第二章物理层(精品).ppt

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1、第二章物理层本章主要内容本章主要内容uu物理层基本概念物理层基本概念物理层基本概念物理层基本概念uu数据通信基础知识数据通信基础知识数据通信基础知识数据通信基础知识uu模拟传输与数字传输模拟传输与数字传输模拟传输与数字传输模拟传输与数字传输uu信道复用技术信道复用技术信道复用技术信道复用技术uu物理层标准举例物理层标准举例物理层标准举例物理层标准举例2.1 物理层的基本概念物理层的基本概念?物理层主要任务：物理层主要任务：确定传输媒体的，为链路层提供一确定传输媒体的，为链路层提供一个透明传输原始比特流的物理连接。个透明传输原始比特流的物理连接。*（“透明透明”是一个很重要的术语。它表示：某一个

2、实际存在是一个很重要的术语。它表示：某一个实际存在的事物看起来却好像不存在一样。的事物看起来却好像不存在一样。“透明地传送比特流透明地传送比特流”表示经表示经实际电路传送后的比特流没有发生变化，因此，对传送比特流来实际电路传送后的比特流没有发生变化，因此，对传送比特流来说，由于这个电路并没有对其产生什么影响，因而比特流就说，由于这个电路并没有对其产生什么影响，因而比特流就“看看不见不见”这个电路。或者说，这个电路对该比特流来说是透明的。这个电路。或者说，这个电路对该比特流来说是透明的。这样，任意组合的比特流都可以在这个电路上传送。这样，任意组合的比特流都可以在这个电路上传送。）*（不是指连接计

3、算机的具体的物理设备或具体的传输媒体，传输以Bit或Byte为单位的数据）物理层描述的接口特性：物理层描述的接口特性：机械特牲：机械特牲：说明接口所用接线器的形状和尺寸、引线数说明接口所用接线器的形状和尺寸、引线数 目和排列、固定和锁定装置等等目和排列、固定和锁定装置等等。电气特性：电气特性：说明在接口电缆的哪条线上出现的电压应为说明在接口电缆的哪条线上出现的电压应为 什么范围。即什么样的电压表示什么范围。即什么样的电压表示1或或0。功能特性：功能特性：说明某条线上出现的某一电平的电压表示何说明某条线上出现的某一电平的电压表示何 种意义种意义。规程特性规程特性：说明对于不同功能的各种可能事件的

4、出现顺序。说明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。?物理层功能物理层功能物理层功能物理层功能提供物理连接，完成位流传提供物理连接，完成位流传传输通路的建立，维持和释放。传输通路的建立，维持和释放。提供各种服务元素提供各种服务元素 对传输通路进行监督，对传输通路进行监督，提供故障状态报告提供故障状态报告 规定机械，电气，功能和过程特性规定机械，电气，功能和过程特性物理服务数据单元物理服务数据单元?数据终端设备数据终端设备DTE与数据电路端接设备与数据电路端接设备DCEDTE：一般有计算一般有计算DCE：数据与信号之间的转换设备，一般如数据与信号之间的转换设备，一般如ModemDCEDTEDCE

5、DTE公用数据网公用数据网公用数据网公用数据网2.2 数据通信的基础知识数据通信的基础知识?一、数据通信系统的模型一、数据通信系统的模型一、数据通信系统的模型一、数据通信系统的模型现代数据通信系统实际上是一个计算机网络，由数据现代数据通信系统实际上是一个计算机网络，由数据传输系统和数据处理系统两部分组成。传输系统和数据处理系统两部分组成。图2-1 数据通信系统的模型电话网电话网电话网电话网源系统源系统传输系统传输系统目的系统目的系统源点传输系统接收器终点发送器输入信息输入数据发送的信号接收的信号输出数据输出信息噪声数据通信的相关术语（数据通信的相关术语（1）数据（数据（Data）：是对客观事物

6、的性质、状态以及相互关系等进行记载的物理符号或是这些物理符号的组合。它是可识别的、抽象的符号，这些符号不仅指数字，而且包括字符、文字、图形等等。信息：信息：它是数据的内容和解释，信息（Information）是现实世界中一切（概念的、物质的）事物的本质属性、存在方式和运动状态的实质性反映。数据通信的相关术语（数据通信的相关术语（2）信号：信号：是数据的电磁或电子编码，分数字信号（连续信号）与模拟信号（离散信号）。噪声：噪声：简单的说就是干扰信号。信道：信道：信道是指信号（数据）传输的媒体，如光纤、无线电波、电力线、电话线等。模拟数据与数字数据的表示模拟数据与数字数据的表示模拟数据与数字数据的表

7、示模拟数据与数字数据的表示模拟数据和数字数据都可以用模拟信号与数字信号来表示。模拟数据和数字数据都可以用模拟信号与数字信号来表示。电电话话模拟数据模拟数据（声音）（声音）模拟信号模拟信号调调制制解解调调器器数字数据数字数据二进制脉冲二进制脉冲模拟信号模拟信号（载波频率）（载波频率）编编码码解解码码器器模拟数据模拟数据的模拟信号的模拟信号数字信号数字信号数字数据数字数据数字信号数字信号数数字字发发送送器器?二、有关信道的几个基本概念二、有关信道的几个基本概念二、有关信道的几个基本概念二、有关信道的几个基本概念l通信方式：（1）单工通信）单工通信（2）半双工通信）半双工通信（3）全双工通信）全双工

8、通信通信方式还可以分为串行通信与并行通信。l信号分类：（1）模拟信号）模拟信号（2）数字信号）数字信号信号还可以分为基带信号与宽带信号?三、信道的最高码元传输速率三、信道的最高码元传输速率三、信道的最高码元传输速率三、信道的最高码元传输速率l数据传输速率lR=（1T）log2n （单位是：单位是：b/s，即：位秒）即：位秒）其中：其中：T T为脉冲周期，为脉冲周期，n n为调制电平数为调制电平数l信号传输速率（调制速率，即信号经调制后的传输速率）（调制速率，即信号经调制后的传输速率）laud=1T（单位是：波特，单位是：波特，1波特为每秒传送波特为每秒传送1个码元）个码元）l数据传输速率与调制

9、速率的关系：lR=audlog2nl可见，在二元制调相方式下，可见，在二元制调相方式下，R R与与BaudBaud是相等的，但在多元调是相等的，但在多元调相情况下要将它们区别开。相情况下要将它们区别开。l理想低通信道的最高码元传输速率（奈奎斯特准则）（奈奎斯特准则）NBd=2W Baud （W W是理想低通信道的带宽，单位是）是理想低通信道的带宽，单位是）H HZ Z。奈氏公式的另一个表达方式：每赫带宽的理想低通信道的最高奈氏公式的另一个表达方式：每赫带宽的理想低通信道的最高码元传输速率是每秒码元传输速率是每秒2 2个码元。个码元。l需强调的两点：（1 1）上面所说的具有理想低通特性的信道是理

10、想化的信道，有上面所说的具有理想低通特性的信道是理想化的信道，有干扰的信道最巧高码元速率要明显低于奈氏上限；干扰的信道最巧高码元速率要明显低于奈氏上限；（2 2）波特和比特是两个不同的概念，但信息传输速率与码元传波特和比特是两个不同的概念，但信息传输速率与码元传输速率有一定关系。输速率有一定关系。若1个码元只携带1bit的信息量，则“比特秒”和“波特”在数值上是相等的。但若使1个码元携带n bit的信息量，则M Baud的码元传输速率所对应的信息传输速率为Mn bs。如果基带信号是：101010001111000，分别以1、0、1、0、1、0、0、0、1、1、1、1、0、0、0（即1个码元带1

11、个信息）或以101、010、001、111、000、（即1个码元带3个信息）进行传送，相同的码元速率下，后者信息传输的速率是前者的3倍。例如，有一个带宽为3 kHz的理想低通信道，其最高码元传输速率为6000 Baud。若1个码元能携带3bit的信息量，则最高信息传输速率为18000bs。总结总结:提提高信息传输速率的最有效途径是，设法使每个码高信息传输速率的最有效途径是，设法使每个码元能携带更多个比特的信息量。元能携带更多个比特的信息量。?四、信道的极限信息传输速率四、信道的极限信息传输速率四、信道的极限信息传输速率四、信道的极限信息传输速率l极限数据传输速率19481948年，香农年，香农

12、(Shannon)Shannon)用信息论的理论推导出了带宽受限且有用信息论的理论推导出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限信息传输速率，也称为信道容量。高斯白噪声干扰的信道的极限信息传输速率，也称为信道容量。l香农公式C=W log2(1+S/N)(bit/s)（其中：其中：W W为信道的带宽，单位为为信道的带宽，单位为HzHz；S S为信道内所传信号的平为信道内所传信号的平均功率；均功率；N N为信道内的高斯噪声功率；给出的信噪比为信道内的高斯噪声功率；给出的信噪比S/NS/N是以是以“分贝分贝”表示表示)2.3 物理层下面的传输媒体物理层下面的传输媒体传输媒体也称为传输介质或传输媒介

13、，主要有传输媒体也称为传输介质或传输媒介，主要有传输媒体也称为传输介质或传输媒介，主要有传输媒体也称为传输介质或传输媒介，主要有双绞线、铜轴电缆双绞线、铜轴电缆双绞线、铜轴电缆双绞线、铜轴电缆、光纤、光纤、光纤、光纤?双绞线双绞线把两根互相绝缘的铜导线绞合起来为了减少对相邻的导线的把两根互相绝缘的铜导线绞合起来为了减少对相邻的导线的电磁干扰电磁干扰 模拟传输和数字传输都可以使用双绞线模拟传输和数字传输都可以使用双绞线其通信距离一般为几到十几公里，距离太长时就要加放大器其通信距离一般为几到十几公里，距离太长时就要加放大器以便将衰减了的信号放大到合适的数值，或者加上中继器以以便将衰减了的信号放大到

14、合适的数值，或者加上中继器以便将失真了的数字信号进行整形便将失真了的数字信号进行整形分屏蔽双绞线（简称为分屏蔽双绞线（简称为STPSTP）和无屏蔽双绞线（简称为和无屏蔽双绞线（简称为UTPUTP）。）。?铜轴电缆铜轴电缆同轴电缆由内导体铜质芯线、绝缘层、网状编织的外导同轴电缆由内导体铜质芯线、绝缘层、网状编织的外导体屏蔽层以及保护塑料外层所组成；体屏蔽层以及保护塑料外层所组成；5050同轴电缆为数据通信使用，用于传送基带数字信号；同轴电缆为数据通信使用，用于传送基带数字信号；7575同轴电缆这种同轴电缆用于模拟传输系统，在这种同轴电缆这种同轴电缆用于模拟传输系统，在这种电缆上传送的信号采用了频

15、分复用的宽带信号。电缆上传送的信号采用了频分复用的宽带信号。?光纤、光缆光纤、光缆光纤、光缆光纤、光缆光纤通信就是利用光导纤维传递光脉冲来进行通信。有光脉冲相当于1，而没有光脉冲相当于0；分多模光纤与单模光纤,多模适合近距离传输，单模适合远距离传输；光纤的特点：通信容量非常大传输损耗小，中继距离长；抗雷电和电磁干扰性能好；无串音干扰，保密性好，也不易被窃听或截取数据；体积小，重量轻。光纤传送电信号的过程:驱动器驱动器光检测器光检测器放大器放大器光源光源电信号电信号光信号光信号(光纤光纤)电信号电信号?无线传输媒体无线传输媒体无线传输媒体无线传输媒体无线电波在自由空间的传播目前有三种技术:微波、

16、红外线、激光微波有两种主要方式：地面微波接力通信与卫星通信；红外通信主要用于近距离的数据传送；2.4 模拟传输与数字传输模拟传输与数字传输?模拟传输系统模拟传输系统模拟传输系统模拟传输系统以传送模拟信号的通信系统；模拟传输系统中的实际问题：回波的消除回波的消除回波抑制器。回波抑制器。?调制解调器调制解调器调制解调器调制解调器由调制器与解调器组成；由调制器与解调器组成；调制：调制：将数据信息变换成适合于模拟信道上传输的将数据信息变换成适合于模拟信道上传输的 电磁波（称为载波）信号，（数字电磁波（称为载波）信号，（数字-模拟）模拟）解调：解调：将从模拟信道上收取的载波信号还原成数据将从模拟信道上收

17、取的载波信号还原成数据 信息。（模拟信息。（模拟-数字）数字）调制解调器传输计算机数据的原因：基带信号经模拟基带信号经模拟传输系统后产生的误码率高；传输系统后产生的误码率高；调制解调器的几种基本调制方法：调幅（调幅（AMAM）：）：也称幅度调制或移幅键控法（也称幅度调制或移幅键控法（ASKASK），），载波的波幅随基带信号而变化；载波的波幅随基带信号而变化；调频（调频（FMFM）：）：又称移频键控法（又称移频键控法（FSKFSK），），载波的频率载波的频率 随基带信号而变化；随基带信号而变化；调相（调相（PMPM）：）：又称移相键控法（又称移相键控法（PSKPSK），），载波的初始载波的初始

18、相位随基带信号而变化。相位随基带信号而变化。?数字传输系统数字传输系统数字传输系统数字传输系统以传送数字信号的通信系统；以传送数字信号的通信系统；现在的数字传输系统都是采用脉码调制现在的数字传输系统都是采用脉码调制PCM体制，模拟数据的数体制，模拟数据的数字信号编码过程如下：字信号编码过程如下：第一步：采样，以采样频率第一步：采样，以采样频率F1把模拟信号的值采出，把模拟信号的值采出，其中其中F1=1T12Fsmax (T1为采样周期为采样周期)第二步：量化，使连续模拟信号变为时间轴上的离散第二步：量化，使连续模拟信号变为时间轴上的离散 值，也就是分级过程，把采样的值按量级值，也就是分级过程，

19、把采样的值按量级“取取 整整”得到的是一个不连续的值；得到的是一个不连续的值；第三步：编码，是编成一定位数的二进制数码。第三步：编码，是编成一定位数的二进制数码。关系式为：关系式为：m=Log2N 011 000 100 110 111 101 001 010 a)a)信号的量化信号的量化b)b)采样信号幅度的量化采样信号幅度的量化 图图 2-5 2-5 脉码调制（脉码调制（PCMPCM）的原理的原理C)C)按二进制格式的编码脉冲按二进制格式的编码脉冲数字数据的数字信号编码：数字数据的数字信号编码：未经编码的二进制基带数字信号就是高电平和低电平不断交替的信号。使用这种最简单的基带信号的最大问题

20、就是当出现一长串的连1或连0时，在接收端无法从收到的比特流中提取位同步信号。曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码可解决这一问题，这是原基带数字信号和在计算机网络中常用的两种编码方法。曼彻斯特编码则它的编码方法是将每一个码元再分成两个相等的间隔。码元1是在前一个间隔为高电平而后一个间隔为低电平。码元0则正好相反，从低电平变到高电平。这种编码的好处就是可以保证在每一个码元的正中间时出现一次电平的转换，这对接收端的提取位同步信号是非常有利的。但是从曼彻斯特编码的波形图不难看出其缺点，这就是它所占的频带宽度比原始的基带信号增加了一倍。另一种曼彻斯特编码的变种叫做差分曼彻斯特编码，它的编码规则是：若码元为1，

21、则其前半个码元的电平与上一个码元的后半个码元的电平一样；但若码元为0，则其前半个码元的电平与上一个码元的后半个码元的电平相反，或者说，遇0码与前码元变化相同,遇1码元与前码元变化相反。不论码元是1或0，在每个码元的正中间的时刻，一定要有一次电平的转换。差分曼彻斯特编码需要较复杂的技术，但可以获得较好的抗干扰性能。2.5 RS232接口标准?计算机串口就是RS232标准的接口?RS-232是由EIA提出的局域异步传输标准，用于在计算机与modem、键盘或终端等的设备之间传输字符。?RS-232机械方面的技术指标是机械方面的技术指标是：宽（47.04 .13）mm，每个插座有25个插头，编号为1

22、25。?RS-232的电气指标是：的电气指标是：用-5V-15V的电压表示二进制1，用+5V+15V的电压表示二进制0；允许的最大传输速率为20kb/s；最长可驱动电缆15m。?RS-232的功能性指标的功能性指标规定了25针各与哪些电路连接，以及每个信号的含义。其中九根线是常用的，实际上四根就够了。2.6 信道复用技术信道复用技术?频分复用频分复用频分复用频分复用频率频率5 5频率频率4 4频率频率3 3频率频率2 2频率频率1 1频率频率时间时间A AB BC CD DA AB BC CD DA AB B?时分复用时分复用时分复用时分复用频率频率时间时间?统计时分复用统计时分复用统计时分复用统计时分复用A AB BB BC CC CD DA AB BB BC C频率频率时间时间?波分复用波分复用波分复用波分复用?码分复用码分复用码分复用码分复用