第3章物理层与数据通信基础.

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4b/5b编码
•用5位的码组来编码4位的输入数据
•每5位码组中不含多于3个”0”,或不少于2个”1”
•码组的电信号波形采用NRZI方式
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4b/5b的优点:
•5个码组中至少含两个”1”,从而保证了在码组 的持续时间内至少有两次电平跳变出现,可以供 接收端用来检测出位同步信号,同时可以避免直 流分量的积累
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0 数据
1
0
0
1
0
ω
ω ω2 ω2 ω1 ω2
(a) ASK
ω2
ω1
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FSK信号的生成原理
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PSK信号的生成原理
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3π/4
π/4
5π/4
7π/4
•QPSK (Quadrature Phase Shift Keying,正交相移键控). •四进制调制（每个码元传输2个比特位)
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•易扰动
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地球同步卫星(Geostationary Satellites) • 与地面站相对固定位置 • 使用三颗卫星即可覆盖全球 • 传输延迟时间长（≈270ns） • 广播式传输 • 应用领域： 电视传输 35,784 长途电话 km 专用网络 广域网
地球
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常用传输介质的比较
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双绞线(Twisted Pair)
•可以传输模拟信号或数字信号 •带宽可达Mbps •螺旋绞合的双导线 •每根4对、25对、1800对 •典型连接距离100m（LAN） •RJ45插座、插头 •优缺点：
应用领域：电话网络
计算机局域网
成本低 组装密度高、节省空间 安装容易（综合布线系统） 平衡传输（高速率） 抗干扰性一般 连接距离短 7
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曼彻斯特编码
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差分曼彻斯特编码
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曼彻斯特编码 & 差分曼彻斯特编码
优点: 编码中含有同步信号(每个Bit为中间的电平跳变) 不存在直流分量的积累
可用于LAN中,高速大数据块的传输
缺点: 设备要求高,价格贵,高速时(>=100Mbps)技 术受限制,编码效率50%
原因:码元速率=2比特速率
1类线缆 2类线缆 3类线缆 4类线缆 5类线缆 5e类线缆 6类线缆
用途
电话 令牌环网 不适合传输数据
说明
支持4Mbit/s的令牌环网
电话和 20世纪80年代以广泛使用的3类线缆为基础的 10BASE 10BASE-T网络出现 -T 令牌环网 以太网 以太网 以太网 支持16Mbit/s的令牌环网 支持10BASE-T、100BASE-T 使用与5类线缆相同的介质，但要经过更严格 的端接和线缆测试，支持吉比特以太网 支持1Gbit/s的以太网，也可用6类线缆建立 10Gbit/s的网络
组合调制
•一般为同时使用调幅和调相技术组合出更多中波形状态， 以实现一个码元可以传输更多个比特位
•16进制调制（每个码元传输4个比特位) •QAM-16 (Quadrature Amplitude Modulation,正交振幅调制)
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•QAM-64 (Quadrature Amplitude Modulation,正交振幅调制)
•编码效率是80% •广泛用于100Mbps以太网和光纤分布式数据接 口环网中
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3.4使用数字信道传输模拟数据（消息） -------PCM（脉冲编码调制）
①采样:依据仙农采样定理 ②量化:量化为256级,分级取整 ③编码:每等级8位编码
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典型应用:
电话系统长途局之间主干线的远距离传输
工业生产实际
激光发 生器
单束光线沿直线传播
激光检波 器
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高密度多芯光缆剖面结构
加强芯 外套
外鞘
光纤
加强芯
封套
芯
光纤束
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光纤的特点

优点
高带宽、高数据传输率 抗电磁干扰强，数据传输安全、可靠 抗腐蚀 衰减小 缺点


单向传输 光纤接口价格昂贵 工艺复杂、安装技术复杂
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无线传输介质
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3.1使用模拟信道传输模拟数据（信息） ----------载波(移频)
电话交换
USER
信道
Operator
音频信号频谱
模拟
fa
f
f
载波频率(调制基频)
27
28
3.2使用模拟信道传输数字数据（消息) ---------------调制与解调
•因为计算机产生的原始基带数字信号是离散的 数字信号，它的频率范围较宽，不适合使用模 拟信道进行长距离传输。
计算机网络
第三章 物理层与数据通信基础
主讲：刘斌
1 理学院.计算机与网络教研室
第 3 章 物理层与数据通信基础
[学习目标] 回顾物理层的基本功能
了解物理层使用的传输介质及其特性
理解并掌握几种典型的数据传输技术
了解物理层设备及其特点
2
第 3 章 物理层与数据通信基础
[学习内容] 讨论1：物理层基本功能回顾 讨论2：物理层传输介质 讨论3：数据传输技术 讨论4：物理层设备
较好
较低
基带 宽带
40Gb/s 4～6GHz
20km以上 几百km
很好 好
较高 中等
远距离高速 数据传输
远程通信
卫星
宽带
1～10GHz
18000km
很好
高
远程通信
25
讨论3：数据传输技术
3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8
载波(carrier wave) 调制与解调(modulate & demodulate) 编码与解码(code & decode) 脉冲编码调制(PCM) 数据传输方式 多路复用(multiplexing) 数据交换 同步传输与异步传输(Synchronous & Asynchronous)
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[具体教学内容]
讨论1：物理层基本功能回顾
•明确：物理层的主要目的是考虑如何在相互 连接的计算机之间进行比特流的传输，而非 具体的传输介质。 •物理层四个特性： •机械特性 •电气特性
•功能特性
•过程(规程、操作)特性
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讨论1：物理层传输介质
有线传输介质 (Wire Transmission) Twisted Pair(双绞线) Coaxial cable(同轴电缆) Fiber optics(光纤),Fiber cables(光缆) 无线传输介质 (Wireless Transmission) Radio waves (无线电波) Microwave (微波) Infrared and Millimeter Waves(红外线和毫米波) Laser(激光) Communication satellites(通信卫星)
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同轴电缆(Coaxial Cable)
75（CATV) 用于模拟传输（FDM），称为宽带电缆 50(10Base5/10Base2) 用于数字传输，称为基带电缆 粗缆：10Mbps, 500m, 100站点 细缆：10Mbps, 185m, 30站点 价格贵 局域网使用被双绞线取代 长途传输被光纤取代
铜芯 绝缘层
外导体 屏蔽层
保护套
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光纤(Fiber Optics) 、光缆 (Fiber Cables)
玻璃封套
塑料外套
玻璃内芯
单芯光缆
外壳
塑料外套
多芯光缆
玻璃内芯 玻璃封套
常见规格：纤芯——50um缓变型-MMF 62.5um缓变型/增强型-MMF 8.3um突变型-SMF 包层——125um
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3.3使用数字信道传输数字数据（消息） --------数字编码
•不归零码（None return to zero encoding） •不归零码交替编码(None return to zero ,invert on ones encoding)
数字 编码
•曼彻斯特码（Manchester encoding）
传输介质 双绞线 50Ω 同轴电缆 75Ω 同轴电缆 光纤 微波 传输方式 速率/ 工作频带
≤1Gb/s
传输距离
模拟: 10km 数字: 500m
性能 较好 较好
价格 低 较低
应用
宽带 基带
基带
模拟/数字 信号传输
基带数字信 号 模拟电视、 数据及音频
10Mb/s
<3km
宽带
≤450MHz
100km
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第 3 章 物理层与数据通信基础
[学习重点 、难点] 数据通信中的基本概念
四种调制和编码技术、四种多路复用技术、 三种数据交换技术 [学习方法要点] 本章知识涉及到数据通信技术中的许多传输技 术，知识点比较零散，在学习时要注意联想生活 中接触过的技术实际应用情况，对比分析不同传 输技术的特点，学习重点放在掌握基本概念上， 努力将琐碎的知识串成一体。
光纤通信的原理-----光的全反射定理
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multimode fibers(多模光纤，MMF),光纤芯直径 50,62.5 微米
纤芯，折射率高 包层，折射率低
亮度调制
发光器 多束光线以不同的反射角传播

光检波 器
single-mode fibers(单模光纤,SMF), 光纤芯直径8.3 微米
屏蔽双绞线(STP, Shielded Twisted Pair) 以铝箔屏蔽以减少干 扰和串音，应用较少
非屏蔽双绞线(UTP, Unshielded Twisted Pair) 双绞线外无任何屏蔽 层，应用广泛
常用的双绞线：3类（16Mb/s） 和5类（155Mb/s）两种
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UTP 线缆的类别
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•使用正弦载波将基带数字信号转换为连续变化 的模拟信号（调制）。
•将载波的振幅、频率、相位调制成不同状态。
正弦载波
Y=Asin(ωt+Φ)
A----amplitude (振幅) ω---- frequency (角频率) Φ---- phase (相位)
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四种调制 (modulation)手段 •调幅(amplitude modulation) 幅移键控(Amplitude shift keying，ASK) •调频(frequency modulation) 频移键控(frequency shift keying，FSK) •调相(phase modulation) 相移键控(Phase shift keying,PSK) •组合调制(combination modulation)
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光纤传输原理——光的全反射 光从折射率高的介质入射到折射率低的介质时会 产生折射。折射量取决于两种介质的折射率。当 入射角≥临界值时产生全反射，不会泄漏。 纤芯——折射率高，玻璃包层——折射率低


亮度调制：有光脉冲-1，无光脉冲-0 光传输系统：光源、介质、光检测 光源：850nm/1300nm/1500nm ，发光二极管/激 光二极管 光检测器：光电二极管 PIN/雪崩二极管APD 单向传输，双向需两根光纤 应用领域：局域网主干、电信网络、服务器连接 12
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(1)无线电波(Radio waves) •容易产生
•低频部分波长较大，易绕过障碍物，全方位传输
•高频部分波长短，易被障碍物反弹，直线传输
•易受干扰
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(2) 微波(Microwave)
Hale Waihona Puke Baidu
•频率在100MHZ以上，直线传输 •易被建筑物阻挡 •空中发散
地面站之间 的直视线路 (50~100km)
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Modems (调制解调器) Modulator(调制器)---D/A demodulator(解调器)---A/D
Modems
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问题: 现采用调相与调幅相结合的调制方式，载 波有四种相位变化和两种振幅变化，调制速率 是600波特，那么数据速率是（ ） bps 。
A、1200 C、2400 B、1800 D、4800
地 球 微波传 送塔
•多径衰减
•频率在4 GHz以上的微波易被雨水吸收
•应用于长距离电话电视移动通信的传输
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(3)
红外线与毫米波(Infrared and Millimeter Waves )
•直线传输
•不能穿过任何障碍物，易反弹
•短距离传输
•遥控器
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(4)激光(laser) •长距离、直线传输 •不能穿过雨滴和厚雾
•差分曼彻斯特码（differential Manchester
encoding） •4B/5B编码
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不归零码（NRZ）
•分类：双极性不归零码和单极性不归零码 •在一个码元时间内不会返回初始状态
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不归零码交替编码（NRZI）
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NRZ、NRZI的缺点: •编码中不含同步信号,难以确定位的起止点 •在发送不归零码时需要使用另一个信道同时发送同步时 钟信号 •收发双方同步的时钟频率不易保持一致,易造成误差积 累,导致接受采样错位 •易产生直流分量的积累,导致设备和设备接点损坏 •主要用于计算机串口和调制解调器之间串行通信端口的 低速短距离(<15m)通信