计105物理层概述与数据通信基础.ppt

1,计算机网络教程,主讲教师：吴长虹E-Mail:changhongboyTel:1372771352366000(短号),2,教学目的：1、物理层的基本认识。2、信道的几个常用参数。3、奈氏准则与香农公式的使用。,教学重点：1、奈氏准则与香农公式的使用。2、信道的几个常用参数。,教学难点：奈氏准则与香农公式的使用。,课时：2课时。,3,第3章物理层,3.1物理层的基本概念3.2数据通信的基础知识3.3物理层下面的传输媒体3.4模拟传输与数字传输3.5信道复用技术3.6同步光纤网SONET和同步数字系列SDH3.7EIA-232-E接口标准,4,3.1物理层的基本概念,注意：物理层考虑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，而不是指连接计算机的具体物理设备或具体的传输媒体。,5,3.1物理层的基本概念,用于物理层的协议也常称为物理层规程(procedure)。可以将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：（1）机械特性。（2）电气特性。（3）功能特性。（4）规程特性。,6,在物理连接上的传输方式一般都是串行传输，即一个比特一个比特地按照时间顺序传输。但是，有时也可以采用多个比特的并行传输方式。,7,1）并行通信和串行通信并行通信是指数据以成组的方式在多个并行信道上同时进行传输。,8,2)串行通信是指数据以串行方式在一条信道上传输。,9,3.2数据通信的基础知识,3.2.1数据通信系统的模型两个PC机经过普通电话机的连线，再经过公用电话网进行通信。如图3-1所示，一个数据通信系统可划分为三大部分，即源系统(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)。,10,11,源系统一般包括以下两个部分：（1）源站。（2）发送器。目的系统一般包括以下两个部分：（1）接收器。（2）目的站。,12,数据(data)是运送信息的实体，而信号(signal)则是数据的电气的或电磁的表现。无论数据或信号，都可以是模拟的或数字的。所谓“模拟的”就是连续变化的，而“数字的”就表示取值是离散的。因此，数字数据(digitaldata)就是用不连续形式表示的数据。将数字数据转换为模拟信号的过程叫作调制,反之叫解调。,13,信号（Signal）是数据的具体物理表示，具有确定的物理描述，如电压、磁场强度等。在电路或光路中，信号就具体表示数据的电编码或光编码。,14,数字信号：电脉冲序列。模拟信号：连续变化的电信号。,15,信道带宽信道就是信号传输的通路。信道带宽：信道可以不失真地传输信号的频率范围。传输模拟信号时，单位为赫（HZ），（如电话信号的标准带宽为300HZ3.4KHZ）传输数字信号时，单位为比特每秒（即信道能够达到的最大数据传输速率，位速率），以位/秒(bit/s)表示，简记bps。,16,一般说来，模拟数据和数字数据都可以转换为模拟信号或数字信号。因此我们有以下四种情况：（1）模拟数据、模拟信号。（2）模拟数据、数字信号。（3）数字数据、模拟信号。（4）数字数据、数字信号。,17,18,3.2.2有关信道的几个基本概念从通信的双方信息交互的方式来看，可以有以下三种基本方式。（1）单向通信：又称为单工通信，即只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。无线电广播或有线电广播以及电视广播就属于这种类型。,信道：指某个方向传送信息的媒体。,19,3.2.2有关信道的几个基本概念（2）双向交替通信：又称为半双工通信，即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)。这种通信方式是一方发送另一方接收，过一段时间后再反过来。,信道：指某个方向传送信息的媒体。,20,（3）双向同时通信：又称为全双工通信，即通信的双方可以同时发送和接收信息。有时也常用“单工”这个名词表示“双向交替通信”。,21,信道可以分成传送模拟信号的模拟信道和传送数字信号的数字信道两大类。但应注意，数字信号在经过数模变换后就可以在模拟信道上传送，模拟信号在经过模数变换后也可在数字信道上传送。信道上传送的信号还有基带(baseband)信号和宽带(broadband)信号之分。,22,3.2.3信道上的最高码元传输速率图3-3给出了一个数字信号通过实际的信道和质量很差的信道时的输出波形。,23,24,奈奎斯特(Nyquist)推导出在理想低通信道下的最高码元传输速率的公式：理想低通信道的最高码元传输速率=2WBaud(3-1)这里W是理想低通信道的带宽，单位为赫(Hz)；Baud是波特，是码元传输速率的单位，1波特为每秒传送1个码元。式(3-1)就是著名的奈氏准则。奈氏准则的另一种表达方法是：每赫带宽的理想低通信道的最高码元传输速率是每秒2个码元。,25,对于具有理想带通矩形特性的信道(带宽为W)，奈氏准则就变为：理想带通信道的最高码元传输速率=WBaud(3-2)即每赫带宽的带通信道的最高码元传输速率为每秒1个码元。,26,强调以下两点：（1）一个实际的信道所能传输的最高码元速率，要明显地低于奈氏准则给出的这个上限数值。需要注意的是，奈氏准则并没有对信息传输速率（b/s）给出限制。要提高信息传输速率就必须使每一个传输的码元能够代表许多个比特的信息。这就需要有很好的编码技术。（2）波特是码元传输的速率单位，它说明每秒传多少个码元。码元传输速率也称为调制速率、波形速率或符号速率。要提高信息的传输速率就要使每一码元能够携带更多的信息量。比特是信息量的单位，与码元的传输速率“波特”是两个完全不同的概念。,27,3.2.4信道的极限信息传输速率信道的极限信息传输速率C可表达为C=Wlog2(1+S/N)bit/s(3-3)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。式(3-3)就是著名的香农公式。香农公式表明，信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高。,28,香农公式表明，信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高。它给出了信息传输速率的极限，即对于一定的传输带宽（以赫兹为单位）和一定的信噪比，信息传输速率的上限就确定了。这个极限是不能够突破的。要想提高信息的传输速率，或者必须设法提高传输线路的带宽，或者必须设法提高所传信号的信噪比，此外没有其他任何办法。至少到现在为止，还没有听说有谁能够突破香农公式给出的信息传输速率的极限。,29,香农公式告诉我们，若要得到无限大的信息传输速率，只有两个办法：要么使用无限大的传输带宽（这显然不可能），要么使信号的信噪比为无限大，即采用没有噪声的传输信道或使用无限大的发送功率。,30,由于码元的传输速率受奈氏准则的制约，所以要提高信息