CH2-L3 物理层、通信基础分享资料

第3讲物理层和数据通信基础(1)【第2章物理层（第1讲）】第一章小结（快速提问1）第一章的重点是什么？第一章要点复习（快速提问2）分组交换的思想，优缺点物理层的作用数据链路层的作用网络层的作用传输层的作用什么是什么是协议数据单元、一般格式本讲预习情况检查（快速提问3）掌握物理层的作用、四类特性数据通信系统的模型信息、数据和信号、模拟量与数字量信道模拟传输、基带传输模拟通信、数据通信（基带通信、载波模拟通信）和数字通信了解串行通信和并行通信、通信的双工性基带调制、带通调制振幅调制、频率调制、相位调制脉冲编码调制技术PCM信道的极限信息传输速率第2章教材三部分内容（教材章节）第1层：物理层（第1节）第0层：数据通信基础（第2、3、4、5节）是本章主要内容宽带接入技术（第6节）安排第3讲：物理层和数据通信基础(1)物理层（§2.1）、通信系统（§2.2,§2.5.1）第4讲：数据通信基础(2)传输介质（§2.3）、信道复用（§2.4）宽带接入技术（§2.6），复习课时原因，不介绍（自学了解）同步光纤网SONET、同步数字系列SDH本章特点学习特点术语多涉及电子、通信的原理学习：一般了解（不是本课程的重点）本章主要给出结论和基本原理本讲内容及其安排1（狭义的）物理层的基本概念（§2.1）2数据通信的基础知识（§2.2）2.1数据通信系统模型（§2.2.1）2.2信道（§2.2.2）2.3通信类型2.4载波模拟通信和带通调制2.5基带通信和基带调制（补充教材）2.6数字通信和数字化（§2.5.1）2.7信道的极限容量（§2.2.3）1.（狭义的）物理层的基本概念（§2.1）物理层（复习）物理层协议：入网设备与信道连接的目的：不同厂家的的入网设备与不同信道可以方便地连接（提供信道对计算机系统的独立性)物理层的四类特性物理层：确定与传输媒体的四类接口特性（连接标准：不仅仅是硬件连接）机械特性(mechanicalcharacteristics)描述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。电气特性(electricalcharacteristics)描述在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。功能特性(functionalcharacteristics)描述某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义。过程特性(proceduralcharacteristics)描述对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。传统的物理层协议/标准RS-232RS-449X.21广义的物理层狭义的物理层+数据通信2数据通信的基础知识（§2.2）2.1数据通信系统模型（§2.2.1）2.2信道（§2.2.2）2.3通信类型2.4载波模拟通信和带通调制2.5基带通信和基带调制（补充教材）2.6数字通信和数字化（§2.5.1）2.7信道的极限容量（§2.2.3）2.1数据通信系统模型（p37§2.2.1）调制解调器PC机公用电话网调制解调器数字信号模拟信号模拟信号正文正文PC机数字信号术语信息(information)：人们关心的事物特征的状态数据(data)：存储和交换信息的载体信息是数据的内容，数据是信息的形式数字数据：用0,1串对信息的编码信号(signal)：数据在通信传输时的形式(本课程)（数据的表现形式：电、磁、光）信号中包含了所要传递的信息。输入信息输入数据发送的信号接收的信号术语（续）模拟(Analog)量：值域是连续空间，如温度（实数），sin函数数字(Digital)量（离散量）：取值是不连续的，如文本(字符集)、人数（整数）数字量与模拟量可以近似地互相转换模拟量转换为数字量：模数（A/D）转换数字量转换为模拟量：数模（D/A）转换数字数据可以表示：离散信息：如，整数、文字模拟信息：如，温度、声音术语：模拟传输、数字传输模拟传输：用连续变化的物理量(模拟信号)传输数据数字传输（又称为“基带传输”）：用不连续的物理状态(数字信号)传输数据术语：基带(baseband)信号基带信号：原意为“来自信源的信号”计算机等设备（信源）提供的是数字信号，所以，计算机通信将数字信号称为基带信号。包含较多的低频成分，甚至有直流成分术语：串行通信和并行通信p36并行传输：用多条传输介质同时传送多位数据。串行传输：用一条传输介质同一时刻只能传送一位数据。并行通信（自学）主要用于近距离传输如，主机与打印机，利用并行端口（LPT）进行通信，一次可以传输8位数据串行通信（自学）用于远距离通信网络中采用串行通信，网卡负责串/并转换。使用COM口，由串行通信适配器进行转换。本课程，只讨论串行通信术语：通信的双工性单向通信（单工通信）只能有一个方向的通信。双向交替通信（半双工通信）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)。双向同时通信（全双工通信）通信的双方可以同时发送和接收信息。包含二条信道：一条发送信道，一条接收信道可以认为，是二条半双工信道2.2信道（教材p38§2.2.2）链路(link)传输介质＋两端的一对通信设备如，铜线＋两端的modem通路(Path)一组前后连接的链路逻辑链路＝信道（channel）：链路＋协议（见第三章），有方向一条电路可以含多条信道（参见§2.4信道复用技术）如，一根电话线含30条话路信道按传输方式分类模拟信道（analogchannel）：采用模拟传输的信道（用模拟信号传输数据）数字信道（digitalchannel）：采用数字传输的信道（用数字信号传输数据）通信类型和信号调制（调整了教材）说明：对教材进行了调整和补充内容：2.3通信类型2.4载波模拟通信和带通调制2.5基带通信和基带调制（补充教材）2.6数字通信和数字化（§2.5.1）2.7信道的极限容量（§2.2.3）2.3通信类型（§2.2.2）通信分类方法之一（三类四种）：模拟通信：直接用模拟信号传输模拟数据（如，市内电话，本课程不讨论）数据通信：传输数字数据（计算机通信是数据通信）基带（数据）通信：用数字信号传输数字数据载波（数据）通信：用载波模拟信号传输数字数据（又称为载波模拟通信）数据通信的优点：抗干扰性好数字通信：用数据通信方法传输模拟数据先将模拟数据“模数转换”(A/D)为数字数据再进行数据通信传输后，再将数字数据“数模转换”(D/A)为模拟数据四种通信课后学生分析比较区别1数字传输：用数字信号传输（数字或模拟）数据数字通信：特指用数字传输或载波模拟传输方式传输模拟数据区别2数据通信：传输数字数据数字通信：传输模拟数据（用数据通信方法）小结调制（编码）的概念发送的信号接收的信号输出数据信源编码输入数据信道编码信道译码信源译码为了使传输的信号适应信道的特性，需要将待传送的数据转换为满足一定要求的信号，称为编码（编码，也称为调制）调制（编码）的概念发送方：载波数据通信：将数字数据调制到模拟信号上（正弦波）基带数据通信：将数字数据转换为更合适的数字信号数字通信：发送方要将模拟数据转换为数字数据（数字化、编码），再进行数据通信接收方：要做相反的处理2.4载波模拟通信和带通调制数据通信之一：载波模拟通信问题的提出：基带信号的带宽大，在模拟电话通信系统（频率范围300～3400HZ）无法传输载波模拟通信：可以用模拟电话系统传输数字信号。（带通）调制解调：将计算机输出的数字信号转换为频率范围为4KHZ的（带通）模拟信号来传输。调制（Modulation）:发送前，把数字数据转换为（装载到）模拟信号解调（Demodulation):接收时，把模拟信号转换为（提取出）数字数据完成上述功能的设备就称为调制解调器Modem载波通信的优点可以利用原有的通信资源进行计算机通信20世纪，家庭主要通过电话接入网上网。不需放大可传输较远。载波模拟信号频带窄，占用的信道带宽少便于实现多路复用(见§2.4)一条物理信道同时传送多路载波模拟信号载波传输又称为宽带传输。调制原理用正弦信号(模拟信号)运载数字信息这个正弦信号称为载波信号正弦载波信号y(t)=ASin(2πft+θ)是模拟信号正弦函数的三个重要参量：幅度A、频率f、初相角θ。调制：用待发送的数字信号控制正弦载波的某个参量，使这些参量随数字信号变化，得到频率范围为4K的载波模拟信号调制波仍是模拟信号，适合于模拟线路传送。载波通信系统的简单模型三种最基本的调制方法根据调制参数的不同：最基本的二元制调制方法有以下三种：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):载波的初相角随基带数字信号而变化调幅=移幅键控ASK(AmplitudeShiftKeying)调频=移频键控FSK(FrequencyShiftKeying)调相=移相键控PSK(PhaseShiftKeying)正弦函数的三个重要参量：幅度A、频率f、初相角θ（1）调幅AM/幅移键控ASKASK：(Amplitude-ShiftKeying)用二进制数据控制载波的幅度如，振幅为A表示1，振幅为0表示0振幅调制功能框图（2）调频FM/移频键控FSKFSK(FrequencyShiftKeying)用二进制数据控制载波的频率如：1270Hz的载波信号f1表示11070Hz的载波信号f2表示0频率调制功能框图（3）调相PM/移相键控PSKPSK(PhaseShiftKeying)：用二进制数据控制载波的初相角:如：初相角为0表示1，初相角为π表示0相位调制功能框图2.5基带通信和基带调制数据通信之二：基带通信直接传输数字信号需要基带调制为什么要基带调制基带信号含有低频分量、甚至包括直流分量许多数字信道不能直接传送这些基带信号发送、接收的时钟有误差，连续发送多个数字信号，会产生接收错误发送100个码元，接收到101个发送的第100位是1，接收的是0需要位同步信号补充：位同步的概念(难点，非重点)问题的提出接收数据：按双方约定的周期T采样信号实际系统，任二个时钟不可能完全相等当二个时钟误差累积值较大时（如，超过码元宽度T的一半），就产生差错(比特重读或漏读)。曼特斯特(Manchester)编码（§3.3.2，P80）每个码元中间有跳变，既作数据信号，又作位同步0:先低后高，1:先高后低（或，0:先高后低，1:先低后高）2.6数字通信和数字化（§2.5.1）数字通信：用数据通信的方法传输模拟数据如，传输语音数字通信（复习）用数据通信方法传输模拟数据先将模拟数据转换为数字数据（A/D转换）再进行数据通信传输后，再将数字数据数模转换为模拟数据（D/A）将模拟数据转换为数字数据用编码解码器CoDec把模拟数据变换为数字信号（脉冲）常用的技术：脉冲编码调制技术PCM（PulseCodeModulation），简称脉码调制PCM调制技术（三步曲）PCM(PulseCodeModulation)小结对模拟数据采样、量化、编码三步曲：采样（时间离散化）：如，1us采样一次例，一次采样，得到一个幅值连续的值y=6.2463量化（幅值离散化）：例，将连续的值y转换为幅值离散的值y’=6编码（幅值0/1化）例，将离散的值y’转换为0,1编码y’’=00000110例：将模拟语音转变为数字电话信号根据采样定理，只要采样频率不低于模拟信号最高频率的2倍，就可以从采样脉冲信号无失真地恢复出原来的信号。例：一路电话采样:语音信号的最高频率为3.4kHz，取采样频率为8kHz>6.8kHz,采样周期为1/8000秒，即，每125s采样一次。量化:将模拟信号分成128级编码:每次采样用7位二进制数表示。2.7信道的极限容量（§2.2.3）复习第1讲：速率：每秒钟传送的信息量(比特数，二进制位数)。单位：b/s，bit/s,bps也称为信息传输速率，发送速率、数据速率又称为“比特率R”、比特传输率这里的“容量”：指速率（信息传输速率）本小节：码元传输率（波特率）N元码信道的最高码元传输速率信道的极限信息传输速率术语：码元码元(code)信号的基本单位（在时间域不可再分）教材：在使用时间域（或简称为时域）的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形波特率B（码元传输率）波特率B（码元率、调制速率、波形速率或符号速率）：每秒传输的码元数。单位：码元个数/每秒，简称Baud、波特直观理解：在图示波形下，波特率＝脉冲信号的突变次数＝信号每秒钟变化的次数。区别比较1码元率B：码元传输率=信号传输率比特率R：比特传输率=信息传输率比较2：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）。比特是信息量的单位。N元码码元：最小的信号单位N元码：一个码元可以表示N个不同的状态二元码：二个状态，例：0V0，5V脉冲1二元码的一个码元含1bit信息（Bit=比特：信息量的单位）N元码例，八元码，八个状态：用8种不同相位调整的载波信号3位0/1码有八个状态所以，一个八元码可以表示3bit信息结论：n元码的一个码元可以表示（log２n）bit信息比特率R与波特率B的关系一个n元码的码元可以表示（log２n）bit信息所以，R=Blog２n（n元码）例：二元码：R=B，比特率和波特率相同，例:八元码：R=Blog２8＝3B,每个码元表示3位信息，比特率是波特率的３倍。（1）信道的最高码元传输速率数字信号通过实际信道时会有衰减和失真失真较大时，接收方无法识别0、1失真较小时，接收方可以识别0、1信道的最高码元传输速率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。所以，信道所能传输的最高码元传输是有限的预备知识：二种理想信道理想低通信道理想带通信道信道的最高码元传输速率，奈氏(Nyquist)准则理想低通信道的最高码元传输速率=2WBaudW是理想低通信道的带宽，单位为赫芝(Hz)例，带宽W=3K最高码元传输速率=2W＝6k如果采用二元码，最高信息传输速率为6000bit应用奈氏准则制约了码元传输率，提高码元的信息量提高信息传输率提高码元信息量的方法之一：多元码最高码元传输速率=2W＝6k如果采用二元码，最高信息传输速率为6000bit如果采用八元码，最高信息传输速率为18000bit说明实际的信道所能传输的最高码元速率，比奈氏准则给出的上限值要低。（2）信道的极限信息传输速率：香农定理先给出结论，并加以比较。信道带宽W不变时，奈氏准则：给出最高码元传输速率＝2W启发：提高码元的信息量提高信息传输率香农定理：给出最高信息传输速率（教材p40L1）启发：提高信号的功率提高信息传输率，信道的极限信息传输速率（教材p40）带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限信息传输速率C，香农(Shannon)公式：极限信息传输速率C=Wlog2(1+S/N)b/sW为信道的带宽（以Hz为单位）；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（热噪声）功率S/N：信噪比＝信号功率与噪声功率之比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。理解香农公式由香农公式，C=Wlog2(1+S/N)b/s得到：增加传输速率的二种思路增加信道带宽W增加信噪比S/N香农公式C=Wlog2(1+S/N)b/s通常不使用信噪比的绝对值S/N，而使用db=10log10S/N表示，单位是分贝（dB）例：S/N＝10，为10dB；S/N＝100，为20dB。电话系统的典型信噪比为30db;例例：一条带宽W=3kHz，信噪比为30dB的信道，最大信息传输速率是多少？解：分贝：db=10log10S/N=30S/N=10(db/10)=103=1000最大信息传输速率Rmax=Wlog２(1+S/N)＝3000*log2S/N≈3000*10=30000bps即：无论使用哪种信号，其数据传输率不可能大于30000bps。奈氏准则和香农公式在数据通信系统中的作用范围源系统传输系统目的系统传输系统源点终点发送器接收器输入信息输出信息信息传输速率受香农公式的限制本讲小结（下次课快速提问的问题）掌握物理层的作用、四类特性数据通信系统的模型信息、数据和信号、模拟量与数字量信道模拟传输、基带传输模拟通信、数据通信（基带通信、载波模拟通信）和数字通信了解串行通信和并行通信、通信的双工性基带调制带通调制振幅调制、频率调制、相位调制脉冲编码调制技术PCM信道的极限信息传输速率下讲内容（预习、思考题）传输介质分几大类有线传输介质的三种主要类型光纤的二种类型信道复用的概念作用，基本类型频分复用时分复用波分复用码分复用宽带接入技术什么是？ADSL技术要点光纤同轴混合网（HFC网）要点提示：必须预习教材Havearest……若有不当之处，请指正，谢谢！