第 2 章 物理层第一讲 基本概念及数据通信基础知识u物理层接口的特性u数据通信的基础知识u信道的极限容量u数据传输的同步技术u传输媒体1. 物理层接口的特性v 物理层上所传数据的单位为比特，即原始的 数据位。它必须保证，一方发送了“1”时，另 一方收到的也是“1”，而不是“0”。典型问题包 括：多少伏电压表示“1”，多少伏电压表示“0”每一位持续多少纳秒（ns）传输过程是否同时进行初始连接如何建立，以及通信结束后如何撤销连 接网络连接器有多少针以及每一针的用途是什么v物理层为网络定义了机械的、电器的和时序 的接口以及位于物理层下的传输介质等。物理层的主要任务是确定与传输媒体接口的 一些特性，即： v机械特性 指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 。v电气特性 指明在接口电缆的各条线上出现 的电压的范围。v功能特性 指明某条线上出现的某一电平的 电压表示何种意义。v过程特性 指明对于不同功能的各种可能事 件的出现顺序。 2. 数据通信的基础知识1、数据(data)：运送消息的实体。 2、信号：信号是数据的电子或电磁编码。信号可分为 模拟信号和数字信号。模拟信号是随时间连续变化的电流、电压或电磁波；数字信号则是一系列离散的电脉冲。 可以互相转化。信号频率f: 信号每秒钟振动的次数，记作 f，单位为Hz. 3、信道：传送信号的介质。信号传输速率B - 每秒传输的码元数，单位为波特，记作 Baud。 计算公式: B=1/T (Baud) 式中 T为信号码元的宽度，单位为秒信号传输速率也称波特率。数据传输速率R -每秒传输二进制信息的位数，单位为位/秒，记作 bps。 计算公式: R=1/T * log 2 N (bps)式中 T为一个码元信号的宽度，单位为秒； N为对一个码元编码采样的离散值的个数；log 2 N为每个码元的bit数。 数据传输速率也称比特率。波特率与比特率t码元1码元2码元3码元4码元5信号n 码元（Code cell）：时间轴上一个信号的编码单元。T例：脉冲编码采样v假设信号的幅度为：- 0.90.7,采样后用8个值对采样结果进行量化， 量化间隔为：(0.7+0.9)/8 = 0.2, 可用3 - 4 对信号进行量化，8个数可 用3bit二进制进行编码。return0.7-0.90.70.7单工通信（单向通信）只能有一个方向 的通信而没有反方向的交互。半双工通信（双向交替通信）通信的双 方都可以发送信息，但不能双方同时发送(当 然也就不能同时接收)。全双工通（信双向同时通信）通信的双 方可以同时发送和接收信息。 基带信号 (即基本频带信号baseband) 来自信源的信号。像计算机输出的代表各种 文字或图像文件的数据信号都属于基带信号 。带通信号(band pass)把基带信号经过载 波调制后，把信号的频率范围搬移到较高的 频段以便在信道中传输（即仅在一段频率范 围内能够通过信道）。v也叫宽带信号，是将基带信号进行调制后形成的 频分复用模拟信号。 数据通信系统的模型 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调制解调器PC 机公用电话网调制解调器数字比特流数字比特流模拟信号模拟信号 输入 汉字显示 汉字数据通信系统源系统目的系统传输系统输 出 信 息PC 机信宿信源编码与调制v编码：将数字数据转换成数字信号的过程。v解码：将数字信号还原为数字数据的过程。v调制：将数字数据转换成模拟信号。v解调：将调制后的模拟信号还原为数字数据 的过程。常用编码方法v归零制：正脉冲代表1，负脉冲代表0v不归零制：正电平代表1，负电平代表0v曼彻斯特编码：位周期中心的上跳变表示0 ，下跳变表示1v差分曼彻斯特编码：位的开始边界有跳变上 跳变表示0，无跳变表示1v曼彻斯特编码产生的信号频率比不归零制高 ，但曼彻斯特编码有自同步能力。几种最基本的调制方法 v基带信号往往包含有较多的低频成分，甚 至有直流成分，而许多信道并不能传输这种 低频分量或直流分量。为了解决这一问题， 就必须对基带信号进行调制(modulation)。 v最基本的二元制调制方法有以下几种：调幅(AM)：载波的振幅随基带数字信号而变化 。 调频(FM)：载波的频率随基带数字信号而变化 。调相(PM) ：载波的初始相位随基带数字信号而 变化。 对基带数字信号的几种调制方法 010011100基带信号调幅调频调相正交振幅调制 QAM (Quadrature Amplitude Modulation) r(r, )可供选择的相位有 12 种， 而对于每一种相位有 1 或 2 种振幅可供选择。 由于4 bit 编码共有16 种不同的 组合，因此这 16 个点中的每个 点可对应于一种 4 bit 的编码。 若每一个码元可表示的比特数越多，则在接收端进行 解调时要正确识别每一种状态就越困难。 举例2. 信道的极限容量 v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。 v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。 数字信号通过实际的信道 v有失真，但可识别v失真大，无法识别 实际的信道 （带宽受限、有噪声、干扰和失真）发送信号波形接收信号波形发送信号波形实际的信道 （带宽受限、有噪声、干扰和失真）接收信号波形v1924 年，奈奎斯特(Nyquist)就推导出了著名 的奈氏准则。他给出了在假定的理想条件下 ，为了避免码间串扰，码元的传输速率的上 限值。v在任何信道中，码元传输的速率是有上限的 ，否则就会出现码间串扰的问题，使接收端 对码元的判决（即识别）成为不可能。v如果信道的频带越宽，也就是能够通过的信 号高频分量越多，那么就可以用更高的速率 传送码元而不出现码间串扰。 奈氏(Nyquist)准则 v每赫带宽的理想低通信道的最高码元传 输速率是每秒 2 个码元。vBaud 是波特，是码元传输速率的单位， 1 波特为每秒传送 1 个码元。 理想低通信道的最高码元传输速率 = 2W Baud W 是理想低通信道的带宽，单位为赫(Hz) 不能通过能通过0频率(Hz) W (Hz) 另一种形式的奈氏准则 v每赫带宽的理想低通信道的最高码元传 输速率是每秒 1 个码元。理想带通特性信道的最高码元传输速率 = W Baud W 是理想带通信道的带宽，单位为赫(Hz) 不能通过能通过0频率(Hz) W (Hz) 不能通过注意： v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上限数值。v波特(Baud)和比特(bit)是两个不同的概念 。 波特是码元传输的速率单位（每秒传多少个 码元）。码元传输速率也称为调制速率、波 形速率或符号速率。 比特是信息量的单位。 v信息的传输速率“比特/秒”与码元的传输 速率“波特”在数量上却有一定的关系。v若 1 个码元只携带 1 bit 的信息量，则“ 比特/秒”和“波特”在数值上相等。v若 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 M n b/s。 信噪比 v噪声存在于所有的电子设备中，它可以影响接 收端对码元的判决。如果信号较强则噪声的影 响就相对较小。v信噪比就是信号的平均功率与噪声的平均功率 之比，记为S/N。S 为信道内所传信号的平均功率；N 为信道内部的高斯噪声功率。v信噪比的度量单位是分贝（dB），其定义为：信噪比（dB） = 10 log10(S/N) （dB） 例如，S/N=1000时，信噪比为30dB。香农定理 v香农(Shannon)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、无差错的信息传输速率。v信道的极限信息传输速率 C 可表达为C = W log2(1+S/N) b/s W 为信道的带宽（以 Hz 为单位）；香农公式表明v信道的带宽或信道中的信噪比越大，则 信息的极限传输速率就越高。 v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。 v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是这样的），则信 道的极限信息传输速率 C 也就没有上限 。v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。 例题：假定信道带宽为3100HZ，最大信息传输速率 为35kb/s，如要使最大信息传输率增大60% ，则信噪比要增大多少倍？利用香农公式请注意 v对于频带宽度已确定的信道，如果信噪 比不能再提高了，并且码元传输速率也 达到了上限值，那么还有办法提高信息 的传输速率。这就是用编码的方法让每 一个码元携带更多比特的信息量。 3. 数据传输的同步技术 v在数据通信系统中，当发送端与接收端采用串行 通信时，通信双方要交换数据，彼此间传输数据 的速率、每个比特的持续时间和间隔都必须相同 。接收端必须判断收到码元是1还是0。如何才能 保证码元的采样判决时间正确？v同步就是要接收方按照发送方发送的每个码元/ 比特起止时刻和速率来接收数据。v实现收发之间的同步技术是数据传输中的关键技 术之一，通常使用的同步技术有两种：异步方式同步方式异步传输方式v在异步传输方式中，每传送1个字符（7位或8位）都要在 每个字符码前加1个起始位，以表示字符代码的开始，在 字符代码和校验码后面加1或2个停止位，表示字符结束。 接收方根据起始位和停止位来判断一个新字符的开始。从 而起到通信双方的同步作用。v异步方式实现比较容易，但每传输一个字符都需要多使用 23位，所以适合于低速通信。v异步通信的接收端使用具有一般精度的时钟进 行数据通信。v发送端可以在任意时刻开始发送字符。v异步通信的好处是通信设备简单、便宜，但传 输效率较低（因为开始位和停止位的开销所占 比例较大）。同步通信v同步通信：要求收发两端的时钟频率相等，即收 发双方的时钟同步。通信开始时，双方必须先建立同步；收发双方不停地发送和接收连续的比特流；有两种不同的同步方式v全网同步，用一个非常精确的主时钟对全网所有结 点上的时钟进行同步；v准同步，各结点的时钟之间允许有微小的误差，然 后采用其他措施实现同步传输。同步传输方式v同步通信的信息格式是一组字符或一个二进制位组成的数 据块（帧）。v对这些数据，不需要附加起始位和停止位，而是在发送一 组字符或数据块之前先发送一个同步字符SYN（以 01101000表示）或一个同步字节（01111110），用于接 收方进行同步检测，从而使收发双方进入同步状态。v在同步字符或字节之后，可以连续发送任意多个字符或数 据块，发送数据完毕后，再使用同步字符或字节来标识整 个发送过程的结束。同步传输中的位同步v使用同步字符或同步字节，只是用于同步接收数 据帧，只有保证了接收端接收的每一个比特都与 发送端保持一致，接收方才能正确的接收数据， 这就要使用位同步的方法。v对于位同步，可以使用一个额外的专用信道发送 同步时钟保持双方同步，也可以使用编码技术将 时钟编码到数据中，接收端接收数据的同时就获 取到同步时钟，两种方法相比，后者的效率最高 ，使用的最为广泛。v在同步传送时，由于发送方和接收方将整个字符 组作为一个单位传送，且附加位又非常少，从而 提高了数据传输的效率。所以这种方法一般用在 高速传输数据的系统中，比如计算机之间的数据 通信。4. 物理层下面的传输媒体无线电微波红外线可见光紫外线X射线射线双绞线同轴电缆卫星地面微波调幅 无线电调频 无线电海事 无线电光纤电视(Hz)f(Hz)fLFMFHFVHF UHF SHFEHFTHF波段104 105 106 107 108 109 1010 1011