计算机通信网-第2章物理层.

12014SPLENG第2章物理层2.1物理层概述2.2数据通信基础2.3传输介质2.4典型的物理接口及协议2.5通信系统22.1物理层概述信道编/解码介质驱动物理接口信道编/解码介质驱动SAPSAP传输载体001110001110向上提供无结构的比特流接口形状/尺寸/引脚等01信号的表示各引脚的功能各引脚工作规则和顺序传输介质通信系统信道还涉及双工、半双工传输速率模拟、数字传输同步异步传输★32.1物理层概述服务向上层提供无结构的比特流（bits）功能激活介质、并在物理连接上传输bits协议确定bits的传输码型、传输速率、传输方式、与物理介质间的接口与传输载体紧密相关介质、通信系统★42.2数据通信基础基本概念码元速率与传输速率最大传输速率时延误码率通信方式同步、异步传输5信号的幅频特性任何持续时间有限或周期性信号s(t)都可分解成(无限个)正弦/余弦函数信号:信号频谱S(f)(教材p73~74)s(t)S(f)t:时间；f:频率信道的幅频特性任何信道，对不同频率的信号有不同的衰减经信道传输后的信号信号经过信道传输后So(f)=Si(f)H(f)信号频谱在信道频谱范围内，才能通过信道，频谱外的信号被衰减BasicTheoryts(t)f离散频谱ts(t)S(f)S(f)连续频谱ff(Hz)H(f)03400Hzf0f(Hz)低通信道带通信道信道SiSo6BasicTheory数字信号Bit序列{0,1},电压波形序列{V0,V1}每个bit波形均持续时间Tbit速率r=1/T数字信号传输基带传输直接传输或经编码变换后传输频带传输Bit信号经调制成特定频率信号传输使信号波形进入信道的频带范围ts(t)V0V1T00000111编码0:V01:V1…0101…V0V1T调制0:s0(f)1:s1(f)…0101…s1s1s0s0T()cos(2),,:stAftAf都可作为可变参量7BasicTheory数字信号传输数字数据－－基带传输应用环境距离较短，介质质量较高－－以太网光纤关键技术编码与解码信号的变化频率和数据的传输速率基本相当尽量在有限的信号变化次数里编入（承载）更多的数据曼彻斯特编码、4B/5B、8B/6T……8典型的线路码型示例曼彻斯特编码每位中点时刻↑表示0，↓表示19BasicTheory模拟信号传输数字数据－－频带传输（载波方式）应用环境电信号、较长距离、介质质量不好－－ADSL与原有模拟传输系统兼容－－CableModem无线通信关键技术调制与解调在频率较高的信号上调制传输速率较低的数据尽量在有限带宽的信号里调制上（承载）更多的数据幅移键控、频移键控、相移键控……10调制技术(教材图2.21)11BasicTheory数字信号传输通用模型：用M级信号来代表bit信号信号s0,s1,…,sM－1(M=2,4,…)1/T=信号变化速率，单位时间传送的符号数（码元数），称为波特率(baud)，或码元速率(教材p105)每个波特可以传输1，2，3，…个bitBit速率r=log2M*波特率例QPSK（M=4）编码调制000s0001s1…111s7…0101…Tsisjsk0123cos(2/4)cos(23/4)cos(25/4)cos(27/4)sAftsAftsAftsAftM=8每三个bit用一个信号代表比特速率增到3倍12数据传输率DataRate(bitrate)ChannelDataRate(信道数据传输率)EffectiveDataRate(有效数据传输率）1Kbps＝103bps，1Mbps=106bps,1Gbps=109bpsbps(bitspersecond)注意：传输速率与计算机内存容量表示的细微差别教材p65~p66容量：1KB=210B,1MB=220B,1GB=230B(B=Byte)ChannelDataRateR=1/TbtimeNbitstotalTbtimeTimeused(T)EffectiveDataRateReff=N/T13最大数据传输速率最大数据传输速率：信道容量(教材P75~76)无噪声有限带宽信道的最大传输速率由H.Nyquiest定理确定有噪声有限带宽信道的最大传输速率由Shannon定理确定14无噪带限信道的最大传输速率根据H.Nyquiest定理知：无噪带限信道的最大传输速率U0maxU0max=2Hlog2M式中：H：信道带宽，M：信号数值级数例：信道带宽H为3KHz，M=2（二进制，2级）则U0max=2×3000log22=6000bit/s可见：在无噪带限信道上，提高编码效率（一个码元携带更多的bit），可以提高传输速率15有噪带限信道的最大传输速率根据Shannon定理知：有噪带限信道的最大传输速率U0maxU0max=Hlog2（1+S/N）式中：H信道带宽，S信号平均功率、N噪声平均功率S/N信噪比：通常用分贝（dB）表示（如：S/N=100，表示为10lg100=20dB）例：电话信道的带宽为300~3400Hz，S/N=30dB（即S/N=1000）则U0max=Hlog2（1+S/N）=(3400-300)×log2（1+1000）=31kbps可见：在有噪带限信道上，所能达到的最大速率与一个码元携带多少数据位数无关，即与编码效率无关只与带宽和信噪比有关16最大传输速率—讨论前例中的电话信道仙农公式给出的最大数据速率为31kbps若采用两电平信号来传输，则最大传输速率为2x(3400-300)xlog22=6200bps=6.2kbps要达到31kbps(5倍)，则需要的信号数目(电平数)为M=25=325V电平数越多，接收方分辨要求越高，代价越高电话Modem的调制技术多音调制多个频率的正弦信号每个正弦信号用相位调制如：8个正弦信号，每个用四相调制，共32个新号17TransmissionParametersTransmissionTime（传输时间、发送时间）Tt指发送者在发送数据时，使数据进入到传输介质所需时间即从第一个bit发送始到最后一个bit发送毕所需时间在速率为R(=1/Tb)的信道上，发送Nbit所需的时间发送1bit需占用Tb，发送Nbit共需Tt=N*Tb=N/R发送时间与N成正比，与R成反比10Mb/s的以太网、100kb/s的信道上，将10000bit的数据送上信道，分别需要10000/10*106=10-3(s)=1(ms)10000/100*103=0.1(s)=100(ms)10Mb/s信道time100kb/s信道1ms100ms18TransmissionParametersPropagationdelay(传播延迟)信号在信道上传播的时间设信道长度为D米，信号传播的速度为V，信号传播时间Td=D/V信号(电磁波)传播速度：光速c=3*108米/秒注：铜线、铜轴电缆中，V略小于光速(0.7~0.9)例：大楼间敷设的电缆为300米，传输延迟为T1d=300/3*108=10-6s＝1us跨洋海底电缆3000公里，传输延迟为T2d=3000*103/3*108=10-2s=10ms19讨论：Tt和Td的关系传输时间Tt指发送方发出Nbit所需时间，仅与信道速率相关，与信道长度无关传播时间Td指信号从发送方传播到接收方所需的时间，仅与信道长度相关，与信道速率、bit数无关图形表示法传播时间Td发送方接收方信道长度D发送时间Tt20讨论：Tt和Td对网络通信的影响发送N个bit时，信道速率越高，Tt越小，但Td不受影响。可能出现的结果是发送方已完成发送，对方却还没有开始接收信道速率R，Nbit发送方还没有发完，对方已开始接收了等待2Td后收到应答(短报文)信道速率10R，Nbit发送方完成发送后，对方还没有开始接收。2Td的等待应答显得太漫长(相比于Tt而言),影响通信能力。发送方是否会等不及？与发送速率R不变，信道长度增加10倍等效21TransmissionParameters处理时延指节点为存储转发数据而进行的必要处理所花时间通常主要指数据在缓存队列中等待发送的时间时延的长短取决于当时节点的通信量如果数据丢失相当于处理时延为无穷大22TransmissionParameters三种时延的分析为了简化分析，通常只考虑占主导地位的时延具体场合，占主导的时延并不相同特别注意：端到端的延时包括所有节点之间的总延时100101队列链路在此产生传播时延在此产生发送时延发送器在此产生处理时延节点A节点B23TransmissionParametersBitErrorRate（BER）由于干扰(人为电磁、背景噪声、宇宙噪声等)，造成01或10的错误BER＝错误的bit数/总bit数(或bit出错的概率)无线信道：10-1～10-3,2.4GHz频段：5*10-5电话信道：10-5～10-6,以太网(UTP5)：10-7光纤：10-8～10-100100011101110101010101101000110111110101011110101011010101010000101010101000111011101010101011010001101111101010111101010110101010100001010101随机误码：均匀随机分布在整个bit流中(背景干扰、宇宙噪声等)突发误码：突然出现的一串高误码，有一定的长度(突发长度)突发长度24b7b6b5b4b3b2b1b0b7b6b5b4b3b2b1b0b7b6b5b4b3b2b1b0b7b6b5b4b3b2b1b0b7b6b5b4b3b2b1b0b0b1b2b3b4b5b6b7并行传输多条信道，多位同时传输串行传输:单条信道，逐位传输在通信线路数量上有很大的差异适用于短距离传输可应用于长距离传输通信方式25通信方式单工数据流始终在一个方向传输通信双方，一方始终是发送端，另一端始终是接收端如：传呼、无线电广播、电视信号半双工通信数据流可以在两个方向上传输，但同一时刻只能在一个方向上传输通信的双方，应具有发送和接收的功能，但任何一方不能同时发送和接收，在时间上必须错开如：对讲机全双工通信数据流可以同时在两个方向上传输如：电话通信26全双工、半双工、单工TxDRxDTxDFullduplex(Twowaysimultaneous)网络通信等TxDRxDTxDHalfduplex(Twowayalternate)IEEE802.11、其它某些信道RxDRxDTxDRxDSimplex(Onewayalways)广播、电视等双向同时双向交替单向27同步涉及：位同步：每一位同步，使接收方知道每一位数据的起始和结束物理层同步群同步：每一段数据同步，使接收方知道每一段数据的起始和结束链路层同步TransmissionScheme同步传输(SynchronousTransmission):Bit数据以均匀时间间隔T传输，持续不断特点可实现非常高的传输速率(几百兆~几十千兆)稳定的传输速率需要保持双方收发同步应用场合与传输系统的连接PSTN中的数字信道、SDHTxDatasignalTxclocksignalRxDatasignalRxclocksignalSparebitsBitstream28位同步时钟信号外同步：发送方传送过来额外的时钟线自同步：接收方从数据信号里提取同步传输信号时钟译码11101010110111110数据线时钟线29同步传输自同步：时钟嵌入数据中时钟提取Data(i)Clock(i)Data(i)+Clock(i)Data(i)Data(i)+Clock(i)Manchestercoding