第3章 物理层(1)讲解

供数据传输服务。

传输介质与信号编码的关系
根据所使用传输介质的不同，制定相应的物理层协议，
规定数据信号编码方式、传输速率，以及相关的通信参 数。

设置物理层的目的 物理层考虑的是怎样才能在连接各种 屏蔽物理层采用的传输介质、通信设备与通信技术的差 计算机的传输媒体上传输比特流，而 异性，使上层只需考虑如何使用物理层的服务，而不需 要考虑物理层的功能具体是如何实现的。 不是指具体的传输媒体。 屏蔽差异，为数据链路层服务。
同步传输：每组字符前加上同步字符SYN。
字符的最后一位加1或2位终止位“逻辑0”。
目 录
1 物理层基本概念 2 数据通信系统模型 3 数据编码技术
4 信道的极限容量
5 物理层下的传输媒体
数据编码技术
模拟信号 计算机的 二进制数据 数字信号 数字 数据 编码 外同步编码 非归零码 曼彻斯特编码 差分曼彻斯特编码 模拟 数据 编码 振幅键控ASK 移频键控FSK 移相键控PSK
例：正交振幅调制 QAM
(Quadrature Amplitude Modulation)
(r, ) r
可供选择的相位有 12 种，而对 于每一种相位有 1 或2 种振幅 可供选择。 由于4 bit 编码共有16 种不同的 组合，因此这 16 个点中的每个 点可对应于一种 4 bit 的编码。
对计算机系统而言，所有能用计算机进行编码和通信的
符号都属于数据。或者说是在计算机中被传输的二进制 代码称为数据。

数据和信息的区别： 信息转换为数据需要编码：如 ASCII、 数据是独立的，是尚未组织起来的符号的集合； GB2312: 简体中文编码、 BIG5: 繁体中文 信息则是按照一定要求以一定格式组织起来的。 编码。
b0 数据 (a)非归零码 0 b1 1 b2 0 b3 0 b4 1 b5 0 b6 1 b7 1
同步时钟
(b)曼彻斯特编码
(c)差分曼彻斯特编码
非归零编码


非归零电平编码 （NRZ-L），信号的电平是根据 它所代表的比特位决定的。 非归零反相编码（NRZ-I），码元开始时信号电平 一次反转代表比特1，没有变化的信号代表0。
若每一个码元可表示的比特数越多，则在接 收端进行解调时要正确识别每一种状态就越 困难。
波特率与比特率的关系

调制速率，也称为波特率：描述模拟数据信号传输 过程中调制解调器每秒钟载波调制状态改变的数值， 称为波特(baud)。
即每秒钟传送多少个码元。

数据传输速率S（单位为bps）与调制速率B（单位 为baud）之间关系可以表示为：
输 入 信 息
源点
输 入 数 据
发送器
发送 的信号
接收 的信号
接收器 输 出 数 据
终点 输 出 信 息
信息、数据与信号（1）

信息 (Information) ：是指人们对客观现实世界事 物的存在方式或运动状态的某种认识。
“传递给某人的事情和消息”，“所知道的知识”，
“交流的知识”等。

数据(Data)：信息的表达形式。
50

光缆
单模光纤 多模光纤
双绞线（Twisted Pair）的主要特征

TP由按规则螺旋结构排列的2根、4根或8根 绝缘导线组成。
螺旋排列的目的是使各线对之间的电磁干扰最
小。

双绞线按其外部包缠的外皮材料不同可分 为：
无屏蔽双绞线 UTP 屏蔽双绞线 屏蔽双绞线（ shielded TP ，STP） STP 非屏蔽双绞线（unshielded TP，UTP）
信息、数据与信号（2）
——数据的电气的或电磁的表现。 “模拟的”(analogous) ——代表消息的参数的取值 v(t) 是连续的。 “数字的”(digital) ——代表消息的参数的取值是 t 离散的。 无论是数据或信号，都可是模拟的也可是数字的。 (a)模拟信号
信号(signal)
实际的信道 （带宽受限、有噪声、干扰和失真）

发送信号波形
接收信号波形
有失真，但可识别
失真大，无法识别
实际的信道 （带宽受限、有噪声、干扰和失真） 发送信号波形
接收信号波形
奈奎斯特准则
1924年，奈奎斯特推导出具有理想低通矩形
特性的信道在无噪声情况下的最高速率与带 宽关系的公式： 最大数据传输率RMAX = 2B (b/s)
1 0
1
时间
双相位编码


信号在每比特间隙中发生改变但并不归零。
曼切斯特编码：在每个 比特间隙中间的跃迁来 同时代表不同比特和同 步信息。
1：一个负电平到正电
• 差分曼切斯特编码： 比特间隙跃迁用于携 带同步信息，开始位 置是否有跃迁代表比 特。
– 1：没有跳变。 – 0：有跳变。
平跳变。 0：一个正电平到负电 平跳变。
的一些常用技术；
掌握信道、信号、码元、波特、编码与调制、
解调等基本概念。 了解常见的传输媒体。

本节难点
奈奎斯特准则与香农定理。
目 录
1 物理层基本概念
2 数据通信系统模型
3 数据编码技术
4 信道的极限容量
5 物理层下的传输媒体
物理层的基本服务功能

物理层与数据链路层的关系
保证比特流通过传输介质的正确传输，为数据链路层提
调频 移动 无线电 无线电 电视
LF
MF
HF
VHF UHF SHF
EHF THF
导向传输媒体（有线传输）

双绞线
屏蔽双绞线
STP (Shielded Twisted Pair) 无屏蔽双绞线 UTP (Unshielded Twisted Pair)

同轴电缆
同轴电缆 75 同轴电缆
b7 b7 特点：并行传输的优点是速度快，但发送端与接 发送端 接收端 收端之间有若干条线，导致费用高 (b)
b0 b
并
b0 b
发送 接收

数据通信方式
----单工、半双工、全双工 发送
双向通道
接收
按照信号传送方向与时间的关系，可以分成：
发送 接收 双向交替通信（半双工通信）：通信的双方都可以 双向通道 发送 单向通道 接收 发送信息，但不能双方同时发送 (当然也就不能同 (a) 接收 发送

即前T/2反码，后T/2传 送原码
振幅 0 1
0 0 0 1
1 1 1 0
曼切斯特编码 时间
差分曼切斯特 编码 时间
目 录
1 物理层基本概念
2 数据通信系统模型
3 数据编码技术
4 信道的极限容量 5 物理层下的传输媒体
4 信道的极限容量

任何实际的信道都不是理想的，在传输信号时 会产生各种失真以及带来多种干扰。 码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远， 在信道的输出端的波形的失真就越严重。
v(t)
v(t)
数据转换为信号需要编码：如曼彻斯特编 t 码、差分曼彻斯特编码，不归零码等。
(a)模拟信号 v(t)
t
(b)数字信号
发送端
数据通信方式 串行通信信道
b7 b6 b5 b4 b3 b2 b1 b0 接收端
---串行与并行传输 (a)


串行传输：数据流以串行方式在一条信道上传输叫 发送端 接收端 串行传输。 b0 b0 一般在远程通信中，人们采用串行通信方式。 并 b1 b1 行 并行传输：数据以成组的方式在多个并行信道上同 b2 b2 b7 b6 b5 b4 b3 b2 b1 b0 通 b b3 时进行传输叫并行传输。 3 发送端 接收端 信 b4 b4 每次同时传输一个字节（ 串行通信信道 信 8位）。 b5 b5 道 计算机内部的通信通常是并行传输。 b6 b6 (a)
其中，B表示理想信道带宽。
例如：对于二进制数据，如果信道带宽
B=3kHz，则最大数据传输速率为6000bps。
香农定理
1948年，香农(Shannon)用信息论的理论推
导出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道 的极限、无差错的信息传输速率： 最大数据传输率 RMAX = B log2(1+S/N) (b/s) 其中，B为带宽，S/N为信噪比。
物理层基本概念

物理层的主要任务为确定与传输媒体的接口有 关的一些特性：
机械特性
电气特性
指明接口所用接线器的形状和尺寸、引 线数目和排列、固定和锁定装置等等。
指明在接口电缆的各条线上出现的电压
的范围。
功能特性 过程特性
指明某条线上出现的某一电平的电压表 示何种意义。 指明对于不同功能的各种可能事件的出 现顺序。
S=B· log2k（k为多相调制的相数） 调 制 速 率 （ baud ） 多相调制的相数 1200 1200 1200 1200 二相调制（k=2） 四相调制（k=4） 八相调制（k=8） 数据传输速率（bps） 1200 2400 3600
十六相调制 （ k=16 ） 4800
数字数据编码方法

注意：
信噪比S/N通常以dB（分贝）数表示。若S/N=30(dB),那么
信噪比根据公式： S/N(dB)=10lg(S/N) 可得，S/N＝1000。若带宽B=3000Hz， 则Rmax= 3000* log2(1+1000) ≈30kbps。
比较
奈奎斯特准则描述了有限带宽、无噪声的理
振幅 0 1 0 0 1 1 1 0 时间
非归零 电平编码
非归零 反相编码
时间
下一比特为1发生跳变
归零编码


使用三个电平：正电平 （代表1）、负电平 （代表0）和零。 每个比特间隙中段，信 号归零。
振幅 0 1 0 0 1

一个良好的数字信号必 须携带同步信息。 缺点：每比特位需要两 次信号变化，增加了占 用的带宽。
102
104
106 无线电
108
1010
1012
1014
1016
1018
1020
1022
1024 射线
微波
红外线 可见光 紫外线
X射线
4 f (Hz) 10
105 双绞线
106
107 同轴电缆
108
109
Fra Baidu bibliotek
1010 卫星
1011 1012
1013
1014
1015
1016
光纤
地面微波
调幅 海事 无线电 无线电 波段
物理层协议的类型

基于点-点通信线路的物理层协议
EIA-232-C ADSL Cable
Modem

基于广播通信线路的物理层协议
最早的Ethernet是在公用总线的同轴电缆上用
广播的方式发送和接收数据。IEEE 802.3 无线网络采用广播方式发送和接收数据。IEEE 802.11
第3章 物理层（1）
主讲：赵玉娟 E-mail：zhaoyujuan@haut.edu.cn
上节知识回顾

数据交换方式
电路交换
报文交换 分组交换

计算机网络体系结构
分层、协议、OSI、TCP/IP
学习目标

学习目标
掌握物理层的基本概念；
数据通信的基础知识，模拟传输和数字传输
想信道的最大传输速率与信道带宽的关系。
香农定理则描述了有限带宽、有随机热噪声
信道的最大传输速率与信道带宽、信号噪声 功率比之间的关系。
目 录
1 物理层基本概念 2 数据通信系统模型 3 数据编码技术 4 信道的极限容量 5 物理层下面的传输媒体
物理层下面的传输媒体
电信领域使用的电磁波的频谱
0 f (Hz) 10
内同步编码
计算机内部 表示信息的 二进制数据
通信系统用 于表示二进 制数据类型
数据信号 编码类型
具体的数据编码方法
数据与数据编码方式的关系
模拟数据编码方法
0 基带信号 移幅键控 1 0 0 1 1 1 0 0
移频键控
移相键控
调制解调器的作用：实现数字信号和模拟信 号之间的转换。
模拟数据编码方法

目 录
1 物理层基本概念 2 数据通信系统模型 3 数据编码技术
4 信道的极限容量
5 物理层下的传输媒体
2 数据通信系统的模型
数据通信系统 输入 汉字 数字比特流 模拟信号 公用电话网 PC 机 调制解调器 源系统 调制解调器 PC 机 模拟信号 数字比特流 显示 汉字
传输系统
传输 系统
目的系统
为位同步和字符同步。

位同步：保证收发双方正确传输每一位（bit）的过 程。
外同步法：发送端发送一路数据信号的同时，另外发送

字符同步：8位为一个字符单元。保证收发双方正 Question ？
确传输字符的过程。
一路同步时钟信号。 内同步法：发送端发送的数据本身自含时钟编码。
-----常见的编码方式有哪些呢？ 异步传输：每个字符的第一位前加1位起始位“逻辑1”，
(b) 单向通信（单工通信）：只能有一个方向的通信而 没有反方向的交互。 发送 单向通道 接收
接收 发送
(a) 双向同时通信（全双工通信）：通信的双方可以同 (c) 发送 接收 双向通道 时发送和接收信息。
双向通道
发送 接收
时接收)。
接收
(b)
发送
数据通信方式----同步技术

概念：
同步是要求通信双方在时间基准上保持一致的过程。分