物理層(數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ))

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1、,單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級(jí),第三級(jí),第四級(jí),第五級(jí),*,課 題：物理層,目的要求：掌握物理層的基本概念、數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)知識(shí),教學(xué)重點(diǎn)：數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)知識(shí),教學(xué)難點(diǎn)：信道的極限數(shù)據(jù)傳輸速率,教學(xué)課時(shí)：2,教學(xué)方法：講授、練習(xí),本次課涉及的學(xué)術(shù)前沿：,教學(xué)內(nèi)容與步驟：,2.1,物理層的基本概念,物理層的主要任務(wù)描述為確定與傳輸媒體的接口的一些特性，即：,機(jī)械特性 指明接口所用接線器的形狀和尺寸、引線數(shù)目和排列、固定和鎖定裝置等等。,電氣特性 指明在接口電纜的各條線上出現(xiàn)的電壓的范圍。,功能特性 指明某條線上出現(xiàn)的某一電平的電壓表示何種意義。,過程特性 指明對(duì)于不同功能

2、的各種可能事件的出現(xiàn)順序。,2.2 數(shù)據(jù)通信的基礎(chǔ)知識(shí),2.2.1 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的模型,傳輸,系統(tǒng),輸入信息,輸入數(shù)據(jù),發(fā)送,的信號(hào),接收,的信號(hào),輸出數(shù)據(jù),源點(diǎn),終點(diǎn),發(fā)送器,接收器,調(diào)制解調(diào)器,PC 機(jī),公用電話網(wǎng),調(diào)制解調(diào)器,數(shù)字比特流,數(shù)字比特流,模擬信號(hào),模擬信號(hào),正文,正文,數(shù)據(jù)通信系統(tǒng),源系統(tǒng),目的系統(tǒng),傳輸系統(tǒng),輸出信息,PC 機(jī),幾個(gè)術(shù)語(yǔ),數(shù)據(jù)(data)運(yùn)送信息的實(shí)體。,信號(hào)(signal)數(shù)據(jù)的電氣的或電磁的表現(xiàn)。,“模擬的”(analogous)連續(xù)變化的。,“數(shù)字的”(digital)取值是離散數(shù)值。,調(diào)制把數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)的過程。,解調(diào)把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)

3、的過程。,碼元(code)在使用時(shí)間域（或簡(jiǎn)稱為時(shí)域）的波形表示數(shù)字信號(hào)時(shí)，代表不同離散數(shù)值的基本波形。,數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)組成,數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)是通過數(shù)據(jù)電路將分布在異地的數(shù)據(jù)終端設(shè)備與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)連接起來，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸、交換、存儲(chǔ)和處理的系統(tǒng)。比較典型的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)終端設(shè)備、數(shù)據(jù)電路、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)三部分組成，如下圖所示。,數(shù)據(jù)終端設(shè)備,在數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中，用于發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的設(shè)備稱為數(shù)據(jù)終端設(shè)備(簡(jiǎn)稱DTE)。,DTE可能是大、中、小型計(jì)算機(jī)、PC機(jī)，也可能是一臺(tái)只接收數(shù)據(jù)的打印機(jī)。從計(jì)算機(jī)和計(jì)算機(jī)通信系統(tǒng)的觀點(diǎn)來看，終端是輸入輸出的工具；從數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)的觀點(diǎn)來看，計(jì)算機(jī)和終端都稱為網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)終

4、端設(shè)備，簡(jiǎn)稱終端。,數(shù)據(jù)電路終接設(shè)備,用來連接DTE與數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備稱為數(shù)據(jù)電路終接設(shè)備(DCE)，可見該設(shè)備為用戶設(shè)備提供入網(wǎng)的連接點(diǎn)。,DCE的功能就是完成數(shù)據(jù)信號(hào)的變換。因?yàn)閭鬏斝诺揽赡苁悄M的，也可能是數(shù)字的，DTE發(fā)出的數(shù)據(jù)信號(hào)不適合信道傳輸，所以要把數(shù)據(jù)信號(hào)變成適合信道傳輸?shù)男盘?hào)。利用模擬信道傳輸，要進(jìn)行“數(shù)字模擬”變換，方法就是調(diào)制，而接收端要進(jìn)行反變換，即“模擬數(shù)字”變換，這就是解調(diào)，實(shí)現(xiàn)調(diào)制與解調(diào)的設(shè)備稱為調(diào)制解調(diào)器。因此調(diào)制解調(diào)器就是模擬信道的數(shù)據(jù)電路終接設(shè)備。,數(shù)據(jù)電路和數(shù)據(jù)鏈路,數(shù)據(jù)電路指的是在線路或信道上加信號(hào)變換設(shè)備之后形成的二進(jìn)制比特流通路，它由傳輸信道及其兩

5、端的數(shù)據(jù)電路終接設(shè)備(DCE)組成。,數(shù)據(jù)鏈路是在數(shù)據(jù)電路已建立的基礎(chǔ)上，通過發(fā)送方和接收方之間交換“握手”信號(hào)，使雙方確認(rèn)后方可開始傳輸數(shù)據(jù)的兩個(gè)或兩個(gè)以上的終端裝置及互連線路共同組成的組合體。,模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng),模擬通信系統(tǒng)：采用模擬信號(hào)傳輸?shù)耐ㄐ畔到y(tǒng)。,數(shù)字通信系統(tǒng)：采用數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)耐ㄐ畔到y(tǒng)。,數(shù)字信號(hào)通過實(shí)際的信道,有失真，但可識(shí)別,失真大，無法識(shí)別,實(shí)際的信道,（帶寬受限、有噪聲、干擾和失真）,發(fā)送信號(hào)波形,接收信號(hào)波形,發(fā)送信號(hào)波形,實(shí)際的信道,（帶寬受限、有噪聲、干擾和失真）,接收信號(hào)波形,信號(hào)傳輸過程中的衰減,模擬傳輸系統(tǒng)：放大器（會(huì)放大噪音分量）,數(shù)字傳輸系統(tǒng)：中

6、繼器（再生信號(hào)）,模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)的對(duì)比,數(shù)字信號(hào)發(fā)送的最基本的優(yōu)點(diǎn)是比一般模擬信號(hào)發(fā)送便宜，而且很少受噪音干擾的影響。最主要的缺點(diǎn)是數(shù)字信號(hào)比模擬信號(hào)易衰減。,模擬和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)通信,模擬數(shù)據(jù)以某個(gè)區(qū)間內(nèi)的連續(xù)值的形式出現(xiàn)，例如，音頻和視頻是連續(xù)變化的，其他大多數(shù)通過傳感器來收集的數(shù)據(jù)(如溫度和壓力等)，也都是連續(xù)取值的。而數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)以離散值的形式出現(xiàn)，如文本和整數(shù)。模擬信號(hào)如圖(a)所示，數(shù)字信號(hào)如圖(b)所示，它們分別對(duì)應(yīng)著連續(xù)信號(hào)和離散信號(hào)。,模擬數(shù)據(jù)通信和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)通信,模擬數(shù)據(jù)通信：允許一定范圍內(nèi)的失真,數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)通信：不允許任何失真,任何數(shù)據(jù)均可以任何信號(hào)形式傳輸,用模擬信號(hào)傳送模擬數(shù)據(jù)

7、，可以直接用占有相同頻譜范圍的電磁波信號(hào)來表示。,用數(shù)字信號(hào)來傳送模擬數(shù)據(jù)用編碼解碼器。,用模擬信號(hào)傳送數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)用調(diào)制解調(diào)器。,用數(shù)字信號(hào)來傳送數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)直接用兩種電平來表示。然而，為了改變其傳播特性，常常對(duì)二進(jìn)制數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼。,模擬的和數(shù)字的數(shù)據(jù)、信號(hào),模擬數(shù)據(jù),模擬信號(hào),放大器,調(diào)制器,模擬數(shù)據(jù),數(shù)字信號(hào),PCM,編碼器,數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù),模擬信號(hào),調(diào)制器,數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù),數(shù)字信號(hào),數(shù)字,發(fā)送器,2.2.2 有關(guān)信號(hào)的幾個(gè)基本概念,單向通信（單工通信）只能有一個(gè)方向的通信而沒有反方向的交互。,雙向交替通信（半雙工通信）通信的雙方都可以發(fā)送信息，但不能雙方同時(shí)發(fā)送(當(dāng)然也就不能同時(shí)接收)。,雙向同時(shí)通信（全

8、雙工通信）通信的雙方可以同時(shí)發(fā)送和接收信息。,傳輸方式,并行傳輸：同時(shí)傳輸一組比特，每個(gè)比特使用單獨(dú)的一條線路。,（如打印機(jī)數(shù)據(jù)傳送）,串行傳輸：使用一條線路，逐個(gè)地傳輸所有的比特。（,如計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中）,基帶(baseband)信號(hào)和寬帶(broadband)信號(hào),基帶信號(hào)就是將數(shù)字信號(hào) 1 或 0 直接用兩種不同的電壓來表示，然后送到線路上去傳輸。,寬帶信號(hào)則是將基帶信號(hào)進(jìn)行調(diào)制后形成的頻分復(fù)用模擬信號(hào)。,兩種連接方式,1.點(diǎn)到點(diǎn)連接,點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的連接就是在發(fā)送端和接收端之間采用一條線路連接，使用的線路可以是專用線路、租用線路或交換線路。使用租用或交換線路的連接方式，適合于在地理上比較分散的站點(diǎn)

9、之間傳輸數(shù)據(jù)，比如通過公用電話交換網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)-點(diǎn)的連接。,圖2-7 點(diǎn)到點(diǎn)連接方式,2.多點(diǎn)連接,多點(diǎn)線路連接是指各個(gè)站點(diǎn)通過一條公共通信線路進(jìn)行連接。在多點(diǎn)線路連接方式中，一條線路被所有的站點(diǎn)共享，若所有的站點(diǎn)同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)，則這條線路在空間上是共享的，通常采用頻分復(fù)用或波分復(fù)用技術(shù)傳輸數(shù)據(jù)；若所有的站點(diǎn)輪流使用線路發(fā)送數(shù)據(jù)，那么它在時(shí)間上是共享的，通常采用時(shí)分復(fù)用技術(shù)傳輸數(shù)據(jù)。,圖2-8 多點(diǎn)連接,2.2.3 信道的極限容量,Nyquist定理,：（理想）,Nyquist證明：對(duì)于一個(gè)帶寬為H的連續(xù)信號(hào)，如果要對(duì)其進(jìn)行數(shù)字化，采樣速度為2H。,Nyquist推導(dǎo)出無噪聲帶寬為H的有限帶寬信道

10、的最大數(shù)據(jù)傳輸率：Rmax=2Hlog,2,V(bps),其中V為采樣值的量化等級(jí)。,例子：,一個(gè)無噪聲帶寬為3000HZ的信道不能傳送速率超過6000比特/秒的二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)。,任何實(shí)際的信道都不是理想的，在傳輸信號(hào)時(shí)會(huì)產(chǎn)生各種失真以及帶來多種干擾。,碼元傳輸?shù)乃俾试礁?，或信?hào)傳輸?shù)木嚯x越遠(yuǎn)，在信道的輸出端的波形的失真就越嚴(yán)重。,Shannon定理,Shannon,推導(dǎo)：對(duì)于帶寬為,WHz,，,信噪比為,S/N,的有噪聲信道，其最大數(shù)據(jù)傳輸率,Rmax,為：,C=,Wlog,2,(1+S/N)(bps),信號(hào)功率與噪聲功率的比值稱為信噪比,(Signal-to-Noise Ratio),。,

11、通常并不使用信噪比本身，而是使用,10log,10,S/N,，,其單位為分貝,(dB),。,如果信號(hào)的,S/N,為,10,，則是,10dB,；,如果,S/N,為,100,，則是,20dB,。,香農(nóng)公式表明,信道的帶寬或信道中的信噪比越大，則信息的極限傳輸速率就越高。,只要信息傳輸速率低于信道的極限信息傳輸速率，就一定可以找到某種辦法來實(shí)現(xiàn)無差錯(cuò)的傳輸。,若信道帶寬,W,或信噪比,S,/,N,沒有上限（當(dāng)然實(shí)際信道不可能是這樣的），則信道的極限信息傳輸速率,C,也就沒有上限。,實(shí)際信道上能夠達(dá)到的信息傳輸速率要比香農(nóng)的極限傳輸速率低不少。,波特與比特率的關(guān)系,1、波特率,信號(hào)每秒鐘變化的次數(shù),用

12、于描述載波(Carrier)信號(hào),2、比特率,信號(hào)每秒鐘傳輸?shù)亩M(jìn)制位數(shù),與信號(hào)的狀態(tài)數(shù)有關(guān),3、兩者的關(guān)系,請(qǐng)注意,對(duì)于頻帶寬度已確定的信道，如果信噪比不能再提高了，并且碼元傳輸速率也達(dá)到了上限值，那么還有辦法提高信息的傳輸速率。這就是用編碼的方法讓,每一個(gè)碼元攜帶更多比特的信息量。,練習(xí),（1）話音級(jí)線路的帶寬約為3.1kHz，信號(hào)由2個(gè)離散等級(jí)組成，根據(jù)奈奎斯特定理計(jì)算的信道最大數(shù)據(jù)傳輸率為多少？,（2）若信道帶寬W=3.1kHz，S/N=2000，則信道最大數(shù)據(jù)傳輸率為多少？,（3）If a binary signal is sent over a 3-kHz channel whose signal-to-noise ratio is 20 dB,what is the maximum achievable data rate?,6200 b/s,34kb/s,21kb/s,作 業(yè),P149,3、8,教學(xué)總結(jié)：本講主要講解物理層的基本概念、數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)知識(shí)和兩個(gè)極限速率理論。下一講講解編碼與調(diào)制技術(shù)。,