計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)2-物理層

1、第二章 物理層 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ) 物理層概述 通信方式 第二章 物理層 編碼與調(diào)制 信道復(fù)用技術(shù) 2.1 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ) 通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo) 數(shù)據(jù)通信模型數(shù)據(jù)通信模型 基本概念基本概念 2.1 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ) v2.1.1基本概念 消息：比如話音、文字、圖像等等 數(shù)據(jù)：運(yùn)送消息的實(shí)體 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)：比如以0和1形式存儲在計(jì)算機(jī)內(nèi)存中的數(shù)據(jù) 模擬數(shù)據(jù)：比如人類的聲音 信號：數(shù)據(jù)的電氣或電磁的表現(xiàn) 模擬信號：代表消息的參數(shù)的取值是連續(xù)的，即連續(xù)信號 數(shù)字信號：代表消息的參數(shù)的取值是離散的，即離散信號 碼元：代表不同離散數(shù)值的基本波形 2.1 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ) v2.1.1基本概念 波特：

2、模擬線路信號的速率，以波形每秒的振蕩數(shù)來 衡量 速率：連接在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的主機(jī)在數(shù)字信道上傳送 數(shù)據(jù)的速率 信道：用來表示向某一個(gè)方向傳送信息的媒體 2.1 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ) v2.1.2數(shù)據(jù)通信模型 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的三個(gè)部分 源系統(tǒng)（發(fā)送端、發(fā)送方） 傳輸系統(tǒng)（傳輸網(wǎng)絡(luò)） 目的系統(tǒng)（接收端，接收方） 源系統(tǒng) 源點(diǎn)：源點(diǎn)設(shè)備產(chǎn)生要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，又稱源站或信源 發(fā)送器 目的系統(tǒng) 接收器 終點(diǎn)：終點(diǎn)設(shè)備從接收器獲取傳送來的數(shù)字比特流，又稱目的 站或信宿 2.1 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ) 傳輸 系統(tǒng)輸 入 信 息 輸 入 數(shù) 據(jù) 發(fā)送 的信號 接收 的信號 輸 出 數(shù) 據(jù) 源點(diǎn)終點(diǎn)發(fā)送器接收器 調(diào)制解調(diào)器 PC 機(jī) 公

3、用電話網(wǎng) 調(diào)制解調(diào)器 數(shù)字比特流數(shù)字比特流模擬信號模擬信號 輸入 漢字 顯示 漢字 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng) 源系統(tǒng) 目的系統(tǒng)傳輸系統(tǒng) 輸 出 信 息 PC 機(jī) 2.1 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ) v2.1.3通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo) 數(shù)據(jù)傳輸速率 任何實(shí)際的信道都不是理想的，在傳輸信號時(shí)會產(chǎn)生各種失真 以及帶來多種干擾。 實(shí)際的信道 （帶寬受限、有噪聲、干擾和失真） 發(fā)送信號波形接收信號波形 2.1 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ) v2.1.3通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo) 數(shù)據(jù)傳輸速率 碼元傳輸?shù)乃俾试礁?，或信號傳輸?shù)木嚯x越遠(yuǎn)，在信道的輸出 端的波形的失真就越嚴(yán)重。 碼間串?dāng)_：信號傳輸過程中，高頻信號受到衰減，在接收端收 到的波形失去了碼元間

4、的清晰界限，使得接收端對碼元的判決 （即識別）成為不可能。 發(fā)送信號波形 實(shí)際的信道 （帶寬受限、有噪聲、干擾和失真） 接收信號波形 2.1 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ) v2.1.3通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo) 數(shù)據(jù)傳輸速率 影響信道上的傳輸速率的兩個(gè)因素 信道能夠通過的頻率范圍 1924 年，奈奎斯特(Nyquist)就推導(dǎo)出了著名的奈氏準(zhǔn)則。 他給出了在假定的理想條件下，為了避免碼間串?dāng)_，碼元的 傳輸速率的上限值。 如果信道的頻帶越寬，也就是能夠通過的信號高頻分量越多， 那么就可以用更高的速率傳送碼元而不出現(xiàn)碼間串?dāng)_。 2 2log L CW 2.1 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ) v2.1.3通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo) 數(shù)據(jù)傳輸

5、速率 影響信道上的傳輸速率的兩個(gè)因素 信噪比 定義：信號的平均功率和噪聲的平均功率之比，記為S/N 香農(nóng)(Shannon)用信息論的理論推導(dǎo)出了帶寬受限且有高斯 白噪聲干擾的信道的極限、無差錯(cuò)的信息傳輸速率。 信道的極限信息傳輸速率 C 可表達(dá)為 提高傳輸速率 采用編碼的方式讓每一個(gè)碼元攜帶更多的比特的信息量 (/)SN 10 信噪比(dB)=10log 2 log (1/)CWSN 2.1 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ) v2.1.3通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo) 出錯(cuò)率 定義：用于衡量通信系統(tǒng)可靠性的指標(biāo)，通常以誤碼率Pe來表 示。 Pe 接收出現(xiàn)差錯(cuò)的比特?cái)?shù)/傳輸?shù)目偙忍財(cái)?shù) 2.2 物理層概述 物理層設(shè)備物理層設(shè)

6、備 傳輸介質(zhì)傳輸介質(zhì) 物理層的接口特性物理層的接口特性 2.2 物理層概述 v2.2.1物理層接口特性 物理層考慮的是怎樣才能在連接各種計(jì)算機(jī)的傳輸媒 體上傳輸數(shù)據(jù)比特流，因此主要任務(wù)描述為確定與傳 輸媒體接口有關(guān)的一些特性，即： 機(jī)械特性 指明接口所用接線器的形狀和尺寸、引線數(shù)目和 排列、固定和鎖定裝置等等 電氣特性 指明在接口電纜的各條線上出現(xiàn)的電壓的范圍 功能特性 指明某條線上出現(xiàn)的某一電平的電壓表示何種意 義 過程特性 指明對于不同功能的各種可能事件的出現(xiàn)順序 2.2 物理層概述 v2.2.2傳輸介質(zhì) 定義：數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中在發(fā)送器和接收器之間的物理 通路，又稱為傳輸媒體或傳輸媒介 導(dǎo)向

7、傳輸媒體：電磁波被導(dǎo)向沿著固體媒體（銅線或光纖）傳 播 非導(dǎo)向傳輸媒體：一般指自由空間 傳輸介質(zhì) 導(dǎo)向傳輸媒體 非導(dǎo)向傳輸媒體 雙絞線 同軸電纜 光纜 屏蔽雙絞線 非屏蔽雙絞線 架空明線 2.2 物理層概述 v2.2.2傳輸介質(zhì) 導(dǎo)向傳輸媒體 雙絞線 屏蔽雙絞線 STP (Shielded Twisted Pair) 無屏蔽雙絞線 UTP (Unshielded Twisted Pair) 銅線 聚氯乙烯 套層 絕緣層 無屏蔽雙絞線 UTP 銅線 聚氯乙烯 套層 屏蔽層 絕緣層 屏蔽雙絞線 STP 2.2 物理層概述 v2.2.2傳輸介質(zhì) 導(dǎo)向傳輸媒體 光纜 折射角 入射角 包層 （低折射率的

8、媒體） 包層 （低折射率的媒體） 纖芯 （高折射率的媒體） 包層 纖芯 光線在光纖中的折射 2.2 物理層概述 v2.2.2傳輸介質(zhì) 導(dǎo)向傳輸媒體 光纜 高折射率 (纖芯) 低折射率 (包層) 光線在纖芯中傳輸?shù)姆绞绞遣粩嗟厝瓷?光波在纖芯中的傳播 2.2 物理層概述 v2.2.2傳輸介質(zhì) 導(dǎo)向傳輸媒體 光纜 多模光纖:許多條不同角度入射的光線在一條光纖中傳輸 單模光纖:光以單一路徑通過這種光纖 輸入脈沖 輸出脈沖單模光纖 輸入脈沖 輸出脈沖 多模光纖 2.2 物理層概述 v2.2.2傳輸介質(zhì) 導(dǎo)向傳輸媒體 同軸電纜 架空明線 絕緣層 內(nèi)導(dǎo)體 外導(dǎo)體 屏蔽層 絕緣保 護(hù)套層 2.2 物理層概

9、述 v2.2.2傳輸介質(zhì) 非導(dǎo)向傳輸媒體 無線傳輸可使用的頻段非常廣 無線電微波紅外線 可見光紫外線 X射線 射線 雙絞線 同軸電纜 衛(wèi)星 地面微波 調(diào)幅 無線電 調(diào)頻 無線電 海事 無線電 光纖 電視 (Hz)f (Hz)f LFMFHFVHFUHF SHFEHFTHF 波段 104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016 100 102 104 106 108 1010 1012 1014 1016 1018 1020 1022 1024 移動 無線電 2.2 物理層概述 v2.2.2傳輸介質(zhì) 非導(dǎo)向傳輸媒體 短波通信:

10、即高頻通信,主要是靠電離層的反射，但短波信道的 通信質(zhì)量較差 無線電微波通信:微波在空間主要是直線傳播 地面微波接力通信 衛(wèi)星通信 2.2 物理層概述 v2.2.3物理層設(shè)備 中繼器 中繼器是局域網(wǎng)互連的最簡單設(shè)備，它工作在OSI體系結(jié)構(gòu)的 物理層，負(fù)責(zé)在兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的物理層上按位傳遞信息，完成信號 的復(fù)制、調(diào)整和放大功能，以此來延長網(wǎng)絡(luò)的長度。 中繼器可以用來連接不同的物理介質(zhì)，并在各種物理介質(zhì)中傳 輸數(shù)據(jù)包 。 中繼器是擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)的最廉價(jià)的方法 。 2.2 物理層概述 v2.2.3物理層設(shè)備 集線器 集線器工作于OSI的物理層,主要功能是對接收到的信號進(jìn)行再 生整形放大，以擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)的傳輸距離，同

11、時(shí)把所有節(jié)點(diǎn)集中在 以它為中心的節(jié)點(diǎn)上。 作為網(wǎng)絡(luò)中樞連接各類節(jié)點(diǎn)，以形成星狀結(jié)構(gòu)的一種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。 集線器是有多個(gè)端口的中繼器 。 2.3 通信方式 v2.3.1根據(jù)數(shù)據(jù)位的傳送形式 串行通信 發(fā)送端和接收端由一條數(shù)據(jù)線相連，各數(shù)據(jù)位依次串行通過該 線路。 010101010101010010101 并行通信 發(fā)送端與接收端之間同時(shí)有N條數(shù)據(jù)線相連，N個(gè)數(shù)據(jù)位并行通 過該條線路 0 1 0 發(fā)送端接收端 發(fā)發(fā) 送 端 接接 收 端 2.3 通信方式 v2.3.2根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较蛐?單向通信：又稱單工通信，只能有一個(gè)方向的通信而 沒有反方向的交互。只需一條通信信道。 雙向交替通信：又稱半雙工通

12、信，即通信的雙方都可 以發(fā)送和接收信息，但不能雙方同時(shí)發(fā)送或者同時(shí)接 收。需兩條通信信道。 雙向同時(shí)通信：又稱全雙工通信，即通信的雙方可以 同時(shí)發(fā)送和接收信息。需兩條通信信道。 2.4 編碼與調(diào)制 v2.4.1編碼 數(shù)字信道 信源編碼解碼信宿 數(shù)字編碼 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù) （二進(jìn)制） 數(shù)字信號 2.4 編碼與調(diào)制 v2.4.1編碼 線路編碼特性 數(shù)據(jù)電平 脈沖速率與比特率 比特率 = 脈沖速率2L （其中L為信號數(shù)據(jù)電平的數(shù)） 11110000 時(shí)間 振幅 兩種數(shù)據(jù)電平的情況 2.4 編碼與調(diào)制 例1：信號具有兩種數(shù)據(jù)電平，單個(gè)脈沖的持續(xù)時(shí) 間是1ms，則 比特率 = 脈沖速率2L =1/10-3 22

13、=1000bps 例2：信號具有四種數(shù)據(jù)電平，單個(gè)脈沖的持續(xù)時(shí) 間是1ms，則 比特率 = 脈沖速率2L =1/10-3 24=2000bps 2.4 編碼與調(diào)制 v2.4.1編碼 編碼方法 單極編碼：單極編碼只使用一種電壓電平。 極性編碼：使用兩種電壓電平（正值和負(fù)值 ）。其中常見的 有四種：不歸零編碼、歸零編碼、曼徹斯特編碼、差分曼徹斯 特編碼。 11110000 時(shí)間 振幅 2.4 編碼與調(diào)制 v2.4.1編碼 編碼方法 極性編碼 不歸零編碼：不歸零電平編碼（NRZ-L）和不歸零反相編碼（ NRZ-I） 01000111 NRZ-L NRZ-I 時(shí)間 時(shí)間 振幅 2.4 編碼與調(diào)制 v2

14、.4.1編碼 編碼方法 極性編碼 歸零編碼 0100 0111 時(shí)間 值 2.4 編碼與調(diào)制 v2.4.1編碼 編碼方法 極性編碼 曼徹斯特編碼（ Manchester ）與差分曼徹斯特編碼（ differential Manchester ） 2.4 編碼與調(diào)制 100011010111 曼 徹 斯 特 編 碼 差 分 曼 徹 斯 特 編 碼 2.4 編碼與調(diào)制 v2.4.2調(diào)制 模擬信道 信源調(diào)制解調(diào)信宿 調(diào)制 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù) （二進(jìn)制） 模擬信號 2.4 編碼與調(diào)制 v2.4.2調(diào)制 基本概念 基帶信號：來自信源的信號 基帶調(diào)制：僅對基帶信號的波形進(jìn)行變換，使它能夠與信道特 性相適應(yīng) 帶通信號

15、：利用載波進(jìn)行調(diào)制，把基帶信號的頻率范圍搬移到 較高的頻段以便在信道中傳輸。經(jīng)過載波調(diào)制后的信號稱為帶 通信號 帶通調(diào)制:使用載波的調(diào)制 調(diào)幅：載波的振幅隨基帶數(shù)字信號而變化 調(diào)頻：載波的頻率隨基帶數(shù)字信號的而變化 調(diào)相：載波的初始相位隨數(shù)字信號而變化 2.4 編碼與調(diào)制 010011100 基帶信號 調(diào)幅 調(diào)頻 調(diào)相 2.5 信道復(fù)用技術(shù) 碼分復(fù)用碼分復(fù)用 波分復(fù)用波分復(fù)用 時(shí)分復(fù)用時(shí)分復(fù)用 頻分復(fù)用頻分復(fù)用 信道復(fù)用技術(shù)概述信道復(fù)用技術(shù)概述 2.5 信道復(fù)用技術(shù) v2.5.1信道復(fù)用技術(shù)概述 定義：為了提高通信線路傳送信息的效率，通常采用 在一條物理線路上建立多條通信信道的技術(shù)。 原理：在

16、同一傳輸介質(zhì)上可傳輸多個(gè)不同信源發(fā)出的 信號，從而可充分利用通信線路的傳輸容量，提高傳 輸介質(zhì)的利用率。 共享線路 線路1 A1A2 B1B2 C1C2 線路2 線路3 A1A2 B1B2 C1C2 復(fù)用分用 (a) 不使用復(fù)用技術(shù)(b) 使用復(fù)用技術(shù) 復(fù)用器：使用戶數(shù)據(jù)合起 來共享一個(gè)信道進(jìn)行通信 分用器：把高速信道傳送過來的數(shù)據(jù)進(jìn) 行分用 ，分別送交到相應(yīng)的用戶 2.5 信道復(fù)用技術(shù) v2.5.2頻分復(fù)用FDM 定義：所有用戶在同樣的時(shí)間占用不同的帶寬資源 （請注意，這里的“帶寬”是頻率帶寬而不是數(shù)據(jù)的 發(fā)送速率）。 特點(diǎn) 用戶在分配到一定的頻帶后，在通信過程中自始至終都占用這 個(gè)頻帶。

17、頻率 時(shí)間 頻率 1 頻率 2 頻率 3 頻率 4 頻率 5 2.5 信道復(fù)用技術(shù) v2.5.3時(shí)分復(fù)用TDM 定義：將線路傳輸時(shí)間分成一個(gè)個(gè)互不重疊的時(shí)隙， 并按一定規(guī)則將這些時(shí)隙分配給多路信號，每一路信 號在分配給自己的時(shí)隙內(nèi)獨(dú)占信道進(jìn)行傳輸。 分類 同步時(shí)分多路復(fù)用STDM 異步時(shí)分多路復(fù)用ATDM 2.5 信道復(fù)用技術(shù) v2.5.3時(shí)分復(fù)用TDM 分類 同步時(shí)分多路復(fù)用STDM 定義：將時(shí)間劃分為一段段等長的時(shí)分復(fù)用幀（TDM 幀）。每一 個(gè)時(shí)分復(fù)用的用戶在每一個(gè) TDM 幀中占用固定序號的時(shí)隙。 特點(diǎn) 每一個(gè)用戶所占用的時(shí)隙是周期性地出現(xiàn) 時(shí)分復(fù)用的所有用戶是在不同的時(shí)間占用同樣的頻

18、帶寬度 2.5 信道復(fù)用技術(shù) v2.5.3時(shí)分復(fù)用 分類 同步時(shí)分多路復(fù)用 頻率 時(shí)間 B C DB C DB C DB C DAAAA A 在 TDM 幀中 的位置不變 TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀 2.5 信道復(fù)用技術(shù) v2.5.3時(shí)分復(fù)用 分類 同步時(shí)分多路復(fù)用 頻率 時(shí)間 C DC DC DAAAABBBB C D B 在 TDM 幀中 的位置不變 TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀 TDM 幀 2.5 信道復(fù)用技術(shù) v2.5.3時(shí)分復(fù)用 分類 同步時(shí)分多路復(fù)用 頻率 時(shí)間 BDBDBDAAAA BCCCC D C 在 TDM 幀中 的位置不變 TDM 幀T

19、DM 幀TDM 幀TDM 幀 TDM 幀 2.5 信道復(fù)用技術(shù) v2.5.3時(shí)分復(fù)用 分類 同步時(shí)分多路復(fù)用 頻率 時(shí)間 B CB CB CAAAA B CDDDD D 在 TDM 幀中 的位置不變 TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀 TDM 幀 2.5 信道復(fù)用技術(shù) v2.5.3時(shí)分復(fù)用 分類 同步時(shí)分多路復(fù)用 缺點(diǎn)：使用時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)傳送計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)時(shí)，由于計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)的 突發(fā)性質(zhì)，用戶對分配到的子信道的利用率一般是不高的。 A B C D a ab b c d b ca t t t t t 4 個(gè)時(shí)分復(fù)用幀 #1 a c b cd 時(shí)分復(fù)用 #2#3#4 用戶 2.5 信道復(fù)用技術(shù) v2

20、.5.3時(shí)分復(fù)用 分類 異步時(shí)分多路復(fù)用ATDM（統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用） 特點(diǎn) 不是固定分配時(shí)隙，而是按需動態(tài)分配時(shí)隙 用戶所占用的時(shí)隙并不是周期性地出現(xiàn) 2.5 信道復(fù)用技術(shù) v2.5.3時(shí)分復(fù)用 分類 異步時(shí)分多路復(fù)用ATDM（統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用） 用戶 A B C D a b c d t t t t t 3 個(gè) ATDM 幀 #1 a c b ab bcacd #2#3 統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用 集中器 2.5 信道復(fù)用技術(shù) v2.5.4波分復(fù)用WDM 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

21、 1550 nm 1 1551 nm 2 1552 nm 3 1553 nm 4 1554 nm 5 1555 nm 6 1556 nm 7 1557 nm 8 2.5 Gb/s 1310 nm 20 Gb/s 復(fù) 用 器 分 用 器 EDFA 120 km 光調(diào)制器光解調(diào)器 摻鉺光纖 放大器 2.5 信道復(fù)用技術(shù) v2.5.5碼分復(fù)用CDM(碼分多址 CDMA) 特點(diǎn) 每一個(gè)用戶可以在同樣的時(shí)間使用同樣的頻帶進(jìn)行通信 各用戶使用經(jīng)過特殊挑選的不同碼型，因此彼此不會造成干擾 這種系統(tǒng)發(fā)送的信號有很強(qiáng)的抗干擾能力，其頻譜類似于白噪 聲，不易被敵人發(fā)現(xiàn) 采用CDMA可提高通信的話音質(zhì)量和數(shù)據(jù)傳輸?shù)目?/p>