第2章物理層與數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)

計算機網(wǎng)絡(luò)

ComputerNetwork2023年2月6日課程目錄第1章 概述第2章 物理層與數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)第3章 數(shù)據(jù)鏈路層第4章 局域網(wǎng)第5章 網(wǎng)絡(luò)層第6章 網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)技術(shù)第7章 傳輸層第8章 應(yīng)用層第9章 網(wǎng)絡(luò)管理與信息安全第10章 網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)專題2計算機網(wǎng)絡(luò)本章提綱2.1 數(shù)據(jù)通信的理論基礎(chǔ)

2.2 物理傳輸介質(zhì)

2.3 數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)

2.4 物理層接口標準舉例

第2章 物理層與數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)

3計算機網(wǎng)絡(luò)2.1 數(shù)據(jù)通信的理論基礎(chǔ)2.1.1數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)模型

2.1.2帶寬與傅立葉分析

2.1.3信道的最大數(shù)據(jù)速率

4計算機網(wǎng)絡(luò)2.1.1數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)模型(1/2)

數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的組成：源系統(tǒng)（或發(fā)送端）傳輸系統(tǒng)（或傳輸網(wǎng)絡(luò)）目的系統(tǒng)（或接收端）數(shù)據(jù)與信號的區(qū)別：數(shù)據(jù)(data)是運送信息的實體，而信號(signal)則是數(shù)據(jù)的電氣的或電磁的表現(xiàn)。5計算機網(wǎng)絡(luò)2.1.1數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)模型(2/2)

無論數(shù)據(jù)或信號，都可以是模擬的或數(shù)字的。所謂“模擬的”就是連續(xù)變化的，而“數(shù)字的”就表示取值是離散的。因此，數(shù)字數(shù)據(jù)(digitaldata)就是用不連續(xù)形式表示的數(shù)據(jù)。數(shù)字與模擬轉(zhuǎn)換的幾種情況：模擬數(shù)據(jù)、模擬信號模擬數(shù)據(jù)、數(shù)字信號數(shù)字數(shù)據(jù)、模擬信號數(shù)字數(shù)據(jù)、數(shù)字信號

6計算機網(wǎng)絡(luò)2.1.2帶寬與傅立葉分析(1/3)

帶寬的定義：帶寬（bandwidth）有時又叫吞吐量（throughput）?！皫挕北緛淼囊馑际侵改硞€信號所具有的頻帶寬度。單位：赫茲Hz對于數(shù)字信道，“帶寬”是指在信道上(或一段鏈路上)能夠傳送的數(shù)字信號的速率，即數(shù)據(jù)速率或比特率。傅立葉（Fourier）級數(shù)：一個具有有限持續(xù)時間的數(shù)字信號，可以看做為一個以此有限持續(xù)時間T為周期的周期階梯函數(shù)g（t）。此函數(shù)可展開成傅立葉（Fourier）級數(shù)。7計算機網(wǎng)絡(luò)2.1.2帶寬與傅立葉分析(2/3)

f=1/T基波頻率

直流分量n次諧波的正弦振幅值n次諧波的余弦振幅值n次諧波的均方根振幅，它和n次諧波的能量成正比信道的帶寬越寬，那么能通過的諧波的次數(shù)就越高，接收端恢復(fù)的波形就越接近于原發(fā)送端的波形，相當于n越大則傅立葉級數(shù)中前n項求和得到的值越接近于原來的周期函數(shù)。

8計算機網(wǎng)絡(luò)2.1.2帶寬與傅立葉分析(3/3)

9計算機網(wǎng)絡(luò)2.1.3信道的最大數(shù)據(jù)速率(1/3)

模擬信道的最大數(shù)據(jù)速率是受模擬信道帶寬制約的。圖2-1數(shù)字信號通過實際的信道和質(zhì)量很差的信道時的輸出波形碼元傳輸速率提高時，信號失真會更加嚴重。因此，在實際的信道上，碼元傳輸?shù)乃俾时厝挥袀€上限。10計算機網(wǎng)絡(luò)2.1.3信道的最大數(shù)據(jù)速率(2/3)

奈奎斯特(Nyquist)推導(dǎo)出在理想低通信道下的最高碼元傳輸速率的公式：“理想低通信道”就是信號的所有低頻分量，只要其頻率不超過某個上限值，都能夠不失真地通過此信道，而頻率超過該上限值的所有高頻分量都不能通過該信道。理想低通信道的最高碼元傳輸速率=2WBaud

奈氏準則的另一種表達方法是：每赫茲帶寬的理想低通信道的最高碼元傳輸速率是每秒2個碼元。若一個碼元只攜帶1bit的信息量，則“比特/秒”和“波特”在數(shù)值上是相等的。但若使1個碼元攜帶nbit的信息量，則MBoud的碼元傳輸速率所對應(yīng)的信息速率則為M×nbit/s。

11計算機網(wǎng)絡(luò)2.1.3信道的最大數(shù)據(jù)速率(3/3)

香農(nóng)公式(信道的極限信息傳輸速率)：C=Wlog2(1+S/N)bit/sW為信道的帶寬(以Hz為單位)；S為信道內(nèi)所傳信號的平均功率；N為信道內(nèi)部的高斯噪聲功率信噪比的單位為dB，1dB=10lg(S/N)香農(nóng)公式表明，信道的帶寬或信道中的信噪比越大，則信息的極限傳輸速率就越高。12計算機網(wǎng)絡(luò)2.2 物理傳輸介質(zhì)

2.2.1雙絞線2.2.2同軸電纜2.2.3光纖2.2.4無線傳輸媒體2.2.5衛(wèi)星通信

13計算機網(wǎng)絡(luò)2.2.1雙絞線(1/2)

雙絞線的特點：雙絞線（TwistedPair）也稱雙扭線，是一種最經(jīng)常使用的物理媒體。把兩根互相絕緣的銅導(dǎo)線并排放在一起，然后用規(guī)則的方法絞合(twist)起來就構(gòu)成了雙絞線。雙絞線的分類：非屏蔽雙絞線屏蔽雙絞線14計算機網(wǎng)絡(luò)2.2.1雙絞線(2/2)

屏蔽雙絞線非屏蔽雙絞線15計算機網(wǎng)絡(luò)2.2.2同軸電纜同軸電纜的特點：同軸電纜由內(nèi)導(dǎo)體銅質(zhì)芯線(單股實心線或多股絞合線)、絕緣層、網(wǎng)狀編織的外導(dǎo)體屏蔽層(也可以是單股的)以及保護塑料外層所組成。按特性阻抗數(shù)值的不同，同軸電纜分為兩類：50同軸電纜這種電纜主要用于在數(shù)據(jù)通信中傳送基帶數(shù)字信號，因此，50同軸電纜又稱基帶同軸電纜。75同軸電纜這種電纜用于模擬傳輸系統(tǒng)，它是有線電視系統(tǒng)CATV中的標準傳輸電纜。在這種電纜上傳送的信號采用了頻分復(fù)用的寬帶信號。16計算機網(wǎng)絡(luò)2.2.3光纖(1/3)

光纖的組成：光纖通常由非常透明的石英玻璃拉成細絲，主要由纖芯和包層構(gòu)成雙層通信圓柱體。纖芯很細，其直徑只有8~100m。正是這個纖芯用來傳導(dǎo)光波。光纖的分類：單模光纖多模光纖17計算機網(wǎng)絡(luò)2.2.3光纖(2/3)

單模光纖和多模光纖的比較18計算機網(wǎng)絡(luò)2.2.3光纖(3/3)

光纖的特點：傳輸損耗小，中繼距離長，對遠距離傳輸特別經(jīng)濟?？估纂姾碗姶鸥蓴_性能好。這在有大電流脈沖干擾的環(huán)境下尤為重要。無串音干擾，保密性好，也不易被竊聽或截取數(shù)據(jù)。體積小，重量輕。19計算機網(wǎng)絡(luò)2.2.4無線傳輸媒體無線電無線傳輸所使用的頻段很廣。地面微波接力通信的特點：微波波段頻率很高，其頻段范圍也很寬，因此其通信信道的容量很大。因為工業(yè)干擾和天電干擾的主要頻譜成分比微波頻率低得多，對微波通信的危害比對短波和米波通信小得多，因而微波傳輸質(zhì)量較高。與相同容量和長度的電纜載波通信比較，微波接力通信建設(shè)投資少，見效快。20計算機網(wǎng)絡(luò)2.2.4無線傳輸媒體微波接力通信缺點：相鄰站之間必須直視，不能有障礙物，有時一個天線發(fā)射出的信號也會分成幾條略有差別的路徑到達接收天線，因而造成失真。微波的傳播有時也會受到惡劣氣候的影響。與電纜通信系統(tǒng)比較，微波通信的隱蔽性和保密性較差；對大量中繼站的使用和維護要耗費一定的人力和物力。21計算機網(wǎng)絡(luò)2.2.5衛(wèi)星通信衛(wèi)星通信的特點：通信距離遠，且通信費用與通信距離無關(guān)。具有較大的傳播時延。22計算機網(wǎng)絡(luò)2.3 數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)

2.3.1模擬傳輸與數(shù)字傳輸2.3.2數(shù)字調(diào)制技術(shù)2.3.3脈碼調(diào)制2.3.4多路復(fù)用2.3.5數(shù)字信號的編碼方法2.3.6數(shù)據(jù)通信方式23計算機網(wǎng)絡(luò)2.3.1模擬傳輸與數(shù)字傳輸模擬傳輸系統(tǒng)模擬傳輸是一種不考慮其內(nèi)容的模擬信號傳輸方式。放大器中繼信號，易引起信號畸變的疊加。傳統(tǒng)的電話通信系統(tǒng)。數(shù)字傳輸系統(tǒng)數(shù)字傳輸關(guān)心的是信號本身所攜帶的內(nèi)容。不論傳輸?shù)氖菙?shù)字信號或模擬信號，只要它代表了0和1的相互變化模式的數(shù)據(jù)就可以采用數(shù)字傳輸。轉(zhuǎn)發(fā)器（再生器）中繼信號。在主干網(wǎng)的長距離傳輸中數(shù)字傳輸技術(shù)已逐步取代早先的模擬傳輸技術(shù)。24計算機網(wǎng)絡(luò)2.3.2數(shù)字調(diào)制技術(shù)幾種最基本的調(diào)制技術(shù)：所謂調(diào)制就是進行波形變換。或者更嚴格些，是進行頻譜變換，將基帶數(shù)字信號的頻譜變換成為適合于在模擬信道中傳輸?shù)念l譜。最基本的二元制調(diào)制方法有以下幾種：調(diào)幅(AM)調(diào)頻(FM)調(diào)相(PM)25計算機網(wǎng)絡(luò)2.3.3脈碼調(diào)制(1/2)

脈碼調(diào)制的過程：1、采樣為了將模擬電話信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號，必須先對電話信號進行采樣。根據(jù)采樣定理，只要采樣頻率不低于電話信號最高頻率的2倍，就可以從采樣脈沖信號無失真地恢復(fù)出原來的電話信號。

2、量化量化的步驟就是將采樣點處測得的信號幅值分級取整的過程。

量化就是將模擬信號的最大可能幅值等分為若干級(通常為2n級)，而后測量得到的幅值接此分級舍入取整，得到一個正整數(shù)。比如說，若模擬信號的最大幅值為256，而將其分為128級，則幅值在[0，2]中量化為O；幅值在[2，4]中量化為l；……；幅值在[254，256]中量化為127等。

3、編碼編碼就是將量化后的整數(shù)值用二進制數(shù)來表示。

26計算機網(wǎng)絡(luò)2.3.3脈碼調(diào)制(2/2)

PCM的基本原理圖：27計算機網(wǎng)絡(luò)2.3.4多路復(fù)用(1/7)

采用多路復(fù)用技術(shù)能把多路信號組合起來在一條物理電纜上進行傳輸，在遠距離傳輸時，可大大節(jié)省電纜的安裝和維護費用。多路復(fù)用的分類：頻分復(fù)用時分復(fù)用波分復(fù)用碼分復(fù)用28計算機網(wǎng)絡(luò)2.3.4多路復(fù)用(2/7)

頻分復(fù)用和時分復(fù)用的特點：頻分復(fù)用的所有用戶在同樣的時間占用不同的帶寬資源。時分復(fù)用的所有用戶是在不同的時間占用同樣的頻帶寬度。頻分復(fù)用和時分復(fù)用的示意圖：29計算機網(wǎng)絡(luò)2.3.4多路復(fù)用(3/7)

時分復(fù)用可能會造成線路資源的浪費

30計算機網(wǎng)絡(luò)2.3.4多路復(fù)用(4/7)

統(tǒng)計時分復(fù)用STDM：統(tǒng)計時分復(fù)用又稱為異步時分復(fù)用，而普通的時分復(fù)用稱為同步時分復(fù)用。從平均的角度來看，這兩者是平衡的。統(tǒng)計時分復(fù)用是一種改進的時分復(fù)用，它能明顯地提高信道的利用率。統(tǒng)計時分復(fù)用的工作原理圖：31計算機網(wǎng)絡(luò)2.3.4多路復(fù)用(5/7)

波分復(fù)用波分復(fù)用就是光的頻分復(fù)用。人們借用傳統(tǒng)的載波電話的頻分復(fù)用的概念，就能做到使用一根光纖來同時傳輸多個頻率很接近的光載波信號。這樣就使光纖的傳輸能力成倍地提高了。波分復(fù)用的工作原理圖：圖表示8路傳輸速率均為2.5Gbit/s的光載波(其波長均為1310nm)，經(jīng)光的調(diào)制后，分別將波長變換到1550~1557nm，每個光載波相隔1nm(這里只是為了說明問題的方便，實際上光載波的間隔一般是0.8或1.6nm)。32計算機網(wǎng)絡(luò)2.3.4多路復(fù)用(6/7)

33計算機網(wǎng)絡(luò)2.3.4多路復(fù)用(7/7)

碼分復(fù)用碼分復(fù)用CDM(CodeDivisionMultiplexing)是另一種共享信道的方法。實際上，人們更常用的名詞是碼分多址CDMA(CodeDivisionMultipleAccess)。每一個用戶可以在同樣的時間使用同樣的頻帶進行通信。由于各用戶使用經(jīng)過特殊挑選的不同碼型，因此不會造成干擾。碼分復(fù)用最初是用于軍事通信，因為這種系統(tǒng)發(fā)送的信號有很強的抗干擾能力，其頻譜類似于白噪聲，不易被敵人發(fā)現(xiàn)。34計算機網(wǎng)絡(luò)2.3.5數(shù)字信號的編碼方法(1/2)

當信道的質(zhì)量很差時，在輸出端是很難判斷這個信號在什么時候是1和在什么時候是0，尤其是當出現(xiàn)一組連續(xù)1或者連續(xù)0的時候，這種判斷就更加困難。因此在數(shù)據(jù)通信中，即使采用數(shù)字信道，由端用戶產(chǎn)生的基帶數(shù)字信號通常也不是直接送入信道。而是首先采用編碼的方法，計算機網(wǎng)絡(luò)中常采用的編碼方法有兩種：曼徹斯特編碼差分曼徹斯特編碼

35計算機網(wǎng)絡(luò)2.3.5數(shù)字信號的編碼方法(2/2)

兩種編碼方法的對比：36計算機網(wǎng)絡(luò)2.3.6數(shù)據(jù)通信方式(1/4)

串、并行通信（1）并行通信并行通信方式是將8位、16位或32位的數(shù)據(jù)按數(shù)位寬度同時進行傳輸，每一個數(shù)位都要有自己的數(shù)據(jù)傳輸線和發(fā)送、接收設(shè)備。

（2）串行通信

串行通信方式是在一根數(shù)據(jù)傳輸線上，每次傳送一位二進制數(shù)據(jù)，即數(shù)據(jù)一位接一位地傳送。

單工通信、半雙工通信、全雙工通信按照數(shù)據(jù)傳輸方向及其時間關(guān)系可將通信方式分為單工、半雙工和全雙工三種。37計算機網(wǎng)絡(luò)2.3.6數(shù)據(jù)通信方式(2/4)

數(shù)據(jù)通信方式圖：38計算機網(wǎng)絡(luò)2.3.6數(shù)據(jù)通信方式(3/4)

同步通信與異步通信同步是指接收端要按照發(fā)送端所發(fā)送的每個數(shù)據(jù)的起止時間和重復(fù)頻率來接收數(shù)據(jù),既收發(fā)雙方在時間上必須一致。異步傳輸又稱起止式傳輸，即指發(fā)送者和接收者之間不需要合作。也就是說，發(fā)送者可以在任何時候發(fā)送數(shù)據(jù)，只要被發(fā)送的數(shù)據(jù)已經(jīng)是可以發(fā)送的狀態(tài)的話。接收者則只要數(shù)據(jù)到達，就可以接受數(shù)據(jù)。異步傳輸是以字符為單位的數(shù)據(jù)傳輸。39計算機網(wǎng)絡(luò)2.3.6數(shù)據(jù)通信方式(4/4)

同步通信與異步通信的工作原理圖：40計算機網(wǎng)絡(luò)2.4 物理層接口標準舉例

2.4.1物理層接口特性

2.4.2常用的物理層標準

41計算機網(wǎng)絡(luò)2.4.1物理層接口特性物理層的傳輸單位為比特。機械特性規(guī)定了物理連接時對插頭和插座的幾何尺寸、插針或插孔芯數(shù)及排列方式、鎖定裝置形