计算机网络 谢希仁 第2章__物理层

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1、2.1 物理层的基本概念 2.2 数据通信的基本知识 2.3 物理层下面的传输媒体 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 物理层是OSI体系结构中的最低一层。它向上毗邻数据链 路层，向下直接与传输介质相连接。它起着数据链路层和传输 介质之间的逻辑接口作用。 物理层为传送二进制比特流数据而激活、维持、释放物理 连接所提供的机械、电气、功能和过程特性。 现代计算机网络中的物理设备和传输介质的种类繁多，而 通信手段也越来越丰富，物理层在数据链路层和传输介质之间 起了屏蔽和隔离作用，使数据链路层感觉不到这些差异，这样 就可以使数据链路层只需要考虑如

2、何完成本层的协议和服务， 而不必考虑网络具体的传输媒体是什么。 2.1 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 。 过程特性 指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。 物理层的主要任务描述为确定与传输媒体的接口的一些特 性，即： 2.2 数据通信的基本知识 基本术语 数据(data)从数据通信的角度来看，数据可以被定义为 计算机可识别的任何有意义的实体。运送消息的实体。 信号(signal)是数据的一种电磁编码或光编码。是数

3、据 传输中的一种表现形式。 数据传输是指通过传输信道以电信号(或光信号)的形式 把数据从一端传递到另一端的过程。 通信利用电子等技术手段，借助电(或光)信号实现从某 一端(常称为信源端或发送端)向另一端(常称为信宿端或接 收端)进行信息的有效传递和交换。 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 2.2 数据通信的基本知识 数据通信系统的模型 2.2 数据通

4、信的基本知识 信息源(简称信源)的作用是把待传输的数据转换成原始电信号 ，如电话系统中的电话机、网络系统中的终端或计算机等 都可看成是信源。 信道是信号传输的通路，信道中自然会叠加上噪声。 信宿(也称受信者或接收终端)是将复原的原始信号转换成相应 的信息，如电话机将对方传来的电信号还原成了声音，终 端或计算机将对方传来的电信号还原成文本数据或图像数 据等。 2.2 数据通信的基本知识 有关信道的基本概念 通信方式是指数据在信道上传输所采取的方式。通常有三种分类 方法，按数据代码传输的顺序分为：串行传输和并行传输； 按数据传输的同步方式分为：同步传输和异步传输；按数据 传输的流向和时间关系分为：

5、单工、半双工和全双工传输。 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。 2.2 数据通信的基本知识 返回 2.2 数据通信的基本知识 返回 2.2 数据通信的基本知识 2.2 数据通信的基本知识 基带信号和带通信号 u基带信号（即基本频带信号）来自信源的信号。像计算机 输出的代表各种文字或图像文件的数据信号都属于基带信号。 u基带信号往往包含有较多的低频成分，甚至有直流成分，而许 多信道并不能传输这种低频分量或直

6、流分量。因此必须对基带 信号进行调制(modulation)，即变换基带信号的波形，称为基 带调制，或编码。 u带通信号把基带信号经过载波调制后，把信号的频率范围 搬移到较高的频段以便在信道中传输（即仅在一段频率范围内 能够通过信道），并转换为模拟信号，以便在模拟信道中传输 。而使用载波的调制称为带通调制。 2.2 数据通信的基本知识 常用的编码方式 1000100111 比特流 不归零制 归零制 曼彻斯特 差分曼彻斯特 2.2 数据通信的基本知识 基本的带通调制方法 n 调幅(AM)：载波的振幅随基带数字信号而变化。例如， 0和1分别对应于无载波或有载波。 n 调频(FM)：载波的频率随基带

7、数字信号而变化。 n 调相(PM)：载波的初始相位随基带数字信号而变化。 为了达到更高的信息传输速率，必须采用技术上更为 复杂的多元制的振幅相位混合调制方法。例如，正交振幅 调制QAM。 2.2 数据通信的基本知识 基本的带通调制方法 010011100 基带信号 调幅 调频 调相 信道的极限容量 l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。 l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。 n有失真，但可识别 实际的信道 （带宽受限、有噪声、干扰和失真） 发送信号波形接收信号波形 n失真大，无法识别 发送信号波形 实际的信道

8、（带宽受限、有噪声、干扰和失真） 接收信号波形 2.2 数据通信的基本知识 2.2 数据通信的基本知识 u1924 年，奈奎斯特(Nyquist)就推导出了著名的奈氏准则。他 给出了在假定的理想条件下，为了避免码间串扰，码元的传输 速率的上限值。 u在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，否则就会出现码 间串扰的问题，使接收端对码元的判决（即识别）成为不可能 。 u如果信道的频带越宽，也就是能够通过的信号高频分量越多， 那么就可以用更高的速率传送码元而不出现码间串扰。 u奈奎斯特准则：二进制数据信号的最大数据传输速率Rmax与通 信信道带宽W（W=f，单位Hz）的关系为Rmax=2f（bps）

9、 (1) 信道能够通过的频率范围 限制码元在信道上的传输速率的因素有两个: 2.2 数据通信的基本知识 (2)信噪比 限制码元在信道上的传输速率的因素有两个: u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。 u在有随机热噪声的信道上传输数据信号时，信道的极限信息 传输速率Rmax可表达为 Rmax = W log2(1+S/N) bps 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 为信道内部的随机噪声功率。S/N为信噪比 信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率 就越高。 只要信息传输速率

10、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。 若信道带宽W 或信噪比S/N 没有上限（当然实际信道不可能 是这样的），则信道的极限信息传输速率Rmax也就没有上限。 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。 香农公式表明 对于频带宽度已确定的信道，如果信噪比不能再提高了，并且码元传 输速率也达到了上限值，那么还有办法提高信息的传输速率。这就是用编 码的方法让每一个码元携带更多比特的信息量。 注意： 2.2 数据通信的基本知识 让每个码元携带更多比特的信息量。 可用振幅调制、频率调制、相位调制。 编码 【举例】假定基带信号是：101011000

11、110111010. 如果直接发送，每个码元携带的信息量是1bit。假如通过相位调制，用相 位0表示000，1表示001， 2表示010， 3表示011， 4表示100， 5表 示101， 6表示110， 7表示111。那么刚才的18个码元可转换为6个新码 元进行发送： 101011000110111010.= 5 3 0 6 7 2 若以同样速率发送码元，则相同时间内所发送的信息量就提高到3倍。 比如：信号发送速率为2000b/s，经过以上8种相位调制后，可获得相当于 多大的最高发送率？ 2000b/s*3=6000b/s 2.2 数据通信的基本知识 传输介质就是数据传输系统中在发送器和接收

12、器之间的物理 通路。传输介质可以分为两大类：有线传输介质和无线传输介 质，或引导型传输媒体或非引导型传输媒体。 2.3 传输介质 传输介质的特性 物理特性：传输媒体的材质特性（物质构成、机械特性、温度性能、 化学性能、几何尺寸、物理性质） 传输特性：传输容量、传输频率范围、衰减特性 连通性：点对点？多点连接 地理范围：不用中间设备并将失真限制在允许范围内，整个网络所允 许的最大距离。 抗干扰性：抵抗噪音、电磁干扰 相对价格：线路+元件+安装+维护=？ 线路使用方面：1条？多条？定时、同步；控制信号、数据信号、定 时信号怎么区分？ u 双绞线 有线介质 2.3 传输介质 双绞线 RJ-45 和A

13、UI Attachment Unit Interface 屏蔽双绞线STP 无屏蔽双绞线UTP 有线介质 2.3 传输介质 有线介质 2.3 传输介质 错误制作的RJ-45头 正确制作的RJ-45头 568A： 白橙橙白绿蓝白蓝绿白棕棕 568B： 白绿绿白橙蓝白蓝橙白棕棕 双绞线的制作主要使用1991年，美国电子工业协会EIA和电 信行业协会TIA联合发布的标准EIA/TIA-568 有线介质 2.3 传输介质 u 同轴电缆 50同轴电缆 75同轴电缆 有线介质 2.3 传输介质 外导体屏蔽层 绝缘层 绝缘保护套层 内导体 有线介质 2.3 传输介质 服务器 客户机 客户机 客户机 BNC

14、T型连接器 终端 电阻 终端 电阻 2.3 传输介质 u 光缆 有线介质 特点： 抗干扰能力强 低损耗 宽频带 高速率 低误码率 安全性好 体积小重量轻 输入脉冲 输出脉冲单模光纤 多模光纤与单模光纤 输入脉冲 输出脉冲 多模光纤 2.3 传输介质 有线介质 2.3 传输介质 无线介质非引导性传输媒体 电信领域使用的电磁波的频谱 2.3 传输介质 无线介质 n无线传输所使用的频段很广。 n短波通信主要是靠电离层的反射，但短波信道的通信质量较 差。 n微波在空间主要是直线传播。微波信号没有绕射功能，两个 微波信号只能在可视情况下才能正常接收,大气对微波信号 的吸收与散射影响较大。 地面微波接力通

15、信 卫星通信 2.3 传输介质 无线介质 微波接力通信模型 2.3 传输介质 无线介质 优点： 微波波段频率很高，其频段范围也很宽，因此其通信信道的容量很大 因为工业干扰和自然干扰对微波通信小，因而传输质量较高 与同容量和长度的电缆载波通信比较，建设投资少，见效快，易于跨越 山区江河 缺点： 相邻站之间必须直视，不能有障碍物 微波的传播有时也会受到恶劣气候的影响 与电缆通信系统相比，它的隐蔽性和保密性较差 对大量中继站的使用和维护要耗费较多的人力和物力 2.3 传输介质 无线介质 卫星通信是在地球站之间利用位于约3万6千公里高空的人 造同步地球卫星作为中继器的一种微波接力通信。 2.3 传输介

16、质 无线介质 卫星通信的最大特点是通信距离远，且通信费用与通信距 离无关。 和微波接力通信相似，卫星通信的频带很宽，通信容量很 大，信号所受到的干扰也较小，通信比较稳定。 卫星通信非常适合于广播通信，因为它的覆盖面很广。但 从安全方面考虑，卫星通信系统的保密性是较差的。 2.4 信道复用技术 复用是通信技术中的基本概念。是指在发送端将多路低速 信号合并成一路高速信号，在一条高速信道上传输，在接收端 在分解成多路低速信号。 共享信道 信道 A1A2 B1B2 C1C2 信道 信道 A1A2 B1B2 C1C2 复用分用 不使用复用技术 使用复用技术 在进行通信时，复用器总是和分用器成对地使用。在复用 器和分用器之间是用户共享的高速信道。分用器的作用正好和 复用器的相反，它把高速信道传送过来的数据进行分解，分别 送交到相应的用户。 2.4 信道复用技术 频分复用 u