计算机网络基础3-物理层

贵州大学

CAD/CIMS工程技术中心

陆丰

第三章数据通信技术

物理层的基本概念

数据通信基础知识

传输媒体

模拟传输、数字传输

信道复用技术

物理层标准举例

物理层考虑的是怎样才能在连接各种计算机的传输媒体上传输

数据比特流，而不是指连接计算机的具体的物理设备或具体的传输

媒体。

物理层的作用是屏蔽传输设备和线路的差异，使其上层的数据

链路层感觉不到这些差异。这样可使数据链路层只需考虑如何完成

本层的协议和服务，而不必考虑网络具体的传输媒体是什么。

在物理连接上的传输方式一般都是串行传输，即一个一个比特

按照时间顺序传输。但有时也采用多个比特的平行传输方式。出于

经济上的考虑，远距离的传输通常都是串行传输。

物理层的协议也称为规程(procedure)。

♦:♦机械特性：指接口所用接线器的各种物理指标。

电气特性：指接口电缆的各条线上出现的电压的范围。

。功能特性：指某条线上出现的某一电平的电压表示的意义。

。规程特性：指不同功能的各种可能事件的出现顺序。

第三章数据通信技术

物理层的基本概念

数据通信基础知识

传输媒体

模拟传输、数字传输

信道复用技术

物理层标准举例

通信系统模型

数据通信系统的三个要素：信源、信宿和信道

信源一发送器一信道一接收器一信宿

数据通信系统的构成：

•传输系统（传输线路和传输设备）

­源系统（信源+发送器）

•目的系统（信宿+接收器）

数据及计算机通信术语

•数据(Data)：传递(携带)信息的实体。

•信息(Information)：是数据的内容或解释。

•信号(Signal)：数据的电气或电磁表现，是数据的物理量

编码(通常为电编码)，数据以信号的形式传播。

＞模拟信号与数字信号

＞模拟传输与数字传输

＞模拟信道与数字信道

＞基带(Baseband)与宽带(Broadband)、频带

a）模拟信号b）数字信号

・模拟信号：信号的因变量完全随连续消息的变化而变化的信号。模拟信号的自变

量可以是连续的，也可以是离散的；但其因变量一定是连续的

•数字信号：表示消息的因变量是离散的，自变量时间的取值也是离散的信号

•通信：将表示消息的信号从发送方（信源）传递到接收方（信宿）。既然信号可分为

模拟信号和数字信号，与之相对应的，通信也可分为模拟通信和数字通信

模拟通信

1.3.1.2利用模拟信号来传递消息

•普通的电话、广播、电视等都属于模拟通信

图模拟通信系统模型

用来传输表示消息的电信号的介质或通路。它可以是双绞线、同

轴电缆、光缆、微波以及卫星链路等

包括了影响该系统的所有噪声，如脉冲噪声（工业噪声等）和随机

噪声（信道噪声、发送设备噪声、接收设备噪声等）

•利用数字信号来传递消息

•计算机通信、数字电话以及数字电视都属于数字通信

A/D检错纠错编码

噪声源

发送端时钟接收端时钟

图数字通信系统模型

包含两项内容:数据传输和通信控制

过程与打电话的对比

•建立物理连接拨号，拨通对方

•建立逻辑连接互相确认身份

•数据传送互相通话

•断开逻辑连接互相确认要结束通话

•断开物理连接双方挂机

通信方式

通信操作方式:根据信号传输方向与时间的关系，可以分为:

方式单工方式半双工方式全双工方式

支持数据双向分时支持数据双向

只支持数据的流动，线路只有一同时流动，线

描述

单向流动。条，两个方向须分路有两条或四

时使用信道。条。

接收发送

通信方式一数据流动的方向

单工（单向通信）：数据单向传输（无线电广播）

半双工（双向交替通信）：数据可以双向交替传输，但不能

在同一时刻双向传输（对讲机）

全双工（双向同时通信）：数据可以双向同时传输（电话）

•或者具有两条物理上独立的传输线路

•或者具有一条物理线路上的两个信道，分别用于不同方

向的信号传输

数字数据的传输方式

基带传输：不需调制，编码后的数字脉冲信号直接在信道上

传送。

•例如:以太网

频带传输：数字信号需调制成音频模拟信号后再传送，接收

方需要解调。

•例如:通过电话模拟信道传输

宽带传输：数字信号需调制成频带为几十MHZ到几百MHZ的模

拟信号后再传送，接收方需要解调

•例如:闭路电视的信号传输

基带传输：是指电信号所固有的基本频带，简称基带。

数字信号的基本频带是从0至若干兆赫，由传输速率决定。

当利用数据传输系统直接传送基带信号，不经频谱搬移时,

则称之为基带传输。

数据传输的基本形式

频带传输，是把二进制信号（数字信号）进行调制交换，

成为能在公用电话网中传输的音频信号（模拟信号），将音频

信号在传输介质中传送到接收端后，再由调制解调器将该音

频信号解调变换成原来的二进制电信号。这种把数据信号经

过调制后再传送，到接收端后又经过解调还原成原来信号的

传输，称为频带传输。

宽带是指比音频带宽更宽的频带，指传输介质的频带

宽度较宽的信息传输，一般在300-400MHz左右。使用这种

宽频带传输的系统，称为宽带传输系统。它可以容纳全部

广播，并可进行高速数据传输。宽带传输系统一般需要采

用频分复用。

宽带传输的优点

一般说，宽带传输与基带传输相比有以下优点：

⑴能在一个信道中传输声音、图像和数据信息，使系统具

有多种用途；

⑵一条宽带信道能划分为多条逻辑基带信道，实现多路复

用，因此信道的容量大大增加；

⑶宽带传输的距离比基带远，因基带直接传送数字，传输

的速率愈高，传输的距离愈短。

串行通信方式

一）串行传输与并行传输

串行传输：数据在一个信道上一位一位依次传输。数据线数

目与与传输数据无关

特点:

通信线路数小，线路

并

1.串

串

利用率高适合于远距并

转

转

换

离传输。换

2.在发送端和接收端需

要并/串转换和串/并

转换。串行通信

3.需要实施同步措施，

以确保不产生错字。

并行通信方式（2）

串行传输与并行传输

并行传输：数据在多个信道上同时传输。数据线数目与与传

输数据相同并可能多一校验线

特点：

i.不需要对传输代码进

行时序转换

2.需要数据线数目多。

3.传输速率高。

异步传输与同步传输

。同步就是接收端按发送端发送的每个码元的起止时间及

重复频率来接收数据，并且要校准自己的时钟以便与发送

端的发送取得一致，实现同步接收。

♦:♦数据传输的同步方式一般分为位同步、字符同步和帧同

步，位同步识别每一位的开始和结束；字符同步和帧同步

通常是识别每一个字符或一帧数据的开始和结束。

♦:♦数据通信可以分为异步通信和同步通信两种方式。

异步与同步通信

同步通信：要求接收端的时钟频率和发送端的时钟频率相等，

以便使接收端对收到的比特流的采样判决的时间是准确的。

♦:♦严格的同步通信是用一个非常精确的主时钟负责全网的同步。

异步通信：发送端4寻欲发送的数据以字节为单位进行封装，并

在字节中增加1〜3位字符作为开始和结束标志位，以便在每一

个字节开始时接收端和发送端同步一次。

♦:♦异步通信的发送端在发送万一个字节后，可以经过任意长的

时间间隔再发送下一个字节。

♦:♦异步通信是通过增加通信开销，使接收端能够使用廉价的，

具有一般精度的时钟进行数据通信。

♦:♦普通用户使用的调制解调器都是采用异步通信方式。

数据同步方式

目的是使接收端与发送端在时间基准上一致（包括

开始时间、位边界、重复频率等）。

有三种同步方法：

•位同步

•字符同步

•帧同步

位同步：目的是使接收端接收的每一位信息都与发送端保持

同步

外同步一发送端发送数据之前发送同步时钟信号，接收

方用同步信号来锁定自己的时钟脉冲频率。

自同步一通过特殊编码（如曼彻斯特编码），这些数据编码

信号包含了同步信号，接收方从中提取同步信号来锁定自己

的时钟脉冲频率。

字符同步

字符同步：以字符为边界实现字符的同步接收，也称为起止

式或异步制。

•每个字符的传输需要：

-1个起始位

-5〜8个数据位

-1或2个停止位

间隔，不固定

起始位数据位停止位

字符同步的性能评估

•频率的漂移不会积累，每个字符开始时都会重新同步

•每两个字符之间的间隔时间不固定

•增加了辅助位，所以效率低

一例如,采用1个起始位、8个数据位、2个停

止位时,其效率为8/11<72%

帧同步：识别一个帧的起始和结束。

帧(Frame)数据链路中的传输单位----包含数据和控制

信息的数据块

•面向字符的——以同步字符(SYN,16H)来标识一个

帧的开始，适用于数据为字符类型的帧

•面向比特的——以特殊位序列(7EH,即onnno)来

标识一个帧的开始，适用于任意数据类型的帧

帧起始控制信息数据校验和帧结束

8bitm0-nbit8-328bit

信号的频谱与带宽

■信号具有时域和频域两种最基本的表现形式和特性

•时域特性反映信号随时间变化的情况。信号的时域特性表

示出信号随时间变化的情况。如正弦信号就可以表示为：

S(t)=Acos(cot+(p)

其中:

A：振幅

co：频率

0-初始相位

•幅度、频率以及相位是周期信号f(t)的3个重要特性

信号的频谱与量宽

•频谱：f4）各次谐波的振幅/〃按照频率高低依次排列起来

所形成的谱状图形

•绝对带宽：信号频谱所覆盖的频率范围

•有效带宽（简称带宽）：信号的大部分能量都集中在一个较小

的范围之内，这段频带称为带宽。带宽是介质传输能力的度

量，在传统的通信工程中通常以赫兹（Hz）为单位计量。

•信号的带宽越大，利用这种信号传送数据的速率就越高，要

求传输介质的带宽也越大

带宽

•在计算机网络中，一般使用每秒位数（b/s或bps）作为带宽的

计量单位。主要单位：Kb/s,Mb/s,Gb/s

•常见信号的频谱和带宽：声音信号的频谱大致在20Hz—2000

kHz的范围•氐于20Hz的信号为次声波，高于2000KHz的信

号为超声波），但用一个窄得多的带宽就能产生可接受话音的

重现，因而话音信号的标准频谱为300Hz—3400Hz,其带宽

为3kHz。电视信号的频谱为0—4MHz,因此其带宽为4MHz

•一个以太局域网理论上每秒可以传输1千万比特，它的带宽相

应为10Mb/s。

■信道(Channel)：传送信息的线路(或通路)

•比特(bit)：信息量的单位。比特率为每秒传输的二进制

位个数。

•码元(CodeCell)：时间轴上的一个信号编码单元

,码元1码元2码元3码元4码元5

信号

同步脉冲

同步脉冲：用于码元的同步定时，识别码元的开始

▲同步脉冲也可位于码元的中部

▲一个码元也可有多个同步脉冲相对应

•波特率：单位时间传输波形的个数(或每秒传送的码元数)。单位为

波特(Baud)

•在数字通信中，码元用波形表示，可以用一个波形代表一个码元，

此时波形的个数为2、也可以用一个波形代表n个码元，此时波形的

个数为2\

•波形持续时间越短，单位时间内传输的波形数量越多，传输的码元

越多，传输的数据也就越多。

(01)

,比波率：单位时间内传送的比特数，单位为b/s。

•波特是码元传输的速率单位，也称为调制数率。比特是信息量

的单位

Rbit=Rbaudlog2M

Rbit■比特率，RbaucT波特率，M是信号的编码级数）

-一个信号往往可以携带多个二进制位，所以在固定的信息传

输速率下，比特率往往大于波特率。

-换句话说，一个码元中可以传送多个比特。

一例如,M=16,波特率为9600时,数据传输率为38.4kbit/s

•误码率：信道传输可靠性指标，是概率值

•信息编码：将信息用二进制数表示的方法。

•数据编码：将数据用物理量表示的方法。

-例如：字符伽的ASCH编码（是信息编码的一种）

为01000001,其数据编码可能为

01000001

IIIIIIII

信道容量

信道是以传输介质为基础的信号传输的通路。它实

际上是一段频带，允许信号通过，同时又给信号以限制和

损害。

信道容量是指信道的最高数据传输速率。

信道带宽总是有限的，所能通过的信号频带也是有限。

信道的数据传输速率受信道带宽的限制

Nyquist（秦奎斯特）公式

香农定理

Nyquist（秦奎斯特）公式

用于理想低通信道（有限带宽、无噪音）下，信道容量为：

C=数据传输率,毕磔步s

带宽,单位

C=2Wlog2Mw=Hz

M=信号编码级数

Nyquist公式为估算已知带宽信道的最高数据传输速率提供

了依据。

M最大数据率(C)

•例如，话音级线路的26200bps

带宽为3100Hz,根据412400bps

818600bps

上式计算的信道最大1624800bps

数据率如右表所示3231000bps

非理想信道

■实际的信道上存在损耗、延迟、噪声。

•损耗引起信号强度减弱，导致信噪比S/N降低。

•延迟会使接收端的信号产生畸变。

•噪声会会环信号，产生误码。

-持续时间0.0仿的干扰会破坏约560个比特(56Kbit/s)

Shannon公式:有限带宽高斯噪声干扰信道

s：信号功率

：噪声功率

C=Wlog2(1+S/N)N

S/N:信噪比（分贝）

例:信道带宽W=3.1KHz,S/N=2000,则

C=3100^log2(l-F2000)=34Kbit/s

即该信道上的最大数据传输率不会大于34Kbit/s

信道容量C不变，带宽W和信噪比成反比。

所以在较低的信噪比的情况下，甚至在信号被噪声淹没的情况

下，只要相应的增加信号带宽，仍能保持可靠通信

Nyquist公式和Shannon公式的比校

C=2Wlog2M

■数据传输率c随信号编码级数增加而增加。

C=Wlog2(1+S/N)

・无论采样频率多高，信号编码分多少级，此公式给出了信

道能达到的最高传输速率。

•原因:噪声的存在将使编码级数不可能无限增加。

第三章数据通信技术

物理层的基本概念

数据通信基础知识

传输媒体

模拟传输、数字传输

信道复用技术

物理层标准举例

传输媒体也称为传输介质或传输媒介，它是数据传输系统中在发送器和接

收器之间的物理通路。

传输媒介分为两大类：导向传输媒体、非导向传输媒体

双绞线

内导体芯线“螺旋绞合的双导线，①a1mm

绝缘一每根4对、25对、1800对

一典型连接距离100m（LAN）

内屏蔽・RJ45插座、插头

■■优缺点：

外屏蔽成本低

外套组装密度高、节省空间

安装容易（综合布线系统）

平衡传输（高速率）

抗干扰性一般

连接距离短

屏蔽双绞线(STP)非屏蔽双绞线(UTP)

以铝箔屏蔽以减少双绞线外无任何屏蔽

干扰和串音层

常用的双绞线为3类(16MEt/s)和5类(155Mb让/s)两种

双绞线(TwistedPair)

•由两条相互绝缘的铜导线组成。这两条线扭绞在一起，

可以减少对邻近线对的电气干扰

•使用广泛，价格便宜，安装容易，对电磁干扰比较敏感

•EIA/TIA5类UTP电缆规格：

-Catl：适用于电话传输

-Cat2：适用于电话和低速数据传输(最高4Mbps)

-Cat3:适用于10Mbps的lOBas-T以太网数据传输

-Cat4：适用于16Mbps的令牌环网

-Cat5:适用于100Mbps的100Base-TX和lOOBase-T4

快速以太网

•基带同轴电缆

-阻抗50Q,用于数字传输

•宽带同轴电缆

-阻抗75Q,用于模拟传输，主要用于CATV

细同轴电缆

•D=1.02cm,10Mbit/s

■每段185m、4中继、5段（925m）

•优缺点：

-价格低

-安装方便（T型连接器、BNC接头、Terminator）

-抗干扰能力较强

-可靠性差

粗同轴电缆

•D=2.54cm,10Mbit/s

■每段500m、4中继、5段(2500m)

・优缺点：价格稍高

-安装方便(收发器、收发器电缆、Terminator)

-抗干扰能力强

-连接距离中等

-可靠性好

光纤

•用光脉冲的出现表示“1”，不出

现表示“0”项目单模光纤多模光纤

•光传输系统由三个部分组成：光纤距离长短

数据传输率高低

传输介质、光源和检测器

光源激光发光二极管

•多模光纤：纤芯的直径较粗，光纤信号衰减小大

中可能有许多种沿不同途径同时传端接较难较易

播的模式（利用光的全反射）造价高低

•单模光纤：光在光纤中的传播没有

单模光纤与多模光纤的比较

反射，而沿直线传播

典型的光缆

单芯光缆

玻璃封套塑料外套

塑料外套

芯/封套特性输入电信号

输出电信号

W

多模

波长:850,1300

nm

h2

光纤的直径减小到

单模波长：1310,1550nm

一个光波波长

光纤通信常用的三个波段：850,1300nm,1550nmo

光纤

1.利用光纤技术,可以达到的带宽将超过50到ps。实际中,

关于lOGbps的信号限制是由于不能更快的在光信号和电信

号之间转换而造成的。

日A/TIA—568—B规定的衰减值

衰减极限=光纤衰减率X光纤长度（km）+耦合器衰减X耦合器数+熔接

点衰减x溶接点数

种类工作波长（nm）衰减系数（dB/km）

多模光纤8503.5

多模光纤13001.5

单模室外光纤13100.5

单模室外光纤15500.5

单模室内光纤13101.0

单模室内光纤15501.0

连接器技减0.75dB

熔接点衰减0.3dB

标准单模光纤的最低衰减值已达到0.160dB/km

光纤的优点

1.传输的形式是光，抗雷电和电磁干扰性能好。

2.因为玻璃纤维可以被制成能反射光纤内绝大多数的光，

所以光纤传输信号的距离比导线所能传输的距离要远得多。

3.因为较之电信号，光可以对更多的信息进行编码，所以

光纤可在单位时间内传输比导线更多的信息。

4、无串音干扰，保密性好，不易被窃听或截取数据。

光纤与电缆的比较

•多模光纤和5类双绞线的衰减与频率关系如图所示，当传输

频率超过100MHz时，5类双绞线随着频率的增加衰减愈来愈

大；而光纤在300MHz以内，衰减基本不变。

▲

C3

一

二

5

10

一

(

J

/15

8一

P

)20

理

一

眼

25

一

30

35一

O

无线介质

•无线电波：传播距离远，容易穿过建筑物，全方向传播。无线通信使用

的频率在3MHz至1GHz

•微波：频率在100MHz以上的无线电波，其能量集中于一点并沿直线传

播。典型的工作频率为2GHz、4GHz、8GHz、12GHz

•卫星通信：卫星和地面站之间的微波通信系统

•无线电波：传播距离远，容易穿过建筑物，全方向传播。使用的频率在

3MHz至1GHz。

•VLF/LF/MF波段，无线电波沿着地面传输。

•HF/VHF波段，通过电离层进行通信。

(a)无线电波沿地表传播(b)无线电波被电离层反射

微波

虽然微波就是频率较高的无线电波，但它们的性质并不

相同。与无线电波向各个方向传播不同，微波传输集中于

某个方向，可以防止他人截取信号。

。许多长途电话公司使用微波传输电话通信。一些大公司

也安装了微波通信系统作为公司网络的一部分。

♦:♦但是，微波不能穿透金属结构。并且在4Ghz波段会被雨

水吸收。

电磁频谱的政策

。理论上由ITU-R下属的全球性代理公司协调分配

♦:♦实际的操作：选美比赛法、抓阉、投标

❖ISM(industrial/scientific/medical)频段

限制发射功率、强制使用扩频技术

2683.5125

MHzMHzGHzGHzGHzGHz

电视使用的遥控器是用红外线(Infrared)进行通信。

红外线一般局限于一个很小的区域(在一个房间内)并且

通常要求发送器直接指向接收器。红外硬件与采用其他机

制的设备比较相对便宜，且不需要天线。计算机网络可以

使用红外技术进行数据通信。红外网络对小型的便携计算

机尤为方便。因为红外技术提供了无需天线的无绳连接。

这样，使用红外技术的便携计算机可将所有的通信硬件放

在机内。

激光

通过光纤可把光用于通信中。此外，光也能用于在空中

传输数据。和微波通信系统相似，采用光的通信连接通常由两

个站点组成，每个站点都拥有发送和接收器，设备安装在一个

固定的位置，经常在一个高塔上，并且相互对齐，以便一个站

点的发送器将光束直接传输至另一站点的接收器。发送器使用

激光器（laser）产生光束，因为激光能在很长距离内保持聚

焦和微波传输相似，激光器发出的光束走的也是直线，并且不

能被遮挡。不幸的是，激光光束不能穿透植物以及雨、雪、雾

等多种气候条件，因此激光传输的应用受到限制。

第三章数据通信技术

物理层的基本概念

数据通信基础知识

传输媒体

模拟传输、数字传输

信道复用技术

物理层标准举例

信息通过数据通信系统传输

•把携带信息的数据用物理信号形式通过信道传送到目的地。

•信息和数据（0,1比特）一般不能直接在介质上传输。

信息-数据-A信号一▲在信道上传输一▲信号-4▲数据一信息

数据编码调制解调数据解码

•编码：数据1适合传输的数字信号——便于同步、识别、纠错

•调制：数字信号今适合传输的形式——按频率、幅度、相位

•解调：接收波形今数字信号

・解码：数字信号-原始数据

模拟信号和数字信号

・模拟信号

•时间上连续，包含无穷多个信号值

•数字信号

•时间上离散，仅包含有限数目的信号值。最常见的是二

值信号

a）模拟信号b）数室信号

模拟信号和数字信号

•模拟信号：时间上连续，包含无穷多个信号值

•数字信号：时间上离散，仅包含有限数目的信号值

模拟信道和数字信道

•模拟信道：以连续模拟信号形式传输数据的信道。

•数字信道：以数字脉冲形式（离散信号）传输数据的信道。

•数字通信

-在数字信道上实现模拟信息或数字信息的传输

•模拟通信

-在模拟信道上实现模拟信息或数字信息的传输

数字通信的优点

•抗噪声（干扰）能力强

•可以控制差错，提高了传输质量

•便于用计算机进行处理

•易于加密、保密性强

•可以传输语音、数据、影像，通用、灵活

・计算机通信仅在不得已的情况下，才会采用模拟通信，如通过电

话线拨号上网。

模拟通信：信号源发出的模拟信号，并且以模拟信号传输。

数字通信：信号源发出的是模拟数据，而以数字信号的形式

进行传输，这种通信方式叫数字通信。

计算机采用数字信道传输的原因：

(1)误码率低，通信质量高。

(2)数字传输能以声音、数字、电视、传真，甚至视频电

话之类的图像混合在一个信道传输，有效地利用设备。

(3)利用已有线路可获得更高的数据传输率。

(4)随着集成电路芯片的价格不断降低，数字传输及其相

应的交换设备比模拟设备便宜很多。

不同类型的信号在不同类型的信道上传输

有4种情况

数据：模拟数据、数字数据

1X1

信号：模拟信号、数字信号

信道：模拟信道、数字信道

模拟传输和数字传输

模拟数据，模拟信号模拟数据，数字信号

PCM编码

数字数据，模拟信号数字数据，数字信号

数字数字

10101010-------►数字编码

编码与调制的区别

编码/解码

x(t)数字信号

数字或

模拟数据

发送方接收方

。用数字信号承载数字或模拟数据——编码

。用模拟信号承载数字或模拟数据——调制

编码与调制的区别

调制/解调

模拟数据模拟数据

发送方接收方/

/调制解调器

器

。用数字信号承载数字或模拟数据——编码

。用模拟信号承载数字或模拟数据——调制

。模拟信号的模拟调制：实现模拟信号的模拟传输

♦:♦数字信号的数字调制：实现数字信号的模拟传输

♦:♦数字信号的数字编码：实现数字信号直接采用基带传输

♦:♦模拟信号的数字编码：实现模拟信号的数字传输

❶模拟信号的模拟调制：实现模拟信号的模拟传输。

模拟调制属于正弦波调制，按照调制信号改变正弦波参数

的不同，可以分为幅度调制和角度调制。

幅度调制实质上是实现了频谱搬移。

角度调制后的信号频谱特征发生较大变化，属于非线性的

频谱变换。

典型的例子是话音信号在普通的电话系统中传输。一般

人的语音频率范围是300—3400HZ,为了进行传输，在线路上

给它分配一定的带宽，国际标准取4KHz为一个标准话路所占用

的频带宽度。在这个传输过程中：语音信号以300—3400HZ频

率输入，发送方的电话机把这个语音信号转变成模拟信号，这

个模拟信号经过一个频分多路复用器进行变化，使得线路上可

以同时传输多路模拟信号，当到达接收端以后再经过一个解频

的过程把它恢复到原来的频率范围的模拟信号，再由接收方电

话机把模拟信号转换成声音信号。

❷数字信号的数字调制：实现数字信号的模拟传输

所谓调制就是进行波形变换。或者更严格些说，是进行频谱变换

,将基带数字信号的频谱变换成适合在模拟信道中传输的频谱

基本原理：对载波的三个特征进行调制。

载波S(t)=Acos(cot+(p)

S(t)的参量包括：幅度A、频率①、初相位(p

•调制就是要使A、①或cp随数字基带信号的变化而变化

•调制的三种方式：调幅、调频和调相。

调制方法

最基本的二元制调制方法：

(1)调幅(AM)即载波的振幅随基带数字信号而变化。例

如，0对应于无载波输出，而1对应于有载波输出。

(2)调频(FM)即载波的频率随基带数字信号而变化。例

如，。对应于频率fl,而1对应于频率f2。

(3)调相(PM)即载波的初始相位随基带数字信号而变化。

例如，。对应于相位0度，而1对应于180度。

调制方法示意图

010011100

基带传输信号

调幅

调频/WV\MWBA

调相w।v!।w।：v!m।1

数字数据的模拟信号编码

通过调制振幅、频率和相位等载波特性或者这些特性的

某种组合，来对数字数据进行编码。最基本的数字数据一模

拟信号调制方式有以下三种

(1)幅移键控方式(ASK,Amplitude-ShiftKeying)

(2)频移键控方式(FSK,Frequency-ShiftKeying)

(3)相移键控方式(PSK,Phase-ShiftKeying)

振幅调制（振幅键控方式）

振幅调制ASK：简称调幅制，是用数字的基带信号控制正弦载波信

号的振幅。它是把频率和相位定为常量，而振幅为变量，每一种振

幅值代表一种信息元。这个方法叫做幅移键控ASK。

AiA】A?MA1A】A2

频率调制（移频键控方式）

频率调制FSK：简称调频制，是用数字的基带信号控制正弦载波

信号的频率。它把振幅和相位定为常量，而频率为变量，每一种

频率值代表一种信息元。这个方法叫做频移键控FSK。

弓自与6万6

相位调制（移相键控方式）

相位调制PSK：简称调相制，是用数字的基带信号控制正弦载波信

号的相位。它把振幅和频率定为常量，而相位为变量，每一种相

位值代表一种信息元。

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jo|oj1rjojjogojjo

ASK^4V\A/\MV\/^UW—

FSKKnMAAMAhAAjV^

PSK

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IIIIIIIlliI

ASK：用载波的两个不同振幅表示。和1（技术简单，实现容易，抗

干扰能力差）

FSK：用载波的两个不同频率表示0和1（技术简单，容易实现，抗

干扰能力强）

PSK：用载波的起始相位的变化表示。和1

调制与解调

不采取任何措施利用模拟信道来传输数字信号必然会

出现很大差错(失真)，故在普通电话网上传输数据，就

必须将数字信号变换到电话网原来设计时所要求的音频频

谱内(即300Hz-3400Hz)。

调制就是用基带脉冲对载波波形某个参数进行控制，

形成适合于线路传送的信号。

当已调制信号到达接收端时，再进行解调，即将经过

调制器变换过的模拟信号去掉载波恢复成原来的基带数字

信号。

调制与解调

实际使用时，常修调制器和解调器合装在一个设备，使

线路的一端同时具有调制和解调功能，称此设备叫调制解调

器（MODEM）。它与远程终端或计算机之间的接口用V.24或

RS-232c标准。

采用调制解调器也可以把音频信号转换成较高频率的信

号和把较高频率的信号转换成音频信号。所以调制的另一目

的是便于线路复用，以便提高线路利用率。

❸数字信号的数字编码：实现数字信号直接采用基带传输

最典型的例子是在两个装有Windows98操作系统的计算

机上，利用Windows98中自带的“直接电缆连接”功能把

两个计算机通过串行口或并行口直接相连。在这种情况下通

信的双方发出的数据和接收的数据以及在信道上所传输的全

部都是数字信号。

常见的数字信号编码方式

对于数字数据在数字信道上传输来说，最普遍而且最容

易的办法是用两个不同的电压电平来表示两个二进制数字。

单极性编码：无电压（也就是无电流）用来表示0,而恒

定的正电压用来表示1。（会积累直流分量）

双极性编码：使用负电压（低）表示0,使用正电压

（高）表示1。

可能存在的问题

缺点:

•难以确定一位的结束和另一位的开始。

•不具备自同步机制，传输时必须使用外同步，并且当出现

一长串连续的1或连续的0时，在接收端无法从收到的比特

流中提取位同步信号。

曼彻斯特编码(ManchesterCode)

•用电压的变化表示。和1。

-规定在每个码元的中间发生跳变：

-高一低的跳变代表0,低一高的跳变代表1

•每个码元中间都要发生跳变，接收端可将此变化提

取出来作为同步信号。这种编码也称为自同步码

(Self-SynchronizingCode)o

•缺点：需要双倍的传输带宽(所占的频带宽度比原

始的基带信号增加了一倍)。

差分曼彻斯特编码(DifferentialManchesterCode)

•用码元开始处有无跳变来表示0和1,表示码元1时，其

前半个码元的电平与上一个码元的后半个码元的电平一

样；但若码元为0,则其前半个码元的电平与上一个码

元的后半个码元的电平相反

•不论码元是1或0,在每个码元的正中间的时刻，一定要

有一次电平的转换。

•差分曼彻斯特编码需要较复杂的技术，但可以获得较好

的抗干扰性能。

I0I1I0I0I1I1I0I0I0I1I1I

I11I•,1I:'1I

III

时钟1——,—.…_______I

II

IIIIIIIIIIII

IIIIIIIIIIII

IIIIIIIIIIII

NRZ

IIIIIIIIIIII

IIIIIIIIIIII

Manchester

ImjwIIrILInIwILILIrImII

IIIIIIIIIIII

IIIIIIIIIIII

I_________II__III___I__IIIII

差分

Manchester

FIwIIwIIwIIwIwIInII

IIIIIIIIIIII

数字数据在数字信道上传输图示

❹模拟信号的数字编码：实现模拟信号的数字传输

为了在数字通信系统中传输模拟信号，首先应将模拟信号

数字化。最好的方法是脉冲编码调制，简称PCM

采样定理：如果模拟信号的最高频率为F,若以2F的采样

频率对其采样,则采样得到的离散信号序列就能完整地恢复出

原始信号。

语音信号要在数字线路上传输，必须将语音信号转换成数

字信号。这需要经过三个步骤：

•采样：按一定间隔对语音信号进行采样

•量化：对每个样本舍入到量化级别上

•编码：对每个舍入后的样本进行编码

编码后的信号称为PCM信号(PulseCodedModulation)

采样时钟PCM信号

模拟话音数字化

声音

fv4kHz

■话音信道带宽v4kHz

•采样时钟频率：8kHz（＞2倍话音最大频率）

・量化级数：256级（用8位二进制码表示）

•数据率:8000Ws*8bit=64kbiVs

-每路PCM信号的速率=64000bit/s

PCM转换过程举例

语音信号/

・・・・・・i.4,.2

r211j12,8I

PAM脉冲|

PCM脉冲I31I41I33L

（有量化误差）I.一

011100011011001100

PCM输出011100011011001100

•PCM最初不是为了传送计算机数据，而是为了在数字线路上传

输语音信号，使电话局之间一条中继线可以传送几十路电话。

•PCM有两个互不兼容的国际标准：北美的24路PCM（简称T1

）和欧洲的30路PCM（简称E1）。

•我国是采用欧洲E1标准。

•PCM信号采用时分复用TDM的方法装成帧，以提高线路的传送

能力。

模拟传输和数字传输

♦:♦如果再两个计算机之间的通信电路中，传输电路是模拟信

道与数字信道交替组成，那么要进行多次模数和数模的转换

,数字传输的优越性不能充分发挥。

♦:♦现代通信网正朝着整个端到端通信电路都是数字传输的方

向发展。

第二早数据通信技术

3.1物理层的基本概念

3.2数据通信基础知识

3.3传输媒体

3.4模拟传输、数字传输

3.5信道复用技术

3.6物理层标准举例

复用：多个信息源共享一个公共信道

为何要复用？——提高线路利用率

•适用场合：当信道的传输能力大于每个信源的平均传输需

求成

类比：公共运输系统（铁路、海运、航空）

信

□□—宿

复用器解复用器

多路复用是指在数据传输系统中，把若干个彼此无关的

信号合并为一个复合信号，并在一条共用信道上进行传输。

在信号的接收端再将复合信号分离出来。

多路传输数据时，各路数据的原始基带脉冲其频谱往往

是相互重叠的，不能在同一条线路上直接同时传输，若要使

用一对传输线同时传输多路信息，必须采取措施。

目前有两种技术：

。时分复用TDM(TimeDivisionMultiplexing)

。频分复用FDM(FrequencyDivisionMultiplexing)

。波分复用WDM(WaveDivisionMultiplexing)

频分复用FDM

原理：整个传输频带被划分为若干个频率通道，每路信号占

用一个频率通道进行传输。

3003100(Hz)60646872(kHz)

原始信号带宽频谱搬移后的信号带宽

♦:*FDM利用传输介质的可用带宽超过给定信号所需的带宽

这一优点。

♦:*FDM是把每个要传输的信号以不同的载波频率进行调制

,而且各个载波频率是完全独立的，即信号的带宽不会相互

重叠，然后在传输介质上进行传输，这样在传输介质上就可

以同时传输许多路信号。

多路的原始信号在频分复用前，首先通过频谱搬移技术，将

各路信号的频谱搬移到物理信道频谱的不同段上。在两个通道间

应留有间隙作为防护频带，以防相互干扰。

原带宽移频后带宽

频分多路—用2

♦:♦频分复用适用于多点终端以及低速线路，其主要问题是各路信号

之间容易产生相互干扰（称为串扰）。引取串扰的主要原因是信

号频谱间的相互交叉，而令信号失真。因此，使用频分复用技术

一是要求复用频谱之间有足够大的“防护频带”，二是要求调制

系统具有很高的线性滤波功能，这就带来设备造价问题。

。应用：广播电视、电缆电视、数字数据传输（需要将数字信号

转换为模拟信号）。一般应用于模拟信号如语音信号，计算机网

络系统一般不使用频分复用。

波分复用

目前一根单模光纤的传输速率可达到2.5Gb/so如果设法

对光纤传输中的色散问题加以解决，如采用色散补偿技术，则

一根单模光纤的传输速率可达到10Gb/s。这几乎已达到单个

光载波信号传输的极限值。

最初，人们借用传统载波电话的频分复用的概念，在一

根光纤上复用两路光载波信号，称为波分复用WDM。现在，

一根光纤上复用的光载波信息路数越来越多，出现了密集波分

复用DWDM。

波分贪用光的频分复用

原理：整个波长频带被划分为若干个波长范围，每

路信号占用一个波长范围来进行传输。

F1

共享光纤的光谱

光谱

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输

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一

路

8在

♦:♦光信号在传输一段距离后会衰减，需要对光信号进行放

大才