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1、第3章 物理层,本章主要内容,3.1 物理层的基本概念3.2 数据通信的基础知识3.3 常用的传输介质3.4 多路复用技术,3.1 物理层的基本概念,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；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。,3.1 物理层的基本概念,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、固定和锁定装置等等。电气特性 指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。功能特性 指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义。规程特性 指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序
2、。,物理层标准举例,EIA RS-232C接口标准 EIA RS-449接口标准,RS-232C接口,调制解调器,DTE-A,DTE-B,DCE-A,DCE-B,RS-232C接口,调制解调器,网 络,1）数据通信系统的模型,3.2 数据通信的基础知识,调制把数字信号转换为模拟信号的过程。,解调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,信号：数据的电子或电磁编码模拟的：连续变化的数字的：取值是离散数值,2）几个基本概念,3.2 数据通信的基础知识,3）数据编码技术,(a)数字数据的模拟信号编码,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
3、信信道。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3003400Hz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。,(a)数字数据的模拟信号编码,调制:发送端数字数据信号变换成模拟数据信号的过程解调:接收端把模拟数据信号还原成数字数据信号的过程同时具备调制与解调功能的设备，就被称为 调制解调器（modem）。,(b)数字数据的数字信号编码,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频带传输，将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
4、传输。频带传输的优点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。基带传输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。,(b)数字数据的数字信号编码,(1)曼彻斯特编码 每个比特的中间有一次电平跳变，可以把“0”定义为由低电平到高电平的跳变,“1”定义为由高电平到低电平的跳变。(2)差分曼彻斯特编码 差分曼彻斯特编码是对曼彻斯特编码的改进。“0”和“1”是根据两比特之间有没有跳变来区分的。如果
5、下一个数是“0”，则在两比特中间有一次跳变；如果下一个数据是“1”，则在两比特中间没有电平跳变。,(c)模拟数据的数字信号编码,现在的数字传输系统均采用脉码调制 PCM(Pulse Code Modulation)需要三个步骤：采样 量化 编码,PCM采样,采样定理：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，利用低通滤波器可以从这些采样中重新构造出原始信号。,(1)采样 根据采样频率，隔一定的时间间隔采集模拟信号的值，得到一系列模拟值，,(2)量化 将采样得到的模拟值按一定的量化级（本例采用16级）进行取整，得
6、到一系列离散值，,(3)编码: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编码，得到数字信号,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。,ISDN有2种信道 B和D:B信道 用于数据和语音信息 D信道 用于信号和控制(也能用于数据).B代表 承载，D代表Delta.ISDN有2种访问方式:2个B信道，每个带宽64kbps和一个带宽16k
7、bps的D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/秒，记做b/s；常用的数据传输速率单位有：Kb/s、Mb/s、Gb/s与Tb/s，其中：1Kb/s=1103 b/s 1Mb/s=1106 b/s 1Gb/s=1109 b/s 1Tb/s=11012 b/s,3.2 数据通信的基础知识,5)带宽,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。如，在传统的通信线路上传送的电话信号的标准带宽是3.1KH
8、z（从300Hz到3.4KHz，即话音的主要成分的频率范围）对于数字信号而言，带宽是指单位时间内链路能够通过的数据量。例如ISDN的B信道带宽为64Kbps。,6）信道的极限信息传输速率,信道中存在噪声：热噪声、冲击噪声热噪声：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，它是时刻存在的、不能够消除的，但幅度较小，强度与频率无关冲击噪声：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）所造成的。突发的,香农公式,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 C C=W log2(1+S/N)b/s W 为信道的带宽（以 Hz 为单位）；S
9、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。S/N：信噪比,美国数学家、信息论的创始人。密西根大学学士，麻省理工学院博士。,例题一,信道带宽为3000Hz，信噪比为30dB，则最大数据速率为多少？信噪比为30dB；30=10Log10S/N S/N=1000C=Wlog2(1+S/N)=3000Log2(1+1000)30009.9730000b/s,例题二,若要在一条50KHz的信道上传输1.544Mbps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10次方信噪比=10Log10S/N=10*10=100d
10、B,按照香农公式得到的信道容量的极限值约为 35 kb/s，V.34 的 33.6 kb/s 速率基本上已达到极限。,3.3 常用的传输介质,双绞线同轴电缆光纤电缆无线与卫星通信信道,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。,红外线,通过调制出的不相干的红外线光进行通信诸如电视摇控、红外接口,（1）双绞线,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(twist)起来屏蔽双绞线 STP非屏蔽双绞线UTP,RJ-45接头(水晶
11、头),Unshielded Twisted Pair,RJ-45插头,俗称“水晶头”，专业术语为RJ-45连接器。双绞线的两端必须都安装这种RJ-45插头，以便插在网卡（NIC）、集线器（Hub）或交换机（Switch）的RJ-45接口上，进行网络通讯。,（2）同轴电缆,同轴电缆由内导体铜质芯线(单股实心线或多股绞合线)、绝缘层、网状编织的外导体屏蔽层(也可以是单股的)以及保护塑料外层所组成,（1）75 同轴电缆，公用天线电视系统(CATV)（2）50 同轴电缆 主要用于LAN,Coaxial Cable,（3）光缆,光纤通常由非常透明的石英玻璃拉成细丝，主要由纤芯和包层构成双层通信圆柱体。,
12、3.4 多路复用技术,多路复用是指在一条物理信道上同时传输多路信息。,多路复用技术的优点：,仅需一条传输线路，可节省成本、安装与维护费用 传输线路的容量得到充分的利用,常用的多路复用方法：,频分多路复用（FDM）波分多路复用（WDM）时分多路复用（TDM）,频分多路复用（FDM）,频分多路复用就是将信道的可用频带分割成若干条较窄的子频带，每一条子频带传输一路信号。各子频带之间通常要留有一定的空闲频带，作为保护频带，以减少各路信号的相互干扰。FDM主要用于模拟信道的复用，广泛用于广播电视等领域,有线电视系统,有线电视传输系统就采用频分多路方式，在一条线路上传输几十套乃至上百套电视节目，交互式电视
13、系统还要划分出上行和点播电视频段。为使各路电视信号相互独立、互不干扰，每路信号必须独占一个频道带宽,波分多路复用（WDM）,波分多路复用，是指在一根光纤上同时传输多个波长不同的光载波。实际上WDM是FDM的一个变种，用于光纤信道。,时分多路复用（TDM）,时分多路复用是将一条物理信道的传输时间分成若干个时间片，按一定的次序轮流给各个信号源使用。TDM主要用于数字信道的复用。,.同步时分多路复用 在同步时分多路复用中，时间片是预先分配好的，而且是固定不变的，即每个时间片与一个信号源对应，而不管此时是否有信息发送。在接收端，根据时间片序号可判断出是哪一路信号。,.异步时分多路复用 异步时分多路复用
14、技术允许动态分配信道的时间片，以实现按需分配。如果某路信号源没有信息发送，则允许其他信号源占用这个时间片，这样可大大提高信道的利用率。异步时分多路复用是目前计算机网络中应用广泛的多路复用技术。,小结,信息的载体可以是数字、文字、语音、图形或图像，计算机用二进制代码的数据来表示各种信息；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比特序列的过程。信号是数据在传输过程中的电信号的表示形式；物理层在传输介质上传输比特流；在数据通信技术中，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做频带传输；而利用数字通信信道直接传输数字数据信号的方法称做基带传输；,思考题:物理层要解决哪些问题？解释名词：模拟信号、数字信号用香农公式计算一下，假定信道带宽为3100Hz，最大信息传输速率为35Kb/s，那么想使最大信息传输速率增加60%，问信噪比S/N应增大到多少倍？如果在刚才计算的基础上将信噪比S/N再增大到10倍，问最大信息速率能否再增加20%？什么是曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码？常用的传输介质（双绞线、同轴电缆、光纤）,
