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1、第第3章章 物理层物理层本章主要内容本章主要内容l3.1 物理层的基本概念物理层的基本概念l3.2 数据通信的基础知识数据通信的基础知识l3.3 常用的传输介质常用的传输介质l3.4 多路复用技术多路复用技术3.1 物理层的基本概念物理层的基本概念l物理层设计时主要考虑的是如何在连接开放系物理层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据的比特流；统的传输介质上传输各种数据的比特流；l数据链路实体通过与物理层的接口，将数据传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。信号传
2、输到另一个数据链路实体。 3.1 物理层的基本概念物理层的基本概念l机械特性机械特性 指明接口所用接线器的形状和尺寸、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。引线数目和排列、固定和锁定装置等等。l电气特性电气特性 指明在接口电缆的各条线上出现的电指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。压的范围。l功能特性功能特性 指明某条线上出现的某一电平的电压指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义。表示何种意义。l规程特性规程特性 指明对于不同功能的各种可能事件的指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。出现顺序。 物理层标准举例物理层标准举例lEIA RS-232C接口
3、标准 lEIA RS-449接口标准 RS-232C接口调制解调器DTE-ADTE-BDCE-ADCE-BRS-232C接口调制解调器网 络1） 数据通信系统的模型数据通信系统的模型 源系统目的系统传输系统PC 机调制解调器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PC 机3.2 数据通信的基础知识数据通信的基础知识调制调制把数字信号转换为模拟信号的过程。把数字信号转换为模拟信号的过程。解调解调把模拟信号转换为数字信号的过程。把模拟信号转换为数字信号的过程。 3.2 物数据通信的基础知识物数据通信的基础知识： 数据的电子或电磁编码数据的电子或电磁编码2）几个基本概念）几
4、个基本概念3.2 数据通信的基础知识数据通信的基础知识3）数据编码技术）数据编码技术模拟数据模拟信号放大器调制器模拟数据数字信号 PCM编码解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(a) 数字数据的模拟信号编码数字数据的模拟信号编码l电话通信信道是典型的模拟通信信道，它是目电话通信信道是典型的模拟通信信道，它是目前世界上覆盖面最广、应用最普遍的一类通信前世界上覆盖面最广、应用最普遍的一类通信信道。传统的电话通信信道是为传输语音信号信道。传统的电话通信信道是为传输语音信号设计的，只适用于传输音频范围为设计的，只适用于传输音频范围为3003400Hz的模拟信号，无法直接传输计算机的
5、的模拟信号，无法直接传输计算机的数字信号。为了利用模拟语音通信的电话交换数字信号。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的传输，必须首网实现计算机的数字数据信号的传输，必须首先将数字信号转换成模拟信号。先将数字信号转换成模拟信号。(a) 数字数据的模拟信号编码数字数据的模拟信号编码发送端数字数据信号变换成模拟数据信号的过程接收端把模拟数据信号还原成数字数据信号的过程(b) 数字数据的数字信号编码数字数据的数字信号编码l在数据通信技术中，我们将利用模拟通信信道通过调在数据通信技术中，我们将利用模拟通信信道通过调制解调器传输模拟数据信号的方法称为制解调器传输模拟数据信号的方法称为
6、频带传输频带传输，将，将利用数字通信信道直接传输数字数据信号的方法称为利用数字通信信道直接传输数字数据信号的方法称为基带传输基带传输。l频带传输的优点频带传输的优点是可以利用目前覆盖面最广、普遍应是可以利用目前覆盖面最广、普遍应用的模拟语音通信信道。用于语音通信的电话交换网用的模拟语音通信信道。用于语音通信的电话交换网技术成熟并且造价较低，但其缺点是数据传输速率与技术成熟并且造价较低，但其缺点是数据传输速率与系统效率较低。系统效率较低。基带传输基带传输在基本不改变数字数据信号在基本不改变数字数据信号频带（即波形）的情况下直接传输数字信号，可以达频带（即波形）的情况下直接传输数字信号，可以达到很
7、高的数据传输速率和系统效率。因此，基带传输到很高的数据传输速率和系统效率。因此，基带传输是目前迅速发展与广泛应用的数据通信方式。是目前迅速发展与广泛应用的数据通信方式。(b) 数字数据的数字信号编码数字数据的数字信号编码l(1) 曼彻斯特编码曼彻斯特编码l 每个比特的中间有一次电平跳变，每个比特的中间有一次电平跳变， 可以把可以把“0”定定义为由低电平到高电平的跳变义为由低电平到高电平的跳变,“1”定义为由高电平到定义为由高电平到低电平的跳变。低电平的跳变。l(2) 差分曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码l 差分曼彻斯特编码是对曼彻斯特编码的改进。差分曼彻斯特编码是对曼彻斯特编码的改进。“0”和和“
8、1”是根据两比特之间有没有跳变来区分的。如果是根据两比特之间有没有跳变来区分的。如果下一个数是下一个数是“0”，则在两比特中间有一次跳变；如果，则在两比特中间有一次跳变；如果下一个数据是下一个数据是“1”，则在两比特中间没有电平跳变。，则在两比特中间没有电平跳变。数字数据数字数据(c) 模拟数据的数字信号编码模拟数据的数字信号编码l现在的数字传输系统均采用脉码调制 PCM (Pulse Code Modulation)l需要三个步骤：l采样 量化 编码PCM采样采样l采样定理：采样定理： 若对连续变化的模拟信号进行周期性采样，只要若对连续变化的模拟信号进行周期性采样，只要采样频率大于等于有效信
9、号最高频率或其带宽的采样频率大于等于有效信号最高频率或其带宽的两倍，则采样值便可包含原始信号的全部信息，两倍，则采样值便可包含原始信号的全部信息，利用低通滤波器可以从这些采样中重新构造出原利用低通滤波器可以从这些采样中重新构造出原始信号。始信号。(1) 采样采样 根据采样频率，隔一定的时间间根据采样频率，隔一定的时间间隔采集模拟信号的值，得到一系列模拟隔采集模拟信号的值，得到一系列模拟值，值， (2) 量化量化 将采样得到的模拟值按一定的量将采样得到的模拟值按一定的量化级（本例采用化级（本例采用16级）进行级）进行取整取整，得，得到一系列离散值，到一系列离散值， (3) 编码编码 :将量化后的
10、离散值数字化，得到将量化后的离散值数字化，得到一系列二进制值；然后将二进制值进行一系列二进制值；然后将二进制值进行编码，得到数字信号编码，得到数字信号, 采样周期 Tt信号t采样1001001111000010t编码t解码t还原n综合业务数字网综合业务数字网（Integrated Services Digital Network，ISDN）是一个数字电话网络国际标准，是一种典型的电路交换网络系统。它通过普通的铜缆以更高的速率和质量传输语音和数据。ISDN是欧洲普及的电话网络形式。GSM移动电话标准也可以基于ISDN传输数据。nISDN有有2种信道种信道 B和和D:nB信道信道 用于数据和语音信
11、息用于数据和语音信息 nD信道信道 用于信号和控制用于信号和控制 (也能用于数据也能用于数据). nB代表代表 承载承载， D代表代表Delta.nISDN有有2种访问方式种访问方式:n2个个B信道，每个带宽信道，每个带宽64kbps和一个带宽和一个带宽16kbps的的D信道组成。三个信道设计成信道组成。三个信道设计成2B+D。 4)数据传输速率的定义数据传输速率的定义l数据传输速率数据传输速率在数值上，等于每秒钟传输构成在数值上，等于每秒钟传输构成数据代码的二进制比特数，单位为比特数据代码的二进制比特数，单位为比特/秒，秒，记做记做b/s；l常用的数据传输速率单位有：常用的数据传输速率单位有
12、：Kb/s、Mb/s、Gb/s与与Tb/s，其中：，其中： 1Kb/s = 1103 b/s 1Mb/s = 1106 b/s 1Gb/s = 1109 b/s 1Tb/s = 11012 b/s3.2 数据通信的基础知识数据通信的基础知识5)带宽带宽l指某个信号具有的频带宽度。单位：指某个信号具有的频带宽度。单位：Hz一个特定的信号往往是由许多不同的频率成份组成一个特定的信号往往是由许多不同的频率成份组成的。因此一个信号的带宽是指该信号的各种不同频的。因此一个信号的带宽是指该信号的各种不同频率成份所占据的频率范围。率成份所占据的频率范围。如，在传统的通信线路上传送的电话信号的标准带如，在传统
13、的通信线路上传送的电话信号的标准带宽是宽是3.1KHz（从（从300Hz到到3.4KHz，即话音的主要，即话音的主要成分的频率范围）对于数字信号而言，带宽是指单成分的频率范围）对于数字信号而言，带宽是指单位时间内链路能够通过的数据量。例如位时间内链路能够通过的数据量。例如ISDN的的B信信道带宽为道带宽为64Kbps。6）信道的极限信息传输速率）信道的极限信息传输速率l信道中存在信道中存在噪声噪声：热噪声、冲击噪声：热噪声、冲击噪声l热噪声热噪声：是由导体中电子的热震动引起的，它：是由导体中电子的热震动引起的，它存在于所有电子器件和传输介质中，它是时刻存在于所有电子器件和传输介质中，它是时刻存
14、在的、不能够消除的，但幅度较小，强度与存在的、不能够消除的，但幅度较小，强度与频率无关频率无关l冲击噪声冲击噪声：来自通信系统外部，是由外界特定：来自通信系统外部，是由外界特定的短暂原因（雷电、电火花马达启动等）所造的短暂原因（雷电、电火花马达启动等）所造成的。突发的成的。突发的香农公式香农公式n有限带宽高斯噪声干扰信道（非理想信有限带宽高斯噪声干扰信道（非理想信道），信道的极限信息传输速率道），信道的极限信息传输速率 C C = W log2(1+S/N) b/s nW 为信道的带宽（以为信道的带宽（以 Hz 为单位）；为单位）；nS 为信道内所传信号的平均功率；为信道内所传信号的平均功率；
15、nN 为信道内部的高斯噪声功率。为信道内部的高斯噪声功率。S/N：信噪比：信噪比 美国数学家、信美国数学家、信息论的创始人。息论的创始人。密西根大学学士，密西根大学学士，麻省理工学院博麻省理工学院博士士。例题一例题一l信道带宽为信道带宽为3000Hz，信噪比为，信噪比为30dB，则最大，则最大数据速率为多少？数据速率为多少？信噪比为信噪比为30dB；30=10Log10S/N S/N=1000C=Wlog2(1+S/N)=3000Log2(1+1000) 30009.9730000b/s例题二例题二l若要在一条若要在一条50KHz的信道上传输的信道上传输1.544Mbps的下载波，信噪比至少要
16、多大？的下载波，信噪比至少要多大？ 1544000=50000log2(1+S/N)30=log2(1+S/N) S/N10的的10次方次方信噪比信噪比=10Log10S/N=10*10=100dB 按照香农公式得到的信道容量的极限值按照香农公式得到的信道容量的极限值约为约为 35 kb/s，V.34 的的 33.6 kb/s 速率基本速率基本上已达到极限。上已达到极限。 3.3 常用的传输介质常用的传输介质l双绞线双绞线l同轴电缆同轴电缆l光纤电缆光纤电缆l无线与卫星通信信道无线与卫星通信信道卫星通信卫星通信 从地面站1发出的无线电信号，被卫星通信天线接收后，首先在通信转发器中进行放大、变频和功率放大，然后由卫星的通信天线把放大后的信号重新发向地面站2，从而实现两个地面站或多个地面站的远距离通信。 通信卫星地面站1地面站2地 球红外线红外线l通过调制出的不相干的红外线光进行通信l诸如电视摇控、红外接口（1）双绞线）双绞线l把两根互相绝缘的铜导线并排放在一起，把两根互相绝缘的铜导线并排放在一起，然后用规则的方法绞合然后用规则的方法绞合(twist)(twist)起来起来l屏蔽双绞线屏蔽
