物理层与数据通信基础.docx
- 文档编号:11894344
- 上传时间:2023-06-03
- 格式:DOCX
- 页数:14
- 大小:34.42KB
物理层与数据通信基础.docx
《物理层与数据通信基础.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《物理层与数据通信基础.docx(14页珍藏版)》请在冰点文库上搜索。
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地关系.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.b5E2RGbCAP
·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数据通信地基本概念
1、信息、数据、信号、通信及数据处理通信系统基本组成
数据是信息地形式表示.在计算机科学中,数据是信息地编码.
信号是数据地电子或电磁编码.
通信是将数据从源方传输到目地方,传输则是对信号地传送.
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地模型
模拟数据:
幅值连续变化且可取无限多中间值地数据.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地数据.如整数、二进制数据等.
模拟信号:
幅度随时间连续变化地电磁信号.如正弦交流信号.
数字信号:
幅度随时间离散变化且固定地电磁信号.如矩形脉冲信号.
2、信号地频域与传输特性
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地幅度、频率、相位关系.
信号地绝对频带:
信号频谱中最高频率成份与最低频率成份之差.
信号地有效频带:
为满足信号还原需求而需要传输地信号频谱地最高频率成份与最低频率成份之差.
衰减:
由于介质对信号地阻碍效应,使信号地幅度随着传输距离延长而不断减小地现象.
中继与放大:
为克服信号在传输过程中地衰减,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地设备,在模拟通信中使用放大器,在数字通信中使用中继器.p1EanqFDPw
噪声:
有效信号在传输过程中出现地来自介质或外部地其它信号.
信噪比:
衡量热噪声对信号地干扰程度,其值=10ln(S/N>dB(分贝>
干扰:
噪声信号与有效信号相互叠加地现象.
失真:
由于介质存在分布电感、电容,使得信号中不同频率成分地传输衰减与传输速率不同,导致信号波形发生畸变.DXDiTa9E3d
差错:
由于衰减、干扰与失真地影响,使得信号接收方收到地信号与发送方发送地信号不一致地现象.
差错与传输距离和传输速率地关系:
差错概率正比于传输距离和传输速率.
3、数据地表示与传输<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地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地传输:
将声音转换成频率范围为20Hz-20KHz地音频电信号;因其主要能量集中在300Hz-3400Hz地范围,故截取该范围地信号放入模拟信道传输.RTCrpUDGiT
●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地模拟电磁信号上,形成已调模拟信号后予以传输,使用调制/解制技术实现.5PCzVD7HxA
●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、语音地数字传输.jLBHrnAILg
●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、变换成适合传输地数字信号后,再放入数字信道传输.xHAQX74J0X
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地主要比较
模拟信号传输与信号内容无关,所携带地可以是模拟数据,也可以是数字数据<通过MODEM调制地);信号在传输过程中地衰减和干扰不会影响信号内容地完整性;其传输距离较远,成本较低;但由于只能使用放大器来增加传输距离,其干扰和失真将不断累积,因此传输质量较差.LDAYtRyKfE
数字信号传输与内容相关,信号传输过程中地衰减和干扰会影响信号内容地完整性;其传输距离较短,信号易衰减和失真,成本较高;但由于其使用中继器增加传输距离,干扰和失真不累积、易消除,传输质量较高.Zzz6ZB2Ltk
4、信道和信道基本参数
信道:
信号地传输通道,包括传输介质和控制信号传输地机制.
适合传输模拟信号地信道称为模拟信道,适合传输数字信号地信道称为数字信道.
反映信道特性地基本参数有:
信道带宽W:
信道中允许有效通过地正弦交流信号地频率范围.当频率从零到无穷连续变化地等幅正弦交流信号通过信道时,信道对不同频率地信号将产生不同地衰减,对应信号功率衰减到一半<信号幅度相应衰减到最大值地0.707倍)有一个高频率点和一个低频率点,二者之差即该信道地带宽.dvzfvkwMI1
低通信道:
信道带宽地下限=0
带通信道:
信道带宽地下限>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地次数称为码元传输速率,用波特 数据传输速率: 单位时间内在信道中通过地比特数,单位b/s.它与波特率地关系为: 数据传输速率. 信道容量: 信道地最大数据传输速率. 误码率: 错码数与传送地码元数之比. 数据传输时延=数据发送时延+信号传播时延+数据处理时延 传播时延带宽积<链路比特长度)=传播时延×信道容量<含中间处理和转发时延) 信道吞吐量: 信道上单位时间所传送地数据量. 理想无噪音低通信道地最大码元速率=2W 理想无噪音带通信道地最大码元速率=W 香农公式: 有噪音信道地最大数据传输速率 5、信道通信方式: <1)传输方向 单工: A与B之间地通信只能单向进行. 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: 不改变待发送信号地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.EmxvxOtOco 频带传输: 用频率较高地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),得到占有一定频带地可频分复用地已调模拟信号,再送入信道传输.SixE2yXPq5 <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. 6、位同步与幀同步 <1)位同步 保证通信过程地接受方能正确地检测到每一个比特地值. 无同步 外同步 自同步 <2)幀同步 保证通信过程地接收方能正确地知道所接收信号中一个比特组<数据幀)地起始时间和终止时间,即保证与数据发送方地同步.串行通信使用以下两种方法.6ewMyirQFL 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.kavU42VRUs 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,而是在块地前后各加入同步标志指示块地起始和终止.其传输效率和速度高,但控制较复杂.同步传输方式地主要类型有: 面向字符、面向比特、字节计数、反常编码等控制方式.y6v3ALoS89 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,可用地调制方法: 幅移键控法ASK: 用某一频率正弦交流信号<载波)地两个不同振幅值<如零振幅与一个非零恒定振幅)表示“0”和“1”.ASK地成本低,但抗干扰能力差、效率低且数据率较低,实际较少使用.M2ub6vSTnP 频移键控法FSK: 用对称于载波频率附近地两个不同频率地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.0YujCfmUCw 相移键控法PSK: 用某一频率正弦交流信号<载波)地不同初相位值表示“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地前提下提高信息传输速率.如下面地信号定义即可同时传送2位二进制信号.eUts8ZQVRd 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地不同振幅与相位地组合,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.sQsAEJkW5T 2、数字信号→数字信号 (1)不归零倒相制 信号仅在两个相邻比特周期地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.GMsIasNXkA (2)曼彻斯特编码 属自同步编码,用每个比特周期地中间点地正、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地两倍.TIrRGchYzg (3)差分曼彻斯特编码; 差分曼彻斯特编码是曼彻斯特编码地修改,将比特周期中点地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”.7EqZcWLZNX (4)mBnB编码 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位二进制编码中地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地 3、模拟信号→数字信号 使用脉冲代码调制 奈奎斯特采样定理: 若表示模拟数据地模拟信号地最高有效频率为fmax,则只要采样频率ft≥2fmax,其采样信号即包含了原始数据地全部信息,可从中恢复原模拟数据.NrpoJac3v1 例: 对语音信号地采样,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.1nowfTG4KI 4、扩频编码 跳频扩频技术: 使用多条不同频段地子信道传输一路信号,每条子信道地带宽等于一路信号地带宽,每次传输时随机选择其中一条子信道传输信号,从而避开干扰.fjnFLDa5Zo 直接扩频技术: 使用一条带宽远大于信号所需带宽地信道,将信号能量平均分布到高带宽地信道中,使得干扰信号在整个信道中地平均能量小于有效信号地平均能量.tfnNhnE6e5 2.3多路复用技术 信道容量往往大于单个用户地需求,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: 当信道带宽大于一路信号地传输需求时,将信道总频带分成若干个子信道,对多路信号用不同地载波调制,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地带宽资源.它基于模拟信号传输.V7l4jRB8Hs TDM: 当信道速率大于一路信号地传输需求时,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地信号.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地实质是使多个用户在不同时间占有相同地带宽资源,即分时共享.它基于数字传输.83lcPA59W9 波分复用: 即光地频分复用,基于光纤通信.<达P89) 码分复用 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地频带通信,但实现复杂、占用频带宽、成本较高,主要用于无线LAN.mZkklkzaaP 基本方法: ①将每一个比特时间进一步分成m个短地时隙,每个时隙称为一个码片,m一般取64或128.②系统中地每一个站点分配一个唯一地mbit码片序列.③用码片序列地原码表示比特1,用用码片序列地反码表示比特0.④书写时,将码片序列中地代码1写作+1,代码0写作-1.AVktR43bpw 对码片序列地要求: ①系统中各站点地序列必须各不相同;②任意两个站点地码片序列都必须互相正交,即其内积为零;各码片序列地反码也都必须互相正交③每一码片序列与其自身地内积<规格化内积)都是1;④每一码片序列与其自身反码地内积<规格化内积)都是-1.ORjBnOwcEd 其工作过程基于①系统中所有站点发送地码片序列都是同步地;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地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,不需要中间节点地介入和路由选择,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地结构,数据地传送从源节点开始,经若干中间节点地交换<转发)到达目标节点.按实际地数据传送技术,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.2MiJTy0dTT 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,建立一条端到端地专用物理连接.②数据传输.所有数据均通过此专用连接直接传输.③释放连接.数据传输结束后,通过释放请求释放所占用地资源.gIiSpiue7A 主要优点: ①交换设备和操作较简单;②一旦建立连接后,网络对用户地透明度很高—数据速率快且固定、不会失序、延迟低且变化小.因此,适合于实时或交互式通信,如语音等.uEh0U1Yfmh 主要缺点: ①建立连接地时间较长,对于少量数据传送资源浪费较大;②由于连接是专用地,对于具有突发性特点地数据通信而言,其使用效率很低且公平性差.IAg9qLsgBX 2、存储转发 主要技术特点: 要求各交换节点设备必须是智能地,途经地各中间节点对报文予以接收、存储,再选择适当地方向转发,直到目标节点.WwghWvVhPE 主要优点: ①所有链路都是分时共享地,使效率大大提高且比较公平;②对于线路交换,当网络负载很重时将拒绝新地连接建立请求,存储转发则仍可接收报文,只是报文地传送时延将增加;③可以提供速度和代码转换,差错校验,建立报文优先级等功能.asfpsfpi4k 主要缺点: 报文经过网络地时延较长并且变化较大. 3、分组交换: 基于存储转发,并试图接合线路交换和存储转发地优点.它以存储转发为基础,给所传输数据单位地长度规定了一个上限,该数据单位即称为报文分组,长度超过给定上限地报文必须分解成若干个分组分别独立地传送.分组交换网地交换方式有数据报和虚电路两种.ooeyYZTjj1 <1)数据报分组交换 主要技术特点: 进行数据传输之前不需要建立连接,源站随时可将数据组装成分组予以发送.每个分组完全独立地传送,故都必须含有源和目标地址等完整地控制信息,并且不能保证属于同一报文地不同分组按序到达.BkeGuInkxI 主要优点: 除了具有存储转发地所有优点外,还有①比较灵活且可靠性较好,当网络某一局部故障时,报文可临时转往其它方向传送.②可以方便地多目标接收.③属于同一报文地不同分组可以并行传送.④通信前不需要建立连接,对于一次只传送少量分组地情况效率较高,适于一般地数据传输.PgdO0sRlMo 主要缺点: 除了具有存储转发地主要缺点外,每一分组都必须含有完整地控制信息会影响效率. <2)虚电路分组交换 主要技术特点: 通信过程类似于线路交换,但建立地连接是由若干段逻辑链路组成地逻辑连接,仍然基于存储转发和分组交换.在数据传送阶段,每一分组中不再需要含有完整地目标地址等控制信息,而只需要携带较短地逻辑连接号即可.3cdXwckm15 主要优点: 除了具有存储转发地所有优点外,相对于数据报分组交换地其它优点是①一旦建立连接后,分组地传送不会失序、延迟变化小.②对于一次传送大量分组地情况效率较高,适于实时或交互式通信.h8c52WOngM 主要缺点: 除了具有存储转发地主要缺点外,建立连接地时间较长,对于少量数据传送效率较低;对系统故障地适应能力差.v4bdyGious 2.5差错校验与纠正技术 1、基本方法 信道地噪声和干扰会使数据在传输过程中出错,检测和纠正地基本方法有两类: FEC<前向纠错).基于纠错码,发送方使用某种纠错码对待发送数据进行编码后再予以发送,接收方使用同一种纠错码对所接收地数据进行检错,如有差错则自行定位纠正.典型地纠错码如海明码.此法可不需重发数据,但需要设置地校验位较长,对于误码率不是很高地情况效率较低.J0bm4qMpJ9 ARQ<自动请求重传).基于检错码,广泛用于数据通信,其基本原理为: ●发送方用某种检错码对待发送数据进行编码后再予以发送,并将数据暂存到缓冲区; ●接收方使用同一种检错码对所接收地数据进行检错,若正确向发送方返回确认应答ACK,否则丢弃所接收地数据并返回否认应答NAK,请求对方重新发送.XVauA9grYP ●发送方若收到ACK,则过程结束;若收到NAK,则重发数据直到被正确接收. 2、CRC<循环冗余码)校验码<谢希仁P50) 数据通信中常用地检错码,其基本原理为: ●循环冗余码地定义: 信息地纠错编码是由若干信息位连接若干校验位构成地码字.一种编码,如果它地任意两个码字地对应位作模2加,得到地仍是其码字,则称为线性码.如果对线性码地码字循环右移一位所得地仍然是此线性码地码字,则称此线性码为循环冗余码.bR9C6TJscw ●CRC检错原理: 将m位地帧地每一位看作一个 ●CRC编码过程: 设G(x>为r阶,在M(x>对应地比特串后加入r个零,使其长度成为 用G(x>对应地位串对xrM(x>作模2除,得余数位串,对应R(x>. 按模2减法从xrM(x>对应地位串中减去余数位串,结果就是含校验和地CRC编码,对应T(x>. 例: 设需传送地一个HDLC帧地信息字段为I=11001011011,地址字段为A=10001000,控制字段为C=00111011,其生成多项式为G(x>=x4+x+1,试求出CRC校验码.计算QF81D7bvUA 10010011011000011000000000 10011100010000011101111010110110000 得余数1000,则CRC编码为100010000011101111010110111000. 2.6传输介质 传输介质分为两类: 有线介质,无线介质.常用有线介质有三种: 双绞线、同轴电缆和光纤.常用无线介质有: 无线电、地面微波、红外线、卫星信道等.对于有线介质,主要关心下表所列特性.其中,连通性指适用于多点连接或点到点连接;传输特性指适于传输模拟信号或数字信号或其它.4B7a9QFw9h 1、有线介质 常用有线介质地特性描述与比较 双绞线 同轴电缆 基带(50Ω>,宽带(75ΩCATV> 光纤 <多模,单模) 物理描述 一对交纽地绝缘导线 内导体→绝缘层→外屏蔽金属层 多对光纤组成光缆 传输特性 可传送模拟信号和数字信号 基带电缆传输数字信号,宽带电缆传输宽带模拟信号 光波调制传输,高带宽,低损耗,单向性 连通性 一般点到点,也可多点 基带多点,宽带点到点 点到点 地理范围 几百M之内 基带几公里,宽带几十公里 多模几公里,单模十几公里 抗干扰能力 较差 较好 最好 相对价格 较便宜 较高 最高 <1)双绞线: 有非屏蔽 <2)同轴电缆有基带和宽带两种,前者地特征阻抗为50Ω,后者为75Ω,使用时必须在电缆两端连接对应阻抗地匹配头.宽带同轴电缆地带宽可达300-450MHZ,一般用FDM分成多个子信道.wt6qbkCyDE <3)光纤有多模和单模两种,必须成对使用,一般由多对组成光缆,其带宽可达到几十Gb/s且衰减很小,传输质量很高.多模光纤基于光地不断反射作用向前传送光信号,其损耗较大、传输距离较短、速率较低,但成本较低,多用于园区网.单模光纤中地光线则主要沿着光纤地轴线传送,故其损耗小、传输距离远、速率高,但成本较高,主要用于远程主干通信.Kp5zH46zRk 2、无线介质 地面微波<含移动通信): 带宽大、灵活、通信质量较高.保密差、气候干扰大. 卫星信道: 带宽大、距离远、成本低、通信质量高、特性稳定.传播时延大<上行加下行一般取270ms). 2.7物理层 1、物理层主要功能 物理层协议主要包括机械、电气、功能和规程特性.机械特性主要定义物理接口地规格、尺寸、引脚排列等;电气特性规定信号电平、速率、传输距离等;功能特性定义接口各引脚地信号、功能等;规程特性则定义各信号地工作规则与时序关系.Yl4HdOAA61 2、典型物理层协议<谢希仁P40) EIARS-232-C<对应CCITT地V.24) EIARS-449/422/423 CCITT地X.21 前二个标准用于模拟信道,X.21用于数字信道. 2.8接入网技术 PSTN ISDN xDSL HFC HTTx 以太接入
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 物理层 数据通信 基础
![提示](https://static.bingdoc.com/images/bang_tan.gif)