB3）：该编码是在AMI的基础之上而产 生的。如果遇

13、到连续4个0比特，就根据前导1的极性和自上一 次替换后传输的1比特数，以4种方式改变对应的比特模式。在 日本和欧洲使用。 HDB3 编码 0+000 000 0000 将变换为 将变换为 000+ 0+000 0+00+0 0000 A) 如果自最近一次替换后比特流中的 1 数目为奇 将变换为 将变换为 B) 如果自最近一次替换后比特流中的 1 数目为偶 21 计算机网络 课堂练习 1、请分别用曼彻斯特编码/差分曼彻斯特编码将二进制 位流1000 0100 的波形画出. 2、请用B8ZS编码将二进制位流1000 0000 0010 1001 的 波形画出 22 计算机网络 2.3、关于数据通信

14、 2.3.1 编码与调制 模拟-数字转换 在长距离语音信号中，由于数字信号易于减少噪音，因而需要将 模拟信号数字化。这要求减少模拟报文中潜在的无数多个数值，使模 拟量可以在最小的失真下用数字流来表示。 问题：如何在不损失信号的意义或质量的前提下（不失真），将无穷 的连续值转化为有限个离散值 模拟-数字 转换器 （编码解码器） 模拟-数字转换 23 计算机网络 2.3、关于数据通信 2.3.1 编码与调制 模拟-数字转换 脉冲振幅调制（PAM）这种技术通过接收模拟信号，对它进行 采样，然后根据采样结果产生一系列脉冲。采样是指每隔相等 的时间间隔就测量一次信号振幅。 振幅 时间 振幅 时间 模拟信号 脉冲振幅调制信号 24 计算机网络 2.3、关于数据通信 2.3.1 编码与调制 模拟-数字转换 脉码调制（PCM） 将PAM所产生的采样结果修改成完全数字 化的信号。它是一种采样-保持技术。其过程如下：脉冲振 幅调制（PAM）、量化、二进制编码、数字/数字编码。 000 +25 -25 -50 +50 +75 -75 -100 +100 +24 +38 +48