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1、第02章物理层 讲师 韩立刚QQ 458717185QQ教学群 247549141 指引 2 1物理层的基本概念2 2数据通信的基础知识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 物理层解决如何在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流 而不是指具体的传输媒体 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 例接口形状 大小 引线数目电气特性 例规定电压范围 5V到 5V 功能特性 例规定 5V表示0 5V表示1过程特性 也称规程特性 规定建立连接时各个相关部件的工作步骤 瓶盖标准化 2 1物理层的基本概念 机
2、械特性 接口形状 大小 引脚数目 指引 2 1物理层的基本概念2 2数据通信的基础知识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 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 PC机 2 2数据通信的基础知识 典型的数据通信模型 相关术语 通信的目的是传送消息 数据 data 运送消息的实体 信号 signal 数据的电气的或电磁的表现 模拟信号 代表消息的参数的取值是连续的 数字信号 代表消息的参数的取值是离散的 码元 code 在使用时间域的波形表示数字信号时 则代表不同离散数值的基本波形就
3、成为码元 在数字通信中常常用时间间隔相同的符号来表示一个二进制数字 这样的时间间隔内的信号称为二进制码元 而这个间隔被称为码元长度 1码元可以携带nbit的信息量 2 2数据通信的基础知识 有关信道的几个基本概念 信道一般表示向一个方向传送信息的媒体 所以咱们说平常的通信线路往往包含一条发送信息的信道和一条接收信息的信道 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数据通信的基础知识 基带 baseband 信号和带通
4、bandpass 信号 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 基带信号就是发出的直接表达了要传输的信息的信号 比如我们说话的声波就是基带信号带通信号 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 因此在传输距离较近时 计算机网络都采用基带传输方式由于在近距离范围内基带信号的衰减不大 从而信号内容不会发生变化 因此在传输距离较近时 计算机网络都采用基带传输方式 如从计算机到监视器 打印机等外设的信号就是基带传输的 2 2数据通信的基础知识 几种最基本的调制方法 调幅
5、AM 载波的振幅随基带数字信号而变化 调频 FM 载波的频率随基带数字信号而变化 调相 PM 载波的初始相位随基带数字信号而变化 2 2数据通信的基础知识 对基带数字信号的几种调制方法 0 1 0 0 1 1 1 0 0 基带信号 调幅 调频 调相 2 2数据通信的基础知识 常用编码 单极性不归零码只使用一个电压值 用高电平表示1 没电压表示0 双极性不归零码用正电平和负电平分别表示二进制数据的1和0 正负幅值相等 单极性归零码单极性归零码 RZ 即是以高电平和零电平分别表示二进制码1和0 而且在发送码1时高电平在整个码元期间T只持续一段时间 其余时间返回零电平双极性归零码正负零三个电平 信号
6、本身携带同步信息 曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码 2 2数据通信的基础知识 2 2数据通信的基础知识 曼彻斯特编码 bit中间有信号低 高跳变为0 bit中间有信号高 低跳变为1 采用曼切斯特编码 一个时钟周期只可表示一个bit 并且必须通过两次采样才能得到一个bit但它能携带时钟信号 且可表示没有数据传输 差分曼彻斯特编码 差分曼彻斯特编码与曼彻斯特编码相同 但抗干扰性能强于曼彻斯特编码 将1000100111进行曼彻斯特和差分曼彻斯特编码 2 2数据通信的基础知识 有失真 但可识别失真大 无法识别 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 2 2数据通信的基础知识
7、 信道极限容量 奈氏准则 1924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 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 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 2 2数据通信的基础知识 波特与Bit的区别 波特在调制解调器中经常用到波特这个概念Bit是信息量如果一个码元含有3个Bit信息量1波特 3Bit s 信噪比 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
8、扰的信道的极限 无差错的信息传输速率 信道的极限信息传输速率C可表达为C Wlog2 1 S N b sW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 2 2数据通信的基础知识 香农公式表明 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C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 2 2数据通信的基础知识 奈氏准则和香浓公式的应用范围
9、码元传输速率受奈氏准则的限制 信息传输速率受香农公式的限制 指引 2 1物理层的基本概念2 2数据通信的基础知识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 导向传输媒体 导向传输媒体中 电磁波沿着固体媒体传播 双绞线屏蔽双绞线STP无屏蔽双绞线UTP同轴电缆50 同轴电缆用于数字传输 由于多用于基带传输 也叫基带同轴电缆 75 同轴电缆用于模拟传输 即宽带同轴电缆 光缆 2 3物理层下面的传输媒体 各种电缆 铜线 铜线 聚氯乙烯套层 聚氯乙烯套层 屏蔽层 绝缘层 绝缘层 外导体屏蔽层 绝缘层 绝缘保护套层 内导体 无屏蔽双绞线UTP 屏蔽双绞线STP 同轴
10、电缆 2 3物理层下面的传输媒体 实际图片 无屏蔽双绞线UTP 屏蔽双绞线STP 同轴电缆 网络设备 网线直通线 具体的线序制作方法是 双绞线夹线顺序是两边一致 统一都是 1 白橙 2 橙 3 白绿 4 蓝 5 白蓝 6 绿 7 白棕 8 棕 注意两端都是同样的线序且一一对应 这就是100M网线的做线标准 即568B标准 也就是我们平常所说的正线或标准线 直通线 直通线应用最广泛 这种类型的以太网电缆用来实现下列连接 主机到交换机或集线器路由器到交换机或集线器 网络设备 交叉电缆交换机到交换机集线器到集线器主机到主机集线器到交换机路由器直连到主机 光纤实图 2 3物理层下面的传输媒体 光线在光
11、纤中的折射 折射角 入射角 包层 低折射率的媒体 包层 低折射率的媒体 纤芯 高折射率的媒体 包层 纤芯 2 3物理层下面的传输媒体 光纤的工作原理 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 2 3物理层下面的传输媒体 多模光纤 2 3物理层下面的传输媒体 单模光纤指只能传输一种电磁波模式 多模光纤只可以传输多个电磁波模式 实际上单模光纤和多模光纤之分 也就是纤芯的直径之分 单模光纤细 多模光纤粗 在有线电视网络中使用的光纤全是单模光纤 其传播特性好 带宽可达10GHZ 可以在一根光纤中传输60套PAL D电视节目 非导向传输媒体 非导向传输媒体就是指自由空间 其中
12、的电磁波传输被称为无线传输 无线传输所使用的频段很广 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 微波在空间主要是直线传播 地面微波接力通信卫星通信 2 3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 1041051061071081091010101110121013101410151016 10010210410610810101012101410161018102010221024 移动无线电 电信领域使
13、用的电磁波的频谱 2 3物理层下面的传输媒体 物理层设备 集线器 工作特点 它在网络中只起到信号放大和重发作用 其目的是扩大网络的传输范围 而不具备信号的定向传送能力最大传输距离 100m集线器是一个大的冲突域 2 3物理层下面的传输媒体 指引 2 1物理层的基本概念2 2数据通信的基础知识2 3物理层下面的传输媒体2 4信道复用技术2 5数字传输技术2 6宽带接入技术 2 4信道复用技术 复用 multiplexing 是通信技术中的基本概念 共享信道 信道 A1 A2 B1 B2 C1 C2 信道 信道 A1 A2 B1 B2 C1 C2 复用 分用 a 不使用复用技术 b 使用复用技术
14、频分复用FDM FrequencyDivisionMultiplexing 用户在分配到一定的频带后 在通信过程中自始至终都占用这个频带 频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源 请注意 这里的 带宽 是频率带宽而不是数据的发送速率 2 4信道复用技术 频分复用FDM FrequencyDivisionMultiplexing 2 4信道复用技术 频分复用FDM FrequencyDivisionMultiplexing 2 4信道复用技术 频分复用FDM FrequencyDivisionMultiplexing 2 4信道复用技术 频分复用FDM的例子 2 4信道复用技术 频分复用
15、FDM的例子 2 4信道复用技术 时分复用TDM TimeDivisionMultiplexing 时分复用则是将时间划分为一段段等长的时分复用帧 TDM帧 每一个时分复用的用户在每一个TDM帧中占用固定序号的时隙 每一个用户所占用的时隙是周期性地出现 其周期就是TDM帧的长度对应的时间 TDM信号也称为等时 isochronous 信号 时分复用的所有用户是在不同的时间占用同样的频带宽度 2 4信道复用技术 时分复用 TimeDivisionMultiplexing 2 4信道复用技术 时分复用 频率 时间 B C D B C D B C D B C D A在TDM帧中的位置不变 2 4信道
16、复用技术 时分复用 频率 时间 C D C D C D A A A A C D B在TDM帧中的位置不变 2 4信道复用技术 时分复用 频率 时间 B D B D B D A A A A B D C在TDM帧中的位置不变 2 4信道复用技术 时分复用 频率 时间 B C B C B C A A A A B C D在TDM帧中的位置不变 2 4信道复用技术 时分复用 2 4信道复用技术 时分复用 2 4信道复用技术 时分复用可能会造成线路资源的浪费 A B C D a a b b c d b c a t t t t t 4个时分复用帧 1 a c b c d 时分复用 2 3 4 用户 使用时分复用系统传送计算机数据时 由于计算机数据的突发性质 用户对分配到的子信道的利用率一般是不高的 2 4信道复用技术 统计时分复用STDM StatisticTDM 用户 A B C D a b c d t t t t t 3个STDM帧 1 a c b a b b c a c d 2 3 统计时分复用 2 4信道复用技术 波分复用WDM WavelengthDivisionMultiplexing
