第六章：物理层

一、数据通信基础

（一）数据通信基本概念

消息：人类能够感知的描述。

信息：消息中所包含的有意义的内容。

通信：在一点精确或近似地再生另一点的信息。

通信系统：能够实现通信功能的各种技术、设备和方法的总体。

信号：在通信系统中，信息在传输通道中传播的载体（电磁波、电流信号）。

信道分为狭义和广义，狭义：信号的传输介质。广义：不仅是传输介质，而且包括通信系统的一些转化装置。

（二）数据通信系统模型

数据通信系统的构成：任何一种通信系统的核心都应该包括信源、发送设备、信道、接收设备、信宿和噪声源等部分。

（1）信源：将消息转换为信号的设备，如电话机、摄像机、计算机等。

（2）发送设备：将信源产生的信号进行适当的变换的装置，使之适合于在信道中传输。变换的方式主要包括编码和调制。

（3）信道：信号传输的媒介，总体上可以分为有线信道和无线信道两大类，具体的类型包括双绞线、同轴电缆、光纤、大气层、外层空间等。

（4）接收设备：完成发送设备的反变换，即进行译码和解调，还原原始的发送信号。

（5）信宿：信号的终点，并将信号转换为供人们能识别的消息。

（6）噪声源：自然界和通信设备中所固有的，对通信信道产生干扰和影响的各种信号。噪声对通信系统是有害的，但又无法完全避免。

模拟通信和数字通信：

模拟信号的自变量：可以连续的，可以离散的。因变量：一定连续的。

数字信号的自变量：离散的。因变量：离散的。

数据通信方式：

（1）按数据传输的方向，可分为单工通信、半双工通信和全双工通信。

（2）按二进制数据传输的时空顺序分为并行通信和串行通信。

（3）按发送和接方对数据保持步调一致的措施分为异步通信和同步通信。

异步通信：发送字符，不需要建立同步时钟，实现简单，适用低速网络。

同步技术：发送数据块，双方建立同步时钟，实现复杂，适用高速网络。

二、物理介质

（一）导引型传输介质（有线信道）

应用：包括架空明线、双绞线、同轴电缆、光纤等。双绞线分为屏蔽双绞线（STP）和非屏蔽双绞线（UTP）。

优点：我们重点介绍下光纤与其他传输介质相比拥有的优点，

（1）光纤通信容量非常大，最高可达100Gbit/s。

（2）传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济。

（3）抗雷电和电磁千扰性能好。

（4）无串音干扰，保密性好，也不易被窃听或截取数据。

（5）体积小，重量轻。

（二）非导引型传输介质

根据电磁波频率、通信距离与位置不同，电磁波的传播可分为：地波传播（2MHZ以下）、天波传播（2~30MHZ）和视线传播（30MHZ以上）。

三、信道与信道容量

（一）信道

定义：信道是通信系统中连接发送端与接收端的通信设备，实现从发送端到接收端的信号传送。信道的定义区分为广义信道和狭义信道。狭义信道即信号传输介质，广义信道包括信号传输介质和通信系统的一些变换装置。

广义信道按照功能划分：调制信道和编码信道。

（1）调制信道：指信号从调制器的输出端到解调器的输入端经过的部分。

（2）编码信道：指数字信号由编码器输出端到译码器输入端经过的部分，包括所有变换装置与传输介质。

狭义信道可以分为有线信道和无线信道两大类。

（1）有线信道包括架空明线、双绞线电缆、同轴电缆、光纤等。

（2）无线信道利用电磁波在空间的传播来传输信号，包括视线传播、地波传播与天波传播等。

（二）信道传输特性

不同类型的信道对信号的影响差异较大：

随机参数信道（随参信道）：信号通过信道发生畸变是时变的。

恒定参数信道（恒参信道）：信号通过信道发生畸变是恒定的。

随机信道传输特性：大部分无线信道（依靠地波和天波传播的无线电信道）

（1）信号的传输衰减随时间随机变化。

（2）信号的传输时延随时间随机变化。

（3）存在多径传播现象。

恒参信道传输特性：各种有线信道和部分无线信道（微波视线传播链路）

（1）对信号幅值产生固定的衰减。

（2）对信号输出产生固定的时延。

（三）信道容量

定义：指信道无差错传输信息的最大平均信息速率。表征一个信道传输数据的能力。

（1）信道的带宽是指能够有效通过该信道的信号的最大频带宽度用码元速率（或符号速率）描述，单位是Baud。

（2）传输速率是信道单位时间内传输的码元（或符号）或信息的能力用传信率（或信息速率）来描述，单位是bit/s。

连续信道容量（调制信道）

奈奎斯特公式：理想无噪声（没有噪声的干扰）信道的信道容量为

香农公式：现实中理想无噪声信道几乎是不存在的，这时信道的信道容量为

其中C为信道容量单位是bit/s。B为带宽单位是Hz，S为输入信号功率，N为高斯白噪声的功率，S/N为信噪比是信号功率与噪声功率的比单位为分贝（dB）。

四、基带传输

（一）基带传输基本概念

在信道中直接传输数字基带信号，则称为数字基带传输，相应的系统称为数字基带传输系统。

基带信号：可分为模拟基带信号和数字基带信号。

基带传输：直接在信道传送基带信号。

数字基带传输：在信道中传输数字基带信号。

（二）数字基带传输编码（我们定义0为低电平，1为高电平）

正电平：+E、零电平：0、负电平：-E

单级不归零码（NRZ）该码中，0为零电平，1为正电平。“单级”是指该码只有一个极性（正极），“不归零”表示整个脉冲持续期间电平信号不会中途降为零电平。

双极不归零码该码中，0为负电平，1为正电平。

单极归零码（RZ）该码中，0为零电平，1为正电平。“归零”表示在脉冲持续的中间时刻电平信号会中途降为零电平。

双极归零码该码中0为负电平，1为正电平。“归零”表示在脉冲持续的中间时刻电平信号会中途降为零电平。

差分码该码中，若相邻脉冲有电平跳变则表示为1，无跳变则表示为0。跳变指电平出现相反变化。也可理解为保持波形即为0，改变波形即为1。

AMI码（信号交替反转码）该码中，0为零电平，1交替表示正电平和负电平，且“归零”。

双相码（曼彻斯特码）该码中，正（高）电平跳到负（低）电平表示1，负电平跳到正电平表示0，每个中间时刻都进行跳变。

差分双相码（差分曼彻斯特码）该码中，每个中间时刻都进行跳变，若本次周期开始时与上次周期结束时的电平信号相同则本次周期内表示为0，否则表示为1。

五、频带传输

（一）频带传输的基本概念

数字调制︰利用数字基带信号控制载波信号的特征参量，使载波信号的这些参量的变化反映数字基带信号的信息，进而将数字基带信号变换为数字通带信号的过程。

数字解调︰在接收数据端需要将调制到载波信号中的数字基带信号卸载下来，还原为数字基带信号的过程。

频带传输系统基本结构：通常将实现调制、传输与解调的传输系统称为数字频带传输系统。

（二）数字调制的基本方法

利用数字基带信号控制载波信号的某个(或某些)参数的变化。(利用O或1控制载波的幅值、频率或相位。)

幅移键控(ASK)∶调制载波的幅值。

频移键控(FSK)︰调制载波的频率。

相移键控(PSK)∶调制载波的相位。

（三）频带传输中三种调制方式

二进制数字调制、多进制数字调制、正交幅值调制（QAM）。

六、物理层接口规程

（一）主要任务

（1）在传输介质上实现无结构比特流的传输。

（2）规定数据终端设备（DTE）和数据通信设备（DCE）之间接口的相关特性。

DTE：数据终端设备，如计算机；

DCE：数据电路端接设备，如调制解调器。

物理层接口规范主要是对DTE设备与DCE设备之间的接口的定义。典型的物理层接口协议有IRDA物理层、USB物理层等。

（二）物理层接口特性

机械特性：指明通信实体间硬件连接接口的机械特点。

电气特性：规定了在物理连接上，导线的电气连接及有关电路的特性。

功能特性：指明物理接口各条信号线的用途。

规程特性：指明利用接口传输比特流的全过程，以及各项用于传输的事件发送的合法顺序。