21物理層(數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ))

1、課 題：物理層目的要求：掌握物理層的基本概念、數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)知識(shí)教學(xué)重點(diǎn)：數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)知識(shí)教學(xué)難點(diǎn)：信道的極限數(shù)據(jù)傳輸速率教學(xué)課時(shí)：2教學(xué)方法：講授、練習(xí)本次課涉及的學(xué)術(shù)前沿：教學(xué)內(nèi)容與步驟：2.1 物理層的基本概念 物理層的主要任務(wù)描述為確定與傳輸媒體的接口的一些特性，即： n機(jī)械特性 指明接口所用接線器的形狀和尺寸、引線數(shù)目和排列、固定和鎖定裝置等等。n電氣特性 指明在接口電纜的各條線上出現(xiàn)的電壓的范圍。n功能特性 指明某條線上出現(xiàn)的某一電平的電壓表示何種意義。n過程特性 指明對(duì)于不同功能的各種可能事件的出現(xiàn)順序。 2.2 數(shù)據(jù)通信的基礎(chǔ)知識(shí)2.2.1 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的模型 傳輸系統(tǒng)輸入信息輸

2、入數(shù)據(jù)發(fā)送的信號(hào)接收的信號(hào)輸出數(shù)據(jù)源點(diǎn)終點(diǎn)發(fā)送器接收器調(diào)制解調(diào)器pc 機(jī)公用電話網(wǎng)調(diào)制解調(diào)器數(shù)字比特流數(shù)字比特流模擬信號(hào)模擬信號(hào) 正文正文數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)源系統(tǒng)目的系統(tǒng)傳輸系統(tǒng)輸出信息pc 機(jī)幾個(gè)術(shù)語n數(shù)據(jù)(data)運(yùn)送信息的實(shí)體。n信號(hào)(signal)數(shù)據(jù)的電氣的或電磁的表現(xiàn)。 n“模擬的”(analogous)連續(xù)變化的。n“數(shù)字的”(digital)取值是離散數(shù)值。n調(diào)制把數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)的過程。n解調(diào)把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的過程。n碼元(code)在使用時(shí)間域（或簡(jiǎn)稱為時(shí)域）的波形表示數(shù)字信號(hào)時(shí)，代表不同離散數(shù)值的基本波形。 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)組成數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)組成 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)是通過數(shù)

3、據(jù)電路將分布在異地的數(shù)據(jù)終端設(shè)備與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)連接起來，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸、交換、存儲(chǔ)和處理的系統(tǒng)。比較典型的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)終端設(shè)備、數(shù)據(jù)電路、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)三部分組成，如下圖所示。接口 接口 數(shù)據(jù)電路終接設(shè)備 數(shù)據(jù)電路終接設(shè)備 傳輸信道 數(shù)據(jù)終端設(shè)備dte 數(shù)據(jù)輸入輸出設(shè)備 通信控制器 通信控制器 中央處理機(jī) 計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 數(shù)據(jù)終端設(shè)備 在數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中，用于發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的設(shè)備稱為數(shù)據(jù)終端設(shè)備(簡(jiǎn)稱dte)。 dte可能是大、中、小型計(jì)算機(jī)、pc機(jī)，也可能是一臺(tái)只接收數(shù)據(jù)的打印機(jī)。從計(jì)算機(jī)和計(jì)算機(jī)通信系統(tǒng)的觀點(diǎn)來看，終端是輸入輸出的工具；從數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)的觀點(diǎn)來看，計(jì)算機(jī)和終端都稱為網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)終端

4、設(shè)備，簡(jiǎn)稱終端。 數(shù)據(jù)電路終接設(shè)備 用來連接dte與數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備稱為數(shù)據(jù)電路終接設(shè)備(dce)，可見該設(shè)備為用戶設(shè)備提供入網(wǎng)的連接點(diǎn)。 dce的功能就是完成數(shù)據(jù)信號(hào)的變換。因?yàn)閭鬏斝诺揽赡苁悄M的，也可能是數(shù)字的，dte發(fā)出的數(shù)據(jù)信號(hào)不適合信道傳輸，所以要把數(shù)據(jù)信號(hào)變成適合信道傳輸?shù)男盘?hào)。利用模擬信道傳輸，要進(jìn)行“數(shù)字模擬”變換，方法就是調(diào)制，而接收端要進(jìn)行反變換，即“模擬數(shù)字”變換，這就是解調(diào)，實(shí)現(xiàn)調(diào)制與解調(diào)的設(shè)備稱為調(diào)制解調(diào)器。因此調(diào)制解調(diào)器就是模擬信道的數(shù)據(jù)電路終接設(shè)備。數(shù)據(jù)電路和數(shù)據(jù)鏈路 數(shù)據(jù)電路指的是在線路或信道上加信號(hào)變換設(shè)備之后形成的二進(jìn)制比特流通路，它由傳輸信道及其兩端的

5、數(shù)據(jù)電路終接設(shè)備(dce)組成。 數(shù)據(jù)鏈路是在數(shù)據(jù)電路已建立的基礎(chǔ)上，通過發(fā)送方和接收方之間交換“握手”信號(hào)，使雙方確認(rèn)后方可開始傳輸數(shù)據(jù)的兩個(gè)或兩個(gè)以上的終端裝置及互連線路共同組成的組合體。 模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)n模擬通信系統(tǒng)：采用模擬信號(hào)傳輸?shù)耐M通信系統(tǒng)：采用模擬信號(hào)傳輸?shù)耐ㄐ畔到y(tǒng)。信系統(tǒng)。n數(shù)字通信系統(tǒng)：采用數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)耐〝?shù)字通信系統(tǒng)：采用數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)耐ㄐ畔到y(tǒng)。信系統(tǒng)。數(shù)字信號(hào)通過實(shí)際的信道 n有失真，但可識(shí)別n失真大，無法識(shí)別 實(shí)際的信道（帶寬受限、有噪聲、干擾和失真）發(fā)送信號(hào)波形接收信號(hào)波形發(fā)送信號(hào)波形實(shí)際的信道（帶寬受限、有噪聲、干擾和失真）

6、接收信號(hào)波形信號(hào)傳輸過程中的衰減n模擬傳輸系統(tǒng)：放大器（會(huì)放大噪音分量）n數(shù)字傳輸系統(tǒng)：中繼器（再生信號(hào)）模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)的對(duì)比n數(shù)字信號(hào)發(fā)送的最基本的優(yōu)點(diǎn)是比一般模擬信號(hào)發(fā)送便宜，而且很少受噪音干擾的影響。最主要的缺點(diǎn)是數(shù)字信號(hào)比模擬信號(hào)易衰減。 模擬和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)通信 模擬數(shù)據(jù)以某個(gè)區(qū)間內(nèi)的連續(xù)值的形式出現(xiàn)， 例如，音頻和視頻是連續(xù)變化的，其他大多數(shù)通過傳感器來收集的數(shù)據(jù)(如溫度和壓力等)，也都是連續(xù)取值的。而數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)以離散值的形式出現(xiàn)，如文本和整數(shù)。模擬信號(hào)如圖 (a)所示，數(shù)字信號(hào)如圖 (b)所示，它們分別對(duì)應(yīng)著連續(xù)信號(hào)和離散信號(hào)。 模擬數(shù)據(jù)通信和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)通信模擬數(shù)據(jù)通信和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)通信

7、n模擬數(shù)據(jù)通信：允許一定范圍內(nèi)的失真模擬數(shù)據(jù)通信：允許一定范圍內(nèi)的失真n數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)通信：不允許任何失真數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)通信：不允許任何失真 任何數(shù)據(jù)均可以任何信號(hào)形式傳輸任何數(shù)據(jù)均可以任何信號(hào)形式傳輸 n用模擬信號(hào)傳送模擬數(shù)據(jù)，可以直接用占有用模擬信號(hào)傳送模擬數(shù)據(jù)，可以直接用占有相同頻譜范圍的電磁波信號(hào)來表示。相同頻譜范圍的電磁波信號(hào)來表示。n用數(shù)字信號(hào)來傳送模擬數(shù)據(jù)用編碼解碼器。用數(shù)字信號(hào)來傳送模擬數(shù)據(jù)用編碼解碼器。n用模擬信號(hào)傳送數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)用調(diào)制解調(diào)器。用模擬信號(hào)傳送數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)用調(diào)制解調(diào)器。n用數(shù)字信號(hào)來傳送數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)直接用兩種電平用數(shù)字信號(hào)來傳送數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)直接用兩種電平來表示。然而，為了改變其傳播特性，常

8、常來表示。然而，為了改變其傳播特性，常常對(duì)二進(jìn)制數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼。對(duì)二進(jìn)制數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼。 模擬的和數(shù)字的數(shù)據(jù)、信號(hào) 模擬數(shù)據(jù)模擬信號(hào)放大器調(diào)制器模擬數(shù)據(jù)數(shù)字信號(hào) pcm編碼器數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)模擬信號(hào)調(diào)制器數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)數(shù)字信號(hào) 數(shù)字發(fā)送器 2.2.2 有關(guān)信號(hào)的幾個(gè)基本概念n單向通信（單工通信）只能有一個(gè)方向的通信而沒有反方向的交互。n雙向交替通信（半雙工通信）通信的雙方都可以發(fā)送信息，但不能雙方同時(shí)發(fā)送(當(dāng)然也就不能同時(shí)接收)。n雙向同時(shí)通信（全雙工通信）通信的雙方可以同時(shí)發(fā)送和接收信息。 傳輸方式 并行傳輸：同時(shí)傳輸一組比特，每個(gè)比特使用單獨(dú)的一條線路。（如打印機(jī)數(shù)據(jù)傳送）（如打印機(jī)數(shù)據(jù)傳送） 串行傳輸：使

9、用一條線路，逐個(gè)地傳輸所有的比特。（如計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中）如計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中）基帶(baseband)信號(hào)和寬帶(broadband)信號(hào) n基帶信號(hào)就是將數(shù)字信號(hào) 1 或 0 直接用兩種不同的電壓來表示，然后送到線路上去傳輸。 n寬帶信號(hào)則是將基帶信號(hào)進(jìn)行調(diào)制后形成的頻分復(fù)用模擬信號(hào)。 兩種連接方式兩種連接方式1. 點(diǎn)到點(diǎn)連接 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的連接就是在發(fā)送端和接收端之間采用一條線路連接，使用的線路可以是專用線路、租用線路或交換線路。使用租用或交換線路的連接方式，適合于在地理上比較分散的站點(diǎn)之間傳輸數(shù)據(jù)，比如通過公用電話交換網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)-點(diǎn)的連接。圖2-7 點(diǎn)到點(diǎn)連接方式 計(jì)算機(jī) 計(jì)算機(jī) 調(diào)制解調(diào)器 調(diào)制解調(diào)器

10、 公用電話 交換網(wǎng) 2. 多點(diǎn)連接 多點(diǎn)線路連接是指各個(gè)站點(diǎn)通過一條公共通信線路進(jìn)行連接。在多點(diǎn)線路連接方式中，一條線路被所有的站點(diǎn)共享，若所有的站點(diǎn)同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)，則這條線路在空間上是共享的，通常采用頻分復(fù)用或波分復(fù)用技術(shù)傳輸數(shù)據(jù)；若所有的站點(diǎn)輪流使用線路發(fā)送數(shù)據(jù)，那么它在時(shí)間上是共享的，通常采用時(shí)分復(fù)用技術(shù)傳輸數(shù)據(jù)。 通信 服務(wù)器 終端 終端 終端 圖2-8 多點(diǎn)連接 2.2.3 信道的極限容量 nyquist定理：（理想）nnyquist證明：對(duì)于一個(gè)帶寬為h的連續(xù)信號(hào)，如果要對(duì)其進(jìn)行數(shù)字化，采樣速度為2h。 nnyquist推導(dǎo)出無噪聲帶寬為h的有限帶寬信道的最大數(shù)據(jù)傳輸率： rmax

11、= 2hlog 2v (bps) 其中v為采樣值的量化等級(jí)。n例子：n一個(gè)無噪聲帶寬為3000hz的信道不能傳送速率超過6000比特/秒的二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)。n任何實(shí)際的信道都不是理想的，在傳輸任何實(shí)際的信道都不是理想的，在傳輸信號(hào)時(shí)會(huì)產(chǎn)生各種失真以及帶來多種干信號(hào)時(shí)會(huì)產(chǎn)生各種失真以及帶來多種干擾。擾。 n碼元傳輸?shù)乃俾试礁撸蛐盘?hào)傳輸?shù)木啻a元傳輸?shù)乃俾试礁?，或信?hào)傳輸?shù)木嚯x越遠(yuǎn)，在信道的輸出端的波形的失真離越遠(yuǎn)，在信道的輸出端的波形的失真就越嚴(yán)重。就越嚴(yán)重。 shannon定理定理shannon推導(dǎo)：對(duì)于帶寬為whz，信噪比為s/n的有噪聲信道，其最大數(shù)據(jù)傳輸率rmax為： c = wlog 2

12、 (1 + s/n) (bps)信號(hào)功率與噪聲功率的比值稱為信噪比(signal-to-noise ratio)。通常并不使用信噪比本身，而是使用10log10s/n，其單位為分貝(db)。如果信號(hào)的s/n為10，則是10db；如果s/n為100，則是20db。香農(nóng)公式表明 n信道的帶寬或信道中的信噪比越大，則信息的極限傳信道的帶寬或信道中的信噪比越大，則信息的極限傳輸速率就越高。輸速率就越高。 n只要信息傳輸速率低于信道的極限信息傳輸速率，就只要信息傳輸速率低于信道的極限信息傳輸速率，就一定可以找到某種辦法來實(shí)現(xiàn)無差錯(cuò)的傳輸。一定可以找到某種辦法來實(shí)現(xiàn)無差錯(cuò)的傳輸。 n若信道帶寬若信道帶寬

13、w 或信噪比或信噪比 s/n 沒有上限（當(dāng)然實(shí)際信沒有上限（當(dāng)然實(shí)際信道不可能是這樣的），則信道的極限信息傳輸速率道不可能是這樣的），則信道的極限信息傳輸速率 c 也就沒有上限。也就沒有上限。n實(shí)際信道上能夠達(dá)到的信息傳輸速率要比香農(nóng)的極限實(shí)際信道上能夠達(dá)到的信息傳輸速率要比香農(nóng)的極限傳輸速率低不少。傳輸速率低不少。 波特與比特率的關(guān)系波特與比特率的關(guān)系1、波特率、波特率信號(hào)每秒鐘變化的次數(shù)信號(hào)每秒鐘變化的次數(shù)用于描述載波用于描述載波(carrier)信號(hào)信號(hào)2、比特率、比特率信號(hào)每秒鐘傳輸?shù)亩M(jìn)制位數(shù)信號(hào)每秒鐘傳輸?shù)亩M(jìn)制位數(shù)與信號(hào)的狀態(tài)數(shù)有關(guān)與信號(hào)的狀態(tài)數(shù)有關(guān)3、兩者的關(guān)系、兩者的關(guān)系2l

14、og v=比特率波特率2logbbrrv=請(qǐng)注意 n對(duì)于頻帶寬度已確定的信道，如果信噪比不能再提高了，并且碼元傳輸速率也達(dá)到了上限值，那么還有辦法提高信息的傳輸速率。這就是用編碼的方法讓每一個(gè)碼元攜帶更多比特的信息量。 練習(xí)練習(xí)（1）話音級(jí)線路的帶寬約為）話音級(jí)線路的帶寬約為3.1khz，信號(hào)由，信號(hào)由2個(gè)個(gè)離散等級(jí)組成，根據(jù)奈奎斯特定理計(jì)算的信道離散等級(jí)組成，根據(jù)奈奎斯特定理計(jì)算的信道最大數(shù)據(jù)傳輸率為多少？最大數(shù)據(jù)傳輸率為多少？（2）若信道帶寬）若信道帶寬w=3.1khz，s/n=2000，則信道，則信道最大數(shù)據(jù)傳輸率為多少？最大數(shù)據(jù)傳輸率為多少？（3）if a binary signal is sent over a 3-khz c