第三章物理层.pptx

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1、本章内容3.1 数据通信基础l3.1.1通信系统模型l3.1.2 模拟通信与数字通信l3.1.3 信号带宽l3.1.4 信道l3.1.5 物理传输媒体l3.1.6 数字信号的编码l3.1.7 数字调制技术l3.1.8 模拟信号的脉码调制 l3.1.9 数据同步方式 l3.1.10 多路复用技术 3.2 物理层协议l3.2.1物理层协议在通信系统中的地位l3.2.2 四类物理层协议3.3 物理层协议举例第1页/共57页 3.1 数据通信基础3.1.1 通信系统模型信源变换器信 道反变换器信宿噪声源l信源：将各种信息转换成原始物理信号，如计算机，手机，电话机等。l变换器/反变换器：对原始物理信号进

2、行变换/反变换，以便适合在给定的信道上传输，如MODEM，TA，光/电转换器等。l信道：传输信号的一条通路。一条物理线路可构成一个或多个信道。l噪声源：信道自身的噪声以及周围环境对信道的干扰。如热噪声，闪电，强电磁场干扰等。l信宿：将物理信号转换为信息，如计算机，手机，电话机等。发送端接收端 第2页/共57页3.1 数据通信基础模拟信号:信号在传输过程中连续变化。数字信号:信号在传输过程中离散变化。模拟通信：利用模拟信号来传输数据。数字通信：通过数字信号来传输数据。数字信号 vt v t 模拟信号3.1.2 模拟通信与数字通信第3页/共57页3.1 数据通信基础数字通信的优点 l抗干扰能力强。

3、l适合远距离传输。l有利于安全性。l适合多媒体信息传输。3.1.3 信号带宽信号带宽:信号能量所集中的频率范围（频谱）。例 如:语 音 信 号 占 用 的 频 率 谱 为 300-3400Hz,那 么 带 宽 为 3400-300=3100Hz对数字信号,带宽 H 可近似表示为：H=1/为脉冲宽度；数据率越高，脉宽越窄，数字信号的带宽越大。第4页/共57页3.1 数据通信基础3.1.4 信道信道信道是传输信号的一条通路。信道通常由物理传输介质和通信设备（如MODEM，中继器，均衡器）组成。一条物理线路可同时复用多条信道。衡量信道质量的两个重要参数信道的带宽。信道的误码率。信道带宽信道带宽：信道

4、允许传输信号的频率范围，单位为Hz。如普通电话线的带宽是4KHz。对数字通信，通常用数据率来表示带宽。数据率：信道每秒最多传输的二进制位数，单位为bps。第5页/共57页3.1 数据通信基础 波特率波特率又称码元速率，是指每秒传输码元的数目，单位为波特（Baud）.若码元的离散取值数目为L，波特率为B，数据率为C，则：C=B log2L第6页/共57页3.1 数据通信基础信道带宽与数据率的关系奈奎斯特定理（无噪声信道）C=2H log2L(bps)其中，C为信道的数据率（即容量）；H为信道的带宽；L为 数字信号的离散取值数目。香农定理（有噪声信道，不受限）C=H log2(1+S/N)(bps

5、)其中，S为信号功率，N为噪音功率，S/N为信噪比。例：H=4KHz,S/N=1023,L=8；求C。解：（）由奈奎斯特定理：C=2H log2L=24000log28=24000（bps）第7页/共57页3.1 数据通信基础（2）由香农定理：C=H log2(1+S/N)=4000log2（1+1023）=40000bps所以，信道最大数据率24000bps第8页/共57页3.1 数据通信基础误码率 误码率是指数字信号比特（二进制位）在传输过程中出错的概率。P=Ne/N 其中，P为误码率；Ne为出错的比特数；N为传输的总比特数。信道的通信方向 单工信道 只允许数据信号在信道上的单向传输。如：

6、无线电广播，电视。半双工信道 数据信号可以在信道上双向传输，但同一时刻只允许单向传输。如：无线对讲机。全双工信道 允许数据同时双向传输。如：计算机通信。第9页/共57页3.1 数据通信基础ABABAB 数据 应答 数据 应答 数据 应答 单工信道 半双工信道全双工信道第10页/共57页3.1 数据通信基础3.1.5 物理传输媒体（通信介质）双绞线 非屏蔽双绞线（UTP）三类UTP 100,100m,10Mbps，用于10BASE-T以太网。五类UTP（目前常用）100,100m,100Mbps，用于100BASE-T以太网。超五类UTP 100,80m,1000Mbps，用于千兆以太网。六类U

7、TP 100,100m,1000Mbps，用于千兆以太网。铜线聚氯乙烯套层绝缘层第11页/共57页3.1 数据通信基础 屏蔽双绞线（STP）抗干扰性能好。价格昂贵、安装麻烦。同轴电缆铜线聚氯乙烯套层屏蔽层绝缘层第12页/共57页3.1 数据通信基础 同轴电缆中央是一根铜导线，外包一层绝缘材料（泡沫塑料），这层绝缘材料又被第二层网状导体裹住，以屏蔽外界电磁干扰。l基带同轴电缆（50）粗缆:10BASE-5 细缆:10BASE-2l宽带同轴电缆（75）用于闭路电视。l与双绞线相比，同轴电缆传输距离长，抗干扰能力强，但价格贵，布线麻烦。第13页/共57页3.1 数据通信基础 光纤的中央是一根直径几十

8、微米光导玻璃或塑料芯。外面用一层玻璃体包住，最外层是塑料保护层。多根光纤由外包层包裹在一起构成光缆。光纤分为单模和多模两类。光纤第14页/共57页单模光纤光线主要沿着光线的轴心向前传输单模光纤传输距离较长，但对光源要求高。3.1 数据通信基础l多模光纤光线沿着光纤以多种角度被包层反射向前传输。多模光纤传输距离较短，但对光源要求不高。l光纤优点容量大：可达几百Gbps。距离远：100km（无需中继）。抗干扰能力强：不受外部电磁场干扰。化学性质稳定。第15页/共57页3.1 数据通信基础 无线传输媒体 无线传输以自由空间作为传输媒体，主要包括无线电波、微波、卫星通信、激光、红外线等。无线电波划分

9、国际电信联盟将无线电波划分为：低频：（LF）(30kHz 300KHz)中频：（MF）(300kHz 3MHz)高频：（HF）(3MHz 30MHz)甚高频：（VHF）(30MHz 300MHz)超高频：（UHF）(300MHz 3GHz)特高频：（SHF）(3GHz 30GHz)极高频：（EHF）(30GHz 300GHz)第16页/共57页3.1 数据通信基础 无线电波无线电波的传播特性 低中频 可轻易的通过障碍物（绕射）；但能量随距离增加而急剧减少，传输距离有限。高频和甚高频 能量会被地表吸收；但能通过电离层反射。超高频和特超高频（微波）只能直线传播；既不能绕射也不能反射。第17页/共5

10、7页3.1 数据通信基础 微波 微波频率大致为1GHz 100GHz用于无线局域网的微波频率范围为：2.4GHz 2.484GHz 5.725GHz 5.825 GHz 18.825GHz 19.205GHz微波通信必须要有微波中继站：100m高，相距80km。卫星通信卫星通信是一种特殊的微波通信，使用同步通信卫星作为微波中继站 与地面中继站相比，卫星的通信距离远，从理论上讲，三个同步卫星就能覆盖整个地球表面。卫星通信的特点 （1）传输延迟长达270ms。（2）通信费用与距离无关。（3）抗干扰能力差，甚至雨水也能吸收微波能量 第18页/共57页3.1 数据通信基础3.1.6 数字信号的编码数字

11、信号的编码：用何种物理信号来表示“0”和“1”。非归零编码（NRE:Non-Return to Zero）以高电平表示“0”，低电平表示“1”，反之亦然。l优点：编/译码简单。l缺点：内部不含时钟信号，收/发端同步困难。l用途：计算机内部低速数据通信01001100011第19页/共57页3.1 数据通信基础 曼彻斯特编码（Manchester Encoding）每一位中间有一次跳变，既表示数据，又作为同步信号。从高电平跳变到低电平表示“0”，从低电平跳变到高电平表示“1”；反之亦然。优点：内部自含时钟，收/发端同步容易。缺点：编/译码较复杂。占用更多的信道带宽，在同样的波特率的情况下，要比非

12、归零编码多占用一倍信道带宽，或者说编码效率只有50%。01001100011第20页/共57页3.1 数据通信基础用途：802.3局域网（以太网）差分曼彻斯特编码（Differential Manchester Encoding）每一位中间也有一次跳变，但这种跳变仅作为同步信号，不表示数据。数据值通过每位开始时无跳变来表示；有跳变表示“0”，无跳变表示“1”；反之亦然。优点：内部自含时钟，收/发端同步容易。比曼彻斯特编码的抗干扰能力更强。01001100011第21页/共57页3.1 数据通信基础缺点：编/译码更复杂。同样需要多占用一倍信道带宽。用途：802.5局域网（令牌环网）第22页/共5

13、7页3.1.7 数字调制技术3.1.7 数字调制技术 数字信号的模拟传输基带信号：由信源产生的原始电信号。载波：频率较高的正弦波信号。调制：将基带信号加载到载波上，即按基带信号的变化规律去改变载 波的某些参数。解调：从载波中提取基带信号。调制技术基带信号调制解调基带信号模拟信道模拟信道第23页/共57页调制技术调幅：用载波信号不同振幅表示数据,又称幅移键控法ASK。易受突发干扰，适合低速数据传输，典型为1200bps调频用载波信号不同频率表示数据,频率高表示“1”，频率低表示“0”又称频移键控法FSK 抗干扰优于调幅方式，但频带利用率不高调相用载波信号不同相位表示数据又称相移键控法PSK占用频

14、带宽，抗干扰能力强，数据率高，可达9600bps第24页/共57页调制方法举例010011100数字信号调幅调频调相第25页/共57页3.1.8 模拟信号的脉码调制 模拟信号的数字传输信源是模拟信号可以先转化为数字信号，然后再通过数字信道传输。电话codeccodec电话数字信道 编码/解码器最常用的模最常用的模/数转化方式是脉码调制（数转化方式是脉码调制（PCM：Pulse Code Modullation）第26页/共57页脉码调制采样按照一定的时间间隔采样测量模拟信号幅值。量化将采样点测得的信号幅值分级取整。编码将量化后的整数值用二进制数表示 第27页/共57页采样和量化 采样定理若模拟

15、信号的带宽为H(Hz),则采用频率B只要大于或等于2H就可以恢复原样模拟信号。即：B2H.语音信号带宽为4kHz,则采样频率可取每秒8k次。（或每125us采样一次）。量化设数字信号的离散取值数目为2n，则将采样值按0，1，2，.，2n-1进行取整。量化误差：量化取整值与实际幅值之间的误差。第28页/共57页编码 若数字信号取值数128，量化值为0127，则每个采样值要用7bits来编码。若数字信号取值为64级，量化值为063，则每个采样值要用6bits来编码。分级越多，误差越小，但每个采样取值点编码所需的比特数就越多。第29页/共57页 语音信号语音信号011 100 011 011 001

16、 100011 100 011 011 001 100 PCM PCM 输出输出3 34 43 33 31 14 4011011100100011011011011001001100100量化量化编码编码3.23.23.93.92.82.83.43.41.21.24.24.2 采样采样PCM编码过程举例第30页/共57页差分脉码调制差分脉码调制其输出值不是数字化采样值本身，而是当前值和上一个值之差。如果按128级，对多数模拟信号来讲。相邻采样点的差值大于16的可能性非常小。所以主要4个比特就可以编码了，而不需要7个比特。具有压缩作用 第31页/共57页3.1.9 数据同步方式 同步：接收端按发

17、送端发送代码的频率和起始时间来接收数据。同步 V T第32页/共57页字符同步方式（异步通信）字符同步：仅针对一个字符内所含的二进制位进行同步。1 0 1 1 0 1 0 0起始位 停止位（1.5位或2位）起始位是低电平（起始位是低电平（1位）位）停止位是高电平（停止位是高电平（1.5或或2位）位）停止位后面是起始位或空闲位停止位后面是起始位或空闲位第33页/共57页优点时钟飘移被限制在一个字符内，不会产生积累误差。因此对同步精度要求不高。缺点每个字符均有起始/停止位，因而传输效率较低。适用低速通信。字符同步方式又称异步通信。第34页/共57页位同步（同步通信）位同步：针对每个数据块内的每位进

18、行同步。实现位同步的两种方法：内同步：不单独发同步位号，而是将同步位号嵌入数据编码内部。例如曼彻斯特编码。外同步：在发送端和接收端之间提供专门的时钟信号。1 0 1 1 0 1 0 0同步位模式0 1 1 1 1 1 1 0数据第35页/共57页优点传输效率高。缺点易产生时钟漂移积累误差而导致数据出错，同步困难。例设一个数据块为1K字节，那么每次要连续发送1024x8=8192位。适用高速通信。第36页/共57页3.1.10 多路复用技术 多路复用将多个信道复用在一条物理线路上，使一条物理线路能够同时传输多路数据信号。分类频分多路复用（FDM）时分多路复用（TDM）统计时分多路复用（统计TDM

19、）第37页/共57页频分多路复用信道1（6064K）频分多路复用器频分多路复用器电话中继线（60108KHz）话机话机话机话机话机话机信道2（6468K）信道12（104108K）。FDM：将一条物理线路的总带宽分割成若干个较小带宽的子信道，每个子信道传输一路信号。子信道分割技术：不同信号加载到不同载波上，实现信号频移。第38页/共57页时分多路复用 TDM:将一条高速物理线路的传输时间划分成若干相等的时间片，轮流的为多路信号使用 数据不丢失条件：CHCi缺点：某些时间片由于没有数据传输而造成出于空闲状态，浪费信道宽度高速线路（CH）时时分分多多路复用路复用时分多时分多路复用路复用A B C

20、A B CC1C2C3C1C2C3ABCABC低速线路低速线路第39页/共57页统计时分多路复用 统计统计TDM统计统计TDMA B C A C A C A AC1C2C3C1C2C3ABCABC 统计TDM:采用动态分配时间策略，即有数据要传输的线路才分配时间片。第40页/共57页3.2 物理层协议物理层协议实际上就是指通信接口标准DCE通信接口通信接口DTEDTE通信接口通信接口DCE通信线路通信线路数据终端设备 数据通信设备3.2.1 物理层协议在通信系统中的地位第41页/共57页接口的机械特性。规定接口的扦头（座）的规格，尺寸，扦脚数目等。如RS-232C使用25脚扦头（座）。功能特性

21、。对接口的各信号线的作用进行定义和说明。规程特性。规定各信号线之间的相互关系，动作发生的先后次序。电气特性规定信号的传输速率，电平关系，负载要求和电缆长度等。第42页/共57页3.2.2 四类物理层协议美国电子工业协会EIA制定的RS-232-C,RS-422A,RS-423A,RS-449,RS-485,RS-530等串行接口标准。CCITT(现改为ITU)制定的X系列和V系列接口标准。V系列规定了数字设备与模拟信道的接口标准，适用于电话信道的数据传输；X系列定义了数据设备与数据信道的接口标准，适用于公用数据网的数据通信。ISO制定的ISO2110,ISO4902,ISO4903,ISO11

22、77等接口标准。这些标准很少用到。IEEE802物理层规范第43页/共57页DTEMMDTEDTEDTERS232CRS-232电缆 RS-232C是最广泛使用的物理层协议（1969年制定）.3.3 物理层协议举例 RS232C 电话线DTE通常为通常为PC机机第44页/共57页机械特性采用DB-25(25脚)标准连接口1131425第45页/共57页电气特性 电压低电压（+3V）:“0”最高电压可达到+12V.电缆RS-232C电缆长度：不超过15m速率通信速率：20Kbps标准速率为：19.2kbps,9600bps,4800bps,2400bps,1200bps.功能特性功能特性 P67

23、.表2.5第46页/共57页发送数据MODEM就绪 载波信号 电话线12345678201234567820远远程程计计算算机机本本地地计计算算机机规程特性 保护地接收数据请求发送允许发送信号地载波检测终端就绪远程MODEM RS232C本地MODEMRS232C第47页/共57页RS-232C通信规程本地计算机准备就绪时，将脚20置成高电平，通知本地MODEM：计算机处于就绪状态。若MODEM也准备就绪，则将脚6置高电平，以示响应。计算机将脚4置高电平请求发送数据；MODEM检测到脚4高电平后，向远程MODEM发一载波信号，让远程MODEM做好接收数据准备，然后通过延迟电路将脚5置成高电平，

24、以示允许发送数据。远程MODEM检测到载波信号后，将脚8置高电平，通知远程计算机做好接收数据准备。第48页/共57页RS-232C通信规程本地计算机测的脚5为高电平后，即可通过脚2发送数据，并由脚3接收数据。数据发送完毕，将脚4置成低电平，通知本地MODEM发送完毕。MODEM收到该电平后，停止向电话线发送载波信号，并将脚5置成低电平作为响应。远程MODEM测不到载波信号后，则将脚8置成低电平，恢复初始状态。本地计算机置脚20位低电平，通知本地MODEM拆线。MODEM收到该低电平信号后，将脚6置成低电平以示同意拆线。第49页/共57页USB发展历史传统的串口、并口通讯方式逐渐不能满足现有系统

25、或者设备的数据传输速率需求。以Intel为首的七家公司于1994年推出了USB(Universal Serial Bus，通用串行总线协议)概念，并在随后的几年内不断的对USB协议进行改进，成功推行USB 1.1；2004年底，正式推出了USB 2.0协议。接口与USB1.1兼容；2007秋季，正式推出了USB 3.0协议。第50页/共57页USBUSB 是一种支持热插拔的高速串行传输总线，使用差分信号来传输数据，最高速度可达 480Mb/S（USB2.0）。USB 支持“总线供电”和“自供电”两种供电模式。在总线供电模式下，USB2.0设备最多可以获得500mA的电流；USB2.0 被设计成

26、为向下兼容的模式，当有全速（USB 1.1）或者低速（USB 1.0）设备连接到高速（USB 2.0）主机时，主机可以通过分离传输来支持它们。一条 USB 总线上，可达到的最高传输速度等级由该总线上最慢的“设备”决定，该设备包括主机、HUB以及USB功能设备。第51页/共57页USB 3.0 与 USB 2.0 lUSB 3.0传输速率达USB 2.0十倍。USB 2.0的速率为480Mbps USB 3.0则可达到4.8 Gbps最大电流供应USB 2.0端口的最大电流供应能力仅有500mAUSB 3.0提升了电源输出能力提升到了900mAUSB 3.0的标准A型接口可向下兼容USB 2.0

27、/1.1，其尺寸大小是一致的第52页/共57页区分USB2.0 与USB3.0颜色：USB3.0一般蓝色，2.0一般黑色针脚：USB 3.0 9个USB 2.0 4个第53页/共57页区分USB2.0 与USB3.0Logo区分，如下图USB3.0的“SS”代表着SuperSpeed第54页/共57页本章小结主要内容介绍与网络物理层相关的数据通信领域的背景知识，包括数据通信的基本概念、模拟通信与数字通信、传输介质、数据编码、数据同步、数据传输方式、多路复用技术等。在此基础上，介绍物理层的主要功能和常用的几种物理层接口标准（协议）。重点信道的带宽、数据编码、数据同步 第55页/共57页本章作业p.71,72:2.6,2.7,2.25,2.26p.72:2.29第56页/共57页感谢您的观看！第57页/共57页