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1、第第2章数据通信基础章数据通信基础2022/10/111第1页，共97页，编辑于2022年，星期一本章重点本章重点l基本概念基本概念 编码编码l信道信道 多路复用多路复用l传输媒体传输媒体 EIA-232-E接口标准接口标准2022/10/112第2页，共97页，编辑于2022年，星期一第二章第二章 物理层物理层2.1 2.1 物理层基本概念物理层基本概念2.2 2.2 基本概念基本概念2.3 2.3 信道及其主要特征信道及其主要特征2.4 2.4 传输媒体传输媒体(介质介质)2.5 2.5 数据编码数据编码2.6 2.6 多路复用技术多路复用技术2.7 2.7 物理层协议示例物理层协议示例2
2、022/10/113第3页，共97页，编辑于2022年，星期一实现在物理媒体上透明地传送数据的比特流实现在物理媒体上透明地传送数据的比特流。l定义了激活、维护和关闭终端用户之间定义了激活、维护和关闭终端用户之间机械的、电气机械的、电气的、过程的和功能的特性的、过程的和功能的特性。l并非指连接计算机的具体物理设备或传输媒体。并非指连接计算机的具体物理设备或传输媒体。l物理层的作用：屏蔽掉种类繁多的物理设备或传物理层的作用：屏蔽掉种类繁多的物理设备或传输媒体的差异。输媒体的差异。2.1 物理层基本概念物理层基本概念2022/10/114第4页，共97页，编辑于2022年，星期一l物理层的特性物理层
3、的特性包括：包括：l机械特性机械特性：物理连接器的尺寸、形状、规格：物理连接器的尺寸、形状、规格l电气特性电气特性：信号电平，脉冲宽度，频率，数据传：信号电平，脉冲宽度，频率，数据传送速率，最大传送距离等送速率，最大传送距离等l功能特性功能特性：接口引脚的功能作用：接口引脚的功能作用l规程特性规程特性：信号时序，应答关系，操作过程：信号时序，应答关系，操作过程传输方式：串行、并行，远距离通常用串行传输方式：串行、并行，远距离通常用串行传输媒体：架空明线、平衡电缆、同轴电缆、传输媒体：架空明线、平衡电缆、同轴电缆、光导纤维、双绞线、无线通讯光导纤维、双绞线、无线通讯2022/10/115第5页，
4、共97页，编辑于2022年，星期一第二章第二章 物理层物理层2.1 2.1 物理层基本概念物理层基本概念2.2 2.2 基本概念基本概念2.3 2.3 信道及其主要特征信道及其主要特征2.4 2.4 传输媒体传输媒体(介质介质)2.5 2.5 数据编码数据编码2.6 2.6 多路复用技术多路复用技术2.7 2.7 物理层协议示例物理层协议示例2022/10/116第6页，共97页，编辑于2022年，星期一2.2 基本概念基本概念l数据数据(Data)：传递（携带）信息的实体，信息传递（携带）信息的实体，信息(Information)则是数据的内容或解释。则是数据的内容或解释。-模拟模拟(Ana
5、log)数据与数据与数字数字(Digital)数据数据l信号信号(Signal)：数据的物理量编码（数据的物理量编码（通常为电编码）通常为电编码），数据以信号的形式传播。数据以信号的形式传播。-模拟模拟信号与信号与数字数字信号信号 -基带基带(Base band)与与宽带宽带(Broadband)信号信号一些术语一些术语2022/10/117第7页，共97页，编辑于2022年，星期一l信道信道(Channel)：传送信息的媒体（或线路）：传送信息的媒体（或线路）。l比特率比特率(Bit Rate)：数据传输速率数据传输速率(bps，b/s)。l码元码元(Code Cell)：时间轴上的一个信号
6、编码单元时间轴上的一个信号编码单元t码元码元1码元码元2码元码元3码元码元4码元码元5信号信号同步脉冲同步脉冲同步脉冲：用于码元的同步定时，识别码元的开始同步脉冲：用于码元的同步定时，识别码元的开始2022/10/118第8页，共97页，编辑于2022年，星期一l波特率波特率(Baud)：每秒传送的码元数每秒传送的码元数(即信号传送速率即信号传送速率)。1 Baud=（log2M）bps 其中其中M是信号的编码级数。也可以写成是信号的编码级数。也可以写成 Rbit=Rbaud log2M例如：例如：4级编码（级编码（p38图图2-11）一个信号往往可以携带多个二进制位，所以在固定的信息传输速率
7、一个信号往往可以携带多个二进制位，所以在固定的信息传输速率下，比特率往往大于波特率。下，比特率往往大于波特率。换句话说，一个码元中可以传送多个比特（换句话说，一个码元中可以传送多个比特（bit）。）。2022/10/119第9页，共97页，编辑于2022年，星期一 带宽带宽(Bandwidth)：信号或信道占据的频率范围信号或信道占据的频率范围 信道容量信道容量(Channel capacity)：信道的最大数据率信道的最大数据率 误码率误码率(Bit error rate)：信道传输可靠性指标信道传输可靠性指标 P=错误的位数错误的位数/传输的总位数传输的总位数信息编码：信息编码：将信息用二
8、进制数表示的方法将信息用二进制数表示的方法。数据编码：数据编码：将数据用物理量表示的规则将数据用物理量表示的规则。例如：字母例如：字母A的的ASCII编码为编码为01000001，其数据编码可能为，其数据编码可能为01000001t2022/10/1110第10页，共97页，编辑于2022年，星期一通信系统模型通信系统模型通信的三个要素：通信的三个要素：信源、信宿和信道信源、信宿和信道任何一个通信系统都可以抽象为以下模型：任何一个通信系统都可以抽象为以下模型：噪声噪声信源信源编码编码调制调制信道信道解调解调解码解码信宿信宿编码器：数据编码器：数据适合传输的信号适合传输的信号便于识别、纠错便于识
9、别、纠错调制器：信号调制器：信号适合传输的形式适合传输的形式按频率、幅度、相位按频率、幅度、相位解码器：传输信号解码器：传输信号原始数据原始数据解调器：接收波形解调器：接收波形数字信号序列数字信号序列2022/10/1111第11页，共97页，编辑于2022年，星期一信息信息数据数据信号信号在介质上传输在介质上传输信号信号数据数据信息信息通信系统的任务通信系统的任务信息通过通信系统传输信息通过通信系统传输 把携带信息的数据用物理信号形式通过介质传送到把携带信息的数据用物理信号形式通过介质传送到目的地。目的地。信息和数据（信息和数据（0、1比特）不能直接在介质上传输比特）不能直接在介质上传输。2
10、022/10/1112第12页，共97页，编辑于2022年，星期一通信系统的构成通信系统的构成l数据传输系统数据传输系统：1）传输线路传输线路（包括传输介质和中继设备）（包括传输介质和中继设备）2）传输设备传输设备：调制解调器、多路复用器、交换机、路由器等：调制解调器、多路复用器、交换机、路由器等l数据处理系统数据处理系统：主要是指计算机。：主要是指计算机。通信基本过程通信基本过程包含两项内容：数据传输和通信控制包含两项内容：数据传输和通信控制建立物理连接建立物理连接建立逻辑连接建立逻辑连接数据传送数据传送断开逻辑连断开逻辑连接接断开物理连接（对比：打电话的过程）断开物理连接（对比：打电话的过
11、程）2022/10/1113第13页，共97页，编辑于2022年，星期一第二章第二章 物理层物理层2.1 2.1 物理层基本概念物理层基本概念2.2 2.2 基本概念基本概念2.3 2.3 信道及其主要特征信道及其主要特征2.4 2.4 传输媒体传输媒体(介质介质)2.5 2.5 数据编码数据编码2.6 2.6 多路复用技术多路复用技术2.7 2.7 物理层协议示例物理层协议示例2022/10/1114第14页，共97页，编辑于2022年，星期一2.3 信道及其主要特征信道及其主要特征2.3.1 数字信道和模拟信道数字信道和模拟信道数字信道：以数字脉冲形式（离散信号）传输数数字信道：以数字脉冲
12、形式（离散信号）传输数据的信道据的信道。模拟信道：以连续模拟信号形式传输数据的模拟信道：以连续模拟信号形式传输数据的信道信道。2022/10/1115第15页，共97页，编辑于2022年，星期一2.3.2 模拟信号和数字信号模拟信号和数字信号l模拟信号：时间上连续，包含无穷多个值模拟信号：时间上连续，包含无穷多个值l数字信号：时间上离散，仅包含有限数目的预定值数字信号：时间上离散，仅包含有限数目的预定值tta)模拟信号b)数字信号2022/10/1116第16页，共97页，编辑于2022年，星期一数字通信的优点数字通信的优点 抗噪声（干扰）能力强抗噪声（干扰）能力强 可以控制差错，提高了传输质
13、量可以控制差错，提高了传输质量 便于用计算机进行处理便于用计算机进行处理 易于加密、保密性强易于加密、保密性强 可以传输语音、数据、影像，通用、灵活可以传输语音、数据、影像，通用、灵活 仅在不得已的情况下，才会采用模拟通信。仅在不得已的情况下，才会采用模拟通信。如用如用modem通过拨号线路传输数字信号。通过拨号线路传输数字信号。2022/10/1117第17页，共97页，编辑于2022年，星期一2.3.3 传输模式传输模式(通信方式通信方式)数据流动的方向数据流动的方向l并行：通信线路与数据传输的位数相同，并行：通信线路与数据传输的位数相同，用于短距离传输。用于短距离传输。l串行：通信线路只
14、有一条（或串行：通信线路只有一条（或2 2、4 4条），与传条），与传输数据无关，用于远距离传输。输数据无关，用于远距离传输。l串行传输分三种方式：单工、半双工、全双工。串行传输分三种方式：单工、半双工、全双工。2022/10/1118第18页，共97页，编辑于2022年，星期一串行传输分三种方式串行传输分三种方式 单工：数据单向传输单工：数据单向传输（无线电广播）（无线电广播）半双工：数据可以双向传输，但不能在同一时半双工：数据可以双向传输，但不能在同一时刻双向传输刻双向传输（对讲机）（对讲机）全双工：数据可同时双向传输全双工：数据可同时双向传输（电话）（电话）两个方向的信号共享链路带宽：两
15、个方向的信号共享链路带宽：1）链路具有两条物理上独立的传输线路；）链路具有两条物理上独立的传输线路；2）将带宽一分为二，分别用于不同方向的信号传输）将带宽一分为二，分别用于不同方向的信号传输2022/10/1119第19页，共97页，编辑于2022年，星期一串行传输与并行传输串行传输与并行传输发送方发送方接收方接收方发送方发送方接收方接收方数据线数据线并行并行串行串行数据线数据线通信线路与数据传输的位数相同，用于短距离传输。通信线路与数据传输的位数相同，用于短距离传输。通信线路与数据传输的位数相同，用于短距离传输。通信线路与数据传输的位数相同，用于短距离传输。通信线路只有一条（或通信线路只有一
16、条（或通信线路只有一条（或通信线路只有一条（或2 2 2 2、4 4 4 4条），与传输数据无关，用于远距条），与传输数据无关，用于远距条），与传输数据无关，用于远距条），与传输数据无关，用于远距离传输离传输离传输离传输。2022/10/1120第20页，共97页，编辑于2022年，星期一“单工单工单工单工”发送方发送方 接收方接收方2线环回线环回地线做回路地线做回路单工（单工（simplex）信息只能单方向传输信息只能单方向传输 发送方发送方 接收方接收方2022/10/1121第21页，共97页，编辑于2022年，星期一2线线发送方发送方/接收方接收方发送方发送方/接收方接收方半双工（半双
17、工（half-duplex）双向交替通信双向交替通信2022/10/1122第22页，共97页，编辑于2022年，星期一全双工（全双工（duplex）双方可同时收发信息双方可同时收发信息“A Phone Conversation”A Phone Conversation”2022/10/1123第23页，共97页，编辑于2022年，星期一同步传输与异步传输同步传输与异步传输同步传输同步传输l以时钟来对传输进行同步以时钟来对传输进行同步l以数据块（帧或分组）为单位传输以数据块（帧或分组）为单位传输FlagAddressCtrlFCSDataFlag01111110011111102022/10/
18、1124第24页，共97页，编辑于2022年，星期一异步传输异步传输CharacterSTOPSTARCharacterSTOPSTARIndefinite Time IntervalTTl独立时钟，无须同步独立时钟，无须同步l以字符为单位进行传输以字符为单位进行传输l发送两个字符之间的间隔是任意的发送两个字符之间的间隔是任意的l接收方依靠字符中的启始位来同步接收方依靠字符中的启始位来同步2022/10/1125第25页，共97页，编辑于2022年，星期一2.3.4 数字数据的传输方式数字数据的传输方式 基带传输：不调制，编码后的数字脉冲信号基带传输：不调制，编码后的数字脉冲信号直接在信道上传
19、送直接在信道上传送。例如：以太网例如：以太网 频带传输：调制成模拟信号后再传送，接收方频带传输：调制成模拟信号后再传送，接收方需要解调需要解调 例如：通过电话模拟信道传输例如：通过电话模拟信道传输2022/10/1126第26页，共97页，编辑于2022年，星期一信道最大数据传输率信道最大数据传输率 M 最大数据率最大数据率(C)2 6000 bps 4 12000 bps 8 18000 bps16 24000 bps32 30000 bps64 36000 bps C=2W log2 MC=传输率，单位传输率，单位b/s或或bpsW=带宽，单位带宽，单位HzM=信号电平级数信号电平级数例如
20、：例如：话音级线路话音级线路(3000 Hz)的信道容量计算，如右的信道容量计算，如右图所示。图所示。Nyquist公式为估算已知带宽信道的最高速率提供了依据公式为估算已知带宽信道的最高速率提供了依据。Nyquist 公式：用于理想低通信道公式：用于理想低通信道2022/10/1127第27页，共97页，编辑于2022年，星期一非理想信道非理想信道实际的信道上存在三类损耗：实际的信道上存在三类损耗：衰减、延迟、噪声衰减、延迟、噪声。a）衰减）衰减信道的损耗引起信号强度减弱，导致信噪比信噪比S/N降低降低。b）延迟）延迟信号中的各种频率成分在信道上的延迟时间各不相同，在接收端会产生信号畸变信号畸
21、变。c）噪声）噪声热噪声热噪声：由导体内的热扰动引起，又称为白噪声。串扰串扰：信道间产生的不必要的耦合。例：多对双绞线脉冲噪声脉冲噪声：非连续、随机、振幅较大。多由外部电磁干扰造成（闪电、大功率电机启动等）。噪声将破坏信号，产生误码破坏信号，产生误码。持续时间0.01s的干扰可以破坏约560个比特（56Kbps）。2022/10/1128第28页，共97页，编辑于2022年，星期一Shannel公式：高斯噪声干扰信道S/NdB 信噪比（信噪比（dB分贝）的定义分贝）的定义C=W log2(1+SN)S/NdB=10 log10 S/N例：信道带宽例：信道带宽W=3KHz，信噪比为，信噪比为30
22、dB，则，则C=3000*log2(1+1000)30KbpsC=传输率，单位传输率，单位b/sW=带宽，单位带宽，单位Hz 即：即：2022/10/1129第29页，共97页，编辑于2022年，星期一Nyquist公式和公式和Shannel公式的比较公式的比较 C=2W log2M 此公式说明数据传输率此公式说明数据传输率C随信号编码级数增加随信号编码级数增加而增加。而增加。C=W log2(1+S/N)无论采样频率多高，信号编码分多少级，此无论采样频率多高，信号编码分多少级，此公式给出了信道能达到的最高传输速率。公式给出了信道能达到的最高传输速率。原因：噪声的存在将使编码级数不可能无限原因
23、：噪声的存在将使编码级数不可能无限 增加。增加。2022/10/1130第30页，共97页，编辑于2022年，星期一第二章第二章 物理层物理层2.1 2.1 物理层基本概念物理层基本概念2.2 2.2 基本概念基本概念2.3 2.3 信道及其主要特征信道及其主要特征2.4 2.4 传输媒体传输媒体(介质介质)2.5 2.5 数据编码数据编码2.6 2.6 多路复用技术多路复用技术2.7 2.7 物理层协议示例物理层协议示例2022/10/1131第31页，共97页，编辑于2022年，星期一2.4 传输媒体传输媒体(介质介质)l磁介质磁介质高带宽、低费用、高带宽、低费用、高延时高延时（小时）（小
24、时）例：例：7GB/8mm，1000盘盘/50*50*50cm，24h可送到任何地方。可送到任何地方。总容量总容量=7*1000*8Gbits，总时间，总时间=24*60*60=86400s 传送速率传送速率=56000Gb/86400s=648Mb/s l金属导体金属导体双绞线、双绞线、同轴电缆同轴电缆(粗、细粗、细)l光纤光纤l无线介质无线介质无线电、短波、微波、卫星、光波无线电、短波、微波、卫星、光波2022/10/1132第32页，共97页，编辑于2022年，星期一双绞线双绞线内导体芯线内导体芯线绝缘绝缘箔屏蔽箔屏蔽铜屏蔽铜屏蔽外套外套-螺旋绞合的双导线，螺旋绞合的双导线，1mm-每根
25、每根4对、对、25对、对、1800对对-典型连接距离典型连接距离100m（LAN）-RJ45插座、插头插座、插头-优缺点：优缺点：成本低成本低 密度高、节省空间密度高、节省空间 安装容易（综合布线系统）安装容易（综合布线系统）平衡传输（高速率）平衡传输（高速率）抗干扰性一般抗干扰性一般 连接距离较短连接距离较短2022/10/1133第33页，共97页，编辑于2022年，星期一屏蔽双绞线屏蔽双绞线屏蔽双绞线屏蔽双绞线 (STP)(STP)非屏蔽双绞线非屏蔽双绞线非屏蔽双绞线非屏蔽双绞线 (UTP)l以铝箔屏蔽以减少 干扰和串音3类、5类、6类（16M、155M、1200M）双绞线外没有任何附加
26、屏蔽2022/10/1134第34页，共97页，编辑于2022年，星期一 同轴电缆同轴电缆l基带同轴电缆基带同轴电缆 一条电缆只用于一个信道，50，用于数字传输l宽带同轴电缆宽带同轴电缆 一条电缆同时传输不同频率的多路模拟信号，75，用于模拟传输，300450MHz，100km，需要放大器 铜芯铜芯绝缘层绝缘层外导体外导体屏蔽层屏蔽层保护套保护套2022/10/1135第35页，共97页，编辑于2022年，星期一 细同轴细同轴 50，D=1.02cm，10Mbps 185m、4中继、中继、5段（段（925m）优缺点：价格低 安装方便（T型连接器、BNC接头、Terminator）抗干扰能力强
27、距离短 可靠性差 粗粗同轴同轴 50，D=2.54cm，10Mbps 500m、4中继、中继、5段（段（2500m）优缺点：价格稍高 安装方便（收发器、收发器电缆、Terminator）抗干扰能力强 距离中等 可靠性好 2022/10/1136第36页，共97页，编辑于2022年，星期一头端头端放大器放大器计算机计算机入境电缆入境电缆出境电缆出境电缆头端头端放大器放大器计算机计算机低频用于入境低频用于入境（PC-头端）头端）高频用于出境高频用于出境（头端（头端-PC）双电缆系统双电缆系统单电缆系统单电缆系统宽带同轴电缆系统宽带同轴电缆系统2022/10/1137第37页，共97页，编辑于202
28、2年，星期一 光纤光纤l依靠光波承载信息依靠光波承载信息l速率高，通信容量大速率高，通信容量大 仅受光电转换器件的限制（仅受光电转换器件的限制（100Gb/s）l传输损耗小，适合长距离传输传输损耗小，适合长距离传输l抗干扰性能极好，保密性好抗干扰性能极好，保密性好l轻便轻便2022/10/1138第38页，共97页，编辑于2022年，星期一光纤传输原理光纤传输原理利用了光的反射利用了光的反射l光从一种介质入射到另一种介质时会产生折射。折射量光从一种介质入射到另一种介质时会产生折射。折射量取决于两种介质的折射率。当入射角取决于两种介质的折射率。当入射角 临界值时产生全反临界值时产生全反射，不会泄
29、漏。射，不会泄漏。l光纤：纤芯光纤：纤芯-折射率高、玻璃包层折射率高、玻璃包层-折射率低折射率低l亮度调制，有脉冲亮度调制，有脉冲-1，无脉冲，无脉冲-0l光传输系统：光源、介质、光检测器光传输系统：光源、介质、光检测器光源光源:850nm/1300nm/1500nm 发光二极管发光二极管/激光二极管激光二极管介质介质:光纤光纤光检测器光检测器:光电二极管光电二极管PIN/雪崩二极管雪崩二极管APDl单向传输，双向需两根光纤单向传输，双向需两根光纤2022/10/1139第39页，共97页，编辑于2022年，星期一折射定律折射定律媒体媒体2折射率高折射率高 媒体媒体1折射率低折射率低q qi入
30、射入射q qr反射反射q qt折射折射lq qi=入射角入射角lq qr=折射角折射角lq qt=反射角反射角Q Qt q qi 当当q qi大于一临界角度时，就会产生全反射大于一临界角度时，就会产生全反射2022/10/1140第40页，共97页，编辑于2022年，星期一光纤传送模式：MMF、SMF 多模多模多模多模 MMFMMF 输入电信号输入电信号输入电信号输入电信号输出电信号输出电信号输出电信号输出电信号单模单模单模单模 SMFSMF 波长波长:1300,1550 nm:1300,1550 nm波长波长 :850,1300 nm:850,1300 nmh2 h2h1 h1芯芯芯芯/封套
31、特性封套特性封套特性封套特性h1 h1h2 h2光纤的直径减小到一个光波波长多束光线以不同的反射角传播多束光线以不同的反射角传播单束光线沿直线传播单束光线沿直线传播2022/10/1141第41页，共97页，编辑于2022年，星期一典型的光缆玻璃封套玻璃封套塑料外套塑料外套玻璃内芯玻璃内芯单芯光缆单芯光缆单芯光缆单芯光缆多芯光缆多芯光缆多芯光缆多芯光缆玻璃内芯玻璃内芯塑料外套塑料外套玻璃封套玻璃封套外壳外壳常见规格：玻璃内芯常见规格：玻璃内芯50um缓变型缓变型MMF 62.5um缓变缓变/增强型增强型MMF 8.3um突变型突变型SMF 玻璃包层玻璃包层125um2022/10/1142第4
32、2页，共97页，编辑于2022年，星期一高密度多芯光缆高密度多芯光缆剖面结构剖面结构芯芯封套封套外套加强芯光纤光纤外鞘外鞘加强芯加强芯光纤束光纤束2022/10/1143第43页，共97页，编辑于2022年，星期一光源光源1200-1600 nm1200-1600 nm500-1000 nmLED半导体激光半导体激光光纤传输系统的组成：光源、传输媒体、光纤传输系统的组成：光源、传输媒体、光接收器光接收器2022/10/1144第44页，共97页，编辑于2022年，星期一光接收器光接收器光信号光信号光信号光信号检测器检测器前置放大器前置放大器均衡器均衡器后置放大器后置放大器滤波滤波判决电路判决电
33、路时钟恢复时钟恢复数据数据数据数据2022/10/1145第45页，共97页，编辑于2022年，星期一 无线介质无线介质l使用电磁波或光波携带信息使用电磁波或光波携带信息l无需物理连接无需物理连接l适用于长距离或不便布线的场合适用于长距离或不便布线的场合l易受干扰易受干扰2022/10/1146第46页，共97页，编辑于2022年，星期一几种媒体的传输频带几种媒体的传输频带双绞线双绞线双绞线双绞线电话业务电话业务电话业务电话业务同轴电缆同轴电缆同轴电缆同轴电缆AM AM 无线电无线电无线电无线电FM FM 无线电和无线电和无线电和无线电和 TVTV地面微波接力地面微波接力地面微波接力地面微波接
34、力 光纤光纤光纤光纤卫星卫星卫星卫星10102 210103 310104 410105 510106 610107 710108 810109 910101010101011111010121210101313101014141010151510101616无线电无线电无线电无线电红外线红外线红外线红外线紫外线紫外线紫外线紫外线可见光可见光可见光可见光微波微波微波微波 Hz Hz2022/10/1147第47页，共97页，编辑于2022年，星期一无线电无线电l固定终端点（基站）和终端之间是无线链路BS基站基站 用户计算机和终端用户计算机和终端BS基站覆盖的无线电区域基站覆盖的无线电区域F F
35、2 2F F3 3F F1 1F F2 2F F3 3F F1 1F F2 2F F3 3F F1 1F F2 2F F2 2F F3 3F F1 1F1,F2,F3=使用的频率2022/10/1148第48页，共97页，编辑于2022年，星期一地面微波接力地面微波接力l两个地面站之间传送两个地面站之间传送l距离：距离：50-100 km地球地球地球地球地面站之间的直视线路地面站之间的直视线路地面站之间的直视线路地面站之间的直视线路 微波传送塔微波传送塔微波传送塔微波传送塔2022/10/1149第49页，共97页，编辑于2022年，星期一地球同步卫星地球同步卫星l与地面站相对固定位置与地面站
36、相对固定位置l使用使用3个卫星覆盖全球个卫星覆盖全球l传输延迟时间长传输延迟时间长22,30022,300公里公里公里公里地球地球地球地球2022/10/1150第50页，共97页，编辑于2022年，星期一红外线红外线(Infrared)和毫米波和毫米波(Millimeter Waves)用于短距离通信，如手机，电视、录象机等的遥控用于短距离通信，如手机，电视、录象机等的遥控也可用于无线也可用于无线LAN缺点：不能穿透固体缺点：不能穿透固体l光波光波(lightwave)传输传输 l 应用：在屋顶用激光连接两个建筑物的应用：在屋顶用激光连接两个建筑物的LAN 缺点：不能穿透雨和浓雾，易受天气影
37、响缺点：不能穿透雨和浓雾，易受天气影响选择传输媒体要考虑的因素：价格、带宽选择传输媒体要考虑的因素：价格、带宽/数据率、传输距数据率、传输距离离2022/10/1151第51页，共97页，编辑于2022年，星期一常用传输媒体的比较常用传输媒体的比较传输媒体传输媒体双绞线双绞线50 同轴电缆同轴电缆 75 同轴电缆同轴电缆 光纤光纤 短波短波 卫星卫星地面地面微波接力微波接力 远距离速率远距离速率模拟：模拟：300-3400Hz 数字数字:4Mbps 10Mbps 300-450MHz 2Gbps几十几十-几百几百bps 2-40GHz 500MHz 传输距离传输距离 性能性能 价格价格 应用应
38、用 应用示例应用示例5-6公里公里2-3公里公里 1-10公里公里 100公里公里 10-100公里公里 全球全球 几百公里几百公里 一万八千公里一万八千公里 可以可以 较好较好 较好较好 很好很好 很好很好 很好很好 较差较差 很低很低 很低很低 较低较低 较高较高 较高较高 与距离无关与距离无关卫星及火箭造卫星及火箭造价较高价较高 用户环线用户环线 LAN LAN CATV 模拟传输数模拟传输数字传输字传输 数字数字 模拟、数字模拟、数字 远距离传输远距离传输远程、低速通信远程、低速通信 远程通信远程通信 远程通信远程通信 主干网、长话主干网、长话 广播广播 长话、电视长话、电视 数据、电
39、视数据、电视2022/10/1152第52页，共97页，编辑于2022年，星期一第二章第二章 物理层物理层2.1 2.1 物理层基本概念物理层基本概念2.2 2.2 基本概念基本概念2.3 2.3 信道及其主要特征信道及其主要特征2.4 2.4 传输媒体传输媒体(介质介质)2.5 2.5 数据编码数据编码2.6 2.6 多路复用技术多路复用技术2.7 2.7 物理层协议示例物理层协议示例2022/10/1153第53页，共97页，编辑于2022年，星期一2.5 数据编码数据编码数据：模拟数据、数字数据数据：模拟数据、数字数据信号：模拟信号、数字信号信号：模拟信号、数字信号 信道：模拟信道、数字
40、信道信道：模拟信道、数字信道不同类型的信号在不同类型的信道上传输有不同类型的信号在不同类型的信道上传输有4种组合，种组合，每一种相应地需要进行不同的编码处理。每一种相应地需要进行不同的编码处理。2022/10/1154第54页，共97页，编辑于2022年，星期一l 模拟传输和数字传输模拟传输和数字传输话音话音模拟传输模拟传输模拟模拟数字数字模拟模拟模拟模拟CODEC数字数字数字数字数字编码数字编码数字数字模拟数据，模拟信号模拟数据，模拟信号数字数据，模拟信号数字数据，模拟信号数字数据，数字信号数字数据，数字信号模拟数据，数字信号模拟数据，数字信号10101010Modem2022/10/115
41、5第55页，共97页，编辑于2022年，星期一EncoderDecoderModulatorDemodulator数字或数字或模拟模拟数字或数字或模拟模拟数字信号数字信号数字信号数字信号模拟信号模拟信号模拟信号模拟信号g(t)g(t)m(t)m(t)p px(t)x(t)s(t)s(t)g(t)g(t)m(t)m(t)数字或数字或模拟模拟数字或数字或模拟模拟PP调制参数调制参数调制参数调制参数编码编码编码编码调制调制调制调制l编码和调制用数字信号承载数字或模拟数据用数字信号承载数字或模拟数据编码编码用模拟信号承载数字或模拟数据用模拟信号承载数字或模拟数据调制调制2022/10/1156第56页
42、，共97页，编辑于2022年，星期一2.5.1 数字数据的数字信号编码数字数据的数字信号编码 不归零制不归零制(NRZ，Non-Return to Zero)二进制数字二进制数字0、1分别用两种电平来表示。分别用两种电平来表示。常用常用 5V表示表示1，5V表示表示0。缺点：存在直流分量，传输中不能使用变压器；缺点：存在直流分量，传输中不能使用变压器；不具备自同步机制，必须使用外同步。不具备自同步机制，必须使用外同步。曼彻斯特编码曼彻斯特编码(Manchester code)用电压的变化表示用电压的变化表示0和和1。2022/10/1157第57页，共97页，编辑于2022年，星期一 规定在规
43、定在每个码元的中间每个码元的中间发生跳变：发生跳变：低低高的跳变高的跳变0，高，高 低的跳变低的跳变1 每个码元中间都要发生跳变，接收端可将此变化提每个码元中间都要发生跳变，接收端可将此变化提取出来作为同步信号，使接收端的时钟与发送设备的取出来作为同步信号，使接收端的时钟与发送设备的时钟保持一致。时钟保持一致。曼彻斯特编码也称为曼彻斯特编码也称为自同步码（自同步码（Self-Synchronizing Code）。它具有自同步机制，无需外同步信号。它具有自同步机制，无需外同步信号。缺点：需要双倍的传输带宽（即信号速率是数据速缺点：需要双倍的传输带宽（即信号速率是数据速率的率的2倍）。倍）。20
44、22/10/1158第58页，共97页，编辑于2022年，星期一 差分曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码(Differential Manchester code)与与曼彻斯特编码相同，曼彻斯特编码相同，在每个码元的中间，信号都会在每个码元的中间，信号都会发生跳变；不同之处在于：发生跳变；不同之处在于：用在码元开始处有无跳变来表示用在码元开始处有无跳变来表示0和和1：码元开始处有跳变码元开始处有跳变0 码元开始处无跳变码元开始处无跳变12022/10/1159第59页，共97页，编辑于2022年，星期一三种数字编码三种数字编码的波形图的波形图01001100011 时钟时钟时钟时钟NRZNRZMan
45、chesterManchester差分差分差分差分ManchesterManchester2022/10/1160第60页，共97页，编辑于2022年，星期一2.数字数据的调制编码数字数据的调制编码三种常用的调制技术：三种常用的调制技术：1）幅移键控幅移键控ASK(Amplitude Shift Keying)，调幅，调幅 2）频移键控频移键控FSK(Frequency Shift Keying)，调频，调频 3）相移键控相移键控PSK(Phase Shift Keying)，调相，调相基本原理：用数字信号对载波的不同参量进行调制。基本原理：用数字信号对载波的不同参量进行调制。载波载波 S(t
46、)=A cos(t+)S(t)的参量包括：的参量包括：幅度幅度A、频率频率 、相位相位 调制就是要使这三个参量随数字基带信号的变化而变化调制就是要使这三个参量随数字基带信号的变化而变化2022/10/1161第61页，共97页，编辑于2022年，星期一0 001 11 10 01 1000 01 10 0ASK调幅调幅调幅调幅FSKFSK调频调频PSKPSK调相调相ASK：用载波的两个不同振幅表示：用载波的两个不同振幅表示0(0v)和和1(+5v)FSK：用载波的两个不同频率表示：用载波的两个不同频率表示0(1.2KHz)和和1(2.4KHz)PSK：用载波的起始相位的变化表示：用载波的起始相
47、位的变化表示0(同相同相)和和1(反相反相)2022/10/1162第62页，共97页，编辑于2022年，星期一多级调制方法多级调制方法1-单参量多级调制单参量多级调制0110000+90+180+27011l数据率数据率=信号速率信号速率 x log2M M：调制级数：调制级数+90+900 0 01010 00 0 0000+270+2700 0 1111+180+1800 0 10104-PSK4-PSK2022/10/1163第63页，共97页，编辑于2022年，星期一多级调制方法多级调制方法2 多参量多级调制多参量多级调制16-QAM(16-QAM(正交振幅调制正交振幅调制正交振幅调
48、制正交振幅调制):):使用使用使用使用振幅振幅振幅振幅和和相位相位的的的的1616种组合种组合种组合种组合0 045 16-QAM 16-QAM的星座图的星座图的星座图的星座图901802701353152252022/10/1164第64页，共97页，编辑于2022年，星期一高速高速(56Kbps)MODEMD/AA/DA/DD/AD/AA/D V.34(28.8-33.6kbps)最大的噪声来源于最大的噪声来源于模数转换模数转换的量化噪声，信道容量极限值约的量化噪声，信道容量极限值约 35kbpsD/AA/DD/A V.90(56kbps)交换机交换机1交换机交换机2ISP V.34(28
49、.8-33.6kbps)模拟模拟模拟模拟数字数字数字数字数字数字数字数字模拟模拟上行仍需上行仍需模数模数(A/D)转换转换，速率最高为，速率最高为35kbps；下行则可达；下行则可达56Kbps2022/10/1165第65页，共97页，编辑于2022年，星期一3.模拟数据的数字信号编码模拟数据的数字信号编码奈奎斯特定理（采样定理）：奈奎斯特定理（采样定理）：如果连续变化的模拟信号最高频率为如果连续变化的模拟信号最高频率为F，若以，若以2F的的采样频率对其采样，则采样得到的离散信号序列就能采样频率对其采样，则采样得到的离散信号序列就能完整地恢复出原始信号。完整地恢复出原始信号。语音信号要在数字
50、线路上传输，必须将语音信号转换成语音信号要在数字线路上传输，必须将语音信号转换成数字信号。这需要经过三个步骤：数字信号。这需要经过三个步骤：1）采样）采样按一定间隔对语音信号进行采样按一定间隔对语音信号进行采样 2）量化）量化对每个样本舍入到量化级别上对每个样本舍入到量化级别上 3）编码）编码对每个舍入后的样本进行编码对每个舍入后的样本进行编码2022/10/1166第66页，共97页，编辑于2022年，星期一模拟话音模拟话音模拟话音模拟话音采样时钟采样时钟采样时钟采样时钟PAM PAM 信号信号信号信号PCM PCM 信号信号信号信号采样电路采样电路量化和编码量化和编码 数字化声数字化声数字