第三章物理層

第三章數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)與物理層課前思考

什么是數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的基本模型？信道的基本參數(shù)有哪些？最大數(shù)據(jù)率如何確定？什么叫模擬通信、數(shù)字通信？模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)如何相互轉(zhuǎn)化？什么叫同步傳輸和異步傳輸？何謂復(fù)用技術(shù)？常用的復(fù)用方技術(shù)有哪幾種？本章內(nèi)容3.1數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)3.1.1通信系統(tǒng)模型3.1.2模擬通信與數(shù)字通信3.1.3信號(hào)帶寬3.1.4信道3.1.5物理傳輸媒體3.1.6數(shù)字信號(hào)的編碼3.1.7數(shù)字調(diào)制技術(shù)3.1.8模擬信號(hào)的脈碼調(diào)制3.1.9數(shù)據(jù)同步方式3.1.10多路復(fù)用技術(shù)3.2物理層協(xié)議3.2.1物理層協(xié)議在通信系統(tǒng)中的地位3.2.2四類物理層協(xié)議3.3物理層協(xié)議舉例

3.1數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)3.1.1

通信系統(tǒng)模型信源變換器信道反變換器信宿噪聲源信源：將各種信息轉(zhuǎn)換成原始物理信號(hào)，如計(jì)算機(jī)，手機(jī)，電話機(jī)等。變換器/反變換器：對(duì)原始物理信號(hào)進(jìn)行變換/反變換，以便適合在給定的信道上傳輸，如MODEM，TA，光/電轉(zhuǎn)換器等。信道：傳輸信號(hào)的一條通路。一條物理線路可構(gòu)成一個(gè)或多個(gè)信道。噪聲源：信道自身的噪聲以及周圍環(huán)境對(duì)信道的干擾。如熱噪聲，閃電，強(qiáng)電磁場干擾等。信宿：將物理信號(hào)轉(zhuǎn)換為信息，如計(jì)算機(jī)，手機(jī)，電話機(jī)等。發(fā)送端接收端3.1數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)模擬信號(hào):信號(hào)在傳輸過程中連續(xù)變化。數(shù)字信號(hào):信號(hào)在傳輸過程中離散變化。模擬通信：利用模擬信號(hào)來傳輸數(shù)據(jù)。數(shù)字通信：通過數(shù)字信號(hào)來傳輸數(shù)據(jù)。數(shù)字信號(hào)

vt

v

t

模擬信號(hào)3.1.2

模擬通信與數(shù)字通信3.1數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)數(shù)字通信的優(yōu)點(diǎn)抗干擾能力強(qiáng)。適合遠(yuǎn)距離傳輸。有利于安全性。適合多媒體信息傳輸。3.1.3

信號(hào)帶寬信號(hào)帶寬:信號(hào)能量所集中的頻率范圍（頻譜）。

例如:語音信號(hào)占用的頻率譜為300-3400Hz,那么帶寬為3400-300=3100Hz對(duì)數(shù)字信號(hào),帶寬H可近似表示為：

H=1/τ

τ為脈沖寬度；數(shù)據(jù)率越高，脈寬越窄，數(shù)字信號(hào)的帶寬越大。3.1數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)3.1.4信道信道信道是傳輸信號(hào)的一條通路。信道通常由物理傳輸介質(zhì)和通信設(shè)備（如MODEM，中繼器，均衡器）組成。一條物理線路可同時(shí)復(fù)用多條信道。衡量信道質(zhì)量的兩個(gè)重要參數(shù)信道的帶寬。信道的誤碼率。信道帶寬信道帶寬：信道允許傳輸信號(hào)的頻率范圍，單位為Hz。

如普通電話線的帶寬是4KHz。對(duì)數(shù)字通信，通常用數(shù)據(jù)率來表示帶寬。數(shù)據(jù)率：信道每秒最多傳輸?shù)亩M(jìn)制位數(shù)，單位為bps。3.1數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)波特率波特率又稱碼元速率，是指每秒傳輸碼元的數(shù)目，單位為波特（Baud）.若碼元的離散取值數(shù)目為L，波特率為B，數(shù)據(jù)率為C，則： C=Blog2L3.1數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)信道帶寬與數(shù)據(jù)率的關(guān)系奈奎斯特定理（無噪聲信道）

C=2Hlog2L

(

bps)

其中，C為信道的數(shù)據(jù)率（即容量）；H為信道的帶寬；L為數(shù)字信號(hào)的離散取值數(shù)目。香農(nóng)定理（有噪聲信道，Ｌ不受限）

C=Hlog2(1+S/N)

(

bps)

其中，S為信號(hào)功率，N為噪音功率，S/N為信噪比。例：H=4KHz,S/N=1023,L=8；

求C。解：（１）由奈奎斯特定理：

C=2Hlog2L=2×4000log28=24000（bps）3.1數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)（2）由香農(nóng)定理：

C=Hlog2(1+S/N)=4000log2（1+1023）

=40000bps所以，信道最大數(shù)據(jù)率24000bps3.1數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)誤碼率

誤碼率是指數(shù)字信號(hào)比特（二進(jìn)制位）在傳輸過程中出錯(cuò)的概率。

P=Ne/N

其中，P為誤碼率；Ne為出錯(cuò)的比特?cái)?shù)；N為傳輸?shù)目偙忍財(cái)?shù)。

信道的通信方向

單工信道只允許數(shù)據(jù)信號(hào)在信道上的單向傳輸。如：無線電廣播，電視。

半雙工信道數(shù)據(jù)信號(hào)可以在信道上雙向傳輸，但同一時(shí)刻只允許單向傳輸。如：無線對(duì)講機(jī)。

全雙工信道

允許數(shù)據(jù)同時(shí)雙向傳輸。如：計(jì)算機(jī)通信。

3.1數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)ABABAB

數(shù)據(jù)

應(yīng)答

數(shù)據(jù)

應(yīng)答

數(shù)據(jù)

應(yīng)答

單工信道

半雙工信道全雙工信道3.1數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)3.1.5物理傳輸媒體（通信介質(zhì)）雙絞線非屏蔽雙絞線（UTP）

三類UTP

100Ω,100m,10Mbps，用于10BASE-T以太網(wǎng)。五類UTP（目前常用）

100Ω,100m,100Mbps，用于100BASE-T以太網(wǎng)。超五類UTP

100Ω,80m,1000Mbps，用于千兆以太網(wǎng)。六類UTP100Ω,100m,1000Mbps，用于千兆以太網(wǎng)。銅線聚氯乙烯套層絕緣層3.1數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)屏蔽雙絞線（STP）抗干擾性能好。價(jià)格昂貴、安裝麻煩。同軸電纜銅線聚氯乙烯套層屏蔽層絕緣層3.1數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)

同軸電纜中央是一根銅導(dǎo)線，外包一層絕緣材料（泡沫塑料），這層絕緣材料又被第二層網(wǎng)狀導(dǎo)體裹住，以屏蔽外界電磁干擾?；鶐S電纜（50Ω）粗纜:10BASE-5細(xì)纜:10BASE-2寬帶同軸電纜（75Ω）

用于閉路電視。與雙絞線相比，同軸電纜傳輸距離長，抗干擾能力強(qiáng)，但價(jià)格貴，布線麻煩。3.1數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)光纖的中央是一根直徑幾十微米光導(dǎo)玻璃或塑料芯。外面用一層玻璃體包住，最外層是塑料保護(hù)層。多根光纖由外包層包裹在一起構(gòu)成光纜。光纖分為單模和多模兩類。光纖單模光纖光線主要沿著光線的軸心向前傳輸單模光纖傳輸距離較長，但對(duì)光源要求高。3.1數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)多模光纖光線沿著光纖以多種角度被包層反射向前傳輸。多模光纖傳輸距離較短，但對(duì)光源要求不高。光纖優(yōu)點(diǎn)容量大：可達(dá)幾百Gbps。距離遠(yuǎn)：100km（無需中繼）?？垢蓴_能力強(qiáng)：不受外部電磁場干擾?；瘜W(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。3.1數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)無線傳輸媒體無線傳輸以自由空間作為傳輸媒體，主要包括無線電波、微波、衛(wèi)星通信、激光、紅外線等。無線電波劃分國際電信聯(lián)盟將無線電波劃分為：低頻：（LF）(30kHz—300KHz)

中頻：（MF）(300kHz—3MHz)

高頻：（HF）(3MHz—30MHz)

甚高頻：（VHF）(30MHz—300MHz)

超高頻：（UHF）(300MHz—3GHz)

特高頻：（SHF）(3GHz—30GHz)

極高頻：（EHF）(30GHz—300GHz)3.1數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)無線電波無線電波的傳播特性低中頻可輕易的通過障礙物（繞射）；但能量隨距離增加而急劇減少，傳輸距離有限。高頻和甚高頻能量會(huì)被地表吸收；但能通過電離層反射。超高頻和特超高頻（微波）只能直線傳播；既不能繞射也不能反射。3.1數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)

微波

微波頻率大致為1GHz—100GHz用于無線局域網(wǎng)的微波頻率范圍為：2.4GHz—2.484GHz5.725GHz—5.825GHz18.825GHz—19.205GHz微波通信必須要有微波中繼站：100m高，相距80km。衛(wèi)星通信衛(wèi)星通信是一種特殊的微波通信，使用同步通信衛(wèi)星作為微波中繼站與地面中繼站相比，衛(wèi)星的通信距離遠(yuǎn)，從理論上講，三個(gè)同步衛(wèi)星就能覆蓋整個(gè)地球表面。衛(wèi)星通信的特點(diǎn)

（1）傳輸延遲長達(dá)270ms。（2）通信費(fèi)用與距離無關(guān)。（3）抗干擾能力差，甚至雨水也能吸收微波能量

3.1數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)3.1.6數(shù)字信號(hào)的編碼數(shù)字信號(hào)的編碼：用何種物理信號(hào)來表示“0”和“1”。非歸零編碼（NRE:Non-ReturntoZero）以高電平表示“0”，低電平表示“1”，反之亦然。優(yōu)點(diǎn)：編/譯碼簡單。缺點(diǎn)：內(nèi)部不含時(shí)鐘信號(hào)，收/發(fā)端同步困難。用途：計(jì)算機(jī)內(nèi)部低速數(shù)據(jù)通信010011000113.1數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)曼徹斯特編碼（ManchesterEncoding）

每一位中間有一次跳變，既表示數(shù)據(jù)，又作為同步信號(hào)。從高電平跳變到低電平表示“0”，從低電平跳變到高電平表示“1”；反之亦然。優(yōu)點(diǎn)：內(nèi)部自含時(shí)鐘，收/發(fā)端同步容易。缺點(diǎn)：編/譯碼較復(fù)雜。占用更多的信道帶寬，在同樣的波特率的情況下，要比非歸零編碼多占用一倍信道帶寬，或者說編碼效率只有50%。010011000113.1數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)用途：802.3局域網(wǎng)（以太網(wǎng)）差分曼徹斯特編碼（DifferentialManchesterEncoding）

每一位中間也有一次跳變，但這種跳變僅作為同步信號(hào)，不表示數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)值通過每位開始時(shí)無跳變來表示；有跳變表示“0”，無跳變表示“1”；反之亦然。優(yōu)點(diǎn)：內(nèi)部自含時(shí)鐘，收/發(fā)端同步容易。比曼徹斯特編碼的抗干擾能力更強(qiáng)。010011000113.1數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)缺點(diǎn)：編/譯碼更復(fù)雜。同樣需要多占用一倍信道帶寬。用途：802.5局域網(wǎng)（令牌環(huán)網(wǎng)）3.1.7數(shù)字調(diào)制技術(shù)3.1.7數(shù)字調(diào)制技術(shù)數(shù)字信號(hào)的模擬傳輸基帶信號(hào)：由信源產(chǎn)生的原始電信號(hào)。載波：頻率較高的正弦波信號(hào)。調(diào)制：將基帶信號(hào)加載到載波上，即按基帶信號(hào)的變化規(guī)律去改變載

波的某些參數(shù)。解調(diào)：從載波中提取基帶信號(hào)。調(diào)制技術(shù)基帶信號(hào)調(diào)制解調(diào)基帶信號(hào)模擬信道調(diào)制技術(shù)調(diào)幅：用載波信號(hào)不同振幅表示數(shù)據(jù),又稱幅移鍵控法ASK。易受突發(fā)干擾，適合低速數(shù)據(jù)傳輸，典型為1200bps調(diào)頻用載波信號(hào)不同頻率表示數(shù)據(jù),頻率高表示“1”，頻率低表示“0”又稱頻移鍵控法FSK抗干擾優(yōu)于調(diào)幅方式，但頻帶利用率不高調(diào)相用載波信號(hào)不同相位表示數(shù)據(jù)又稱相移鍵控法PSK占用頻帶寬，抗干擾能力強(qiáng)，數(shù)據(jù)率高，可達(dá)9600bps調(diào)制方法舉例010011100數(shù)字信號(hào)調(diào)幅調(diào)頻調(diào)相3.1.8模擬信號(hào)的脈碼調(diào)制模擬信號(hào)的數(shù)字傳輸信源是模擬信號(hào)可以先轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，然后再通過數(shù)字信道傳輸。電話codeccodec電話數(shù)字信道

編碼/解碼器最常用的模/數(shù)轉(zhuǎn)化方式是脈碼調(diào)制（PCM：PulseCodeModullation）脈碼調(diào)制采樣按照一定的時(shí)間間隔采樣測(cè)量模擬信號(hào)幅值。量化將采樣點(diǎn)測(cè)得的信號(hào)幅值分級(jí)取整。編碼將量化后的整數(shù)值用二進(jìn)制數(shù)表示采樣和量化采樣定理若模擬信號(hào)的帶寬為H(Hz),則采用頻率B只要大于或等于2H就可以恢復(fù)原樣模擬信號(hào)。即：B≥2H.語音信號(hào)帶寬為4kHz,則采樣頻率可取每秒8k次。（或每125us采樣一次）。量化設(shè)數(shù)字信號(hào)的離散取值數(shù)目為2n，則將采樣值按0，1，2，…….，2n-1進(jìn)行取整。量化誤差：量化取整值與實(shí)際幅值之間的誤差。編碼

若數(shù)字信號(hào)取值數(shù)128，量化值為0—127，則每個(gè)采樣值要用7bits來編碼。若數(shù)字信號(hào)取值為64級(jí)，量化值為0—63，則每個(gè)采樣值要用6bits來編碼。分級(jí)越多，誤差越小，但每個(gè)采樣取值點(diǎn)編碼所需的比特?cái)?shù)就越多。

語音信號(hào)011100011011001100

PCM輸出343314011100011011001100量化編碼3.23.92.83.41.24.2

采樣PCM編碼過程舉例差分脈碼調(diào)制差分脈碼調(diào)制其輸出值不是數(shù)字化采樣值本身，而是當(dāng)前值和上一個(gè)值之差。如果按128級(jí)，對(duì)多數(shù)模擬信號(hào)來講。相鄰采樣點(diǎn)的差值大于16的可能性非常小。所以主要4個(gè)比特就可以編碼了，而不需要7個(gè)比特。具有壓縮作用3.1.9數(shù)據(jù)同步方式同步：接收端按發(fā)送端發(fā)送代碼的頻率和起始時(shí)間來接收數(shù)據(jù)。同步

V

T字符同步方式（異步通信）字符同步：僅針對(duì)一個(gè)字符內(nèi)所含的二進(jìn)制位進(jìn)行同步。10110100起始位

停止位（1.5位或2位）

起始位是低電平（1位）停止位是高電平（1.5或2位）停止位后面是起始位或空閑位優(yōu)點(diǎn)時(shí)鐘飄移被限制在一個(gè)字符內(nèi)，不會(huì)產(chǎn)生積累誤差。因此對(duì)同步精度要求不高。缺點(diǎn)每個(gè)字符均有起始/停止位，因而傳輸效率較低。適用低速通信。字符同步方式又稱異步通信。位同步（同步通信）位同步：針對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)塊內(nèi)的每位進(jìn)行同步。實(shí)現(xiàn)位同步的兩種方法：內(nèi)同步：不單獨(dú)發(fā)同步位號(hào)，而是將同步位號(hào)嵌入數(shù)據(jù)編碼內(nèi)部。例如曼徹斯特編碼。外同步：在發(fā)送端和接收端之間提供專門的時(shí)鐘信號(hào)。10110100同步位模式01111110數(shù)據(jù)優(yōu)點(diǎn)傳輸效率高。缺點(diǎn)易產(chǎn)生時(shí)鐘漂移積累誤差而導(dǎo)致數(shù)據(jù)出錯(cuò)，同步困難。例設(shè)一個(gè)數(shù)據(jù)塊為1K字節(jié)，那么每次要連續(xù)發(fā)送1024x8=8192位。適用高速通信。3.1.10多路復(fù)用技術(shù)多路復(fù)用將多個(gè)信道復(fù)用在一條物理線路上，使一條物理線路能夠同時(shí)傳輸多路數(shù)據(jù)信號(hào)。分類頻分多路復(fù)用（FDM）時(shí)分多路復(fù)用（TDM）統(tǒng)計(jì)時(shí)分多路復(fù)用（統(tǒng)計(jì)TDM）頻分多路復(fù)用信道1（60—64K）頻分多路復(fù)用器頻分多路復(fù)用器電話中繼線（60—108KHz）話機(jī)話機(jī)話機(jī)話機(jī)話機(jī)話機(jī)信道2（64—68K）信道12（104—108K）。FDM：將一條物理線路的總帶寬分割成若干個(gè)較小帶寬的子信道，每個(gè)子信道傳輸一路信號(hào)。子信道分割技術(shù)：不同信號(hào)加載到不同載波上，實(shí)現(xiàn)信號(hào)頻移。時(shí)分多路復(fù)用TDM:將一條高速物理線路的傳輸時(shí)間劃分成若干相等的時(shí)間片，輪流的為多路信號(hào)使用數(shù)據(jù)不丟失條件：CH≥∑Ci缺點(diǎn)：某些時(shí)間片由于沒有數(shù)據(jù)傳輸而造成出于空閑狀態(tài)，浪費(fèi)信道寬度高速線路（CH）時(shí)分多路復(fù)用時(shí)分多路復(fù)用ABCABC…C1C2C3C1C2C3ABCABC低速線路低速線路統(tǒng)計(jì)時(shí)分多路復(fù)用統(tǒng)計(jì)TDM統(tǒng)計(jì)TDMABCACACAA…C1C2C3C1C2C3ABCABC

統(tǒng)計(jì)TDM:采用動(dòng)態(tài)分配時(shí)間策略，即有數(shù)據(jù)要傳輸?shù)木€路才分配時(shí)間片。3.2物理層協(xié)議物理層協(xié)議實(shí)際上就是指通信接口標(biāo)準(zhǔn)DCE通信接口DTEDTE通信接口DCE通信線路數(shù)據(jù)終端設(shè)備 數(shù)據(jù)通信設(shè)備3.2.1物理層協(xié)議在通信系統(tǒng)中的地位接口的機(jī)械特性。規(guī)定接口的扦頭（座）的規(guī)格，尺寸，扦腳數(shù)目等。如RS-232C使用25腳扦頭（座）。功能特性。對(duì)接口的各信號(hào)線的作用進(jìn)行定義和說明。規(guī)程特性。規(guī)定各信號(hào)線之間的相互關(guān)系，動(dòng)作發(fā)生的先后次序。電氣特性規(guī)定信號(hào)的傳輸速率，電平關(guān)系，負(fù)載要求和電纜長度等。3.2.2四類物理層協(xié)議美國電子工業(yè)協(xié)會(huì)EIA制定的RS-232-C,RS-422A,RS-423A,RS-449,RS-485,RS-530等串行接口標(biāo)準(zhǔn)。CCITT(現(xiàn)改為ITU)制定的X系列和V系列接口標(biāo)準(zhǔn)。V系列規(guī)定了數(shù)字設(shè)備與模擬信道的接口標(biāo)準(zhǔn)，適用于電話信道的數(shù)據(jù)傳輸；X系列定義了數(shù)據(jù)設(shè)備與數(shù)據(jù)信道的接口標(biāo)準(zhǔn)，適用于公用數(shù)據(jù)網(wǎng)的數(shù)據(jù)通信。ISO制定的ISO2110,ISO4902,ISO4903,ISO1177等接口標(biāo)準(zhǔn)。這些標(biāo)準(zhǔn)很少用到。IEEE802物理層規(guī)范DTEMMDTEDTEDTERS232CRS-232電纜RS-232C是最廣泛使用的物理層協(xié)議（1969年制定）.3.3物理層協(xié)議舉例RS232C電話線DTE通常為PC機(jī)機(jī)械特性采用DB-25(25腳)標(biāo)準(zhǔn)連接口1131425電氣特性電壓低電壓（<-3V）:“1”高電壓（>+3V）:“0”最高電壓可達(dá)到+12V.電纜RS-232C電纜長度：不超過15m速率通信速率：<20Kbps標(biāo)準(zhǔn)速率為：19.2kbps,9600bps,4800bps,2400bps,1200bps...功能特性P67.表2.5發(fā)送數(shù)據(jù) MODEM就緒載波信號(hào)電話線12345678201234567820遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)本地計(jì)算機(jī)規(guī)程特性保護(hù)地接收數(shù)據(jù)請(qǐng)求發(fā)送允許發(fā)送信號(hào)地載波檢測(cè)終端就緒遠(yuǎn)程MODEMRS232C本地MODEMRS232CRS-232C通信規(guī)程本地計(jì)算機(jī)準(zhǔn)備就緒時(shí)，將腳20置成高電平，通知本地MODEM：計(jì)算機(jī)處于就緒狀態(tài)。若MODEM也準(zhǔn)備就緒，則將腳6置高電平，以示響應(yīng)。計(jì)算機(jī)將腳4置高電平請(qǐng)求發(fā)送數(shù)據(jù)；MODEM檢測(cè)到腳4高電平后，向遠(yuǎn)程MODEM發(fā)一載波信號(hào)，讓遠(yuǎn)程MODEM做好接收數(shù)據(jù)準(zhǔn)備，然后通過延遲電路將腳5置成高電平，以示允許發(fā)送數(shù)據(jù)。遠(yuǎn)程MODEM檢測(cè)到載波信號(hào)后，將腳8置高電平，通知遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)做好接收數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。RS-232C通信規(guī)程本地計(jì)算機(jī)測(cè)的腳5為高電平后，即可通過腳2發(fā)送數(shù)據(jù)，并由腳3接收數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)發(fā)送完畢，將腳4置成低電平，通知本地MODEM發(fā)送完畢。MODEM收到該電平后，停止向電話線發(fā)送載波信號(hào)，并將腳5置成低電平作為響應(yīng)。遠(yuǎn)程MODEM測(cè)不到載波信號(hào)后，則將腳8置成低電平，恢復(fù)初始狀態(tài)。本地計(jì)算機(jī)置腳20位低電平，通知本地MODEM拆線。MODEM收到該低電平信號(hào)后，將腳6置成低電平以示同意拆線。USB發(fā)展歷史傳統(tǒng)的串口、并口通訊方式逐漸不能滿足現(xiàn)有系統(tǒng)或者設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸速率需求。以Intel為首的七家公司于1994年推出了U