1、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： 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。 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。 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。 過程特性 指明對于不同功能的各種可能事件的出現(xiàn)順序。 第1頁/共30頁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)輸入信息輸入數(shù)據(jù)發(fā)送的信號接收的信號輸出數(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)字比特流模擬信號模擬信號 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

2、信息PC 機(jī)第2頁/共30頁幾個(gè)術(shù)語 數(shù)據(jù)(data)運(yùn)送信息的實(shí)體。 信號(signal)數(shù)據(jù)的電氣的或電磁的表現(xiàn)。 “模擬的”(analogous)連續(xù)變化的。 “數(shù)字的”(digital)取值是離散數(shù)值。 調(diào)制把數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號的過程。 解調(diào)把模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的過程。 碼元(code)在使用時(shí)間域（或簡稱為時(shí)域）的波形表示數(shù)字信號時(shí)，代表不同離散數(shù)值的基本波形。 第3頁/共30頁數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)組成 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)是通過數(shù)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

3、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) 第4頁/共30頁數(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)終端設(shè)備，簡稱終端。 第5頁/共30頁數(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)

4、的連接點(diǎn)。 DCE的功能就是完成數(shù)據(jù)信號的變換。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)信號不適合信道傳輸，所以要把數(shù)據(jù)信號變成適合信道傳輸?shù)男盘?。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。第6頁/共30頁數(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，使雙

5、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。 第7頁/共30頁模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng) 模擬通信系統(tǒng)：采用模擬信號傳輸?shù)耐ㄐ畔到y(tǒng)。 數(shù)字通信系統(tǒng)：采用數(shù)字信號傳輸?shù)耐ㄐ畔到y(tǒng)。第8頁/共30頁數(shù)字信號通過實(shí)際的信道 有失真，但可識(shí)別 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)送信號波形接收信號波形發(fā)送信號波形實(shí)際的信道（帶寬受限、有噪聲、干擾和失真）接收信號波形第9頁/共30頁信號傳輸過程中的衰減 模擬傳輸系統(tǒng)：放大器（會(huì)放大噪音分量） 數(shù)字傳輸系統(tǒng)：中繼器（再生信號）第10頁/共30頁模擬信號與數(shù)字信號的對比 數(shù)字信號發(fā)送的最基本的優(yōu)點(diǎn)是

6、比一般模擬信號發(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)字信號比模擬信號易衰減。 第11頁/共30頁模擬和數(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)。模擬信號如圖 (a)所示，數(shù)字信號如圖 (b)所示，它們分別對應(yīng)著連續(xù)信號和離散信號。 第12頁/共30頁模擬數(shù)據(jù)通信和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)通信 模擬數(shù)據(jù)通信：允許一定范圍內(nèi)的失真 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)通信：不允許任何失真 第13頁/共30頁任何數(shù)據(jù)均可以任何信號形式傳輸 用模擬信號傳送模擬數(shù)據(jù)，可以直接用

7、占有相同頻譜范圍的電磁波信號來表示。 用數(shù)字信號來傳送模擬數(shù)據(jù)用編碼解碼器。 用模擬信號傳送數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)用調(diào)制解調(diào)器。 用數(shù)字信號來傳送數(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，常常對二進(jìn)制數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼。 第14頁/共30頁模擬的和數(shù)字的數(shù)據(jù)、信號 模擬數(shù)據(jù)模擬信號放大器調(diào)制器模擬數(shù)據(jù)數(shù)字信號 PCM編碼器數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)模擬信號調(diào)制器數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)數(shù)字信號 數(shù)字發(fā)送器第15頁/共30頁 2.2.2 有關(guān)信號的幾個(gè)基本概念 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。 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)。 雙向同時(shí)通信（全

8、雙工通信）通信的雙方可以同時(shí)發(fā)送和接收信息。 第16頁/共30頁傳輸方式 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） 串行傳輸：使用一條線路，逐個(gè)地傳輸所有的比特。（如計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中）第17頁/共30頁基帶(baseband)信號和寬帶(broadband)信號 基帶信號就是將數(shù)字信號 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。 寬帶信號則是將基帶信號進(jìn)行調(diào)制后形成的頻分復(fù)用模擬信號。 第18頁/共30頁兩種連接方式1. 點(diǎn)到點(diǎn)連接點(diǎn)到點(diǎn)連接 點(diǎn)對點(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。

9、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 公用電話 交換網(wǎng) 第19頁/共30頁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 第20頁/共30頁2.2.3

10、信道的極限容量 Nyquist定理：（理想）nNyquist證明：對于一個(gè)帶寬為H的連續(xù)信號，如果要對其進(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 = 2Hlog 2V (bps) 其中V為采樣值的量化等級。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。第21頁/共30頁 任何實(shí)際的信道都不是理想的，在傳輸信號時(shí)會(huì)產(chǎn)生各種失真以及帶來多種干擾。 碼元傳輸?shù)乃俾试礁撸蛐盘杺鬏數(shù)木嚯x越遠(yuǎn)，在信道的輸出端的波形的失真就越嚴(yán)重。 第22頁/共30頁Shannon定理 Shannon推導(dǎo)：

11、對于帶寬為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 (1 + S/N) (bps) 信號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)。如果信號的S/N為10，則是10dB；如果S/N為100，則是20dB。第23頁/共30頁香農(nóng)公式表明 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。 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。 若信道帶寬 W 或信噪比 S/N 沒有上限（當(dāng)然實(shí)際信道

12、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。 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。 第24頁/共30頁波特與比特率的關(guān)系1、波特率信號每秒鐘變化的次數(shù)用于描述載波(Carrier)信號2、比特率信號每秒鐘傳輸?shù)亩M(jìn)制位數(shù)與信號的狀態(tài)數(shù)有關(guān)3、兩者的關(guān)系2log V=比特率波特率2logbBRRV=第25頁/共30頁請注意 對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。 第26頁/共30頁練習(xí)（1）話音級線路的帶寬約為3.1kHz，信號由2個(gè)離散等級組成，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？（2）若信道帶寬W=3.1kHz，S/N=2000，則信道最大數(shù)據(jù)傳輸率為多少？（3）If a binary signal is sent over a 3-kHz channel whose signa