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1、第 三 章 物理层,3.1物理层作用,传输媒体上比特流的传输，而不是具体的物理设备或具体的传输媒体。 物理层的作用：屏蔽物理设备的差异，用于物理层的协议也常称为物理层规程(procedure)。,1、物理层提供的服务,物理连接的建立、维持和释放 传输数据 物理层的管理,2、物理层解决的主要问题,传输介质和接口的物理特性 比特的表示 数据速率 位同步 线路配置 物理拓扑 传输方式,传输媒体接口的特性,机械特性：说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：说明信号电平、发送器输出阻抗、接收器输入阻抗、平衡特性、负载要求、连接距离和传输速率。 功能特性：说明某条线
2、上出现的某一电平的电压表示何种意义。一线一意 一线多意 规程特性 说明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。,3.2 多媒体信息的数字表示,1、流信息的数字化表示（PCM技术）,(1) 过程: 采样Sampling 、 量化Quantizing、 编码Encoding,量化：将取样类型种类成2的次方数 编码：如取样的种类为32，则每一次取样采用5个比特 编码。,范例：,3.2,3.9,2.8,3.4,1.2,4.2,3,4,3,3,1,4,011,100,011,011,001,100,原始信号,PAM脉冲（采样）,PCM 脉冲（量化） 有量化差错,011100011011001100,PCM
3、 输出（编码）,PCM 体制,现在家中使用电话是通过模拟信号传到电话局，电话局要将这种模拟信号转变成数字信号进行传送，常用的系统就是PCM系统 PCM 有两个互不兼容的国际标准，即北美的 24 路 PCM（简称为 T1）和欧洲的 30 路 PCM（简称为 E1）。我国采用的是欧洲的 E1 标准 E1 的速率是 2.048 Mb/s，而 T1 的速率是 1.544 Mb/s,E1、T1标准对比,时隙、帧、分组、报文：固定数量的码片。 E1 系统 共32个时隙每个时隙8bit 共256bit ,每秒钟8000个帧，速率为2.048Mb/s,其中2个时隙用于控制；所以共30话路。（340-3400）
4、 T1系统 共24个时隙，每个时隙8bit (采样为7bit编码，加一位控制码)共192bit 再加一位总控制码，每帧193bit ,每秒钟8000个帧，速率为8x193=1.544Mb/s,3.3 数据传输信道,广义信道：含传输介质及完成各种形式的信号变换设备 狭义信道：传输介质,1、信道容量,指信道的极限传输能力 信道最大传输速率收信道带宽限制无噪声信道： C=2B log2n有噪声信道： Rb = B log2 (1+S/N),2、多路复用技术,复用：多种信号在同一信道中传输而互不干扰。 主要方式有： 频分复用 时分复用（TDM） 同步 异步 统计时分复用 码分复用（CDMA） 扩频码
5、移动通信 无线计算机 波分复用 （WDM）光纤 衍射光栅,频分复用（ FDM ）同步 异步,频率,时间,频率 1,频率 2,频率 3,频率 4,频率 5,时分复用（ TDM）,频率,时间,B,C,D,B,C,D,B,C,D,B,C,D,时分复用 （ TDM）,频率,时间,C,D,C,D,C,D,A,A,A,A,C,D,时分复用 （ TDM）,频率,时间,B,D,B,D,B,D,A,A,A,A,B,D,时分复用 （ TDM）,频率,时间,B,C,B,C,B,C,A,A,A,A,B,C,时分复用可能会造成线路资源的浪费,用户,A,B,C,D,a,t,t,t,t,t,a,.,b,c,d,a,a,b,
6、统计时分复用,统计时分复用 STDM,用户,A,B,C,D,a,t,t,t,t,t,a,a,d,d,a,统计时分复用,d,d,1550 nm 0 1551 nm 1 1552 nm 2 1553 nm 3 1554 nm 4 1555 nm 5 1556 nm 6 1557 nm 7,0 1550 nm 1 1551 nm 2 1552 nm 3 1553 nm 4 1554 nm 5 1555 nm 6 1556 nm 7 1557 nm,波分复用 WDM,波分复用就是光的频分复用。,8 2.5 Gb/s 1310 nm,20 Gb/s,复 用 器,分 用 器,EDFA,120 km,码分复
7、用 CDMA,基本原理,0: +1 1: -1,3、有线传输介质,(1) 双绞线,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,无屏蔽双绞线 UTP,屏蔽双绞线 STP,双绞线（最远100m）,T568A接线线序 T568B接线线序,(2) 同轴电缆,同轴电缆的两端还要接上终端负载，以消除信号传输到电缆的端点时产生的电磁波反射。 基带（10Mbps）同轴电缆的特征阻抗为50欧，宽带(500Mbps)同轴电缆为75欧。 因为信号沿总线传播时会产生衰减。粗缆的最大长度被限制为500m。细缆185m(较便宜) 若实际网络需要跨越更长的距离，就必须采用转发器(repeater)将
8、信号放大并整形后再转发出去。转发器又称为中继器，它工作在物理层。,同轴电缆的结构,(3) 光纤,光纤通信就是利用光导纤维(以下简称为光纤)传递光脉冲来进行通信。有光脉冲相当于1，而没有光脉冲相当于0。 由于可见光的频率非常高，约为108MHz的量级，因此一个光纤通信系统的传输带宽远远大于目前其他各种传输媒体的带宽,4、无线传输介质,1、数字信号的基带传输,3.4 数字信号的传输,单极性码：1-高电平 0-0电平 双极性码：1-正电平 0-负电平 归零码：信息传输后归零 非归零码 差分码：电平变化与否来表示逻辑 曼彻斯特编码：0-1:0; 1-0:1 mBnB编码：码集映射,2、数字信号的频带传
9、输,通过调制振幅、频率和相位等载波特性或者这些特性的某种组合，来对数字数据进行编码。 （1）幅移键控方式（ASK） （2）频移键控方式（FSK） （3）相移键控方式（PSK）,3、差错控制,(1) 差错控制的基本方法 检错重传 停止等待重传连续自动重传 拉回方式 选择重发方式 前向差错纠正（FEC）: 添加冗余位指示发生错误的位置。数据长度m与冗余位数r的关系是：2r m+r+1 混合纠错方式,(2) 差错检测：,奇偶校验（无法检测偶数个错误比特数）奇校验：R=I1+I2+In+1 R为监督位偶校验：R=I1+I2+In 表达式为约束关系 二维奇偶（纵向冗余校验）多个数据域组成数据块，每个数据
10、奇偶校验，各对应位再分别进行奇偶校验） Internet检验和：RFC1071 循环冗余校验（传输序列做规定除法操作，余数作为效验码。可检测99.95%错误）,Internet检验和步骤:,（1）待校验的相邻字节成对组成16比特整数并计算其和（1的补码求和：其反码代表其相反数）的二进制反码。 （2）为了生成校验和，校验和区域本身应当先置0，并和待校验数据相加，其和进行二进制反码运算后赋给校验和区域。 （3）检查校验和时，将所有字节，包括校验和，进行1的补码求和。如果结果为全1,2的补码定点整数表示方法及其加法计算,十进制： -3+5 =2 二进制： FD+05 = 01 02 去掉进位即为和,
11、1的补码定点整数表示方法及其加法计算,十进制： -3+5 =2 二进制： FC+05 = 01 01 进位加到低位即为和,Internet检验和简例,发送序列 FE 05 求其和 ：FE+05=01 03 求其1的补码和为 03+01= 04 取其反码为 FB, 即为Internet检验和 接收端： 求接收序列的和：FE +05+FB =0103 +FB= 01 FE 更正为1的补码和为：FE +01 = FF,Crc算法说明： 确定生成多项式 g(x)（k为最高次幂） 发送多项式f(x)左移k位,即f(x)x k f(x)x k/ g(x)（模2减法或异或操作） 余数多项式加f(x)x k一
12、起发送 例：发送序列：1101011011 生成多项式：x4+x+1,3.5 数据传输方式,1、通信方式： 单工通信：两通信终端间只能由一方将数据传输给另一方，即一方仅可为发送端，另一方仅能为接收端。 半双工通信：两通信终端可以互传信息，即都可以发送或接收数据。但在同一时间，两通信终端间只能由一方将数据传输给另一方。即任一方都不能在同一时间既发送又接收，只能在同一时间一方发送另一方接收。 全双工通信：两通信终端可以在两个方向上同时进行数据的收发传输。即在同一时间，两通信终端可以同时发送或接收数据。,2、串行传输与并行传输,并行传输 串行传输 同步：接收端按发送的每个码元的重复频率及起 止时间来
13、接收数据。 位同步：位的时间宽度 字符同步：字符的起止和结束 帧同步：信息块的其始和结束,3、同步方式,异步式： 字符同步：起止同步式 位同步：外同步 自同步 (2) 同步式：对一组数据块进行同步：帧同步 面向字符的同步 面向比特的同步,6、数据传输通信方式,单工通信：两通信终端间只能由一方将数据传输给另一方，即一方仅可为发送端，另一方仅能为接收端。 半双工通信：两通信终端可以互传信息，即都可以发送或接收数据。但在同一时间，两通信终端间只能由一方将数据传输给另一方。即任一方都不能在同一时间既发送又接收，只能在同一时间一方发送另一方接收。 全双工通信：两通信终端可以在两个方向上同时进行数据的收发
14、传输。即在同一时间，两通信终端可以同时发送或接收数据。,3.6、物理层标准举例,EIA RS-232 接口标准 RS：“推荐标准”，232：编号。 1969：EIA-232-C，C：第三个修订版本。 1987：EIA-232-D。 1991：EIA-232-E。 EIA-232是DTE与DCE之间的接口标准,机械特性：IS02110 25针或9针 DTE (针式， Male) DCE(孔式，Female) 电气特性：单端发送，单端接收，逻辑0：+5+15V；逻辑1： -5-15V；最远15m 功能特性：引脚定义 规程特性：时序,补充：,DTE：数据终端设备，具有一定的数据处理能力以及发送和接收
15、数据能力的设备。数据传输能力是有限。可是计算机或终端，也可以I/O设备 DCE：在DTE和传输线路之间提供信号变换和编码的功能，并且负责建立、保持和释放数据链路的连接。调制解调器,DTE可以是一台计算机或一个终端，也可以是各种的I/O设备。典型的DCE则是一个与模拟电话线路相连接的调制解调器。DCE虽然处于通信环境内，但它和DTE均属于用户设施,两个DTE通过DCE进行通信的例子,(1)DTE-A和DTE-B通信,引脚20置为ON,同时通过引脚2向DCE-A传送电话号码信号;,(2) DCE-B将引脚22置为ON,通知DTE-B有呼叫信号到达。 DTE-B将引脚20置为ON。 DCE-B接着产生载波信号,并将引脚6置为ON,表示已经准备好接收数据。,(3)当DCE-A检测到载波信号时,将引脚8和引脚6都置为ON,以便使DTE-A知道通信电路已经建立。 DCE-A通过引脚3向DTE-A发送信息。,(4) DCE-A接着向DCE-B发送其载波信号, DCE-B将其引脚8置为ON。,(5)当DTE-A要发送数据时,将其引脚4置为ON。 DCE-A作为响应将引脚5置
