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1、第第 2 章 物理层章 物理层杨梅 2017.09.12杨梅 2017.09.12第第 2 章 物理层章 物理层2.1 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2.3 物理层下面的传输媒体物理层下面的传输媒体2.4 信道复用技术信道复用技术2.5 宽带接入技术宽带接入技术2.1 物理层的基本概念物理层的基本概念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，传输数据比特流，而而不是指具体的传输媒体。不是指具体的传输媒体。物理层的作用是要尽可能地物理层的作用是要尽可能地屏蔽屏蔽掉不同传输媒
2、体和通 信手段的差异，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。掉不同传输媒体和通 信手段的差异，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。用于物理层的协议也常称为用于物理层的协议也常称为物理层规程物理层规程 (procedure)。物理层的主要任务物理层的主要任务机械特性 ：机械特性 ：指明接口所用接线器的形状和尺寸、引线 数目和排列、固定和锁定装置等。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。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 范围。指明在接口电缆的各条线上出现的电压的 范围。功能特性：功能特性：指明某
3、条线上出现的某一电平的电压表示 何种意义。指明某条线上出现的某一电平的电压表示 何种意义。过程特性 ：过程特性 ：指明对于不同功能的各种可能事件的出现 顺序。指明对于不同功能的各种可能事件的出现 顺序。确定与传输媒体的接口有关的一些特性。确定与传输媒体的接口有关的一些特性。2.2 数据通信的基础知识数据通信的基础知识2.2.1 数据通信系统的模型数据通信系统的模型2.2.2 有关信道的几个基本概念有关信道的几个基本概念2.2.3 信道的极限容量信道的极限容量2.2.1 数据通信系统的模型数据通信系统的模型一个数据通信系统包括一个数据通信系统包括三大部分：三大部分：源系统（或发送端、发送方）、
4、传输系统（或传输网络）和目的系统（或接收端、接收方）。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 息传输 系统输 入 信 息输 入 数 据输 入 数 据发送 的信号发送 的信号 (数字的或 模拟的数字的或 模拟的)接收 的信号接收 的信号 (数字的或 模拟的数字的或 模拟的)输 出 数 据输 出 数 据源点 （信源）源点 （信源）终点 （信宿）终点 （信宿）发送器发送器接收器接收器调制解调器调制解调器PC 公用电话网公用电话网调制解调器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 汉字数字比特流数字比特流模拟信号模拟
5、信号输入 汉字显示 汉字数据通信系统数据通信系统源系统源系统目的系统目的系统传输系统传输系统输 出 信 息输 出 信 息PC数据通信系统的模型数据通信系统的模型常用术语常用术语数据数据 (data) 运送消息的实体。运送消息的实体。信号信号 (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。模拟信号模拟信号 (analogous signal) 代表消息的参数的 取值是连续的。代表消息的参数的 取值是连续的。数字信号数字信号 (digital signal) 代表消息的参数的取值 是离散的。代表消息的参数的取值 是离散的。码元码元 (code) 在使用时间域（或简称为时域）
6、的波 形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形。 在二进制编码中，只有两种码元。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。 在二进制编码中，只有两种码元。2.2.2 有关信道的几个基本概念有关信道的几个基本概念信道信道 一般用来表示向某一个方向传送信息的媒体。一般用来表示向某一个方向传送信息的媒体。单向通信单向通信（单工通信）（单工通信）只能有一个方向的通信而 没有反方向的交互。只能有一个方向的通信而 没有反方向的交互。例如：无线电广播例如：无线电广播双向交替通信双向交替通信（半双工通信）（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通信
7、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 收当然也就不能同时接 收)。双向同时通信双向同时通信（全双工通信）（全双工通信）通信的双方可以同 时发送和接收信息。通信的双方可以同 时发送和接收信息。基带信号基带信号（即基本频带信号）（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。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。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基带信号往往包含有较多的低频成分，甚至有直流成
8、 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调制 (modulation)。调制分为两大类：调制分为两大类：基带调制：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。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。变换后的信号仍然是基带信号。 把这种过程也称为把这种过程也称为编码编码 (coding)。带通调制：带通调制：使用使用载波载波 (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，转换为模拟信号， 这样就能够更好
9、地在模拟信道中传输。调制后的信号 仅在一段频率范围内能够通过信道，因此称为这样就能够更好地在模拟信道中传输。调制后的信号 仅在一段频率范围内能够通过信道，因此称为带通信 号带通信 号，这种调制称为，这种调制称为带通调制带通调制。1. 常用编码方式常用编码方式不归零制：不归零制：正电平代表正电平代表 1，负电平代表，负电平代表 0。归零制：归零制：正脉冲代表正脉冲代表 1，负脉冲代表，负脉冲代表 0。曼彻斯特编码：曼彻斯特编码：位周期中心的向上跳变代表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，位周期 中心的向下跳变代表 1。但也可反过来定义。但也可反过来定义。差分曼彻斯特编码：差
10、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，而位开始边界没有跳变代表 1。不归零制曼彻斯特不归零制曼彻斯特11111000001111100000比特流比特流差分 曼彻斯特归零制差分 曼彻斯特归零制数字信号常用的编码方式数字信号常用的编码方式从信号波形中可以看出，曼彻斯特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。编码 和差分曼彻斯特编码产生的信号频率比不归零制高。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
11、钟频率（这叫作没有自同步能力），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而曼 彻斯特编码和差分曼彻斯特编码具有自同步能力。自同步能力。2. 基本的带通调制方法基本的带通调制方法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。 为了解决这一问题，就必须对基带信号进行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。 为了解决这一问题，就必须对基带信号进行调制调制 (modulation)。最基本的二元制调制方法有以下
12、几种：最基本的二元制调制方法有以下几种：调幅调幅(AM)：载波的振幅随基带数字信号而变化。载波的振幅随基带数字信号而变化。调频调频(FM)：载波的频率随基带数字信号而变化。载波的频率随基带数字信号而变化。调相调相(PM) ：载波的初始相位随基带数字信号而变化。载波的初始相位随基带数字信号而变化。010011100基带信号调幅调频调相基带信号调幅调频调相最基本的三种调制方式最基本的三种调制方式2.2.3 信道的极限容量信道的极限容量任何实际的信道都不是理想的，在传输信号时会产生 各种任何实际的信道都不是理想的，在传输信号时会产生 各种失真失真以及带来多种干扰。以及带来多种干扰。码元传输的速率越高
13、，或信号传输的距离越远，或传 输媒体质量越差，在信道的输出端的波形的失真就越 严重。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，在信道的输出端的波形的失真就越 严重。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，但有失真，但可识别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，失真大，无法识别无法识别信道能够通过的频率范围信道能够通过的频率范围从概念上讲，限制码元在信道上的
14、传输速率的因素有以 下两个：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：信道能够通过的频率范围和信噪比。信道能够通过的频率范围和信噪比。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。如果信号中的高频分量在传输时受到衰 减，会出现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。如果信号中的高频分量在传输时受到衰 减，会出现码间串扰码间串扰的问题。的问题。1924年，奈奎斯特年，奈奎斯特 (Nyquist) 就推导出了著名的就推导出了著名的奈氏准则。奈氏准则。他给 出了在假定的理想条件下，为了避免他给 出了在假定的理想
15、条件下，为了避免码间串扰，码间串扰，码元的传输速率 的上限值。码元的传输速率 的上限值。在任何信道中，在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，码元传输的速率是有上限的，否则就会出现否则就会出现码间 串扰码间 串扰的问题，使接收端对码元的判决（即识别）成为不可能。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。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。信噪比信噪比噪声存在于所有的电子设备和通信信道中。噪声存在于所有的电子设备和通信
16、信道中。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。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。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。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。信噪比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，并用分贝 (dB) 作为度量单位。即：作为度量单位。即： 信噪比信噪比(dB) = 10 log10(S/N) (dB) 例如，当例如，当 S/N = 10 时，信噪比为时，信噪比为 10 dB，而当，而当 S/N = 1000时，信噪比为时，信噪比为 30 dB。香农公式香农公式1984年，香农年，香农 (Shannon) 用信息论的理论推导出了带宽 受限且有
