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1、潍坊学院 计算机与通信工程学院第三讲 物理层（一）本讲主要内容n物理层的基本概念n数据通信的理论基础n数字通信系统n数据编码n数字调制技术n脉冲编码调制n数据通信方式23.1物理层的基本概念n物理层考虑的是怎样才能在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流，而不是指连接计算机的具体物理设备或具体的传输媒体。n物理层的作用是要尽可能地屏蔽掉物理设备、传输媒体及通信手段的差异，使物理层上面的数据链路层感觉不到这些差异，这样就可以使数据链路层只需要考虑如何完成本层的协议和服务，而不必考虑网络具体的传输媒体是什么。n用于物理层的协议也常称为物理层规程（Procedure），物理层规程也就是物理层协议。
2、3物理层的主要任务描述为确定与传输媒体的接口的一些特性，即：n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。n电气特性 指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。n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。n规程特性 指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。43.2.1 数字通信系统1数字通信系统的组成n数字信号指幅度的取值是离散的,幅值表示被限制在有限个数值之内。如图所示。5数字通信系统6数字通信的特点优点n抗干扰能力强n可靠性高n采用二进制码，使用计算机对数字信号进行处理n数字通信系统可以传送各种消息n保密性强缺点n比模拟通信占带宽72数字通
3、信系统的主要技术指标n信道最大数据传输率（尼奎斯特定理）n香农（Shannon）定理n码元传输速率n信息传输速率n误码率n误比特率8信道最大数据传输率（尼奎斯特定理）n定理：一任意信号通过带宽为H的低通滤波器时，如果对被通过的信号每秒采样2H次，将采样值经过量化、编码然后变为矩形脉冲传送，在接收端依据接收的采样脉冲的编码值就可完整地重现这个滤波的信号。n如果被传信号电平分为V级，尼奎斯特定理限定的最高数据率Rb为：n Rb=2Hlog2V（bps）9香农（Shannon）定理n实际的信道总是有噪声的，噪声影响信号的正常传送。相对于信号大小的噪声大小，经常用信噪比来度量。用S表示信号功率，N表示
4、噪声功率，则信噪比为S/N，信噪比常用dB表示，n1984年，香农关于有噪声信道的主要结论是，带宽为H，信噪比为S/N的信道其最大数据传输率为RbnRb=Hlog2（1+S/N）（bps）10n码元传输速率又称传码率，是单位时间（每秒）内传送码元的数目，单位为“波特”(Boud)。信息传输速率n信息传输速率又称传信率，是单位时间（每秒）内传送信息量，单位为比特/秒（bit/s）。码元传输速率11误码率n是指通信过程中系统传错码元的数目与所传输的总码元的数目之比，也就是传错码元的概率，既：误比特率n又称误信率，是指传错信息的比特数目与所传输的总信息比特数之比，既：123.2.2 数据编码1.二电
5、平码n二电平码是最基本的一种码型，它采用两种不同的电平来分别表示二进制中的“0”和“1”。例如，用恒定的正电平表示“1”，用无电平的状态表示“0”。n非归零电平码(NRZ-L)是一种负逻辑的码型。132差分码n差分码是一种以电平跳变来表示数据信息的码型。n非归零反相码(NRZ-I，Not Return to Zero-Invert on ones)是差分码的一种。n码型构成：传输一个比特的起始电平发生跳转，这个比特表示二进制的1；如果此刻电平没有发生跳转，这个比特表示二进制的0。143裂相码n裂相码是一种在比特中点位置上电平跳转为相反极的码型。n常用的两种裂相码是：曼彻斯特码和差分曼彻斯特码。
6、15（1）曼彻斯特码n码型构成：n在比特中点位置上电平的跳变既作为数据信息又作为同步信息。在比特中点位置上出现的从负电平到正电平的跳变表示二进制的“1”码，将此刻出现从正电平倒负电平的跳变表示二进制的“0”码。16（2）差分曼彻斯特码n码型构成：n以比特中点位置上电平的跳变作为同步信息。以比特开始时刻是否出现电平跳变作为数据信息，比特开始时刻出现电平跳变，则该比特表示0，否则表示1。n波形如图3-11所示。173.2.3数字调制技术n数据通信中数字信号的传输方式,分为基带传输和频带传输。n基带传输：当二进制编码的“0”和“1”的符号用电脉冲的“正”、“负”表示时，形成的是基带信号，将基带信号直
7、接在信道上传输的方式称为基带传输方式。n频带传输：将数字基带信号变换成适合信道传输的数字频带信号，用载波调制方式进行传输，这种传输方式称为频带传输。频带传输系统的基本结构如图3-14所示。18图3-14 频带传输系统的基本结构19数字信号的载波调制有三种方法n即以数字基带信号去控制正弦载波的振幅、频率和相位，实现：n幅度键控（ASK）n频率键控（FSK）n相位键控（PSK）201.数字幅度调制n用数字基带信号去控制正弦载波的振幅，使载波信号振幅随基带信号的变化而变化。n（1）2ASK信号的表示n在幅度键控调制(ASK)方式下，用载波的两个不同的振幅来表示两个二进制的值。假设用载波振幅等于0表示
8、二进制数字信号的0，用载波振幅等于A表示二进制数字信号的1。即用振幅恒定载波的有无来表示二进制数字信号的1，0。如图3-15所示。21图3-15 2ASK信号的产生及波形222.数字频率调制技术n数字频率调制是用数字基带信号去控制正弦载波的频率，使载波信号的频率随基带信号的变化而变化。载波振幅保持不变。n（1）2FSK信号的产生n设基带信号为“1”码时，用载频传输；“0”码时，用载频传输，则产生的2FSK信号，波形如图3-16所示。23图3-16 2FSK信号的产生及波形243.数字相位调制n数字相位调制是用数字基带信号去控制正弦载波的相位，使载波信号的相位随基带信号的变化而变化。它有两种形式
9、。绝对移相调制和相对移相调制。n（1）二相绝对移相调制（2PSK）n绝对移相调制用载波相位的不同值表示不同的数字信号，例如：用0相表示“1”码、用相表示“0”码。它们相对于固定不变的参考电位0，因此称为绝对移相。n2PSK信号的产生及波形如图3-17所示：2526（2）二相相对移相2DPSK信号的产生n在绝对移相解调中会产生“相位模糊”，所以必须采用相对移相调制方法。n相对移相可以看成是数字基带信号（绝对码）经过变换形成相对码后对载波的绝对移相。n2DPSK信号的产生原理图如图3-18所示。n绝对码：an相对码：b=ba27图3-18 2DPSK信号的产生原理图 283.2.4脉冲编码调制n模
10、拟数据通过数字信道传输有效率高、失真小的优点，而且可以开发新的通信业务，例如，数字电话系统可提供语音信箱的功能。n用编码解码器把模拟数据变换为数字信号的过程叫模拟数据的数字化。常用的数字化技术就是所谓的脉冲编码调制技术PCM（Pulse Code Modulation），简称脉码调制。29PCM的基本原理采样周期 Tt信号t采样1001001111000010t编码t解码t还原30一个话路PCM信号速率的计算n取样标准电话信号最高频率3.4kHz采样频率定为8kHz从而模拟电话信号经模数变换后，成为每秒8000个脉冲信号n量化量化级别为256个等级n编码 8bit编码，从而一个脉冲再编为个二进
11、制码元因此，一个话路的PCM信号速率为64kb/s313.3 通信方式与交换方式n3.3.1数据通信方式n串行通信中，数据通常是在两个站（如终端和微机）之间进行传送，按照同一时刻数据流的方向可分成三种基本传送模式，这就是全双工、半双工和单工传送。如图3-20所示。32数据通信方式333.3.2 异步传输和同步传输n在传送数字信号时，接收端必须有与数据位脉冲相同的频率的时钟来逐位将数据读入寄存器。这种在接收端使数据位与时钟在频率和相位上保持一致的机制成为同步。实现这种同步的技术称为同步方式。n根据在接收端获取同步信号的方法不同，同步方式分为字符同步方式和位同步方式，也称异步传输方式和同步传输方式
12、。341异步传输方式n异步传输方式特点是一个字符一个字符传输，每个字符由四个部分组成：起始位（占1位），数据位（占58位），奇偶校验位（占1位，也可以没有校检位），停止位（占1位或1位半或2位），每传送一个字符都是以起始位开始，以停止位结束，字符之间没有固定的时间间隔要求。n一帧数据的格式如图3-21所示。35 图3-21 数据帧的格式362同步传输方式n同步通信不像异步通信那样一次传送一个字符，而是一次传送一个字符块（如200个字符）。当然这个数据块的前后也有同步字符和数据校验字符。这种通信方式要求发送和接收设备要保持完全的同步，因此硬件复杂。37小结n物理层的基本概念n数据通信的理论基础n数字通信系统n数据编码n数字调制技术n脉冲编码调制n数据通信方式38