第二講物理層

第二講物理層第1頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一54321數(shù)據(jù)鏈路層應用層傳輸層網(wǎng)絡層物理層網(wǎng)絡模型第2頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一TCP/IP協(xié)議簇第3頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一內(nèi)容提要數(shù)據(jù)通信的基礎知識數(shù)據(jù)編碼技術信道復用技術物理層標準舉例網(wǎng)絡設備物理層第4頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一物理層的功能物理層功能：為傳輸數(shù)據(jù)所需的物理鏈路的建立、維護、拆除而提供的一些特性，即：機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。規(guī)程特性指明對于不同功能的各種可能事件的出現(xiàn)順序。即各條物理線路的工作規(guī)程和時序關系。第5頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一一、數(shù)據(jù)通信的基礎知識

幾個術語數(shù)據(jù)(data)——運送消息的實體，是把事件的某些屬性規(guī)范化后的表現(xiàn)形式。信號(signal)——數(shù)據(jù)的電氣的或電磁的表現(xiàn)。“模擬的”(analogous)——代表消息的參數(shù)的取值是連續(xù)的?！皵?shù)字的”(digital)——代表消息的參數(shù)的取值是離散的。碼元(code)——在使用時間域（或簡稱為時域）的波形表示數(shù)字信號時，代表不同離散數(shù)值的基本波形。第6頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一1、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的模型

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)源點終點發(fā)送器接收器調制解調器PC機公用電話網(wǎng)調制解調器數(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機第7頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一2、數(shù)據(jù)通信方式按信號傳送方向與時間的關系分為：單向通信（單工通信）——只能有一個方向的通信而沒有反方向的交互。第8頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一雙向交替通信（半雙工通信）——通信的雙方都可以發(fā)送信息，但不能雙方同時發(fā)送(當然也就不能同時接收)。第9頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一雙向同時通信（全雙工通信）——通信的雙方可以同時發(fā)送和接收信息。第10頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一（a）單同步格式（b）雙同步格式同步和異步傳輸?shù)?1頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一異步通信格式第12頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一3、信道的極限容量任何實際的信道都不是理想的，在傳輸信號時會產(chǎn)生各種失真以及帶來多種干擾。

碼元傳輸?shù)乃俾试礁撸蛐盘杺鬏數(shù)木嚯x越遠，在信道的輸出端的波形的失真就越嚴重。第13頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一數(shù)字信號通過實際的信道情況有失真，但可識別失真大，無法識別實際的信道（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發(fā)送信號波形實際的信道（帶寬受限、有噪聲、干擾和失真）接收信號波形第14頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一1）信道能夠通過的頻率范圍1924年，奈奎斯特(Nyquist)就推導出了著名的奈氏準則：在假定的理想條件下，為了避免碼間串擾，碼元的傳輸速率的上限值（2W）。在任何信道中，碼元傳輸?shù)乃俾适怯猩舷薜?，否則就會出現(xiàn)碼間串擾的問題，使接收端對碼元的識別成為不可能。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)碼間串擾。Smax=2Wlog2Kb/s

（理想條件下）第15頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一2)信道容量與傳輸速率1948年，香農(nóng)(Shannon)用信息論的理論推導出了帶寬受限且有高斯白噪聲干擾的信道的極限、無差錯的信息傳輸速率。信道的極限信息傳輸速率C可表達為

C=Wlog2(1+S/N)b/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。S/N為信噪比，常用分貝DB（10log10(S/N)）表示

第16頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一香農(nóng)公式結果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。只要信息傳輸速率低于信道的極限信息傳輸速率，就一定可以找到某種辦法來實現(xiàn)無差錯的傳輸若信道帶寬W或信噪比S/N沒有上限（當然實際信道不可能是這樣的），則信道的極限信息傳輸速率C也就沒有上限。實際信道上能夠達到的信息傳輸速率要比香農(nóng)的極限傳輸速率低。第17頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一波特和比特的關系波特是碼元傳輸?shù)乃俾蕟挝唬棵雮鞫嗌賯€碼元）。碼元傳輸速率也稱為調制速率、波形速率或符號速率。比特是信息量的單位。若1個碼元只攜帶1bit的信息量，則“比特/秒”和“波特”在數(shù)值上相等。若1個碼元攜帶nbit的信息量，則MBaud的碼元傳輸速率所對應的信息傳輸速率為Mnb/s。第18頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一奈氏準則和香農(nóng)公式

在數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中的作用范圍源系統(tǒng)傳輸系統(tǒng)目的系統(tǒng)傳輸系統(tǒng)源點終點發(fā)送器接收器輸入信息輸出信息輸入數(shù)據(jù)輸出數(shù)據(jù)發(fā)送的信號接收的信號碼元傳輸速率受奈氏準則的限制信息傳輸速率受香農(nóng)公式的限制第19頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一二、數(shù)據(jù)編碼技術

模擬的和數(shù)字的數(shù)據(jù)、信號模擬數(shù)據(jù)模擬信號放大器調制器模擬數(shù)據(jù)數(shù)字信號

PCM編碼器數(shù)字數(shù)據(jù)模擬信號調制器數(shù)字數(shù)據(jù)數(shù)字信號數(shù)字發(fā)送器第20頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一不歸零編碼NRZ(Non-Return-Zero)曼徹斯特編碼(ManchesterEncoding)差（微）分曼徹斯特編碼（DifferentialManchesterEncoding）1、數(shù)字數(shù)據(jù)用數(shù)字信號表示第21頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一不歸零編碼非歸零碼（NRZ碼）可以規(guī)定用負電平表示邏輯“0”，用正電平表示邏輯“1”；也可以有其他表示方法。第22頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一曼徹斯特編碼每個比特的中間有一次電平跳變；“1”定義為由高電平到低電平的跳變；“0”定義為由低電平到高電平的跳變。第23頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一差分曼徹斯特編碼是對曼徹斯特編碼的改進?！?”和“1”是根據(jù)兩比特之間有沒有跳變來區(qū)分的。如果下一個數(shù)是“0”，則在兩比特中間有一次跳變；如果下一個數(shù)據(jù)是“1”，則在兩比特中間沒有電平跳變。差（微）分曼徹斯特編碼第24頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一基帶信號和帶通信號

基帶信號（即基本頻帶信號，baseband

）——來自信源的信號。像計算機輸出的代表各種文字或圖像文件的數(shù)據(jù)信號都屬于基帶信號。帶通信號(bandpass)——將基帶信號進行調制后形成的頻分復用模擬信號。把基帶信號經(jīng)過載波調制后，把信號的頻率范圍搬移到較高的頻段以便在信道中傳輸（即僅在一段頻率范圍內(nèi)能夠通過信道）。2、數(shù)字數(shù)據(jù)用模擬信號表示第25頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一調制方法分類基帶信號往往包含有較多的低頻成分，甚至有直流成分，而許多信道并不能傳輸這種低頻分量或直流分量。為了解決這一問題，就必須對基帶信號進行調制(modulation，波形變換)。最基本的二元制調制方法有以下幾種：調幅(AM)：載波的振幅隨基帶數(shù)字信號而變化。調頻(FM)：載波的頻率隨基帶數(shù)字信號而變化。調相(PM)：載波的初始相位隨基帶數(shù)字信號而變化。

第26頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一對基帶數(shù)字信號的調制方法010011100基帶信號調幅調頻調相第27頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一脈沖編碼調制（PCM）3、模擬數(shù)據(jù)用數(shù)字信號表示第28頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一增量調制（DM）第29頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一共享信道三、信道復用技術復用(multiplexing)是通信技術中的基本概念信道A1A2B1B2C1C2信道信道A1A2B1B2C1C2復用分用(a)不使用復用技術(b)使用復用技術第30頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一1、頻分復用FDM

(FrequencyDivisionMultiplexing)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頻帶。頻分復用的所有用戶在同樣的時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）。頻率時間頻率1頻率2頻率3頻率4頻率5第31頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一2、時分復用TDM

(TimeDivisionMultiplexing)時分復用則是將時間劃分為一段段等長的時分復用幀（TDM幀）。每一個時分復用的用戶在每一個TDM幀中占用固定序號的時隙。每一個用戶所占用的時隙是周期性地出現(xiàn)（其周期就是TDM幀的長度）。TDM信號也稱為等時(isochronous)信號。時分復用的所有用戶是在不同的時間占用同樣的頻帶寬度。第32頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一時分復用頻率時間BCDBCDBCDBCDAAAAA在

TDM

幀中的位置不變TDM幀TDM幀TDM幀TDM幀…TDM幀第33頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一時分復用頻率時間CDCDCDAAAABBBBCDB在

TDM

幀中的位置不變TDM幀TDM幀TDM幀TDM幀…TDM幀第34頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一時分復用頻率時間BDBDBDAAAABCCCCDC在

TDM

幀中的位置不變TDM幀TDM幀TDM幀TDM幀…TDM幀第35頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一時分復用頻率時間BCBCBCAAAABCDDDDD在TDM幀中的位置不變TDM幀TDM幀TDM幀TDM幀…TDM幀第36頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一時分復用的不足ABCDaabbcdbcattttt4個時分復用幀#1④③②①acbcd時分復用#2#3#4用戶使用時分復用系統(tǒng)傳送計算機數(shù)據(jù)時，由于計算機數(shù)據(jù)的突發(fā)性質，用戶對分配到的子信道的利用率一般是不高的。第37頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一統(tǒng)計時分復用

STDM

(StatisticTDM)用戶ABCDabcdttttt3個STDM幀#1④③②①acbabbcacd#2#3統(tǒng)計時分復用第38頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一1550nm01551nm11552nm21553nm31554nm41555nm51556nm61557nm701550nm11551nm21552nm31553nm41554nm51555nm61556nm71557nm3、波分復用WDM

(WavelengthDivisionMultiplexing)波分復用就是光的頻分復用。82.5Gb/s1310nm20Gb/s復用器分用器EDFA120km光調制器光解調器第39頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一4、碼分復用CDM

(CodeDivisionMultiplexing)常用的名詞是碼分多址

CDMA(CodeDivisionMultipleAccess)。用戶可以在同樣的時間使用同樣的頻率通信各用戶使用經(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)送的信號有很強的抗干擾能力，其頻譜類似于白噪聲，不易被發(fā)現(xiàn)。第40頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一四、物理層標準舉例RS-232是DTE與DCE之間的接口標準DTE(DataTerminalEquipment)是數(shù)據(jù)終端設備，是具有一定的數(shù)據(jù)處理能力和發(fā)送、接收數(shù)據(jù)能力的設備。DCE(DataCircuit-terminatingEquipment)是數(shù)據(jù)電路端接設備，它在DTE和傳輸線路之間提供信號變換和編碼的功能，并且負責建立、保持和釋放數(shù)據(jù)鏈路的連接。第41頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一DTE通過DCE

與通信傳輸線路相連DTEDCEDCE串行比特傳輸信號線與控制線用戶環(huán)境通信環(huán)境用戶設施通信設施DTE信號線與控制線用戶設施用戶環(huán)境第42頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一

典型的物理層標準接口：

EIARS-2321960年美國電子工業(yè)協(xié)會EIA提出RS-232，1963提出RS-232-A，1965年提出RS-232-B，1969提出RS-232-C。用于DTE/DCE之間的接口。機械特性：25芯連接器，DTE為插頭，DCE為插座。電氣特性：采用非平衡型電氣特性，低于-3V為“1”，高于+4V為“0”，最大20Kbps，最長15m。第43頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一RS-232的不足與改進不足：傳輸性能低，距離短，速率低。改進：重新設計，X.21；以RS-232-C為基礎改進，1977年提出了RS-449。第44頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一RS-232的功能特性(1)保護地(2)發(fā)送數(shù)據(jù)(3)接收數(shù)據(jù)(4)請求發(fā)送(5)允許發(fā)送(6)DCE就緒(7)信號地(8)載波檢測(20)DTE就緒(22)振鈴指示DTEDCE計算機或終端調制解調器第45頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一第46頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一2、RS-449接口標準RS-449由3個標準組成。即：RS-449RS-423-ARS-422-A

第47頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一

典型的物理層標準接口：

EIARS-449/422-A/423-A第48頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一

典型的物理層標準接口：

EIARS-449/422-A/423-A第49頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一互聯(lián)設備與OSI的對應關系五、網(wǎng)絡設備第50頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一1、中繼器中繼器(Repeater)又稱重發(fā)器，是一種最為簡單但也是用得最多的網(wǎng)絡互連設備。中繼器是物理層上的網(wǎng)絡互連設備，它的作用是對電纜上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信號再生放大，再重發(fā)到其它電纜段上。中繼器僅適用于以太網(wǎng)，可將兩段或兩段以上以太網(wǎng)互連起來。標準細纜以太網(wǎng)利用中繼器可將每段長度擴展到925m；粗纜以太網(wǎng)每段長度擴展到2500m。第51頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一中繼器的種類第52頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一（1）概述集線器（HUB）是對網(wǎng)絡進行集中管理的設備，工作于物理層，采用共享型模式，是一個共享設備，其實質是一個多接口的中繼器

（共享就是指在有一個端口向另一個端口發(fā)送數(shù)據(jù)時，其他端口都處于“等待”狀態(tài)）連接在Hub上的主機以廣播方式傳輸數(shù)據(jù)，按照CSMA/CD存取，每個端口的可用帶寬是Hub總帶寬的平均值，與主機數(shù)量成反比。2、網(wǎng)絡集線器（HUB）第53頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一信號的再生與轉發(fā)。當某一工作站發(fā)送數(shù)據(jù)時，Hub對到達信號的幅度和相位失真進