第3章 物理层幻灯片.ppt

第3章 物理层 3.1物理层的基本概念 物理层考虑的是怎样才能在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流，而不是指连接计算机的具体物理设备或具体的传输媒体。现有的计算机网络中的物理设备和传输媒体的种类非常繁多，而通信手段也有许多不同方式。物理层的作用正是要尽可能地屏蔽掉这些差异，使物理层上面的数据链路层感觉不到这些差异，这样就可以使数据链路层只需要考虑如何完成本层的协议和服务，而不必考虑网络具体的传输媒体是什么。用于物理层的协议也常称为物理层规程（Procedure），物理层规程也就是物理层协议。 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： （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、固定和锁定装置等等。 （2）电气特性 指明在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。 在物理连接的传输方式上一般都是串行传输传输，即一个一个比特按照时间先后顺序传输，但是，有时也可以采用多个比特的并行传输方式，处于经济上的考虑，远距离传输通常都是串行传输。 3.2数据通信的理论基础 3.2.1傅立叶分析 通信线路上传送的数据是以电信号的形式传送的，如果在传输介质上直接传送数字信号，则形成电压脉冲序列。这些电压脉冲序列都是时间的单值函数，它们包含的谐波分量可以用傅立叶级数表示其特征并进行分析，以便了解信道包含的带宽以及对信号提出的要求。 一般来说，基频为f的任意周期函数g（t）都可表示为无限个正弦函数和余弦函数之和，即：  如果单个矩形脉冲的幅度为A，宽度为τ，在时间轴两边对称，这样的矩形脉冲通过傅立叶变换，将时间函数变为频率函数，经推导可得出如下关系： 3.2.2有限带宽信号 信道上传输的信号可以看为不同字符编码脉冲的二进制比特流。现在以传输ASCII字符b编码脉冲信号为例，说明信道的通过能力。图3-1（a）左边示出了该编码的电压脉冲波形，该信号的傅立叶分析系数计算如下： 各次谐波振幅可用求得，此值的最小几次谐波振幅如图3-1（a）右边所示。各次谐波的能量与该次谐波的振幅成正比。 传输信号的信道不是理想的，它对所传信号所含的各次谐波分量通过的能力不同：有些谐振波分量通过了；有些衰减了，或衰减很大；还有些谐振波分量甚至不能通过。另外，不同谐波相位延迟也不同。也就是说，信道对所传信号各次谐波的振幅作了不等量的衰减传送及相位延迟不同，引起了信号波形的失真。因此要能保证信号传送的质量，信道的频带要适应或高于信号本身的频带。 图3-1 一个二进制信号和它的均方根傅立叶振幅 (b)～（e）原信号的相继近似 表3-1 信道数据率与通过谐波数的关系 3.2.3数字通信系统 1．数字通信系统的组成 （1）组成 有一些信源的信息本来就是离散的，如电报符号和数据等。所谓离散消息也称为数字信息，其信息的状态是可数的，不随时间作连续变化，最简单的一种数字信号如图3-2所示。 图3-2 数字信号 图3-3 数字通信系统 （2）数字通信的特点 优点 ①抗干扰能力强，尤其是数字信号通过中继再生后可消除噪声积累,理论上数字信号可以传送无限远。 ②数字通信可以通过差错控制编码，提高通信的可靠性。 ③由于数字信号传输一般采用二进制码，使用计算机对数字信号进行处理。数字通信可以完成计算机之间的通信，实现复杂的距离控制，例如由雷达、数字通信、计算机及导弹系统组成的自动化防空系统。 ④数字通信系统可以传送各种消息（模拟的和离散的），使通信系统灵活、通用，因而可以构成信号处理、传送、交换的现代数字通信网。 ⑤数字信号易于加密处理，所以数字通信必威体育官网网址性强。 另外，数字通信系统还具有集成化、体积小、重量轻、可靠性高等优点。 缺点 数字通信较突出的缺点是比模拟通信占带宽，如一路模拟电话占4kHZ带宽，而一路数字电话约占20～64 kHZ的带宽。由于卫星通信和光纤通信的工作频率带宽可达几十兆赫、几百兆赫甚至更高，所以数字通信占用频带宽的矛盾可以得到解决。 2．数字通信系统的主要技术指标 （1）信道最大数据传输率（尼奎斯特定理） 早在1924年，尼奎斯特（H·Nyquest）推导出非理想有限带宽无噪声信道的最大数据传输率的表达式。一任意信号通过带宽为H的低通滤波器时，如果对被通过的信号每秒采样2H次，将采样值经过量化、编码然后变为矩形脉冲传送，在接收端依据接收的采样脉冲的编码值就可完整地重现这个滤波的信号，取更高的采样频率对恢复原波形已无意义，因为信号的高频分量已被滤波器滤掉，无法再恢复了。如果被传信号电平分为V级，尼奎斯特定理限定的最高数据率Rb为：