计算机网络ch2 物理层

第 2章 物理层 第 2章 物理层 2.1 物理层的基本概念 2.2 数据通信的基础知识 2.3 物理层下面传输媒体 2.4 信道复用技术 2.5 数字传输系统 2.6 宽带接入技术 2.1物理层的基本概念 ?物理层主要功能 ?考虑如何能在传输媒体上传输数据比特流。 ?向数据链路层屏蔽硬件设备和传输媒体的差异 2.1物理层的基本概念 ?物理层协议的主要任务是确定与传输媒体 的接口有关的一些特性： ?机械特性指明接口的形状和尺寸、引脚数目 和排列、固定和锁定装置等等。 ?电气特性指明电压的范围。如比特0和1分别 使用多少电压表示。 ?功能特性描述接口的功能，如定义接口的每 一个引脚的功能。 ?过程特性指明对于不同功能的各种可能事件 的出现顺序。 物理层协议举例 ?RS-232C接口标准(1/4) ?机械特性规定使用一个9 芯的标准连接器，并对该连 接器的尺寸及针芯或孔芯的 排列位置等做详细说明 物理层协议举例 ?RS-232C接口标准(2/4) ?电气特性规定逻辑“1”的电压为-15至- 5伏，逻辑“0”的电压为+5至+15伏，+5 伏和-5伏之间为过渡区域不做定义。 物理层协议举例 ?RS-232C接口标准(3/4) ?功能特性定义接口的每一个引脚的功能。 物理层协议举例 ?RS-232C接口标准(4/4) ?过程特性 ?各根控制信号线在有序的“ON”(逻辑“0”)和 “OFF”(逻辑“1”)状态的配合下进行的。 ?在DTEDCE连接的情况下，只有DTR(数据终端就绪) 和DSR(数据装置就绪)均为“ON”状态时，才具备操 作的基本条件。 ?此后，若DTE要发送数据，则须先将RTS(请求发送)置 为“ON”状态，等待CTS(允许发送)应答信号为 “ON”状态后，才能在TXD(发送数据)上发送数据。 2.2数据通信的基础知识 2.2.1数据通信系统的模型 传输 系统 输 入 信 息 输 入 数 据 发送 的信号 接收 的信号 输 出 数 据 源点终点发送器接收器 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 数据通信系统 源系统目的系统传输系统 输 出 信 息 PC 机 数据通信术语 ?消息(message) 人能理解的信息 ?数据(data)运送消息的实体（消息的表示方法） ?信号(signal)数据的电气的或电磁的表现 ?模拟信号(连续信号)取值是连续的。一般用一连串 的正弦波或余弦波表示。 ?数字信号(离散信号)取值是离散的。一般是一连串 表示0或表示1的脉冲信号。表示不同离散数值的脉冲 信号成为码元 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 ?从通信双方的交互方式分 ?单向通信只能有一个方向的通信而没有反 方向的交互。 ?双向交替通信通信的双方都可以发送信 息，但不能双方同时发送。 ?双向同时通信通信的双方可以同时发送和 接收信息。 ?信道表示向某一个方向传送信息的媒体 ?从信道传输的信号分 ?模拟信道传输模拟信号的信道（适合短距 离通信） ?数字信道传输数字信号的信道（适合长距 离通信） 模拟信号如何在数字信道上传输？ 数字信号如何在模拟信道上传输？ 模拟信号如何在数字信道上传输？ 数字信号如何在模拟信道上传输？ 2.2.2有关信道的几个基本概念 数字信号在模拟信道上传输 ?数字信号必须经过调制才能在模拟信道上传输 ?基本的带通调制方法有以下三种： ?调幅(Amplitude Modulation)：载波的振幅随基带 数字信号而变化。 010011100 基带信号 调幅 0对应于无载波输出，1对应于有载波输出 数字信号在模拟信道上传输 ?调频(Frequency Modulation)：载波的频率随基带 数字信号而变化。 010011100 基带信号 调频 0对应于频率 f1 ，1对应于频率 f2 数字信号在模拟信道上传输 ?调相(Phase Modulation) ：载波的初始相位随基 带数字信号而变化。 010011100 基带信号 调相 0对应于0度相位，1对应于180度相位 常用的编码方式 不归零制编码 曼彻斯特编码 比特流1111100000 出现电平转换 ?不归零制编码：正电平代表1，负电平代表0；无法提供位 同步信息。 ?曼彻斯特编码：位周期中心的向上跳变代表1（0），向下 跳变代表0（1）；利用电压的转换提供位同步信息。 2.2.3信道的极限容量 ?任何实际信道都不是理想的，在传输信号 时会产生失真 实际的信道 发送信号波形接收信号波形 有失真，但可识别 2.2.3信道的极限容量 ?码元传输的速率越高，或传输距离越远， 在信道的输出端的波形的失真就越严重 ?码元传输的速率过高，容易导致接收端收 到的信号波形失去码元之间的清晰界限 （即码间串扰）。 失真大，无法识别 发送信号波形 实际的信道 接收信号波形 2.2.3信道的极限容量 ?奈氏准则 ?1924年，奈奎斯特(Nyquist)就推导出了著名 的奈氏准则。 ?给出了在假定的理想条件下（无噪声信道）， 为了避免码间串扰，码元的传输速率的上限值 码元传输速率上限值码元传输速率上限值 = 2W W是信道的带宽Hz 码元传输速率的单位：码元/s 2.2.3信道的极限容量 ?提高信息的传输速率的方法： ?用编码的方法让每一个码元携带更多比特的信 息量。 ?将信号分为2个等级，则1个码元能携带1个比 特信息量 ?将信号分为4个等级，则1个码元能携带2个比 特信息量 ?将信号分为n个等级，则1个码元能携带log2n 个比特信息量 2.2.3信道的极限容量 ?提高信息的传输速率的方法： ?举例： ?要发送的比特为101011000110111010 ?将每3个比特编为一组：101，011，000， 110，111，010 ?采用不同的调制方法来表示这些信号，如用8 种不同的振幅，或8种不同的频率，或8种不同 的相位进行调制 2.2.3信道的极限容量 ?两个概念： ?波特率 码元传输的速率（每秒传输多少个码元） ?比特率 数据传输的速率（每秒传输多少个比特） ?比特率=log2n波特率 （n是指分为多少个等级） 2.2.3信道的极限容量 ?信噪比 ?噪声存在于所有的电子设备和通信信道中，噪 声会使接收端对码元的判断产生影响。 ?噪声的影响是相对的，信号相对强，噪声的影 响就相对小 ?信噪比：信号的平均功率和噪声的平均功率之 比，记为S/N或SNR，并用分贝（dB）作为度 量单位。 信噪比 =10log10(S/N) 2.2.3信道的极限容量 ?香农公式 ?香农公式指出了带宽受限且有噪声干扰的信道 的极限、无差错的信息传输速率。 ?信道的极限信息传输速率C可表达为 ?C=Wlog2(1+S/N)b/s ?W 为信道的带宽（以 Hz 为单位）； ?S 为信道内所传信号的平均功率； ?N 为信道内部的噪声功率。 2.2.3信道的极限容量 ?香农公式 ?只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速 率，就一定可以找到某种办法来实现无差错的 传输。 ?实际信道上能够达到的信息传输速率要比香农 的极限传输速率低不少。 2.3物理层下面的传输媒体 ?传输媒体：指传输系统中发送器和接收器 之间的物理链路,也称为传输介质或传输媒 介 ?分为两大类 ?导引型传输媒体（有线） ?双绞线 ?同轴电缆 ?光缆 ?非导引型传输媒体（无线） 2.3.1导向传输媒体 ?双绞线：把两根互相绝缘的铜导线并排放在 一起，然后用规则的方法绞合起来 ?无屏蔽双绞线 UTP (Unshielded Twisted Pair) ?屏蔽双绞线 STP (Shielded Twisted Pair) 无屏蔽双绞线 UTP 屏蔽双绞线 STP 2.3.1导向传输媒体 常用的双绞线的类型、带宽及典型应用 双绞线类别双绞线类别带宽带宽典型应用典型应用 316MHz低速网络，模拟电话 420MHz短距离的10BASE-T以太网 5100MHz10BASE-T以太网，某些100BASE-T快速以太网 5E（超5类）100MHz 100BASE-T快速以太网，某些1000BASE-T吉比特 以太网 6250MHz1000BASE-T吉比特以太网，ATM网络 7600MHz可能用于今后的10吉比特以太网 2.3.1导向传输媒体 ?同轴电缆 ?50 同轴电缆（细缆） ?用于数字信号的传输，早 期用于局域网中计算机的 连接，现在已经被双绞线 所代替 ?75 同轴电缆（粗缆） ?用于模拟信号的传输，目前应用在有线电视的居民 小区中 2.3.1导向传输媒体 ?光缆 ?利用光导纤维（光纤）传递光脉冲来进行通 信。 ?有光脉冲表示1，无光脉冲表示0 光线在光纤中的折射 当光线从高折射率的媒体射向低折射率的媒体时，其折射角将大于 入射角。因此，如果入射角足够大，就会出现全反射，即光线碰到包层 时就会折射回纤芯。不断重复此过程，光线就沿着光纤一直传播下去。 当光线从高折射率的媒体射向低折射率的媒体时，其折射角将大于 入射角。因此，如果入射角足够大，就会出现全反射，即光线碰到包层 时就会折射回纤芯。不断重复此过程，光线就沿着光纤一直传播下去。 输入脉冲 输出脉冲 单模光纤（用于长距传输，造价贵） 多模光纤与单模光纤 输入脉冲 输出脉冲 多模光纤（仅适用于短距传输） 2.3.2非导向传输媒体 ?计算机无线传输使用微波这一频段。 无线电微波红外线 可见光紫外线 X射线 射线 双绞线 同轴电缆 卫星 地面微波 调幅 无线电 调频 无线电 海事 无线电 光纤 电视 (Hz)f (Hz)f LFMFHFVHF UHF SHFEHF THF 波段 104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016 100 102 104 106 108 1010 1012 1014 1016 1018 1020 1022 1024 移动 无线电 电信领域使用的电磁波的频谱 2.3.2非导向传输媒体 ?微波通信的两种主要形式 ?地面微波接力通信 ?卫星通信 地面微波接力通信 ?微波在空间主要是直线传播。 ?由于地球表面是曲面，采用100m高的天线 塔，传播距离大约为100km ?为实现远距离通信，需要建立若干个中继 站 卫星通信 ?在地面站之间利用位 于36000km高空的人 造同步地球卫星作为 中继器的一种微波通 信 ?优点：通信距离远， 覆盖范围大 ?缺点：传播时延大， 造价贵 地面站 地球同步卫星 36000km 端到端 单程 270ms 往返 540ms 2.4信道复用技术 ?频分复用 ?时分复用、统计时分复用 ?波分复用 ?码分复用 ?复用(multiplexing)是通信技术中的基本概念。 ?好处：共享信道，充分利用信道带宽 信道 A1A1A2A2 B1B1B2B2 C1C1C2C2 信道 信道 不使用复用技术使用复用技术 2.4信道复用技术 共享信道 A1A1A2A2 B1B1 C1C1C2C2 复用器 复用器 分用器 分用器 B2B2 频分复用 FDM (FrequencyDivisionMultiplexing) ?不同的用户占用不同的带宽资源。（这里 的“带宽”指频带宽度，单位是Hz） 频率 时间 频率 1 频率 2 频率 3 频率 4 频率 5 时分复用TDM (TimeDivisionMultiplexing) ?将时间划分为一段段等长的周期，每一个 用户在一个周期中占用固定序号的时隙。 ?每一个用户轮流交替地使用单一信道。 ?一个周期内所有用户发送的比特形成一个