第3章：物理层

1、第3章物理层1本章主要内容：了解：数据通信的基本概念了解：传输介质类型及主要特性掌握：物理层与物理层协议的基本概念掌握：数据编码的类型和基本方法掌握：基带传输的基本概念掌握：频带传输的基本概念掌握：多路复用的分类与特点23.1 数据通信的基本概念3.1.1 信息、数据与信号3.1.2 数据传输类型与通信方式3.1.3 传输介质的主要类型33.1.1 信息、数据与信号1. 信息（information）l 通信的目的是交换信息， 信息的载体可以是数字、文字、语音、图形或图像，计算机产生的信息一般是字母、数字、语音、图形或图像的组合；4l 数据是信息的载体，将字母、数字、语音、图形或图像等用二进制

2、代码的数据来表示；l 数据通信的任务是传输二进制代码比特序列，传输的二进制代码0，1被称为码元。2. 数据（Data）3.1.1 信息、数据与信号3. 信号的概念(signal)l 为了传输二进制代码的数据，必须将它们用模拟或数字信号编码的方式表示，信号是数据在传输过程中电信号的表示形式-模拟信号（analog signal）的信号电平是连续变化-数字信号（digital signal）是用两种不同的电平去表示0、1比特序列的电压脉冲信号表示；l 数据通信是指在不同计算机之间传送表示字母、数字、符号的二进制代码0、1比特序列的模拟或数字信号的过程。l 按照在传输介质上传输的信号类型，通信系统分

3、模拟通信系统与数字通信系统两种。5模拟信号波型V(t)0数字信号波型V(t)0tt63.1.2 数据传输类型与通信方式7l 数据传输类型(信道所允许传输的信号)-模拟通信-数字通信l 数据通信方式-串行通信、并行通信-单工通信、半双工或全双工通信l 同步方式-同步通信-异步通信网络通信系统设计中要解决的几个基本问题：模拟数据和数字数据及其传输模拟信号模拟数据电话线编码解码器模拟信号模拟信号数字信号数字信号数字数据调制解调器编码数字信号数字信号模拟传输声波数字传输8并行方式0 01 10 00 01 10 00 01 1串行方式01001001串/并转换接收方0 01 10 00 01 10 0

4、0 01 1接收方发送方0 01 10 00 01 10 00 01 1发送方9单工、半双工与全双工通信 发送接收单向通道双向通道双向通道(a)(b)(c)发送接收发送接收接收发送接收发送10数据传输的同步方式(1)同步传输同步传输方式又称位同步方式，即在发送端对每位数据都要附加同步信息，这种方式传输效率比较高，但要附加一条传输时钟脉冲的通信线路。解决这个问题的办法是对数字信号编码，如曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码。1 0 1 1 00 1 0数据信息时钟脉冲11外同步发数据前先发同步脉冲自（内）同步从数据信号波形中提取同步信号, , 如曼码，差分曼码12(2)异步传输异步传输又称起止式，以字

5、符为单位进行传输。在异步传输中，需要在每字节开始时发送一个起始位(0)，然后在结束时发送一个或多个停止位(1) 。在收发两端都有各自的时钟源，但频率必须一致。因会有频率误差，所以对每个字符都要重新同步一次，这样字符之间的时钟频率误差不会累加。通信双方必须约定一致的时钟频率、传输字符的位数、是否要校验及校验方式、停止位的位数等。由于这种传输方式字符之间的间隔是任意的(1位或2位)，发送方准备好一个字符后就可发送，因此又称异步传输方式。校验位 起始位数据位停止位133.1.3 传输介质的主要类型传输介质的主要类型l 有线传输介质-双绞线-同轴电缆-光纤l 无线传输介质-无线电波-微波-卫星14f

6、(Hz) 10f (Hz) 10网络使用的传输介质电磁波的频谱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光纤卫星地面微波海事 调幅无线电 无线电LFMFHF41051061071081091010101110121013101410151016010210410610810101012101410161018102010221024调频 移动无线电 无线电电视波段VHF UHF SHFEHF THF15传输介质的特性1. 物理特性：说明传输媒体的特征2. 传输特性：包括使用模拟信号传送还是数字信号传送，调制技术、传输量及频率3. 连通性：点到点或多点连接4. 抗干扰性：防止噪音、

7、电磁干扰对数据传输影响的能力5. 地理范围：网上各点间的最大距离，能用在建筑物内、建筑物之间或整个城市6. 相对价格：以元件、安装和维护的价格为基础163.2 物理层与物理层协议的基本概念物理层与物理层协议的基本概念17l 通信子网分为：点-点通信线路通信子网和广播信道通信子网;l 广域网主要采用点到点通信线路，局域网与城域网一般采用广播信道;l 由于技术上存在较大的差异，因此，在物理层和数据链路层协议上出现了两个分支，一类是基于点-点通信线路，另一类是基于广播信道。物理层基本服务功能l 物理层的任务是将比特从一个节点移动到下一个节点，设计时主要考虑的是如何在连接开放系统的传输介质上传输各种数

8、据的比特流；l 计算机网络可以利用的物理传输介质与传输设备存在着很大的差异，设计物理层的主要目的是向数据链路层屏蔽通信技术的差异性；l 数据链路实体通过与物理层的接口，将数据传送给物理层，通过物理层按比特流的顺序，将信号传输到另一个数据链路实体。（数据链路层不需要考虑传输介质和设备的差异）18 数据编码类型模拟信号传输模拟数据数字信号传输数据模拟信号传输数字数据数字信号传输AM(调幅)FM(调频)PM(调相)PCM(脉冲编码调制技术)ASK(幅移键控)FSK(频移键控)PSK(相移键控)多相调制正交调制(QAM)非归零制编码曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码193.3 数据编码技术3.3.1 数字数

9、据的模拟信号20l传统的电话通信信道是为传输语音信号设计的，只适用于传输频率范围（300Hz3400Hz）的模拟信号，无法直接传输计算机的数字信号；l为了利用模拟语音通信的电话交换网实现计算机的数字数据信号传输，必须首先将数字数据转换成模拟信号；l将发送端数字数据信号变换成模拟数据信号的过程称为调制，将制设备称为调制器（modulator）；l将接收端模拟数据信号还原成数字数据信号的过程称为解调，解调设备称为解调器（demodulator）；l同时具备调制与解调功能的设备称为调制解调器（modem）。21振幅角频率相位um可以通过变化3个电参量，来实现数字数据以模拟信号传输时的编码。在调制过程

10、中，选择音频范围内的某一角频率的正（余）弦信号作为载波，该正（余）弦信号可以写为：u（t）= umsin（t+0）3个可以改变的电参量011010数据幅移频移相移22调制效果010011100基带信号幅移频移相移231. 幅移键控（amplitude shift keying , ASK）u（t）=umsin（1t+0）0数字1数字0幅移键控ASK信号实现容易，技术简单，但抗干扰能力较差。242. 频移键控（ frequency-shift keying ，FSK ）u（t）=umsin（1t+0）umsin（2t+0）数字1数字0频移键控FSK信号实现容易，技术简单，抗干扰能力较强，是目前最

11、常用的调制方法之一。253. 相移键控（phase-shift keying，PSK）绝对调相u（t）=umsin（t+0）umsin（t+）数字1数字0相移键控可以分为：绝对调相相对调相二相调相多相调相00+0+0+0+PSK(绝对)+0PSK(相对)000011数据263.3.2 数字数据的数字信号数字数据的数字信号的编码方式主要有：非归零码NRZ曼彻斯特（manchester）编码差分曼彻斯特（differential manchester）编码271. 非归零码NRZl NRZ码的缺点是无法判断一位的开始与结束，收发双方不能保持同步；l 为保证收发双方的同步，必须在发送NRZ码的同时，

12、用另一个信道同时传送同步信号；l 如果信号中“1”与“0”的个数不相等时，存在直流分量。282. 曼彻斯特（曼彻斯特（manchester）编码）编码曼彻斯特编码的规则：每比特的周期T分为前T/2与后T/2两部分；通过前T/2传送该比特的反码，通过后T/2传送该比特的原码曼彻斯特编码的优点：l每个比特的中间有一次电平跳变，两次电平跳变的时间间隔可以T/2或T，利用电平跳变可以产生收发双方的同步信号l曼彻斯特编码信号又称做“自含钟编码”信号，发送曼彻斯特编码信号时无需另发同步信号。293. 差分曼彻斯特（差分曼彻斯特（differential manchester）编码）编码差分曼彻斯特编码与曼

13、彻斯特编码不同点主要是：l 每比特的中间跳变仅做同步之用；l 每比特的值根据其开始边界是否发生跳变来决定;一个比特开始处出现电平跳变表示传输二进制0,不发生跳变表示传输二进制1。30数字数据的数字信号编码的波形b00b11b71b20b30b41b50b61数据非归零码同步时钟曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码313.3.3 模拟数据的数字信号编码PCM脉冲编码调制（pulse code modulation）方法采样量化编码PCM技术的典型应用就是语音数字化。样本量化级二进制编码编码信号0001010001111101111111010110001136713151314D1D2D3D4D5D6D

14、7D8(b)D8 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D101.00.5A1.5t0.270.31.281.30.620.61.521.51.261.30.730.70.410.40.120.1(a)32tvtv量化等级PCM用于数字语音系统：声音分为128个量化级；每个量化级采用7位二进制编码表示；采样速率为8000样本/秒；数据传输速率应达到7位8000/秒 =56kb/s；如果每个量化级采用7+1=8位二进制编码表示;数据传输速率应达到8位8000/秒 = 64kb/s。333.4 基带传输技术3.4.1 基带传输的定义34l 在数据通信中表示计算机二进制的比特序列的数字数据信号是典型的

15、矩形脉冲信号，矩形脉冲信号就叫做基带信号;l 矩形脉冲信号的固有频带称做基本频带,简称为基带；l 在数字信道上直接传送基带信号的方法称为基带传输;l 在发送端,基带传输的数据经过编码器变换变为直接传输的基带信号，如曼彻斯特编码或差分曼彻斯特编码信号;l 在接收端,由解码器恢复成与发送端相同的矩形脉冲信号。观察和分析电信号的基本方法时域(t)和频域(f)b) s(t)的一次傅立叶近似d) s(t)的五次傅立叶近似f) s(t)的二十一次傅立叶近似1-11-11-11-11-11-1a) s(t)的曲线c) s(t)的三次傅立叶近似e) s(t)的十一次傅立叶近似35数字信号通过实际的信道有失真，

16、但可识别失真大，无法识别 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3.4.2 信道的极限容量37l码元：在使用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称为码元。1码元可以携带nbit的信息量 。码元传输速率，又称为码元速率或传码率，定义为每秒钟传送码元的数目，单位为“波特”。常用符号Baud表示，简写为B。l限制码元在信道上的传输速率的因素：1. 信道能够通过的频率范围。奈奎斯特准则：理想信道的最高码元传输速率Rmax与理想通信信道带宽B的关系为Rmax=2B（b/s）2. 信噪比 信噪比(

17、dB) = 10 log10(S/N) (dB)香农定理：在有随机热噪声的信道上传输数据时，数据传输速率C与信道带宽B，信噪比S/N的关系为C = Blog2（1+S/N) (b/s)3.5 频带传输技术38频带传输是指利用模拟通道通过modem传输模拟信号的方法3.6 多路复用技术多路复用的基本概念393.6.1 多路复用技术的分类多路复用技术的分类频分多路复用FDM波分多路复用WDM时分多路复用TDM码分多路复用CDM403.6.2 频分多路复用频分多路复用1Channel 330031001Channel 21Channel 16064687260646872Channel 1Chann

18、el 3Channel 2频率(KHz)(c)频率(KHz)(b)频率(Hz)(a)41l在一条通信线路设计多路通信信道;l每路信道的信号以不同的载波频率进行调制;l各个载波频率是不重叠的,那么一条通信线路就可以同时独立地传输多路信号。共享光纤光栅光栅功率波长3.6.3 波分多路复用波分多路复用共享光纤 的波谱功率波长光纤1的波谱功率波长光纤2的波谱光纤1光纤2光纤3光纤4功率波长光纤3的波谱功率波长光纤4的波谱波分复用就是光的频分复用42l光纤通道（fiber optic channel）技术采用了波长分隔多路复用方法，简称为波分复用WDM;l在一根光纤上复用80路或更多路的光载波信号称为密

19、集波分复用DWDM；l目前一根单模光纤的数据传输速率最高可以达到20Gb/s 。3.6.4 时分多路复用时分多路复用时间A B C D A B C D A B C D A B C DTDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧43l 时分多路复用是将信道用于传输的时间划分为若干个时间片；l 每个用户分得一个时间片；l 在其占有的时间片内，用户使用通信信道的全部带宽。频率时分多路复用的分类（b）统计时分多路复用443.6.5 码分复用码分复用 CDM(Code Division Multiplexing) l 每个站被指派一个唯一的 m bit 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。 l 例如，S 站的