第3章：物理层讲义

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1、吴功宜 编著,计算机网络 （第2版）,计算机网络第3章 物理层,2,第3章 物理层,计算机网络第3章 物理层,3,本章学习要求： 掌握：物理层与物理层协议的基本概念 了解：数据通信的基本概念 了解：传输介质类型及主要特性 了解：无线与卫星通信技术的基本概念 掌握：数据编码的类型和基本方法 掌握：基带传输的基本概念 掌握：频带传输的基本概念 掌握：多路复用的分类与特点 掌握：同步数字体系SDH的基本概念,计算机网络第3章 物理层,4,3.1 物理层与物理层协议的基本概念,3.1.1 物理层的基本概念 通信子网分为点-点通信线路通信子网与广播信道通信子网; 广域网主要采用点到点通信线路，局域网与城

2、域网一般采用广播信道; 由于技术上存在较大的差异，因此在物理层和数据链路层协议上出现了两个分支，一类是基于点-点通信线路，另一类是基于广播信道。 物理层考虑的问题：怎样在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流（注意：具体的物理设备和传输媒体不在讨论之列）。 物理层的作用：尽量屏蔽物理传输设备和媒体的差异，使物理层之上的数据链路层感觉不到这些差异。 物理层的主要任务描述为确定与传输媒体的接口的一些特性。,计算机网络第3章 物理层,5,3.1.2 物理层基本服务功能,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； 计算机网络可以利用的物理传输介质与传输设备存在着很大

3、的差异，设计物理层的主要目的是向数据链路层屏蔽通信技术的差异性； 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。,计算机网络第3章 物理层,6,物理层的主要任务,物理层的主要任务描述为确定与传输媒体的接口的一些特性，即： 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。,计算机网络第3章 物理层,7,3.1.3 物理层向数据链路层提供的服

4、务,物理连接的建立、维护与释放 ； 物理连接分为点-点连接与多点连接 ； 数据传输分为全双工、半双工与单工方式 ； 数据传输分为串行传输方式与并行传输方式 ； 串行传输方式的物理数据服务单元是位； 并行传输方式的物理数据服务单元是N位，N为并行连接的物理通道数。,计算机网络第3章 物理层,8,3.2 数据通信的基本概念,3.2.1 信息、数据与信号 1. 信息的基本概念,信息(Information) 信息是人们对现实世界的事物的存在方式及其运动状态的认识。 数据(Data) 数据是运送信息的实体，是把事件的某些属性规范化后的表现形式。在计算机网络系统中，数据通常被理解为在网络中存储、处理和传

5、输的二进制数字编码。 信号(Signal) 是数据传输的载体，即数据的具体物理表现，如电压、电流、磁场的强度等。,计算机网络第3章 物理层,9,信息：人对雪花和马的认识 数据：文字，二进制数，十进制数 信号：电压，光，磁场强度,信息、数据与信号,计算机网络第3章 物理层,10,信息编码标准,ASCII 码被国际标准化组织ISO接受，成为国际标准ISO 646，又称为国际5号码; 它用于计算机内码，也用做数据通信中的编码标准; ASCII码采用7位二进制比特编码，可以表示128个字符; 字符分为图形字符与控制字符两类。图形字符包括数字、字母、运算符号、商用符号等。,计算机网络第3章 物理层,11

6、,多媒体网络应用,利用数字通信系统来实现多媒体信息的传输是通信技术研究的重要内容之一； 与文本、图形信息传输相比较，语音、图像信息传输要求数据通信系统具有高速率与低延时的特性； 多媒体技术在网络中的应用，将对数据通信系统提出更高的要求。,计算机网络第3章 物理层,12,2. 信号的概念,信号是数据在传输过程中电信号的表示形式； 模拟信号（analog signal）的信号电平是连续变化的； 数字信号（digital signal）是用两种不同的电平去表示0、1比特序列的电压脉冲信号表示； 按照在传输介质上传输的信号类型，通信系统分为模拟通信系统与数字通信系统两种。,计算机网络第3章 物理层,1

7、3,模拟信号波型 数字信号波型,计算机网络第3章 物理层,14,3.2.2 数据传输类型与通信方式,网络中两台计算机通信的过程,计算机网络第3章 物理层,15,网络通信系统设计中要解决的几个基本问题：,数据传输类型 模拟通信 数字通信 数据通信方式 串行通信、并行通信 单工通信、半双工或全双工通信 同步方式 同步通信 异步通信,计算机网络第3章 物理层,16,1、数据传输类型,信道（channel） 通信双方以传输媒体为基础的传递信号的通路。 模拟信道 是用来传输连续的模拟信号(如正弦波信号)的信道； 如果利用模拟信道传送数字数据，则必须经过数字与模拟信号之间的变换（A/D变换器）。 数字信道

8、 是用来传输离散的数字信号(如脉冲信号)的信道。 数字信道有更高的传输质量，因为它传输的是离散的数字信号，因而有更大的容差范围，即使在传输过程中有一定的信号畸变，一般不会影响到接收端的正确判断，正确还原的概率非常高。,计算机网络第3章 物理层,17,在数据通信系统中，各个节点设备根据用途和在通信系统中的位置可以分为两类：DTE和DCE。 DTE（Data Terminal Equipment，数据终端设备）： 用于发送和接收数据的设备。DTE具有一定的数据处理能力和发送、接收数据能力，可能是计算机、路由器，也可能是一台只接收数据的打印机。 DCE（Data Circuit-terminatin

9、g Equipment，数据电路端接设备） 用来连接DTE与数据通信网络的设备，该设备为用户设备提供入网的连接点，如调制解调器、交换机、集线器。,DTE 和 DCE,计算机网络第3章 物理层,18,DTE通过 DCE与通信传输线路相连,按照DCE之间传输的信号类型，又可将通信系统分为模拟通信系统和数字通信系统： DCE之间传输模拟信号的系统是模拟通信系统； DCE之间传输数字信号的系统是数字通信系统。,计算机网络第3章 物理层,19,数据传输类型,数据究竟是数字的还是模拟的由所产生数据的性质决定。 传输过程中采用数字的还是模拟的信号由传输信道的性质决定。 模拟数据和数字数据都可以用模拟信号或数

10、字信号来表示，因而也可以用其中任意一种形式传输。 数据和信号的形式组合一般有以下几种：,计算机网络第3章 物理层,20,模拟的和数字的数据、信号,计算机网络第3章 物理层,21,解释一下关于调制的概念,上面提到的关于调制的概念是很不严格的，容易引起误解。 严格地讲，调制是使消息载体的某些特性随消息变化的过程。调制的作用是把消息置入消息载体，便于传输或处理。 在通信系统中为了适应不同的信道情况,常常要在发送端对原始信号进行调制,得到便于信道传输的信号。 解调是在接收端完成调制的逆过程，还原出原始信号。,计算机网络第3章 物理层,22,调制解调器的作用,调制解调器的作用并非简单地把数字信号转换成为

11、模拟信号。否则就使用“模/数转换器”了。 当 PC 机通过调制解调器连接到电话用户线上时，调制解调器把 PC 机输出的数字信号，转换成适合在电话用户线上传输的模拟信号。而 PC 机的数字信号置入用户线上传输的模拟信号（改变模拟信号的某些参数）。 数字信号本来无法通过电话用户线。但加上调制解调器后，数字信号就好像能够通过电话用户线了。,计算机网络第3章 物理层,23,模拟的电话用户线不能长距离传输数字信号,计算机网络第3章 物理层,24,2、数据通信方式 1）串行通信与并行通信,计算机网络第3章 物理层,25,2）单工、半双工与全双工通信,单向通信（单工通信）:任意时刻只允许向一个方向进行信息传

12、输，需一条信道。例如：广播方式的传输。 双向交替通信（半双工通信）:可以交替改变方向的信息传输，但在任一特定时刻，信息只能向一个方向传输，即半双工传输是一种可切换方向的单工传输，需两条信道。例如：对话方式的传输。 双向同时通信（全双工通信）:任意时刻信息都可进行双向的信息传输。全双工传输是两个单工传输的结合，要求收发设备都具有独立的收发能力，需两条信道。,计算机网络第3章 物理层,26,2）单工、半双工与全双工通信,计算机网络第3章 物理层,27,3）同步技术,所谓同步，就是要求接收端按照发送端所发送码元的频率或起止时间来接收数据，使得收发双方在时序上保持一致。 由于并行通信通常用于计算机内部

13、通信，有统一的内部时钟，无须进行同步，所以同步一般用于串行通信中。 在串行传输中，按照同步方式，又分为: 同步传输 异步传输,计算机网络第3章 物理层,28,异步传输方式,在异步传输方式中，每传送1个字符（7位或8位）都要在每个字符码前加1个起始位，以表示字符代码的开始，在字符代码和校验码后面加1或2个停止位，表示字符结束。接收方根据起始位和停止位来判断一个新字符的开始。从而起到通信双方的同步作用。 异步方式实现比较容易，但每传输一个字符都需要多使用23位，所以适合于低速通信。,计算机网络第3章 物理层,29,例题：,1、在异步传输中，每个字符包含1位起始位，7位数据位，1位校验位，2位终止位

14、，每秒钟传送100个字符，则数据速率是_1100_b/s 2、在异步通信中，1位起始位，7位数据位，2位停止位，波特率位2400Baud，采用NRZ编码，有效数据速率是_Kb/s。 A. 9.60 B. 2.40 C. 1.72 D. 1.68 应该选 D. 1.68。 理由：有效数据速率是 7/10，24007/10=1680BPS， 等于1.68Kb/s。,计算机网络第3章 物理层,30,同步传输方式,同步传输方式的信息格式是一组字符或一个二进制位组成的数据块（帧）。对这些数据，不需要附加起始位和停止位，而是在发送一组字符或数据块之前先发送一个同步字符SYN（以01101000表示）或一个

15、同步字节（01111110），用于接收方进行同步检测，从而使收发双方进入同步状态。在同步字符或字节之后，可以连续发送任意多个字符或数据块，发送数据完毕后，再使用同步字符或字节来标识整个发送过程的结束。 在同步传送时，由于发送方和接收方将整个字符组作为一个单位传送，且附加位又非常少，从而提高了数据传输的效率。所以这种方法一般用在高速传输数据的系统中，比如计算机之间的数据通信。,计算机网络第3章 物理层,31,同步传输中的位同步,在同步通信中，要求收发双方之间的时钟严格的同步，而使用同步字符或同步字节，只是用于同步接收数据帧，只有保证了接收端接收的每一个比特都与发送端保持一致，接收方才能正确的接收

16、数据，这就要使用位同步的方法。对于位同步，可以使用一个额外的专用信道发送同步时钟保持双方同步，也可以使用编码技术将时钟编码到数据中，接收端接收数据的同时就获取到同步时钟，两种方法相比，后者的效率最高，使用的最为广泛。,计算机网络第3章 物理层,32,例题：,1、采用异步传输方式,设数据位为7位, 1位起始位，1位校验位,1位停止位,则其通信效率为（ B ） A.30% B. 70% C.80% D.20% 2、就同步方式而言，异步通信属于( C )。 A、自同步 B、外同步 C、群同步 D、内同步,计算机网络第3章 物理层,33,同步通信与异步通信,计算机网络第3章 物理层,34,3.2.3 传输介质的主要类型,双绞线 同轴电缆 光纤电缆 无线与卫星通信信道,计算机网络第3章 物理层,35,1. 双绞线的主要特性 屏蔽双绞线 STP 非屏蔽双绞线UTP,计算机网络第3章 物理层,36,