计算机网络第二章 物理层讲解

计算机网络,第 2 章 物理层,主要内容,2.1 物理层的基本概念* 2.2 物理层下面的传输媒体 2.3 数据通信的基础知识* 2.3.1 数据通信系统的模型 2.3.2 有关信道的几个基本概念 2.3.3 信道的极限容量 2.3.4 信道的极限信息传输速率 2.4 信道复用技术* 2.4.1 频分复用、时分复用和统计时分复用 2.4.2 波分复用 2.4.3 码分复用,主要内容（续）,2.5 数字传输系统 * 2.6 宽带接入技术* 2.6.1 xDSL技术 2.6.2 光纤同轴混合网（HFC 网） 2.6.3 FTTx 技术,2.1 物理层的基本概念*物理层功能,物理层的定义(ISO/OSI关于物理层的定义) 物理层提供机械的、电气的、功能的和规程的特性，目的是启动、维护和关闭数据链路实体之间进行比特传输的物理连接。这种连接可能通过中继系统，在中继系统内的传输也是在物理层的。 物理层的功能 负责为数据链路提供传输原始比特流的物理连接。 实现数据设备与传输设备介质间的接口操作，完成以比特为传送单元的同步与传输。 在传输介质之上传输介质被称为第0层。,2.1 物理层的基本概念* 物理层功能,含义 实质是屏蔽物理设备和传输媒体的种类差异。 研究内容 物理连接（信号通路）的启动或关闭（建立/拆除) 正常数据的传输 比特信号的编码，发送/接收，同步 维护管理,2.1 物理层的基本概念* 相关术语,数据线路 一对物理实体之间传输物理信号的数据通路。 传输线路 由传输介质与信道设备组成。 数据线路设备DCE （Data Circuit Equipment）： 传输线路两端的端接设备，实现传输线路上的信号变换。 数据终端设备DTE（Data Terminal Equipment） 数据线路两端的端接设备，即信源/信宿设备。,2.1 物理层的基本概念* 相关术语,传输线路,数据线路,2.1 物理层的基本概念* 物理层的基本任务,传输线路,数据线路,物理层的基本任务 确定与传输媒体的接口的一些特性。,2.1 物理层的基本概念*基本特性,物理层（协议）的基本特性 机械特性：规定了物理连接所采用的连接器的形状、大小、各个接线引脚的数量、排列情况等。 电气特性：规定了接口连接导线的电路特性，如电气连接方式、信号电平、最大数据传输率和距离限制等。 功能特性：规定了物理接口上各条信号线的功能分配和确切定义。信号线一般可分为以下几类：数据、控制、定时和地线。 规程特性：规定了利用信号线进行二进制比特流传输的一组操作过程，即各信号线的动作规则和先后顺序。,2.1 物理层的基本概念* 协议举例EIA RS-232 / V.24,EIA-RS-232标准（协议）：简称RS232。 其中： EIA（Electronic Industry Association，美国电子工业协会） RS（Recommended Standard，推荐标准） 232是标识号。 该标准为串行通信的物理接口。电脑上较为常见的通讯端口COM1、COM2，即DB9针串口，其实就是EIA-RS-232C标准的。,2.1 物理层的基本概念* 协议举例EIA RS-232 / V.24,机械特性：EIA-232使用ISO 2110插头座标准。 25根引脚分为上排13根引脚、下排12根 引脚，其编号分别为113和1425， 皆从左到右(当引脚指向人时),2.1 物理层的基本概念* 协议举例EIA RS-232 / V.24,电气特性：采用负逻辑电平。用-15V-5V表示 逻辑“1”电平，用+5V +15V表示逻 辑“0”电平。当连接电缆长度不超15m 时，允许数据传输速率不超过20kbps。 功能特性：与CCITT的V24建议书一致。 它规定了什么电路应当连接到25 根引脚中的哪一根以及该引脚的 作用。,CCITT：是国际电报电话咨询委员会的简称，它是国际电信联盟（ITU）的常设机构之一。 规程特性：与CCITT的V24建议书一致。 规定了DTE和DCE之间信号时序 的应答关系。,2.1 物理层的基本概念* 协议举例EIA RS-232 / V.24,说明：25芯可简化后使用9芯连接器（只用图中除保护地以外的9个引脚）,2.1 物理层的基本概念* 协议举例EIA RS-232 / V.24,EIA RS-232 / V.24连接图,2.2 数据通信的基础知识 2.2.1 数据通信系统的模型,调制解调器,PC 机,公用电话网,调制解调器,数字比特流,数字比特流,模拟信号,模拟信号,输入 汉字,显示 汉字,PC 机,2.2.1 数据通信系统的模型,一个数据通信系统可以划分为三个部分： 源系统：发送端 源点：即信源，或称为源站；用于产生要传输的数据。 发送器： 使生成的数字比特流能在传输系统中进行传输。如：调制解调器。 传输系统：传输网络或传输线。 目的系统：接收端 接收器：将传输系统传送过来的信号转换成目的设备可以处理的信号。如：调制解调器。 终点：信宿，或称为目的地。,2.2.1 数据通信系统的模型相关术语 消息、数据、信号、信息,1.消息（Message） 消息是指能够向人们表达客观物质运动和主观思维活动的文字、符号、数据、语音、图像等。具有以下特点：,能够被通信双方理解 可以传递,2.数据（Data） 所谓数据就是赋予一定含义的数字、字母、文字等符号及其组合，它是运送消息的实体，即消息的表现形式。,2.2.1 数据通信系统的模型相关术语 消息、数据、信号、信息,3信号（Signal） 把消息转换成适合于信道传输的物理量，就是信号。通信中的信号有电信号和光信号两种。,信号的特性可以通过幅度、频率、相位等参量来描述，从信号的特性出发可将其分为模拟信号和数字信号两大类：,模拟信号：即连续信号 是指代表消息的信号参数取值是连续的。随时间连续变化，是时间的连续函数。为与原始消息直接对应的信号，如话音信号及其按照抽样定理所得的PAM样值信号等；,数字信号：即离散信号 是代表消息的信号的参数取值是离散的。随时间不连续变化，是一系列离散的取值，是时间的离散函数。如计算机终端输出的二进制信号及其经过PSK、FSK等调制方式调制后所得的信号等。,码元(code)在使用时间域（或简称为时域）的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形。,2.2.1 数据通信系统的模型相关术语 消息、数据、信号、信息,模拟的和数字的数据、信号,4信息 信息就是包含在消息中对通信方有意义的那部分内容。,消息是信息的载体，通信的任务是在异地间传输消息，但其根本目的是传递信息，否则通信将无意义。,2.2.1 数据通信系统的模型相关术语 消息、数据、信号、信息,2.2.2 有关信道的几个基本概念*,信道表示向某一个方向传送信息的媒体。 一条通信电路要考查其发送信道和接收信道。 从通信双方信息交互的方式（按数据传输的方向）看： 单向通信（单工通信）只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。 双向交替通信（半双工通信）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)。 双向同时通信（全双工通信）通信的双方可以同时发送和接收信息。,2.2.2 有关信道的几个基本概念*,单向通信（单工通信） 双向交替通信（半双工通信） 双向同时通信（全双工通信）,数据流向,数据流向,数据流向,单个信道,两个信道,两个信道,基带(baseband)信号和 带通(band pass)信号,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。基带信号就是将数字信号 1 或 0 直接用两种不同的电压来表示，然后送到线路上去传输. 基带信号往往包含有较多的低频成分，甚至有直流成分，即具有无穷大的绝对带宽，如下图所示：,基带(baseband)信号和 带通(band pass)信号,许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量。因此必须对基带信号进行调制(modulation)。 调制的功能使信号能在相应的信道上传输。,基带(baseband)信号和 带通(band pass)信号,调制的分类 基带调制编码 对基带数字信号进行数字调制； 即把原始数字信号用另一种数字信号表示。 载波调制 把基带信号经过载波调制后，把信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输（即仅在一段频率范围内能够通过信道），即带通调制，对应信号为带通信号。,基带调制编码,常用的编码方式,归零码,几种最基本的载波调制方法*,载波调制就是进行波形变换（频谱变换）。 基带信号：数字信号1或0直接用不同的电压来表示 载波信号：连续的固定较高频率的信号 调制过程就是根据基带信号(原始的电信号,即被调制的信号)调制载波的过程。 一个正弦振荡的载波：,几种最基本的载波调制方法,调幅AM（ASK）：用两个不同幅度的载波表示或者用载波的有无来表示： 调频FM（FSK）：用两个不同频率的载波表示： 调相PM（PSK）：用载波的相位变化来表示：,对基带数字信号的几种载波调制方法,混合调制（1）相关概念,将调幅、调频、调相这几种调制方法组合起来进行调制（如调幅和调频的组合或调相和调幅组合），可以增加调制变化的状态，提高调制速度（调制速率）。 调制速率 定义： (1)单位间隔的持续时间的倒数。 (2)信号码元理论最短持续时间的倒数。 本质：指单位时间内载波参数变化的次数，即单位时间内传送的码元个数。 调制速率即波特率。,混合调制（1）相关概念,比特率： 指单位时间内传输的二进制代码的有效位(bit)数来表示。 是数字信号的传输速率； 为单位时间内传输的信息量。 波特率与比特率的关系为： 比特率=波特率·单个调制状态对应的二进制位数 调制速率越高，传输速率越高。,混合调制（2）调制方式,调幅和调频的组合 用不同的幅度和频率组合分别表示4个不同的值： 00（A,f），01(A,2f)，10(2A,f)，11(2A,2f)。,幅度和频率的组合调制,混合调制（2） 调制方式,正交调制 QAM (Quadrature Amplitude Modulation)多元振幅相位混合调制,可供选择的相位有 12 种， 而对于每一种相位有 1 或 2 种振幅可供选择。,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。,2.2.3 信道的极限容量,分析信道的极限容量的原因： 关注信道的数据传输速率。 数据传输速率能尽可能的大。 影响数据传输速率的因素： 信道（允许）的最高码元传输速率 理想信道情况下的信道最高码元传输速率。 码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远，在信道的输出端的波形的失真就越严重。 信噪比（噪声） 有干扰情况下的信道速率的极值信道容量。,数据传输速率,数据传输速率是描述数据传输系统的重要技术指标之一。通常，以每秒传输的二进制比特数来表示，单位为bps，或b/s。 计算公式： S=1/T S为数据传输速率，T为发送每一比特所需要的时间。常用单位有：Kbps、Mbps、Gbps。 例：T=0.104ms，S=9600bps。 1Kbps=103bps，1Mbps=103Kbps， 1Gbps=103Mbps,信道的最高码元传输速率,理想低通信道 信号的所有低频分量，只要其频率不超过某个上限值，都能够不失真地通过此信道。而频率超过此上限的所有高频分量都不能通过该信道。,不能通过,能通过,0,频率(Hz),W (Hz),信道的最高码元传输速率,理想带通信道 频率在频带下限f1和上限f2之间的频率分量，能够不失真地通过此信道。而频率低于下限f1和高于上限f2的频率分量都不能通过该信道。,不能通过,能通过,0,频率(Hz),W (Hz),不能通过,信道的最高码元传输速率,理想低通信道最高