第3章 物理层1
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调制 解调 数据解码 信息解码
编码：数据→适合传输的数字信号——便于同步、识别、纠错 调制：数字信号→适合传输的形式——按频率、幅度、相位 解调：接收波形→数字信号 解码：数字信号→原始数据
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16
• 不同类型的信号在不同类型的信道上传输 有4种情况： 数据：模拟数据 数字数据
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11
4．通信方式（领会）
• 串行数据通信的方向性结构有三种，即单 工、半双工和全双工。
数据流
发送 设备
通信连接 (a) 单工
接收 设备
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12
3.3.2模拟数据通信和数字数据通信
• 数据——传输信息的实体，可定义为有意 义的实体，它涉及事物的存在形式。数据 可分为模拟数据和数字数据两大类（识记） • 信号——是数据的具体物理表现形式，是 数据的电子或电磁编码。信号也可分为模 拟信号和数字信号（识记）
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34
位同步和群同步（领会）
• 群同步传输的每个字符可由下列四部分组成：
1位起始位，以逻辑“0”表示； 5~8位数据位，既要传输的字符内容； 1位奇/偶校验位，用于检错，该部分可以不选； 1~2位停止位，以逻辑“1”表示，用作字符间 的间隔。
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35
2．模拟数据的数字信号编码
B=2·H (Baud)
• H是信道的带宽，也称频率范围，即信道能 传输的上、下限频率的差值，单位为Hz。 • 由此可推出表征信道数据传输能力的奈奎 斯特公式
C=2·H·log2N
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(bps)
7
2．信道容量（综合应用）
• 实际的信道总要受到各种噪声的干扰，香 农则进一步研究了受随机噪声干扰的信道 情况，给出了计算信道容量的香农公式：
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25
3.3.4异步传输和同步传输
• 异步传输
即群同步传输，一次只传输一个字符（由5～8 位数据组成）。每个字符用一位起始位引导。 一位停止位结束。起始位为“O”，占一位时间； 停止位为“1”，占1到2位的持续时间。
• 同步传输
同步传输时，为使接收方能判定数据块的开始 和结束，还须在每个数据块的开始处和结束处 各加一个帧头和一个帧尾，加有帧头、帧尾的 数据称为一帧。帧头和帧尾的特性取决于数据 块是面向字符的还是面向位的。
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4．通信方式（领会）
• 通信有两种基本方式，即串行方式和并行 方式。
并行通信——一组数据的各数据位在多条线路 上同时被传输。其特点为各数据位同时传输， 传输速度快、效率高，多用于实时、快速的场 合。
02:03:57
10
4．通信方式（领会）
• 并行通信——在传输中只有1个数据位在设备之间 进行传输，即使用一条数据线，将数据一位一位 地依次传输，只需要少数几条线就可以在系统间 交换信息，用于距离较远的通信。
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13
• 模拟信号
时间上连续，包含无穷多个信号值；
• 数字信号
时间上离散，仅包含有限数目的信号值。
t t
a） 模拟信号
b） 数字信号
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14
• 信息编码：将信息用二进制数表示的方法
例如：ASCII编码、BCD编码等
• 数据编码：将数据用物理量表示的方法
例如：字符“A”的ASCII编码为01000001，其数 据编码可能为
3
信号传输速率（简单应用）
• 信号传输速率，也称码元速率、调制速率 或波特率，单位为波特率。信号传输速率 表示单位时间内通过信道传输的码元个数 ，也就是信号经调制后的传输速率。若信 号码元的宽度为T秒，则码元速率定义为：
B=(1/T) (Baud)
• 调制速率和数据传输速率的关系
R=B·log2N (bps)
第三章 物理层
主讲老师：李维
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1
3.3 数据通信技术 3.3.1通信信道
• 数据通信的任务是传输数据信息，希望达 到传输速度快、出错率低、信息量大、可 靠性高，并且既经济又便于使用维护。这 些要求可以用下列技术指标加以描述。
数据传输速率 信道容量 误码率 通信方式
02:03:57 2
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3.4 数据编码
• 数字数据的数字信号编码（领会） • 数字信号可以直接采用基带传输，所谓基 带就是指表示二进位制比特序列的矩形脉 冲信号所占的固有频带，称为基本频带 （简称基带）。 • 基带传输就是在线路中直接传送数字信号 的电脉冲，这是一种最简单的传输方式， 近距离通信的局域网都采用基带传输。
1．数据传输速率（简单应用）
• 所谓数据传输速率，是指每秒能传输的 二进制信息位数，单位为位／秒，记为 bps或b/s，它可由下式确定： R=(1/T).log2N(bps)
式中T为一个数字脉冲信号的宽度,单位为秒。
N为一个码元所取的有效离散值个数,也称调 制电平数,N一般取2的整数次方值。
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0 1 0 0 0 0 0 1 t
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• 信息通过数据通信系统进行传输的过程（领会）
把携带信息的数据用物理信号形式通过信道传送到目的地
• 信息和数据（二进制位）不能直接在信道上传输
“A” 01000001 01000001 “A”
信道 信息→数据→信号→在信道上传输→信号→数据→信息 信息编码 数据编码
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3．误码率（识记）
• 误码率是衡量数据通信系统在正常工作情况下 的工作情况下的传输可靠性的指标，它定义为 二进制数据传输出错的概率。设传输的二进制 数据总数为N位，其中出错的位数为Ne，则误 码率表示为： Pe= Ne/N • 计算机网络中，一般要求误码率低于10-9，即 平均每传输109位数据仅允许错一位。若误码率 达不到这个指标，可以通过差错控制方法进行 检错和纠错。
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33
位同步和群同步（领会）
• 群同步 • 又称异步传输，是指传输的信息被分成若 干“群”。数据传输过程中，字符可顺序 出现在比特流中，字符间的间隔时间是任 意的，但字符内各个比特用固定的时钟频 率传输。字符间的异步定时与字符内各个 比特间的同步定时，是群同步即异步传输 的特征。
或
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B=R/log2N(bps) (Baud)
4
应用案例
• 采用四相调制方式，即N=4，且T=833×10-6 秒则可求出数据传输率为：
1 1 R log 2 N log 2 4 2400 -6 T 833 10 (bps)
• 而调制速率为：
1 1 B 1200 -6 T 833 10 ( Baud)
C=H*log2(1+S/N) 其中，S表示信号功率，N为噪声功率，S/N则 为信噪比，实际中常用10log10(S/N) 来表示， 单位为分贝（dB）。
• 例如，信噪比为30dB，带宽为3KHz的信 道最大数据传输速率为：
R 3K log 2 (1 10 30 /10 ) 3K log 2 (1 1001) 30( Kbps)
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模拟数据的数字信号编码（简单应用）
• PCM编码：
采样：以采样频率Fs把模拟信号的值采出； 量化：是连续模拟信号变为时间轴上的离散值， 把采样的值按量级“取整”得到的就是一个不 连续的值； 编码：将离散值编成一定位数的二进制数码。 编码后的信号称为PCM信号（ Pulse Coded Modulation，脉码调制）。
• 对模拟数据进行数字信号编码的最常用的 方法是脉码调制PCM，它常用于对声音信号 进行编码。脉码调制是以采样定理为基础 的。 • 信号数字化的转换过程可包括采样、量化 和编码三个步骤。
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模拟数据的数字信号编码
• 脉码调制PCM • 脉码调制是以采样定理为基础，对连续变化的 模拟信号进行周期性采样，利用大于有效信号 最高频率或其带宽２倍的采样频率，通过低通 滤波器从这些采样中重新构造出原始信号。 • 采样定理表达公式: Fs(=1/Ts)≥2Fmax或Fs≥2Bs 式中 Ts为采样周期 Fs为采样频率 Fmax为原始信号的最高频率 Bs(=Fmax-Fmin)为原始信号的带宽
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23
• 波分复用WDM——光的频分复用（领会）
原理：在发送端有n条光纤汇合到一个组合器 中，被组合到一条共享的光纤上，传输到远处 的目的端。在远端又被分离器分离到与发送端 一样多的n条光纤上。
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24
3.3.4异步传输和同步传输（领会）
• 通信过程中收、发双方必须在时间上保持 同步，一方面码元之间要保持同步，另一 方面由码元组成的字符或数据块之间在起 止时间上也要保持同步。 • 实现字符或数据块之间在起止时间上同步 的常用方法有异步传输和同步传输两种。
位同步和群同步（领会）
• 在计算机通信与网络中，广泛采用的同步 方法有位同步和群同步两种。 • 1)位同步 位同步又称同步传输，它是使接收端 对每一位数据都要和发送端保持同步。实 现位同步的方法可分为外同步法和自同步 法两种。
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30
位同步和群同步（领会）
• 在外同步法中，接收端的同步信号事先由 发送端送来，而不是自己产生也不是从信 号中提取出来。 • 即在发送数据之前，发送端先向接收端发 出一串同步时钟脉冲，接收端按照这一时 钟脉冲频率和时序锁定接收端的接收频率， 以便在接收数据的过程中始终与发送端保 持同步。
模拟信号
s(t) g(t) 模拟信道
Demodulator
解调制 接收方
数字或 模拟数据
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20
3.3.3多路复用技术（识记）
• 频分多路复用FDM和时分多路复用TDM是两 种最常用的多路复用技术。对于光纤信道， 还使用频分多路复用的一个变种称为波分 多路复用WDM。
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21
02:03:57
5
2．信道容量（综合应用）
• 信道容量表征一个信道传输数据的能力， 单位也用位／秒(bps)。信道容量与数据传 输速率的区别在于，前者表示信道的最大 数据传输速率，是信道传输速率数据能力 的极限，而后者则表示实际的数据传输速 率。
02:03:57
6
2．信道容量（综合应用）
• 奈奎斯特首先给出了无噪声情况下码元速 率的极限值B与信息带宽H的关系：
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31
位同步和群同步（领会）
• 自同步法是指能从数据信号波形中提取同 步信号的方法。典型例子就是著名的曼彻 斯特编码，常用于局域网传输。 • 在曼彻斯特编码中，每一位的中间有一跳 变，位中间的跳变既作时钟信号，又作数 据信号；从高到低跳变表示"1"，从低到高 跳变表示"0"。 • 在差分曼彻斯特编码中，每位中间的跳变 仅提供时钟定时，而用每位开始时有无跳 变表示"0"或"1"，有跳变为"0"，无跳变为 "1"
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a)单极性脉冲
b)双极性脉冲
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28
c)单极性归零脉冲 与单极性不归零码的区别是：“1”码发送的是窄脉冲，发完 后归到零电平。
Hale Waihona Puke Baidu
d)双极性归零脉冲 与双极性不归零码的区别是：两种信号波形发送的都是窄脉 冲，发完后归到零电平。
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e)交替双极性归零脉冲
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信号：模拟信号 数字信号
信道：模拟信道 数字信道
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• 模拟传输和数字传输所使用的技术
模拟数据，模拟信号 语音 模拟 模拟数据，数字信号
移频,调制
模拟
PCM编码
数字
数字数据，模拟信号 数字 1010
调制
数字数据，数字信号 1010 数字
数字编码
模拟
数字
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18
• 编码与调制的区别
编码：用数字信号承载数字或模拟数据 调制：用模拟信号承载数字或模拟数据
编码与解码
x(t) g(t)
数字或 模拟数据
数字信号 g(t) Decoder
解码
Encoder
编码
数字信道
数字或 模拟数据
发送方
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接收方
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调制与解调
载波 g(t)
Modulator 数字或 模拟数据
调制 发送方
• 频分复用FDM（领会）
原理：整个传输频带被划分为若干个频率通道， 每路信号占用一个频率通道进行传输。每路信 号以不同的载波频率进行调制，而且各个载波 频率是完全独立的，频率通道之间留有防护频 带以防相互干扰。
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22
• 时分复用TDM（领会）
原理：把物理信道的传输时间分割成若干个小 的时间片，每个用户在分得的一个时间片，在 其占有的时间片里，用户使用通信信道的全部 带宽。TDM在通信网络中应用极为广泛。
编码：数据→适合传输的数字信号——便于同步、识别、纠错 调制：数字信号→适合传输的形式——按频率、幅度、相位 解调：接收波形→数字信号 解码：数字信号→原始数据
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• 不同类型的信号在不同类型的信道上传输 有4种情况： 数据：模拟数据 数字数据
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4．通信方式（领会）
• 串行数据通信的方向性结构有三种，即单 工、半双工和全双工。
数据流
发送 设备
通信连接 (a) 单工
接收 设备
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3.3.2模拟数据通信和数字数据通信
• 数据——传输信息的实体，可定义为有意 义的实体，它涉及事物的存在形式。数据 可分为模拟数据和数字数据两大类（识记） • 信号——是数据的具体物理表现形式，是 数据的电子或电磁编码。信号也可分为模 拟信号和数字信号（识记）
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位同步和群同步（领会）
• 群同步传输的每个字符可由下列四部分组成：
1位起始位，以逻辑“0”表示； 5~8位数据位，既要传输的字符内容； 1位奇/偶校验位，用于检错，该部分可以不选； 1~2位停止位，以逻辑“1”表示，用作字符间 的间隔。
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2．模拟数据的数字信号编码
B=2·H (Baud)
• H是信道的带宽，也称频率范围，即信道能 传输的上、下限频率的差值，单位为Hz。 • 由此可推出表征信道数据传输能力的奈奎 斯特公式
C=2·H·log2N
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2．信道容量（综合应用）
• 实际的信道总要受到各种噪声的干扰，香 农则进一步研究了受随机噪声干扰的信道 情况，给出了计算信道容量的香农公式：
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3.3.4异步传输和同步传输
• 异步传输
即群同步传输，一次只传输一个字符（由5～8 位数据组成）。每个字符用一位起始位引导。 一位停止位结束。起始位为“O”，占一位时间； 停止位为“1”，占1到2位的持续时间。
• 同步传输
同步传输时，为使接收方能判定数据块的开始 和结束，还须在每个数据块的开始处和结束处 各加一个帧头和一个帧尾，加有帧头、帧尾的 数据称为一帧。帧头和帧尾的特性取决于数据 块是面向字符的还是面向位的。
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4．通信方式（领会）
• 通信有两种基本方式，即串行方式和并行 方式。
并行通信——一组数据的各数据位在多条线路 上同时被传输。其特点为各数据位同时传输， 传输速度快、效率高，多用于实时、快速的场 合。
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4．通信方式（领会）
• 并行通信——在传输中只有1个数据位在设备之间 进行传输，即使用一条数据线，将数据一位一位 地依次传输，只需要少数几条线就可以在系统间 交换信息，用于距离较远的通信。
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• 模拟信号
时间上连续，包含无穷多个信号值；
• 数字信号
时间上离散，仅包含有限数目的信号值。
t t
a） 模拟信号
b） 数字信号
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• 信息编码：将信息用二进制数表示的方法
例如：ASCII编码、BCD编码等
• 数据编码：将数据用物理量表示的方法
例如：字符“A”的ASCII编码为01000001，其数 据编码可能为
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信号传输速率（简单应用）
• 信号传输速率，也称码元速率、调制速率 或波特率，单位为波特率。信号传输速率 表示单位时间内通过信道传输的码元个数 ，也就是信号经调制后的传输速率。若信 号码元的宽度为T秒，则码元速率定义为：
B=(1/T) (Baud)
• 调制速率和数据传输速率的关系
R=B·log2N (bps)
第三章 物理层
主讲老师：李维
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1
3.3 数据通信技术 3.3.1通信信道
• 数据通信的任务是传输数据信息，希望达 到传输速度快、出错率低、信息量大、可 靠性高，并且既经济又便于使用维护。这 些要求可以用下列技术指标加以描述。
数据传输速率 信道容量 误码率 通信方式
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3.4 数据编码
• 数字数据的数字信号编码（领会） • 数字信号可以直接采用基带传输，所谓基 带就是指表示二进位制比特序列的矩形脉 冲信号所占的固有频带，称为基本频带 （简称基带）。 • 基带传输就是在线路中直接传送数字信号 的电脉冲，这是一种最简单的传输方式， 近距离通信的局域网都采用基带传输。
1．数据传输速率（简单应用）
• 所谓数据传输速率，是指每秒能传输的 二进制信息位数，单位为位／秒，记为 bps或b/s，它可由下式确定： R=(1/T).log2N(bps)
式中T为一个数字脉冲信号的宽度,单位为秒。
N为一个码元所取的有效离散值个数,也称调 制电平数,N一般取2的整数次方值。
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0 1 0 0 0 0 0 1 t
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• 信息通过数据通信系统进行传输的过程（领会）
把携带信息的数据用物理信号形式通过信道传送到目的地
• 信息和数据（二进制位）不能直接在信道上传输
“A” 01000001 01000001 “A”
信道 信息→数据→信号→在信道上传输→信号→数据→信息 信息编码 数据编码
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3．误码率（识记）
• 误码率是衡量数据通信系统在正常工作情况下 的工作情况下的传输可靠性的指标，它定义为 二进制数据传输出错的概率。设传输的二进制 数据总数为N位，其中出错的位数为Ne，则误 码率表示为： Pe= Ne/N • 计算机网络中，一般要求误码率低于10-9，即 平均每传输109位数据仅允许错一位。若误码率 达不到这个指标，可以通过差错控制方法进行 检错和纠错。
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位同步和群同步（领会）
• 群同步 • 又称异步传输，是指传输的信息被分成若 干“群”。数据传输过程中，字符可顺序 出现在比特流中，字符间的间隔时间是任 意的，但字符内各个比特用固定的时钟频 率传输。字符间的异步定时与字符内各个 比特间的同步定时，是群同步即异步传输 的特征。
或
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B=R/log2N(bps) (Baud)
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应用案例
• 采用四相调制方式，即N=4，且T=833×10-6 秒则可求出数据传输率为：
1 1 R log 2 N log 2 4 2400 -6 T 833 10 (bps)
• 而调制速率为：
1 1 B 1200 -6 T 833 10 ( Baud)
C=H*log2(1+S/N) 其中，S表示信号功率，N为噪声功率，S/N则 为信噪比，实际中常用10log10(S/N) 来表示， 单位为分贝（dB）。
• 例如，信噪比为30dB，带宽为3KHz的信 道最大数据传输速率为：
R 3K log 2 (1 10 30 /10 ) 3K log 2 (1 1001) 30( Kbps)
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模拟数据的数字信号编码（简单应用）
• PCM编码：
采样：以采样频率Fs把模拟信号的值采出； 量化：是连续模拟信号变为时间轴上的离散值， 把采样的值按量级“取整”得到的就是一个不 连续的值； 编码：将离散值编成一定位数的二进制数码。 编码后的信号称为PCM信号（ Pulse Coded Modulation，脉码调制）。
• 对模拟数据进行数字信号编码的最常用的 方法是脉码调制PCM，它常用于对声音信号 进行编码。脉码调制是以采样定理为基础 的。 • 信号数字化的转换过程可包括采样、量化 和编码三个步骤。
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模拟数据的数字信号编码
• 脉码调制PCM • 脉码调制是以采样定理为基础，对连续变化的 模拟信号进行周期性采样，利用大于有效信号 最高频率或其带宽２倍的采样频率，通过低通 滤波器从这些采样中重新构造出原始信号。 • 采样定理表达公式: Fs(=1/Ts)≥2Fmax或Fs≥2Bs 式中 Ts为采样周期 Fs为采样频率 Fmax为原始信号的最高频率 Bs(=Fmax-Fmin)为原始信号的带宽
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• 波分复用WDM——光的频分复用（领会）
原理：在发送端有n条光纤汇合到一个组合器 中，被组合到一条共享的光纤上，传输到远处 的目的端。在远端又被分离器分离到与发送端 一样多的n条光纤上。
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3.3.4异步传输和同步传输（领会）
• 通信过程中收、发双方必须在时间上保持 同步，一方面码元之间要保持同步，另一 方面由码元组成的字符或数据块之间在起 止时间上也要保持同步。 • 实现字符或数据块之间在起止时间上同步 的常用方法有异步传输和同步传输两种。
位同步和群同步（领会）
• 在计算机通信与网络中，广泛采用的同步 方法有位同步和群同步两种。 • 1)位同步 位同步又称同步传输，它是使接收端 对每一位数据都要和发送端保持同步。实 现位同步的方法可分为外同步法和自同步 法两种。
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位同步和群同步（领会）
• 在外同步法中，接收端的同步信号事先由 发送端送来，而不是自己产生也不是从信 号中提取出来。 • 即在发送数据之前，发送端先向接收端发 出一串同步时钟脉冲，接收端按照这一时 钟脉冲频率和时序锁定接收端的接收频率， 以便在接收数据的过程中始终与发送端保 持同步。
模拟信号
s(t) g(t) 模拟信道
Demodulator
解调制 接收方
数字或 模拟数据
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3.3.3多路复用技术（识记）
• 频分多路复用FDM和时分多路复用TDM是两 种最常用的多路复用技术。对于光纤信道， 还使用频分多路复用的一个变种称为波分 多路复用WDM。
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2．信道容量（综合应用）
• 信道容量表征一个信道传输数据的能力， 单位也用位／秒(bps)。信道容量与数据传 输速率的区别在于，前者表示信道的最大 数据传输速率，是信道传输速率数据能力 的极限，而后者则表示实际的数据传输速 率。
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2．信道容量（综合应用）
• 奈奎斯特首先给出了无噪声情况下码元速 率的极限值B与信息带宽H的关系：
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位同步和群同步（领会）
• 自同步法是指能从数据信号波形中提取同 步信号的方法。典型例子就是著名的曼彻 斯特编码，常用于局域网传输。 • 在曼彻斯特编码中，每一位的中间有一跳 变，位中间的跳变既作时钟信号，又作数 据信号；从高到低跳变表示"1"，从低到高 跳变表示"0"。 • 在差分曼彻斯特编码中，每位中间的跳变 仅提供时钟定时，而用每位开始时有无跳 变表示"0"或"1"，有跳变为"0"，无跳变为 "1"
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a)单极性脉冲
b)双极性脉冲
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c)单极性归零脉冲 与单极性不归零码的区别是：“1”码发送的是窄脉冲，发完 后归到零电平。
Hale Waihona Puke Baidu
d)双极性归零脉冲 与双极性不归零码的区别是：两种信号波形发送的都是窄脉 冲，发完后归到零电平。
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e)交替双极性归零脉冲
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信号：模拟信号 数字信号
信道：模拟信道 数字信道
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• 模拟传输和数字传输所使用的技术
模拟数据，模拟信号 语音 模拟 模拟数据，数字信号
移频,调制
模拟
PCM编码
数字
数字数据，模拟信号 数字 1010
调制
数字数据，数字信号 1010 数字
数字编码
模拟
数字
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• 编码与调制的区别
编码：用数字信号承载数字或模拟数据 调制：用模拟信号承载数字或模拟数据
编码与解码
x(t) g(t)
数字或 模拟数据
数字信号 g(t) Decoder
解码
Encoder
编码
数字信道
数字或 模拟数据
发送方
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接收方
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调制与解调
载波 g(t)
Modulator 数字或 模拟数据
调制 发送方
• 频分复用FDM（领会）
原理：整个传输频带被划分为若干个频率通道， 每路信号占用一个频率通道进行传输。每路信 号以不同的载波频率进行调制，而且各个载波 频率是完全独立的，频率通道之间留有防护频 带以防相互干扰。
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• 时分复用TDM（领会）
原理：把物理信道的传输时间分割成若干个小 的时间片，每个用户在分得的一个时间片，在 其占有的时间片里，用户使用通信信道的全部 带宽。TDM在通信网络中应用极为广泛。