課題：物理層目的要求：掌握物理層的基本概念、數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)知識教學(xué)重點(diǎn)：數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)知識教學(xué)難點(diǎn)：信道的極限數(shù)據(jù)傳輸速率教學(xué)課時(shí)：2教學(xué)方法：講授、練習(xí)本次課涉及的學(xué)術(shù)前沿：教學(xué)內(nèi)容與步驟：,2.1物理層的基本概念,物理層的主要任務(wù)描述為確定與傳輸媒體的接口的一些特性，即：機(jī)械特性指明接口所用接線器的形狀和尺寸、引線數(shù)目和排列、固定和鎖定裝置等等。電氣特性指明在接口電纜的各條線上出現(xiàn)的電壓的范圍。功能特性指明某條線上出現(xiàn)的某一電平的電壓表示何種意義。過程特性指明對于不同功能的各種可能事件的出現(xiàn)順序。,2.2數(shù)據(jù)通信的基礎(chǔ)知識2.2.1數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的模型,調(diào)制解調(diào)器,PC機(jī),公用電話網(wǎng),調(diào)制解調(diào)器,數(shù)字比特流,數(shù)字比特流,模擬信號,模擬信號,正文,正文,PC機(jī),幾個(gè)術(shù)語,數(shù)據(jù)(data)運(yùn)送信息的實(shí)體。信號(signal)數(shù)據(jù)的電氣的或電磁的表現(xiàn)?！澳M的”(analogous)連續(xù)變化的?！皵?shù)字的”(digital)取值是離散數(shù)值。調(diào)制把數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號的過程。解調(diào)把模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的過程。碼元(code)在使用時(shí)間域（或簡稱為時(shí)域）的波形表示數(shù)字信號時(shí)，代表不同離散數(shù)值的基本波形。,數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)組成,數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)是通過數(shù)據(jù)電路將分布在異地的數(shù)據(jù)終端設(shè)備與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)連接起來，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸、交換、存儲(chǔ)和處理的系統(tǒng)。比較典型的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)終端設(shè)備、數(shù)據(jù)電路、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)三部分組成，如下圖所示。,數(shù)據(jù)終端設(shè)備,在數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中，用于發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的設(shè)備稱為數(shù)據(jù)終端設(shè)備(簡稱DTE)。DTE可能是大、中、小型計(jì)算機(jī)、PC機(jī)，也可能是一臺只接收數(shù)據(jù)的打印機(jī)。從計(jì)算機(jī)和計(jì)算機(jī)通信系統(tǒng)的觀點(diǎn)來看，終端是輸入輸出的工具；從數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)的觀點(diǎn)來看，計(jì)算機(jī)和終端都稱為網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)終端設(shè)備，簡稱終端。,數(shù)據(jù)電路終接設(shè)備,用來連接DTE與數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備稱為數(shù)據(jù)電路終接設(shè)備(DCE)，可見該設(shè)備為用戶設(shè)備提供入網(wǎng)的連接點(diǎn)。DCE的功能就是完成數(shù)據(jù)信號的變換。因?yàn)閭鬏斝诺揽赡苁悄M的，也可能是數(shù)字的，DTE發(fā)出的數(shù)據(jù)信號不適合信道傳輸，所以要把數(shù)據(jù)信號變成適合信道傳輸?shù)男盘枴＠媚M信道傳輸，要進(jìn)行“數(shù)字模擬”變換，方法就是調(diào)制，而接收端要進(jìn)行反變換，即“模擬數(shù)字”變換，這就是解調(diào)，實(shí)現(xiàn)調(diào)制與解調(diào)的設(shè)備稱為調(diào)制解調(diào)器。因此調(diào)制解調(diào)器就是模擬信道的數(shù)據(jù)電路終接設(shè)備。,數(shù)據(jù)電路和數(shù)據(jù)鏈路,數(shù)據(jù)電路指的是在線路或信道上加信號變換設(shè)備之后形成的二進(jìn)制比特流通路，它由傳輸信道及其兩端的數(shù)據(jù)電路終接設(shè)備(DCE)組成。數(shù)據(jù)鏈路是在數(shù)據(jù)電路已建立的基礎(chǔ)上，通過發(fā)送方和接收方之間交換“握手”信號，使雙方確認(rèn)后方可開始傳輸數(shù)據(jù)的兩個(gè)或兩個(gè)以上的終端裝置及互連線路共同組成的組合體。,模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng),模擬通信系統(tǒng)：采用模擬信號傳輸?shù)耐ㄐ畔到y(tǒng)。數(shù)字通信系統(tǒng)：采用數(shù)字信號傳輸?shù)耐ㄐ畔到y(tǒng)。,數(shù)字信號通過實(shí)際的信道,有失真，但可識別失真大，無法識別,實(shí)際的信道（帶寬受限、有噪聲、干擾和失真）,發(fā)送信號波形,接收信號波形,信號傳輸過程中的衰減,模擬傳輸系統(tǒng)：放大器（會(huì)放大噪音分量）數(shù)字傳輸系統(tǒng)：中繼器（再生信號）,模擬信號與數(shù)字信號的對比,數(shù)字信號發(fā)送的最基本的優(yōu)點(diǎn)是比一般模擬信號發(fā)送便宜，而且很少受噪音干擾的影響。最主要的缺點(diǎn)是數(shù)字信號比模擬信號易衰減。,模擬和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)通信,模擬數(shù)據(jù)以某個(gè)區(qū)間內(nèi)的連續(xù)值的形式出現(xiàn)，例如，音頻和視頻是連續(xù)變化的，其他大多數(shù)通過傳感器來收集的數(shù)據(jù)(如溫度和壓力等)，也都是連續(xù)取值的。而數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)以離散值的形式出現(xiàn)，如文本和整數(shù)。模擬信號如圖(a)所示，數(shù)字信號如圖(b)所示，它們分別對應(yīng)著連續(xù)信號和離散信號。,模擬數(shù)據(jù)通信和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)通信,模擬數(shù)據(jù)通信：允許一定范圍內(nèi)的失真數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)通信：不允許任何失真,任何數(shù)據(jù)均可以任何信號形式傳輸,用模擬信號傳送模擬數(shù)據(jù)，可以直接用占有相同頻譜范圍的電磁波信號來表示。用數(shù)字信號來傳送模擬數(shù)據(jù)用編碼解碼器。用模擬信號傳送數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)用調(diào)制解調(diào)器。用數(shù)字信號來傳送數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)直接用兩種電平來表示。然而，為了改變其傳播特性，常常對二進(jìn)制數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼。,模擬的和數(shù)字的數(shù)據(jù)、信號,2.2.2有關(guān)信號的幾個(gè)基本概念,單向通信（單工通信）只能有一個(gè)方向的通信而沒有反方向的交互。雙向交替通信（半雙工通信）通信的雙方都可以發(fā)送信息，但不能雙方同時(shí)發(fā)送(當(dāng)然也就不能同時(shí)接收)。雙向同時(shí)通信（全雙工通信）通信的雙方可以同時(shí)發(fā)送和接收信息。,傳輸方式并行傳輸：同時(shí)傳輸一組比特，每個(gè)比特使用單獨(dú)的一條線路。（如打印機(jī)數(shù)據(jù)傳送）串行傳輸：使用一條線路，逐個(gè)地傳輸所有的比特。（如計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中）,基帶(baseband)信號和寬帶(broadband)信號,基帶信號就是將數(shù)字信號1或0直接用兩種不同的電壓來表示，然后送到線路上去傳輸。寬帶信號則是將基帶信號進(jìn)行調(diào)制后形成的頻分復(fù)用模擬信號。,兩種連接方式1.點(diǎn)到點(diǎn)連接,點(diǎn)對點(diǎn)的連接就是在發(fā)送端和接收端之間采用一條線路連接，使用的線路可以是專用線路、租用線路或交換線路。使用租用或交換線路的連接方式，適合于在地理上比較分散的站點(diǎn)之間傳輸數(shù)據(jù)，比如通過公用電話交換網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)-點(diǎn)的連接。圖2-7點(diǎn)到點(diǎn)連接方式,2.多點(diǎn)連接,多點(diǎn)線路連接是指各個(gè)站點(diǎn)通過一條公共通信線路進(jìn)行連接。在多點(diǎn)線路連接方式中，一條線路被所有的站點(diǎn)共享，若所有的站點(diǎn)同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)，則這條線路在空間上是共享的，通常采用頻分復(fù)用或波分復(fù)用技術(shù)傳輸數(shù)據(jù)；若所有的站點(diǎn)輪流使用線路發(fā)送數(shù)據(jù)，那么它在時(shí)間上是共享的，通常采用時(shí)分復(fù)用技術(shù)傳輸數(shù)據(jù)。,圖2-8多點(diǎn)連接,2.2.3信道的極限容量,Nyquist定理：（理想）Nyquist證明：對于一個(gè)帶寬為H的連續(xù)信號，如果要對其進(jìn)行數(shù)字化，采樣速度為2H。Nyquist推導(dǎo)出無噪聲帶寬為H的有限帶寬信道的最大數(shù)據(jù)傳輸率：Rmax=2Hlog2V(bps)其中V為采樣值的量化等級。例子：一個(gè)無噪聲帶寬為3000HZ的信道不能傳送速率超過6000比特/秒的二進(jìn)制數(shù)字信號。,任何實(shí)際的信道都不是理想的，在傳輸信號時(shí)會(huì)產(chǎn)生各種失真以及帶來多種干擾。碼元傳輸?shù)乃俾试礁?，或信號傳輸?shù)木嚯x越遠(yuǎn)，在信道的輸出端的波形的失真就越嚴(yán)重。,Shannon定理,Shannon推導(dǎo)：對于帶寬為WHz，信噪比為S/N的有噪聲信道，其最大數(shù)據(jù)傳輸率Rmax為：C=Wlog2(1+S/N)(bps)信號功率與噪聲功率的比值稱為信噪比(Signal-to-NoiseRatio)。通常并不使用信噪比本身，而是使用10log10S/N，其單位為分貝(dB)。如果信號的S/N為10，則是10dB；如果S/N為100，則是20dB。,香農(nóng)公式表明,信道的帶寬或信道中的信噪比越大，則信息的極限傳輸速率就越高。只要信息傳輸速率低于信道的極限信息傳輸速率，就一定可以找到某種辦法來實(shí)現(xiàn)無差錯(cuò)的傳輸。若信道帶寬W或信噪比S/N沒有上限（當(dāng)然實(shí)際信道不可能是這樣的），則信道的極限信息傳輸速率C也就沒有上限。實(shí)際信道上能夠達(dá)到的信息傳輸速率要比香農(nóng)的極限傳輸速率低不少。,波特與比特率的關(guān)系,1、波特率信號每秒鐘變化的次數(shù)用于描述載波(Carrier)信號2、比特率信號每秒鐘傳輸?shù)亩M(jìn)制位數(shù)與信號的狀態(tài)數(shù)有關(guān)3、兩者的關(guān)系,請注意,對于頻帶寬度已確定的信道，如果信噪比不能再提高了，并且碼元傳輸速率也達(dá)到了上限值，那么還有辦法提高信息的傳輸速率。這就是用編碼的方法讓每一個(gè)碼元攜帶更多比特的信息量。,練習(xí),（1）話音級線路的帶寬約為3.1kHz，信號由2個(gè)離散等級組成，根據(jù)奈奎斯特定理計(jì)算的信道最大數(shù)據(jù)傳輸率為多少？（2）若信道帶寬W=3.1kHz，S/N=2000，則信道最大數(shù)據(jù)傳輸率為多少？（3）Ifabinarysignalissentovera3-kHzchannelwhosesignal-to-noiseratiois20dB,whatisthemaximumachievabledatarate?,6200b/s,34kb/s,21kb/s,作業(yè),P1493、8,教學(xué)總結(jié)：本講主要講解物理層的基本概念、數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)知識和兩個(gè)極限速率理論。下一講講解編碼與調(diào)制技術(shù)。,