计算机网络课件 第二章 物理层(华北电力大学科技学院)

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1、计算机网络计算机网络张长明ncepubd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2.3 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1、物理层关注的内容是什么？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，而不是指具体的传输媒体 。2、为什么要设置物理层？现有的计算机网络中的硬件设备和传输媒体种类繁 多，通信手段也有多种不同方式。物理层的作用就 是尽可能屏蔽多样性带来的差异，使数据链路层只 需考虑如何完成本层的协议和服务，无需考虑具体 传输媒体。3、物理层的主要任务：确定与传输媒体的接

2、口 有关的一些特性，即 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。 4、物理层还要完成并、串行传输方式的转换。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 据源点终点发送器接收器源系统目的系统传输系统输 出 信 息数据通信系统调制解调器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

3、入 汉字显示 汉字PC 机数据通信系统模型举例1、几个术语数据运送消息的实体。模拟数据取值为连续数值的数据。数字数据取值为离散数值的数据。信号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。 码元在使用时间域（简称为时域）的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形。2、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 有关信道的几个基本概念1、信道：表示向某一方向传送信息的媒体。2、三种信息交互方式： 单向通信（单工通信）只能有一个方

4、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。 3、基带(baseband)信号和带通(band pass)信号 基带信号（即基本频带信号）信源发出的没有 经过调制的原始电信号 。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。 基带信号特征：往往包含有较多的低频成分，甚至 有直流成分。 基带信号的两种调制方法：基带调制：仅对基带信号的波形进行变换。带通调制：使用载波进行调制，把基带信号的频率范围 搬移到较高的频段。 带通信号经过载波调制

5、的信号称为带通信号。4、几种调制方法（1）最基本的调制方法： 调幅(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。 最基本的二元制调制方法：010011100基带信号调频调相调幅载波（2）正交振幅调制 QAM(Quadrature Amplitude Modulation) r(r, )每一个码元可表示的比特数越多，则在接收端进行解调时要正确 识别每一种状态就越困难。 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。 可供选择的相位有 12

6、 种， 而对于每一种相位有 1 或 2 种振幅可供选择。 举例2.2.3 信道的极限容量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。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有失真，但可识别发送信号波形实际的信道 （带宽受限、有噪声、干扰和失真）接收信号波形失真大，无法识别n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限制码元在信道上的传输速率的因素有 信道能够通过的频率范围 信噪比1、信道能够通过的频率范围任何信道中，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。192

7、4 年，奈奎斯特(Nyquist)推导出著名的奈氏准则,给出了在假定的理想条件下，为了避免码间串扰，码元传输速率的上限值。 奈氏(Nyquist)准则（1）理想低通信道的最高码元传输速率 = 2W BaudW 是理想低通信道的带宽，单位为赫(Hz) Baud 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。另一种表述：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。不能通过能通过 0频率(Hz) W (Hz) （2）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)另一种表述：每赫带宽的理想带通信道的最高码元传输速率是每

8、秒 1 个码元。不能通过能通过 0频率(Hz) W (Hz) 不能通过需要注意的问题： 实际的信道所能传输的最高码元速率，要明显地低 于奈氏准则给出的上限数值。 波特(Baud)和比特(bit)是两个不同的概念。 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。 比特是信息量的单位。 信息传输速率“比特/秒”与码元传输速率“波特”在数量上有一定关系。 若1个码元只携带1 bit的信息量，则“比特/秒”和“波 特”在数值上相等。 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、信噪

9、比噪声会影响接收端对码元的判决，但影响是相对的：若信号相对较强，则噪声影响相对较小。香农公式给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C = W log2(1+S/N) b/s ，其中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 为信道内部的高斯噪声功率。对香农公式的理解： 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。 香农公式意义：只要信息传输速率低于信道的极限传输速率，就一定能找到某种办法来实现无差错的传输。 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。2.3 物理层

10、下面的传输媒体传输媒体指数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路，也称为传输介质、传输媒介。传输媒体传输媒体导向传输媒体：电磁波沿着固体媒体传播导向传输媒体：电磁波沿着固体媒体传播 。非导向传输媒体：指自由空间。非导向传输媒体：指自由空间。2.3.1 导向传输媒体双绞线 屏蔽双绞线 STP (Shielded Twisted Pair) 无屏蔽双绞线 UTP (Unshielded Twisted Pair) 同轴电缆 50 同轴电缆 75 同轴电缆光缆 一、双绞线把两根互相绝缘的铜导线并排放在一起，然后用规则的方法绞合起来就构成了双绞线，也称为双扭线。模拟传输和数字传输都可用，通信距离一

11、般为几到十几公里。距离太长时要加放大器以便将衰减了的信号放大到合适的数值(对于模拟传输)，或者加上中继器以便将失真了的数字信号进行整形，再转发。导线越粗，通信距离越远，价格也越高。通常将一定数量双绞线捆成电缆，在其外面加上护套。为了提高双绞线的抗电磁干扰能力，可在双绞线的外面再加上一层用金属丝编织成的屏蔽层，这就是屏蔽双绞线。铜线聚氯乙烯 套层屏蔽层 绝缘层屏蔽双绞线 STP铜线聚氯乙烯 套层绝缘层无屏蔽双绞线 UTP二、同轴电缆 同轴电缆由内导体铜质芯线(单股实心线或多股绞合线 )、绝缘层、网状编织的外导体屏蔽层以及保护塑料外层所组成。主要有两类同轴电缆：50 同轴电缆，主要用于传输基带信号

12、。75 同轴电缆，主要用于模拟传输系统。外导体屏蔽层绝缘层绝缘保护套层内导体三、光缆1. 光纤通信：就是利用光导纤维(简称光纤)传递光脉冲来进行通信。有光脉冲为1无光脉冲为02. 光纤是光纤通信的传输媒体。在发送端有光源，可采用发光二极管或半导体激光器，在电脉冲的作用下产生出光脉冲。在接收端利用光电二极管做成光检测器，在检测到光脉冲时可还原出电脉冲。3. 光纤的构成：通常由非常透明的石英玻璃拉成细丝 ，主要由纤芯和包层构成的双层同心圆柱体。纤芯很 细，其直径只有8 100 m。 4. 光线在光纤中的传输原理：包层较纤芯有较低的折 射率。当光线从高折射率的媒体射向低折射率的媒体 时，其折射角将大

13、于入射角，如果入射角足够大，就 会形成全反射。这个过程不断重复，光也就沿着光纤 传播下去。包层纤 芯折射角入射角包层（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 ） 5. 多模光纤与单模光纤 只要从纤芯中射到纤芯表面的光线的入射角大于某一个临界角度，就可产生全反射，因此可以存在多条不同角度入射的光线在一条光纤中传输。这种光纤就称为多模光纤。 若光纤的直径减小到只有一个光的波长，则光纤就像一根波导那样，它可使光线一直向前传播，而不会产生多次反射。这样的光纤就称为单模光纤。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 无线传输所使用的

14、频段很广，目前常用的有：无线电 波短波、微波、红外线和激光 。无线电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 卫星通信激光通信：利用激光传输信息的通信方式 ，按传输媒体的 不同可分为“大气激光通信”和“光纤通信”。红外线通信：利用红外线传输信息的方式，用于视距通信及 遥控。如电视遥控器、笔记本、手机等。2.4 信道复用技术信道定义：通俗地说，信道是指以传输媒介为基础的信号通道。具体地说是指由有线或无线线路提供的信号通道。信道复用：为了提高信道的利用率，使多路信号沿同一信道传输而互相不干扰的技术。共享信道信道A1A2B1B2C1C2信

15、道信道A1A2B1B2C1C2复用器分用器(a) 不使用复用技术(b) 使用复用技术复用器：将来自若干单独分信道的独立信号复合起来，在一公共信道的同一方向上进行传输的设备。 分用器：恢复复用信号中的合成信号，并将这些信号在各自独立的信道中还原的设备。 共享信道A1A2B1B2C1C2复用器分用器2.4.1 频分复用、时分复用和统计时分复用1、频分复用 FDM(Frequency Division Multiplexing)频分复用原理：在物理信道的可用带宽超过了单个原始信号所需带宽情况下，可将物理信道的带宽分割成若干个与传输单个信号带宽相同（或略宽）的子信道，然后在每个子信道上传输一路信号，以

16、实现在同一信道中传输多路信号。频率时间频率 1频率 2频率 3频率 4频率 52.4.1 频分复用、时分复用和统计时分复用1、频分复用 FDM(Frequency Division Multiplexing)频分复用特点：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）。 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。 频率时间频率 1频率 2频率 3频率 4频率 52、时分复用TDM(Time Division Multiplexing)时分复用：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。频率时间B C DB C DB C DB C DAAAAA 在 TDM 帧中的位置不变TDM 帧TDM