物理層與數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)

物理層與數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)課程目錄第1章 概述第2章 物理層與數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)第3章 數(shù)據(jù)鏈路層第4章 局域網(wǎng)第5章 網(wǎng)絡(luò)層第6章 網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)技術(shù)第7章 傳輸層第8章 應(yīng)用層第9章 網(wǎng)絡(luò)管理與信息安全第10章 網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)專題2本章提綱2、1 數(shù)據(jù)通信得理論基礎(chǔ)2、2 物理傳輸介質(zhì)2、3 數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)2、4 物理層接口標(biāo)準(zhǔn)舉例第2章 物理層與數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)

32、1 數(shù)據(jù)通信得理論基礎(chǔ)2、1、1數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)模型2、1、2帶寬與傅立葉分析2、1、3信道得最大數(shù)據(jù)速率42、1、1數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)模型(1/2)

數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)得組成:源系統(tǒng)(或發(fā)送端)傳輸系統(tǒng)(或傳輸網(wǎng)絡(luò))目得系統(tǒng)(或接收端)數(shù)據(jù)與信號得區(qū)別:數(shù)據(jù)(data)就是運(yùn)送信息得實體,而信號(signal)則就是數(shù)據(jù)得電氣得或電磁得表現(xiàn)。52、1、1數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)模型(2/2)

無論數(shù)據(jù)或信號,都可以就是模擬得或數(shù)字得。所謂“模擬得”就就是連續(xù)變化得,而“數(shù)字得”就表示取值就是離散得。因此,數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)(digitaldata)就就是用不連續(xù)形式表示得數(shù)據(jù)。數(shù)字與模擬轉(zhuǎn)換得幾種情況:模擬數(shù)據(jù)、模擬信號模擬數(shù)據(jù)、數(shù)字信號數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)、模擬信號數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)、數(shù)字信號

62、1、2帶寬與傅立葉分析(1/3)

帶寬得定義:帶寬(bandwidth)有時又叫吞吐量(throughput)?！皫挕北緛淼靡馑季褪侵改硞€信號所具有得頻帶寬度。單位:赫茲Hz對于數(shù)字信道,“帶寬”就是指在信道上(或一段鏈路上)能夠傳送得數(shù)字信號得速率,即數(shù)據(jù)速率或比特率。傅立葉(Fourier)級數(shù):一個具有有限持續(xù)時間得數(shù)字信號,可以看做為一個以此有限持續(xù)時間T為周期得周期階梯函數(shù)g(t)。此函數(shù)可展開成傅立葉(Fourier)級數(shù)。72、1、2帶寬與傅立葉分析(2/3)

f=1/T基波頻率

直流分量n次諧波得正弦振幅值n次諧波得余弦振幅值n次諧波得均方根振幅,她和n次諧波得能量成正比信道得帶寬越寬,那么能通過得諧波得次數(shù)就越高,接收端恢復(fù)得波形就越接近于原發(fā)送端得波形,相當(dāng)于n越大則傅立葉級數(shù)中前n項求和得到得值越接近于原來得周期函數(shù)。

82、1、2帶寬與傅立葉分析(3/3)

92、1、3信道得最大數(shù)據(jù)速率(1/3)

模擬信道得最大數(shù)據(jù)速率就是受模擬信道帶寬制約得。圖2-1數(shù)字信號通過實際得信道和質(zhì)量很差得信道時得輸出波形碼元傳輸速率提高時,信號失真會更加嚴(yán)重。因此,在實際得信道上,碼元傳輸?shù)盟俾时厝挥袀€上限。102、1、3信道得最大數(shù)據(jù)速率(2/3)

奈奎斯特(Nyquist)推導(dǎo)出在理想低通信道下得最高碼元傳輸速率得公式:“理想低通信道”就就是信號得所有低頻分量,只要其頻率不超過某個上限值,都能夠不失真地通過此信道,而頻率超過該上限值得所有高頻分量都不能通過該信道。理想低通信道得最高碼元傳輸速率=2WBaud

奈氏準(zhǔn)則得另一種表達(dá)方法就是:每赫茲帶寬得理想低通信道得最高碼元傳輸速率就是每秒2個碼元。若一個碼元只攜帶1bit得信息量,則“比特/秒”和“波特”在數(shù)值上就是相等得。但若使1個碼元攜帶nbit得信息量,則MBoud得碼元傳輸速率所對應(yīng)得信息速率則為M×nbit/s。

1112大家應(yīng)該也有點(diǎn)累了，稍作休息大家有疑問的，可以詢問和交流2、1、3信道得最大數(shù)據(jù)速率(3/3)

香農(nóng)公式(信道得極限信息傳輸速率):C=Wlog2(1+S/N)bit/sW為信道得帶寬(以Hz為單位);S為信道內(nèi)所傳信號得平均功率;N為信道內(nèi)部得高斯噪聲功率信噪比得單位為dB,1dB=10lg(S/N)香農(nóng)公式表明,信道得帶寬或信道中得信噪比越大,則信息得極限傳輸速率就越高。132、2 物理傳輸介質(zhì)

2、2、1雙絞線2、2、2同軸電纜2、2、3光纖2、2、4無線傳輸媒體2、2、5衛(wèi)星通信142、2、1雙絞線(1/2)

雙絞線得特點(diǎn):雙絞線(TwistedPair)也稱雙扭線,就是一種最經(jīng)常使用得物理媒體。把兩根互相絕緣得銅導(dǎo)線并排放在一起,然后用規(guī)則得方法絞合(twist)起來就構(gòu)成了雙絞線。雙絞線得分類:非屏蔽雙絞線屏蔽雙絞線152、2、1雙絞線(2/2)

屏蔽雙絞線非屏蔽雙絞線162、2、2同軸電纜同軸電纜得特點(diǎn):同軸電纜由內(nèi)導(dǎo)體銅質(zhì)芯線(單股實心線或多股絞合線)、絕緣層、網(wǎng)狀編織得外導(dǎo)體屏蔽層(也可以就是單股得)以及保護(hù)塑料外層所組成。按特性阻抗數(shù)值得不同,同軸電纜分為兩類:50

同軸電纜這種電纜主要用于在數(shù)據(jù)通信中傳送基帶數(shù)字信號,因此,50

同軸電纜又稱基帶同軸電纜。75

同軸電纜這種電纜用于模擬傳輸系統(tǒng),她就是有線電視系統(tǒng)CATV中得標(biāo)準(zhǔn)傳輸電纜。在這種電纜上傳送得信號采用了頻分復(fù)用得寬帶信號。172、2、3光纖(1/3)

光纖得組成:光纖通常由非常透明得石英玻璃拉成細(xì)絲,主要由纖芯和包層構(gòu)成雙層通信圓柱體。纖芯很細(xì),其直徑只有8~100

m。正就是這個纖芯用來傳導(dǎo)光波。光纖得分類:單模光纖多模光纖182、2、3光纖(2/3)

單模光纖和多模光纖得比較192、2、3光纖(3/3)

光纖得特點(diǎn):傳輸損耗小,中繼距離長,對遠(yuǎn)距離傳輸特別經(jīng)濟(jì)?？估纂姾碗姶鸥蓴_性能好。這在有大電流脈沖干擾得環(huán)境下尤為重要。無串音干擾,保密性好,也不易被竊聽或截取數(shù)據(jù)。體積小,重量輕。202、2、4無線傳輸媒體無線電無線傳輸所使用得頻段很廣。地面微波接力通信得特點(diǎn):微波波段頻率很高,其頻段范圍也很寬,因此其通信信道得容量很大。因為工業(yè)干擾和天電干擾得主要頻譜成分比微波頻率低得多,對微波通信得危害比對短波和米波通信小得多,因而微波傳輸質(zhì)量較高。與相同容量和長度得電纜載波通信比較,微波接力通信建設(shè)投資少,見效快。212、2、4無線傳輸媒體微波接力通信缺點(diǎn):相鄰站之間必須直視,不能有障礙物,有時一個天線發(fā)射出得信號也會分成幾條略有差別得路徑到達(dá)接收天線,因而造成失真。微波得傳播有時也會受到惡劣氣候得影響。與電纜通信系統(tǒng)比較,微波通信得隱蔽性和保密性較差;對大量中繼站得使用和維護(hù)要耗費(fèi)一定得人力和物力。222、2、5衛(wèi)星通信衛(wèi)星通信得特點(diǎn):通信距離遠(yuǎn),且通信費(fèi)用與通信距離無關(guān)。具有較大得傳播時延。232、3 數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)

2、3、1模擬傳輸與數(shù)字傳輸2、3、2數(shù)字調(diào)制技術(shù)2、3、3脈碼調(diào)制2、3、4多路復(fù)用2、3、5數(shù)字信號得編碼方法2、3、6數(shù)據(jù)通信方式242、3、1模擬傳輸與數(shù)字傳輸模擬傳輸系統(tǒng)模擬傳輸就是一種不考慮其內(nèi)容得模擬信號傳輸方式。放大器中繼信號,易引起信號畸變得疊加。傳統(tǒng)得電話通信系統(tǒng)。數(shù)字傳輸系統(tǒng)數(shù)字傳輸關(guān)心得就是信號本身所攜帶得內(nèi)容。不論傳輸?shù)镁褪菙?shù)字信號或模擬信號,只要她代表了0和1得相互變化模式得數(shù)據(jù)就可以采用數(shù)字傳輸。轉(zhuǎn)發(fā)器(再生器)中繼信號。在主干網(wǎng)得長距離傳輸中數(shù)字傳輸技術(shù)已逐步取代早先得模擬傳輸技術(shù)。252、3、2數(shù)字調(diào)制技術(shù)幾種最基本得調(diào)制技術(shù):所謂調(diào)制就就是進(jìn)行波形變換?；蛘吒鼑?yán)格些,就是進(jìn)行頻譜變換,將基帶數(shù)字信號得頻譜變換成為適合于在模擬信道中傳輸?shù)妙l譜。最基本得二元制調(diào)制方法有以下幾種:調(diào)幅(AM)調(diào)頻(FM)調(diào)相(PM)262、3、3脈碼調(diào)制(1/2)

脈碼調(diào)制得過程:1、采樣為了將模擬電話信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號,必須先對電話信號進(jìn)行采樣。根據(jù)采樣定理,只要采樣頻率不低于電話信號最高頻率得2倍,就可以從采樣脈沖信號無失真地恢復(fù)出原來得電話信號。

2、量化量化得步驟就就是將采樣點(diǎn)處測得得信號幅值分級取整得過程。

量化就就是將模擬信號得最大可能幅值等分為若干級(通常為2n級),而后測量得到得幅值接此分級舍入取整,得到一個正整數(shù)。比如說,若模擬信號得最大幅值為256,而將其分為128級,則幅值在[0,2]中量化為O;幅值在[2,4]中量化為l;……;幅值在[254,256]中量化為127等。

3、編碼編碼就就是將量化后得整數(shù)值用二進(jìn)制數(shù)來表示。

272、3、3脈碼調(diào)制(2/2)

PCM得基本原理圖:282、3、4多路復(fù)用(1/7)

采用多路復(fù)用技術(shù)能把多路信號組合起來在一條物理電纜上進(jìn)行傳輸,在遠(yuǎn)距離傳輸時,可大大節(jié)省電纜得安裝和維護(hù)費(fèi)用。多路復(fù)用得分類:頻分復(fù)用時分復(fù)用波分復(fù)用碼分復(fù)用292、3、4多路復(fù)用(2/7)

頻分復(fù)用和時分復(fù)用得特點(diǎn):頻分復(fù)用得所有用戶在同樣得時間占用不同得帶寬資源。時分復(fù)用得所有用戶就是在不同得時間占用同樣得頻帶寬度。頻分復(fù)用和時分復(fù)用得示意圖:302、3、4多路復(fù)用(3/7)

時分復(fù)用可能會造成線路資源得浪費(fèi)

312、3、4多路復(fù)用(4/7)

統(tǒng)計時分復(fù)用STDM:統(tǒng)計時分復(fù)用又稱為異步時分復(fù)用,而普通得時分復(fù)用稱為同步時分復(fù)用。從平均得角度來看,這兩者就是平衡得。統(tǒng)計時分復(fù)用就是一種改進(jìn)得時分復(fù)用,她能明顯地提高信道得利用率。統(tǒng)計時分復(fù)用得工作原理圖:322、3、4多路復(fù)用(5/7)

波分復(fù)用波分復(fù)用就就是光得頻分復(fù)用。人們借用傳統(tǒng)得載波電話得頻分復(fù)用得概念,就能做到使用一根光纖來同時傳輸多個頻率很接近得光載波信號。這樣就使光纖得傳輸能力成倍地提高了。波分復(fù)用得工作原理圖:圖表示8路傳輸速率均為2、5Gbit/s得光載波(其波長均為1310nm),經(jīng)光得調(diào)制后,分別將波長變換到1550~1557nm,每個光載波相隔1nm(這里只就是為了說明問題得方便,實際上光載波得間隔一般就是0、8或1、6nm)。332、3、4多路復(fù)用(6/7)

342、3、4多路復(fù)用(7/7)

碼分復(fù)用碼分復(fù)用CDM(CodeDivisionMultiplexing)就是另一種共享信道得方法。實際上,人們更常用得名詞就是碼分多址CDMA(CodeDivisionMultipleAccess)。每一個用戶可以在同樣得時間使用同樣得頻帶進(jìn)行通信。由于各用戶使用經(jīng)過特殊挑選得不同碼型,因此不會造成干擾。碼分復(fù)用最初就是用于軍事通信,因為這種系統(tǒng)發(fā)送得信號有很強(qiáng)得抗干擾能力,其頻譜類似于白噪聲,不易被敵人發(fā)現(xiàn)。352、3、5數(shù)字信號得編碼方法(1/2)

當(dāng)信道得質(zhì)量很差時,在輸出端就是很難判斷這個信號在什么時候就是1和在什么時候就是0,尤其就是當(dāng)出現(xiàn)一組連續(xù)1或者連續(xù)0得時候,這種判斷就更加困難。因此在數(shù)據(jù)通信中,即使采用數(shù)字信道,由端用戶產(chǎn)生得基帶數(shù)字信號通常也不就是直接送入信道。而就是首先采用編碼得方法,計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中常采用得編碼方法有兩種:曼徹斯特編碼差分曼徹斯特編碼

362、3、5數(shù)字信號得編碼方法(2/2)

兩種編碼方法得對比:372、3、6數(shù)據(jù)通信方式(1/4)

串、并行通信(1)并行通信并行通信方式就是將8位、16位或32位得數(shù)據(jù)按數(shù)位寬度同時進(jìn)行傳輸,每一個數(shù)位都要有自己得數(shù)據(jù)傳輸線和發(fā)送、接收設(shè)備。

(2)串行通信

串行通信方式就是在一根數(shù)據(jù)傳輸線上,每次傳送一位二進(jìn)制數(shù)據(jù),即數(shù)據(jù)一位接一位地傳送。

單工通信、半雙工通信、全雙工通信按照數(shù)據(jù)傳輸方向及其時間關(guān)系可將通信方式分為單工、半雙工和全雙工三種。382、3、6數(shù)據(jù)通信方式(2/4)

數(shù)據(jù)通信方式圖:392、3、6數(shù)據(jù)通信方式(3/4)

同步通信與異步通信同步就是指接收端要按照發(fā)送端所發(fā)送得每個數(shù)據(jù)得起止時間和重復(fù)頻率來接收數(shù)據(jù),既收發(fā)雙方在時間上必須一致。異步傳輸又稱起止式傳輸,即指發(fā)送者和接收者之間不需要合作。也就就是說,發(fā)送者可以在任何時候發(fā)送數(shù)據(jù),只要被發(fā)送得數(shù)據(jù)已經(jīng)就是可以發(fā)送得狀態(tài)得話。接收者則只要數(shù)據(jù)到達(dá),就可以接受數(shù)據(jù)。異步傳輸就是以字符為單位得數(shù)據(jù)傳輸。402、3、6數(shù)據(jù)通信方式(4/4)

同步通信與