物理层数据通信基础

1、课 题：物理层 目的要求：掌握物理层的基本概念、数据通信基础知识 教学重点：数据通信基础知识 教学难点：信道的极限数据传输速率 教学课时：2 教学方法：讲授、练习 本次课涉及的学术前沿： 教学内容与步骤： 2.1 物理层的基本概念 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： n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。 n电气特性 指明在接口电缆的各条线上出现的 电压的范围。 n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。 n过程特性 指明对于不同功能的各种可能事件 的出现顺序。 2.2 数据通信的基础知识 2.2.1 数据

2、通信系统的模型 传输 系统 输 入 信 息 输 入 数 据 发送 的信号 接收 的信号 输 出 数 据 源点终点发送器接收器 调制解调器 PC 机 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 数据通信系统 源系统目的系统传输系统 输 出 信 息 PC 机 几个术语 n数据(data)运送信息的实体。 n信号(signal)数据的电气的或电磁的表现。 n“模拟的”(analogous)连续变化的。 n“数字的”(digital)取值是离散数值。 n调制把数字信号转换为模拟信号的过程。 n解调把模拟信号转换为数字信号的过程。 n码元(code)在使用时间域（或简称为时

3、域） 的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的 基本波形。 数据通信系统组成数据通信系统组成 数据通信系统是通过数据电路将分布在异地的数据终 端设备与计算机系统连接起来，实现数据传输、交换、 存储和处理的系统。比较典型的数据通信系统主要由 数据终端设备、数据电路、计算机系统三部分组成， 如下图所示。 接口 接口 数据 电路 终接 设备 数据 电路 终接 设备 传输信道 数据终端设备 dte 数据 输入 输出 设备 通 信 控 制 器 通 信 控 制 器 中 央 处 理 机 计算机系统 数据终端设备 在数据通信系统中，用于发送和接收数据的 设备称为数据终端设备(简称DTE)。 DTE可能是大、中

4、、小型计算机、PC机，也可 能是一台只接收数据的打印机。从计算机和计 算机通信系统的观点来看，终端是输入输出 的工具；从数据通信网络的观点来看，计算机 和终端都称为网络的数据终端设备，简称终端。 数据电路终接设备 用来连接DTE与数据通信网络的设备称为数据电路 终接设备(DCE)，可见该设备为用户设备提供入网的连 接点。 DCE的功能就是完成数据信号的变换。因为传输信 道可能是模拟的，也可能是数字的，DTE发出的数据 信号不适合信道传输，所以要把数据信号变成适合信 道传输的信号。利用模拟信道传输，要进行“数字 模拟”变换，方法就是调制，而接收端要进行反变换， 即“模拟数字”变换，这就是解调，实

5、现调制与解 调的设备称为调制解调器。因此调制解调器就是模拟 信道的数据电路终接设备。 数据电路和数据链路 数据电路指的是在线路或信道上加信号变 换设备之后形成的二进制比特流通路，它由传 输信道及其两端的数据电路终接设备(DCE)组 成。 数据链路是在数据电路已建立的基础上， 通过发送方和接收方之间交换“握手”信号， 使双方确认后方可开始传输数据的两个或两个 以上的终端装置及互连线路共同组成的组合体。 模拟通信系统和数字通信系统模拟通信系统和数字通信系统 n模拟通信系统：采用模拟信号传输的通模拟通信系统：采用模拟信号传输的通 信系统。信系统。 n数字通信系统：采用数字信号传输的通数字通信系统：采

6、用数字信号传输的通 信系统。信系统。 数字信号通过实际的信道 n有失真，但可识别 n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 信号传输过程中的衰减 n模拟传输系统：放大器（会放大噪音分 量） n数字传输系统：中继器（再生信号） 模拟信号与数字信号的对比 n数字信号发送的最基本的优点是比一般 模拟信号发送便宜，而且很少受噪音干 扰的影响。最主要的缺点是数字信号比 模拟信号易衰减。 模拟和数字数据通信 模拟数据以某个区间内的连续值的形式出现， 例如， 音频和视频是连续变化的，其

7、他大多数通过传感器来 收集的数据(如温度和压力等)，也都是连续取值的。而 数字数据以离散值的形式出现，如文本和整数。模拟 信号如图 (a)所示，数字信号如图 (b)所示，它们分别 对应着连续信号和离散信号。 模拟数据通信和数字数据通信模拟数据通信和数字数据通信 n模拟数据通信：允许一定范围内的失真模拟数据通信：允许一定范围内的失真 n数字数据通信：不允许任何失真数字数据通信：不允许任何失真 任何数据均可以任何信号形式传输任何数据均可以任何信号形式传输 n用模拟信号传送模拟数据，可以直接用占有用模拟信号传送模拟数据，可以直接用占有 相同频谱范围的电磁波信号来表示。相同频谱范围的电磁波信号来表示。

8、 n用数字信号来传送模拟数据用编码解码器。用数字信号来传送模拟数据用编码解码器。 n用模拟信号传送数字数据用调制解调器。用模拟信号传送数字数据用调制解调器。 n用数字信号来传送数字数据直接用两种电平用数字信号来传送数字数据直接用两种电平 来表示。然而，为了改变其传播特性，常常来表示。然而，为了改变其传播特性，常常 对二进制数据进行编码。对二进制数据进行编码。 模拟的和数字的数据、信号 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 2.2.2 有关信号的几个基本概念 n单向通信（单工通信）只能有一个方 向的通信而没有反

9、方向的交互。 n双向交替通信（半双工通信）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)。 n双向同时通信（全双工通信）通信的 双方可以同时发送和接收信息。 传输方式 并行传输：同时传输一组比特，每个比特使用单独的一条 线路。（如打印机数据传送）（如打印机数据传送） 串行传输：使用一条线路，逐个地传输所有的比特。 （如计算机网络中）如计算机网络中） 基带(baseband)信号和 宽带(broadband)信号 n基带信号就是将数字信号 1 或 0 直接用两 种不同的电压来表示，然后送到线路上去 传输。 n宽带信号则是将基带信号进行调制后形成 的频分复用模拟信号。 两

10、种连接方式两种连接方式 1. 点到点连接 点对点的连接就是在发送端和接收端之间采用一条线路连接， 使用的线路可以是专用线路、租用线路或交换线路。使用租用或 交换线路的连接方式，适合于在地理上比较分散的站点之间传输 数据，比如通过公用电话交换网，实现点-点的连接。 图2-7 点到点连接方式 计算机 计算机 调制解调器 调制解调器 公用电话 交换网 2. 多点连接 多点线路连接是指各个站点通过一条公共通信线 路进行连接。在多点线路连接方式中，一条线路被所 有的站点共享，若所有的站点同时发送数据，则这条 线路在空间上是共享的，通常采用频分复用或波分复 用技术传输数据；若所有的站点轮流使用线路发送数

11、据，那么它在时间上是共享的，通常采用时分复用技 术传输数据。 通信 服务器 终端 终端 终端 图2-8 多点连接 2.2.3 信道的极限容量 Nyquist定理：（理想） nNyquist证明：对于一个带宽为H的连续信号， 如果要对其进行数字化，采样速度为2H。 nNyquist推导出无噪声带宽为H的有限带宽信道 的最大数据传输率： Rmax = 2Hlog 2V (bps) 其中V为采样值的量化等级。 n例子： n一个无噪声带宽为3000HZ的信道不能传送速率超 过6000比特/秒的二进制数字信号。 n任何实际的信道都不是理想的，在传输任何实际的信道都不是理想的，在传输 信号时会产生各种失真

12、以及带来多种干信号时会产生各种失真以及带来多种干 扰。扰。 n码元传输的速率越高，或信号传输的距码元传输的速率越高，或信号传输的距 离越远，在信道的输出端的波形的失真离越远，在信道的输出端的波形的失真 就越严重。就越严重。 Shannon定理定理 Shannon推导：对于带宽为WHz，信噪比为S/N 的有噪声信道，其最大数据传输率Rmax为： C = Wlog 2 (1 + S/N) (bps) 信号功率与噪声功率的比值称为信噪比(Signal- to-Noise Ratio)。 通常并不使用信噪比本身，而是使用10log10S/N， 其单位为分贝(dB)。如果信号的S/N为10，则是 10d

13、B；如果S/N为100，则是20dB。 香农公式表明 n信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传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。输速率就越高。 n只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就 一定可以找到某种办法来实现无差错的传输。一定可以找到某种办法来实现无差错的传输。 n若信道带宽若信道带宽 W 或信噪比或信噪比 S/N 没有上限（当然实际信没有上限（当然实际信 道不可能是这样的），则信道的极限信息传输速率道不可能是这样的），则信道的极限信息传输速率 C 也就没有上限。也就没有上限。 n实际信道上能够达到的

14、信息传输速率要比香农的极限实际信道上能够达到的信息传输速率要比香农的极限 传输速率低不少。传输速率低不少。 波特与比特率的关系波特与比特率的关系 1、波特率、波特率 信号每秒钟变化的次数信号每秒钟变化的次数 用于描述载波用于描述载波(Carrier)信号信号 2、比特率、比特率 信号每秒钟传输的二进制位数信号每秒钟传输的二进制位数 与信号的状态数有关与信号的状态数有关 3、两者的关系、两者的关系 2log V=比特率波特率 2logbBRRV= 请注意 n对于频带宽度已确定的信道，如果信噪 比不能再提高了，并且码元传输速率也 达到了上限值，那么还有办法提高信息 的传输速率。这就是用编码的方法让每 一个码元携带更多比特的信息量。 练习练习 （1）话音级线路的带宽约为）话音级线路的带宽约为3.1kHz，信号由，信号由2个个 离散等级组成，根据奈奎斯特定理计算的信道离散等级组成，根据奈奎斯特定理计算的信道 最大数据传输率为多少？最大数据传输率为多少？ （2