數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)和物理層及模型分析

1、數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)和物理層及模型分析課前思考 什么是數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的基本模型？信道的基本參數(shù)有哪些？最大數(shù)據(jù)率如何確定？什么叫模擬通信、數(shù)字通信？模擬信號和數(shù)字信號如何相互轉(zhuǎn)化？什么叫同步傳輸和異步傳輸？ 何謂復(fù)用技術(shù)？常用的復(fù)用方技術(shù)有哪幾種？本章內(nèi)容3.1 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)通信系統(tǒng)模型3.1.2 模擬通信與數(shù)字通信3.1.3 信號帶寬3.1.4 信道3.1.5 物理傳輸媒體3.1.6 數(shù)字信號的編碼3.1.7 數(shù)字調(diào)制技術(shù)3.1.8 模擬信號的脈碼調(diào)制 3.1.9 數(shù)據(jù)同步方式 3.1.10 多路復(fù)用技術(shù) 3.2 物理層協(xié)議物理層協(xié)議在通信系統(tǒng)中的地位3.2.2 四類物理層協(xié)議3.3 物理層協(xié)議舉例3

2、.1 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ) 通信系統(tǒng)模型信源變換器信 道反變換器信宿噪聲源信源：將各種信息轉(zhuǎn)換成原始物理信號，如計算機(jī)，手機(jī)， 機(jī)等。變換器/反變換器：對原始物理信號進(jìn)行變換/反變換，以便適合在給定的信道上傳輸，如MODEM ， TA ，光/電轉(zhuǎn)換器等。信道：傳輸信號的一條通路。一條物理線路可構(gòu)成一個或多個信道。噪聲源：信道自身的噪聲以及周圍環(huán)境對信道的干擾。如熱噪聲，閃電，強(qiáng)電磁場干擾等。信宿：將物理信號轉(zhuǎn)換為信息，如計算機(jī)，手機(jī)， 機(jī)等。發(fā)送端接收端 3.1 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)模擬信號: 信號在傳輸過程中連續(xù)變化。數(shù)字信號: 信號在傳輸過程中離散變化。模擬通信：利用模擬信號來傳輸數(shù)據(jù)。數(shù)字通信：通過數(shù)字

3、信號來傳輸數(shù)據(jù)。數(shù)字信號 vt v t 模擬信號 模擬通信與數(shù)字通信3.1 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)數(shù)字通信的優(yōu)點(diǎn) 抗干擾能力強(qiáng)。適合遠(yuǎn)距離傳輸。有利于安全性。適合多媒體信息傳輸。 信號帶寬信號帶寬: 信號能量所集中的頻率范圍（頻譜）。 例如:語音信號占用的頻率譜為300-3400Hz,那么帶寬為3400-300=3100Hz對數(shù)字信號,帶寬 H 可近似表示為： H =1/ 為脈沖寬度；數(shù)據(jù)率越高，脈寬越窄，數(shù)字信號的帶寬越大。3.1 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)3.1.4 信道信道信道是傳輸信號的一條通路。信道通常由物理傳輸介質(zhì)和通信設(shè)備（如MODEM，中繼器，均衡器）組成。一條物理線路可同時復(fù)用多條信道。衡量信道質(zhì)量

4、的兩個重要參數(shù)信道的帶寬。信道的誤碼率。信道帶寬信道帶寬：信道允許傳輸信號的頻率范圍，單位為Hz。 如普通 線的帶寬是4KHz。對數(shù)字通信，通常用數(shù)據(jù)率來表示帶寬。 數(shù)據(jù)率：信道每秒最多傳輸?shù)亩M(jìn)制位數(shù)，單位為bps。3.1 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)信道帶寬與數(shù)據(jù)率的關(guān)系奈奎斯特定理（無噪聲信道） C=2H log2L( bps) 其中，C為信道的數(shù)據(jù)率（即容量）；H為信道的帶寬；L為 數(shù)字信號的離散取值數(shù)目。香農(nóng)定理（有噪聲信道，不受限） C=H log2(1+S/N) ( bps) 其中，S為信號功率，N為噪音功率，S/N為信噪比。例：H=4KHz, S/N =1023, L=8； 求C。 解：（）由

5、奈奎斯特定理： C=2H log2L =24000log28=24000 （bps）3.1 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)（2）由香農(nóng)定理： C = H log2(1+S/N) =4000log2（1+1023） = 40000bps所以，信道最大數(shù)據(jù)率24000bps 波特率波特率又稱碼元速率，是指每秒傳輸碼元的數(shù)目，單位為波特（Baud）.若碼元的離散取值數(shù)目為L，波特率為B，數(shù)據(jù)率為C，則： C = B log2L3.1 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)誤碼率 誤碼率是指數(shù)字信號比特（二進(jìn)制位）在傳輸過程中出錯的概率。 P = Ne/N 其中，P為誤碼率；Ne為出錯的比特數(shù)；N為傳輸?shù)目偙忍財?shù)。 信道的通信方向 單工信道 只

6、允許數(shù)據(jù)信號在信道上的單向傳輸。如：無線電廣播，電視。 半雙工信道 數(shù)據(jù)信號可以在信道上雙向傳輸，但同一時刻只允許單向傳輸。 如：無線對講機(jī)。 全雙工信道 允許數(shù)據(jù)同時雙向傳輸。如：計算機(jī)通信。 3.1 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)ABABAB 數(shù)據(jù) 應(yīng)答 數(shù)據(jù) 應(yīng)答 數(shù)據(jù) 應(yīng)答 單工信道 半雙工信道全雙工信道3.1 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)3.1.5 物理傳輸媒體（通信介質(zhì)） 雙絞線 非屏蔽雙絞線（UTP） 三類UTP 100, 100m,10Mbps，用于10BASE-T以太網(wǎng)。五類UTP（目前常用） 100, 100m,100Mbps，用于100BASE-T以太網(wǎng)。超五類UTP 100, 80m,1000Mbps，

7、用于千兆以太網(wǎng)。六類UTP 100, 100m,1000Mbps，用于千兆以太網(wǎng)。銅線聚氯乙烯套層絕緣層3.1 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ) 屏蔽雙絞線（STP）抗干擾性能好。價格昂貴、安裝麻煩。 同軸電纜銅線聚氯乙烯套層屏蔽層絕緣層3.1 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ) 同軸電纜中央是一根銅導(dǎo)線，外包一層絕緣材料（泡沫塑料），這層絕緣材料又被第二層網(wǎng)狀導(dǎo)體裹住，以屏蔽外界電磁干擾?；鶐S電纜（50） 粗纜: 10BASE-5 細(xì)纜: 10BASE-2寬帶同軸電纜（75） 用于閉路電視。與雙絞線相比，同軸電纜傳輸距離長，抗干擾能力強(qiáng)，但價格貴，布線麻煩。3.1 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ) 光纖的中央是一根直徑幾十微米光導(dǎo)玻璃或塑料芯。外面

8、用一層玻璃體包住，最外層是塑料保護(hù)層。多根光纖由外包層包裹在一起構(gòu)成光纜。 光纖分為單模和多模兩類。 光纖單模光纖光線主要沿著光線的軸心向前傳輸單模光纖傳輸距離較長，但對光源要求高。3.1 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)多模光纖光線沿著光纖以多種角度被包層反射向前傳輸。多模光纖傳輸距離較短，但對光源要求不高。光纖優(yōu)點(diǎn)容量大：可達(dá)幾百Gbps。距離遠(yuǎn)：100km（無需中繼）?？垢蓴_能力強(qiáng)：不受外部電磁場干擾?；瘜W(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。3.1 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ) 無線傳輸媒體 無線傳輸以自由空間作為傳輸媒體，主要包括無線電波、微波、衛(wèi)星通信、激光、紅外線等。 無線電波劃分 國際電信聯(lián)盟將無線電波劃分為： 低頻：（LF） (30kHz

9、 300KHz) 中頻：（MF）(300kHz 3MHz) 高頻：（HF）(3MHz 30MHz) 甚高頻：（VHF） (30MHz 300MHz) 超高頻：（UHF） (300MHz 3GHz) 特高頻：（SHF） (3GHz 30GHz) 極高頻：（EHF） (30GHz 300GHz)3.1 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ) 無線電波無線電波的傳播特性 低中頻 可輕易的通過障礙物（繞射）； 但能量隨距離增加而急劇減少，傳輸距離有限。高頻和甚高頻 能量會被地表吸收； 但能通過電離層反射。超高頻和特超高頻（微波） 只能直線傳播； 既不能繞射也不能反射。3.1 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ) 微波 微波頻率大致為1GHz 100G

10、Hz用于無線局域網(wǎng)的微波頻率范圍為： 5.725GHz 5.825 GHz微波通信必須要有微波中繼站：100m高，相距80km 。 衛(wèi)星通信衛(wèi)星通信是一種特殊的微波通信，使用同步通信衛(wèi)星作為微波中繼站 與地面中繼站相比，衛(wèi)星的通信距離遠(yuǎn)，從理論上講，三個同步衛(wèi)星就能覆蓋整個地球表面。衛(wèi)星通信的特點(diǎn) （1）傳輸延遲長達(dá)270ms。 （2） 通信費(fèi)用與距離無關(guān)。 （3）抗干擾能力差，甚至雨水也能吸收微波能量 3.1 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)3.1.6 數(shù)字信號的編碼數(shù)字信號的編碼：用何種物理信號來表示“0”和“1”。 非歸零編碼（NRE: Non-Return to Zero） 以高電平表示“0”，低電平表示

11、“1”，反之亦然。優(yōu)點(diǎn)：編/譯碼簡單。缺點(diǎn)：內(nèi)部不含時鐘信號，收/發(fā)端同步困難。用途：計算機(jī)內(nèi)部低速數(shù)據(jù)通信010011000113.1 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ) 曼徹斯特編碼（Manchester Encoding） 每一位中間有一次跳變，既表示數(shù)據(jù)，又作為同步信號。從高電平跳變到低電平表示“0”，從低電平跳變到高電平表示“1”；反之亦然。優(yōu)點(diǎn)：內(nèi)部自含時鐘，收/發(fā)端同步容易。缺點(diǎn)：編/譯碼較復(fù)雜。占用更多的信道帶寬，在同樣的波特率的情況下，要比非歸零編碼多占用一倍信道帶寬，或者說編碼效率只有50%。010011000113.1 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)用途：局域網(wǎng)（以太網(wǎng)） 差分曼徹斯特編碼（Differenti

12、al Manchester Encoding） 每一位中間也有一次跳變，但這種跳變僅作為同步信號，不表示數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)值通過每位開始時無跳變來表示；有跳變表示“0”，無跳變表示“1”；反之亦然。優(yōu)點(diǎn)：內(nèi)部自含時鐘，收/發(fā)端同步容易。比曼徹斯特編碼的抗干擾能力更強(qiáng)。010011000113.1 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)缺點(diǎn)：編/譯碼更復(fù)雜。同樣需要多占用一倍信道帶寬。用途：局域網(wǎng)（令牌環(huán)網(wǎng)）3.1.7 數(shù)字調(diào)制技術(shù)3.1.7 數(shù)字調(diào)制技術(shù) 數(shù)字信號的模擬傳輸基帶信號：由信源產(chǎn)生的原始電信號。載波：頻率較高的正弦波信號。調(diào)制：將基帶信號加載到載波上，即按基帶信號的變化規(guī)律去改變載 波的某些參數(shù)。解調(diào)：從載波中提取

13、基帶信號。 調(diào)制技術(shù)基帶信號調(diào)制解調(diào)基帶信號模擬信道調(diào)制技術(shù)調(diào)幅：用載波信號不同振幅表示數(shù)據(jù), 又稱幅移鍵控法ASK。易受突發(fā)干擾，適合低速數(shù)據(jù)傳輸，典型為1200bps調(diào)頻用載波信號不同頻率表示數(shù)據(jù),頻率高表示“1”，頻率低表示“0”又稱頻移鍵控法FSK 抗干擾優(yōu)于調(diào)幅方式，但頻帶利用率不高調(diào)相用載波信號不同相位表示數(shù)據(jù)又稱相移鍵控法PSK占用頻帶寬，抗干擾能力強(qiáng)，數(shù)據(jù)率高，可達(dá)9600bps通常將調(diào)相和調(diào)幅相結(jié)合 p57 圖t 調(diào)制方法舉例010011100數(shù)字信號調(diào)幅調(diào)頻調(diào)相3.1.8 模擬信號的脈碼調(diào)制 模擬信號的數(shù)字傳輸信源是模擬信號可以先轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，然后再通過數(shù)字信道傳輸。電話

14、codeccodec電話數(shù)字信道 編碼/解碼器最常用的模/數(shù)轉(zhuǎn)化方式是脈碼調(diào)制（PCM：Pulse Code Modullation）脈碼調(diào)制采樣按照一定的時間間隔采樣測量模擬信號幅值 。量化將采樣點(diǎn)測得的信號幅值分級取整。 編碼將量化后的整數(shù)值用二進(jìn)制數(shù)表示 采樣和量化 采樣定理若模擬信號的帶寬為H(Hz),則采用頻率B只要大于或等于2H就可以恢復(fù)原樣模擬信號。即： B2H.語音信號帶寬為4kHz,則采樣頻率可取每秒8k次。（或每125us采樣一次）。量化設(shè)數(shù)字信號的離散取值數(shù)目為2n，則將采樣值按0，1，2，.，2n-1進(jìn)行取整。量化誤差：量化取整值與實(shí)際幅值之間的誤差。編碼 若數(shù)字信號取

15、值數(shù)128，量化值為0127，則每個采樣值要用7bits來編碼。 若數(shù)字信號取值為64級，量化值為063，則每個采樣值要用6bits來編碼。分級越多，誤差越小，但每個采樣取值點(diǎn)編碼所需的比特數(shù)就越多。 語音信號011 100 011 011 001 100 PCM 輸出343314011100011011001100量化編碼3.23.92.83.41.24.2 采樣PCM編碼過程舉例差分脈碼調(diào)制差分脈碼調(diào)制其輸出值不是數(shù)字化采樣值本身，而是當(dāng)前值和上一個值之差。 如果按128級，對多數(shù)模擬信號來講。相鄰采樣點(diǎn)的差值大于16的可能性非常小。所以主要4個比特就可以編碼了，而不需要7個比特。具有壓縮

16、作用 3.1.9 數(shù)據(jù)同步方式 同步：接收端按發(fā)送端發(fā)送代碼的頻率和起始時間來接收數(shù)據(jù)。 同步 V T字符同步方式（異步通信） 字符同步：僅針對一個字符內(nèi)所含的二進(jìn)制位進(jìn)行同步。 1 0 1 1 0 1 0 0起始位 停止位（1.5位或2位） 起始位是低電平（1位）停止位是高電平（或2位）停止位后面是起始位或空閑位優(yōu)點(diǎn)時鐘飄移被限制在一個字符內(nèi)，不會產(chǎn)生積累誤差。因此對同步精度要求不高。缺點(diǎn)每個字符均有起始/停止位，因而傳輸效率較低。適用低速通信。字符同步方式又稱異步通信。位同步 （同步通信）位同步：針對每個數(shù)據(jù)塊內(nèi)的每位進(jìn)行同步。實(shí)現(xiàn)位同步的兩種方法：內(nèi)同步：不單獨(dú)發(fā)同步位號，而是將同步位號

17、嵌入數(shù)據(jù)編碼內(nèi)部。例如曼徹斯特編碼。外同步：在發(fā)送端和接收端之間提供專門的時鐘信號。 1 0 1 1 0 1 0 0同步位模式0 1 1 1 1 1 1 0數(shù)據(jù)優(yōu)點(diǎn)傳輸效率高。缺點(diǎn)易產(chǎn)生時鐘漂移積累誤差而導(dǎo)致數(shù)據(jù)出錯，同步困難。例設(shè)一個數(shù)據(jù)塊為1K字節(jié)，那么每次要連續(xù)發(fā)送1024x8=8192位。適用高速通信。3.1.10 多路復(fù)用技術(shù) 多路復(fù)用將多個信道復(fù)用在一條物理線路上，使一條物理線路能夠同時傳輸多路數(shù)據(jù)信號。分類頻分多路復(fù)用（FDM）時分多路復(fù)用（TDM）統(tǒng)計時分多路復(fù)用（統(tǒng)計TDM）頻分多路復(fù)用信道1（6064K）頻分多路復(fù)用器頻分多路復(fù)用器電話中繼線（60108KHz）話機(jī)話機(jī)話機(jī)

18、話機(jī)話機(jī)話機(jī)信道2（6468K）信道12（104108K）。FDM：將一條物理線路的總帶寬分割成若干個較小帶寬的子信道，每個子信道傳輸一路信號。子信道分割技術(shù)：不同信號加載到不同載波上，實(shí)現(xiàn)信號頻移。 時分多路復(fù)用 TDM :將一條高速物理線路的傳輸時間劃分成若干相等的時間片，輪流的為多路信號使用 數(shù)據(jù)不丟失條件：CHCi缺點(diǎn)：某些時間片由于沒有數(shù)據(jù)傳輸而造成出于空閑狀態(tài)，浪費(fèi)信道寬度高速線路（CH）時分多路復(fù)用時分多路復(fù)用A B C A B CC1C2C3C1C2C3ABCABC低速線路低速線路統(tǒng)計時分多路復(fù)用 統(tǒng)計TDM統(tǒng)計TDMA B C A C A C A AC1C2C3C1C2C3A

19、BCABC 統(tǒng)計TDM :采用動態(tài)分配時間策略，即有數(shù)據(jù)要傳輸?shù)木€路才分配時間片。 3.2 物理層協(xié)議物理層協(xié)議實(shí)際上就是指通信接口標(biāo)準(zhǔn)DCE通信接口DTEDTE通信接口DCE通信線路數(shù)據(jù)終端設(shè)備 數(shù)據(jù)通信設(shè)備3.2.1 物理層協(xié)議在通信系統(tǒng)中的地位接口的機(jī)械特性。規(guī)定接口的扦頭（座）的規(guī)格，尺寸，扦腳數(shù)目等。如RS-232C使用25腳扦頭（座）。功能特性。對接口的各信號線的作用進(jìn)行定義和說明。規(guī)程特性。規(guī)定各信號線之間的相互關(guān)系，動作發(fā)生的先后次序。電氣特性規(guī)定信號的傳輸速率，電平關(guān)系，負(fù)載要求和電纜長度等。3.2.2 四類物理層協(xié)議美國電子工業(yè)協(xié)會EIA制定的RS-232-C,RS-422

20、A,RS-423A,RS-449,RS-485,RS-530等串行接口標(biāo)準(zhǔn)。CCITT(現(xiàn)改為ITU)制定的X系列和V系列接口標(biāo)準(zhǔn)。V系列規(guī)定了數(shù)字設(shè)備與模擬信道的接口標(biāo)準(zhǔn)，適用于 信道的數(shù)據(jù)傳輸；X系列定義了數(shù)據(jù)設(shè)備與數(shù)據(jù)信道的接口標(biāo)準(zhǔn)，適用于公用數(shù)據(jù)網(wǎng)的數(shù)據(jù)通信。ISO制定的ISO2110, ISO4902,ISO4903, ISO1177等接口標(biāo)準(zhǔn)。這些標(biāo)準(zhǔn)很少用到。IEEE802物理層規(guī)范DTEMMDTEDTEDTERS232CRS-232電纜 RS-232C是最廣泛使用的物理層協(xié)議（1969年制定）. 3.3 物理層協(xié)議舉例 RS232C 線DTE通常為PC機(jī)機(jī)械特性采用DB-25(25腳)標(biāo)準(zhǔn)連接口1131425電氣特性 電壓低電壓（+3V）:“0”最高電壓可達(dá)到+12V.電纜RS-232C電纜長度：不超過15m速率通信速率：20Kbps標(biāo)準(zhǔn)速率為：19.2kbps,9600bps,4800bps,