3物理层与数据通讲义信基础
数据通信基础(物理层)
2.2 数据通信的传输介质
信道是指以传输介质为为基础的信号通路，它是传输数据的物理基础。 有线传输介质：包括双绞线、同轴电缆和光纤。 无线传输介质：包括无线电、微波、卫星、移动通信等各种通信介质。 2.2.1 双绞线（twisted pair) 每一对双绞线由绞合在一起的相互绝缘的两根铜线组成，每根铜线的直径大约1mm。 减少电磁干扰，提高传输质量。电话线就是双绞线。 双绞线可以用于传输模拟传输或数字传输。 计算机局域网中经常使用的双绞线有屏蔽和非屏蔽之分。 屏蔽双绞线(STP，Shielded Twisted Pair)： 抗干扰性好，性能高，用于远程中继线时，最大距离可以达到十几公里。但成本也较高， 所以一直没有广泛使用。 非屏蔽双绞线(UTP，Unshielded Twisted Pair)： 非屏蔽双绞线的传输距离一般为100米由于它较好的性能价格比，目前被广泛使用。 非屏蔽双绞线有1、2、3、4、5五类，常用的是3类线和5类线，5类线既可支持 100Mbps的快速以太网连接，又可支持到150Mbps的ATM数据传输，是连接桌面设备的首选传输介质。
6、信道容量定理（香农定理） C=Blog(1+S/N) （B/s） R≦C 0000 0
并行传输(parallel)与串行传输(serial)
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并行传输：局域网 距离近，至少有8位数据同时传输，如图(a)。计算机内部的数据多是并行传输。
2.2.5 几种传输介质的比较
异步传输的工作原理是：每个字节作为一个单元独立传输，字节之间的传输间
1
2
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4
5
同步传输 (synchronous)
同步传输方式不是对每个字符单独进行同步，而是对一组字符组成的数据块进行同步。同步的方法不是加一位停止位，而是在数据块前面加特殊模式的位组合(如01111110)或同步字符(SYN)，并且通过位填充或字符填充技术保证数据块中的数据不会与同步字符混淆。
物理层_数据通信的基础知识
物理层2.1 数据通信的基础知识五层协议的体系结构应用层 运输层 网络层表示层会话层 数据链路层 物理层7 6 5 4 321OSI 的体系结构应用层 网络接口层网际层 IP (各种应用层协议如TELNET, FTP , SMTP 等) 运输层(TCP 或 UDP)TCP/IP 的体系结构应用层网络层 IP (各种应用层协议如TELNET, FTP , SMTP 等)运输层(TCP 或 UDP) 数据链路层 物理层54 3 2 1物理层的主要功能•在传输介质上为通信的网络结点建立、管理和释放物理连接；•实现透明的比特流的传输。
注意：✓物理层传输的数据单元是”0、1”比特；✓物理层不关心比特流里携带数据的信息，只关心比特流的正确传输。
物理层的特性1.机械特性指明接口所用接线器的形状和尺寸、引线数目和排列等等。
如RJ45水晶头的形状、尺寸、线对的排列顺序等等。
2.电气特性指明接口电缆的各条线上出现的电压的范围。
3.功能特性指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义。
4.规程特性指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。
2012年考研题：在物理层接口特性中，用于描述完成每种功能的事件发生顺序的是（）。
A. 机械特性B.电气特性C.功能特性D.规程特性2012年考研：在物理层接口特性中，用于描述完成每种功能的事件发生顺序的是（D ）。
A. 机械特性B.电气特性C.功能特性D.规程特性数据通信的几个术语•数据(data)——运送信息的实体。
◆模拟数据——数据的取值连续变化。
◆数字数据——数据的取值为不连续数值。
•信号——数据的电气的或电磁的表现，是数据的载体，是数据在传输介质上传输过程中的表示形式。
•数据通信——指在不同计算机之间传送表示字母、数字、符号的二进制代码0、1比特序列的模拟或数字信号的过程。
数据通信的几个术语◆模拟信号——代表数据的参数的取值是连续的，信号电平是连续变化的。
◆数字信号——代表数据的参数的取值是离散的。
第2章数据通信基础与物理层基础
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第2章数据通信基础与物理层基础
•一、基带传输的定义
• 基带信号：在数据通信中，表示计算机二进制比 特序列的矩形脉冲信号；
• 基带传输：在数字通信信道上，直接传送基带信 号的方法；
• 基带传输是当前一种最基本的数据传输方式；
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第2章数据通信基础与物理层基础
二、信号的频谱特性
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第2章数据通信基础与物理层基础
光纤
•1.工作原理：全反射；2.分类：单模光纤、多模光纤 •3.特点：高抗干扰性，高数据传输率，低误码率，安全保密性好。
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•幅移键控法
第2章数据通信基础与物理层基础
无线介质：无线电波、微波、红外线
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第2章数据通信基础与物理层基础
按照信号传送的方向与时间的关系分： 单工、半双工与全双工通信
PPT照数据的同步方式分： 同步通信与异步通信
• 同步技术: 要求通信的收发双方在时间基 准上保持一致.
• 数据通信的同步分为: 位同步----同步通信 字符同步----异步通信
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2．奈奎斯特定理描述了有限带宽、无噪声信道的最 大数据传输速率与信道带宽的关系。对于二进制电 平信号，若信道带宽B=3000Hz，则最大数据传输 速率为 A）300bps B）3000bps C）6000bps D） 2400bps
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第2章数据通信基础与物理层基础
2.3 传输介质 • 双绞线 • 同轴电缆 • 光纤 • 无线与卫星通信信道
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第2章数据通信基础与物理层基础
1.对于带宽为3KHz的信道,若用8种不同的物理状态 表示数据,信噪比为20分贝,问按奈奎斯特定理或香 农定理最大限制的数据传输速率是多少? 奈奎斯特定理: Rb =2H * log2 V （bps） 香农定理: Rb = H * log2（1+ S/N）（bps）
第2章：数据通信基础与物理层基础.pptx
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2.1 数据通信的基本概念
2.1.1 信息、数据与信号
1.信息 信息是对客观事物属性和特性的表征。它
反映了客观事物的存在形式与运动状态。 其载体可以是数字、文字、语音、视频和
图像等。
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2.数据 • 它是关于事件的一组离散的客观的事实描述，
是构成信息和知识的原始材料。 • 数据可分为模拟数据和数字数据两大类。 • 数据指计算机加工的“原料”，如图形、声音、
E、举例：一个无噪音的信道带宽为3kHz,传输四进 制（四电平）信号，它的最大传输速率为多少？
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Rb =2H * log2 V （bps）
要提高信息的传输速率，就必须设法使每一个码元能携 带更多个比特的信息量。这就需要采用多元制(又称为多 进制)的编码方法。
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香农（Shannon）定理
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4.信道 信道是信号从发送地传输到接收地的一个通路，
它一般由传输介质及相应的传输设备组成。 同一传输介质上可以有多条信道----多路复用
信道分类: 按传输介质分，可分为有线信道和无线信道。 按传输信号类型分，可分为模拟信道和数字信道。
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信道
数据通信系统模型
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2.1.2 数据传输方式
• 按照信号类型：
模拟通信、数字通信
• 按照一次传输的数据位数:
串行通信、并行通信
• 按照信号传送的方向与时间的关系
单工通信、半双工、全双工通信
• 按照数据的同步方式:
同步通信、异步通信
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按照信道传输信号类型分： 模拟通信与数字通信
数字通信系统与模拟通信系统相比有很多的优点：
①抗干扰能力强、无噪声积累。（使用转发器而不是放大器） ②便于加密处理。 ③便于存储、处理和交换。 ④设备便于集成化、微型化。
计算机网络 03 物理层数据通信技术基础
同步通信要求接收端时钟频率和发送端时钟频率一致。 发送端发送连续的比特流。 异步通信时不要求接收端时钟和发送端时钟同步。发送 端发送完一个字节后，可经过任意长的时间间隔再发送 下一个字节。
异步通信的通信开销较大，但接收端可使用廉价 的、具有一般精度的时钟来进行数据通信。
同步传输(Synchronous Transmission)以数据帧为单位传
香农公式表明
信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的 极限传输速率就越高。 只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速 率，就一定可以找到某种办法来实现无差错的 传输。 若信道带宽 W 或信噪比 S/N 没有上限（当然实 际信道不可能是这样的），则信道的极限信息 传输速率 C 也就没有上限。 实际信道上能够达到的信息传输速率要比香农 的极限传输速率低不少。
3.4 模拟传输与数字传输
3.4.1 模拟传输系统 *3.4.2 调制解调器 *3.4.3 数字传输系统
*3.5 信道复用技术
3.5.1 频分复用、时分复用和统计时分复用 3.5.2 波分复用 3.5.3 码分复用
*3.6 宽度接入技术 3.7 数据链路层概述
3.1 物理层的基本概念
物理层的主要任务描述为确定与传输媒体的接 口的一些特性，即：
*
3.2.4 信道的极限信息传输速率
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。 信道的极限信息传输速率 C 可表达为 C = W log2(1+S/N) b/s
W 为信道的带宽（以 Hz 为单位）； S 为信道内所传信号的平均功率； N 为信道内部的高斯噪声功率。
数据通信基础与物理层
（2）调频（FM） 即载波的频率随基带数字信号而变化。例如，0对应于频率 f1，而1对应于频率f2。
（3）调相（PM） 即载波的初始相位随基带数字信号而变化。例如，0对应于 相位0度，而1对应于180度。
图2-12 同步式代码结构
一般在高速传输数据的系统中采用同步式。
2021/8/6
汾阳师范信息技术系
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2.1.5 基带传输与数字信号编码
(1)基带传输
基带: 频谱从“0”开始而未经任何处理的脉冲信号所占据的频率范围。 基带信号: 将由不同电压表示的数字信号1 或0 。 基带传输:数字数据以原来的 “0” 或 “1” 的形式在信道上传送，称为基带传送。 如何把数字信息用电信号的波形表示出来:
异步方式在低速终端信道上获得了广泛的应用。
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2.1.4 同步方式
(2)．同步传输
同步式要求不管是否传输信息代码，每个比特位必须在收发两端始终保持同步 ，中间没有间断时间，即为比特位同步。
一般接收端从接收的信号中提取同步信号，因为在接收信号码元1和0的极性变 化中就包含了同步信息。
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汾阳师范信息技术系
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2.1.2数据传输方式：并行与串行传输
串行传输
每次由源地传到目的地的数据只有一位，比并行速度 慢，发送和接收时需要串并转换设备，但是可以利用 公用电话系统，具有经济、实用的特点。能够满足长 距离的通信需要。
1位数据传输 串行设备 并行和串行转换
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数据通信系统: 模型
信源
物理层及数据通信基础
限制：因基带信号所带的频率成分很宽，所以要求信道有较 宽的带宽。
※ 常用的几种编码方式：（对码波形编码） 1）不归零制码（NRZ：Non-Return to Zero） 规则：用两种不同的电平分别表示二进制信息“0”和
“1”。例如，低电平表示“0”，高电平表示“1”。 缺点：
数据
A
B
监视信号
(3) 全双工通信方式
信息可以同时双向传输，一般采用四线式结构。
数据
A
B
监视信号
3 按交换方式划分
交换：在多结点通信网络中，为有效利用通信设备和线路，
一般希望动态地设定通信双方间的线路。动态地接通 或断开通信线路的过程，称为“交换”。
主要的交换方式分为：
电路交换
报文交换
存储转发方式
bn
=
2 T
0 Tg(t)co2sn()fdtt
c
=
2 T
T
0
g(t)dt
是直流分量
讨论：
* 一个周期信号可以分解成无穷多个不同频率的正、余弦分量 *反过来，当一个二进制序列脉冲通过信道传输，如果信道的带 宽足够宽，则大量的频率成分能够通过，接收端的信号失真就 小。如图所示：
2.2 数据通信原理和技术介绍（2）
※ 异步传输
工作原理：以字符作为数据单位进行传输，字符之间的传输间 隔任意。为了标志字符的开始和结尾，在每个字符的开始加一位 起始位，结尾加1位、1.5位或2位停止位，数据位的长度由不同 的编码规则决定。如下图所示：
起 始数 据数 据数 据数 据数 据数 据数 据校 验停 止停 止 位 位 0 位 1 位 2 位 3 位 4 位 5 位 6 位 位 位
第3章-物理层与数据通信基础(071008).doc
第三章物理层与数据通信基础3.1 数据通信的基础知识3.1.0 基础知识●基本术语如果信息的自然状态是模拟的，如语音、图像等，经数字化处理后，用数字信号的形式进行传送就成为数字通信。
如果信息的自然状态是数字的（离散的），如计算机数据，那么不管采用那种形式的信号进行传送，都叫数据通信。
信道是一个逻辑的概念，可表示为向某一方向传输信息的通道。
通过采用多路复用技术，一条2线制的物理信道可以同时传输多路信息。
因此，可以广义的理解为一条物理信道可以包含多条逻辑信道。
从通信过程中发送端所产生的信号形式来看，信号可分为模拟信号（连续变化的，如正弦波或余弦波形式）和数字信号（离散的、脉冲信号形式）两类。
与此相应的，信道可以分为传送模拟信号的模拟信道和传送数字信号的数字信道。
当然，数字信号经过调制后，可以改变成模拟信号在模拟信道传输，模拟信号经过模数变换后，也可以转换成数字信号在数字信道上传输。
●数据传输方式数据通信的基本方式有两种，一种是并行通信，一种是串行通信。
并行通信通常用于计算机系统内部及与外设之间大量频繁的数据传输。
在这种方式中，每个数据编码的各个比特都是同时发送的，因此，数据传输率高。
但在远距离通信时，由于这种通信需要的线路太多，因而通信成本太高，另外，并行线路间电平的相互干扰也会影响传输质量。
因此，一般不采用并行通信。
串行通信就是比特（bit）的逐位传送，对于要进行远距离传输的每个数据编码的各个比特来说，一般按照从低位到高位的顺序依次进行传送。
由于这种方式节省线路成本，因此它是远距离数据通信较好的选择。
●通信制式通信制式（Communication mode）主要是指有关信息传输方向的定义。
1）单工通信。
凡是利用一条物理信道（2线制）只能进行单向信息传输的通信，称之为单工通信。
单工通信多用于早期简单的或测试控制环境下的数据通信，现在已很少采用。
2）半双工通信。
半双工通信是指可以进行双向传输，但由于只有一条物理信道（2线制），因此，同一时刻只限于一个方向传输，这种制式方泛应用于交互式会话通信情况下。
计算机网络_数据通信基础与物理层
模拟的和数字的数据、信号
模拟数据 放大器 调制器
PCM 编码器 模拟信号
模拟数据
数字信号
数字数据
调制器
模拟信号
数字数据
数字 发送器
数字信号
数据通信——发送方将要发送的数据转换成信 号通过物理信道传输到数据接收方的过程，分 为模拟数据通信和数字数据通信。 源点——数据的发送方 终点——数据的接收方 信道——在源点和终点之间建立的一条传输信 号的物理通道
半双工通信
发送 接收 双向通道 接收 发送
信号可以双向进行，但不可同时进行， 一个时间只能有一个方向的传送 例子： 对讲机、计算机—终端
双工通信
发送 接收
双向通道
接收 发送
信号可以同时进行双向发送 例子： 计算机—计算机
3.3.3异步传输与同步传输
异步传输方式
以字符为单位进行传输的，即每个字符都独立传 输，且每一字符的起始时刻可以为任意。每个字符在 传输时都在字符前加上起始位和在字符后加上结束位， 以表示一个字符的开始和结束。
最基本的调制方法：调幅、调频和调相
调幅(AM)：载波的振幅随基带数字信号而变 化。 调频(FM)：载波的频率随基带数字信号而变 化。 调相(PM) ：载波的初始相位随基带数字信 号而变化。
对基带数字信号的几种调制方法
基带信号 调幅 0 1 0 0 1 1 1 0 0
调频
调相
3.3.6模拟数据的数字信号编码
串/并与并/串转换
计算机
并/串转换
串行信道
串/并转换
计算机
并行传输
串行传输
并行传输