通信企业管理章物理层与数据通信基础精编.docx
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通信企业管理章物理层与数据通信基础精编
（通信企业管理）章物理层与数据通信基础
第2章物理层和数据通信基础
知识要点：
·基本概念：
模拟、数字，数据、信号，数据通信模型，噪声。
编码，调制/解调，MODEM。
信号传输速率，数据传输速率，信噪比，香农定理。
衰减，失真，噪声，干扰，差错及其和传输距离和传输速率的关系。
模拟传输系统和数字传输系统。
全双工和半双工，基带传输和宽带传输，点到点连接和多点连接。
·传输介质：
有线介质——双绞线、同轴电缆、光纤。
无线介质——微波、卫星、蜂窝无线通信。
·信道复用技术：
FDMA，TDMA，WDMA，CDMA。
·数据交换技术：
电路交换，报文交换，报文分组交换。
·同步技术：
比特同步，幀同步。
·差错和差错纠正：
前向纠错和纠错码，自动重发纠错和检错码，CRC。
·物理层标准举例：
EIARS-232，EIARS-449，X.21。
2．1数据通信的基本概念
1、信息、数据、信号、通信及数据处理通信系统基本组成
数据是信息的形式表示。
于计算机科学中，数据是信息的编码。
信号是数据的电子或电磁编码。
通信是将数据从源方传输到目的方，传输则是对信号的传送。
通信系统壹般组成模型方框图
通过模拟信道进行数据通信的模型
模拟数据：
幅值连续变化且可取无限多中间值的数据。
如语音、图象等。
数字数据：
幅值离散变化且不可取无限多中间值的数据。
如整数、二进制数据等。
模拟信号：
幅度随时间连续变化的电磁信号。
如正弦交流信号。
数字信号：
幅度随时间离散变化且固定的电磁信号。
如矩形脉冲信号。
2、信号的频域和传输特性
信号频谱：
将信号分解成多个正弦交流信号分量时，关联正弦交流信号之间的幅度、频率、相位关系。
信号的绝对频带：
信号频谱中最高频率成份和最低频率成份之差。
信号的有效频带：
为满足信号仍原需求而需要传输的信号频谱的最高频率成份和最低频率成份之差。
噪声和干扰：
差错及其和传输距离和传输速率的关系
中继和放大：
为克服信号于传输过程中的衰减，增加信号传输距离，于通信线路中往往需要设置将信号增强或仍原的设备，于模拟通信中使用放大器，于数字通信中使用中继器。
信噪比：
衡量热噪声对信号的干扰程度，其值=10ln（S/N）dB（分贝）
3、数据的表示和传输（四种组合）
●用模拟信号表示和传输模拟数据：
将模拟数据用占有壹定频带的模拟信号来表示和传输，可使用信号转换器（或加调制解调器）实现。
如语音通过电话系统的传输：
将声音转换成频率范围为20Hz-20KHz的音频电信号；因其主要能量集中于300Hz-3400Hz的范围，故截取该范围的信号放入模拟信道传输。
●用模拟信号表示和传输数字数据：
将数字数据调制到某壹频率的模拟电磁信号上，形成已调模拟信号后予以传输，使用调制/解制技术实现。
●用数字信号表示和传输模拟数据：
通过CODEC（编码解码器）将模拟信号经采样-量化-编码成数字信号后，再放入数字信道传输。
如图像、语音的数字传输。
●用数字信号表示和传输数字数据：
使用数字收发器将数字数据编码、变换成适合传输的数字信号后，再放入数字信道传输。
模拟传输和数字传输：
用模拟信道传输信号。
用数字信道传输信号。
模拟通信和数字通信：
完全采用模拟通信技术传输模拟数据。
采用数字化技术传输模拟和数字数据。
模拟传输和数字传输的主要比较
模拟信号传输和信号内容无关，所携带的能够是模拟数据，也能够是数字数据（通过MODEM调制的）；信号于传输过程中的衰减和干扰不会影响信号内容的完整性；其传输距离较远，成本较高。
数字信号传输和内容关联；信号传输过程中的衰减和干扰会影响信号内容的完整性；其传输距离较短，信号易衰减和失真，但成本较低，衰减和失真不累积、易消除，传输质量优于模拟传输。
4、信道和信道基本参数
信道：
信号的传输通道，包括传输介质和控制信号传输的机制。
适合传输模拟信号的信道称为模拟信道，适合传输数字信号的信道称为数字信道。
反映信道特性的基本参数有：
信道带宽W：
信道中允许有效通过的正弦交流信号的频率范围内。
当频率从零到无穷连续变化的等幅正弦交流信号通过信道时，信道对不同频率的信号将产生不同的衰减，对应信号功率衰减到壹半（信号幅度相应衰减到最大值的0.707倍）有壹个高频率点和壹个低频率点，二者之差即该信道的带宽。
低通信道：
信道带宽的下限=0
带通信道：
信道带宽的下限>0
码元速率：
信号每变化壹次对应壹个码元。
单位时间内信号变化的次数称为码元传输速率，用波特（baud）为度量单位，故又称波特率。
数据传输速率：
单位时间内于信道中通过的比特数，单位b/s。
它和波特率的关系为：
数据传输速率（b/s）=码元传输速率（baud）×log2（信号状态数）。
信道容量：
信道的最大数据传输速率。
误码率：
错码数和传送的位数之比。
数据传输时延=数据发送时间+信号传播时延
信道吞吐量：
信道上单位时间所传送的数据量。
理想无噪音低通信道的最大码元速率=2W
理想无噪音带通信道的最大码元速率=W
香农公式：
有噪音信道的最大数据传输速率（b/s）=Wlog2（1+S/N）
5、信道通信方式：
（1）传输方向
单工：
A和B之间的通信只能单向进行。
半双工：
A和B之间可于不同时间从任壹方向另壹方分时通欣。
全双工：
A和B之间能够同时双向通信。
（2）信号变换
基带传输：
不改变待发送信号的基本频率属性而直接于信道中传输。
对于数字通信即将数字信号直接于信道中传输。
频带传输：
用频率较高的模拟电磁信号作为载波，用待发送信号对载波调制后，由已调模拟信号携带着待发送信号于信道上传输。
对于数字通信，即用数字信号对模拟电磁信号进行调制（即频譜搬移），得到占有壹定频带的可频分复用的已调模拟信号，再送入信道传输。
（3）串行传输和且行传输
且行传输：
多位比特信号同时传输。
其速度快、效率高，但传输距离较近。
串行传输：
各位比特信号逐位传送。
其速度较慢，但传输距离远。
5、位同步和幀同步
（1）位同步
保证通信过程的接受方能正确地检测到每壹个位的值。
异步接收
外同步
自同步
（2）幀同步
保证通信过程的接收方能正确地知道所接收信号中壹个比特组（数据幀）的起始时间和终止时间，即保证和数据发送方的同步。
串行通信使用以下俩种方法。
异步传输：
将待传送数据以字符为单位，每个字符均加入起始位、结束位等控制信息后独立传输。
其实现简单，但效率较低、速度较慢。
同步传输：
将待传送数据以数据块为单位（报文或分组）成批传送，块内各字符或字节不再独立地加入控制信息，而是于块的前后各加入同步标志指示块的起始和终止。
其传输效率和速度高，但控制较复杂。
同步传输方式的主要类型有：
面向字符、面向比特、字节计数、反常编码等控制方式。
2．2信号编码技术
1、数字信号→模拟信号
使用调制解调器实现，可用的调制方法：
幅移键控法ASK：
用某壹频率正弦交流信号（载波）的俩个不同振幅值（如零振幅和壹个非零恒定振幅）表示“0”和“1”。
ASK的成本低，但抗干扰能力差、效率低且数据率较低，实际较少使用。
频移键控法FSK：
用对称于载波频率附近的俩个不同频率的等幅正弦交流信号表示“0”和“1”。
其抗干扰能力较强，信号传输质量较好。
相移键控法PSK：
用某壹频率正弦交流信号（载波）的不同初相位值表示“0”和“1”。
其抗干扰能力强，信号传输质量好，尤其是能够方便地实现多元调制，以于信道波特率不变的前提下提高信息传输速率。
如下面的信号定义即可同时传送2位二进制信号。
s（t）=Acos（2πfet+45°），当位为11时，
Acos（2πfet+135°），当位为10时，
Acos（2πfet+225°），当位为01时，
Acos（2πfet+135°），当位为00时，
正交调制QAM：
同时用某壹频率正弦交流信号的不同振幅和相位的组合，可更好地实现同时传送多位二进制信号，现代高速MODEM壹般使用该方法。
2、数字信号→数字信号
（1）不归零倒相制（NRZI）编码
信号仅于俩个相邻比特周期的交接点处才回到或经过零电平；用每壹比特周期开始位置信号是否倒相分别表示代码“0”和“1”。
其倒相信号可用于自同步且所需波特率不大于比特率，但当连续传送不倒相代码时容易失去同步和积累直流分量而不利于传输。
（2）曼彻斯特编码
属自同步编码，用每个比特周期的中间点的正、负跳变分别表示代码“0”和“1”，此跳变同时又作为时钟同步信号。
其同步性能好、无直流分量且易于实现，但所需波特率是比特率的俩倍。
（3）差分曼彻斯特编码；
差分曼彻斯特编码是曼彻斯特编码的修改，将比特周期中点的跳变只作为时钟同步信号，用比特周期开始时信号是否倒相分别表示代码“0”和“1”。
（4）mBnB编码（n>m）
高速网络不适用曼彻斯特编码，因其所需波特率太高，往往使用mBnB编码或再接合三元编码。
将原始数据每m位分为壹组，按某种规则选择n位二进制编码中的2m种组合表示，然后使用类似NRZI等码型编码传输，使其所需波特率值降为等于比特率的（n/m）倍。
其选择规则主要应考虑自同步和直流分量的要求，如FDDI即使用4B5B码。
三元编码即用信号的三种状态（如正、负、零电平）进行编码，可进壹步减少所需带宽。
3、模拟信号→数字信号
使用脉冲代码调制（PCM）技术将模拟数据经采样-量化-编码后转换成数字编码信号，其实现基于奈奎斯特采样定理。
奈奎斯特采样定理：
若表示模拟数据的模拟信号的最高有效频率为fmax，则只要采样频率ft≥2fmax，其采样信号即包含了原始数据的全部信息，可从中恢复原模拟数据。
例：
对语音信号的采样，如取其最高有效频率为4000HZ，则每秒只需采样8000次。
若每次采样值用7位二进制编码量化，则传输壹路语音信号所需带宽为56Kb/s。
4、模拟信号→模拟信号（现代计算机网络教程P24）
5、扩频编码（现代计算机网络教程P24）
2．3多路复用技术
信道容量往往大于单个用户的需求，此时壹条信道可由多个用户共享使用，称为多路复用，从而提高信道使用效率和系统传输速率。
常用技术有频分多路复用（FDM）、时分多路复用（TDM）、波分多路复用和码分多路复用（CDMA）。
FDM：
当信道带宽大于壹路信号的传输需求时，将信道总频带分成若干个子信道，对多路信号用不同的载波调制，同时于信道中且行传输。
此时，多个用户于同壹时间占有不同的带宽资源。
它基于模拟信号传输。
TDM：
当信道速率大于壹路信号的传输需求时，将信道工作时间分成若时隙，不同时隙可传输来自不同用户的信号。
若各时隙固定分配给不同用户，称同步DTDM；如果是动态分配则称为异步STDM。
TDM的实质是使多个用户于不同时间占有相同的带宽资源，即分时共享。
它基于数字传输。
波分复用：
即光的频分复用，基于光纤通信。
（谢希仁P85）
码分复用（CDMA）：
基于直接序列扩频通信技术，抗干扰能力和保密性很强，可实现多个用户于同壹时间使用同样的频带通信，但实现复杂、占用频带宽、成本较高，主要用于无线LAN。
基本方法：
①将每壹个比特时间进壹步分成m个短的时隙，每个时隙称为壹个码片，m壹般取64或128。
②系统中的每壹个站点分配壹个唯壹的mbit码片序列。
③用码片序列的原码表示比特1，用用码片序列的反码表示比特0。
④书写时，将码片序列中的代码1写作+1，代码0写作-1。
对码片序列的要求：
①系统中各站点的序列必须各不相同；②任意俩个站点的码片序列均必须互相正交，即其内积为零；各码片序列的反码也均必须互相正交③每壹码片序列和其自身的内积（规格化内积）均是1；④每壹码片序列和其自身反码的内积（规格化内积）均是-1。
其工作过程基于①系统中所有站点发送的码片序列均是同步的；②信号叠加原理。
2．4、数据交换技术
通信网络根据网络结构的不同可分成交换式和广播式俩类。
广播通信网为广播式发送，不需要中间节点的介入和路由选择，为LAN广泛采用。
交换式通信网由若干个网络节点组成点到点的结构，数据的传送从源节点开始，经若干中间节点的交换（转发）到达目标节点。
按实际的数据传送技术，交换式通信网可分为线路交换网和分组交换网，后者又有虚电路和数据报俩种方式。
1、线路交换
主要技术特点：
其通信过程分成三个阶段：
①建立连接。
源节点发出建立连接请求，经多个中间节点接力式地选择路径和分配链路直到目标节点，建立壹条端到端的专用物理连接。
②数据传输。
所有数据均通过此专用连接直接传输。
③释放连接。
数据传输结束后，通过释放请求释放所占用的资源。
主要优点：
①交换设备和操作较简单；②壹旦建立连接后，网络对用户的透明度很高—数据速率快且固定、不会失序、延迟低且变化小。
因此，适合于实时或交互式通信，如语音等。
主要缺点：
①建立连接的时间较长，对于少量数据传送资源浪费较大；②由于连接是专用的，对于具有突发性特点的数据通信而言，其使用效率很低且公平性差。
2、存储转发
主要技术特点：
要求各交换节点设备必须是智能的，途经的各中间节点对报文予以接收、存储，再选择适当的方向转发，直到目标节点。
主要优点：
①所有链路均是分时共享的，使效率大大提高且比较公平；②对于线路交换，当网络负载很重时将拒绝新的连接建立请求，存储转发则仍可接收报文，只是报文的传送时延将增加；③能够提供速度和代码转换，差错校验，建立报文优先级等功能。
主要缺点：
报文经过网络的时延较长且且变化较大。
3、分组交换：
基于存储转发，且试图接合线路交换和存储转发的优点。
它以存储转发为基础，给所传输数据单位的长度规定了壹个上限，该数据单位即称为报文分组，长度超过给定上限的报文必须分解成若干个分组分别独立地传送。
分组交换网的交换方式有数据报和虚电路俩种。
（1）数据报分组交换
主要技术特点：
进行数据传输之前不需要建立连接，源站随时可将数据组装成分组予以发送。
每个分组完全独立地传送，故均必须含有源和目标地址等完整的控制信息，且且不能保证属于同壹报文的不同分组按序到达。
主要优点：
除了具有存储转发的所有优点外，仍有①比较灵活且可靠性较好，当网络某壹局部故障时，报文可临时转往其它方向传送。
②能够方便地多目标接收。
③属于同壹报文的不同分组能够且行传送。
④通信前不需要建立连接，对于壹次只传送少量分组的情况效率较高，适于壹般的数据传输。
主要缺点：
除了具有存储转发的主要缺点外，每壹分组均必须含有完整的控制信息会影响效率。
（2）虚电路分组交换
主要技术特点：
通信过程类似于线路交换，但建立的连接是由若干段逻辑链路组成的逻辑连接，仍然基于存储转发和分组交换。
于数据传送阶段，每壹分组中不再需要含有完整的目标地址等控制信息，而只需要携带较短的逻辑连接号即可。
主要优点：
除了具有存储转发的所有优点外，相对于数据报分组交换的其它优点是①壹旦建立连接后，分组的传送不会失序、延迟变化小。
②对于壹次传送大量分组的情况效率较高，适于实时或交互式通信。
主要缺点：
除了具有存储转发的主要缺点外，建立连接的时间较长，对于少量数据传送效率较低；对系统故障的适应能力差。
2．5差错校验和纠正技术
1、基本方法
信道的噪声和干扰会使数据于传输过程中出错，检测和纠正的基本方法有俩类：
FEC（前向纠错）。
基于纠错码，发送方使用某种纠错码对待发送数据进行编码后再予以发送，接收方使用同壹种纠错码对所接收的数据进行检错，如有差错则自行定位纠正。
典型的纠错码如海明码。
此法可不需重发数据，但需要设置的校验位较长，对于误码率不是很高的情况效率较低。
ARQ（自动请求重传）。
基于检错码，广泛用于数据通信，其基本原理为：
●发送方用某种检错码对待发送数据进行编码后再予以发送，且将数据暂存到缓冲区；
●接收方使用同壹种检错码对所接收的数据进行检错，若正确向发送方返回确认应答ACK，否则丢弃所接收的数据且返回否认应答NAK，请求对方重新发送。
●发送方若收到ACK，则过程结束；若收到NAK，则重发数据直到被正确接收。
2、CRC（循环冗余码）校验码（谢希仁P50）
数据通信中常用的检错码，其基本原理为：
●循环冗余码的定义：
信息的纠错编码是由若干信息位连接若干校验位构成的码字。
壹种编码，如果它的任意俩个码字的对应位作模2加，得到的仍是其码字，则称为线性码。
如果对线性码的码字循环右移壹位所得的仍然是此线性码的码字，则称此线性码为循环冗余码。
●CRC检错原理：
将m位的帧的每壹位见作壹个（m-1）阶多项式M（x）中各项的系数，收发双方共同使用壹个r阶的生成多项式G（x），用G（x）去除M（x）得余数多项式R（x），该R（x）对应的比特串称为校验和，将R（x）连接到M（x）之后即得到含校验和的传输编码对应的多项式T（x）。
接收方对所收到的T（x）用G（x）去除，若能除尽则无差错，否则为传输出错。
●CRC编码过程：
设G（x）为r阶，于M（x）对应的比特串后加入r个零，使其长度成为（m+r）位，对应多项式为xrM（x）。
用G（x）对应的位串对xrM（x）作模2除，得余数位串，对应R（x）。
按模2减法从xrM（x）对应的位串中减去余数位串，结果就是含校验和的CRC编码，对应T（x）。
例：
设需传送的壹个HDLC帧的信息字段为I=11001011011，地址字段为A=10001000，控制字段为C=00111011，其生成多项式为G（x）=x4+x+1，试求出CRC校验码。
计算
10010011011000011000000000
10011100010000011101111010110110000
得余数1000，则CRC编码码为100010000011101111010110111000。
2．6传输介质（谢希仁P25）
传输介质分为俩类：
有线介质，无线介质。
常用有线介质有三种：
双绞线、同轴电缆和光纤。
常用无线介质有：
无线电、地面微波、红外线、卫星信道等。
对于有线介质，主要关心下表所列特性。
其中，连通性指适用于多点连接或点到点连接；传输特性指适于传输模拟信号或数字信号或其它。
1、有线介质
常用有线介质的特性描述和比较
双绞线
（UTP，STP）
同轴电缆
基带（50Ω），宽带（75ΩCATV）
光纤
（多模，单模）
物理描述
壹对交纽的绝缘导线
内导体→绝缘层→外屏蔽金属层
多对光纤组成光缆
传输特性
可传送模拟信号和数字信号
基带电缆传输数字信号，宽带电缆传输宽带模拟信号
光波调制传输，高带宽，低损耗，单向性
连通性
壹般点到点，也可多点
基带多点，宽带点到点
点到点
地理范围
几百米之内
基带几km，宽带几十km
多模几km，单模十几km
抗干扰能力
较差
较好
最好
相对价格
较便宜
较高
最高
（1）双绞线：
有非屏蔽（UTP）和屏蔽的俩种，数据通信使用由多对双绞线再次绞合组成的UTP双绞线电缆。
UTP又分为3类（10Mb/s），4类（16Mb/s），5类（100Mb/s）等。
（2）同轴电缆有基带和宽带俩种，前者的特征阻抗为50Ω，后者为75Ω，使用时必须于电缆俩端连接对应阻抗的匹配头。
宽带同轴电缆的带宽可达300-450MHZ，壹般用FDM分成多个子信道。
（3）光纤有多模和单模俩种，必须成对使用，壹般由多对组成光缆，其带宽可达到几十Gb/s且衰减很小，传输质量很高。
多模光纤基于光的不断反射作用向前传送光信号，其损耗较大、传输距离较短、速率较低，但成本较低，多用于园区网。
单模光纤中的光线则主要沿着光纤的轴线传送，故其损耗小、传输距离远、速率高，但成本较高，主要用于远程主干通信。
2、无线介质
地面微波（含移动通信）：
带宽大、灵活、通信质量较高。
保密差、气候干扰大。
卫星信道：
带宽大、距离远、成本低、通信质量高、特性稳定。
传播时延大（上行加下行壹般取270ms）。
2．7物理层（谢希仁P40）
1、物理层主要功能
物理层协议主要包括机械、电气、功能和规程特性。
机械特性主要定义物理接口的规格、尺寸、引脚排列等；电气特性规定信号电平、速率、传输距离等；功能特性定义接口各引脚的信号、功能等；规程特性则定义各信号的工作规则和时序关系。
2、典型物理层协议（谢希仁P40）
EIARS-232-C（对应CCITT的V.24）
EIARS-449/422/423
CCITT的X.21
前二个标准用于模拟信道，X.21用于数字信道。
附：
数据通信基础知识：
数据通信基础知识：
数据通信是指通过数据通信系统将数据以某种信号形式从壹处安全可靠地传送到另壹处。
1．信道----指信号传输的媒质，这些媒质如：
架空明线、电缆、中长波地表波传播、短波电离层反射、超短波电离层绕射、微波传输、光导纤维--------------------等。
2．通信系统的模型3-1：
信息源发送设备信道接收设备受信者（信宿）
噪声NoiseS/N信噪比DB分贝
3．数据：
有意义的实体或者运载信息的物理符号。
数据涉及到事物的形式，而信息涉及到这些数据的内容和解释。
它能够分为：
模拟数据（于壹个区间里面取连续值，如声音、图象、温度、压力等等）和数字数据（取离散值，如文本，整数、二进制序列等）。
4．信号：
是数据的表现形式，它使得数据能以某种适当的形式于介质上传输。
它壹般以电磁波的形式存于，能够分为模拟信号和数字信号（信号的取值是离散的）。
5．传输：
用电信号把数据从发送端送到接收端的过程。
信号于传输过程中会衰减和畸变。
能够分为数字传输和模拟传输。
具体到数字信号和模拟信号，可有4种传输，即数字信号和模拟信号的模拟传输，数字信号和模拟信号的数字传输。
也能够分为基带传输和频带传输。
6．基带信号：
指调制前的信号，或者称为未调制的信号，它能够直接于线路上传输，如高、低电平直接传输，于使用数字信号传输数据时，如果不调制，数字信号要几乎占满整个带宽。
基带信号传输时，首先要解决信号的编码问题，而不是单纯用高低电平表示1和0，为什么？
因为很难同步，无法区分。
见P43图3-8。
7．频带信号：
将基带信号调制后的信号。
它往往占有有限的带宽，于整个频率范围内各个频带信号的位置和载波的频率有关。
8．宽带信号：
把多路基带信号、音频信号、视频信号调制到壹条电缆的不同频率处所形成的信号，它能够提高线路的利用率。
9．单工、半双工和全双工通信
10．波特率B：
也称为调制速率或码元速率，参见Nyquist定理，课件p37
11．信道的极限信息传输率C：
即每秒钟传输的信息量，也就是我们说的带宽。
12．俩者的关系：
C=Blog2N
13．信道容量：
信道能够传输的最大的数据传输率。
包括了Nyquist和Shanon的理论，其中壹个是关于无噪声信道的，壹个是关于有噪声信道的。
14．信道的传播速率：
信号于单位时间里传送的距离，单位为m/s,和传输媒体有关。
15．吞吐量：
是信道或者网络性能的壹个参数，它等于信道于单位时间里成功传输的总的信息量。
16．误码率：
又称出错率，指错误接受的码元数占传送的总的码元数的比例，壹般要求小于百万分之壹。
17．参见P53页图3-18，了解调制解调器的速率
18．通信的方式：
串行和且行、同步（每次传送壹个数据块）和异步（壹次传输壹个字符，应用于简单、低速场合，每个字符有2-3位的额外开销，用于同步和停止）
19．网络中的数据交换方式：
电路交换、报文交换和分组交换，参见课件P7图1-5
20．关于多路复用技术：
传输介质的能力壹般均超过传输单壹信号的情况，为了有效地利用传输系统，人们希望通过同时携带多个信号来高效地传输信号，此即多路复用。
多路复用有多种形式，最常见的是TDM（数字信号传输）和FDM（模拟信号传输）.仍有WDM,CDMA等。
21．脉冲编码调制（PCM,PulseCodeModulation）将模拟信号的
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