物理层及数据通信基础.ppt

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1、Chapter 2 物理层及数据通信基础,数据处理系统+数据传输系统=数据通信系统,2.1 数据通信系统简介（1）,2.1.1通信系统模型说明：信源：信息源，有模拟信号、数字信号 信宿：信息的接收点变换：调制解调、多路复用、数据编码 信道：信号的传输介质及有关的传输设备。噪声：信道中的噪声及分散在通信系统其它各处的噪声的集中表示,2.1 数据通信系统简介（2）,2.1.2 数据通信过程一般分为五个阶段：阶段一：数据通信线路的建立（建立物理连接）阶段二：建立数据传输链路（建立逻辑连接）阶段三：传送数据和控制信息 阶段四：结束数据链路的连接（断开逻辑连接）阶段五：断开通信线路（断开物理连接）说明：

2、并非所有通信过程都需要这五个阶段。如租用专用线的通信方式。,2.1 数据通信系统简介（3）,2.1.3数据通信方式 1 按连接方式划分(1)点点连接方式(2)多点连接方式(3)环形连接方式,2 按信息传送方向划分(1)单工通信方式 信息只能单向传输，监视信号可回送。,(2)半双工通信方式 信息可以双向传输，但在某一时刻只能单向传输。,(3)全双工通信方式 信息可以同时双向传输，一般采用四线式结构。,3 按交换方式划分 交换：在多结点通信网络中，为有效利用通信设备和线路，一般希望动态地设定通信双方间的线路。动态地接通或断开通信线路的过程，称为“交换”。主要的交换方式分为：电路交换 报文交换存储转

3、发方式 分组交换（包交换）存储转发方式 混合交换,（1）电路交换（circuit switching）原理：直接利用可切换的物理通信线路，连接通信双方。,特点：在发送数据前，必须建立起点到点的物理通路；建立物理通路时间较长，数据传送延迟较短；,（2）报文交换（message switching）原理：信息以报文（逻辑上完整的信息段）为单位进行存储转发。特点：(1)线路利用率高；(2)要求中间结点（网络通信设备）缓冲大；(3)延迟时间长。,(3)分组交换（packet switching）原理：信息以分组为单位进行存储转发。源结点把报文分为 分组，在中间结点存储转发，目的结点把分组合成报文。分组

4、：比报文还小的信息段，可定长，也可变长。,特点：(1)延迟短，线路利用率高；(2)结点存储器利用率高；(3)易于重传，可靠性高；(4)易于开始新的传输，让紧急信息优先通过；(5)额外信息增加。分组交换分为：数据报（datagram）和虚电路（virtual circuit）,2.2 数据通信原理和技术介绍（1）,2.2.1 数据通信的理论基础 傅立叶分析 任何一个周期为T的有理周期性函数 g(t)可分解为若干项（可能无限多项）正弦与余弦函数之和：g(t)=c+其中：f=1/T 基本频率 an,bnn次谐波项的正弦和余弦振幅值,an=bn=c=是直流分量 讨论：*一个周期信号可以分解成无穷多个不

5、同频率的正、余弦分量*反过来，当一个二进制序列脉冲通过信道传输，如果信道的带宽足够宽，则大量的频率成分能够通过，接收端的信号失真就小。如图所示：,2.2 数据通信原理和技术介绍（2）,2.2.2 常用参数指标 1.数据传输率 波特率：每秒钟信号电平变化的次数，也称调制速 率。单位为波特（Baud）比特率：每秒钟传送的二进制位数。单位为比特/秒 记为：bit/s或bps 波特率（baud）和比特率（bit）的关系：Rb=RBlog2L 其中：Rb比特率；RB波特率；L：多进制电平数，一般为L=2N,例如：一个传输系统采用四进制码元表示信号，即有四个电平，L=4，则 Rb=2*RB。若波特率 为1

6、200波特，则比特率为2400bps。2.误码率 二进制码元在传输系统中被传错的概率。设：传输的二进制码元总数为N，传错的码元数为Ne，则误码率为：Pe=Ne/N 误码率是衡量系统可靠性的指标。,3.带宽 带宽：信道所能传输信号的频率范围。带宽由传输介质的电气特性及信道上传输设备与电路 的频率特性综合决定。4.信道容量 信道容量：信道所能达到的最大传输能力。单位：bit/s。,(1)对无噪声有限带宽信道 奈奎斯特（H.Nyquist）公式：C=2H log2 L(bps)式中 H：信道带宽；L：某时刻信号可能取的电平数 例：某信道带宽为4KHz，数字信号可取0,1,2,3四种电平之一。则：C=

7、2*4*log2 4=16 Kbps(2)对有噪声有限带宽信道 香农（C.Shannon）公式：C=H log2(1+S/N)(bps)式中 H：信道带宽；：信号功率；：噪声功率,例：某信道带宽为3000Hz，信噪比20dB，求此信道的最 大传输速率。解：信噪比20dB，即：10 lg S/N=20dB S/N=100 则：C=3000*log2(1+100)19980(bps)20 Kbps 说明：(1)电话系统的典型信噪比一般能达到30dB;(2)此式是利用信息论得出的，具有普遍意义；(3)与信号电平级数、采样速度无关；(4)此式仅是上限，难以达到。,2.2 数据通信原理和技术介绍（3）,

8、2.2.3 通信码 通信码：数据传输系统中，将字符按一定的规则用二进制序列的代码表示。当这些代码用于交换信息时，称为信息交换码，或通信码。通信码的种类有：BCD码、ASCII码、EBCDIC码、国际2号五单位电传码、ISO/R646七单位码等。ASCII码 ASCII码是对字符、数字和其它符号进行编码的一种规定。ASCII码中，前32个编码（十进制0到31）专门起控制作用。部分控制字符的涵义如下：,SOH（Start of Header）：报文标题开始符，表示标题开始。STX（Start of Text）：正文开始符，表示标题结束和正文开始。ETX（End of Text）：正文结束符，表示正

9、文已发送完毕。EOT（End of Transmission）：传送结束符。ACK（Acknowledge）：肯定符。NAK（Negative Acknowledge）：否定符。DLE（Data Link Escape）：数据链转义码控制符，用来改变有限 数量的后续字符的含义。例如，使用上面的部分控制字符装配如下传输数据：,2.2 数据通信原理和技术介绍（4）,2.2.4 基带传输和频带传输 1.数字数据的数字传输（基带传输）基带：基本频带，指传输变换前所占用的频带，是原始信号 所固有的频带。基带传输：在传输时直接使用基带信号 基带传输是一种最简单最基本的传输方式，一般用低电平表 示“0”，高

10、电平表示“1”。限制：因基带信号所带的频率成分很宽，所以要求信道有较 宽的带宽。,常用的几种编码方式：（对码波形编码）1）不归零制码（NRZ：Non-Return to Zero）规则：用两种不同的电平分别表示二进制信息“0”和“1”。例如，低电平表示“0”，高电平表示“1”。缺点：(1)难以分辨一位的结束和另一位的开始；(2)发送方和接收方必须有时钟同步；(3)若信号中“0”或“1”连续出现，信号直流分量将累加。结论：不适宜作为传输码形。适宜与系统内部。,2）曼彻斯特码（Manchester），也称相位编码 规则：每一位中间都有一个跳变，从低跳到高表示“0”，从高跳到低表示“1”。优点：克服

11、了NRZ码的不足。每位中间的跳变即可作 为数据，又可作为时钟，能够自同步。3）差分曼彻斯特码（Differential Manchester）规则：若本码周期前半个码元电平与上一个码周期后半个码 元电平一样,则表示“1”；若两者电平相反，则表示“0”。特点：每个码周期的1/2处，有电平跳变。便于时钟提取，抗干扰能力强。,2.数字数据的模拟传输（频带传输）频带传输：指在一定频率范围内的线路上，进行载波 传输。用基带信号对载波进行调制，使其 变为适合于线路传送的信号。调制（Modulation）：用基带脉冲对载波信号的某些 参量进行控制，使这些参量随基带脉冲变化。解调（Demodulation）：

12、调制的反变换。,2.2 数据通信原理和技术介绍（5）,2.2.5 多路复用技术 由于一条传输线路的能力远远超过传输一个用户信号所需的能力，为了提高线路利用率，经常让多个信号同时共用一条物理线路。常用的有三种方法：频分多路复用 FDM（Frequency Division Multiplexing）时分多路复用 TDM（Time Division Multiplexing）主要用于数字数据传输波分多路复用 WDM（Wavelength Division Multiplexing）,频分多路复用 FDM示意图,时分多路复用 TDM 示意图,波分多路复用 WDM 示意图,2.2.6 并行传输(par

13、allel)与串行传输(serial)并行传输：多位数据同时传输的方式，如图(a)。计算机内部 的数据多是并行传输。串行传输：数据一位一位地由源向目的地传输的方式，如图(b)。成本因素，远距离通信一般采用串行传输。,2.2.7 异步传输和同步传输 数据通信的一个基本要求是接收方必须知道它所接收的每一位的开始时间和持续时间。满足上述要求的办法有两类：异步传输和同步传输。异步传输 工作原理：以字符作为数据单位进行传输，字符之间的传输间隔任意。为了标志字符的开始和结尾，在每个字符的开始加一位起始位，结尾加1位、1.5位或2位停止位，数据位的长度由不同的编码规则决定。如下图所示：,同步传输 工作原理：

14、以若干字符组成的数据块作为数据单位进行传输。同步的方法是在数据块前面加特殊模式的位组合(如01111110)或同步字符(SYN)，并且通过位填充或字符填充技术保证数据块中的数据不会与同步字符混淆。,2.3 模拟传输和数字传输,2.3.1 数据和信号数据分为：模拟数据和数字数据模拟数据：在一定的数据区间内可连续取值的数据，即连续变化的数据。数字数据：只能取离散数值的数据。信号分为：模拟信号和数字信号信号发送方式：模拟信号发送（模拟信道）和数字信号发送（数字信道）,利用模拟信号发送：利用数字信号发送：,2.3.2 模拟传输 调制技术 调制：利用调制信号对载波信号进行调制，使载波信号的某 些量随调制

15、信号的规律变化的过程。例如：普通调幅波,根据载波ASin(2ft+)的三个特性：幅度、频率、相位，产生常用的三种调制技术：调幅、调频、调相。数字调制：调制信号为数字信号的正弦波调制。利用模拟信道进行数据通信时要使用数字调制。分为：幅移键控法 Amplitude-shift keying(ASK)原理：用恒定幅值的载波的有或无分别代表“0”和“1”。频移键控法 Frequency-shift keying(FSK)原理：用两个不同频率的载波分别代表“0”和“1”。相移键控法 Phase-shift keying(PSK)原理：用载波的相位变化分别代表“0”和“1”。例如，前后码 元的相位差为 时

16、，代表“1”；相位差为0 时，代表“0”。,说明：(1)在数字调制中，可以利用数字电路的开关特性实现 ASK、FSK和PSK。例如，实现FSK的示意图。(2)可以采用多元制的混合调制方法，提高信息传输率。,2.3.3 数字传输 数字传输的特点：(1)抗干扰能力强。(2)传输质量与通信线路长度无关。(3)安全性能好。(4)造价低，功耗低。(5)占用较宽的信道频带。脉码调制（PCM）当模拟信号通过数字传输系统传输时，必须使用编码解码器（Codec），即要将模拟信号变换成数字信号。完成此过程的基本方法是脉码调制（PCM）。,PCM的过程：采样、量化、编码 采样：按照一定的时间间隔提取模拟信号的幅值。

17、采样率必须满足Nyquist定理 Nyquist定理:在理想的无噪声信道，若 f 是模拟 信号的最高频率,采样频率为2*f 时，接收方就 可以从采样脉冲信号中完全恢复原信号。量化：将采样点处测得的信号幅值分级取整的过程。编码：将量化后的整数值用二进制数来表示。PCM转换过程及波形示意图如下页。,PCM 转化过程,PCM的国际标准(1)T-标准 24路PCM，简称T1，速率1.544Mbps,北 美、日本(2)E-标准 30/32路PCM，简称E1，速率2.048 Mbps,欧洲、中国、南美 E-标准中，以帧的形式，利用时分复用技术进行传输。下图为E1时分复用帧示意图。,E1-帧,说明：(1)话

18、音信号频率3.4KHz，据Nyquist定理，采样频率为8000Hz，即采样周期125s。每个采样值编码 8bit。(2)单个话路的传输率：8000个/s8bit/个=64Kbit/s(3)将多个（32个）话路的PCM信号用时分复用的方法装成帧，送 往线路逐帧传输。PCM基群E1的数据率为：3264Kbit/s=2.048Mbps。(4)采用时分复用技术，可以得到高次群。例如，四个基群复接 成二次群，四个二次群复接成三次群，依此类推。如下图所示：,三大数字体系,2.4 传输介质（1）,传输介质：实际传送信息的载体。2.4.1双绞线 双绞线由两根绞合成有规则的螺旋形图样的绝缘铜线组成。分类：非屏

19、蔽双绞线（UTP）：外皮为塑料，不具有屏蔽能力。屏蔽双绞线：外皮为金属，具有屏蔽能力。LAN上常用UTP，3类传10M，5类传10M/100M，RJ45头以太网使用,屏蔽双绞线(STP)非屏蔽双绞线(UTP),双绞线的特点 结构简单，容易安装，普通UTP较便宜 有一定的传输速率 具有较高的容性阻抗，信号衰减较大，传输距离有限（100m）有辐射，容易被窃听,2.4 传输介质（2）,2.4.2 同轴电缆同轴电缆由同心的内导体、绝缘层、屏蔽层、保护外套组成。分类：粗缆（直径为1.47厘米）和细缆（直径为0.70厘米）基带电缆（50）和宽带电缆（75）,特点：频带较宽，传输率较高。损耗较低，传输距离较

20、远(200m,500m)。辐射低，保密性好，抗干扰能力强。宽带电缆可实现多路复用传输,2.4 传输介质（3）,2.4.3 光纤 光纤由能传导光波的石英玻璃，外加保护层构成。原理：基于光在具有不同折射率的两种介质交界 面上的全反射现象，将光线约束在光纤内，并引导光沿着轴线向前传播。,光纤结构,折射系数：n0 n1,光纤的分类 多模光纤：不同光线在介质内部以不同反射角传播，可以认 为每束光线对应不同模式。单模光纤：光纤直径小到光波波长时，光在其中无反射，而 沿直线传播。,工作原理 入射角，折射角,信号在光纤中的传输过程 光源：LEDs-发光二极管 LASERs-受激光发射光频放大器，简称激光器 V

21、CSELs-垂直空腔表面发射激光器光检测器：光电二极管,特点：衰减少，无中继传输距离远 带宽宽，传输速率高，传输能力强 不受电磁干扰，抗干扰能力强，无辐射，保密性好 重量轻，容量大，十分适合多媒体通信 光纤断裂的检测和修复都很困难,2.4 传输介质（4）,2.4.4 无线传输介质 1.地面微波接力通信 可传输电话、电报、图象、数据等信息。微波设备信道容量多为960路、1200路、1800路和2700路。我国多为960路。,地球,2.卫星通信 特点:(1)通信距离远，且通信费用与通信距离无关。(2)频带很宽，通信容量很大，信号所受的干扰小，通信比较稳定。(3)具有较大的传播时延。不管两个地球站的

22、距离是多少，从一个 地球站经卫星到另一个地球站的传播时延在250-300ms之间，一 般可取为270ms。,2.5 物理层标准（1）,2.5.1 物理层的基本概念 物理层的作用 尽可能屏蔽传输媒体的差异，透明传送和接收比特流 物理层的主要任务 确定与传输媒体的接口的一些特性：机械特性、电气特性、功能特性和规程特性 物理层向数据链路层提供的服务 物理连接 物理服务数据单元（PSDU）：串行传输方式（1位）、并行传输方式（8位）顺序化 故障报告 服务质量参数,2.5 物理层标准（2）,2.5.2 EIA-232-E（RS-232-C）EIA-232-E 定义了 DTE 和 DCE 之间的接口标准D

23、TE（数据终端设备）：具有一定数据处理能力及收发数据能力的 设备，如计算机。DCE（数据电路端接设备）：在DTE和传输线路之间提供信号变换 和编码功能，并负责建立、保持和释放数据链路的连接，如MODEM,EIA-232-E 定义的接口标准机械特性：25芯连接器，DTE为插头，DCE为插座。电气特性：采用非平衡型电气特性，低于-3V为“1”，高于+3V为“0”，最大20Kbps，连接电缆最长15m。功能特性：引脚信号的含义，第二根针是用于发送数据，第三 根针是用于接收数据等。（见P42，图2-15）规程特性：事件发生的合法顺序。,2.5 物理层标准（3）,2.5.3 EIA RS-449/422-A/423-A 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：加长了接口电缆距离，加大了数据传输率；增加了新 的接口功能等。机械特性：37芯或9芯D型连接器。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，20Kbps2Mbps。功能特性：定义了30条功能线。规程特性：基本上以RS-232-C为基础。,