物理层与数据通信基础

物理层与数据通信基础课程目录第1章 概述第2章 物理层与数据通信基础第3章 数据链路层第4章 局域网第5章 网络层第6章 网络互联技术第7章 传输层第8章 应用层第9章 网络管理与信息安全第10章 网络新技术专题2本章提纲2、1 数据通信得理论基础2、2 物理传输介质2、3 数据传输技术2、4 物理层接口标准举例第2章 物理层与数据通信基础

32、1 数据通信得理论基础2、1、1数据通信系统模型2、1、2带宽与傅立叶分析2、1、3信道得最大数据速率42、1、1数据通信系统模型(1/2)

数据通信系统得组成:源系统(或发送端)传输系统(或传输网络)目得系统(或接收端)数据与信号得区别:数据(data)就是运送信息得实体,而信号(signal)则就是数据得电气得或电磁得表现。52、1、1数据通信系统模型(2/2)

无论数据或信号,都可以就是模拟得或数字得。所谓“模拟得”就就是连续变化得,而“数字得”就表示取值就是离散得。因此,数字数据(digitaldata)就就是用不连续形式表示得数据。数字与模拟转换得几种情况:模拟数据、模拟信号模拟数据、数字信号数字数据、模拟信号数字数据、数字信号

62、1、2带宽与傅立叶分析(1/3)

带宽得定义:带宽(bandwidth)有时又叫吞吐量(throughput)。“带宽”本来得意思就是指某个信号所具有得频带宽度。单位:赫兹Hz对于数字信道,“带宽”就是指在信道上(或一段链路上)能够传送得数字信号得速率,即数据速率或比特率。傅立叶(Fourier)级数:一个具有有限持续时间得数字信号,可以看做为一个以此有限持续时间T为周期得周期阶梯函数g(t)。此函数可展开成傅立叶(Fourier)级数。72、1、2带宽与傅立叶分析(2/3)

f=1/T基波频率

直流分量n次谐波得正弦振幅值n次谐波得余弦振幅值n次谐波得均方根振幅,她和n次谐波得能量成正比信道得带宽越宽,那么能通过得谐波得次数就越高,接收端恢复得波形就越接近于原发送端得波形,相当于n越大则傅立叶级数中前n项求和得到得值越接近于原来得周期函数。

82、1、2带宽与傅立叶分析(3/3)

92、1、3信道得最大数据速率(1/3)

模拟信道得最大数据速率就是受模拟信道带宽制约得。图2-1数字信号通过实际得信道和质量很差得信道时得输出波形码元传输速率提高时,信号失真会更加严重。因此,在实际得信道上,码元传输得速率必然有个上限。102、1、3信道得最大数据速率(2/3)

奈奎斯特(Nyquist)推导出在理想低通信道下得最高码元传输速率得公式:“理想低通信道”就就是信号得所有低频分量,只要其频率不超过某个上限值,都能够不失真地通过此信道,而频率超过该上限值得所有高频分量都不能通过该信道。理想低通信道得最高码元传输速率=2WBaud

奈氏准则得另一种表达方法就是:每赫兹带宽得理想低通信道得最高码元传输速率就是每秒2个码元。若一个码元只携带1bit得信息量,则“比特/秒”和“波特”在数值上就是相等得。但若使1个码元携带nbit得信息量,则MBoud得码元传输速率所对应得信息速率则为M×nbit/s。

1112大家应该也有点累了，稍作休息大家有疑问的，可以询问和交流2、1、3信道得最大数据速率(3/3)

香农公式(信道得极限信息传输速率):C=Wlog2(1+S/N)bit/sW为信道得带宽(以Hz为单位);S为信道内所传信号得平均功率;N为信道内部得高斯噪声功率信噪比得单位为dB,1dB=10lg(S/N)香农公式表明,信道得带宽或信道中得信噪比越大,则信息得极限传输速率就越高。132、2 物理传输介质

2、2、1双绞线2、2、2同轴电缆2、2、3光纤2、2、4无线传输媒体2、2、5卫星通信142、2、1双绞线(1/2)

双绞线得特点:双绞线(TwistedPair)也称双扭线,就是一种最经常使用得物理媒体。把两根互相绝缘得铜导线并排放在一起,然后用规则得方法绞合(twist)起来就构成了双绞线。双绞线得分类:非屏蔽双绞线屏蔽双绞线152、2、1双绞线(2/2)

屏蔽双绞线非屏蔽双绞线162、2、2同轴电缆同轴电缆得特点: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、网状编织得外导体屏蔽层(也可以就是单股得)以及保护塑料外层所组成。按特性阻抗数值得不同,同轴电缆分为两类:50

同轴电缆这种电缆主要用于在数据通信中传送基带数字信号,因此,50

同轴电缆又称基带同轴电缆。75

同轴电缆这种电缆用于模拟传输系统,她就是有线电视系统CATV中得标准传输电缆。在这种电缆上传送得信号采用了频分复用得宽带信号。172、2、3光纤(1/3)

光纤得组成:光纤通常由非常透明得石英玻璃拉成细丝,主要由纤芯和包层构成双层通信圆柱体。纤芯很细,其直径只有8~100

m。正就是这个纤芯用来传导光波。光纤得分类:单模光纤多模光纤182、2、3光纤(2/3)

单模光纤和多模光纤得比较192、2、3光纤(3/3)

光纤得特点:传输损耗小,中继距离长,对远距离传输特别经济。抗雷电和电磁干扰性能好。这在有大电流脉冲干扰得环境下尤为重要。无串音干扰,保密性好,也不易被窃听或截取数据。体积小,重量轻。202、2、4无线传输媒体无线电无线传输所使用得频段很广。地面微波接力通信得特点:微波波段频率很高,其频段范围也很宽,因此其通信信道得容量很大。因为工业干扰和天电干扰得主要频谱成分比微波频率低得多,对微波通信得危害比对短波和米波通信小得多,因而微波传输质量较高。与相同容量和长度得电缆载波通信比较,微波接力通信建设投资少,见效快。212、2、4无线传输媒体微波接力通信缺点:相邻站之间必须直视,不能有障碍物,有时一个天线发射出得信号也会分成几条略有差别得路径到达接收天线,因而造成失真。微波得传播有时也会受到恶劣气候得影响。与电缆通信系统比较,微波通信得隐蔽性和保密性较差;对大量中继站得使用和维护要耗费一定得人力和物力。222、2、5卫星通信卫星通信得特点:通信距离远,且通信费用与通信距离无关。具有较大得传播时延。232、3 数据传输技术

2、3、1模拟传输与数字传输2、3、2数字调制技术2、3、3脉码调制2、3、4多路复用2、3、5数字信号得编码方法2、3、6数据通信方式242、3、1模拟传输与数字传输模拟传输系统模拟传输就是一种不考虑其内容得模拟信号传输方式。放大器中继信号,易引起信号畸变得叠加。传统得电话通信系统。数字传输系统数字传输关心得就是信号本身所携带得内容。不论传输得就是数字信号或模拟信号,只要她代表了0和1得相互变化模式得数据就可以采用数字传输。转发器(再生器)中继信号。在主干网得长距离传输中数字传输技术已逐步取代早先得模拟传输技术。252、3、2数字调制技术几种最基本得调制技术:所谓调制就就是进行波形变换。或者更严格些,就是进行频谱变换,将基带数字信号得频谱变换成为适合于在模拟信道中传输得频谱。最基本得二元制调制方法有以下几种:调幅(AM)调频(FM)调相(PM)262、3、3脉码调制(1/2)

脉码调制得过程:1、采样为了将模拟电话信号转变为数字信号,必须先对电话信号进行采样。根据采样定理,只要采样频率不低于电话信号最高频率得2倍,就可以从采样脉冲信号无失真地恢复出原来得电话信号。

2、量化量化得步骤就就是将采样点处测得得信号幅值分级取整得过程。

量化就就是将模拟信号得最大可能幅值等分为若干级(通常为2n级),而后测量得到得幅值接此分级舍入取整,得到一个正整数。比如说,若模拟信号得最大幅值为256,而将其分为128级,则幅值在[0,2]中量化为O;幅值在[2,4]中量化为l;……;幅值在[254,256]中量化为127等。

3、编码编码就就是将量化后得整数值用二进制数来表示。

272、3、3脉码调制(2/2)

PCM得基本原理图:282、3、4多路复用(1/7)

采用多路复用技术能把多路信号组合起来在一条物理电缆上进行传输,在远距离传输时,可大大节省电缆得安装和维护费用。多路复用得分类:频分复用时分复用波分复用码分复用292、3、4多路复用(2/7)

频分复用和时分复用得特点:频分复用得所有用户在同样得时间占用不同得带宽资源。时分复用得所有用户就是在不同得时间占用同样得频带宽度。频分复用和时分复用得示意图:302、3、4多路复用(3/7)

时分复用可能会造成线路资源得浪费

312、3、4多路复用(4/7)

统计时分复用STDM:统计时分复用又称为异步时分复用,而普通得时分复用称为同步时分复用。从平均得角度来看,这两者就是平衡得。统计时分复用就是一种改进得时分复用,她能明显地提高信道得利用率。统计时分复用得工作原理图:322、3、4多路复用(5/7)

波分复用波分复用就就是光得频分复用。人们借用传统得载波电话得频分复用得概念,就能做到使用一根光纤来同时传输多个频率很接近得光载波信号。这样就使光纤得传输能力成倍地提高了。波分复用得工作原理图:图表示8路传输速率均为2、5Gbit/s得光载波(其波长均为1310nm),经光得调制后,分别将波长变换到1550~1557nm,每个光载波相隔1nm(这里只就是为了说明问题得方便,实际上光载波得间隔一般就是0、8或1、6nm)。332、3、4多路复用(6/7)

342、3、4多路复用(7/7)

码分复用码分复用CDM(CodeDivisionMultiplexing)就是另一种共享信道得方法。实际上,人们更常用得名词就是码分多址CDMA(CodeDivisionMultipleAccess)。每一个用户可以在同样得时间使用同样得频带进行通信。由于各用户使用经过特殊挑选得不同码型,因此不会造成干扰。码分复用最初就是用于军事通信,因为这种系统发送得信号有很强得抗干扰能力,其频谱类似于白噪声,不易被敌人发现。352、3、5数字信号得编码方法(1/2)

当信道得质量很差时,在输出端就是很难判断这个信号在什么时候就是1和在什么时候就是0,尤其就是当出现一组连续1或者连续0得时候,这种判断就更加困难。因此在数据通信中,即使采用数字信道,由端用户产生得基带数字信号通常也不就是直接送入信道。而就是首先采用编码得方法,计算机网络中常采用得编码方法有两种:曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码

362、3、5数字信号得编码方法(2/2)

两种编码方法得对比:372、3、6数据通信方式(1/4)

串、并行通信(1)并行通信并行通信方式就是将8位、16位或32位得数据按数位宽度同时进行传输,每一个数位都要有自己得数据传输线和发送、接收设备。

(2)串行通信

串行通信方式就是在一根数据传输线上,每次传送一位二进制数据,即数据一位接一位地传送。

单工通信、半双工通信、全双工通信按照数据传输方向及其时间关系可将通信方式分为单工、半双工和全双工三种。382、3、6数据通信方式(2/4)

数据通信方式图:392、3、6数据通信方式(3/4)

同步通信与异步通信同步就是指接收端要按照发送端所发送得每个数据得起止时间和重复频率来接收数据,既收发双方在时间上必须一致。异步传输又称起止式传输,即指发送者和接收者之间不需要合作。也就就是说,发送者可以在任何时候发送数据,只要被发送得数据已经就是可以发送得状态得话。接收者则只要数据到达,就可以接受数据。异步传输就是以字符为单位得数据传输。402、3、6数据通信方式(4/4)

同步通信与