2-1 物理层基本概念和传输媒体.pptx

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1、第二章物理层1.1 物理层的基本概念及传输媒体1.2 数据通信的基础知识1.3 模拟传输与数字传输1.4 信道复用技术物理层本章教学内容ISO/OSI 关于物理层的定义：物理层提供机械的、电气的、功能的和规程的特性，目的是启动、维护和关闭数据链路实体之间进行比特传输的物理连接。这种连接可能通过中继系统，在中继系统内的传输也是在物理层的。物理层的基本概念【物理层的定义】应表会用示话层层层传输层网络层数 据 链 路 层物理层传 输 介 质传 输 介质传 输 介 质主 机CCP网络层数 据 链 路 层物理层应表会用示话层层层传输层网络层数 据 链 路 层物理层主 机CCP网络层数 据 链 路 层物理

2、层物理层的基本概念【物理层的主要功能】r是实现比特流的透明传输，为数据链路层提供数据传输服务；r不是指与计算机相连接的具体的物理设备或者具体的传输介质；r如何在连接开放系统的传输介质上透明地传输各种数据的比特流；r数据链路层在实现过程中不需要考虑物理传输设备与传输介质的差异的存在；r物理层的主要任务描述为确定与传输介质的接口有关的一些特性。【进一步说明的几点】物理层的基本概念机械特性电气特性功能特性过程特性规定物理连接时所采用的规格、引脚的数量和排列情况规定传输二进制位时，线路上信号的电压高低、阻抗匹配、传输速率和距离限制指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义规范各条物理线路的工作规程和

3、时序关系物理层的基本概念【物理层接口的四大特性】主要定义物理连接的边界点，即接插装置。r1960年美国电子工业协会EIA提出RS-232，1963年提出RS-232-A，1965年提出RS-232-B，1969年提出RS-232-C。用于DTE/DCE之间的接口。RS推荐标准，232标识号码，E标准已被修改过的次数。rEIA-232是DTE与DCE之间的接口标准，只控制DTE与DCE之间的通信，与连接在两个DCE之间的电话网没有直接的关系。【物理层标准举例EIA-232接口标准】物理层的基本概念DTE-BDTE-A接口接口r通常DTE就是计算机或终端，甚至是各种I/O设备。r当计算机利用电话网

4、络进行通信时，典型的DCE就是调制解调器。物理层的基本概念【DTE/DCE的概念】,据终端设,数指具有一定的数作 DTE（Terminal EquipmentDCE-ADCE-BDCE(Data Data Circuit-terninal 数 Equipment 备):据电路端接设备)据用就是在DTE理能力和发送、接收数据能力的设备。功能，并且负责232/V.24 232/V.24处和传输线路之间提供信号变换和编码的rDCE将DTE传过来的数据按比特顺序逐个发往传输线路，或从传输线路收下串行的比特流交给DTE。r为了减轻数据处理设备用户的负担，必须对DCE与DTE的接口进行标准化。这种接口标准

5、就是物理层协议。DCE-BDTE-BDTE-ADCE-A网络串行比特传输调制解调器调制解调器EIA-232/V.24接口EIA-232/V.24接口物理层的基本概念信号线与控制线rEIA232机械特性：规定使用一个25芯的标准连接器，并对该连接器的尺寸及针或孔芯的排列位置等都做了详细说明。rEIA232电气特性：EIA232采用负逻辑。n 逻辑“1”表示-3V-15V的电压，逻辑“0”表示+3V+15V的电压。n 逻辑“0”相当于数据线的“0”或控制线的“接通”状态，逻辑“1”相当于数据线的“1”或控制线的“断开”状态。n 当连接电缆线的长度不超过15m时,允许数据传输速率不超过20kb/s。

6、当连接电缆长度较短时，数据传输速率可以提高。物理层的基本概念物理层的基本概念rEIA-232功能特性：规定什么电路应当连接到引脚中的哪一根以及该引脚的作用。(1)保护地(2)发送数据(3)接收数据(4)请求发送(5)允许发送(6)DCE 就绪(7)信号地(8)载波检测(20)DTE 就绪(22)振铃指示rEIA-232过程特性：规定在DTE与DCE之间所发生的事件的合法序列。DTE计算机或终端DCE调制解调器物理层的基本概念rEIA-232接口标准用于标准电话线路（一个话路）的物理层接口。有两个较大的弱点：(1)数据的传输速率最高为20Kb/s；(2)连接电缆的最大长度不超过15m。r美国电子

7、工业协会EIA于1997年制定了标准RS-449。物理层的基本概念EIA RS-449 是为替代RS-232-C而提出的物理层标准接口。实际上是一体化的三个标准。主要改进-改善了性能，加长了接口电缆距离，加大了数据传输率；-增加了新的接口功能，例如，回送检查；-解决了机械接口问题。物理层的基本概念【物理层标准举例RS-449接口标准】机械特性-37芯或9芯连接器。电气特性-与RS-232-C相连，采用非平衡型电气特性 RS-423-A，20Kbps以下-其他情况，采用平衡型电气特性 RS-422-A 和RS-423-A，20Kbps 2Mbps功能特性-定义了30条功能线。规程特性-基本上以R

8、S-232-C为基础。物理层的基本概念lRS-449：用于宽带电路，其典型的传输速率为48-168Kb/s，都是用于点到点的同步传输。lRS-423-A：当连接电缆长度为10m，数据的传输速率为300Kb/s。lRS-422-A：数据的传输速率提高为2Mb/s，而连接电缆长度可超过为60m。当连接电缆长度为10m时，则数据传输速率还可以达到10Mb/s。【物理层标准举例RS-449接口标准】rRS-449由三个标准组成：物理层的基本概念物理层第一层0层传输媒体物理层信号物理层下的传输媒体二、物理层下的传输媒体【传输媒体的基本概念】r传输媒体也称传输介质，就是网络中连接发方与接方之间的物理通路，

9、是通信中实际传送信息的载体。比特流100110101100 STP 屏蔽双绞线 细同轴电缆基带同轴电缆 光缆 地面微波接力通信非导向传输介质卫星通信（无线传输）双绞线 非屏蔽双绞线UTP导向传输介质 同轴电缆 粗同轴电缆 宽带同轴电缆 多模光纤传输介质 单模光纤物理层的传输媒体物理特性：说明传输媒体的特性。传输特性：包括是使用模拟信号发送还是使用数字信号发送、传输容量及传输频率范围。连通性：采用点到点连接还是多点连接。地理范围：在不用中间设备并将失真限制在允许范围内的情况下，整个网络所允许的最大距离。抗干扰性：防止噪音、电磁干扰对传输数据影响的能力。相对价格：包括元件、安装和维护等价格。【传输

10、介质的特性】物理层的传输媒体【双绞线】由两条互相绝缘的铜线组成，其典型粗细为直径1mm，这两条线像螺纹一样拧在一起，这样可以减少邻近线路的电气干扰。【特点】：1.成本低、柔性好、易于连接；2.抗电磁干扰性较差；3.导线越粗，其通信距离越远，导线的价格越高;4.频率越高衰减越大。物理层的传输媒体（1）【双绞线】【特点】：5.其通信距离一般为几到十几公里；6.对于模拟传输，距离太长时就要加放大器以便信号放大；7.对于数字传输，加上中继器以便将数字信号进行整形。物理层的传输媒体（1）【双绞线】非屏蔽双绞线(UTP)没有任何附加屏蔽【分类】：屏蔽双绞线(STP)以箔屏蔽以减少干扰和串音物理层的传输媒体

11、（1）非屏蔽双绞线：由四对双绞线和一个塑料外皮构成。r非屏蔽双绞线(UTP)易受外部干扰，但其价格低廉且易于安装和使用，应用非常广泛。r在建筑物内部，作为局域网传输介质而被普遍使用，最大长度一般限制在100米之内。物理层的传输媒体（1）EIA为非屏蔽双绞线定义了6种质量级别：-第1、2类：电话通信中的语音和低速数据线，其最高传输速率为4Mb/s-第3类：计算机网络中的数据线，其最高传输速率为10Mb/s-第4类：计算机网络中的数据线，其最高传输速率为16Mb/s-第5类：使用最多的一类，其最高传输速率为100Mb/s，是连接桌面设备的首 选传输介质-第6类：具有200MHz以下的传输特性，最高

12、传输速率1000Mb/s物理层的传输媒体（1）EIA/TIA-568AEIA/TIA-568B以 太 网 用 的 插 头 RJ-45电 话 线 使 用 的 插 头 RJ-11在通常的工程实践中，T568B使用得较多。物理层的传输媒体（1）白橙白蓝白 绿白棕橙绿蓝棕EIA/TIA-568AEIA/TIA-568B以 太 网 用 的 插 头 RJ-45电 话 线 使 用 的 插 头 RJ-11线序是不能随意改动的。否则抗干扰能力就要下降，误码率就可能增大，这样就不能保证网络的正常工作。物理层的传输媒体（1）白橙白蓝白 绿白棕橙绿蓝棕针号：1一端：白绿另端：白绿2绿绿3白橙白橙4蓝蓝5白蓝白蓝6橙橙

13、7白棕白棕8棕棕(a)采用EIA/TIA 568A连接标准的直通方式27物理层的传输媒体（1）RJ-45的两种连接情况(EIA/TIA568A标准)直通方式：联线两边都是568A标准，或者568B标准 适用场合：主机与交换机相连EIA/TIA 568A连接标准集线器工作站工作站工作站针号：12345678一端：白绿另端：白橙绿橙白橙白绿蓝蓝白蓝 橙白蓝 绿白棕白棕棕棕(b)采用EIA/TIA568A连接标准交叉方式注意：有些网卡或交换机能自适应直通和交叉方式28物理层的传输媒体（1）v交叉方式：联线一边是568A标准，另一边568B标准v适用场合：两主机或交换机直接相连EIA/TIA568A连

14、接标准物理层的传输媒体（1）屏蔽双绞线：内部与非屏蔽双绞线电缆一样是双绞铜线，外层由铝箔包着。rSTP在抗干扰方面优于UTP，但相对要贵一些。r屏蔽双绞线除了用于IBM网络产品安装，并未普遍流行起来。物理层的传输媒体（1）【同轴电缆】【结构】：r 内导体；r 绝缘层；r 网状外导体屏蔽层；r 外部保护层。物理层的传输媒体（2）【同轴电缆】【特点】：rrrr高带宽；抗干扰能力好；性能价格比高；连接麻烦。物理层的传输媒体（2）【分类】：r基带同轴电缆：一条电缆只用于一个信道，阻抗为50，用于数字传输。数据速率一般是10Mbps，最大距离限制在几公里。曾经广泛用于局域以太网。r宽带同轴电缆：一条电缆

15、划分为若干个独立信道，阻抗75W，既可传输数字信号也可传输模拟信号。用于模拟传输，频带达300450MHz，传输距离100km。一条电缆同时传输不同频率的几路模拟信号，广泛应用于有线电视技术。物理层的传输媒体（2）目前，在试验室中光纤带宽超过50Tbps；8 2.5 Gbps，8 10 Gbps，32 10 Gbps的光纤传输已经实用；常用的三个波长窗口（光纤波段）0.85um：衰减（attenuation)大，传输速率和距离受限制，但价格便宜；1.30um：衰减小，无色散（dispersion）补偿、功率放大情况下，最大传40km（最坏情况）；1.55um：衰减小，无色散补偿、功率放大情况下

16、，最大传80km（最坏情况）物理层的传输媒体（3）【光纤】折射角包层（低折射率的媒体）包层纤芯物理层的传输媒体（3）【光纤】纤芯（高折射率的媒体）入射角包层（低折射率的媒体）l 由玻璃内芯、玻璃封套、塑料外套构成；l 纤芯-折射率高，玻璃包层-折射率低。物理层的传输媒体（3）高折射率(纤芯)低折射率(包层)光线在纤芯中传输的方式是不断地全反射l 工作原理：利用大入射角时光的全反射原理。玻璃封套塑料外套玻璃内芯单芯光缆玻璃内芯塑料外套玻璃封套外壳多芯光缆物理层的传输媒体（3）【光纤特点】：1.通信容量非常大(具有2500030000GHz带宽)；2.传输损耗小，中继距离长；3.抗雷电和电磁干扰性

17、能好；4.无串音干扰，保密性好，不易被截取数据；5.体积小，重量轻；6.价格昂贵，安装麻烦。物理层的传输媒体（3）r 多模光纤：指光纤的光信号与光纤轴成多个可分辨角度的多光线传输。r 【特点】：频带较窄，传输衰减大，易于连接，价格便宜，一般用于中、短距离的传输。多模输入电信号单模波长:1300,1550 nm输出电信号波长:850,1300nm【光纤】【分类】：物理层的传输媒体（3）r 单模光纤：指光纤的光信号仅与光纤轴成单个可分辨角度的单光线传输。r 【特点】：频带较宽，传输损耗小，在2.5Gb/s的高速率下可传输数公里而不必采用中继器。但连接较困难。光源要使用昂贵的半导体激光器，通常做无中

18、继的长距离传输。多模输入电信号单模波长:1300,1550 nm输出电信号波长:850,1300 nm【光纤】【分类】：物理层的传输媒体（3）10101010101010101010010210410810101410162010226无线电微波12红外紫外线可见光18X-射线24-射线1041051061071081091010111012131014101516f(Hz)f(Hz)双绞线同轴电缆无线电(AM)无线电(FM)电视频道卫星通信地面微波通信光纤频段LFMFHFVHFUHFSHFEHFTHF无线传输所使用的频段很广。短波主要靠电离层的反射，但通信质量较差。频率3-30M微波在数据通

19、信中占重要地位。频率：300MHz-300GHz。微波在空间是直线传播。地面微波接力通信和卫星通信。物理层的传输媒体（4）【无线传输】rrrr距离：1000km；频率：100M以下；全方向，易于穿透建筑物；应用：广泛应用于通信领域。物理层的传输媒体（4）（1）无线电传输物理层的传输媒体（4）（1）无线电传输(a)在VLF,LF,and MF 波段,无线电波沿地面传播；(b)在HF波段,无线电波被电离层折射回来。应用：长距离传输话音和电视信号。微波传送塔地球两个地面站之间传送；距离：50-100km；频率：2G-40G；依赖于天气和频率；地面站之间的直视线路rrrrr物理层的传输媒体（4）（2）

20、微波传输两个地面站之间“接力”传送，距离：50 -100 km。rrrr物理层的传输媒体（4）【特点】通信信道的容量很大；传送质量较高；可靠性较高；建设投资少，见效快。微波传送塔地球rrrr物理层的传输媒体（4）【缺点】相邻站之间必须直视，不能有障碍物；会受到恶劣气候的影响；隐蔽性和保密性较差；中继站的使用和维护要耗费一定的人力和物力。微波传送塔地球光接收器物理层的传输媒体（4）（3）光波传输激光束偏离了接收器激光扰动区大楼产生的热气流气流可以干扰激光通信系统r用转发器接收、放大和转发；r支持点到多点传送；【应用】：r传输电视信号、远距离话音传输、组建专用网。物理层的传输媒体（4）（4）通信卫

21、星r使用微波；地球地面站地面站将微波中继站放在卫星上，便形成了卫星通信系统。r通信距离远，且费用与距离无关；r频带很宽，通信容量很大；r信号所受干扰较小；r具有较大的传播时延(250-300ms)，但传送数据比其他信道时延小；r适合于广播通信，但安全性较差。【特点】物理层的传输媒体（4）Communication satellites and some of theirproperties,including altitude above theearth,round-trip delay time and number ofsatellites needed for global cover

22、age.物理层的传输媒体（4）The principal satellite bands.物理层的传输媒体（4）地球同步卫星：使用3颗卫星覆盖全球物理层的传输媒体（4）u GEO卫星(Geostationary Earth Orbit)uMEO卫星(Medium-Earth Orbit)rGPS（Global Positioning System，全球定位系统）r高度：18000KMr24颗物理层的传输媒体（4）(a)Iridium(铱)卫星66颗，构成6条项链，覆盖整个地球(b)1628 个移动的蜂窝覆盖地球物理层的传输媒体（4）uLEO卫星(Low-Earth Orbit)物理层的传输媒体

23、（4）在空中通过卫星交换弯曲管道卫星在地面上交换Globalstar(a)在太空中转发信号；(b)在地面上转发信号物理层的传输媒体（4）光纤卫星原理上一根光纤就比现在所有发射的卫星带宽多；市场领域是移动通信；本质上的传输模式为广播的场合；位于恶劣地形或地面设施建设很差的地区通信；很难获得路权来铺设光纤的地区；当快速部署网络显得非常重要的时候。1.1 物理层的基本概念及传输媒体1.2 数据通信的基础知识1.3 模拟传输与数字传输1.4 信道复用技术物理层本章教学内容传输系统输入信息输入数据发送的信号接收的信号输出数据源点终点发送器接收器PC 机公用电话网数字比特流数字比特流模拟信号模拟信号正文正

24、文调制解调器源系统调制解调器目的系统传输系统输出信息PC 机一个数据通信系统可划分为三大部分：源系统（发送端）、传输系统（传输网络）、目的系统（接收端）。数据通信的基本概念数据通信系统传输系统输入信息输入数据发送的信号接收的信号输出数据源点终点发送器接收器PC 机公用电话网数字比特流数字比特流模拟信号模拟信号正文正文调制解调器源系统调制解调器目的系统传输系统输出信息PC 机源系统一般包括两个部分：r源 点：产生要传输的数据。r发送器：通常源点生成的数据要通过发送器编码后才能够在传输系统中传输。数据通信的基本概念数据通信系统传输系统输入信息输入数据发送的信号接收的信号输出数据源点终点发送器接收器

25、PC 机公用电话网数字比特流数字比特流模拟信号模拟信号正文正文调制解调器源系统调制解调器目的系统传输系统输出信息PC 机目的系统一般也包括两个部分：r接收器：接收传输系统传送过来的信号，并将其转换成为目的设备能够识别处理的信息。r终 点：从接收器获取传送来的信息。数据通信的基本概念数据通信系统传输系统输入信息输入数据发送的信号接收的信号输出数据源点终点发送器接收器PC 机公用电话网数字比特流数字比特流模拟信号模拟信号正文正文调制解调器源系统调制解调器目的系统传输系统输出信息PC 机在源系统和目的系统之间的传输系统可能是简单的传输线，也可能是复杂的网络系统。数据通信的基本概念数据通信系统1.信息

26、、数据与信号2.数据传输类型3.数据通信方式4.信道的极限容量数据通信的基本概念本节内容传输系统输入信息输入数据发送的信号接收的信号输出数据源点终点发送器接收器PC 机公用电话网数字比特流数字比特流模拟信号模拟信号正文正文调制解调器源系统调制解调器目的系统传输系统输出信息PC 机信息（information）：通信的目的是传送信息。如话音、文字、图像等。数据通信的基本概念数据通信系统传输系统输入信息输入数据发送的信号接收的信号输出数据源点终点发送器接收器PC 机公用电话网数字比特流数字比特流模拟信号模拟信号正文正文调制解调器源系统调制解调器目的系统传输系统输出信息PC 机数据(data)：是运

27、送信息的实体。数据通信的基本概念数据通信系统传输系统输入信息输入数据发送的信号接收的信号输出数据源点终点发送器接收器PC 机公用电话网数字比特流数字比特流模拟信号模拟信号正文正文调制解调器源系统调制解调器目的系统传输系统输出信息PC 机信号（signal）：是数据在传输过程中的电信号的表示形式。数据通信的基本概念数据通信系统1.信息、数据与信号2.数据传输类型3.数据通信方式4.信道的极限容量数据通信的基本概念本节内容模拟数据：连续变化的值；数字数据：取值是离散数值。模拟信号（analog signal）：取值是连续的；数字信号（digital signal）：取值是离散的；基带信号（base

28、band）：将数字信号1或0直接用两种不同的电压来表示并传输；宽带信号（broadband）：将基带信号进行调制后形成的频分复用模拟信号。【数据形式】【信号形式】数据通信的基本概念模拟信号与数字信号波形图(a )v (t )v (t )tt(b )数据通信的基本概念信道（channel）：向某一方向传送信息的媒体。电路：包含一条发送信道和一条接收信道。模拟信道：传送模拟信号的信道。数字信道：传送数字信号的信道。模拟传输:指信道传输信号为模拟信号的通信。数字传输:指信道传输信号为数字信号的通信。数字传输系统：利用数字信号来传递消息的通信系统。模拟传输系统：利用模拟信号来传递消息的通信系统。数据通

29、信的基本概念【信道形式】模拟数据模拟数据数字数据数字数据模拟信号数字信号模拟信号数字信号放大器调制器PCM编码器调制器数字数据编码数据和信号间的转换数据通信的基本概念计算机间通过电话系统传输信号要经过多次变换：数字模拟数字模拟数字数据通信的基本概念1.信息、数据与信号2.数据传输类型3.数据通信方式4.信道的极限容量数据通信的基本概念本节内容r串行通信：将待传送的每个字符的二进制代码按由低位到高位的顺序依次发送的方式。r并行通信：将表示一个字符的二进制代码同时通过多条并行的通信信道发送出去，每次发送一个字符代码的方式。数据通信的基本概念【通信形式按使用的信道数】发 送发 送接 收发 送接 收接

30、 收接 收发 送接 收发 送单 向 通 道(a )双 向 通 道(b )双 向 通 道(c )数据通信的基本概念【通信形式按信息交互方式】单向通信（单工）:只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。双向交替通信（半双工）:通信双方都可以发送信息，但不能双方同时发送(或接收)。双向同时通信（全双工）:通信双方可以同时发送和接收信息。1.信息、数据与信号2.数据传输类型3.数据通信方式4.信道的极限容量数据通信的基本概念本节内容码元：是承载信息的基本信号单位；波特（Baud）：每秒传输多少个码元，是码元传输速率（RB）的单位；比特：信息量的单位，与“波特”是完全不同的概念信息速率(Rb)：指每秒传送

31、的信息量，它以比特/秒为单位，简称bps。数据通信的基本概念【数据通信术语】一个码元的信息量是由码元所能表示的数据有效状态值个数决定的，若一个码元有00、01、10、11四个有效状态值，则一个码元能携带2bit的信息。1码元=log2M比特（M为1码元所表示的有效状态值）数据通信的基本概念【码元与比特的关系】码元传输速率“波特”与信息传输速率“比特/每秒”的关系：RbRBLog2M(其中：Rb为信息传输速率，RB为码元传输速率，M表示信号的进制，即信号的电平级数)r 若1个码元只携带1bit的信息量，则“比特/秒”和“波特”在数值上相等。r 若1个码元携带n bit的信息量，则m Baud的码

32、元传输速率所对应的信息传输速率为mn b/s。数据通信的基本概念输入信号波形输入信号波形输出信号波形(失真不严重)输出信号波形(失真严重)数据通信的基本概念【信道的最高码元传输速率】失真不严重实际的信道（带宽受限、有噪声、干扰和失真）失真严重实际的信道（带宽受限、有噪声、干扰和失真）数据通信的基本概念【信道的最高码元传输速率（奈氏准则）】r1924年，奈奎斯特推导出在理想低通信道下的最高码元传输速率的公式：r理想低通信道的最大码元速率为=2W Baud；W是带宽，单位为赫兹(Hz）能通过0Baud(波特)是码元传输速率的单位，1波特为每钞传送1个码元。不能通过频率(Hz)W(Hz)r每赫带宽的

33、理想低通信道的最高码元传输速率是每秒2个码元。数据通信的基本概念r理想带通信道的最高码元传输速率=W Baudr每赫带宽的理想带通信道的最高码元传输速率是每秒 1 个码元。不能通过0频率(Hz)能通过W(Hz)不能通过举一个例子r 带宽3kHz的理想低通信道，一个码元携带3bit信息，那么最高的码元传输速率：2W=6000Baud最高的信息传输速率：6000Baud 3=18000b/s数据通信的基本概念r奈氏准则指出了：码元传输的速率是受限的，不能任意提高，否则在接收端就无法正确判定码元是1还是0。r一个实际的信道所能传输的最高码元速率，要明显地低于奈氏准则给出的这个上限数值。r要提高信息的

34、传输速率，就必须设法使每一个码元携带更多个比特的信息量。这就需要采用多元制的调制方法。数据通信的基本概念【强调几点】码元携带n bit信息假定基带信号：101 011 000 110 111 010.一个码元携带3 bits设用相位0表示000，1表示001，即原来的信号为530672 原来要发送18个码元每码元携带1比特，经变化后只需要发送6个码元每码元携带3比特。若以同样的速率发送码元则同样时间内传送的信息量提高3倍。数据通信的基本概念nn任何实际的信道都不是理想的，在传输信号时会产生各种失真以及带来多种干扰。码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远，在信道的输出端的波形的失真就越严重。数

35、据通信的基本概念r1948年香农(Shannon)推导出了带宽受限且具有高斯白噪声干扰的信道的极限、无差错的信息传输速率。C=Wlog2（1+S/N）b/s W信道带宽（以Hz为单位）；S信道内所传信号的平均功率；N信道内部的高斯噪声功率。数据通信的基本概念【信道的极限信息传输速率（香农定理）】S/N10100100010lgS/N10dB20dB30dB例：信道带宽W=3KHz，信噪比为30dB，则C=3000log2（1+1000）30Kbps数据通信的基本概念rS/N为信道中的信噪比，噪声的大小用信噪比来衡量。通常使用10lgS/N，其单位为：分贝（dB）r信道的带宽或信道中的信噪比越大

36、，则信息的极限传输速率就越高。r只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定可以找到某种办法来实现无差错的传输。r若信道带宽W或信噪比S/N没有上限（当然实际信道不可能），则信道的极限信息传输速率C也就没有上限。r实际信道上能够达到的信息传输速率要比香农的极限传输速率低不少。数据通信的基本概念【香农公式表明：】源系统发送的信号输出信息输出数据输入信息源点发送器接受器终点输入数据传输系统目的系统传输系统接受的信号码元传输速率受奈氏准则的限制信息传输速率受香农公式的限制数据通信的基本概念奈氏准则与香农定理在数据通信系统中的作用范围1.1 物理层的基本概念及传输媒体1.2 数据通信的基础知识1

37、.3 模拟传输与数字传输1.4 信道复用技术物理层本章教学内容信道复用技术l 频分复用l 时分复用l 波分复用l 码分复用本节教学内容r 常用的名词是码分多址CDMA(Code Division MultipleAccess)。r 这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力,其频谱类似于白噪声，不易被敌人发现。r 码分复用的每一个用户可以在同样的时间使用同样的频带进行通信。r 每一个比特时间划分为m个短的间隔，称为码片(chip)。【码分复用CDM(Code Division Multiplexing)】ll如发送比特1，就发送自己的m bit码片序列。如发送比特0，就发送该码片序列的二进制反码。r

38、 例如，s站的8bit码片序列是00011011。ll发送比特l时，就发送序列00011011，发送比特0时，就发送序列11100100。r 在码片序列中，一般用-1表示0，用+1表示。S站的码片序列为：(-1-1-1+1+1-1+1+1)【码分复用CDM(Code Division Multiplexing)】r 每一个站被指派一个惟一的m bit码片序列。r CDMA系统的一个重要特点就是这种体制给每个站分配的码片序列不仅必须各不相同，并且还必须互相正交。r 在实用的系统中使用伪随机码序列。【码分复用CDM(Code Division Multiplexing)】码片序列的正交关系：r 令

39、向量S表示站S的码片向量，令T表示其他任何站的码片向量。r 两个不同站的码片序列正交，就是向量S和T的规格化内积都是0：ST=1/miSiTi=0【码分复用CDM(Code Division Multiplexing)】码片序列的正交关系举例：令向量S为(-1-1-1+1+1-1+1+1)，向量T为(-1 1+1-1+1+1+1-1)。代入内积公式，就可看出这两个码片序列是正交的。ST=1/miSiTi=（-1*-1）+（-1*-1）+（-1*+1）+（+1*-1）+（+1*+1）+（-1*+1）+（+1*+1）+（+1*-1）=0【码分复用CDM(Code Division Multiple

40、xing)】CDMA系统的另一个重要特性：r 任何一个码片向量和该码片向量自己的规格化内积都是l。r 任何一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是-l。【码分复用CDM(Code Division Multiplexing)】【码分复用CDM(Code Division Multiplexing)】S 站的码片序列 S110ttm 个码片tttttS 站发送的信号 SxT 站发送的信号 Tx总的发送信号 Sx+Tx规格化内积 S Sx规格化内积 S Tx数据码元比特发送端接收端奈氏准则和香农公式的主要区别是什么？这两个公式对数据通信的意义是什么？作业题：2-07、2-08、2-16思考题数据通信的基本概念解：2010lg(s/n)s/n=100香农极限：3log2(1+100)=3*6.66=19.98kb/s奈氏准则极限:3k*2=6kb/s显然瓶颈是奈氏准则，最大数据速率是6kb/s.数据通信的基本概念例 某一个用于发送二进制信号的3kHz信道，其信噪比为20dB，可以取得的最大数据速率是多少？（注：log2101取6.66）