第三章物理层2.

1、第三章 物理层（二）通信线路（通信介质）任何一个数据通信系统都包括发送部分、接收部分和通信线路（信道），通信线路的选择会影响到通信质量。考虑通信媒体的特性是： 物理特性：说明媒体的物理特征。 传输特性：使用模拟信号还是数字信号，采用的调制技术，传输量及传输的频率范围。 连通性：点到点，点到多点。 地理范围：网上各点间最大距离。 抗干扰性。 相对价格。通信线路可分为二大类： 有线有线：双绞线，同轴电缆，光纤 无线无线：微波，红外线，激光1.双绞线双绞线：由螺旋形扭在一起的两根绝缘铜线组成；铜质，线经0.038-0.142cm。可用于数字信号传输，也可用于模拟信号传输，模拟模拟信号信号5-6公里要

2、一个放大器公里要一个放大器；数字信号数字信号2-3公里要一个中继公里要一个中继器器。连接性：普遍用于点-点通信、点-多点时连接性能较差。双绞线可分两类：屏蔽双绞线（屏蔽双绞线（STP）抗干扰性能好。非屏蔽双绞线（非屏蔽双绞线（UTP）。）。非屏蔽双绞线的布线标准，包括5类（UTP）。1类线：可用于电话传输，无固定的性能要求，不适合数据传输。2类线：4Mbps的数据传输和电话，由4对双绞线组成。3类线：10Mbps的数据传输（10Base以太网），由4对双绞线组成。4类线：16Mbps的数据传输，由4对双绞线组成。5类线：100Mbps的快速以太网，由4对铜芯双绞线组成。双绞线采用RJ-45连接

3、器连接器（8根导线）电话线用RJ-11连接器连接器（4根导线）2.同轴电缆主要分为二类：50基带同轴电缆基带同轴电缆，用来直接传送数字信号。 75宽带同轴电缆宽带同轴电缆，用来传送模拟信号。50：使用曼彻斯特编码曼彻斯特编码，最高速率可达10Mbps；可支持几百台设备，每隔千米需安装中继器中继器，范围几公里。75：可采用频分多路技术频分多路技术；带宽可达800MHZ；支持上千台设备大量的通信，每隔几千米要安装放大器放大器，范围几十公里。50电缆又可分为：细电缆细电缆：直径为0.25英寸，距离185m不失真。粗电缆粗电缆：直径为0.5英寸，距离500m不失真。连接器连接器采用BNC连接器连接器和

4、DB-15连接器连接器，可用于点-点、点-多点的通信。3.光纤光纤可分为二类：多模光纤和单模光纤。多模光纤多模光纤：利用光的反射向前传播（当入射角大于临界角时，产生全反射，可由多条入射角度不同的光线同时在一条光纤中传播）。采用发光二极管产生的可见光，接收器件采用PIN检波器。价格便宜，定向性差。单模光纤单模光纤：光一直向前传播（当光纤导芯的直径小到只有一个光的波长时，光纤就成了一根波导管）。采用注入式激光二极管，接收部件为APD检波器检波器。定向性好，价格贵，有很高的数据传输率。光纤的特点： 重量轻，体积小，成缆后弯曲性能好 有较大的带宽，通信容量大（1014-1015HZ） 光纤的传输率高，

5、能达到千M位/S（1Gbps）以上 中继距离远，连接的范围更广 不受外界的电磁干扰 安全保密性好4.无线传输媒体无线传输媒体利用空间电磁波（微波微波、红外线红外线或激光激光）来传输，实现站点之间通信的网络。三者被称为视线媒体视线媒体（微波、红外线或激光），需要在发送方和接收方之间存在一条视线通路，都是沿直线传播的，不能有障碍物不能有障碍物。5.卫星通信卫星通信也属于无线通信，是卫星和地面站之间的微波通信系统微波通信系统，利用地球同步卫星作中继器地球同步卫星作中继器，来转发微波信号微波信号。有以下几个特点： 具有无缝隙覆盖能力，三个同步卫星可覆盖整个地球表面 具有灵活性、普遍性及可移动性 具有宽

6、域和复杂网络拓扑构成能力 具有明显的安全可靠性 对距离的不敏感性缺点：传播延迟时间长延迟时间长，单向传播延迟时间可达0.240.27s（270ms）。三、数据编码技术1.数据传输的形式：A.时域的概念研究一个时间函数信号S（t）如果对于所有的a，满足下式：那么S（t）是连续的连续的，反之只取信号振幅的有限个值，则该信号是离散的离散的。连续函数左极限和右极限都存在且左极限=右极限不连续左极限右极限talim S(t)=S(a)如果对于所有的t，满足下式S（t+T）=S（t） -t+，T是常数，则该信号是周期性的，T是信号的周期（T为满足方程的最小值）。正弦波和方波脉冲，都是周期性信号。频率是周期

7、T的倒数，f=1/T角频率 =2f=2/T； 单位是弧度/S相位是用在一个周期时间内信号的相对位置来度量的。S(t)=ASin(2ft-/2)S(t)=ASin(2ft)A是振幅，f是频率，-/2是相位。B.频域的概念：由傅里叶级数和傅里叶变换可知，任何信号都是由不同频率的正弦波成分组成的，任何信号都可以分解成不同频率的正弦波信号。信号的频谱就是信号所包含的频率范围。信号的带宽信号的带宽就是频谱的宽度频谱的宽度。例如：某个信号S（t）包含了三个频率成分：f1，3f1，5f1。那么，S（t）的带宽为5f1-f1=4f1。C.数据传输的形式：在通信系统中，要把数据从一个地方传送到另一个地方总是要借

8、助于一定的物理信号（如电磁波、远红外和光）。有二种数据，有二种信号，于是就产生了四种数据传输形式。1）模拟数据的模拟信号传送：电话系统模拟数据的模拟信号传送：电话系统对于音频电话通信：声音信号的频率是300-3400HZ，国际标准取4KHZ为一个标准话路所占用的频带宽度为一个标准话路所占用的频带宽度。频带比音频还小的设备叫做窄带设备窄带设备（如用于速率较低的电报传输）。频带比单个音频信道的频带宽单个音频信道的频带宽的设备叫做宽带设备宽带设备。2）数字数据的数字信号传送使用数字信号传输数据时：数字信号几乎要占有整个频带，这个原始电信号所固有的频带，称为基本频带基本频带（简称基带），在信道中直接传

9、送基带信号时，称为基带传输。为什么基带传输时数字信号几乎占有整个频带？设信道数据速率为100bps，采用全宽码：当传输全“0”信号时，数字信号的频率最低为0。当传输“0”、“1”交替的数字信号时，信号频率最高为50Hz。设信道的数据速率为信道的数据速率为10Mbps时，信号的最低频率为时，信号的最低频率为0，最高为最高为5MHz。当数据速率更高时，信号占用的频带也就更大。3）数字数据的模拟信号传送数字数据的模拟信号传送要使用调制解调器；在采用模拟信号传输数字数据时，往往只占有有限的频谱，将其称为频带传输频带传输。4）模拟数据的数字信号传送模拟数据的数字信号传送要使用编码解码器编码解码器。这四种

10、数据传输方式除了第一种模拟数据的模拟信号传送外其它三种都还有二个问题要解决：A.数据的信号表示问题（编码问题编码问题）B.接收方如何正确地接收问题（同步问题同步问题）2.数字数据的模拟信号编码频带传输频带传输为了利用廉价的公共电话交换网来实现计算机之间的远程通信，必须将数字数据变换成模拟信号来传输。因为电话网为频带模拟信道，频带范围仅电话网为频带模拟信道，频带范围仅4KHZ；数；数字信号的频宽范围一般可从字信号的频宽范围一般可从0HZ-几千几千MHZ，故必须要变，故必须要变换成电话网所允许的音频频带范围换成电话网所允许的音频频带范围。模拟信号传输的基础是载波载波。载波是频率和幅度都相当稳定的电

11、磁波（正弦波）。载波是频率和幅度都相当稳定的电磁波（正弦波）。工作站AMODEM公共电话网MODEM工作站B数字信号音频信号音频信号数字信号载波具有三大要素：幅度、频率和相位幅度、频率和相位。( )sin(2)S tAftAf为振幅为频率为相位数字调制的三种基本形式A.移幅键控法移幅键控法ASKAsin（2ft+）数字“1” 0数字“0”用于低速的调制解调器低速的调制解调器，数据速率1200bps信号波形图S（t）=移幅键控法ASK的实现+-开关数字信号FB.移频键控法：移频键控法：FSKAsin（2f1t+）当基带信号为1时Asin（2f2t+）当基带信号为0时用于中低速的调制解调器中低速的

12、调制解调器9600bPS数据速率数据速率1200bpsS（t）=话频线路上的全双工话频线路上的全双工FSK传输传输，可用于全双工的通信，一个方向上一个方向上，用1070HZ表示“0”，1270HZ表示“1”；另一个方向上另一个方向上：用2025HZ表示“0”，2225HZ表示“1”；间隔为100HZ，允许误差50HZ 。频率范围图：C.相移键控法相移键控法：PSK利用载波信号相位移动来表示数据利用载波信号相位移动来表示数据。相位调制又可以分为绝对相移调制绝对相移调制和相对相移调制相对相移调制。1）绝对相移调制绝对相移调制利用正弦载波的不同相位直接表示数字。如传输基带信号为“1”时，绝对相移调制

13、信号和载波绝对相移调制信号和载波信号的相位差为信号的相位差为“0”（即载波信号）。（即载波信号）。如传输基带信号为“0”时，绝对相移调制信号和载波绝对相移调制信号和载波信号的相位差为信号的相位差为。Asin（2ft+）当基带信号为“1”时Asin（2ft+）当基带信号为“0”时S（t）=绝对相移调制变换成正交相移调制编码绝对相移调制变换成正交相移调制编码Asin（2ft+450）当基带信号为11时Asin（2ft+1350）当基带信号为01时Asin（2ft+2250）当基带信号为10时Asin（2ft+3150）当基带信号为00时相位各相差900，有4种相位的变化，每次相位的信号变化表示2位

14、二进制。S（t）=如要传送数据 01 11 00 10 11 10 00 012）相对相移调制相对相移调制利用前后码元信号相位的相对变化来传送数字信息的利用前后码元信号相位的相对变化来传送数字信息的。当传输的基带信号为“1”时，后一个码元信号和前一个码元信号的相位差为。当传输的基带信号为“0”时，后一个码元信号和前一个码元信号的相位差为0。3）相位幅度调制相位幅度调制等相位幅度调制相位幅度调制PAM，既在相位又在幅度上进行调制相位又在幅度上进行调制。如：采用12种相位，其中的4种相位，每个信号取2种幅度，可以得到16种不同的相位幅度离散状态，可使一个信号表示位二进制数据。2DPSK：将信号分别

15、移相四种不同角度的移相键控法，即一个信号表示2位二进制数据。3DPSK：将信号分别移相八种不同角度的移相键控法，即一个信号表示3位二进制数据。3.数字数据的数字信号传送基带传输，数字信号可以直接采用基带传输数字信号可以直接采用基带传输。基带是指基本频带基带是指基本频带：调制前信号所占有的频带，即原始信号所占有的固有频带。基带传输只能用于近距离的传送基带传输只能用于近距离的传送，如CPU内部的各部件之间，CPU和外设，近距离的局域网等。基带传输时，要解决数字数据解决数字数据的编码问题编码问题和信号的同信号的同步问题。步问题。编码问题：全宽码全宽码（不归零码）；归零码归零码；曼彻斯特编码。全宽码全

16、宽码每一位编码占用了码元的全部宽度，某一位码元与其下一位码元之间没有间隙，不易区分识别。1）单极性全宽码单极性全宽码： 无电压，无电流为“0” 正电压、正电流为“1” 采样时间为T/2 判别门限为V/22）双极性全宽码双极性全宽码： 正电压，正电流为“1” 负电压，负电流为“0” 采样时间为T/2 判别门限为0全宽码的优、缺点： 难以确定一位的结束和另一位的开始难以确定一位的结束和另一位的开始，要设法解决收发双方同步问题。 占用的带宽比较少占用的带宽比较少。归零码归零码每一个码元总是到0结束（或从0开始）1）单极性归零码单极性归零码 “1” 发一个正的窄脉冲发一个正的窄脉冲；正电流或正电压的持

17、续时间码元宽度 “0” 不发电流电压不发电流电压 采样时间：位于正脉冲的正脉冲的1/2处处 判别门限：为1/2脉冲幅度2）双极性归零码双极性归零码 “1” 正的窄脉冲 “0” 负的窄脉冲 采样时间：位于脉冲的脉冲的1/2处处 判别门限：03）交替双极性归零码交替双极性归零码 “1” 发交替的正、负窄脉冲交替的正、负窄脉冲 “0” 不发脉冲不发脉冲 采样时间：位于脉冲的脉冲的1/2处处 判别门限：有无脉冲归零码的优、缺点： 能区别一位的结束和下一位的开始。 占用的频带比较宽。单极性码的优、缺点： 会积累直流分量。 不能使用变压器进行交流耦合。 连接点的表面电镀层容易损坏。双极性码的优、缺点： 克

18、服以上缺点。 要求的带宽更高。标准曼彻斯特编码和差分曼彻斯编码1.标准曼彻斯特编码：标准曼彻斯特编码： 在每一位的中间有一跳变。 位中间的跳变，既作为时钟信号，又作为数据信号。 从低到高的跳变为0，从高到低的跳变为1。 连成波形。2.差分曼彻斯编码差分曼彻斯编码： 在每一位的中间有一跳变。 该跳变仅代表时钟，不代表数据。 用每个码元周期开始有无跳变表示数据。有跳变为0，无跳变为1。 连成波形。曼彻斯特码和差分曼彻斯码占用较大的带宽占用较大的带宽，在最坏情况下，信号速率是数据速率的两倍信号速率是数据速率的两倍。最坏情况如传输一系列的“0”信号。在图中，对于每个数据0，曼彻斯特编码要改变两次，即信

19、号速率是数据速率的两倍。同步问题（后面叙述）3.模拟数据的数字信号编码模拟数据的数字信号编码CODEC（Coder/Decoder）编码解码器编码解码器将模拟数据转换成数字信号的转换器称为编码器编码器。将数字信号转换成模拟数据的转换器称为解码器解码器。信源/信宿 CODEC信道CODEC 信源/信宿模拟数据模拟数据数字信号模拟信号数字化的方法模拟信号数字化的方法有两种： 脉冲编码调制脉冲编码调制PCM（ 脉码调制技术） 差分脉码调制差分脉码调制DPCM 增量调制增量调制1）脉码调制技术（脉码调制技术（ PCM 技术）技术）是以采样定理为基础的。A.采样定理数学上可以证明，若对连续变化的模拟信号

20、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有效信息，利用低通滤波器可以从这些采样中重新构造出原始信号。Fs1/Ts2Fmax 或 Fs2Bs。Bs=Fmax-Fmin 为原始信号的带宽。Fs为采样频率，Ts为采样周期，Fmax为原始信号的最高频率， Fmin为原始信号的最低频率。B.转换的过程分三步：采样、量化、编码采样、量化、编码采样：就是按照一定的时间间隔采样测量模拟信号的幅值。量化：使连续信号变为时间轴上离散值（分级）。将模拟信号的最大可能幅值等分为若干级（2R级）。将采样测量得到的幅值按量级，分级舍入取整得到一个不连续的正整数值。

21、编码：将量化后的整数值用二进制数来表示。C.解码解码接受端，先进行译码，将二进制数码转换成代表原来接受端，先进行译码，将二进制数码转换成代表原来模拟信号的幅度不等的量化脉冲模拟信号的幅度不等的量化脉冲。经过滤波（低通滤波器）将量化脉冲还原成原来的模拟信号。误差小于最小等级的1/2。2）差分脉码调制差分脉码调制DPCM由于信号变化比采样频率慢，用7bit或8bit来使模拟信号数字化太浪费了。采用输出不是数字化的幅度本身，而是当前值和前一采用输出不是数字化的幅度本身，而是当前值和前一个值之差个值之差，如果相邻样点间16级或更大的跳变是不可能的，所以这样的话只要只要4bit就可以就可以了。信号偶然发

22、生大的跳变，编码逻辑可能需要几个取样信号偶然发生大的跳变，编码逻辑可能需要几个取样周期才能赶上这个跳变；对于话音，允许这样的误差周期才能赶上这个跳变；对于话音，允许这样的误差。差分脉码调制差分脉码调制DPCM 如原来为32个量化级，需要5位二进制编码。采用DPCM技术后，只需要三位二进制编码。 当信号发生大的跳变时，编码逻辑可能需要几个取样周期才能赶上这个跳变。010000101001100011010101101001010000001000010000010001000100001010010001010110110采样值差值编码值（补码表示）-1101113）增量调制增量调制在在DPCM

23、的基础上进一步压缩的基础上进一步压缩。要求每个取样值与前一个值相差+1或-1，这样只需要传送1位比特就可以表示新的取值是大于或小于前一个取样值（假设两个相邻取样值间的变化是很小的）。例如：5677886511111110000111采样值：差 值：编 码： 1 04）声音数据采用声音数据采用PCM技术技术声音数据的最高频率Fmax4KHZ， Fs=8000次/S。采样的间隔时间为125S。若采用128个量化级量化级，用7位二进制来表示一个采样值。数据速率数据速率为8000次次/S7bit/次=56000bps=56Kbps。5）模拟数据的数字信号传送的优、缺点优点：抗干扰能力强，当信噪比降低时

24、，可用信号再生方法。抗干扰能力强，当信噪比降低时，可用信号再生方法。保密性好保密性好。二进制数字编码序列编码序列I（t）；）；二进制密码序列密码序列C（t）。）。传送到信道上传送的信号为B（t）=I（t）+C（t）。接受端：B（t）+C（t）=I（t）（模二加法）。第三方如不知道C（t），则不能破译出。如：缺点：占用的频带较宽占用的频带较宽。数字设备和联网技术比较复杂，和现有的设备矛盾数字设备和联网技术比较复杂，和现有的设备矛盾。( )10110101 10111101( )1100110011001100( )0111 100101110001( )1100110011001100( )10110101 10111101I AC AB AC AI A数据序列密码序列传送序列密码序列数据序列4.同步通信同步通信和异步通信异步通信1）