第二章

第二章 物理层与数据通信基础物理层与数据通信基础物理层与数据通信基础物理层与数据通信基础物理层与数据通信基础物理层与数据通信基础物理层与数据通信基础

内容黑白纵横三千里第一节物理层基本概念和物理层下面的传输媒体物理层基本概念导向传输媒体（双绞线、同轴电缆、光纤）非导向传输媒体（无线传输媒体和卫星通信）经天纬地一点通第二节数据通信的基础知识通信系统模型信道相关的基本概念信道的极限容量 • 第三节传输技术模拟传输与数字传输数字调制技术脉码调制数字信号的编码方法第四节信道复用技术频分复用、时分复用、统计时分复用；波分复用码分复用第五节宽带接入技术公共电话交换网络（XDSL技术）

内容黑白纵横三千里第五节宽带接入技术公共电话交换网络（XDSL技术）有线电视（光纤同轴混合网）经天纬地一点通 FTTx技术移动电话系统第六节物理层接口标准举例 EIA-RS-232C、RS-422. RS-423和RS-449、CCITT X·21

物理层基本概念和物理层下面的传输媒体 2.1.1 物理层基本概念物理层的概念物理层的主要任务描述为确定与传输媒体的接口有关的一些特性，即： • 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、固定和锁定装置等等。 • 电气特性指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。 • 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。 • 过程特性指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。

物理层基本概念和物理层下面的传输媒体 2.1.2 导向传输媒体（双绞线、同轴电缆、光纤）导向传输媒体 • 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 • 50 同轴电缆 • 75 同轴电缆 • 光纤

双绞线：现代的以太网技术一般使用称为双绞线 (TP) 的铜质电缆来连接设备。由于以太网是大多数局域网的基础，因此双绞线是最常见的网络布线类型。同轴电缆：同轴电缆通常由铜或铝制成，有线电视公司使用了这种电缆来提供服务。它也可用于连接组成卫星通讯系统的各个组件。光纤：光纤由玻璃或塑料制成。其带宽很高，因此可承载大量的数据。光纤用于主干网络、大型企业环境以及大型数据中心。电话公司也广泛使用光纤。常见的网络电缆

双绞线 无屏蔽双绞线 UTP 屏蔽双绞线 STP 绝缘层铜线屏蔽层聚氯乙烯套层聚氯乙烯套层铜线绝缘层

常见的电缆类型包括 3 类线、5 类线、5e 类线以及 6 类线。在某些电子环境中，EMI 和 RFI 非常强，需要使用具有屏蔽功能的电缆。但 STP 与 ScTP都非常昂贵，灵活度不高，并具有一些由屏蔽而带来的额外要求，使得使用起来相当不便。所有种类的数据级 UTP 电缆一般都使用 RJ-45 水晶头作为端头。双绞线电缆

线序标准：EIA/TIA-568 568A 白绿、绿、白橙、兰、白兰、橙、白棕、棕 568B 白橙、橙、白绿、兰、白兰、绿、白棕、棕线缆种类交叉线相同设备类型接口使用交叉线直连线不同设备类型接口使用直连线有效线缆长度 100米智能MDI/MDIX 不需要知道电缆另一端为MDI还是MDIX设备两种电缆（普通、交叉）都可连接交换机、集线器或NIC设备。消除由于电缆配错引起的连接错误简化10/100M网络安装维护，降低开销。网络传输介质—双绞线

同轴电缆 绝缘层绝缘保护套层外导体屏蔽层内导体

光纤中心是光传播的玻璃芯 芯外面包围着一层折射率比芯低的玻璃封套，以使光纤保持在芯内。再外面的是一层薄的塑料外套，用来保护封套。光纤分为单模光纤和多模光纤保护层核心线缆保护层网络传输介质-光纤光柱光线结构示意图

光线在光纤中的折射 折射角包层包层（低折射率的媒体）纤芯纤芯（高折射率的媒体）入射角包层（低折射率的媒体）

光纤的工作原理 低折射率 (包层) 高折射率 (纤芯) 光线在纤芯中传输的方式是不断地全反射

输入脉冲 输出脉冲单模光纤输入脉冲输出脉冲多模光纤与单模光纤多模光纤

光缆

网络传输介质

f (Hz) (Hz) f 物理层基本概念和物理层下面的传输媒体 2.1.3 非导向传输媒体（无线传输媒体和卫星通信）非导向传输媒体电信领域使用的电磁波的频谱 100 102 104 106 108 1010 1012 1014 1016 1018 1020 1022 1024  无线电微波红外线 X射线射线可见光紫外线 104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016 卫星双绞线光纤同轴电缆地面微波海事无线电调频无线电移动无线电调幅无线电电视波段 LF MF HF VHF UHF SHF EHF THF

无线传输所使用的频段很广。 短波通信主要是靠电离层的反射，但短波信道的通信质量较差。微波在空间主要是直线传播。地面微波接力通信卫星通信使用无线信道的计算机局域网。 ISM频段（2.4G-5.8GHz）工科医频段

数据通信系统 源系统传输系统目的系统传输系统源点接收器发送器终点输入数据接收的信号输入信息发送的信号输出数据输出信息数据通信的基础知识 2.2.1 通信系统模型数据通信系统模型输入汉字数字比特流模拟信号模拟信号数字比特流显示汉字公用电话网调制解调器调制解调器 PC 机 PC 机

消息（message）——如话音、文字、图像等。 数据(data)——运送消息的实体。信号(signal)——数据的电气、或电磁的表现。 “模拟的”(analogous)——代表消息的参数的取值是连续的。 “数字的”(digital)——代表消息的参数的取值是离散的。码元(code)——在使用时间域（或简称为时域）的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形。几个术语

网络系统还可以有效地将分散在网络各计算机中的数据资料信息收集起来，从而达到对分散的数据资料进行综合分析处理，并把正确的分析结果反馈给各相关用户的目的。分散数据的综合处理第一节物理层基本概念和物理层下面的传输媒体第二节数据通信的基本知识第三节传输技术第四节信道复用技术第五节宽带接入技术第六节物理层接口标准举例

数据通信的基础知识 2.2.2 信道相关的基本概念信道相关基本概念 • 信道（channel） ——用来表示向某一个方向传送信息的媒体。 • 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。 • 双向交替通信（半双工通信）——通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送(当然也就不能同时接收)。 • 双向同时通信（全双工通信）——通信的双方可以同时发送和接收信息。

基带信号（即基本频带信号）——来自信源的信号。像计算机输出的代表各种文字或图像文件的数据信号都属于基带信号。基带信号（即基本频带信号）——来自信源的信号。像计算机输出的代表各种文字或图像文件的数据信号都属于基带信号。基带信号往往包含有较多的低频成分，甚至有直流成分，而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量。因此必须对基带信号进行调制(modulation)。带通信号——把基带信号经过载波调制后，把信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输（即仅在一段频率范围内能够通过信道）。几种最基本的调制方法 • 基带信号往往包含有较多的低频成分，甚至有直流成分，而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量。为了解决这一问题，就必须对基带信号进行调制(modulation)。 • 最基本的二元制调制方法有以下几种： • 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 0 1 0 0 1 1 1 0 0 基带信号调幅调频调相

正交振幅调制QAM 举例可供选择的相位有 12 种，而对于每一种相位有 1 或2 种振幅可供选择。 (r, ) r 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。  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。

数据通信的基础知识 2.2.3 信道的极限容量信道的极限容量 • 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，或噪声干扰越大，或传输媒体质量越差，在信道的输出端的波形的失真就越严重。

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数字信号通过实际的信道实际的信道（带宽受限、有噪声、干扰和失真）发送信号波形接收信号波形

1924 年，奈奎斯特(Nyquist)就推导出了著名的奈氏准则。他给出了在假定的理想条件下，为了避免码间串扰，码元的传输速率的上限值。在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，否则就会出现码间串扰的问题，使接收端对码元的判决（即识别）成为不可能。如果信道的频带越宽，也就是能够通过的信号高频分量越多，那么就可以用更高的速率传送码元而不出现码间串扰。信道能够通过的频率范围

如果信号包含了V个离散级数，则在理想信道下的最大数据传输速率 C 可表达为 C = 2H log2V b/s H 为信道的带宽（以 Hz 为单位）采样定理：任意一个通过带宽为H的低通滤波器的信号，只需每秒2H次采样，过滤之后的信号就可以被完全重构。奈氏准则

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。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。信噪比（dB）=10 log10（S/N）（dB）信噪比

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。香农公式表明第一节物理层基本概念和物理层下面的传输媒体第二节数据通信的基本知识第三节传输技术第四节信道复用技术第五节宽带接入技术第六节物理层接口标准举例

传输技术 2.3.1 模拟传输与数字传输模拟传输与数字传输 • 模拟传输是一种不考虑其内容的模拟信号传输方式。 • 在传输过程中，信号由于噪声的干扰和能量的损失总会发生畸变和衰减。 • 放大器 • 多级放大器 • 数字传输(与模拟传输不一样)关心的是信号的内容 • 0和1变化模式的数据就可以采用。 • 方波脉冲式的数字信号会衰减,也会更容易发生畸变 • 转发器(repeater) 也叫再生器(regenerator) • 在长距离通信中，数字传输技术逐步取代模拟传输技术已是一种必然的趋势。

传输技术 2.3.2 数字调制技术数字调制技术数字调制技术基本概念 • 通信系统中 • 基带信号：由信源产生的原始电信号； • 调制信号（实际上是被调制的信号，即基带信号） • 调制的过程就是按调制信号（基带信号）的变化规律去改变载波某些参数的过程 • 调制的方法分两大类 • 正弦型高频信号作为载波的正弦波调制 • 模拟调制：调制信号为连续型的正弦波调制 • 数字调制：调制信号为数字型的正弦波调制 • 用脉冲串作为载波的脉冲调制

正弦振荡的载波可用 A sin(2nft+Φ)来表示使其幅度A、频率f或相位Φ随基带信号变化而变化，就可在载波上进行调制了。 • 幅度A、频率f、相位Φ的调制 • 幅度调制、频率调制、相位调制 • 简称为调幅(AM)、调频(FM)或调相(PM)。 • 在数据通信中调幅、调频和调相常相应称为: • 幅移键控ASK • 频移键控FSK • 相移键控PSK • 幅度调制：用两个不同载波信号的幅值分别代表二进制数字0和1，或者用恒定幅度的载波有、无来代表

p ì A sin( 2 f t ) binary 1 1 = s ( t ) í p A sin( 2 f t ) binary 0 î 2 • 幅度调制：用两个不同载波信号的幅值分别代表二进制数字0和1，或者用恒定幅度的载波有、无来代表 • 频率调制方式中，用两个不同频率的载波分别代表二进制数字0和1 • 抗干扰能力优于调幅，但频带利用率不高，也只在传输较低速率的数字信号时得到广泛应用

相位调制方式中，可以用不同相位的载波，比如说用相位为0和π的载波分别表示二进制数字0和1，即下图公式，更多的是用载波的相位变化来表示二进制数字0和1。相位调制方式中，可以用不同相位的载波，比如说用相位为0和π的载波分别表示二进制数字0和1，即下图公式，更多的是用载波的相位变化来表示二进制数字0和1。 Φ－相位（15、45、75、 105、135、165、195、 225、255、285、315、 345 ） A －振幅（A1、A2）一种正交调制相位-幅值的星座图

传输技术 2.3.3 脉码调制脉码调制模拟信号的数字传输

编码器：在发送端将模拟信号变换为数字信号的装置称为（Coder），编码器：在发送端将模拟信号变换为数字信号的装置称为（Coder）， • 解码器：在接收端将收到的数字信号复原成模拟信号的装置则称为 • 编码解码器通常进行的是双向通信，使用既能编码又能解码的装置 • 将模拟信号变换为数字信号的常用方法是脉码调制PCM。 • 脉码调制的过程由：取样量化编码三步构成取样 • 按照一定的时间间隔采样测量模拟信号幅值 • 奈奎斯特定理可以证明，若模拟信号的带宽是H Hz，则2H的取样频率就足以捕获可恢复原有模拟信号的信息。

将取样点处测得的信号幅值分级取整的过程 量化就是将模拟信号的最大可能幅值等分为若干级（通常为2n级），而后测量得到的幅值按此分级舍入取整，得到一个正整数。量化编码 • 将量化后的整数值用二进制数来表示该图中的例子是一个4 kHz的音频模拟信号，故125 μs取样一次。量化时是按最大幅值等分为16级来进行的，并采取了四舍五入的方法，故其量化误差小于等于最大幅值的1/32。量化后获得的整数要用4位二进制来编码，故该段信号最后得到的脉码为 00101000111111000101001101000101

差分脉码调制DPCM (Differential Pulse Code Modulation) 增量调制（Delta Modulation）预测性编码（Predictive Encoding）一般说来，越是复杂的编码方法实现起来也就更困难，编码解码器的价格也就更贵其他方法差分脉码调制DPCM • 输出不是数字化的幅度本身，而是当前值和前一个值之差 • 这种压缩方法的一种变形只考虑每个取样值是大于或是小于前一个值增量调制 • 输出不是数字化的幅度本身，而是当前值和前一个值之差 • 这种压缩方法的一种变形只考虑每个取样值是大于或是小于前一个值 • 用0或1就可以分别表示新的取样值是大于或是小于前一个取样值，这样只需传送一个比特 • 这个技术假设两个相邻取样值间的变化是小的，如果信号变化太快，增量编码将遇到麻烦。

改进是从前面的几个值预测将要到来的下一个值，然后对实际信号值和预测值间的差进行量化和编码改进是从前面的几个值预测将要到来的下一个值，然后对实际信号值和预测值间的差进行量化和编码发送器和接收器必须使用同样的预测算法它缩短了编码数字的长度，因而减少了需要发送的比特数预测性编码

传输技术 2.3.4 数字信号的编码方法数字信号的编码方法 • 比特同步（位同步/同步传输）：发、接两端要处于同样的时钟速率数据位才不会被误读 • eg：1 0 1 1 0 0 0 1 if 接收方将每b持续时间缩短一半，则会读为： 1100111100000011 • 位同步方法：自同步外同步 • 自同步：能从数据信号波形中提取同步信号 • 外同步：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

为自带位同步信号而采用的一种编码方法 曼切斯特编码通过跳变从信号波形中提取同步信号

差分曼切斯特编码 曼彻斯特编码第一节物理层基本概念和物理层下面的传输媒体第二节数据通信的基本知识第三节传输技术第四节信道复用技术第五节宽带接入技术第六节物理层接口标准举例 • 曼彻斯特编码、差分曼彻斯特编码已被某些局域网的标准采用 • 缺点： • 在每b的持续时间内将可能出现多达两次跳变，编码效率只有50%。

信道复用技术 2.4 频分复用、时分复用、统计时分复用；波分复用；码分复用频分复用、时分复用、统计时分复用 • 复用(multiplexing)是通信技术中的基本概念。信道 A1 A2 A1 A2 共享信道信道复用分用 B1 B2 B1 B2 信道 C1 C2 C1 C2 (a) 不使用复用技术 (b) 使用复用技术

用户在分配到一定的频带后，在通信过程中自始至终都占用这个频带。用户在分配到一定的频带后，在通信过程中自始至终都占用这个频带。频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源（请注意，这里的“带宽”是频率带宽而不是数据的发送速率）。频率频率 5 频率 4 频率 3 频率 2 频率 1 时间频分复用FDM

时分复用则是将时间划分为一段段等长的时分复用帧（TDM 帧）。每一个时分复用的用户在每一个 TDM 帧中占用固定序号的时隙。每一个用户所占用的时隙是周期性地出现（其周期就是 TDM 帧的长度）。 TDM 信号也称为等时(isochronous)信号。时分复用的所有用户是在不同的时间占用同样的频带宽度。时分复用TDM

A A A A TDM 帧 TDM 帧 TDM 帧 TDM 帧 TDM 帧时分复用TDM 频率 A 在TDM帧中的位置不变 B C D B C D B C D B C D … 时间

B B B B TDM 帧 TDM 帧 TDM 帧 TDM 帧 TDM 帧频率 B 在TDM帧中的位置不变 A C D A C D A C D A C D … 时间

C C C C TDM 帧 TDM 帧 TDM 帧 TDM 帧 TDM 帧频率 C 在TDM帧中的位置不变 A B D A B D A B D A B D … 时间

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