第3章物理层(1)讲解

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1、主讲：赵玉娟 E-mail：zhaoyujuan,第3章 物理层（1）,上节知识回顾,数据交换方式 电路交换 报文交换 分组交换 计算机网络体系结构 分层、协议、OSI、TCP/IP,学习目标,学习目标 掌握物理层的基本概念； 数据通信的基础知识，模拟传输和数字传输的一些常用技术； 掌握信道、信号、码元、波特、编码与调制、解调等基本概念。 了解常见的传输媒体。 本节难点 奈奎斯特准则与香农定理。,目 录,1 物理层基本概念 2 数据通信系统模型 3 数据编码技术 4 信道的极限容量 5 物理层下的传输媒体,物理层的基本服务功能,物理层与数据链路层的关系 保证比特流通过传输介质的正确传输，为数据

2、链路层提供数据传输服务。 传输介质与信号编码的关系 根据所使用传输介质的不同，制定相应的物理层协议，规定数据信号编码方式、传输速率，以及相关的通信参数。 设置物理层的目的 屏蔽物理层采用的传输介质、通信设备与通信技术的差异性，使上层只需考虑如何使用物理层的服务，而不需要考虑物理层的功能具体是如何实现的。,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比特流，而不是指具体的传输媒体。 屏蔽差异，为数据链路层服务。,物理层基本概念,物理层的主要任务为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

3、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。,物理层协议的类型,基于点-点通信线路的物理层协议 EIA-232-C ADSL Cable Modem 基于广播通信线路的物理层协议 最早的Ethernet是在公用总线的同轴电缆上用广播的方式发送和接收数据。IEEE 802.3 无线网络采用广播方式发送和接收数据。IEEE 802.11,目 录,1 物理层基本概念 2 数据通信系统模型 3 数据编码技术 4 信道的极限容量 5 物理层下的传输媒体,2 数据通信系统的模型,调制解调器,PC 机,公用电话网

4、,调制解调器,输入 汉字,显示 汉字,PC 机,信息、数据与信号（1）,信息 (Information) ：是指人们对客观现实世界事物的存在方式或运动状态的某种认识。 “传递给某人的事情和消息”，“所知道的知识”，“交流的知识”等。 数据(Data)：信息的表达形式。 对计算机系统而言，所有能用计算机进行编码和通信的符号都属于数据。或者说是在计算机中被传输的二进制代码称为数据。 数据和信息的区别： 数据是独立的，是尚未组织起来的符号的集合； 信息则是按照一定要求以一定格式组织起来的。,信息转换为数据需要编码：如ASCII、GB2312:简体中文编码、BIG5:繁体中文编码。,信息、数据与信号（

5、2）,信号(signal) 数据的电气的或电磁的表现。 “模拟的”(analogous) 代表消息的参数的取值是连续的。 “数字的”(digital) 代表消息的参数的取值是离散的。 无论是数据或信号，都可是模拟的也可是数字的。,数据转换为信号需要编码：如曼彻斯特编码、差分曼彻斯特编码，不归零码等。,数据通信方式 -串行与并行传输,串行传输：数据流以串行方式在一条信道上传输叫串行传输。 一般在远程通信中，人们采用串行通信方式。 并行传输：数据以成组的方式在多个并行信道上同时进行传输叫并行传输。 每次同时传输一个字节（8位）。 计算机内部的通信通常是并行传输。 特点：并行传输的优点是速度快，但发

6、送端与接收端之间有若干条线，导致费用高,数据通信方式 -单工、半双工、全双工,按照信号传送方向与时间的关系，可以分成： 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。,数据通信方式-同步技术,概念： 同步是要求通信双方在时间基准上保持一致的过程。分为位同步和字符同步。 位同步：保证收发双方正确传输每一位（bit）的过程。 外同步法：发送端发送一路数据信号的同时，另外发送一路同步时钟信号。 内同步法：发送端发送的数据本

7、身自含时钟编码。 字符同步：8位为一个字符单元。保证收发双方正确传输字符的过程。 同步传输：每组字符前加上同步字符SYN。 异步传输：每个字符的第一位前加1位起始位“逻辑1”，字符的最后一位加1或2位终止位“逻辑0”。,Question？ -常见的编码方式有哪些呢？,目 录,1 物理层基本概念 2 数据通信系统模型 3 数据编码技术 4 信道的极限容量 5 物理层下的传输媒体,数据编码技术,数据与数据编码方式的关系,模拟数据编码方法,0,1,0,0,1,1,1,0,0,基带信号,移幅键控,移频键控,移相键控,调制解调器的作用：实现数字信号和模拟信号之间的转换。,例：正交振幅调制 QAM (Qu

8、adrature Amplitude Modulation),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。,模拟数据编码方法,若每一个码元可表示的比特数越多，则在接收端进行解调时要正确识别每一种状态就越困难。,波特率与比特率的关系,调制速率，也称为波特率：描述模拟数据信号传输过程中调制解调器每秒钟载波调制状态改变的数值，称为波特(baud)。 即每秒钟传送多少个码元。 数据传输速率S（单位为bps）与调制速率B（单位为baud）之间关系可以表示为： S=Bl

9、og2k（k为多相调制的相数）,数字数据编码方法,非归零编码,非归零电平编码 （NRZ-L），信号的电平是根据它所代表的比特位决定的。 非归零反相编码（NRZ-I），码元开始时信号电平一次反转代表比特1，没有变化的信号代表0。,归零编码,使用三个电平：正电平（代表1）、负电平（代表0）和零。 每个比特间隙中段，信号归零。,一个良好的数字信号必须携带同步信息。 缺点：每比特位需要两次信号变化，增加了占用的带宽。,双相位编码,信号在每比特间隙中发生改变但并不归零。,曼切斯特编码：在每个比特间隙中间的跃迁来同时代表不同比特和同步信息。 1：一个负电平到正电平跳变。 0：一个正电平到负电平跳变。 即前

10、T/2反码，后T/2传送原码,差分曼切斯特编码：比特间隙跃迁用于携带同步信息，开始位置是否有跃迁代表比特。 1：没有跳变。 0：有跳变。,目 录,1 物理层基本概念 2 数据通信系统模型 3 数据编码技术 4 信道的极限容量 5 物理层下的传输媒体,4 信道的极限容量,任何实际的信道都不是理想的，在传输信号时会产生各种失真以及带来多种干扰。 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。,有失真，但可识别,失真大，无法识别,奈奎斯特准则,1924年，奈奎斯特推导出具有理想低通矩形特性的信道在无噪声情况下的最高速率与带宽关系的公式： 最大数据传输率RMAX = 2

11、B (b/s) 其中，B表示理想信道带宽。 例如：对于二进制数据，如果信道带宽B=3kHz，则最大数据传输速率为6000bps。,香农定理,1948年，香农(Shannon)用信息论的理论推导出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限、无差错的信息传输速率： 最大数据传输率 RMAX = B log2(1+S/N) (b/s) 其中，B为带宽，S/N为信噪比。,注意： 信噪比S/N通常以dB（分贝）数表示。若S/N=30(dB),那么信噪比根据公式： S/N(dB)=10lg(S/N) 可得，S/N1000。若带宽B=3000Hz， 则Rmax= 3000* log2(1+1000) 30kb

12、ps。,比较,奈奎斯特准则描述了有限带宽、无噪声的理想信道的最大传输速率与信道带宽的关系。 香农定理则描述了有限带宽、有随机热噪声信道的最大传输速率与信道带宽、信号噪声功率比之间的关系。,目 录,1 物理层基本概念 2 数据通信系统模型 3 数据编码技术 4 信道的极限容量 5 物理层下面的传输媒体,物理层下面的传输媒体,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,LF,MF,HF,VHF,UHF,SHF,EHF,THF,波段,104 105 106 107 108 109 1010 1011 10

13、12 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,导向传输媒体（有线传输）,双绞线 屏蔽双绞线 STP (Shielded Twisted Pair) 无屏蔽双绞线 UTP (Unshielded Twisted Pair) 同轴电缆 50 同轴电缆 75 同轴电缆 光缆 单模光纤 多模光纤,双绞线（Twisted Pair）的主要特征,TP由按规则螺旋结构排列的2根、4根或8根绝缘导线组成。 螺旋排列的目的是使各线对之间的电磁干扰最小。

14、 双绞线按其外部包缠的外皮材料不同可分为： 屏蔽双绞线（shielded TP，STP） 非屏蔽双绞线（unshielded TP，UTP）,双绞线的传输特性,UTP按照传输特性可以分为五类。典型的以太网，常用第三类和第五类的UTP。 三类线（CAT3）的带宽为16MHz，适用于语音与10Mbps以下的数据传输； 五类线（CAT5）的带宽为100MHz，适用于语音与100Mbps的高速数据传输； 随着千兆以太网的出现，高性能双绞线标准不断推出： 增强型五类线（CAT5e） 、六类线（CAT6）以及使用金属箔的七类屏蔽双绞线（CAT7） ； 七类屏蔽双绞线的带宽已经达到6001200MHz。,双

15、绞线线序标准,EIA/TIA（美国电子工业标准协会）布线标准中规定了两种制作双绞线的线序568A与线序568B。 为保持最佳的兼容性，普遍采用568B标准制作网线。,连接标准：568B,同轴电缆（Coaxial Cable）,同轴电缆的特点是抗干扰能力较强 根据带宽，同轴电缆可以分成两类： 基带同轴电缆：一般仅用于数字信号的传输 宽带同轴电缆：用于模拟传输系统，它是有线电视系统CATV中的标准传输电缆。在这种电缆上传送的信号采用了频分复用的宽带信号。,光纤（ optical fiber ）,光纤是传输介质中性能最好、应用前途最广的一种。光纤通信系统的传输带宽远远大于目前其他各种传输媒体的带宽。,高折射率 (纤芯),低折射率 (包层),光线在纤芯中传输的方式是不断地全反射,多模光纤与单模光纤,多模光纤,光纤的工作模式,多模光纤（Multi Mode Fiber） 多模光纤是在给定的工作波长上，能以多个模式同时传输的光纤。 光脉冲在多模光纤中传输时会逐渐展宽，造成失真。因此，仅适合于短距离传输。 单模光纤（Single Mode Fiber） 单模光纤的纤芯直径很细，直径只有几个微米，制作成本较高。 同时，单模光纤的