2.1基本概念 第2章 目的:将数据比特流从一台机器传输到另一台机器. 涉及技术: 如何使用模拟信号传输数字数据。 物理层 如何实现多路信号复用 主要内容: 理论背景:通信模型、傅里叶分析与传输速率 传输介质(有线与无线) 模拟传输(调制技术)数字传输 信道复用技术、电话系统 物理层协议(规程) 物理层标准:RS-232-C(1969年) 1.机械特性:接线器形状、尺寸、引脚数5 25根引脚的插头座DB-25 2.电气特性:信号电平(电流)的范围; ·最大数据传输速率:20kbps(15m) 3.功能特性:信号电平(电流)的含义; 逻辑0:信号电平>+3V 4.规程特性:信号的时序 ·逻辑1:信号电平<-3V 通信方式 字符;独立的时钟,相同的速率;起位和停止位 异步传输的字符格式 起始住 Bit3 Bit4 Bits Bit66i7B停止位 并行通信方式 串行通信方式 物理层标准:RS-449(1977年) 2.2数据通信的基础知识 由以下3个标准组成: 基本术语 数据一信息的实体 ①RS-449规定机械特性、功能特性和过程特性 ·模拟数据:连续变化,如,语音,温度, 37根引脚的插头座 数字数据:散变化,如,文字,整数 2S421A -43-规定电平传输的电气特性 数据传输速率:300kbps(10m) 信号数据的电磁编码、的电 模拟信号:连续变化的电信号 数字信号:离散变化的电信号 ( R-422-规定电流传输的电气特性 数据传输速率:2bps(60m);10mbps(10m); 01111 a)模拟信号 b)数字信号 1
1
信息一数据的内容 带宽 ·信源一产生和发送信息的设备(计算机) 允许通过信号的频率范围或符合某种性能规定的 信宿一接收和处理信息的设备(计算机) 频率范围 信道一信源和信宿之间的通信线路 信道带宽:通信线路的带宽; 数字信道一采用数字信号传输数据的信道 ①带宽与脉冲宽度成反比 模拟信道一采用模拟信号传输数据的信道 ②信道带宽越宽,信号失真越小 信息 昌—昌 信源 信源 信宿 通信系统模型 传输模式 单工:通信是单向进行的,发送端与接收端确定 数据流向 数据数宇信号 模拟信号数字信号数据 发送埚 接收埚 编一调 一解马一信宿 半双工:通信是双向进行的,但不能同时发送和接收 只能交替传输 发送接收 接收发送 全双工:通信是双向进行的,可同时发送和接收 可同时传输 发送接收 接收发送 信宿 实現方法:①两条独立信道。②单一信道,共享带宽 频带传输与基带传输 数据通信的理论基础 带:模拟信号所占用的频率带宽, 频带传输:将数字数据转换成模拟信号,在传输时使用 信号传输: 想信号 信宿 基带:基本频带,是数字信号所占有的频率带宽 卫再→ 基带传输:将数字数据转换成数字信号,在传输时使用 实际的理想信号 数字信号 信源 数字信道 信宿
2
信号传输的影响 廷迟: HAZZA天A 距离→ 系统外噪声 如,电机、电气设备、荧光灯、 雷电、宇宙辐射、 统内噪声 物体内部的电子热运动、器件中的电流、 傅里叶分析 号 任何正常的周期为T的函数g(t),都可以由(无限 当谐波数分别取n=2和n=50时的比较 个)正弦和余弦函数合成 8()=2c+2 an sin(2rn f0)+2 bn cos(2rnfn) r=1/为基频(基波), 为正弦函数n次谐波的振幅, n=60 bn为余弦函数n次谐波的振幅 传输速率 !!!!+,品吉 码元:一个离散信号(电平)状态或信号事件 比特:二进制位 码元传输速率B(信号速率、调制速率) 定义:每秒钟传榆码元数 信息传输速率S(数据传输速率) 定义:每秒传输的比特数 两者间关系:S=Bg2(bps) !↓↓ 个码元所取的有效离散值个数
3
调制速率与信息速率 二级电平信号 11110 拟信号数宇信号数据 1个码元携带1比特信息量, 信源→编马一调制 “bps"的值=“Baud”的值; 电平信号 对于四级电平信号 调制速率Baud 1个码元携带2比特信息量 信息速率 bps"的值=2x“Baud”的值 四级电平信号 信道 信道的最高码元传输速率 信道上的最高码元传输速率 奈奎斯特准则(1924 例:一个带宽为玉kHz理想低通信道 个任意信号通过带宽为W(Hz)的理想低通信 道,那么每秒采样2川次,就能完整地重现通过这个 一若完整地重现通过这个带宽的信号,每秒采样6k 理想低通信道的信号, 理想低通信道的最高码元传输速率=2(Baud 最高码元传输速率=2×3kHz=6000(Baud 理想带通信道的最高码元传输速率=W(Baud 若每秒采样1k次,只能重现带宽为500Hz的信 最高码元传输速率=2x500Hz=1000(Baue a)理想低通信道 b理想带通信道 信道上的最高码元传输速率 若码元的电平级数为2(即1个码元携带Ibi的信息 里想带宽为2400Hz 最高数据传输速率最高码元传输速率 最高码元传输速率=2400(Baud) 若码元的信号电平分为级 理想带通信道的最高数据传输速率=Wlog2V(bps) 若码元的电平级数为4(即1个码元携带2b的信息量) 电话线路的理想带通信道 一若码元的电平级数为64(即1个码元携带6bt的信息量 如何提高数据传输速率? 最高数据传输速率=2400H1xlog22“=14.4(kbps)
4
信道的极限信息传输速率 信噪比的单位:分贝(dB) 香农公式(1948) 换算公式 )分贝(dB) 若SN= 在有限带寬和高斯白噪声的情况 若SN 极限数据传输速率=og2(1+SN)(bps) SN=1000,则为30dB; H—信道带宽(Hz) 例:电话线路通常的带宽是3.1kHz(300 SN信噪比(S为信号功率,N为噪声功率 3400Hz),信噪比通常是2500(34dB) 最大数据传输速率=llog(1+SN) 香农公式表明 =3100xlog2(1+2500 信道的带宽或信道中的信嗓比越大 =3100×11,3=35kbp 则信息的极隈传輸速率就越高 如果要提高数据传输速率,则必须增加线路的带 宽或提高信噪比 23传输媒体 1.双绞线 双绞线电缆 有向介质同轴电缆」三动y 双蛟线由两根绞合成有规则的螺旋形图样的绝缘铜 线组成,把若干对双绞线捆在一起,并用结实的保 光缆 护外皮包住,就成为普通的双絞线电缆 无向介质 Twisted-pair cable 电磁波 分类 ①非屏蔽双絞线(UTP:外皮为塑料,不具有屏蔽能 ③屏蔽双绞线(STP):外皮为金属,具有屏蔽能力 非屏蔽双绞线UTP 在平行线路上噪声的影响 PⅤC塑料 塑料外皮
5
双绞线上噪声的影响 主要特点 ①结构简单,容易安装,普遹UIP较便宜 有一定的传输速率 ③具有较高的容性阻抗,信号衰减较大,传输距离 5OO ④有辐射,容易被窃听。 主要应用场合: ①宝内网絡终端或工作站的连接 ②实现星型或总线型的网络结构 屏蔽双绞线(STP 双绞线标准 最新标准(20026, EIA/TIA-568B标准-6类线) 屏蔽层必须接地 EAI-美国电子工业协会,T1A-电信工业协会 规定了6个种类的UTP标准(1类线-6类线) 主要区别:6类线大大增加了单位长度的绞合次 〔更开人(因C燃C门 常用的UTP是3类线和5类线, 各类双绞线的数据传输速率 采用插销式结构 双绞线连接器,RJ1接器,四芯 1类线:电话 后系統基本线,用于语音和低速数据传输 RJ-45连换器,八芯 网卡上RJ-45座信号HUB上RJ=45座信号 类线:数据传输速率≤4Mbps 3类线:数据传输速率≤10Mbps 4类线:数据传输速率<16Mbps 5类线:数据传輸速率≤100Mbps 6类线:数据传输速率≤250Mbps
6
Hul.tosTransee 2.同轴电缆二 Coaxial e Transceiver-fo-Transeel 铜芯 分类 同轴电缆连接器 ①基带同轴电缆(50), T型连接器 用于基带传输,10bps ②宽带同轴电缆(750), 采用卡销式结构 常称为BNC连接器 BNC指头终结端子 RG-8、RG-9和RG-11用于粗缆以太网 终蛄 BNC插头 用于细缆以太网 用于闭路电视 有线电视CATV电缆属粗缆 T型连接器 用于频带传输时,带宽:450MHz,可多路复 为多个信道,每个6MHz(一路电视信号或数 字信号3Mbps), 主要特点: 3光纤(光缆) ①频带较宽,传輪率较高 ③辐射低,保密性好,抗干扰能力强 基于光在两种介质交界面上的全反射现象,把 以光形式出现的能量约束在波导内,并引导光沿 ④架设安装方便,容易分支 着轴线平行的方向传播 ③宽带电缆可实现多路复用传输 主要应用场合 ①计算机连网时,室内用细缆,室外用粗缆 ②应用于多路复用传输和各种拓扑结构
7
光纤通信中常用的三个波段 高密度多芯光缆剖面结构 0.85pm、1.3μm、1.55 光纤来 图26光遒过光纤的减情况 ①单模光纤,光纤的直径只有一个光的波长,使光线一 ①多模光纤,存在许多条不同角度入射的光线在一条 直向前传播,不会产生多次折射 光纤中向前传播 ·芯径小,芯径小,不存在模间色散; ·纤芯较大,易于把光功率注入光纤中,可用发光二极管 (LED)作为光源 带宽宽 光纤迹换较容易 光源必须用激光 成本高 存在模间色散效应,影响频带的提高 几 Cladding 无线传播 兰懂盖 使用有漂转发器的光纤环路 主要特点 ①衰减少,无中继传输距离远; ②带宽宽,传输速率高,1GB/s-几十GB/s; ③不受电磁干扰,抗干扰能力强,无辐射,保密性好 ④体积小、重量轻 电磁波的频谱及在通信中的应用
8
无线电传播方式 受电离层千扰,传 无线通信方式 电离层 电离层 无线电 微波 卫星通信 地表传播 对流层传播 电离层传播 特点:广播方式 缺点:保密性差 线传播 空间传播 微波 卫星通信 直线传播,需中继转发(塔高100m,站距100km) 盖面广,适合于 频带宽,容量大,不易受到干扰,比电缆通信投资 广播通信; 存在较大传播时 对称轴 碟型抛物 传送数据的总时延 通信颏率范围 麦播时延 平)论 +发送时延 重发时延 2 IAl mikes 蜂窝电话 蜂窝电话 F1.F2,F3=使用的频率 移动电话交换局MTSO 10kn 围定电话 中央电话交换局
9
工作原理 常用传输媒体的比较 手杋A拨号后,手机A寻找信号最强波段建立信道 然后把电话号码发送出去,基站转发到MIS MTSO向每个蜂窝单元发送询问信号来寻找手机B的 位置,一旦找到,立即发送振铃信号; 较高模传输电视 当手机B应答时,MTSO为它们分配一个空闲信道进 行语音或数据通信 远程還信 当手机从一个蜂窝单元进入另一个,MTSO每隔几秒 地面撒泼接力 就监视一下信号强弱,若信号强度降低了,MISO就 与距离远程道 自动进行基站(信道)切换 24模拟传输与数字传输 模拟传输系统 模拟传输和数字传输的编码技术 用模拟通信信道传输数宇信号的方法 调制:把数字信号变换成模拟数据信号的过程。其设 振幅键控(调幅) 模拟数据编码{移频键控(调频) 解调:把模拟数揖信号还原成原来的数字信号的过 模拟通信信道)移相键控(调相) 程。其设备称解调器 编码方法 计算机 模拟传输 计算机 非归零编码 数字数据编码了曼彻斯特编码 (数字通信信道}差分曼彻斯特编码 模拟信道 模拟数据编码方法(数字数据→模拟信号) 模拟数据编码方法(数字数据→模拟信号) 数字0 振幅键控ASk 移频键控FSK(调频 Asin(o, lte. 移相键拉PSK(调相) 用载波相位传输数字信息Adm单 移频健控Fsk 绝对调相 相对调相相对前一码元偏移 相位不变 BOROARR PN WMWVWMW 多相调制 用多个不同相位表示 例:省相调制数字明 数字 范2
10