南阳师范学院课时教学计划 章节 第二章 课题 物理层 计划课时数5学时 授课班级 掌握数据通信基本知识和通信模型 教 理解物理层的主要任务 学 理解奈奎斯特和香农定理的含义 目 掌握信道复用技术原理 的 了解宽带接入技术 教 数据通信基本知识和通信模型 学 物理层的主要任务 信道复用技术原理 点 教 学 数据通信基本知识和通信模型 难 信道复用技术原理 点 教 学 法 讲授和多媒体演示 手 段 备 注
南阳师范学院课时教学计划 章节 第二章 课题 物理层 计划课时数 5 学时 授课班级 教 学 目 的 掌握数据通信基本知识和通信模型 理解物理层的主要任务 理解奈奎斯特和香农定理的含义 掌握信道复用技术原理 了解宽带接入技术 教 学 重 点 数据通信基本知识和通信模型 物理层的主要任务 信道复用技术原理 教 学 难 点 数据通信基本知识和通信模型 信道复用技术原理 教 学 方 法 和 手 段 讲授和多媒体演示 备 注
教学内容 批注 第2章物理层 2.1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，而不是指具体的传输媒体。物理层的作用是要尽可能地屏蔽掉不同传 输媒体和通信手段的差异。 ■主要任务：确定与传输媒体的接口的一些特性。 机械特性：指明接口所用接线器的形状和尺寸、引线数目、固定装置等。 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。 2.2数据通信的基础知识 2.2.1数据通信系统的模型 一个数据通信系统包括三大部分：源系统（或发送端、发送方）、传输系 统（或传输网络）和目的系统（或接收端、接收方）。 ■信道一一般用来表示向某一个方向传送信息的媒体。 ·基带信号（即基本频带信号）一来自信源的信号。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。 ■基带调制：仅对基带信号的波形进行变换，称为编码(coding)。 ■带通调制：使用载波(carrier)进行调制，把基带信号的频率范围搬 移到较高的频段，并转换为模拟信号， 比特流1000100111 不归零制一 wu扣D口n 然七七正七光 数字信号常用的编码方式
教学内容 批注 第 2 章 物理层 2.1 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，而不是指具体的传输媒体。物理层的作用是要尽可能地屏蔽掉不同传 输媒体和通信手段的差异。 ◼ 主要任务：确定与传输媒体的接口的一些特性。 机械特性：指明接口所用接线器的形状和尺寸、引线数目、固定装置等。 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。 2.2 数据通信的基础知识 2.2.1 数据通信系统的模型 一个数据通信系统包括三大部分：源系统（或发送端、发送方）、传输系 统（或传输网络）和目的系统（或接收端、接收方）。 ◼ 信道 —— 一般用来表示向某一个方向传送信息的媒体。 ◼ 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。 ◼ 基带调制：仅对基带信号的波形进行变换，称为编码 (coding)。 ◼ 带通调制：使用载波 (carrier)进行调制，把基带信号的频率范围搬 移到较高的频段，并转换为模拟信号
教学内容 批注 ■从信号波形中可以看出，曼彻斯特(Manchester)编码和差分曼彻， 特编码产生的信号频率比不归零制高。 ■从自同步能力来看，不归零制不能从信号波形本身中提取信号时钟 频率（这叫作没有自同步能力），而曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编 码具有自同步能力。 (2)基本的带通调制方法 调幅(AM):载波的振幅随基带数字信号而变化。 调频（下）：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。 正交振幅调制QAM 人 由于4bit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4bit的编码。数据传输率可提高4倍。 2.2.3信道的极限容量 码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远，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。 限制码元在信道上的传输速率的因素有以下两个：a信道能够通过的频 率范围b信噪比 ·奈氏准则，在任何信道中，码元传输的速率是有上限，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。 香农，信道的极限信息传输速率C可表达为： C=Wlog2(1+S/N)(bit/s) ■频带宽度己确定的信道，如果信噪比不能再提高，并且码元传输速 率也达到了上限值，那么还有办法。就是：用编码的方法让每一个 码元携带更多比特的信息量
教学内容 批注 ◼ 从信号波形中可以看出，曼彻斯特 (Manchester) 编码和差分曼彻斯 特编码产生的信号频率比不归零制高。 ◼ 从自同步能力来看，不归零制不能从信号波形本身中提取信号时钟 频率（这叫作没有自同步能力），而曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编 码具有自同步能力。 (2) 基本的带通调制方法 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。 正交振幅调制 QAM 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。数据传输率可提高 4 倍。 2.2.3 信道的极限容量 码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远，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。 限制码元在信道上的传输速率的因素有以下两个：a 信道能够通过的频 率范围 b 信噪比 ◼ 奈氏准则，在任何信道中，码元传输的速率是有上限，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。 ◼ 香农，信道的极限信息传输速率 C 可表达为： C = W log2(1+S/N) (bit/s) ◼ 频带宽度已确定的信道，如果信噪比不能再提高，并且码元传输速 率也达到了上限值，那么还有办法。就是：用编码的方法让每一个 码元携带更多比特的信息量
教学内容 批注 2.3物理层下面的传输媒体 ■导引型传输媒体，电磁波被导引沿着固体媒体（铜线或光纤）传播。 ■非导引型传输媒体就是指自由空间。在非导引型传输媒体中，电磁 波的传输常称为无线传输。 ■双绞线 最常用的传输媒体。屏蔽双绞线STP(Shielded Twisted Pair,)带金属屏 蔽层。无屏蔽双纹线UTP(Unshielded Twisted Pair) ■同轴电缆 同轴电缆具有很好的抗干扰特性，被广泛用于传输较高速率的数据。同 轴电缆的带宽取决于电缆的质量。 ■光婚 光纤是光纤通信的传输媒体。传输带宽远远大于目前其他各种传输媒体 的带宽。 多模光纤：可以存在多条不同角度入射的光线在一条光纤中传输。这 种光纤就称为多模光纤。 单模光纤：若光纤的直径减小到只有一个光的波长，可使光线一直向前 传播，而不会产生多次反射。这样的光纤称为单模光纤。 光纤通信优点： (1)通信容量非常大。(2)传输损耗小，中继距离长。 (3)抗雷电和电磁干扰性能好。(4)无串音干扰，保密性好。 将自由空间称为“非导引型传输媒体”。 短波通信（即高频通信）主要是靠电离层的反射，但短波信道的通信质 量较差，传输速率低。 微波在空间主要是直线传播。传统微波通信有两种方式： a地面微波接力通信b卫星通信 ■无线局域网使用的SM频段 频带 292 3 烧 频率8照2名品2 2.4835 26
教学内容 批注 2.3 物理层下面的传输媒体 ◼ 导引型传输媒体，电磁波被导引沿着固体媒体（铜线或光纤）传播。 ◼ 非导引型传输媒体就是指自由空间。在非导引型传输媒体中，电磁 波的传输常称为无线传输。 ◼ 双绞线 最常用的传输媒体。屏蔽双绞线 STP (Shielded Twisted Pair),带金属屏 蔽层。无屏蔽双绞线 UTP (Unshielded Twisted Pair) ◼ 同轴电缆 同轴电缆具有很好的抗干扰特性，被广泛用于传输较高速率的数据。同 轴电缆的带宽取决于电缆的质量。 ◼ 光缆 光纤是光纤通信的传输媒体。传输带宽远远大于目前其他各种传输媒体 的带宽。 多模光纤 ：可以存在多条不同角度入射的光线在一条光纤中传输。这 种光纤就称为多模光纤。 单模光纤：若光纤的直径减小到只有一个光的波长，可使光线一直向前 传播，而不会产生多次反射。这样的光纤称为单模光纤。 光纤通信优点： (1)通信容量非常大。(2) 传输损耗小，中继距离长。 (3) 抗雷电和电磁干扰性能好。(4) 无串音干扰，保密性好。 (4) 体积小，重量轻。 ◼ 非导引型传输媒体 将自由空间称为“非导引型传输媒体”。 短波通信（即高频通信）主要是靠电离层的反射，但短波信道的通信质 量较差，传输速率低。 微波在空间主要是直线传播。传统微波通信有两种方式： a 地面微波接力通信 b 卫星通信 ◼ 无线局域网使用的 ISM 频段
教学内容 批注 2.4信道复用技术 为什么要使用信道复用技术？ @ 信道 @©@ 信道 可逗团共豪信道份园高 @ 信道 @ 《)不使用复用技术 b)使用复用技术 复用(mutiplexing)是通信技术中的基本概念。它允许用户使用一个共 享信道进行通信，降低成本，提高利用率。 ■频分复用FDM 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)。 频带n 频带3 频带2 频带1 频分复用 时间 ■时分复用TDM 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 个时分复用的用户在每一个TDM帧中占用固定序号的时隙。 周期性出现 TDM懒TTDM领TDM领TDM锁TTDM随 时间 时分复用 时分复用可能会造成线路资源的浪费。使用时分复用系统传送计算机数 据时，由于计算机数据的突发性质，用户对分配到的子信道的利用率一般是 不高的。 可采用统计时分复用STDM,STDM帧不是固定分配时隙，而是按需动 态地分配时隙。因此统计时分复用可以提高线路的利用率。 2.4.2波分复用WDM 波分复用就是光的频分复用。使用一根光纤来同时传输多个光载波信号
教学内容 批注 2.4 信道复用技术 为什么要使用信道复用技术？ 复用 (multiplexing) 是通信技术中的基本概念。它允许用户使用一个共 享信道进行通信，降低成本，提高利用率。 ◼ 频分复用 FDM 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）。 ◼ 时分复用 TDM 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。 时分复用可能会造成线路资源的浪费。使用时分复用系统传送计算机数 据时，由于计算机数据的突发性质，用户对分配到的子信道的利用率一般是 不高的。 可采用统计时分复用 STDM，STDM 帧不是固定分配时隙，而是按需动 态地分配时隙。因此统计时分复用可以提高线路的利用率。 2.4.2 波分复用 WDM 波分复用就是光的频分复用。使用一根光纤来同时传输多个光载波信号