計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與應(yīng)用電子課件教案-第二章 物理層.ppt

1,一、模擬與數(shù)字通信,1模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào),模擬數(shù)據(jù)(AnalogData)：連續(xù)值數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)(DigitalData)：離散值數(shù)據(jù)傳輸方式信號(hào)類型：模擬信號(hào)(AnalogSignals)數(shù)字信號(hào)(DigitalSignals)信號(hào)發(fā)送方式模擬信號(hào)傳輸（采用模擬信道）數(shù)字信號(hào)傳輸（采用數(shù)字信道）,2,1)模擬信號(hào)傳輸,優(yōu)點(diǎn)：不易衰減，傳輸距離較遠(yuǎn)缺點(diǎn)：易受噪聲干擾影響,3,比特流,模擬信號(hào),PC,MODEM,公用電話網(wǎng),源系統(tǒng),傳輸系統(tǒng),目的系統(tǒng),PC,MODEM,數(shù)字與模擬信號(hào)的關(guān)系,模擬信號(hào),比特流,4,優(yōu)點(diǎn)：價(jià)格便宜，對(duì)噪聲不敏感；缺點(diǎn)：易受衰減，頻率越高，衰減越厲害。,2)數(shù)字信號(hào)傳輸,5,1)基帶傳輸（數(shù)字信號(hào)的數(shù)字傳輸）基帶：基本頻帶，指?jìng)鬏斪儞Q前所占用的頻帶，是原始信號(hào)所固有的頻帶?；鶐鬏敚涸趥鬏敃r(shí)直接使用基帶信號(hào)。基帶傳輸是一種最簡(jiǎn)單最基本的傳輸方式，一般用低電平表示“0”，高電平表示“1”。適用范圍：低速和高速的各種情況。限制：因基帶信號(hào)所帶的頻率成分很寬，所以對(duì)傳輸線有一定的要求。,2基帶傳輸和頻帶傳輸,6,常用的數(shù)字傳輸編碼方式：1）不歸零制碼（NRZ：Non-ReturntoZero）原理：用兩種不同的電平分別表示二進(jìn)制信息“0”和“1”，低電平表示“0”，高電平表示“1”。2）曼徹斯特碼（Manchester），也稱相位編碼原理：每一位中間都有一個(gè)跳變，從低跳到高表示“0”，從高跳到低表示“1”。,7,3）差分曼徹斯特碼（DifferentialManchester）原理：每一位中間都有一個(gè)跳變，每位開始時(shí)有跳變表示“0”，無(wú)跳變表示“1”。位中間跳變表示時(shí)鐘，位前跳變表示數(shù)據(jù)。4）逢“1”變化的NRZ碼原理：在每位開始時(shí)，逢“1”電平跳變，逢“0”電平不跳變。5）逢“0”變化的NRZ碼原理：在每位開始時(shí)，逢“0”電平跳變，逢“1”電平不跳變。,8,2)頻帶傳輸（數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的模擬傳輸）頻帶傳輸：指在一定頻率范圍內(nèi)的線路上，進(jìn)行載波傳輸。用基帶信號(hào)對(duì)載波進(jìn)行調(diào)制，使其變?yōu)檫m合于線路傳送的信號(hào)。調(diào)制（Modulation）：用基帶脈沖對(duì)載波信號(hào)的某些參量進(jìn)行控制，使這些參量隨基帶脈沖變化。解調(diào)（Demodulation）：調(diào)制的反變換。調(diào)制解調(diào)器MODEM（MOdulation-DEModulation),9,不同調(diào)制形式舉例,調(diào)幅,調(diào)頻,調(diào)相,數(shù)字信號(hào),相位變化,10,3)模擬數(shù)據(jù)數(shù)字傳輸解決模擬信號(hào)數(shù)字化問題，也稱脈沖代碼調(diào)制PCM（PulseCodeModulation），根據(jù)奈奎斯特原理進(jìn)行采樣。常規(guī)的PCM技術(shù)將模擬信號(hào)振幅分成多級(jí)（2n），每一級(jí)用n位表示。例如：電話系統(tǒng)的T1載波將模擬信號(hào)分成128級(jí)，每次采樣用7位二進(jìn)制數(shù)表示。差分脈沖代碼調(diào)制不是將振幅值數(shù)字化，而是根據(jù)前后兩個(gè)采樣值的差進(jìn)行編碼，輸出二進(jìn)制數(shù)字。調(diào)制根據(jù)每個(gè)采樣值與前一個(gè)值之間差“+1”或“-1”來(lái)決定輸出二進(jìn)制“1”或“0”。,11,二、數(shù)據(jù)通信的理論基礎(chǔ),1.傅立葉分析任何一個(gè)周期為T的有理周期性函數(shù)g(t)可分解為若干項(xiàng)（可能無(wú)限多項(xiàng)）正弦和余弦函數(shù)之和：,其中：f=1/T基本頻率；an,bn為n次諧波項(xiàng)的正弦和余弦振幅值；C為常數(shù)；,12,對(duì)于二進(jìn)制數(shù)據(jù)01100010，不同諧波的輸出結(jié)果,原始數(shù)據(jù),1次諧波,2次諧波,4次諧波,8次諧波,13,例如：電話音頻線路的截止頻率為3000Hz，N=fc/f1=3000/(B/8)=24000/B,結(jié)論：即使對(duì)于完善的信道，有限的帶寬也會(huì)限制數(shù)據(jù)的傳輸速率。,14,2.信道的最大數(shù)據(jù)傳輸率奈魁斯特推導(dǎo)出無(wú)噪聲有限帶寬信道的最大數(shù)據(jù)傳輸率公式：最大數(shù)據(jù)傳輸率=2Hlog2V(bps)任意信號(hào)通過一個(gè)帶寬為的低通濾波器，則每秒采樣2H次就能完整地重現(xiàn)該信號(hào)，信號(hào)電平分為V級(jí)。,結(jié)論：依據(jù)奈奎斯特原理，超過帶寬2倍的信號(hào)采樣頻率并不能更好的表現(xiàn)原始信號(hào),15,信道受到隨機(jī)（熱）噪聲干擾的情況熱噪聲的大小用信噪比（信號(hào)功率與噪聲功率之比）來(lái)衡量。信噪比10lgS/N:信號(hào)功率，:噪聲功率單位:分貝（dB）,香農(nóng)的有噪聲環(huán)境最大數(shù)據(jù)傳輸率：帶寬為H赫茲，信噪比為S/N的任意信道的最大數(shù)據(jù)傳輸率為最大數(shù)據(jù)傳輸率=Hlog2(1+S/N)單位：bps,16,例如：電話系統(tǒng)的典型信噪比為30dB，其截止頻率為3000Hz。根據(jù)香農(nóng)理論，電話線路上的最大數(shù)據(jù)傳輸率為：35Kbps,注意：香農(nóng)的公式是利用信息論得出的，具有普遍意義；與信號(hào)電平級(jí)數(shù)、采樣速度無(wú)關(guān)；此公式表示的是理論上限，難以達(dá)到。,17,波特率（baud）和比特率（bit/s）的關(guān)系：波特率：信號(hào)每秒鐘變化的次數(shù)，也稱調(diào)制速率比特率：每秒鐘傳送的二進(jìn)制位數(shù)。波特率與比特率的關(guān)系取決于信號(hào)值與比特位的關(guān)系,例：每個(gè)信號(hào)值可表示位，則比特率是波特率的倍每個(gè)信號(hào)值可表示位，則比特率和波特率相同對(duì)于比特率為bps的信道，發(fā)送位所需的時(shí)間為8/B秒，若位為一個(gè)周期，則一次諧波的頻率是：f1=B/8Hz,有關(guān)概念,18,由于一條傳輸線路的能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過傳輸一個(gè)用戶信號(hào)所需的能力，為了提高線路利用率，經(jīng)常讓多個(gè)信號(hào)同時(shí)共用一條物理線路。,二、多路復(fù)用技術(shù),常用的有三種方法：時(shí)分復(fù)用TDM（TimeDivisionMultiplexing）頻分復(fù)用FDM（FrequencyDivisionMultiplexing）波分復(fù)用WDM（WavelengthDivisionMultiplexing）,19,T1線路1.544Mb/s,T1線路由24個(gè)多路復(fù)用信道組成,每個(gè)信道采樣8000次/秒，每次采樣量化為7bit每個(gè)信道每次采樣生成7bit數(shù)據(jù)位加1bit控制位，即7b+1b即每個(gè)信道每秒生成56K+8K的傳輸速率24個(gè)多路復(fù)用信道的每次采樣組成一個(gè)幀，即每幀為：8bit24=192bit，每幀間加一個(gè)bit，所以每幀為193bit193bit8000次采樣/秒=1544000bit/s=1.544Mb/s,北美地區(qū)使用T1線路,時(shí)分復(fù)用舉例：,20,T1線路示意圖,21,E1線路由32個(gè)多路復(fù)用信道組成,每個(gè)信道采樣8000次/秒，每次采樣量化為8bit，其中包括用于信令的二進(jìn)制位32個(gè)多路復(fù)用信道的每次采樣組成一個(gè)幀，即每幀為：8bit32個(gè)信道8000次采樣/秒=2.048Mb/s,歐洲、中國(guó)使用E1線路,22,多個(gè)T1或E1線路的復(fù)用,一次群：T1=1.544Mb/sE1=2.048Mb/s二次群：T2=T1x4+=6.312Mb/sE2=E1x4+=8.848Mb/s三次群：T3=T2x7+=44.736Mb/sE3=E2x4+=34.304Mb/s四次群：T4=T3x6+=274.176Mb/sE4=E3x4+=139.264Mb/s,23,三、數(shù)據(jù)交換技術(shù),在多結(jié)點(diǎn)通信網(wǎng)絡(luò)中，為有效利用通信設(shè)備和線路，一般希望動(dòng)態(tài)地設(shè)定通信雙方間的線路。動(dòng)態(tài)地接通或斷開通信線路，稱為“交換”交換方式分類：電路交換報(bào)文交換（采用存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)方式）分組交換（包交換，采用存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)方式）混合交換,24,1.電路交換（circuitswitching）原理：直接利用可切換的物理通信線路，連接通信雙方。三個(gè)階段建立電路傳輸數(shù)據(jù)拆除電路特點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)前，必須建立起點(diǎn)到點(diǎn)的物理通路；建立物理通路時(shí)間較長(zhǎng)，數(shù)據(jù)傳送延遲較短。例公共電話網(wǎng)ISDN(IntegratedServicesDigitalNetworks),25,電路交換示意圖,26,電路交換網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn),27,2.報(bào)文交換（messageswitching）原理：信息以報(bào)文（邏輯上完整的信息段）為單位進(jìn)行存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)。特點(diǎn)線路利用率高；要求中間結(jié)點(diǎn)（網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備）緩沖大；延遲時(shí)間長(zhǎng)。,28,3.分組交換（packetswitching）原理：信息以分組為單位進(jìn)行存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)。源節(jié)點(diǎn)把報(bào)文分為分組，在中間節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)，目的節(jié)點(diǎn)把分組合成報(bào)文。分組：比報(bào)文還小的信息段，可定長(zhǎng)，也可變長(zhǎng)。分組交換分為數(shù)據(jù)報(bào)（datagram）虛電路（virtualcircuit）,29,數(shù)據(jù)報(bào)每個(gè)分組均帶有全稱網(wǎng)絡(luò)地址（源、目的），可走不同的路徑。如：IP網(wǎng)絡(luò)虛電路電路交換和分組交換的結(jié)合，如：ATM網(wǎng)絡(luò)分三個(gè)階段建立：發(fā)帶有全稱網(wǎng)絡(luò)地址的呼叫分組，建立虛電路傳輸：沿建立好的虛電路傳輸數(shù)據(jù)；拆除：拆除虛電路。,30,分組交換特點(diǎn)每個(gè)分組包括目的地址，獨(dú)立進(jìn)行路由選擇網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)設(shè)備中不預(yù)先分配資源線路利用率高；結(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)器利用率高；易于重傳，可靠性高；易于開始新的傳輸，讓緊急信息優(yōu)先通過；需要增加額外信息。,31,分組交換網(wǎng)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn),32,交換方式對(duì)比,時(shí)間,路由選擇時(shí)間,33,電路交換與分組交換的比較,34,結(jié)論：電路交換適用于實(shí)時(shí)信息和模擬信號(hào)傳送，在線路帶寬比較低的情況下使用比較經(jīng)濟(jì)；報(bào)文交換適用于線路帶寬比較高的情況，可靠靈活，但延遲大；分組交換縮短了延遲，也能滿足一般的實(shí)時(shí)信息傳送。在高帶寬的通信中更為經(jīng)濟(jì)、合理、可靠。是目前公認(rèn)較（最）好的一種交換技術(shù)。,35,四、物理層和物理介質(zhì),物理層的定義ISO/OSI關(guān)于物理層的定義：物理層提供機(jī)械的、電氣的、功能的和規(guī)程的特性，目的是啟動(dòng)、維護(hù)和關(guān)閉數(shù)據(jù)鏈路實(shí)體之間進(jìn)行比特傳輸?shù)奈锢磉B接。這種連接可能通過中繼系統(tǒng)，在中繼系統(tǒng)內(nèi)的傳輸也是在物理層的。物理層的功能在兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間提供透明的比特流傳輸。,36,需要規(guī)定連接方式（點(diǎn)到點(diǎn)，點(diǎn)到多點(diǎn)）通信方式（單工，半雙工，全雙工）位傳輸方式（串行，并行）物理層的四個(gè)重要特性機(jī)械特性(mechanicalcharacteristics)電氣特性(electricalcharacteristics)功能特性(functionalcharacteristics)規(guī)程特性(proceduralcharacteristics),37,1.機(jī)械特性主要定義物理連接的邊界點(diǎn)，即接插裝置。規(guī)定物理連接時(shí)所采用的規(guī)格、引腳的數(shù)量和排列情況。常用的標(biāo)準(zhǔn)接口ISO2110，25芯連接器，EIARS-232-C，EIARS-366-AISO2593，34芯連接器，V.35寬帶MODEMISO4902，37芯和9芯連接器，EIARS-449ISO4903，15芯連接器，X.20、X.21、X.22,38,2.電氣特性規(guī)定傳輸二進(jìn)制位時(shí)，線路上信號(hào)的電壓高低、阻抗匹配、傳輸速率和距離限制。早期的標(biāo)準(zhǔn)是在邊界點(diǎn)定義電氣特性，例如EIARS-232-C；最近的標(biāo)準(zhǔn)則說(shuō)明了發(fā)送器和接受器的電氣特性，而且給出了有關(guān)對(duì)連接電纜的控制。CCITT標(biāo)準(zhǔn)化的電氣特性標(biāo)準(zhǔn)CCITTV.10/X.26：新的非平衡型電氣特性，EIARS-423-ACCITTV.11/X.27：新的平衡型電氣特性，EIARS-422-ACCITTV.28：非平衡型電氣特性，EIARS-232-CCCITTX.21/EIARS-449,39,3.功能特性主要定義各條物理線路的功能。線路的功能分為四大類：數(shù)據(jù)控制定時(shí)接地4.規(guī)程特性主要定義各條物理線路的工作規(guī)程和時(shí)序關(guān)系。,40,5.傳輸介質(zhì),1）磁介質(zhì)磁帶，軟盤，硬盤2）雙絞線既可用于模擬傳輸，也可用于數(shù)據(jù)傳輸；帶寬依賴于線的粗細(xì)和傳輸距離；3類線，5類線非屏蔽雙絞線UTP（UnshieldedTwistedPair），屏蔽雙絞線STP,41,帶有RJ45接頭的雙絞線及與計(jì)算機(jī)的連接,42,3）基帶同軸電纜基帶傳輸：將數(shù)字信號(hào)0、1直接用兩種不同的電壓表示，然后送到線路上去傳輸，即數(shù)字傳輸50歐姆，用于數(shù)據(jù)傳輸；傳輸距離為185M（細(xì)纜）、500M（粗纜）適用在LAN4）寬帶同軸電纜寬帶傳輸：將基帶信號(hào)進(jìn)行調(diào)制后形成頻分復(fù)用的模擬信號(hào)，再進(jìn)行傳輸。75歐姆，用于模擬傳輸，有線電視網(wǎng)使用有線電視電纜，帶寬可達(dá)300MHz450MHz，由于進(jìn)行模擬信號(hào)傳輸，所以傳輸距離可達(dá)100km,43,要在寬帶系統(tǒng)中傳輸數(shù)據(jù)需在兩端安裝轉(zhuǎn)換器，由于寬帶系統(tǒng)可分為多個(gè)信道，所以模擬和數(shù)字傳輸可混合使用。但通常需解決數(shù)據(jù)雙向傳輸?shù)膯栴}，在混合光纜HFC(HybridFiberCoax)中：450550MHZ是電視，550750MHZ是數(shù)字傳輸,44,5）光纖光纖分類：?jiǎn)文９饫w和多模光纖模式（mode）：是一個(gè)與很多參數(shù)有關(guān)的量，可以簡(jiǎn)單地理解為偏振方向，單模光纖可以傳輸多種波長(zhǎng)，但每個(gè)波長(zhǎng)只能有一種模式。常用的三個(gè)波長(zhǎng)窗口（光纖波段）0.85m:衰減大，傳輸速率和距離受限制，價(jià)格便宜；1.30m:衰減小，無(wú)色散補(bǔ)償、功率放大情況下，最大傳40km（最壞情況）；1.55m:衰減小，無(wú)色散補(bǔ)償、功率放大情況下，最大傳80km（最壞情況）,45,多模光纜：通過光的反射在光纖中無(wú)損傳輸。距離2km單模光纜：直線傳輸。距離10km光傳輸系統(tǒng)包括：光源、傳輸介質(zhì)、檢測(cè)器光網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方式點(diǎn)到點(diǎn)：四根線（兩根用于保護(hù)倒換）環(huán)：兩根線（一根用于保護(hù)倒換）中繼器：光電光，全光全光網(wǎng)，光因特網(wǎng)論壇OIF,46,光纖示意圖,47,光纜的布線和連接,48,光纖及光纖與計(jì)算機(jī)的連接,49,6）無(wú)線傳輸（WirelessTransmission）電磁頻譜無(wú)線電傳輸微波傳輸紅外線和毫米波光波傳輸,傳輸距離：天線的高度、類型和信號(hào)強(qiáng)度傳輸可靠性：障礙物傳輸正確性：氣象條件,50,衛(wèi)星通信模型,VSAT：甚小孔徑衛(wèi)星終端VerySmallApertureSatelliteTerminals,36000km,270ms,51,用于模擬信道傳輸數(shù)字信號(hào)使用25針D型連接器(DB25)，現(xiàn)在主要使用9針型(DB9)。目前主要用于對(duì)設(shè)備實(shí)施控制一類的通信場(chǎng)合。,五、RS-232標(biāo)準(zhǔn),52,DTE與DCE的連接(常規(guī)連接，常見于計(jì)算