计算机网络2-物理层

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1、第二章物理层 第二章物理层 2 1数据通信基础 2 1数据通信基础 2 1 1基本概念消息 比如话音 文字 图像等等数据 运送消息的实体数字数据 比如以0和1形式存储在计算机内存中的数据模拟数据 比如人类的声音信号 数据的电气或电磁的表现模拟信号 代表消息的参数的取值是连续的 即连续信号数字信号 代表消息的参数的取值是离散的 即离散信号码元 代表不同离散数值的基本波形 2 1数据通信基础 2 1 1基本概念波特 模拟线路信号的速率 以波形每秒的振荡数来衡量速率 连接在计算机网络中的主机在数字信道上传送数据的速率信道 用来表示向某一个方向传送信息的媒体 2 1数据通信基础 2 1 2数据通信模型

2、数据通信系统的三个部分源系统 发送端 发送方 传输系统 传输网络 目的系统 接收端 接收方 源系统源点 源点设备产生要传输的数据 又称源站或信源发送器目的系统接收器终点 终点设备从接收器获取传送来的数字比特流 又称目的站或信宿 2 1数据通信基础 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 1数据通信基础 2 1 3通信系统的主要性能指标数据传输速率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 2 1数据通信基础 2 1 3通信系统的主要性能指标数据传输速率码元传输的速率越高 或信号传输的距离

3、越远 在信道的输出端的波形的失真就越严重 码间串扰 信号传输过程中 高频信号受到衰减 在接收端收到的波形失去了码元间的清晰界限 使得接收端对码元的判决 即识别 成为不可能 2 1数据通信基础 2 1 3通信系统的主要性能指标数据传输速率影响信道上的传输速率的两个因素信道能够通过的频率范围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 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 1数据通信基础 2 1 3通信系统的主要性能指标数据传输速率影响信道上的

4、传输速率的两个因素信噪比定义 信号的平均功率和噪声的平均功率之比 记为S N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 信道的极限信息传输速率C可表达为提高传输速率采用编码的方式让每一个码元携带更多的比特的信息量 2 1数据通信基础 2 1 3通信系统的主要性能指标出错率定义 用于衡量通信系统可靠性的指标 通常以误码率Pe来表示 2 2物理层概述 2 2物理层概述 2 2 1物理层接口特性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数据比特流 因此主要任务描述为确定与传输媒体接口有关的一些特性 即 机械特性指明接口所用接线

5、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 2 2物理层概述 2 2 2传输介质定义 数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路 又称为传输媒体或传输媒介导向传输媒体 电磁波被导向沿着固体媒体 铜线或光纤 传播非导向传输媒体 一般指自由空间 2 2物理层概述 2 2 2传输介质导向传输媒体双绞线屏蔽双绞线STP ShieldedTwistedPair 无屏蔽双绞线UTP UnshieldedTwistedPair 2 2物理层概述 2 2

6、 2传输介质导向传输媒体光缆 2 2物理层概述 2 2 2传输介质导向传输媒体光缆 2 2物理层概述 2 2 2传输介质导向传输媒体光缆多模光纤 许多条不同角度入射的光线在一条光纤中传输单模光纤 光以单一路径通过这种光纤 多模光纤 2 2物理层概述 2 2 2传输介质导向传输媒体同轴电缆架空明线 2 2物理层概述 2 2 2传输介质非导向传输媒体无线传输可使用的频段非常广 2 2物理层概述 2 2 2传输介质非导向传输媒体短波通信 即高频通信 主要是靠电离层的反射 但短波信道的通信质量较差无线电微波通信 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 2物理层概述 2 2 3物理层设备中

7、继器中继器是局域网互连的最简单设备 它工作在OSI体系结构的物理层 负责在两个节点的物理层上按位传递信息 完成信号的复制 调整和放大功能 以此来延长网络的长度 中继器可以用来连接不同的物理介质 并在各种物理介质中传输数据包 中继器是扩展网络的最廉价的方法 2 2物理层概述 2 2 3物理层设备集线器集线器工作于OSI的物理层 主要功能是对接收到的信号进行再生整形放大 以扩大网络的传输距离 同时把所有节点集中在以它为中心的节点上 作为网络中枢连接各类节点 以形成星状结构的一种网络设备 集线器是有多个端口的中继器 2 3通信方式 2 3 1根据数据位的传送形式串行通信发送端和接收端由一条数据线相连

8、 各数据位依次串行通过该线路 010101010101010010101并行通信发送端与接收端之间同时有N条数据线相连 N个数据位并行通过该条线路010 发送端 接收端 2 3通信方式 2 3 2根据数据传输的方向性单向通信 又称单工通信 只能有一个方向的通信而没有反方向的交互 只需一条通信信道 双向交替通信 又称半双工通信 即通信的双方都可以发送和接收信息 但不能双方同时发送或者同时接收 需两条通信信道 双向同时通信 又称全双工通信 即通信的双方可以同时发送和接收信息 需两条通信信道 2 4编码与调制 2 4 1编码数字信道 2 4编码与调制 2 4 1编码线路编码特性数据电平脉冲速率与比特

9、率比特率 脉冲速率 2L 其中L为信号数据电平的数 2 4编码与调制 例1 信号具有两种数据电平 单个脉冲的持续时间是1ms 则比特率 脉冲速率 2L 1 10 3 22 1000bps例2 信号具有四种数据电平 单个脉冲的持续时间是1ms 则比特率 脉冲速率 2L 1 10 3 24 2000bps 2 4编码与调制 2 4 1编码编码方法单极编码 单极编码只使用一种电压电平 极性编码 使用两种电压电平 正值和负值 其中常见的有四种 不归零编码 归零编码 曼彻斯特编码 差分曼彻斯特编码 2 4编码与调制 2 4 1编码编码方法极性编码不归零编码 不归零电平编码 NRZ L 和不归零反相编码

10、NRZ I 2 4编码与调制 2 4 1编码编码方法极性编码归零编码 2 4编码与调制 2 4 1编码编码方法极性编码曼彻斯特编码 Manchester 与差分曼彻斯特编码 differentialManchester 2 4编码与调制 2 4编码与调制 2 4 2调制模拟信道 2 4编码与调制 2 4 2调制基本概念基带信号 来自信源的信号基带调制 仅对基带信号的波形进行变换 使它能够与信道特性相适应带通信号 利用载波进行调制 把基带信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输 经过载波调制后的信号称为带通信号带通调制 使用载波的调制调幅 载波的振幅随基带数字信号而变化调频 载波的频率随基

11、带数字信号的而变化调相 载波的初始相位随数字信号而变化 2 4编码与调制 2 5信道复用技术 2 5信道复用技术 2 5 1信道复用技术概述定义 为了提高通信线路传送信息的效率 通常采用在一条物理线路上建立多条通信信道的技术 原理 在同一传输介质上可传输多个不同信源发出的信号 从而可充分利用通信线路的传输容量 提高传输介质的利用率 共享线路 线路1 A1 A2 B1 B2 C1 C2 线路2 线路3 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 复用器 使用户数据合起来共享一个信道进行通信 分用器 把高速信道传送过来的数据进行分用 分别送交到相应的用户

12、2 5信道复用技术 2 5 2频分复用FDM定义 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 特点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 2 5信道复用技术 2 5 3时分复用TDM定义 将线路传输时间分成一个个互不重叠的时隙 并按一定规则将这些时隙分配给多路信号 每一路信号在分配给自己的时隙内独占信道进行传输 分类同步时分多路复用STDM异步时分多路复用ATDM 2 5信道复用技术 2 5 3时分复用TDM分类同步时分多路复用STDM定义 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

13、中占用固定序号的时隙 特点每一个用户所占用的时隙是周期性地出现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 5信道复用技术 2 5 3时分复用分类同步时分多路复用 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 5信道复用技术 2 5 3时分复用分类同步时分多路复用 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 5信道复用技术 2 5 3时分复用分类同步时分多路复用 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 5信道复用技术 2 5 3时分复用分类同步时

14、分多路复用 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 5信道复用技术 2 5 3时分复用分类同步时分多路复用缺点 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 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 2 5信道复用技术 2 5 3时分复用分类异步时分多路复用ATDM 统计时分复用 特点不是固定分配时隙 而是按需动态分配时隙用户所占用的时隙并不是周期性地出现 2 5信道复用技术 2 5 3时分复

15、用分类异步时分多路复用ATDM 统计时分复用 用户 A B C D a b c d t t t t t 3个ATDM帧 1 a c b a b b c a c d 2 3 统计时分复用 集中器 2 5信道复用技术 2 5 4波分复用WDM 1550nm01551nm11552nm21553nm31554nm41555nm51556nm61557nm7 01550nm11551nm21552nm31553nm41554nm51555nm61556nm71557nm 8 2 5Gb s1310nm 20Gb s 复用器 分用器 EDFA 120km 光调制器 光解调器 掺铒光纤放大器 2 5信道复

16、用技术 2 5 5码分复用CDM 码分多址CDMA 特点每一个用户可以在同样的时间使用同样的频带进行通信各用户使用经过特殊挑选的不同码型 因此彼此不会造成干扰这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力 其频谱类似于白噪声 不易被敌人发现采用CDMA可提高通信的话音质量和数据传输的可靠性 减少干扰对通信的影响 增大通信系统的容量 降低手机的平均发射功率等等 2 5信道复用技术 2 5 5码分复用CDM码片序列每一个比特时间划分为m个短的间隔称为码片 通常m是64或128每个站被指派一个唯一的mbit码片序列如发送比特1 则发送自己的mbit码片序列如发送比特0 则发送该码片序列的二进制反码每个站分配的码片序列不仅必须各不相同 并且还必须互相正交在实用的系统中是使用伪随机码序列 2 5信道复用技术 2 5 5码分复用CDM码片序列码片序列的正交关系令向量S表示站S的码片向量 向量 S表示站S的反码向量 令T表示其他任何站的码片向量 两个不同站的码片序列正交 就是向量S和T的规格化内积都是0 2 5信道复用技术 2 5 5码分复用CDM码片序列码片序列的正交关系一个码片向量和该码片向量自己的规格化