《计算机网络》课件 物理层

《《计算机网络》课件 物理层》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《计算机网络》课件 物理层（67页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、计算机网络第 2 章 物理层第 2 章 物理层*2.1 物理层的基本概念 *2.2 数据通信的基础知识 2.2.1 数据通信系统的模型 2.2.2 有关信道的几个基本概念 2.2.3 信道的最高码元传输速率 2.2.4 信道的极限信息传输速率2.3 物理层下面的传输媒体 2.3.1 导向传输媒体 2.3.2 非导向传输媒体第 2 章 物理层（续）2.4 模拟传输与数字传输2.4.1 模拟传输系统 *2.4.2 调制解调器 *2.4.3 数字传输系统 *2.5 信道复用技术2.5.1 频分复用、时分复用和统计时分复用2.5.2 波分复用2.5.3 码分复用 *2.6 同步光纤网SONET和同步数

2、字系列SDH2.7 物理层标准举例 2.7.1 EIA-232-E接口标准 2.7.2 RS-449接口标准2.1 物理层的基本概念n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： n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。n电气特性 指明在接口电缆的各条线上出现的电压 的范围。n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。n规程特性 指明对于不同功能的各种可能事件的出 现顺序。 2.2 数据通信的基础知识 2.2.1 数据通信系统的模型 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

3、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 正文正文数据通信系统源系统目的系统传输系统输 出 信 息PC 机几个术语n数据(data)运送信息的实体。n信号(signal)数据的电气的或电磁的表现。 n“模拟的”(analogous)连续变化的。n“数字的”(digital)取值是离散数值。n调制把数字信号转换为模拟信号的过程。n解调把模拟信号转换为数字信号的过程。 模拟的和数字的数据、信号 模拟数据模拟信号放大器 调制器模拟数据数字信号PCM 编码器数字数据模拟信号调制器数字数据数字信号数字 发送器2.2.2 有关信号的几个基本概念n单向通信（单工通信

4、）只能有一个方 向的通信而没有反方向的交互。n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)。n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。 基带(baseband)信号和 宽带(broadband)信号 n基带信号就是将数字信号 1 或 0 直接用两 种不同的电压来表示，然后送到线路上去 传输。 n宽带信号则是将基带信号进行调制后形成 的频分复用模拟信号。 2.2.3 信道的最高码元传输速率 n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。 n码元传输的速率越高，或信号传输的距 离越远，在信道

5、的输出端的波形的失真 就越严重。 数字信号通过实际的信道 n失真不严重n失真严重 实际的信道 （带宽受限、有噪声、干扰和失真）输入信号波形输出信号波形 (失真不严重)输入信号波形实际的信道 （带宽受限、有噪声、干扰和失真）输出信号波形 (失真严重)奈氏(Nyquist)准则 n每赫带宽的理想低通信道的最高码元传 输速率是每秒 2 个码元。nBaud 是波特，是码元传输速率的单位， 1 波特为每秒传送 1 个码元。 理想低通信道的最高码元传输速率 = 2W Baud W 是理想低通信道的带宽，单位为赫(Hz) 不能通过能通过0频率(Hz) W (Hz) 另一种形式的奈氏准则 n每赫带宽的理想低通

6、信道的最高码元传 输速率是每秒 1 个码元。理想带通特性信道的最高码元传输速率 = W Baud W 是理想带通信道的带宽，单位为赫(Hz) 不能通过能通过0频率(Hz) W (Hz) 不能通过要强调以下两点 n实际的信道所能传输的最高码元速率， 要明显地低于奈氏准则给出上限数值。n波特(Baud)和比特(bit)是两个不同的概念 。 n波特是码元传输的速率单位（每秒传多少个 码元）。码元传输速率也称为调制速率、波 形速率或符号速率。n比特是信息量的单位。 要注意 n信息的传输速率“比特/秒”与码元的传输 速率“波特”在数量上却有一定的关系。n若 1 个码元只携带 1 bit 的信息量，则“

7、比特/秒”和“波特”在数值上相等。n若 1 个码元携带 n bit 的信息量，则M Baud 的码元传输速率所对应的信息传 输速率为 M n b/s。 2.2.4 信道的极限信息传输速率 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。n信道的极限信息传输速率 C 可表达为n C = W log2(1+S/N) b/s nW 为信道的带宽（以 Hz 为单位）；nS 为信道内所传信号的平均功率；nN 为信道内部的高斯噪声功率。 香农公式表明 n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。 n只要信息传输速率低于信道

8、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。 n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。n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。 奈氏准则和香农公式 在数据通信系统中的作用范围 源系统传输系统目的系统传输 系统源点终点发送器接收器 输 入 信 息输 出 信 息输 入 数 据输 出 数 据发送的 信号接收的 信号码元传输速率受 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

9、 无线电调频 无线电海事 无线电光纤电视(Hz)f(Hz)fLFMFHFVHF UHF SHFEHFTHF波段104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016100 102 104 106 108 1010 1012 1014 1016 1018 1020 1022 1024移动 无线电 电信领域使用的电磁波的频谱2.3.1 导向传输媒体n双绞线n屏蔽双绞线 STP (Shielded Twisted Pair)n无屏蔽双绞线 UTP (Unshielded Twisted Pair) n同轴电缆n50 同轴电缆n75 同轴电

10、缆n光缆 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同轴电缆光线在光纤中的折射 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2.3.2 非导向传输媒体 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。 n地面微波接力通信n卫星通信

11、 2.4 模拟传输与数字传输2.4.1 模拟传输系统 n长途干线最初采用频分复用 FDM 的传输 方式nFDM (Frequency Division Multiplexing)n目前我国长途通信线路已实现了数字化， 因而现在的模拟通信电路就只剩下从用户 电话机到市话交换机之间的这一段几公里 长的用户线上。 2.4.2 调制解调器 n数据经过模拟传输系统后会出现差错。 出现差错010010100还原后 的数据t接收到的 失真信号010011100t发送的 基带信号t采样时刻调制解调器的作用n调制解调器(modem)包括：n调制器(MOdulator)：把要发送的数字信号转 换为频率范围在 30

12、03400 Hz 之间的模拟信 号，以便在电话用户线上传送。n解调器(DEModulator)：把电话用户线上传送 来的模拟信号转换为数字信号。n本书中的调制解调器是指使用在标准的二 线模拟话路（3.1 kHz 的标准话路带宽） 上的调制解调器。 调制解调器的作用（续）n调制器的主要作用就是个波形变换器，它把基 带数字信号的波形变换成适合于模拟信道传输 的波形 n解调器的作用就是个波形识别器，它将经过调 制器变换过的模拟信号恢复成原来的数字信号 。n若识别不正确，则产生误码。n在调制解调器中还要有差错检测和纠正的设施。 几种最基本的调制方法 n调制就是进行波形变换（频谱变换）。 n最基本的二元

13、制调制方法有以下几种：n调幅(AM)：载波的振幅随基带数字信号而变化。 n调频(FM)：载波的频率随基带数字信号而变化。n调相(PM) ：载波的初始相位随基带数字信号而 变化。 对基带数字信号的几种调制方法 010011100基带信号调幅调频调相一种正交调制 QAM nQAM (Quadrature Amplitude Modulation) r(r, )可供选择的相位有 12 种， 而对于每一种相位有 1 或 2 种振幅可供选择。 由于4 bit 编码共有16 种不同的 组合，因此这 16 个点中的每个 点可对应于一种 4 bit 的编码。 若每一个码元可表示的比特数越多，则在接收端进行 解

14、调时要正确识别每一种状态就越困难。 调制解调器的速率 n目前调制解调器的信息传输速率已很接近 于香农的信道容量极限了。 n要提高信息传输速率，只能设法提高信噪 比。 n在电话的用户线上，最大的噪声来自模拟 到数字的模数转换所带来的量化噪声。 产生量化噪声的地方 （经过 A/D 变化的地方） A2/4A/DA/DD/AD/A 数字信号数字信号交换机 1交换机 2V.34 33.6 kb/s调制解调器B D/AA/D 4/2V.34 33.6 kb/s调制解调器产生量化噪声产生量化噪声使用 V.34 调制解调器（33.6 kb/s）产生量化噪声产生量化噪声用户环路 模拟信号用户环路 模拟信号产生量

15、化噪声的地方（续）（经过 A/D 变化的地方） 使用 V.90 调制解调器（56 kb/s）A2/4A/DA/D交换机因特网服务提供者V.90 56 kb/s 调制解调器D/AV.90 56 kb/s 调制解调器数字信号数字信号至因特网 （数字信号）用户环路 模拟信号仅在此处 产生量化噪声仅在此处 产生量化噪声调制解调器使用异步通信方式 n数据通信可分为同步通信和异步通信两大类：n同步通信要求接收端时钟频率和发送端时钟频率一致。 发送端发送连续的比特流。n异步通信时不要求接收端时钟和发送端时钟同步。发送 端发送完一个字节后，可经过任意长的时间间隔再发送 下一个字节。 n异步通信的通信开销较大，但接收端可使用廉价 的、具有一般精度的时钟来进行数据通信。2.4.3 数字传输系统 n现在的数字传输系统均采用脉码调制 PCM (Pulse Code Modulation)体制。 采样周期 Tt信号t采样1001001111000010t编码t解码t还原时分复用 n为了有效地利用传输线路，可将多个话路的 PCM 信号用时分复用 TDM (Time Division Multiplexing)的方法装成时分复用帧，然后 发送到线路上。n中国采用欧洲体制，以 E1 为一次群。n美国和日本