1、第3講 物理層和數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)(1),【第2章 物理層（第1講）】,第一章小結(jié)（快速提問1）,第一章的重點(diǎn)是什么？,第一章要點(diǎn)復(fù)習(xí)（快速提問2）,分組交換的思想，優(yōu)缺點(diǎn) 物理層的作用 數(shù)據(jù)鏈路層的作用 網(wǎng)絡(luò)層的作用 傳輸層的作用 什么是協(xié)議 什么是協(xié)議數(shù)據(jù)單元、一般格式,本講預(yù)習(xí)情況檢查（快速提問3）,掌握 物理層的作用、四類特性 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的模型 信息、數(shù)據(jù)和信號、模擬量與數(shù)字量 信道 模擬傳輸、基帶傳輸 模擬通信、數(shù)據(jù)通信（基帶通信、載波模擬通信） 和數(shù)字通信 了解 串行通信和并行通信、通信的雙工性 基帶調(diào)制、帶通調(diào)制 振幅調(diào)制、頻率調(diào)制、相位調(diào)制 脈沖編碼調(diào)制技術(shù) PCM 信道的極限信息

2、傳輸速率,第2章教材分析,三部分內(nèi)容（教材章節(jié)） 第1層：物理層（第1節(jié)） 第0層：數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)（第2、3、4、5節(jié)） 是本章主要內(nèi)容 寬帶接入技術(shù)（第6節(jié)） 安排 第3講：物理層和數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)(1) 物理層（2.1）、通信系統(tǒng)（2.2, 2.5.1 ） 第4講：數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)(2) 傳輸介質(zhì)（2.3） 、信道復(fù)用（2.4） 寬帶接入技術(shù)（2.6），復(fù)習(xí) 課時(shí)原因，不介紹（自學(xué)了解） 同步光纖網(wǎng) SONET 、同步數(shù)字系列 SDH,本章特點(diǎn),學(xué)習(xí)特點(diǎn) 術(shù)語多 涉及電子、通信的原理 學(xué)習(xí)要求： 一般了解（不是本課程的重點(diǎn)） 本章主要給出結(jié)論和基本原理,本講內(nèi)容及其安排,1 （狹義的）物理層的基本概

3、念（ 2.1 ） 2 數(shù)據(jù)通信的基礎(chǔ)知識（ 2.2 ） 2.1 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)模型（ 2.2.1 ） 2.2 信道 （ 2.2.2 ） 2.3 通信類型 2.4 載波模擬通信和帶通調(diào)制 2.5 基帶通信和基帶調(diào)制（補(bǔ)充教材） 2.6 數(shù)字通信和數(shù)字化（2.5.1） 2.7 信道的極限容量（ 2.2.3 ）,1. （狹義的） 物理層的基本概念（ 2.1 ）,物理層（復(fù)習(xí)） 物理層協(xié)議：入網(wǎng)設(shè)備與信道連接的標(biāo)準(zhǔn) 目的：不同廠家的的入網(wǎng)設(shè)備與不同信道可以方便地連接（提供信道對計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的獨(dú)立性),物理層的四類特性,物理層：確定與傳輸媒體的四類接口特性 （連接標(biāo)準(zhǔn)：不僅僅是硬件連接） 機(jī)械特性(mech

4、anical characteristics) 描述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(electrical characteristics) 描述在接口電纜的各條線上出現(xiàn)的電壓的范圍。 功能特性(functional characteristics) 描述某條線上出現(xiàn)的某一電平的電壓表示何種意義。 過程特性(procedural characteristics) 描述對于不同功能的各種可能事件的出現(xiàn)順序。,傳統(tǒng)的物理層協(xié)議/標(biāo)準(zhǔn),RS-232 RS-449 X.21,廣義的物理層,狹義的物理層+數(shù)據(jù)通信,2 數(shù)據(jù)通信的基礎(chǔ)知識（ 2.2 ）,2.1 數(shù)

5、據(jù)通信系統(tǒng)模型（ 2.2.1 ） 2.2 信道 （ 2.2.2 ） 2.3 通信類型 2.4 載波模擬通信和帶通調(diào)制 2.5 基帶通信和基帶調(diào)制（補(bǔ)充教材） 2.6 數(shù)字通信和數(shù)字化（2.5.1） 2.7 信道的極限容量（ 2.2.3 ）,2.1 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)模型（ p37 2.2.1 ）,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)字信號,模擬信號,模擬信號,正文,正文,PC 機(jī),數(shù)字信號,術(shù)語,信息(information)：人們關(guān)心的事物特征的狀態(tài) 數(shù)據(jù)(data)：存儲和交換信息的載體 信息是數(shù)據(jù)的內(nèi)容，數(shù)據(jù)是信息的形式 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)：用0,1串對信息的編碼 信號(signal)：數(shù)據(jù)

6、在通信傳輸時(shí)的形式(本課程) （數(shù)據(jù)的表現(xiàn)形式：電、磁、光） 信號中包含了所要傳遞的信息 。,輸入信息,輸入數(shù)據(jù),發(fā)送的信號,接收的信號,術(shù)語（續(xù)）,模擬(Analog)量： 值域是連續(xù)空間，如溫度（實(shí)數(shù)），sin函數(shù),數(shù)字(Digital)量（離散量）： 取值是不連續(xù)的，如文本(字符集)、人數(shù)（整數(shù)）,數(shù)字量與模擬量可以近似地互相轉(zhuǎn)換,模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量：模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換 數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量：數(shù)模（D/A）轉(zhuǎn)換 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)可以表示： 離散信息：如，整數(shù)、文字 模擬信息：如，溫度、聲音,術(shù)語：模擬傳輸、數(shù)字傳輸,模擬傳輸：用連續(xù)變化的物理量(模擬信號)傳輸數(shù)據(jù) 數(shù)字傳輸（又稱為“基帶傳輸” ）

7、：用不連續(xù)的物理狀態(tài)(數(shù)字信號)傳輸數(shù)據(jù),術(shù)語：基帶(baseband)信號,基帶信號：原意為“來自信源的信號” 計(jì)算機(jī)等設(shè)備（信源）提供的是數(shù)字信號，所以，計(jì)算機(jī)通信將數(shù)字信號稱為基帶信號。 包含較多的低頻成分，甚至有直流成分,術(shù)語：串行通信和并行通信 p36,并行傳輸：用多條傳輸介質(zhì)同時(shí)傳送多位數(shù)據(jù)。 串行傳輸：用一條傳輸介質(zhì)同一時(shí)刻只能傳送一位數(shù)據(jù)。,并行通信（自學(xué)）,主要用于近距離傳輸如，主機(jī)與打印機(jī)，利用并行端口（LPT）進(jìn)行通信，一次可以傳輸8位數(shù)據(jù),串行通信（自學(xué)）,用于遠(yuǎn)距離通信 網(wǎng)絡(luò)中采用串行通信，網(wǎng)卡負(fù)責(zé)串/并轉(zhuǎn)換。 使用COM口，由串行通信適配器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。 本課程，只討論

8、串行通信,術(shù)語：通信的雙工性,單向通信（單工通信）只能有一個(gè)方向的通信。 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（全雙工通信）通信的雙方可以同時(shí)發(fā)送和接收信息。 包含二條信道：一條發(fā)送信道，一條接收信道 可以認(rèn)為，是二條半雙工信道,2.2 信道 （教材p38 2.2.2 ）,鏈路(link) 傳輸介質(zhì) 兩端的一對通信設(shè)備 如，銅線 兩端的modem,通路(Path) 一組前后連接的鏈路,邏輯鏈路信道（channel） ： 鏈路協(xié)議（見第三章） ，有方向 一條電路可以含多條信道（參見2.4 信道復(fù)用技術(shù)） 如，一根電話線含3

9、0條話路,信道按傳輸方式分類,模擬信道（analog channel ）： 采用模擬傳輸?shù)男诺溃ㄓ媚M信號傳輸數(shù)據(jù)） 數(shù)字信道（digital channel ）： 采用數(shù)字傳輸?shù)男诺溃ㄓ脭?shù)字信號傳輸數(shù)據(jù)）,通信類型和信號調(diào)制（調(diào)整了教材）,說明：對教材進(jìn)行了調(diào)整和補(bǔ)充 內(nèi)容： 2.3 通信類型 2.4 載波模擬通信和帶通調(diào)制 2.5 基帶通信和基帶調(diào)制（補(bǔ)充教材） 2.6 數(shù)字通信和數(shù)字化（2.5.1） 2.7 信道的極限容量（ 2.2.3 ）,2.3 通信類型（ 2.2.2 ）,通信分類方法之一（三類四種）： 模擬通信：直接用模擬信號傳輸模擬數(shù)據(jù) （如，市內(nèi)電話，本課程不討論） 數(shù)據(jù)通信：

10、傳輸數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)（計(jì)算機(jī)通信是數(shù)據(jù)通信） 基帶（數(shù)據(jù)）通信：用數(shù)字信號傳輸數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù) 載波（數(shù)據(jù)）通信：用載波模擬信號傳輸數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)（又稱為載波模擬通信） 數(shù)據(jù)通信的優(yōu)點(diǎn)：抗干擾性好 數(shù)字通信：用數(shù)據(jù)通信方法傳輸模擬數(shù)據(jù) 先將模擬數(shù)據(jù)“模數(shù)轉(zhuǎn)換”(A/D)為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù) 再進(jìn)行數(shù)據(jù)通信 傳輸后，再將數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)“數(shù)模轉(zhuǎn)換”(D/A)為模擬數(shù)據(jù),四種通信,課后學(xué)生分析比較,區(qū)別1 數(shù)字傳輸：用數(shù)字信號傳輸（數(shù)字或模擬）數(shù)據(jù) 數(shù)字通信： 特指用數(shù)字傳輸或載波模擬傳輸方式傳輸模擬數(shù)據(jù) 區(qū)別2 數(shù)據(jù)通信：傳輸數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù) 數(shù)字通信：傳輸模擬數(shù)據(jù)（用數(shù)據(jù)通信方法）,小結(jié),調(diào)制（編碼）的概念,發(fā)送 的信號,接收 的信號,輸出

11、 數(shù)據(jù),信源編碼,輸入 數(shù)據(jù),信道編碼,信道譯碼,信源譯碼,為了使傳輸?shù)男盘栠m應(yīng)信道的特性，需要將待傳送的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為滿足一定要求的信號，稱為編碼（編碼，也稱為調(diào)制）,調(diào)制（編碼）的概念,發(fā)送方： 載波數(shù)據(jù)通信： 將數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)調(diào)制到模擬信號上（正弦波） 基帶數(shù)據(jù)通信： 將數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為更合適的數(shù)字信號 數(shù)字通信： 發(fā)送方要將模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)（數(shù)字化、編碼），再進(jìn)行數(shù)據(jù)通信 接收方：要做相反的處理,2.4 載波模擬通信和帶通調(diào)制,數(shù)據(jù)通信之一：載波模擬通信 問題的提出： 基帶信號的帶寬大，在模擬電話通信系統(tǒng)（頻率范圍3003400HZ）無法傳輸 載波模擬通信：可以用模擬電話系統(tǒng)傳輸數(shù)字信號。

12、（帶通）調(diào)制解調(diào)：將計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為頻率范圍為4KHZ的（帶通）模擬信號來傳輸。 調(diào)制（Modulation） : 發(fā)送前，把數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為（裝載到）模擬信號 解調(diào)（Demodulation) : 接收時(shí)，把模擬信號轉(zhuǎn)換為（提取出）數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù) 完成上述功能的設(shè)備就稱為調(diào)制解調(diào)器Modem,載波通信的優(yōu)點(diǎn),可以利用原有的通信資源進(jìn)行計(jì)算機(jī)通信 20世紀(jì)，家庭主要通過電話接入網(wǎng)上網(wǎng)。 不需放大可傳輸較遠(yuǎn)。 載波模擬信號頻帶窄，占用的信道帶寬少便于實(shí)現(xiàn)多路復(fù)用(見 2.4) 一條物理信道同時(shí)傳送多路載波模擬信號 載波傳輸又稱為寬帶傳輸。,調(diào)制原理,用正弦信號(模擬信號)運(yùn)載數(shù)字信息 這個(gè)正弦

13、信號稱為載波信號 正弦載波信號y(t) =A Sin ( 2ft +)是模擬信號 正弦函數(shù)的三個(gè)重要參量： 幅度A、頻率f、初相角。 調(diào)制：用待發(fā)送的數(shù)字信號控制正弦載波的某個(gè)參量，使這些參量隨數(shù)字信號變化，得到頻率范圍為4K的載波模擬信號 調(diào)制波仍是模擬信號，適合于模擬線路傳送。,載波通信系統(tǒng)的簡單模型,三種最基本的調(diào)制方法,根據(jù)調(diào)制參數(shù)的不同： 最基本的二元制調(diào)制方法有以下三種： 調(diào)幅(AM):載波的振幅隨基帶數(shù)字信號而變化 調(diào)頻(FM):載波的頻率隨基帶數(shù)字信號而變化 調(diào)相(PM):載波的初相角隨基帶數(shù)字信號而變化 調(diào)幅=移幅鍵控ASK(Amplitude Shift Keying) 調(diào)

14、頻=移頻鍵控FSK(Frequency Shift Keying) 調(diào)相=移相鍵控PSK(Phase Shift Keying),正弦函數(shù)的三個(gè)重要參量： 幅度A、頻率f、初相角,（1） 調(diào)幅AM/幅移鍵控ASK,ASK：( Amplitude-Shift Keying) 用二進(jìn)制數(shù)據(jù)控制載波的幅度 如，振幅為A表示1，振幅為0表示0,振幅調(diào)制功能框圖,（2） 調(diào)頻FM/移頻鍵控FSK,FSK(Frequency Shift Keying) 用二進(jìn)制數(shù)據(jù)控制載波的頻率 如：1270Hz的載波信號f1表示1 1070Hz的載波信號f2表示0,頻率調(diào)制功能框圖,（3） 調(diào)相PM/移相鍵控PSK,P

15、SK(Phase Shift Keying) ：用二進(jìn)制數(shù)據(jù)控制載波的初相角: 如：初相角為0 表示1，初相角為 表示0,相位調(diào)制功能框圖,2.5 基帶通信和基帶調(diào)制,數(shù)據(jù)通信之二：基帶通信 直接傳輸數(shù)字信號 需要基帶調(diào)制 為什么要基帶調(diào)制 基帶信號含有低頻分量、甚至包括直流分量 許多數(shù)字信道不能直接傳送這些基帶信號 發(fā)送、接收的時(shí)鐘有誤差，連續(xù)發(fā)送多個(gè)數(shù)字信號，會(huì)產(chǎn)生接收錯(cuò)誤 發(fā)送100個(gè)碼元，接收到101個(gè) 發(fā)送的第100位是1，接收的是0 需要位同步信號,補(bǔ)充：位同步的概念 (難點(diǎn)，非重點(diǎn)),問題的提出 接收數(shù)據(jù)：按雙方約定的周期T采樣信號 實(shí)際系統(tǒng)，任二個(gè)時(shí)鐘不可能完全相等 當(dāng)二個(gè)時(shí)鐘

16、誤差累積值較大時(shí) （如，超過碼元寬度T的一半），就產(chǎn)生差錯(cuò)(比特重讀或漏讀)。,曼特斯特(Manchester)編碼（ 3.3.2，P80 ）,每個(gè)碼元中間有跳變，既作數(shù)據(jù)信號，又作位同步 0:先低后高，1:先高后低 （或，0:先高后低，1:先低后高）,2.6 數(shù)字通信和數(shù)字化（2.5.1）,數(shù)字通信：用數(shù)據(jù)通信的方法傳輸模擬數(shù)據(jù) 如，傳輸語音,數(shù)字通信（復(fù)習(xí)）,用數(shù)據(jù)通信方法傳輸模擬數(shù)據(jù) 先將模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)（A/D轉(zhuǎn)換） 再進(jìn)行數(shù)據(jù)通信 傳輸后，再將數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)數(shù)模轉(zhuǎn)換為模擬數(shù)據(jù)（D/A）,將模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù),用編碼解碼器CoDec把模擬數(shù)據(jù)變換為數(shù)字信號（脈沖） 常用的技術(shù)：脈沖

17、編碼調(diào)制技術(shù) PCM （ Pulse Code Modulation ），簡稱脈碼調(diào)制,PCM調(diào)制技術(shù)（三步曲）,PCM (Pulse Code Modulation)小結(jié),對模擬數(shù)據(jù)采樣、量化、編碼 三步曲： 采樣（時(shí)間離散化）：如， 1us采樣一次例，一次采樣，得到一個(gè)幅值連續(xù)的值y=6.2463 量化（幅值離散化）：例，將連續(xù)的值y轉(zhuǎn)換為幅值離散的值y=6 編碼（幅值0/1化）例，將離散的值y轉(zhuǎn)換為0,1編碼y=0000 0110,例：將模擬語音轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字電話信號,根據(jù)采樣定理，只要采樣頻率不低于模擬信號最高頻率的2倍，就可以從采樣脈沖信號無失真地恢復(fù)出原來的信號。 例：一路電話 采樣:

18、 語音信號的最高頻率為3.4 kHz， 取采樣頻率為8 kHz 6.8kHz, 采樣周期為1/8000秒，即， 每125 s采樣一次。 量化:將模擬信號分成128級 編碼:每次采樣用7位二進(jìn)制數(shù)表示。,2.7 信道的極限容量（ 2.2.3 ）,復(fù)習(xí)第1講： 速率：每秒鐘傳送的信息量 (比特?cái)?shù)，二進(jìn)制位數(shù))。 單位： b/s，bit/s, bps 也稱為信息傳輸速率，發(fā)送速率、數(shù)據(jù)速率 又稱為“比特率R”、比特傳輸率 這里的“容量”：指速率（信息傳輸速率） 本小節(jié)： 碼元傳輸率（波特率 ） N元碼 信道的最高碼元傳輸速率 信道的極限信息傳輸速率,術(shù)語：碼元,碼元(code) 信號的基本單位（在時(shí)

19、間域不可再分） 教材：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,波特率B（碼元傳輸率）,波特率B（碼元率、調(diào)制速率、波形速率或符號速率 ）： 每秒傳輸?shù)拇a元數(shù)。 單位： 碼元個(gè)數(shù)/每秒，簡稱Baud、波特 直觀理解：在圖示波形下，波特率脈沖信號的突變次數(shù)信號每秒鐘變化的次數(shù)。,區(qū)別,比較1 碼元率B：碼元傳輸率=信號傳輸率 比特率R：比特傳輸率=信息傳輸率 比較2：波特(Baud)和比特(bit)是兩個(gè)不同的概念。 波特是碼元傳輸?shù)乃俾蕟挝?（每秒傳多少個(gè)碼元）。 比特是信息量的單位。,N元碼,碼元：最小的信號單位 N元碼：一個(gè)碼元可以表示N個(gè)不同的狀態(tài),二

20、元碼：二個(gè)狀態(tài)，例：0V0，5V脈沖1 二元碼的一個(gè)碼元含1bit信息 （Bit=比特：信息量的單位 ）,N元碼,例，八元碼，八個(gè)狀態(tài)： 用8種不同相位調(diào)整的載波信號 3位0/1碼有八個(gè)狀態(tài) 所以，一個(gè)八元碼可以表示3bit信息 結(jié)論：n元碼的一個(gè)碼元可以表示（logn）bit信息,比特率R與波特率B的關(guān)系,一個(gè)n元碼的碼元可以表示（logn）bit信息 所以，R=B log n （n元碼） 例：二元碼：R=B， 比特率和波特率相同， 例:八元碼：R=B log 83B, 每個(gè)碼元表示3位信息，比特率是波特率的倍。,（1）信道的最高碼元傳輸速率,數(shù)字信號通過實(shí)際信道時(shí)會(huì)有衰減和失真,失真較大時(shí)

21、，接收方無法識別 0、1,失真較小時(shí)，接收方可以識別 0、1,信道的最高碼元傳輸速率,碼元傳輸?shù)乃俾试礁?，或信號傳輸?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。 所以，信道所能傳輸?shù)淖罡叽a元傳輸是有限的,預(yù)備知識：二種理想信道,理想低通信道,理想帶通信道,信道的最高碼元傳輸速率，奈氏(Nyquist)準(zhǔn)則,理想低通信道的最高碼元傳輸速率 = 2W Baud W 是理想低通信道的帶寬，單位為赫芝(Hz) 例，帶寬W=3K,最高碼元傳輸速率 = 2W6k如果采用二元碼，最高信息傳輸速率為6000bit,應(yīng)用,奈氏準(zhǔn)則制約了碼元傳輸率， 提高碼元的信息量提高信息傳輸率 提高碼元信息量的方法之一：

22、多元碼,最高碼元傳輸速率 = 2W6k 如果采用二元碼，最高信息傳輸速率為6000bit 如果采用八元碼，最高信息傳輸速率為18000bit,說明,實(shí)際的信道所能傳輸?shù)淖罡叽a元速率， 比奈氏準(zhǔn)則給出的上限值要低。,（2）信道的極限信息傳輸速率：香農(nóng)定理,先給出結(jié)論，并加以比較。 信道帶寬W不變時(shí)， 奈氏準(zhǔn)則：給出最高碼元傳輸速率 2W啟發(fā)：提高碼元的信息量提高信息傳輸率 香農(nóng)定理：給出最高信息傳輸速率（ 教材p40L1 ） 啟發(fā)：提高信號的功率提高信息傳輸率，,信道的極限信息傳輸速率（ 教材p40 ）,帶寬受限且有高斯白噪聲干擾的信道的極限信息傳輸速率 C，香農(nóng)(Shannon) 公式： 極限信息傳輸速率 C = W log 2 (1+S/N) b/s W 為信道的帶寬（以 Hz 為單位）； S 為信道內(nèi)所傳信號的平均功率； N 為信道內(nèi)部的高斯噪聲（熱噪聲）功率 S/N：信噪比信號功率與噪聲功率之比 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。,理解香農(nóng)公式,由香農(nóng)公式， C = W