第三章物理層分解第一頁，編輯于星期日：點十一分。第1頁，共52頁。本章內(nèi)容3.1數(shù)據(jù)通信基礎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信號帶寬3.1.4信道3.1.5物理傳輸媒體3.1.6數(shù)字信號的編碼3.1.7數(shù)字調(diào)制技術3.1.8模擬信號的脈碼調(diào)制3.1.9數(shù)據(jù)同步方式3.1.10多路復用技術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)議舉例第二頁，編輯于星期日：點十一分。第2頁，共52頁。

3.1數(shù)據(jù)通信基礎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，如計算機，手機，電話機等。變換器/反變換器：對原始物理信號進行變換/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：傳輸信號的一條通路。一條物理線路可構成一個或多個信道。噪聲源：信道自身的噪聲以及周圍環(huán)境對信道的干擾。如熱噪聲，閃電，強電磁場干擾等。信宿：將物理信號轉(zhuǎn)換為信息，如計算機，手機，電話機等。發(fā)送端接收端第三頁，編輯于星期日：點十一分。第3頁，共52頁。3.1數(shù)據(jù)通信基礎模擬信號:信號在傳輸過程中連續(xù)變化。數(shù)字信號:信號在傳輸過程中離散變化。模擬通信：利用模擬信號來傳輸數(shù)據(jù)。數(shù)字通信：通過數(shù)字信號來傳輸數(shù)據(jù)。數(shù)字信號

vt

v

t

模擬信號3.1.2

模擬通信與數(shù)字通信第四頁，編輯于星期日：點十一分。第4頁，共52頁。3.1數(shù)據(jù)通信基礎數(shù)字通信的優(yōu)點抗干擾能力強。適合遠距離傳輸。有利于安全性。適合多媒體信息傳輸。3.1.3

信號帶寬信號帶寬:信號能量所集中的頻率范圍（頻譜）。

例如:語音信號占用的頻率譜為300-3400Hz,那么帶寬為3400-300=3100Hz對數(shù)字信號,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)字信號的帶寬越大。第五頁，編輯于星期日：點十一分。第5頁，共52頁。3.1數(shù)據(jù)通信基礎3.1.4信道信道信道是傳輸信號的一條通路。信道通常由物理傳輸介質(zhì)和通信設備（如MODEM，中繼器，均衡器）組成。一條物理線路可同時復用多條信道。衡量信道質(zhì)量的兩個重要參數(shù)信道的帶寬。信道的誤碼率。信道帶寬信道帶寬：信道允許傳輸信號的頻率范圍，單位為Hz。

如普通電話線的帶寬是4KHz。對數(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制位數(shù)，單位為bps。第六頁，編輯于星期日：點十一分。第6頁，共52頁。3.1數(shù)據(jù)通信基礎信道帶寬與數(shù)據(jù)率的關系奈奎斯特定理（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）第七頁，編輯于星期日：點十一分。第7頁，共52頁。3.1數(shù)據(jù)通信基礎（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24000bps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=Blog2L第八頁，編輯于星期日：點十一分。第8頁，共52頁。3.1數(shù)據(jù)通信基礎誤碼率

誤碼率是指數(shù)字信號比特（二進制位）在傳輸過程中出錯的概率。

P=Ne/N

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

信道的通信方向

單工信道只允許數(shù)據(jù)信號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)信號可以在信道上雙向傳輸，但同一時刻只允許單向傳輸。如：無線對講機。

全雙工信道

允許數(shù)據(jù)同時雙向傳輸。如：計算機通信。

第九頁，編輯于星期日：點十一分。第9頁，共52頁。3.1數(shù)據(jù)通信基礎ABABAB

數(shù)據(jù)

應答

數(shù)據(jù)

應答

數(shù)據(jù)

應答

單工信道

半雙工信道全雙工信道第十頁，編輯于星期日：點十一分。第10頁，共52頁。3.1數(shù)據(jù)通信基礎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第十一頁，編輯于星期日：點十一分。第11頁，共52頁。3.1數(shù)據(jù)通信基礎屏蔽雙絞線（STP）抗干擾性能好。價格昂貴、安裝麻煩。同軸電纜銅線聚氯乙烯套層屏蔽層絕緣層第十二頁，編輯于星期日：點十一分。第12頁，共52頁。3.1數(shù)據(jù)通信基礎

同軸電纜中央是一根銅導線，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)狀導體裹住，以屏蔽外界電磁干擾?；鶐S電纜（50Ω）粗纜:10BASE-5細纜: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，但價格貴，布線麻煩。第十三頁，編輯于星期日：點十一分。第13頁，共52頁。3.1數(shù)據(jù)通信基礎光纖的中央是一根直徑幾十微米光導玻璃或塑料芯。外面用一層玻璃體包住，最外層是塑料保護層。多根光纖由外包層包裹在一起構成光纜。光纖分為單模和多模兩類。光纖第十四頁，編輯于星期日：點十一分。第14頁，共52頁。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，但對光源要求高。3.1數(shù)據(jù)通信基礎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，但對光源要求不高。光纖優(yōu)點容量大：可達幾百Gbps。距離遠：100km（無需中繼）。抗干擾能力強：不受外部電磁場干擾。化學性質(zhì)穩(wěn)定。第十五頁，編輯于星期日：點十一分。第15頁，共52頁。3.1數(shù)據(jù)通信基礎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)第十六頁，編輯于星期日：點十一分。第16頁，共52頁。3.1數(shù)據(jù)通信基礎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。第十七頁，編輯于星期日：點十一分。第17頁，共52頁。3.1數(shù)據(jù)通信基礎

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，從理論上講，三個同步衛(wèi)星就能覆蓋整個地球表面。衛(wèi)星通信的特點

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

第十八頁，編輯于星期日：點十一分。第18頁，共52頁。3.1數(shù)據(jù)通信基礎3.1.6數(shù)字信號的編碼數(shù)字信號的編碼：用何種物理信號來表示“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：編/譯碼簡單。缺點：內(nèi)部不含時鐘信號，收/發(fā)端同步困難。用途：計算機內(nèi)部低速數(shù)據(jù)通信01001100011第十九頁，編輯于星期日：點十一分。第19頁，共52頁。3.1數(shù)據(jù)通信基礎曼徹斯特編碼（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。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：內(nèi)部自含時鐘，收/發(fā)端同步容易。缺點：編/譯碼較復雜。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%。01001100011第二十頁，編輯于星期日：點十一分。第20頁，共52頁。3.1數(shù)據(jù)通信基礎用途：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，不表示數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)值通過每位開始時無跳變來表示；有跳變表示“0”，無跳變表示“1”；反之亦然。優(yōu)點：內(nèi)部自含時鐘，收/發(fā)端同步容易。比曼徹斯特編碼的抗干擾能力更強。01001100011第二十一頁，編輯于星期日：點十一分。第21頁，共52頁。3.1數(shù)據(jù)通信基礎缺點：編/譯碼更復雜。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)）第二十二頁，編輯于星期日：點十一分。第22頁，共52頁。3.1.7數(shù)字調(diào)制技術3.1.7數(shù)字調(diào)制技術數(shù)字信號的模擬傳輸基帶信號：由信源產(chǎn)生的原始電信號。載波：頻率較高的正弦波信號。調(diào)制：將基帶信號加載到載波上，即按基帶信號的變化規(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。調(diào)制技術基帶信號調(diào)制解調(diào)基帶信號模擬信道第二十三頁，編輯于星期日：點十一分。第23頁，共52頁。調(diào)制技術調(diào)幅：用載波信號不同振幅表示數(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，數(shù)據(jù)率高，可達9600bps通常將調(diào)相和調(diào)幅相結合p57圖2.19t

第二十四頁，編輯于星期日：點十一分。第24頁，共52頁。調(diào)制方法舉例010011100數(shù)字信號調(diào)幅調(diào)頻調(diào)相第二十五頁，編輯于星期日：點十一分。第25頁，共52頁。3.1.8模擬信號的脈碼調(diào)制模擬信號的數(shù)字傳輸信源是模擬信號可以先轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，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）第二十六頁，編輯于星期日：點十一分。第26頁，共52頁。脈碼調(diào)制采樣按照一定的時間間隔采樣測量模擬信號幅值。量化將采樣點測得的信號幅值分級取整。編碼將量化后的整數(shù)值用二進制數(shù)表示第二十七頁，編輯于星期日：點十一分。第27頁，共52頁。采樣和量化采樣定理若模擬信號的帶寬為H(Hz),則采用頻率B只要大于或等于2H就可以恢復原樣模擬信號。即：B≥2H.語音信號帶寬為4kHz,則采樣頻率可取每秒8k次。（或每125us采樣一次）。量化設數(shù)字信號的離散取值數(shù)目為2n，則將采樣值按0，1，2，…….，2n-1進行取整。量化誤差：量化取整值與實際幅值之間的誤差。第二十八頁，編輯于星期日：點十一分。第28頁，共52頁。編碼

若數(shù)字信號取值數(shù)128，量化值為0—127，則每個采樣值要用7bits來編碼。若數(shù)字信號取值為64級，量化值為0—63，則每個采樣值要用6bits來編碼。分級越多，誤差越小，但每個采樣取值點編碼所需的比特數(shù)就越多。第二十九頁，編輯于星期日：點十一分。第29頁，共52頁。

語音信號011100011011001100

PCM輸出343314011100011011001100量化編碼3.23.92.83.41.24.2

采樣PCM編碼過程舉例第三十頁，編輯于星期日：點十一分。第30頁，共52頁。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，而是當前值和上一個值之差。如果按128級，對多數(shù)模擬信號來講。相鄰采樣點的差值大于16的可能性非常小。所以主要4個比特就可以編碼了，而不需要7個比特。具有壓縮作用第三十一頁，編輯于星期日：點十一分。第31頁，共52頁。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間來接收數(shù)據(jù)。同步

V

T第三十二頁，編輯于星期日：點十一分。第32頁，共52頁。字符同步方式（異步通信）字符同步：僅針對一個字符內(nèi)所含的二進制位進行同步。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第三十三頁，編輯于星期日：點十一分。第33頁，共52頁。優(yōu)點時鐘飄移被限制在一個字符內(nèi)，不會產(chǎn)生積累誤差。因此對同步精度要求不高。缺點每個字符均有起始/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。第三十四頁，編輯于星期日：點十一分。第34頁，共52頁。位同步（同步通信）位同步：針對每個數(shù)據(jù)塊內(nèi)的每位進行同步。實現(xiàn)位同步的兩種方法：內(nèi)同步：不單獨發(fā)同步位號，而是將同步位號嵌入數(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鐘信號。10110100同步位模式01111110數(shù)據(jù)第三十五頁，編輯于星期日：點十一分。第35頁，共52頁。優(yōu)點傳輸效率高。缺點易產(chǎn)生時鐘漂移積累誤差而導致數(shù)據(jù)出錯，同步困難。例設一個數(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。第三十六頁，編輯于星期日：點十一分。第36頁，共52頁。3.1.10多路復用技術多路復用將多個信道復用在一條物理線路上，使一條物理線路能夠同時傳輸多路數(shù)據(jù)信號。分類頻分多路復用（FDM）時分多路復用（TDM）統(tǒng)計時分多路復用（統(tǒng)計TDM）第三十七頁，編輯于星期日：點十一分。第37頁，共52頁。頻分多路復用信道1（60—64K）頻分多路復用器頻分多路復用器電話中繼線（60—108KHz）話機話機話機話機話機話機信道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較小帶寬的子信道，每個子信道傳輸一路信號。子信道分割技術：不同信號加載到不同載波上，實現(xiàn)信號頻移。第三十八頁，編輯于星期日：點十一分。第38頁，共52頁。時分多路復用TDM:將一條高速物理線路的傳輸時間劃分成若干相等的時間片，輪流的為多路信號使用數(shù)據(jù)不丟失條件：CH≥∑Ci缺點：某些時間片由于沒有數(shù)據(jù)傳輸而造成出于空閑狀態(tài)，浪費信道寬度高速線路（CH）時分多路復用時分多路復用ABCABC…C1C2C3C1C2C3ABCABC低速線路低速線路第三十九頁，編輯于星期日：點十一分。第39頁，共52頁。統(tǒng)計時分多路復用統(tǒng)計TDM統(tǒng)計TDMABCACACAA…C1C2C3C1C2C3ABCABC

統(tǒng)計TDM:采用動態(tài)分配時間策略，即有數(shù)據(jù)要傳輸?shù)木€路才分配時間片。第四十頁，編輯于星期日：點十一分。第40頁，共52頁。3.2物理層協(xié)議物理層協(xié)議實際上就是指通信接口標準DCE通信接口DTEDTE通信接口DCE通信線路數(shù)據(jù)終端設備 數(shù)據(jù)通信設備3.2.1物理層協(xié)議在通信系統(tǒng)中的地位第四十一頁，編輯于星期日：點十一分。第41頁，共52頁。接口的機械特性。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。對接口的各信號線的作用進行定義和說明。規(guī)程特性。規(guī)定各信號線之間的相互關系，動作發(fā)生的先后次序。電氣特性規(guī)定信號的傳輸速率，電平關系，負載要求和電纜長度等。第四十二頁，編輯于星期日：點十一分。第42頁，共52頁。3.2.2四類物理層協(xié)議美國電子工業(yè)協(xié)會EIA制定的RS-232-C,RS-422A,RS-423A,RS-449,RS-485,RS-530等串行接口標準。CCITT(現(xiàn)改為ITU)制定的X系列和V系列接口標準。V系列規(guī)定了數(shù)字設備與模擬信道的接口標準，適用于電話信道的數(shù)據(jù)傳輸；X系列定義了數(shù)據(jù)設備與數(shù)據(jù)信道的接口標準，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等接口標準。這些標準很少用到。IEEE802物理層規(guī)范第四十三頁，編輯于星期日：點十一分。第43頁，共52頁。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機第四十四頁，編輯于星期日：點十一分。第44頁，共52頁。機械特性采用DB-25(25腳)標準連接口1131425第四十五頁，編輯于星期日：點十一分。第45頁，共52頁。電氣特性電壓低電壓（<-3V）:“1”高電壓（>+3V）:“0”最高電壓可達到+12V.電纜RS-232C電纜長度：不超過15m速率通信速率：<20Kbps標準速率為：19.2kbps,9600bps,4800bps,2400bps,1200bps...功能特性P67.表2.5第四十六頁，編