2章 物理层与数据通信基础

第2章物理层与数据通信基础知识要点：·基本概念：模拟、数字，数据、信号，数据通信模型，噪声。编码，调制/解调，MODEM。信号传输速率，数据传输速率，信噪比，香农定理。衰减，失真，噪声，干扰，差错及其与传输距离和传输速率的关系。模拟传输系统与数字传输系统。全双工与半双工，基带传输与宽带传输，点到点连接与多点连接。·传输介质：有线介质——双绞线、同轴电缆、光纤。无线介质——微波、卫星、蜂窝无线通信。·信道复用技术：FDMA，TDMA，WDMA，CDMA。·数据交换技术：电路交换，报文交换，报文分组交换。·同步技术：比特同步，幀同步。·差错与差错纠正：前向纠错与纠错码，自动重发纠错与检错码，CRC。·物理层标准举例：EIARS-232，EIARS-449，X.21。2．1数据通信的基本概念1、信息、数据、信号、通信及数据处理通信系统基本组成数据是信息的形式表示。在计算机科学中，数据是信息的编码。信号是数据的电子或电磁编码。通信是将数据从源方传输到目的方，传输则是对信号的传送。通信系统一般组成模型方框图通过模拟信道进行数据通信的模型模拟数据：幅值连续变化且可取无限多中间值的数据。如语音、图象等。数字数据：幅值离散变化且不可取无限多中间值的数据。如整数、二进制数据等。模拟信号：幅度随时间连续变化的电磁信号。如正弦交流信号。数字信号：幅度随时间离散变化且固定的电磁信号。如矩形脉冲信号。2、信号的频域与传输特性信号频谱：将信号分解成多个正弦交流信号分量时，相关正弦交流信号之间的幅度、频率、相位关系。信号的绝对频带：信号频谱中最高频率成份与最低频率成份之差。信号的有效频带：为满足信号还原需求而需要传输的信号频谱的最高频率成份与最低频信源反变换器信宿变换器噪声源信道发送端接收端DTEmodemDTEmodem模拟信道数字信号数字信号模拟信号模拟信号率成份之差。噪声与干扰：差错及其与传输距离和传输速率的关系中继与放大：为克服信号在传输过程中的衰减，增加信号传输距离，在通信线路中往往需要设置将信号增强或还原的设备，在模拟通信中使用放大器，在数字通信中使用中继器。信噪比：衡量热噪声对信号的干扰程度，其值=10ln(S/N)dB(分贝)3、数据的表示与传输（四种组合）●用模拟信号表示与传输模拟数据：将模拟数据用占有一定频带的模拟信号来表示和传输，可使用信号转换器（或加调制解调器）实现。如语音通过电话系统的传输：将声音转换成频率范围为20Hz-20KHz的音频电信号；因其主要能量集中在300Hz-3400Hz的范围，故截取该范围的信号放入模拟信道传输。●用模拟信号表示与传输数字数据：将数字数据调制到某一频率的模拟电磁信号上，形成已调模拟信号后予以传输，使用调制/解制技术实现。●用数字信号表示与传输模拟数据：通过CODEC（编码解码器）将模拟信号经采样-量化-编码成数字信号后，再放入数字信道传输。如图像、语音的数字传输。●用数字信号表示与传输数字数据：使用数字收发器将数字数据编码、变换成适合传输的数字信号后，再放入数字信道传输。模拟传输与数字传输：用模拟信道传输信号。用数字信道传输信号。模拟通信与数字通信：完全采用模拟通信技术传输模拟数据。采用数字化技术传输模拟和数字数据。模拟传输与数字传输的主要比较模拟信号传输与信号内容无关，所携带的可以是模拟数据，也可以是数字数据（通过MODEM调制的）；信号在传输过程中的衰减和干扰不会影响信号内容的完整性；其传输距离较远，成本较高。数字信号传输与内容相关；信号传输过程中的衰减和干扰会影响信号内容的完整性；其传输距离较短，信号易衰减和失真，但成本较低，衰减和失真不累积、易消除，传输质量优于模拟传输。4、信道和信道基本参数信道：信号的传输通道，包括传输介质和控制信号传输的机制。适合传输模拟信号的信道称为模拟信道，适合传输数字信号的信道称为数字信道。反映信道特性的基本参数有：信道带宽W：信道中允许有效通过的正弦交流信号的频率范围内。当频率从零到无穷连续变化的等幅正弦交流信号通过信道时，信道对不同频率的信号将产生不同的衰减，对应信号功率衰减到一半（信号幅度相应衰减到最大值的0.707倍）有一个高频率点和一个低频率点，二者之差即该信道的带宽。低通信道：信道带宽的下限=0带通信道：信道带宽的下限0码元速率：信号每变化一次对应一个码元。单位时间内信号变化的次数称为码元传输速率，用波特（baud）为度量单位，故又称波特率。数据传输速率：单位时间内在信道中通过的比特数，单位b/s。它与波特率的关系为：数据传输速率（b/s）=码元传输速率（baud）×log2(信号状态数)。信道容量：信道的最大数据传输速率。误码率：错码数与传送的位数之比。数据传输时延=数据发送时间+信号传播时延信道吞吐量：信道上单位时间所传送的数据量。理想无噪音低通信道的最大码元速率=2W理想无噪音带通信道的最大码元速率=W香农公式：有噪音信道的最大数据传输速率（b/s）=Wlog2(1+S/N)5、信道通信方式：（1）传输方向单工：A与B之间的通信只能单向进行。半双工：A与B之间可在不同时间从任一方向另一方分时通欣。全双工：A与B之间可以同时双向通信。（2）信号变换基带传输：不改变待发送信号的基本频率属性而直接在信道中传输。对于数字通信即将数字信号直接在信道中传输。频带传输：用频率较高的模拟电磁信号作为载波，用待发送信号对载波调制后，由已调模拟信号携带着待发送信号在信道上传输。对于数字通信，即用数字信号对模拟电磁信号进行调制（即频譜搬移），得到占有一定频带的可频分复用的已调模拟信号，再送入信道传输。（3）串行传输与并行传输并行传输：多位比特信号同时传输。其速度快、效率高，但传输距离较近。串行传输：各位比特信号逐位传送。其速度较慢，但传输距离远。5、位同步与幀同步（1）位同步保证通信过程的接受方能正确地检测到每一个位的值。异步接收外同步自同步（2）幀同步保证通信过程的接收方能正确地知道所接收信号中一个比特组（数据幀）的起始时间和终止时间，即保证与数据发送方的同步。串行通信使用以下两种方法。异步传输：将待传送数据以字符为单位，每个字符均加入起始位、结束位等控制信息后独立传输。其实现简单，但效率较低、速度较慢。同步传输：将待传送数据以数据块为单位（报文或分组）成批传送，块内各字符或字节不再独立地加入控制信息，而是在块的前后各加入同步标志指示块的起始和终止。其传输效率和速度高，但控制较复杂。同步传输方式的主要类型有：面向字符、面向比特、字节计数、反常编码等控制方式。2．2信号编码技术1、数字信号→模拟信号使用调制解调器实现，可用的调制方法：幅移键控法ASK：用某一频率正弦交流信号（载波）的两个不同振幅值（如零振幅与一个非零恒定振幅）表示“0”和“1”。ASK的成本低，但抗干扰能力差、效率低且数据率较低，实际较少使用。频移键控法FSK：用对称于载波频率附近的两个不同频率的等幅正弦交流信号表示“0”和“1”。其抗干扰能力较强，信号传输质量较好。相移键控法PSK：用某一频率正弦交流信号（载波）的不同初相位值表示“0”和“1”。其抗干扰能力强，信号传输质量好，尤其是可以方便地实现多元调制，以在信道波特率不变的前提下提高信息传输速率。如下面的信号定义即可同时传送2位二进制信号。s(t)=Acos(2πfet+45°)，当位为11时，Acos(2πfet+135°)，当位为10时，Acos(2πfet+225°)，当位为01时，Acos(2πfet+135°)，当位为00时，正交调制QAM：同时用某一频率正弦交流信号的不同振幅与相位的组合，可更好地实现同时传送多位二进制信号，现代高速MODEM一般使用该方法。2、数字信号→数字信号（1）不归零倒相制（NRZI）编码信号仅在两个相邻比特周期的交接点处才回到或经过零电平；用每一比特周期开始位置信号是否倒相分别表示代码“0”和“1”。其倒相信号可用于自同步且所需波特率不大于比特率，但当连续传送不倒相代码时容易失去同步和积累直流分量而不利于传输。（2）曼彻斯特编码属自同步编码，用每个比特周期的中间点的正、负跳变分别表示代码“0”和“1”，此跳变同时又作为时钟同步信号。其同步性能好、无直流分量且易于实现，但所需波特率是比特率的两倍。（3）差分曼彻斯特编码；差分曼彻斯特编码是曼彻斯特编码的修改，将比特周期中点的跳变只作为时钟同步信号，用比特周期开始时信号是否倒相分别表示代码“0”和“1”。（4）mBnB编码（nm）高速网络不适用曼彻斯特编码，因其所需波特率太高，往往使用mBnB编码或再接合三元编码。将原始数据每m位分为一组，按某种规则选择n位二进制编码中的2m种组合表示，然后使用类似NRZI等码型编码传输，使其所需波特率值降为等于比特率的（n/m）倍。其选择规则主要应考虑自同步和直流分量的要求，如FDDI即使用4B5B码。三元编码即用信号的三种状态（如正、负、零电平）进行编码，可进一步减少所需带宽。3、模拟信号→数字信号使用脉冲代码调制（PCM）技术将模拟数据经采样-量化-编码后转换成数字编码信号，其实现基于奈奎斯特采样定理。奈奎斯特采样定理：若表示模拟数据的模拟信号的最高有效频率为fmax，则只要采样频率ft≥2fmax，其采样信号即包含了原始数据的全部信息，可从中恢复原模拟数据。例：对语音信号的采样，如取其最高有效频率为4000HZ，则每秒只需采样8000次。若每次采样值用7位二进制编码量化，则传输一路语音信号所需带宽为56Kb/s。4、模拟信号→模拟信号（现代计算机网络教程P24）5、扩频编码（现代计算机网络教程P24）2．3多路复用技术信道容量往往大于单个用户的需求，此时一条信道可由多个用户共享使用，称为多路复用，从而提高信道使用效率和系统传输速率。常用技术有频分多路复用（FDM）、时分多路复用（TDM）、波分多路复用和码分多路复用（CDMA）。FDM：当信道带宽大于一路信号的传输需求时，将信道总频带分成若干个子信道，对多路信号用不同的载波调制，同时在信道中并行传输。此时，多个用户在同一时间占有不同的带宽资源。它基于模拟信号传输。TDM：当信道速率大于一路信号的传输需求时，将信道工作时间分成若时隙，不同时隙可传输来自不同用户的信号。若各时隙固定分配给不同用户，称同步DTDM；如果是动态分配则称为异步STDM。TDM的实质是使多个用户在不同时间占有相同的带宽资源，即分时共享。它基于数字传输。波分复用：即光的频分复用，基于光纤通信。（谢希仁P85）码分复用（CDMA）：基于直接序列扩频通信技术，抗干扰能力和保密性很强，可实现多个用户在同一时间使用同样的频带通信，但实现复杂、占用频带宽、成本较高，主要用于无线LAN。基本方法：①将每一个比特时间进一步分成m个短的时隙，每个时隙称为一个码片，m一般取64或128。②系统中的每一个站点分配一个唯一的mbit码片序列。③用码片序列的原码表示比特1，用用码片序列的反码表示比特0。④书写时，将码片序列中的代码1写作+1，代码0写作-1。对码片序列的要求：①系统中各站点的序列必须各不相同；②任意两个站点的码片序列都必须互相正交，即其内积为零；各码片序列的反码也都必须互相正交③每一码片序列与其自身的内积（规格化内积）都是1；④每一码片序列与其自身反码的内积（规格化内积）都是-1。其工作过程基于①系统中所有站点发送的码片序列都是同步的；②信号叠加原理。2．4、数据交换技术通信网络根据网络结构的不同可分成交换式和广播式两类。广播通信网为广播式发送，不需要中间节点的介入和路由选择，为LAN广泛采用。交换式通信网由若干个网络节点组成点到点的结构，数据的传送从源节点开始，经若干中间节点的交换（转发）到达目标节点。按实际的数据传送技术，交换式通信网可分为线路交换网和分组交换网，后者又有虚电路和数据报两种方式。1、线路交换主要技术特点：其通信过程分成三个阶段：①建立连接。源节点发出建立连接请求，经多个中间节点接力式地选择路径和分配链路直到目标节点，建立一条端到端的专用物理连接。②数据传输。所有数据均通