计算机网络-CH2-物理层(V08)教材

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1、计算机网络 第2章 物 理 层 本章主要内容 数据通信系统简介 传输媒体 多路复用 传输系统 宽带接入技术 物理层标准 本章基本要求 掌握数据通信中常用参数指标的意义、计算方法 （数据传输率、误码率、信道容量） 充分了解数据通信中的相关技术（通信码、基带传 输及常用波形编码、多路复用技术等） 充分了解模拟传输和数字传输的相关内容（调制技 术、PCM技术） 了解各种传输介质 了解RS232物理层标准 数据通信系统简介 本节重点内容 重点： l数据通信系统模型、数据通信方式（单工、半双工、 全双工等） l数据通信的理论基础 l常用参数指标（波特率、比特率、误码率、信道容量 ） l基带传输和频带传输

2、 、异步传输和同步传输 参看教材参看教材 2.22.2 2.1 数据通信系统简介 2.1 数据通信系统简介 2.1.1 通信系统模型 说明： 信源：信息源，有模拟信号、数字信号 信宿：信息的接收点 变换：调制解调、多路复用、数据编码 信道：信号的传输介质及有关的传输设备。 噪声：信道中的噪声及分散在通信系统其它各处的噪声的集中 表现 信源信宿变换变换 噪声 信道 数据通信系统的模 型 模拟信号 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 正文 正文 数据通信系统 源系统目的系统传输系统 PC 机 2.1 数据通信系统简介 数据通信系统举 例 (a) 用户通过电话

3、网拨号通信 2.1 数据通信系统简介 数据通信系统举 例 (b) 局域网用户通过Internet上网通信 2.1 数据通信系统简介 2.1.2 数据通信过程 一般分为五个阶段： 阶段一：数据通信线路的建立（建立物理连接） 阶段二：建立数据传输链路（建立逻辑连接） 阶段三：传送数据和控制信息 阶段四：结束数据链路的连接（断开逻辑连接） 阶段五：断开通信线路（断开物理连接） 说明： 并非所有通信过程都需要这五个阶段。如租用专用线的通信方 式。 2.1 数据通信系统简介 2.1.3 数据通信方式 1 按连接方式划分 (1) 点点连接方式 (2) 多点连接方式 (3) 环形连接方式 计算机 M 计算机

4、 M 计算机 M M T M T M T 2.1 数据通信系统简介 2 按信息传送方向划分 (1) 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。 (2) 双向交替通信（半双工通信） 信息可以双向传输，但在某一时刻只能单向传 输 AB 数据 监视信号 AB 数据 监视信号 2.1 数据通信系统简介 (3) 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。 AB 数据 监视信号 2.1 数据通信系统简介 3 按交换方式划分 主要的交换方式分为： 电路交换 报文交换存储转发方式 分组交换（包交换）存储转发方式 2.1 数据通信系统简介 2.1.4 数据通信的理论基础

5、傅立叶分析 任何一个周期为T的有理周期性函数 g(t) 可分 解为若干项（可能无限多项）正弦与余弦函数之和： g(t) = c + + 其中：f = 1/T 基本频率 an, bnn次谐波项的正弦和余弦振幅值 2.1 数据通信系统简介 an = bn = c = 是直流分量 讨论： * 一个周期信号可以分解成无穷多个不同频率的正、余弦分量 *反过来，当一个二进制序列脉冲通过信道传输，如果信道的 带宽足够宽，则大量的频率成分能够通过，接收端的信号失真 就小。如图所示： 2.1 数据通信系统简介 2.1.5 常用参数指标 1. 数据传输率 波特率：每秒钟信号电平变化的次数，也称调制速率 。 单位为

6、波特（Baud） 比特率：每秒钟传送的二进制位数。单位为比特/秒 记为：bit/s或bps 波特率和比特率的关系： Rb=RBlog2L 其中：Rb比特率； RB波特率； L：多进制电平数，一般为L=2N 2.1 数据通信系统简介 例如：一个传输系统采用四进制码元表示信号， 即有四个电平，L=4，则 Rb=2RB。若波特率 为1200波特，则比特率为2400bps。 2. 误码率 二进制码元在传输系统中被传错的概率。 设：传输的二进制码元总数为N，传错的码元数为Ne ， 则误码率为： Pe=Ne/N 误码率是衡量系统可靠性的指标。 2.1 数据通信系统简介 3. 带宽（传统意义上的） 带宽：信

7、道所能传输信号的频率范围。 带宽由传输介质的电气特性及信道上传输设备与电 路 的频率特性综合决定。 4. 信道容量 信道容量：信道所能达到的最大传输能力。 单位：bit/s。 2.1 数据通信系统简介 (1) 对无噪声有限带宽信道 奈奎斯特（H. Nyquist）公式： C = 2H log2 L (bps) 式中 H：信道带宽； L：某时刻信号可能取的电平数 例：某信道带宽为4KHz，数字信号可取四种电平之一。 则：C = 24 log2 4 =16 Kbps (2) 对有噪声有限带宽信道 香农（C. Shannon）公式： C = H log2(1 + S/N) (bps) 式中 H：信道

8、带宽； ：信号功率； ：噪声功率 2.1 数据通信系统简介 例：某信道带宽为3000Hz，信噪比20dB，求此信道的 最 大传输速率。 解：信噪比20dB，即：10 lg S/N=20dB S/N=100 则：C= 3000 log2(1 +100)19980(bps) 20 Kbps 说明： (1) 电话系统的典型信噪比一般能达到30dB; (2) 此式是利用信息论得出的，具有普遍意义； (3) 与信号电平级数、采样速度无关； (4) 此式仅是上限，难以达到。 记住：若信噪比的单 位为dB，一定要转换 2.1 数据通信系统简介 2.1.6 通信码 通信码：数据传输系统中，将字符按一定的规则用

9、二进制 序列的代码表示。当这些代码用于交换信息时，称为信息交换 码，或通信码。 通信码的种类有：BCD码、ASCII码、EBCDIC码、国际 2号五单位电传码、ISO/R646七单位码等。 ASCII码 ASCII码是对字符、数字和其它符号进行编码的 一种规定。ASCII码中，前32个编码（十进制0到31） 专门起控制作用。部分控制字符的涵义如下： 2.1 数据通信系统简介 SOH（Start of Header）：报文标题开始符，表示标题开始。 STX（Start of Text）：正文开始符，表示标题结束和正文开始。 ETX（End of Text）：正文结束符，表示正文已发送完毕。 EO

10、T（End of Transmission）：传送结束符。 ACK（Acknowledge）：肯定符。 NAK（Negative Acknowledge）：否定符。 DLE（Data Link Escape）：数据链转义码控制符，用来改变有 限数量的后续字符的含义。 例如，使用上面的部分控制字符装配如下传输数据： SOH目的地址STX正文ETX校验EOT 2.1 数据通信系统简介 2.1.7 基带传输和频带传输 1. 数字数据的数字传输（基带传输） 基带：基本频带，指传输变换前所占用的频带，是原始信 号 所固有的频带。 基带传输：在传输时直接使用基带信号 基带传输是一种最简单最基本的传输方式，

11、一般用低电平 表 示“0”，高电平表示“1”。 限制：因基带信号所带的频率成分很宽，所以要求信道有较 宽的带宽。 2.1 数据通信系统简介 常用的几种编码方式：（对码波形编码） 1）不归零制码（NRZ：Non-Return to Zero） 规则：用两种不同的电平分别表示二进制信息“0” 和“1”。例如，低电平表示“0”，高电平表示 “1”。 缺点： (1)难以分辨一位的结束和另一位的开始； (2)发送方和接收方必须有时钟同步； (3)若信号中“0”或“1”连续出现，信号直流分量将累加 。 结论：不适宜作为传输码形，适宜与系统内部。 2.1 数据通信系统简介 2）曼彻斯特码（Mancheste

12、r），也称相位编码 规则：每一位中间都有一个跳变， 从高跳到低表示“1”，从低跳到高表示“0” 优点：克服了NRZ码的不足。每位中间的跳变即可 作 为数据，又可作为时钟，能够自同步。 3）差分曼彻斯特码（Differential Manchester） 规则：若本码周期前半个码元电平与上一个码周期后半个 码 元电平一样,则表示“1”；若两者电平相反，则表示 “0”。 特点：每个码周期的1/2处，有电平跳变。便于时钟提取 ， 抗干扰能力强。 2.1 数据通信系统简介 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 时钟时钟 NRZNRZ Mancheste

13、rManchester 差分差分 ManchesterManchester 0T2T3T4T5T6T7T8T 9T10T11T 码周期t 2.1 数据通信系统简介 2. 数字数据的模拟传输（频带传输） 频带传输：指在一定频率范围内的线路上，进行载 波 传输。用基带信号对载波进行调制，使 其 变为适合于线路传送的信号。 调制（Modulation）：用基带脉冲对载波信号的某 些 参量进行控制，使这些参量随基带脉冲变化 。 解调（Demodulation）：调制的反变换。 2.1 数据通信系统简介 2.1.8 并行传输(parallel)与串行传输(serial) 并行传输：多位数据同时传输的方式

14、，如图(a)。计算机内部 的数据多是并行传输。 串行传输：数据一位一位地由源向目的地传输的。如图(b)。 成本因素，远距离通信一般采用串行传输。 2.1 数据通信系统简介 2.1.9 异步传输和同步传输 数据通信的一个基本要求是接收方必须知道它所接收的每一位的开始时间 和 持续时间。满足上述要求的办法有两类：异步传输和同步传输。 异步传输 工作原理：以字符作为数据单位进行传输，字符之间的传输间隔任意。 为了标志字符的开始和结尾，在每个字符的开始加一位起始位，结尾加1位 或2位停止位，数据位的长度由不同的编码规则决定。如下图所示： 2.1 数据通信系统简介 同步传输 工作原理：以若干字符组成的数

15、据块作为数据单位进行传输 。同步的方法是在数据块前面加特殊模式的位组合(如 01111110)或同步字符(SYN)，并且通过位填充或字符填充技术 保证数据块中的数据不会与同步字符混淆。 SYNSYNBAX. .SYN 同步字符(一个或多个) 01111110BAX. .01111110 同步位模式 可变长度的位数据块 可变长度的字符数据块 2.1 数据通信系统简介 2.2 传输媒体 传输媒体：实际传送信息的载体。 2.2.1 双绞线 双绞线由两根绞合成有规则的螺旋形图样的绝缘铜线组成。 分类：非屏蔽双绞线（UTP）：外皮为塑料，不具有屏蔽能 力。 屏蔽双绞线：外皮为金属，具有屏蔽能力。 LAN

16、上常用UTP，分:3类、5类、超5类。 RJ45接口 有线传输介质（双绞线、同轴电缆、光纤） 无线传输介质（微波、通信卫星、红外线等） 传输介质 屏蔽双绞线 (STP) 非屏蔽双绞线 (UTP) 金属屏蔽网以减少 干扰和串音 3类、5类、超5类 双绞线外没有任何 附加屏蔽 2.2 传输媒体 双绞线的特点 结构简单，容易安装，普通UTP较便宜 有一定的传输速率 具有较高的容性阻抗，信号衰减较大，传输 距离有限（100m） 有辐射，容易被窃听 2.2 传输媒体 2.2.2 同轴电缆 同轴电缆由同心的内导体、绝缘层、屏蔽层、保护外套组成。 分类： l 粗缆（直径为1.47厘米）和细缆（直径为0.70厘米） l 基带电缆（50 ）和宽带电缆（ 75 ） 外层绝缘层 屏蔽金属网 绝缘层内导体 2.2 传输媒体 特点： 频带较宽，传输率较高。 损耗较低，传输距离较远(200m,500m) 。