《计算机网络技术》第三章

1、 第 3 章 物理层 本章主要内容 3 1 3 2 3 3 3 4 物理层的基本概念 数据通信的基础知识 常用的传输介质 多路复用技术 3 1 物理层的基本概念 物理层设计时主要考虑的是如何在连接开放系 统的传输介质上传输各种数据的比特流 数据链路实体通过与物理层的接口 将数据传 送给物理层 通过物理层按比特流的顺序 将 信号传输到另一个数据链路实体 3 1 物理层的基本概念 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 规程特性 指明对于不同功能的各种可能事件的 出现顺序 物理层标准举例 EIARS 232C EIARS 449 接口标准 接口标准 DTE A DCE A DCE B DTE B 网 络 RS 232C 接口 调制解调器 调制解调器 RS 232C 接口 3 2 数据通信的基础知识 1 数据通信系统的模型 数字比特流 正文 PC 机 调制解调器 模拟信号 模拟信号 数字比特流 公用电话网 调制解调器 正文 PC 机 源系统 传

2、输系统 目的系统 调制 把数字信号转换为模拟信号的过程 解调 把模拟信号转换为数字信号的过程 3 2 物数据通信的基础知识 2 几个基本概念 信号 数据的电子或电磁编码 模拟的 连续变化的 数字的 取值是离散数值 数字信号波形 模拟信号波形 3 2 数据通信的基础知识 3 数据编码技术 模拟数据 模拟数据 数字数据 数字数据 放大器 调制器 PCM 编码解码器 调制器 数字 发送器 模拟信号 数字信号 模拟信号 数字信号 a 数字数据的模拟信号编码 电话通信信道是典型的模拟通信信道 它是目 前世界上覆盖面最广 应用最普遍的一类通信 信道 传统的电话通信信道是为传输语音信号 设计的 只适用于传输音频范围为 300 3400Hz 的模拟信号 无法直接传输计算机的 数字信号 为了利用模拟语音通信的电话交换 网实现计算机的数字数据信号的传输 必须首 先将数字信号转换成模拟信号 a 数字数据的模拟信号编码 调制 发送端数字数据信号变换成模拟数据信 号的过程 解调 接收端把模拟数据信号还原成数字数据 信号的过程 同时具备调制与解调功能的设备 就被称为 调制解调器 modem b 数字数据的数字信号

3、编码 在数据通信技术中 我们将利用模拟通信信道通过调 制解调器传输模拟数据信号的方法称为 频带传输 将 利用数字通信信道直接传输数字数据信号的方法称为 基带传输 频带传输的优点 是可以利用目前覆盖面最广 普遍应 用的模拟语音通信信道 用于语音通信的电话交换网 技术成熟并且造价较低 但其缺点是数据传输速率与 系统效率较低 基带传输 在基本不改变数字数据信号 频带 即波形 的情况下直接传输数字信号 可以达 到很高的数据传输速率和系统效率 因此 基带传输 是目前迅速发展与广泛应用的数据通信方式 b 数字数据的数字信号编码 1 曼彻斯特编码 每个比特的中间有一次电平跳变 可以把 0 定 义为由低电平到高电平的跳变 1 定义为由高电平到 低电平的跳变 2 差分曼彻斯特编码 差分曼彻斯特编码是对曼彻斯特编码的改进 0 和 1 是根据两比特之间有没有跳变来区分的 如果 下一个数是 0 则在两比特中间有一次跳变 如果 下一个数据是 1 则在两比特中间没有电平跳变 数字数据 c 模拟数据的数字信号编码 现在的数字传输系统均采用 脉码调制 CodeModulation 需要三个步骤 采样 量化 编码 PC

4、M Pulse PCM 采样 采样定理 若对连续变化的模拟信号进行周期性采样 只要 采样频率大于等于有效信号最高频率或其带宽的 两倍 则采样值便可包含原始信号的全部信息 利用低通滤波器可以从这些采样中重新构造出原 始信号 1 采样 根据采样频率 隔一定的时间间 隔采集模拟信号的值 得到一系列模拟 值 2 量化 将采样得到的模拟值按一定的量 化级 本例采用 16 级 进行 取整 得 到一系列离散值 3 编码 将量化后的离散值数字化 得到 一系列二进制值 然后将二进制值进行 编码 得到数字信号 信号 采样周期 T t t 0010 1100 1001 0011 t t t 采样 编码 解码 还原 综合业务数字网 IntegratedServices DigitalNetwork ISDN 是一个数字电话 网络国际标准 是一种典型的电路交换网 络系统 它通过普通的铜缆以更高的速率 和质量传输语音和数据 ISDN 是欧洲普及 的电话网络形式 GSM 移动电话标准也可 以基于 ISDN 传输数据 ISDN 有 2 种信道 B 和 D B 信道 用于数据和语音信息 D 信道 用于信号和控制 也能用

5、于数据 B 代表 承载 D 代表 Delta ISDN 有 2 种访问方式 2 个 B 信道 每个带宽 64kbps 和一个带宽 16kbps 的 D 信道组成 三个信道设计成 2B D 3 2 数据通信的基础知识 4 数据传输速率的定义 数据传输速率 在数值上 等于每秒钟传输构成 数据代码的二进制比特数 单位为比特 秒 记做 b s 常用的数据传输速率单位有 Kb s Mb s Gb s 与 Tb s 其中 3 1Kb s 1 10 b s 1Mb s 1 10 6 b s 1Gb s 1 10 9 b s 1Tb s 1 10 12 b s 5 带宽 指某个信号具有的频带宽度 单位 Hz 一个特定的信号往往是由许多不同的频率成份组成 的 因此一个信号的带宽是指该信号的各种不同频 率成份所占据的频率范围 如 在传统的通信线路上传送的电话信号的标准带 宽是 3 1KHz 从 300Hz 到 3 4KHz 即话音的主要 成分的频率范围 对于数字信号而言 带宽是指单 位时间内链路能够通过的数据量 例如 ISDN 的 B 信 道带宽为 64Kbps 6 信道的极限信息传输速率 信道中存在 噪

6、声 热噪声 冲击噪声 热噪声 是由导体中电子的热震动引起的 它 存在于所有电子器件和传输介质中 它是时刻 存在的 不能够消除的 但幅度较小 强度与 频率无关 冲击噪声 来自通信系统外部 是由外界特定 的短暂原因 雷电 电火花马达启动等 所造 成的 突发的 美国数学家 信 香农公式 息论的创始人 密西根大学学士 有限带宽高斯噪声干扰信道 非理想信 麻省理工学院博 道 信道的极限信息传输速率 C 士 C W log 2 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 为信道内部的高斯噪声功率 S N 信噪比 例题一 信道带宽为 3000Hz 信噪比为 30dB 则最大 数据速率为多少 信噪比为 30dB 30 10Log10S N S N 1000 C Wlog 2 1 S N 3000 Log 2 1 1000 3000 9 97 30000b s 例题二 若要在一条 50KHz 的信道上传输 1 544Mbps 的 下载波 信噪比至少要多大 30 log 2 1 S N S N 10 的 10 次方 信噪比 10Log 10 S N 10 1

7、0 100dB 1544000 50000 log 2 1 S N 按照香农公式得到的信道容量的极限值 约为 35kb s V 34 的 33 6kb s 速率基本 上已达到极限 3 3 常用的传输介质 双绞线 同轴电缆 光纤电缆 无线与卫星通信信道 通信卫星 卫星通信 地 球 地面站 1 地面站 2 从地面站 1 发出的无线电信号 被卫星通信天线接收后 首 先在通信转发器中进行 放大 变频 和功率放大 然后由卫 星的通信天线把放大后的信号重新发向地面站 2 从而实现 两个地面站或多个地面站的远距离通信 红外线 通过调制出的不 相干的红外线光 进行通信 诸如电视摇控 红外接口 1 双绞线 UnshieldedTwistedPair 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 twist 起来 屏蔽双绞线 STP 非屏蔽双绞线 UTP 非屏蔽双绞线 UTP 聚氯乙烯 屏蔽层 铜线 绝缘层 套层 屏蔽双绞线 STP 聚氯乙烯 套层 RJ 45 接头 铜线 绝缘层 水晶头 RJ 45 插头 俗称 水晶头 专业术语为 RJ 45 连接器 双绞线的两端必须都安装这种 RJ 45 插

8、头 以 便插在网卡 NIC 集线器 Hub 或交换 机 Switch 的 RJ 45 接口上 进行网络通讯 CoaxialCable 2 同轴电缆 绝缘保护套层 外导体屏蔽层 绝缘层 内导体 同轴电缆由内导体铜质芯线 单股实心线或多 股绞合线 绝缘层 网状编织的外导体屏蔽 层 也可以是单股的 以及保护塑料外层所组成 1 75 同轴电缆 公用天线电视系统 CATV 2 50 同轴电缆 主 要用于 LAN 3 光缆 光纤通常由非常 透明的石英玻璃 拉成细丝 主要 由纤芯和包层构 成双层通信圆柱 体 发送端 输入 光电 转换 LED 电信号 光信号 光纤 a 1 D 2 a 2 2 a 2 2 a 1 D b 接收端 光电 转换 PIN 电信号 输出 3 4 多路复用技术 多路复用 是指在一条物理信道上同时传输多路 信息 多路复用技术的优点 仅需一条传输线路 可节省成本 安装与维护 费用 传输线路的容量得到充分的利用 常用的多路复用方法 频分多路复用 波分多路复用 时分多路复用 FDM WDM TDM 频分多路复用 FDM 频分多路复用 就是将信道的可用频带分割成若干 条较窄的子频带 每一条

9、子频带传输一路信号 各子频带之间通常要留有一定的空闲频带 作为 保护频带 以减少各路信号的相互干扰 FDM 主要用于模拟信道的复用 广泛用于广播电 视等领域 有线电视系统 有线电视传输系统就采用频分多路方式 在 一条线路上传输几十套乃至上百套电视节目 交互式电视系统还要划分出上行和点播电视频 段 为使各路电视信号相互独立 互不干扰 每路信号必须独占一个频道带宽 波分多路复用 WDM 波分多路复用 是指在一根光纤上同时传输多 个波长不同的光载波 实际上 WDM 是 FDM 的 一个变种 用于光纤信道 时分多路复用 TDM 时分多路复用 是将一条物理信道的传输时间分 成若干个时间片 按一定的次序轮流给各个信 号源使用 TDM 主要用于数字信道的复 用 同步时分多路复用 在同步时分多路复用中 时间片是预先 分配好的 而且是固定不变的 即每个时 间片与一个信号源对应 而不管此时是否 有信息发送 在接收端 根据时间片序号 可判断出是哪一路信号 异步时分多路复用 异步时分多路复用技术允许动态分配信道的 时间片 以实现按需分配 如果某路信号源没 有信息发送 则允许其他信号源占用这个时间 片 这样可大大提高信道的利用率 异步时分多路复用是目前计算机网络中应 用广泛的多路复用技术 小结 信息的载体可以是数字 文字 语音 图形或图像 计算机用二进制代码的数据来表示各种信息 数据通信是指在不同计算机之间传送表示字母 数 字 符号的二进制代码 0 1 比特序列的过程 信号 是数据在传输过程中的电信号的表示形式 物理层在传输介质上传输比特流 在数据通信技术中 利用模拟通信信道 通过调制 解调器传输模拟数据信号的方法称做频带传输 而 利用数字通信信道直接传输数字数据信号的方法称 做基带传输 思考题 1 物理层要解决哪些问题 2 3 解释名词 模拟信号 数字信号 用香农公式计算一下 假定信道带宽为 3100Hz 最大信息 传输速率为 35Kb s 那么想使最大信息传输速率增加 60 问信噪比 S N 应增大到多少倍 如果在刚才计算的基础上 将信噪比 S N 再增大到 10 倍 问最大信息速率能否再增加 20 4 5 什么是曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码 常用的传输介质 双绞线 同轴电缆 光纤

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