第6章_物理层及数据通信技术

第6章物理层及数据通信技术袁津生主编主要内容6.1数据通信基础6.2编码与调制6.3传输介质及传输技术6.4宽带接入技术6.5物理层设备主要内容物理层是计算机网络体系结构中的最低层，物理层为设备之间的数据通信提供传输介质及互连设备，为数据传输提供可靠的环境。本章主要介绍数据通信技术、数据编码技术、传输介质以及宽带接入技术。6.1数据通信基础信息、数据与信号信息是人对现实世界事物存在方式或运动状态的某种认识。数据是指把事件的某些属性规范化后的表现形式，它能被识别，也可以被描述。信号是数据的具体物理表现，具有确定的物理描述，如电压、磁场强度等。数据是信息的载体，它是信息的表示形式，可以是数字、字符、符号等。信息一般是用数据来表示的，而表示信息的数据通常要转变为信号来进行传递。模拟信号与数字信号模拟信号是指信号的波形和频率（每秒的波数）是连续变化，如电视图像信号、语音信号、温度压力传感器的输出信号等。简单地说，就是连续的信号。数字信号是指信号的波形不是连续的，而是突变的，如计算机内部的信号都是数字信号。数字信号在通信线路上传输时要借助电信号的状态来表示二进制代码的值。因为电信号可呈现两种状态，可以分别表示“0”和“1”。简单的说，就是离散的信号。模拟信号与数字信号(a)模拟信号(b)数字信号信源、信宿与信道信源是信息或信息序列的产生源，它泛指一切发送的声音、数据、文字、图像等电信号。信源发出的信息可以是连续的，也可以是离散的。信宿是通信过程中接收和处理信息的设备或计算机。信源和信宿之间要有通信线路才能互相通信。信道是传输数据的通道，是信号传输的必经之路，包括传输介质和通信设备。信源、信宿与信道信源和信宿之间是通过信道进行信息交换的。信息在传输过程中可能会受到外界的干扰，把这种干扰称为噪声。信道可以分为数字信道与模拟信道。数字信道是在信道上只能传输数字信号的信道，是用来传输离散数字信号的。模拟信道传输的是在幅度和时间上都连续变化的模拟信号。如果利用模拟信道传送数字信号，则必须经过数字与模拟信号之间的变换。通信常用指标码元是一个固定时长的信号波形。而时间间隔被称为码元长度。速率也叫数据率，是指数据的传输速率，表示单位时间内传输的数据量。单位是比特/秒（bps）。带宽是指信号具有的频率宽度，单位是赫兹（Hz）。由于带宽与数据率存在数值上的关系，因此，常用带宽指数据率，表示在一段特定的时间内网络所能传送的比特数。信道容量。信道传输数据速率的上限，称为信道的容量。奈奎斯特定理理想条件下（无噪声的、有限带宽）信道的极限速率是：C=2×W×log2M（bps）其中，W是信道的带宽，单位为赫兹，M表示每个码元离散电平的数目。极限速率的单位是bps。由于码元的传输速率受到奈奎斯特定理的限制，所以要提高数据的传输速率，就必须设法使每个码元能携带更多个比特的信息量，这就需要采用多元制的调制方法。香农定理香农定理考虑了有噪声信道的极限数据率：C=W×log2（1+S/N）（bps）其中，W是信道的带宽，单位为赫兹，S表示信道内信号的平均功率，N表示信道内噪声的功率。为了方便起见，一般用10log10（S/N）来表示信噪比，单位是分贝（dB）。S/N的值越高，表示信道的质量越好。例如，S/N为1000，其信噪比为30dB。数据通信系统结构数据通信系统是由数据传输系统和数据处理系统两部分组成的。数据传输系统也称作通信子网，其主要任务是实现不同数据终端设备之间的数据传输。数据处理系统也称为资源子网，它由许多数据终端设备组成，这些终端设备作为信息的源和宿，其中的计算机主要用于数据的收集和处理。数据通系统的模型输入信息输出信息输入数据输出数据发送的信号接收的信号传输系统终点发送器接收器调制解调器PC机公用电话网调制解调器数字比特流数字比特流模拟信号模拟信号发送设备通信线路接收设备输入汉字显示汉字源点信源信宿数据通信系统单工、半双工和全双工通信发送接收单向通道双向通道双向通道(a)(b)(c)发送接收发送接收接收发送接收发送并行通信与串行通信发送设备接收设备(b)发送设备接收设备...(a)多路复用技术多路复用是指将来自若干信息源的信号进行合并，然后将合并后的信号经单一的线路和传输设备进行传输，在接收方，有专用的设备将合成信号分离成各个单路信号。复用的方法有：时分多路复用、频分多路复用、波分多路复用、码分多路复用。多路复用技术的实质是：发送方将多个用户的数据通过复用器汇集，并将汇集的数据通过一条物理线路传送到接收方。接收方通过分用器将数据分离成各个单独的数据，然后分发给接收方的多个用户。多路复用系统结构多路复用器多路复用器信道1信道1信道n信道n高速通信线路时分多路复用时分多路复用TDM（TimeDivisionMultiplexer）是以信道传输时间作为分割对象，通过为多个信道分配互不重叠的时间片的方法来实现多路复用。时分多路复用可分为：同步时分多路复用、异步时分多路复用。同步时分多路复用将时间片预先分配给各个信道，时间片固定不变，并且时间片序号与信道号之间存在固定的对应关系，各个信道的发送与接收必须同步进行。异步时分多路复用时间片序号与信道号之间不再存在固定的对应关系。这种方法可以避免通信线路资源的浪费，但由于信道号与时间片序号无固定对应关系，因此接收端要有识别信号的能力。同步时分复用与异步时分复用A1A2A3A4B1B2B3C1C2复用器B2A4C2B2A3B1A2C1A1123A1A2A3A4B1B2B3C1C2复用器B3A4C2B2A3B1A2C1A1123频分多路复用频分多路复用FDM（FrequencyDivisionMultiplexing）主要用于模拟信号。多路复用器接收来自多个源的模拟信号，每个信号都有自己独立的带宽。这些信号被组合成一个具有更大带宽、更加复杂的信号，产生的信号被传送到目的地，在那里另一个多路复用器完成分解工作，然后把各个信号单元分离出来。换句话说，就是将具有一定带宽的信道分割为若干个有较小频带的子信道，每个子信道供一个用户使用。这样在信道中就可同时传送多个不同频率的信号。采用频分多路复用时数据在各子信道上是并行传输的。由于各子信道相互独立，故一个信道发生故障时不影响其他信道。频分多路复用的工作原理3003100信道160646872606468频率(kHz)频率(kHz)信道2信道3信道1信道2信道360646468(a)原始带宽(b)频分后带宽(c)带宽复用波分多路复用波分多路复用WDM（WavelengthDivisionMultiplexing）是频率分割技术在光纤介质中的应用，也就是光的频分复用。共享光纤光栅光栅功率波长波长光纤1的波谱波长光纤2的波谱光纤1光纤2光纤3光纤4功率波长光纤3的波谱功率波长光纤4的波谱码分多路复用码分多路复用CDM（CodeDivisionMultiplexing）为每一路信号分配不同的编码，每一路信号用它唯一的编码对要发送的数据进行编码，接收方根据编码接收信息。码分多路复用技术的基础是扩频通信。扩频通信的特征是使用比发送的数据速率高许多倍的伪随机码对载荷数据的基带信号的频谱进行扩展，形成宽带低功率频谱密度的信号来发射。码分复用是一种共享信道的方法。常用的名词是码分多址CDMA（CodeDivisionMultipleAccess），每一个用户可以在同样的时间使用同样的频带进行通信。由于各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此不会造成干扰。CDMA多用在无线多路访问信道中。6.2编码与调制数字数据编码为数字信号把数字数据变换为数字信号的过程称为编码。常用的编码方法有三种：不归零码NRZ（Non-ReturntoZero）、曼彻斯特（Manchester）编码和差分曼彻斯特（DifferentManchester）编码。不归零码是指编码在发送“0”或“1”时，在一码元的时间内不会返回初始状态（零）。曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码都属于自同步码。所谓自同步码是指编码在传输信息的同时，将时钟同步信号一起传输过去。三种编码波形图NRZ时钟Manchester差分Manchester01001011模拟数据编码为数字信号模拟数据的数字信号编码最常用的方法是脉冲编码调制PCM（PulseCodeModulation）。PCM的典型应用是语音数字化。PCM就是对模拟信号进行采样、量化、编码的过程。采样就是对模拟信号进行周期性扫描，把时间上连续的信号变成时间上离散的信号。量化就是把经过采样得到的瞬时值将其幅度离散，即用一组规定的电平，把瞬时采样值用最接近的电平值来表示。编码就是用一组二进制码组来表示每一个有固定电平的量化值。PCM采样与量化ST1.02.03.04.05.06.07.08.09.00.11.12.13.14.15.1()Vtf3.034.01.006.09.087.05.146.15.152.12.122.19.089.05.046.02.022.0t编码原理示意图脉冲编码波形二进制数字数字脉冲编码波形二进制数字数字01234567891011121314150000000100100011010001010110011110001001101010111100110111101111数字数据调制为模拟信号要在模拟信道上传输数字数据，首先需对数字信号进行调制，即用模拟信号作为载波运载要传送的数字数据。载波信号可以表示为正弦波形式：其中幅度um、频率ω和相位φ的变化均影响信号波形。因此，通过改变这三个参数可实现对模拟信号的编码。相应的调制方式分别称为幅度调制、频率调制和相位调制。)sin(u)(umtt模拟数据信号的编码幅度调制也称为幅移键控ASK。频率调制也称为频移键控FSK。相位调制也称为相移键控PSK相位调制又分为绝对调相和相对调相。010)sin()(数字数字tutum01)sin()sin()u(21数字数字tututmm01)sin()0sin()(数字数字tututumm模拟数据信号的编码方法010010ωωπ0πππ0+0+π+0+0+0ω1ω2ω1+π数据(a)ASK(b)FSK(c)PSK(绝对)(d)PSK(相对)ω1ω2ω16.3传输介质及传输技术物理层的功能（1）为数据端设备提供传送数据的通路。一次完整的数据传输，包括建立物理连接，传送数据，终止物理连接。（2）传输数据。物理层要形成适合数据传输需要的实体，为数据传送服务。一是要保证数据能在其上正确通过，二是要提供足够的带宽，以减少信道上的拥塞。（3）完成物理层的一些管理工作。物理层接口的特性（1）机械特性。也叫物理特性，指明通信实体间硬件连接接口的机械特点，如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。（2）电气特性。规定了在物理连接上，导线的电气连接及有关电路的特性。（3）功能特性。指明物理接口各条信号线的用途。（4）规程特性。指明利用接口传输比特流的全过程及各项用于传输的事件发生的合法顺序。传输介质的主要类型传输介质是网络中信息传输的媒体，是网络通信的物质基础之一。传输介质的性能特点对传输速率、通信的距离、可连接的网络结点数目和数据传输的可靠性等均有很大的影响。因此，必须根据不同的通信要求，合理地选择传输介质。目前在局域网中常用的传输介质有双绞线、同轴电缆和光导纤维等。双绞线双绞线是最普通的传输介质，它由两根绝缘的金属导线扭在一起而成，通常还把若干对双绞线对（2对或4对），捆成一条电缆并以坚韧的护套包裹着，每对双绞线合并作一根通信线使用，以减小各对导线之间的电磁干扰。双绞线可分为非屏蔽双绞线UTP（UnshieldedTwisted-Pair）和屏蔽双绞线STP（ShieldedTwisted-Pair）。双绞线按电气性能划分可分为：3类、4类、5类、超5类、6类、7