第3 讲 物理层与数据通信接口
移动通信理论与实战第3章 移动通信的物理层处理技术
分集技术
概念
多路不相关的衰落路径传送相同的信号并合并
目标：
降低多径衰落的影响，改善传输的可靠性
技术的关键问题：
如何得到（产生）多路信号? 如何合并多路信号?
本质：
对同一信号在不同时间、频率、空间、极化方向的过采样
分集原理
各独立信号传播路径同时经历深度衰落的概率很低
所谓分集接收，是指接收端对它收到的多个衰落特性互相独 立(携带同一信息)的信号进行特定的处理，以降低信号电平 起伏的办法。
OQPSK
I信道和Q信道的两个数据流，每次只有其中一个可能发生极性 转换。输出的OQPSK信号的相位只有±π跳变，而没有π的相位跳变， 则经滤波及硬限幅后的功率谱旁瓣较小。
QAM
MQAM正交振幅调制
一种幅度和相位联合键控的调制方式
sMQAM
Amcosct B m sinct
Am Bm
空空山山不不见见人人 但但闻闻人人语语声声 返返景景入入深深林林 复复照照青青苔苔上上
？？？？
传输
空但返复空但返复 山闻景照山闻景照 不人入青不人入青 见语深苔见语深苔 人声林上人声林上
突发错误
解码
空空山？？不见见人？ 但但闻？？人语语声？ 返返景？？入深深林？ 复复照？？青苔苔上？
去交织
空但返复空但返复 山闻景照？？？？ ？？？？不人入青 见语深苔见语深苔 人声林上？？？？
信道编码
作用：
增加符号间的相关性，以便在受到干扰的情况下恢复信号
差错控制方式
检错重发（ARQ）：只检不纠，错则重传 需要反馈信道，译码设备简单，对突发错误和信道干扰较严重时有 效，但实时性差，主要应用在计算机数据通信中。
前向纠错（FEC）：自动纠错，能力有限 单向传输，实时性好，传输效率高，但译码设备较复杂。这种纠错 方式广泛应用于移动通信设备中
第3章-物理层1
2021/4/4
11
4．通信方式（领会）
• 串行数据通信的方向性结构有三种，即单 工、半双工和全双工。
发送 设备
数据流
通信连接 (a) 单工
接收 设备
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3.3.2模拟数据通信和数字数据通信
• 数据——传输信息的实体，可定义为有意 义的实体，它涉及事物的存在形式。数据 可分为模拟数据和数字数据两大类（识记）
第三章 物理层
主讲老师：李维
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1
3.3 数据通信技术 3.3.1通信信道
• 数据通信的任务是传输数据信息，希望达 到传输速度快、出错率低、信息量大、可 靠性高，并且既经济又便于使用维护。这 些要求可以用下列技术指标加以描述。
✓数据传输速率 ✓信道容量 ✓误码率 ✓通信方式
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✓例如：ASCII编码、BCD编码等
• 数据编码：将数据用物理量表示的方法
✓例如：字符“A”的ASCII编码为01000001，其数 据编码可能为
01000001
t
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• 信息通过数据通信系统进行传输的过程（领会）
✓ 把携带信息的数据用物理信号形式通过信道传送到目的地
• 信息和数据（二进制位）不能直接在信道上传输
2
1．数据传输速率（简单应用）
• 所谓数据传输速率，是指每秒能传输的 二进制信息位数，单位为位／秒，记为 bps或b/s，它可由下式确定：
R=(1/T).log2N(bps)
✓式中T为一个数字脉冲信号的宽度,单位为秒。 ✓N为一个码元所取的有效离散值个数,也称调
制电平数,N一般取2的整数次方值。
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数据通信-OSI参考模型教案
《数据通信技术》课堂教学教案
数据解封
3.OSI 七层协议的功能
物理层：
物理层建立在物理通信介质的基础上，作为系统和通信介质的接口，用来实现数据链路实体间透明的比特（bit，01二进制数）流传输，只有该层为真实物理通信，其它各层为虚拟通信。
物理层实际上是设备之间的物理接口，物理层传输协议主要用于控制传输媒体。
简单来说物理层确定物理设备接口，提供点－点的比特流传输的物理链路。
数据链路层：
数据链路层为网络层相邻实体间提供传送数据的功能和过程；提供数据流链路控制；检测和校正物理链路的差错。
物理层不考虑位流传输的结构，而数据链路层主要职责是控制相邻系统之间的物理链路，传送数据以帧为单位，规定字符编码、信息格式，约定接收和发送过程，在一帧数据开头和结尾附加特殊二进制编码作为帧界识别符，以及发送端处理接收端送回的确认帧，保证数据帧传输和接收的正确性，以及发送和接收速度的匹配，流量控制等。
简言之数据链路层利用差错处理技术，提供高可靠传输的数据链路。
网络层：
网络层控制分组传送操作，即路由选择，拥塞控制、网络互连等功能，根据传输层的要求来选择服务质量，向传输层报告未恢复的差错。
网络层传输的信息以报文分组为单位，它将来自源的报文转换成包文，并经路径选择算法确定路径送往目的地。
网络层协议。
物理层的接口特性_计算机网络与通信(第2版)_[共3页]
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第3章 物 理 层31式中，n 是在一定时间内系统传输的码元总数；n e 是在相同时间内传输中产生差错的码 元数。
（2）误比特率。
在系统传输中发生差错的比特数占传输总比特数的比例称为误比特率。
记为n p n b b lim Ğ→= 式中，n 是在一定时间内系统传输的比特总数；n b 是在同一时间内传输中产生差错的比 特数。
对于二进制数据信号，误码率和误比特率相等。
而对于多进制数字信号，其误码率总是大于等于误比特率。
3.2 物理层概述3.2.1 物理层的基本概念物理层通常不是指连接计算机的具体物理设备，而是指在连接开放系统的传输介质上为上一层（指数据链路层）提供传送比特流的一个物理连接。
用OSI 的术语来说，物理层的主要功能就是为它的服务用户即数据链路层的实体在具体的传输介质上提供发送或接收比特流的能力。
这种能力具体表现为物理层要建立（或激活）一个连接，然后在整个通信过程中保持这种连接，当通信结束时，释放连接。
目前，可供计算机网络使用的物理设备和传输介质种类很多，特性各异，物理层的作用就在于要屏蔽这些差异，使得数据链路层不必去考虑物理设备和传输介质的具体特性，而只要考虑完成本层的协议和服务。
物理层的协议（面向通信的协议通常也称为通信规程）与具体的物理设备、传输介质及通信手段有关。
物理层的许多协议是在OSI 模型公布之前制定的，并为众多的厂商接受和采纳，当然这些物理层协议与OSI 的严格要求相比是有一定的差距的，因为它们既没有按照OSI 那样严格的分层来制定，也没有像OSI 那样将服务语言和协议规范区分开来。
因此，对物理层协议就不便利用OSI 的术语加以阐述，而只能将物理层实现的主要功能描述为与传输介质接口有关的4个特性,即机械特性、电气特性、功能特性和规程特性。
物理层就是通过这4个特性的作用，在数据终端设备（Data Terminal Equipment，DTE）和数据电路终接设备（Data Circuit-Terminating Equipment，DCE）之间，实现物理通路的连接。
计算机网络原理——物理层
105 106 双绞线 调幅 海事 无线电 无线电
107 同轴电缆
108
109
1010 卫星
1011 1012
1013
1014
1015 光纤
1016
地面微波
调频 移动 无线电 无线电 电视 HF VHF UHF SHF EHF THF
波段
LF
MF
地表 对流层 电离层 空间及视线
空间
26
物理层
微波通信
允许发送 振铃指示
物理层
TD DTR SG DSR RTS
CTS RI
16
RS-232-C的规程特性
• 过程特性指RS-232-C的各条控制线在下列不同情况下接通
（ON，逻辑0）和断开（OFF，逻辑1）的顺序：
• 建立物理连接 • 传输数据比特流 • 释放物理连接
PSTN
物理层
17
建立物理连接
• 当DTE-A要与DTE-B通信时，将DTR(20)臵为ON ，同时通过TD(2)向 DCE-A发送电话号码信号，请求与对方建立物理连接； • DCE-B将RI(22)臵为ON，通知DTE-B有呼叫到达。DTE-B将DTR(20)臵 为ON，DCE-B接着产生载波信号，并将DSR(6)臵为ON ，表示已准备好；
30
[例1]
•采用四相调制方式，即N=4，且T=833x10-6秒，则 S=1/T*log2N=1/(833x10-6)*log24=2400 (bps) B=1/T=1/(833x10-6)=1200 (Baud)
物理层
31
信道容量
1)信道容量表示一个信道的最大数据传输速率，单位：位/秒(bps) 信道容量与数据传输速率的区别是，前者表示信道的最大数据 传输速率，是信道传输数据能力的极限，而后者是实际的数据传输 速率。 2)离散的信道容量 奈奎斯特(Nyquist)无噪声下的码元速率极限值B与信道带宽H 的关系： B=2*H (Baud) ......⑸ 奈奎斯特公式--无噪信道传输能力公式： C=2*H*log2N (bps) ......⑹ 式中 H为信道的带宽，即信道传输上、下限频率的差值，单 位为Hz； N为一个码元所取的离散值个数。
计算机网络课后习题与解答讲解
本文所有的习题均来自教师上课布置的题目和书上，答案是一家之言，仅供参考。
第一章计算机概论1.术语解释计算机网络网络拓扑结构局域网城域网广域网通信子网资源子网2.计算机网络的的发展可以划分为几个阶段？每个阶段各有什么特点？3.以一个你所熟悉的因特网应用为例，说明你对计算机网络定义和功能的理解。
4.计算机网络如何分类？请分别举出一个局域网、城域网和广域网的实例，并说明它们之间的区别。
5.何为计算机网络的二级子网结构？请说明它们的功能和组成。
6.常用的计算机网络的拓扑结构有哪几种？各自有何特点？试画出它们的拓扑结构图。
7.计算机网络具有哪些功能？8.目前，计算机网络应用在哪些方面？第二章网络体系结构与网络协议1.解释下列术语网络体系结构服务接口协议实体协议数据单元数据封装数据解封装2.在OSI参考模型中，保证端-端的可靠性是在哪个层次上完成的？CA．数据连路层B．网络层C．传输层D．会话层3.数据的加密和解密属于 OSI 模型的功能。
BA．网络层 B．表示层 C．物理层 D．数据链路层4.O SI 参考模型包括哪 7 层？5.同一台计算机之间相邻层如何通信？6.不同计算机上同等层之间如何通信？7.简述 OSI参考模型各层的功能。
8.简述数据发送方封装的过程。
9.O SI 参考模型中每一层数据单元分别是什么？10.在 TCP/IP协议中各层有哪些主要协议？11.试说明层次、协议、服务和接口的关系12.计算机网络为什么采用层次化的体系结构？13.试比较 TCP/IP 模型和 OSI 模型的异同点。
计算机网络为什么采用层次化的体系结构？【要点提示】采用层次化体系结构的目的是将计算机网络这个庞大的、复杂的问题划分成若干较小的、简单的问题。
通过“分而治之”，解决这些较小的、简单的问题，从而解决计算机网络这个大问题（可以举例加以说明）。
2.81．用生活中的实例说明面向连接的网络服务与无连接的网络服务解析：面向连接的网络服务与无连接的网络服务就相当于生活中的电话系统和普通邮政系统所提供服务。
第3章 物理层
第三章
物理层
通信系统的质量指标
数据传输速率 bps 1Kbps=1000 bps 1Mbps=1000 Kbps 1Gbps=1000 Mbps 误码率 误码率= 发生错误bit数 传送的bit数
第三章
物理层
信源、信宿和信道
物理层协议的四个特性 机械特性 电气特性 功能特性 规程特性
第三章
物理层
3.4.2 常见的国际标准组织
国际标准化组织 ISO 美国电子工业协会 EIA 国际电报电话咨询委员会CCITT 国际电信联盟ITU 欧洲电信标准组织 电气电子工程师协会 IEEE IEEE802 ATM 论坛
第三章
物理层
1.不归零编码(Non-Return Zero，简称NRZ)
0 1 0 0 1 0 1 1
缺点：由于不能判断位的开始和结束，收发双方不能保持 同步因此必须使用另一个信道同时传送同步时钟信号
第三章
物理层
2．曼彻斯特(Manchester)编码
曼彻斯特编码将每比特信号周期T分为前T/2和后T/2，用前T/2 传送该比特的反（原）码，用后T/2传送该比特的原（反）码
并行通信：使用多个传输信道，有多个数据位同
时传输
b0 b1 b2 b3 b4 b5 b6 b7 b0 b1 b2 b3 b4 b5 b6 b7
适合近距 离通信
发送端
接收端
第三章
物理层
数据通信方式
（2）单工通信/半双工通信/全双工通信
单工通信：
A
B
数据只能在一个固定的方向上传送 eg 广播、电视信号
模拟信号 连续的，普遍存在于自然界
2.1数据通信的基础知识
程。 ❖ 调制：将数字数据转换成模拟信号。 ❖ 解调：将调制后的模拟信号还原为数字数据
的过程。
第十页，共五十七页。
常用 编码方法 (chánɡ yònɡ)
❖ 归零制：正脉冲代表1，负脉冲代表0 ❖ 不归零制：正电平代表1，负电平代表0
❖ 实现(shíxiàn)收发之间的同步技术是数据传输中的关键技术 之一，通常使用的同步技术有两种：
异步方式 同步方式
第二十八页，共五十七页。
异步传输方式
❖ 在异步传输方式中，每传送1个字符（7位或8位）都要在每个字 符码前加1个起始位，以表示字符代码的开始，在字符代码和校验 码后面(hòu mian)加1或2个停止位，表示字符结束。接收方根据起始 位和停止位来判断一个新字符的开始。从而起到通信双方的同步 作用。
量越多，那么(nà me)就可以用更高的速率传送码元而不 出现码间串扰。
第十八页，共五十七页。
理想(lǐxiǎng)低通信道的最高码元传输速率 = 2W Baud W 是理想(lǐxiǎng)低通信道的带宽，单位为赫(Hz)
能通过
0
W (Hz)
不能通过
频率(Hz)
❖ 每赫带宽的理想低通信道的最高码元传输 速率是每秒 2 个码元。
❖ 曼彻斯特编码：位周期中心的上跳变表示0，下跳 变表示1
❖ 差分曼彻斯特编码：位的开始边界有跳变上跳 变表示0，无跳变表示1
❖ 曼彻斯特编码产生的信号频率(pínlǜ)比不归零制高， 但曼彻斯特编码有自同步能力。
第十一页，共五十七页。
数据
0
1
00101 Nhomakorabea1
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成功源于不懈的努力，人生最大的敌人是自己怯懦
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2、
。0 6:36:42 06:36:4 206:361 1/12/2 020 6:36:42 AM
每天只看目标，别老想障碍
•
3、
。20.1 1.1206: 36:420 6:36Nov -2012-Nov-20
宁愿辛苦一阵子，不要辛苦一辈子
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4、
。06:3 6:4206: 36:420 6:36Thursday, November 12, 2020
空闲
时间 t
-15v
001011010
图 32.7 E3IA 42324的帧3 结2构 1 2 0000
图3.8 串行口属性的设置
拨号上网：两个 DTE 通过 DCE进行通信的例子
DTE-A
DCE-A
网络
DCE-B
DTE-B
EIA-232接口
调制解调器
调制解调器 EIA-232接口
概念测试题：
数据
接收 设备
（a）单工通信
发送
发送
设备
数据
设备
Hale Waihona Puke 接收接收设备
设备
（b）半双工通信
图 3.2 单工、半双工与全双工通信
发送
接收
设备 数据 设备
接收 数据 发送
设备
设备
（c）全双工通信
电话是哪种方式？单工，半双工，全双工？ 网卡是哪种方式？ 鼠标是哪种方式？ 打印机是哪种方式？
我们看一下第2章的常用接口
物理接口。 物理层只是将信息做为一串二进制数（比特流）
接收和发送，而不考虑信息的意义和结构。 它描述了硬件接口的机械、电气、功能的规定，
还定义电位的高低、变化的间隔、电缆和接头的 类型等。
物理层（接口）的四大特性，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。
3.2 数据通信的方式
1）串行与并行
并行（parallel）通信是指在多条并行的信道上同时进行传 输，一次可以传输一组数据。如图3.1左图中4条并行的信道 一次可以同时传4位数据。
• •
积极向上的心态，是成功者的最基本要素 5、
。20.1 1.1220. 11.120 6:36:42 06:36:4 2November 12, 2020
生活总会给你谢另一个谢机会，大这个机家会叫明天 6、
。2 020年1 1月12 日星期 四上午6 时36分 42秒06: 36:422 0.11.12
DCE (Data Communication Equipment)是数据 通信设备，它在 DTE 和传输线路之间提供信号 变换和编码的功能，并且负责建立、保持和释 放数据链路的连接。
计 TXD 算 RXD 机 GND
TXD RXD GND
外部 设备
图 3.5 计算机和外设通过串口的连接
传输媒介：双绞线
串行（serial）通信是指数据流在一条信道上一位接一位地 顺序传输，如图3.1右图所示。
发送 1
设备 并行 通信
0 2 0 3
接口 0
4
0
接收 设备 并行 通信 接口
发送 设备 串行 通信 接口
4321 0000
图 3.1 并行通信与串行通信
接收 设备 串行 通信 接口
打印机是哪种方式？并行还是串行？ 投影仪是哪种方式？并行还是串行？ 鼠标是哪种方式？并行还是串行？ 键盘是哪种方式？并行还是串行？ 网卡接口是哪种方式？并行还是串行？
D. 描述了硬件接口的机械、电气、功能的规定
3. EIA232串行口（COM口）属性中不需设置的是( )。
A．速率 B．数据位 C．奇偶校验 D．起始位
4. 计算机网络中各节点之间传输方式采用（ ）。
A. 连续方式 B. 分散方式 C. 串行方式 D.并行方式
5. 标准的EIA 232接口使用( )的连接器。
屏蔽双绞线 STP 非屏蔽双绞线 UTP 第五类双绞线：100Mbps，常用于以太网线
帧格式
发送的 0 基带信号
1
0
0
1
1
1
0
0
t
传输的信号是高低电平表示的，传输线路空闲状 态也是同样的电平表示的，怎么判别是否有信号 在传输？？
电平 v +15v
起
始 空闲 位
5-8 位数据
校 验 1-2 位 位 停止位
第3讲. 物理层与数据通信接口
本章重点
物理层的基本概念（功能等） 物理层的四大特性 数据通信的基本方式（串/并行，单/双工） EIA-232（COM） 接口标准 DTE和DCE
3.1 物理层的基本概念
物理层的功能是实现实体间的信息的按位传输。 物理层建立在传输媒介的基础上，实现设备间的
A．DB-11 B．DB-12 C．DB-25 D．DB-32
6.物理层的四大特性是机械特性、电气特性、____________
和
；
课后内容：
思考题：P20，2-1；P30，3-1~3
预习：第4章 下一讲：局域网技术
每一个成功者都有一个开始。勇于开始，才能找到成
•
1、
功的路 。20.11.1220.11.12Thursday, November 12, 2020
2）单工、半双工、全双工
单工通信（simplex）——只能有一个方向 的通信而没有反方向的交互。
半双工通信（half duplex）——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)。
全双工通信（full duplex）——通信的双方 可以同时发送和接收信息。
发送 设备
COM接口 USB接口 LAN接口 其他
3.3 EIA-232（COM） 接口标准
接口特性
机械特性：DB-25（标准），DB-9（常用） 电气特性：“1”—“-5V~-15V”，“0”， 接口速率：低速率（比特率） 功能特性和过程特性
DTE (Data Terminal Equipment) 是数据终端设 备，是具有一定的数据处理能力和发送、接收 数据能力的设备。
1.在同一个信道上的同一时刻，能够进行双向数据传送的通信方式是( )。
A．单工 B．全双工 C．半双工 D．上述三种均不是
2.以下关于物理层不正确的是（ ）。
A. 物理层指为用户提供的具体传输媒体
B. 物理层不负责传输的检错和纠错任务
C. 只是将信息做为一串二进制数（比特流）接收和发送，而不考虑信 息的意义和结构