第3章 物理层

1、一、一、 数据通信系统的模型数据通信系统的模型 一个数据通信系统可划分为三大部分，即一个数据通信系统可划分为三大部分，即源系统源系统(或或发送端发送端)、传输系统传输系统(或或传输网络传输网络)和和目的系统目的系统(或或接收端接收端)。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 机二、通信系统有关的基本概念二、通信系统有关的基本概念 数据、信息与信号数据、信息与信号v信息信息（InformationInformation）数据的内容或含

2、义）数据的内容或含义v数据数据(data)(data)是运送信息的实体是运送信息的实体1.1.信号信号(signal)(signal)是数据的电气的或电磁的表现是数据的电气的或电磁的表现数据传输的形式数据传输的形式信道信道: :表示向某一个方向传送信息的媒体表示向某一个方向传送信息的媒体( (注意注意: :逻辑概念逻辑概念, ,与线路的区别与线路的区别) )。模拟的和数字的数据、信号模拟的和数字的数据、信号 模拟数据模拟信号放大器调制器模拟数据数字信号 PCM编码器数字数据模拟信号调制器数字数据数字信号 数字发送器通信系统有关的基本概念通信系统有关的基本概念数字信号的传输方式数字信号的传输方式

3、 信道的传输模式信道的传输模式( (通信方式通信方式) ) 通信双方的信息交互方式，按通信双方的信息交互方式，按数据流动的方向数据流动的方向有三有三种基本方式：种基本方式：（1 1）单向通信单向通信：又称为：又称为单工通信单工通信，即只能有一个方向的通，即只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。信而没有反方向的交互。 （无线电广播）（无线电广播）（2 2）双向交替通信双向交替通信：又称为：又称为半双工通信半双工通信，即通信的双方都，即通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送可以发送信息，但不能双方同时发送( (当然也就不能同时当然也就不能同时接收接收) )。（对讲机）（对讲机）（3）双向同

4、时通信双向同时通信：又称为：又称为全双工通信全双工通信，即通信的双方可，即通信的双方可以同时发送和接收信息。以同时发送和接收信息。（电话）（电话）3.1 3.1 数据通信的基础知识数据通信的基础知识 失真不严重 失真严重 实际的信道（带宽受限、有噪声、干扰和失真）输入信号波形输出信号波形(失真不严重)输入信号波形实际的信道（带宽受限、有噪声、干扰和失真）输出信号波形(失真严重)奈奎斯特奈奎斯特(Nyquist)(Nyquist)准则准则 理想低通信道理想低通信道( (带宽为带宽为W WHz )Hz )的最高码元传输速率的最高码元传输速率 = = 。是理想低通信道的带宽，单位为是理想低通信道的带

5、宽，单位为赫赫(Hz) 即即每赫带宽每赫带宽的理想低通信道的最高码元传输速率是的理想低通信道的最高码元传输速率是每秒每秒2 2个码元个码元。2.理想带通信道理想带通信道的的最高码元传输速率最高码元传输速率 = 是理想带通信道的带宽，单位为赫是理想带通信道的带宽，单位为赫(Hz) 即即每赫带宽每赫带宽的的带通带通信道的最高码元传输速率为信道的最高码元传输速率为每秒每秒1 1个码元个码元。强调：强调：奈氏准则给出的是个理论上限数值奈氏准则给出的是个理论上限数值，一个实际，一个实际的信道所能传输的最高码元速率要明显地低这的信道所能传输的最高码元速率要明显地低这个值。个值。1.1. 波特是每秒传送的波

6、特是每秒传送的码元数码元数( (即信号传送速率即信号传送速率) )。又称为又称为调制速率调制速率、波形速率波形速率或或符号速率符号速率；而比；而比特是特是信息量信息量的单位。的单位。话音级线路话音级线路 (3000 Hz)R Rbaud baud =6000 baud无线电无线电微波微波红外线红外线可见光可见光紫外线紫外线X射线射线 射线射线双绞线双绞线同轴电缆同轴电缆卫星卫星地面微波地面微波 调幅调幅无线电无线电 调频调频无线电无线电 海事海事无线电无线电光纤光纤电视电视(Hz)f (Hz)fLFMFHFVHF UHF SHFEHFTHF波段波段104 105 106 107 108 109

7、 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016100 102 104 106 108 1010 1012 1014 1016 1018 1020 1022 1024 移动移动无线电无线电 电信领域使用的电磁波的频谱电信领域使用的电磁波的频谱r在双绞线电缆在双绞线电缆( (也称双扭线电缆也称双扭线电缆) )内内, ,不同线对具有不同的扭不同线对具有不同的扭绞长度（扭距），一般地说，扭绞长度在绞长度（扭距），一般地说，扭绞长度在14cm14cm至至38.1cm38.1cm内，内，按按方向扭绞，相邻线对的扭绞长度在方向扭绞，相邻线对的扭绞长度在12.7cm12.7cm以上。以

8、上。，扭距越小，抗干扰能力越强，扭距越小，抗干扰能力越强 (Enhanced Cat 5)(Enhanced Cat 5)：它是在对现有的：它是在对现有的UTPUTP五类双五类双绞线的部分性能加以改善后出现的系统，不少性能参数，绞线的部分性能加以改善后出现的系统，不少性能参数，如近端串扰如近端串扰(NEXT) (NEXT) 、衰减串扰比、衰减串扰比(ACR)(ACR)等都有所提高，但等都有所提高，但其传输带宽仍为其传输带宽仍为100MHz100MHz。Cat 6)Cat 6)：它是一个新级别的电缆系统，除了各项它是一个新级别的电缆系统，除了各项参数都有较大提高之外，其带宽将扩展至参数都有较大提

9、高之外，其带宽将扩展至200MHz200MHz或更高。或更高。 EIA/TIA568AEIA/TIA568A标准标准EIA/TIA568BEIA/TIA568B标准标准引脚引脚顺序顺序介质直接介质直接连接信号连接信号双绞线绕双绞线绕对对的排列顺的排列顺序序引脚引脚顺序顺序介质直接介质直接连接信号连接信号双绞线绕对双绞线绕对的排列顺序的排列顺序1 1TX+TX+（传输）（传输）白绿白绿1 1TX+TX+（传输）（传输）白橙白橙2 2TX-TX-（传输）（传输）绿绿2 2TX-TX-（传输）（传输）橙橙3 3RX+RX+（接收）（接收）白橙白橙3 3RX+RX+（接收）（接收）白绿白绿4 4没有使

10、用没有使用蓝蓝4 4没有使用没有使用蓝蓝5 5没有使用没有使用白蓝白蓝5 5没有使用没有使用白蓝白蓝6 6RX-RX-（接收）（接收）橙橙6 6RX-RX-（接收）（接收）绿绿7 7没有使用没有使用白棕白棕7 7没有使用没有使用白棕白棕8 8没有使用没有使用棕棕8 8没有使用没有使用棕棕EIA/TIA568BEIA/TIA568A细缆细缆BNC接头制作接头制作1.1.内导体内导体4.4.铝箔铝箔+ +编织网编织网2.PE2.PE胶胶5.5.护套护套3.PE3.PE发泡绝缘发泡绝缘光纤传输原理光纤传输原理 3.2.1.3 3.2.1.3 光纤光纤折射角入射角 包层（低折射率的媒体） 包层（低折射

11、率的媒体） 纤芯（高折射率的媒体） 包层纤芯光纤不仅具有通信容量非常大的优点，而且光纤不仅具有通信容量非常大的优点，而且还具有其他的一些特点：还具有其他的一些特点：（1 1）传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济。）传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济。（2 2）抗雷电和电磁干扰性能好。这在有大电流脉冲干扰的）抗雷电和电磁干扰性能好。这在有大电流脉冲干扰的 环境下尤为重要。环境下尤为重要。（3 3）无串音干扰，保密性好，也不易被窃听或截取数据。）无串音干扰，保密性好，也不易被窃听或截取数据。（4 4）体积小，重量轻。）体积小，重量轻。缺点：缺点：对接复杂对接复杂当采用光纤连网时，

12、常常将一段段点到点的当采用光纤连网时，常常将一段段点到点的链路串接起来构成一个环路，通过链路串接起来构成一个环路，通过T T形接头连接形接头连接到计算机。到计算机。T T形接头有两种：形接头有两种：无源的无源的和和有源的有源的。无源的。无源的T T形接头由于完全是无源的，因此非常可靠。形接头由于完全是无源的，因此非常可靠。3.2.1.3 3.2.1.3 光纤光纤3.2.2 3.2.2 3.2.2 3.2.2 3.2.2 3.2.2 3.2.2 3.2.2 2 2）PCMPCM转换过程举例转换过程举例3.3.1 3.3.1 数据编码与数据调制数据编码与数据调制 001)ft2cos(A) t (

13、 S当当数数字字信信号号为为当当数数字字信信号号为为 0)tf2cos(A1)tf2cos(A)t (S21当当数数字字信信号号为为当当数数字字信信号号为为 0)ft2cos(A1)ft2cos(A)t(S当当数数字字信信号号为为当当数数字字信信号号为为 3.3.2 3.3.2 模拟传输系统模拟传输系统FDM (Frequency Division Multiplexing)3.3 3.3 模拟传输与数字传输模拟传输与数字传输3.3.3 3.3.3 调制解调器调制解调器（数字数据的模拟传输数字数据的模拟传输）1 1调制解调器的作用调制解调器的作用出现差错010010 0100还原后的数据t接收

14、到的失真信号010011100t发送的基带信号t采样时刻在在CDMACDMA中，每一个比特时间再划分为中，每一个比特时间再划分为m m个短的个短的间隔，称为间隔，称为码片码片(chip)(chip)。（。（m m一般为一般为6464或或128128）每个站被指派一个惟一的每个站被指派一个惟一的 m m bit bit 码片序列码片序列。 如发送比特 1，则发送自己的 m bit 码片序列。 如发送比特 0，则发送该码片序列的二进制反码。 例如，S 站的 8 bit 码片序列是 00011011。 发送比特 1 时，就发送序列 00011011， 发送比特 0 时，就发送序列 11100100。

15、 S 站的码片序列：(1 1 1 +1 +1 1 +1 +1) 数据率增加数据率增加m m倍，又称扩频通信。倍，又称扩频通信。011miiiTSmTS码片序列的正交关系举例码片序列的正交关系举例 令向量令向量 S 为为(1 1 1 +1 +1 1 +1 +1)，向量，向量 T 为为(1 1 +1 1 +1 +1 +1 1)。 把向量把向量 S 和和 T 的各分量值代入的各分量值代入(2-4)式就可看出这两个码式就可看出这两个码片序列是正交的。片序列是正交的。 正交关系的另一个重要特性正交关系的另一个重要特性 任何一个码片向量和该码片向量自己的规格化内积任何一个码片向量和该码片向量自己的规格化内

16、积都是都是1 。 一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是是 1。 mimiimiiimSmSSm112211) 1(111SS3.3.4 3.3.4 信道复用技术信道复用技术CDMA CDMA 的工作原理的工作原理 S 站的码片序列 S110ttttttm 个码片tS 站发送的信号 SxT 站发送的信号 Tx总的发送信号 Sx + Tx规格化内积 S Sx规格化内积 S Tx数据码元比特发送端接收端3.3.4 3.3.4 信道复用技术信道复用技术几种复用技术的简单对比n 例：假设现在在开会TDM(Time Division MultipleT

17、DM(Time Division Multiple时分复用时分复用) )如在同一个房间轮流发言的方式，但一次只能一个人说，一个说完，另一个继续。FDM(Frequency Division MultipleFDM(Frequency Division Multiple频分频分复用复用) )则先将大房间隔成若干个小房间，每个小房间里的人互相交流。CDMA(Code Division Multiple AccessCDMA(Code Division Multiple Access码分多路复用码分多路复用) )则是把所有的人放在一个大房间里，他们说着不同的语言。这样他要交流只要找自己的语言的那个，

18、而不用担心别的语言的噪声。 3.3.4 3.3.4 信道复用技术信道复用技术3030路制路制的线路在的线路在欧洲欧洲叫做叫做E1E1远距离数字通信线，重要参数如下：远距离数字通信线，重要参数如下：每一个话路的数据传输率每一个话路的数据传输率800080008=64 kb/s8=64 kb/s。1616帧组成帧组成1 1复帧复帧( (用于同步用于同步) )。 每帧由每帧由3232个时间片个时间片( (信道信道) )组成。组成。 每个信道每次传送每个信道每次传送8 8位代码。位代码。 每秒钟传送每秒钟传送80008000帧，每帧帧，每帧125 125 m m s s。数据传输率：数据传输率：R R

19、8000800032328 82048 kb/s2048 kb/s。 2424路制路制的线路在的线路在北美北美叫做叫做T1T1远距离数字通信线，重要参数如下：远距离数字通信线，重要参数如下：每一个话路的数据传输率每一个话路的数据传输率800080008=64 kb/s8=64 kb/s。1212帧组成帧组成1 1复帧复帧( (用于同步用于同步) )。 每帧由每帧由2424个时间片个时间片( (信道信道) )和和1 1位同步位组成。位同步位组成。 每个信道每次传送每个信道每次传送8 8位代码，位代码，1 1帧有帧有24248 81 1193bit193bit。每秒钟传送每秒钟传送80008000

20、帧，每帧帧，每帧125 125 m m s s。 1.1. 数据传输率数据传输率R R800080001931931544 kb/s1544 kb/s。 3.3.5 3.3.5 在在2.048 Mbit/s2.048 Mbit/s的传输线路两端同步旋转的开关，表示的传输线路两端同步旋转的开关，表示3232个时隙中的比特的发送和接收必须和时隙的编号相对应，个时隙中的比特的发送和接收必须和时隙的编号相对应，不能弄乱。不能弄乱。3.3.5 3.3.5 数字传输系统数字传输系统2.048 Mb/s传输线路CH0CH16CH17CH15CH15CH16CH17CH31CH31CH0CH1CH1时分复用帧

21、T CH0 CH1 CH2 CH15 CH16 CH17 CH30 CH31 CH08 bitt时分复用帧时分复用帧T = 125 ms15 个话路15 个话路数字传输系统的高次群的话路数和数据率数字传输系统的高次群的话路数和数据率 系系 统统 类类 型型 一一 次次 群群 二二 次次 群群 三三 次次 群群 四四 次次 群群 五五 次次 群群 符号符号 E1E1 E2E2 E3E3 E4E4 E5E5 欧洲体制欧洲体制 话路数话路数 3030 120120 480480 19201920 76807680 数 据 率数 据 率(Mbit/s)(Mbit/s) 2.0482.048 8.448

22、8.448 34.36834.368 139.264139.264 565.148565.148 符号符号 T1T1 T2T2 T3T3 T4T4 北美体制北美体制 话路数话路数 2424 9696 672672 40324032 数 据 率数 据 率(Mbit/s)(Mbit/s) 1.5441.544 6.3126.312 44.73644.736 274.176274.176 如果两个计算机之间的通信线路是模拟、数如果两个计算机之间的通信线路是模拟、数字交替组成，则不能发挥数字传输的速率高的优字交替组成，则不能发挥数字传输的速率高的优越性。越性。3.3.5 3.3.5 数字传输系统数字传输系统问题的提出：如何在连接各种计算机的传输媒体问题的提出：如何在连接各种计算机的传输媒体