第2章 物理层与数据通信基础

计算机网络ComputerNetwork2020年1月19日2/42计算机网络课程目录第1章概述第2章物理层与数据通信基础第3章数据链路层第4章局域网第5章网络层第6章网络互联技术第7章传输层第8章应用层第9章网络管理与信息安全第10章网络新技术专题3/42计算机网络本章提纲2.1数据通信的理论基础2.2物理传输介质2.3数据传输技术2.4物理层接口标准举例第2章物理层与数据通信基础4/42计算机网络2.1数据通信的理论基础2.1.1数据通信系统模型2.1.2带宽与傅立叶分析2.1.3信道的最大数据速率5/42计算机网络2.1.1数据通信系统模型(1/2)数据通信系统的组成：源系统（或发送端）传输系统（或传输网络）目的系统（或接收端）数据与信号的区别：数据(data)是运送信息的实体，而信号(signal)则是数据的电气的或电磁的表现。6/42计算机网络2.1.1数据通信系统模型(2/2)无论数据或信号，都可以是模拟的或数字的。所谓“模拟”就是连续变化的，而“数字”就表示取值是离散的。数据与信号转换的几种情况放大器调制器PCM编码器调制器数字调制器模拟数据模拟信号模拟数据数字信号数字数据模拟信号数字数据数字信号7/42计算机网络2.1.2带宽与傅立叶分析(1/3)带宽的定义：带宽有时又叫吞吐量。“带宽”本来的意思是指某个信号所具有的频带宽度。单位：赫兹Hz对于数字信道，“带宽”是指在信道上(或一段链路上)能够传送的数字信号的速率，即数据速率或比特率。傅立叶（Fourier）级数：一个具有有限持续时间的数字信号，可以看做为一个以此有限持续时间T为周期的周期阶梯函数g（t）。此函数可展开成傅立叶（Fourier）级数。1n1n)2sin(b)2sin(ac21g(t)nnnftnft8/42计算机网络2.1.2带宽与傅立叶分析(2/3)f=1/T基波频率直流分量n次谐波的正弦振幅值n次谐波的余弦振幅值n次谐波的均方根振幅，它和n次谐波的能量成正比信道的带宽越宽，那么能通过的谐波的次数就越高，接收端恢复的波形就越接近于原发送端的波形，相当于n越大则傅立叶级数中前n项求和得到的值越接近于原来的周期函数。dtg(t)T2c0dtnft)g(t)sin(2πT2a0ndtnft)g(t)cos(2πT2b0n2n2nba9/42计算机网络2.1.2带宽与傅立叶分析(3/3)10/42计算机网络2.1.3信道的最大数据速率(1/3)信道的最大数据速率受信道的带宽制约。图2-1数字信号通过实际的信道和质量很差的信道时的输出波形码元传输速率提高时，信号失真会更加严重。因此，在实际的信道上，码元传输的速率必然有个上限。11/42计算机网络2.1.3信道的最大数据速率(2/3)奈奎斯特(Nyquist)推导出在理想低通信道下的最高码元传输速率的公式：“理想低通信道”就是信号的所有低频分量，只要其频率不超过某个上限值，都能够不失真地通过此信道，而频率超过该上限值的所有高频分量都不能通过该信道。理想低通信道的最高码元传输速率=2WBaud若一个码元只携带1bit的信息量，则“比特/秒”和“波特”在数值上是相等的。但若使1个码元携带nbit的信息量，则MBaud的码元传输速率所对应的信息速率则为M×nbit/s。(电平级数？)带宽(Hz)12/42计算机网络2.1.3信道的最大数据速率(3/3)香农公式(信道的极限信息传输速率)：C=Wlog2(1+S/N)bit/sW为信道的带宽(以Hz为单位)；S为信道内所传信号的平均功率；N为信道内部的高斯噪声功率信噪比的单位为dB，1dB=10lg(S/N)香农公式表明，信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高。13/42计算机网络2.2物理传输介质2.2.1双绞线2.2.2同轴电缆2.2.3光纤2.2.4无线传输媒体2.2.5卫星通信14/42计算机网络2.2.1双绞线(1/2)双绞线的特点：双绞线（TwistedPair）也称双扭线，是一种最经常使用的物理媒体。把两根互相绝缘的铜导线并排放在一起，然后用规则的方法绞合(twist)起来就构成了双绞线。双绞线的分类：非屏蔽双绞线屏蔽双绞线15/42计算机网络2.2.1双绞线(2/2)屏蔽双绞线非屏蔽双绞线16/42计算机网络2.2.2同轴电缆同轴电缆的特点：同轴电缆由内导体铜质芯线(单股实心线或多股绞合线)、绝缘层、网状编织的外导体屏蔽层(也可以是单股的)以及保护塑料外层所组成。按特性阻抗数值的不同，同轴电缆分为两类：50同轴电缆主要用于在数据通信中传送基带数字信号，又称基带同轴电缆。75同轴电缆用于模拟传输系统，它是有线电视系统CATV中的标准传输电缆。在这种电缆上传送的信号采用了频分复用的宽带信号。17/42计算机网络2.2.3光纤(1/3)光纤的组成：光纤通常由非常透明的石英玻璃拉成细丝，主要由纤芯和包层构成双层通信圆柱体。纤芯很细，其直径只有8~100m。正是这个纤芯用来传导光波。光纤的分类：单模光纤多模光纤18/42计算机网络2.2.3光纤(2/3)单模光纤和多模光纤的比较19/42计算机网络2.2.3光纤(3/3)光纤的特点：传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济。抗雷电和电磁干扰性能好。这在有大电流脉冲干扰的环境下尤为重要。无串音干扰，保密性好，也不易被窃听或截取数据。体积小，重量轻。20/42计算机网络2.2.4无线传输媒体无线电无线传输所使用的频段很广。地面微波接力通信的特点：微波波段频率很高，其频段范围也很宽，因此其通信信道的容量很大。因为工业干扰和天电干扰的主要频谱成分比微波频率低得多，对微波通信的危害比对短波和米波通信小得多，因而微波传输质量较高。与相同容量和长度的电缆载波通信比较，微波接力通信建设投资少，见效快。21/42计算机网络2.2.4无线传输媒体微波接力通信缺点：相邻站之间必须直视，不能有障碍物，有时一个天线发射出的信号也会分成几条略有差别的路径到达接收天线，因而造成失真。微波的传播有时也会受到恶劣气候的影响。与电缆通信系统比较，微波通信的隐蔽性和保密性较差；对大量中继站的使用和维护要耗费一定的人力和物力。22/42计算机网络2.2.5卫星通信卫星通信的特点：通信距离远，且通信费用与通信距离无关。具有较大的传播时延。23/42计算机网络2.3数据传输技术2.3.1模拟传输与数字传输2.3.2数字调制技术2.3.3脉码调制2.3.4多路复用2.3.5数字信号的编码方法2.3.6数据通信方式24/42计算机网络2.3.1模拟传输与数字传输模拟传输系统模拟传输是一种不考虑其内容的模拟信号传输方式。放大器中继信号，易引起信号畸变的叠加。传统的电话通信系统。数字传输系统数字传输关心的是信号本身所携带的内容。不论传输的是数字信号或模拟信号，只要它代表了0和1的相互变化模式的数据就可以采用数字传输。转发器（再生器）中继信号。在主干网的长距离传输中数字传输技术已逐步取代早先的模拟传输技术。25/42计算机网络2.3.2数字调制技术调制就是进行波形变换。或者更严格些，是进行频谱变换，将基带数字信号的频谱变换成为适合于在模拟信道中传输的频谱。调幅(AM)调频(FM)调相(PM)26/42计算机网络2.3.3脉码调制(1/2)脉码调制（PCM）的基本原理图：27/42计算机网络2.3.3脉码调制(2/2)脉码调制的过程：1、采样根据采样定理，只要采样频率不低于电话信号最高频率的2倍，就可以从采样脉冲信号无失真地恢复出原来的电话信号。2、量化量化就是将采样点处测得的信号幅值分级取整。先将模拟信号的最大可能幅值等分为若干级(通常为2n级)，而后测量得到的幅值按此分级舍入取整，得到一个正整数。如，模拟信号的最大幅值的上确界为256，可将其分为128级，则幅值在[0，2）中量化为O；幅值在[2，4）中量化为l；……；幅值在[254，256）中量化为127等。3、编码编码就是将量化后的整数值用二进制数来表示。28/42计算机网络2.3.4多路复用(1/6)采用多路复用技术能把多路信号组合起来在一条物理电缆上进行传输，在远距离传输时，可大大节省电缆的安装和维护费用。多路复用的分类：频分复用时分复用波分复用码分复用29/42计算机网络2.3.4多路复用(2/6)频分复用和时分复用的特点：频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源。时分复用的所有用户是在不同的时间占用同样的频带宽度。频分复用和时分复用的示意图：30/42计算机网络2.3.4多路复用(3/6)时分复用可能会造成线路资源的浪费31/42计算机网络2.3.4多路复用(4/6)统计时分复用STDM：统计时分复用又称为异步时分复用，而普通的时分复用称为同步时分复用。从平均的角度来看，这两者是平衡的。统计时分复用是一种改进的时分复用，它能明显地提高信道的利用率。工作原理图：32/42计算机网络2.3.4多路复用(5/6)波分复用波分复用就是光的频分复用。人们借用传统的载波电话的频分复用的概念，就能做到使用一根光纤来同时传输多个频率很接近的光载波信号。这样就使光纤的传输能力成倍地提高了。工作原理图：33/42计算机网络2.3.4多路复用(6/6)码分复用码分复用CDM(CodeDivisionMultiplexing)是另一种共享信道的方法。又称为码分多址CDMA(CodeDivisionMultipleAccess)。每一个用户可以在同样的时间使用同样的频带进行通信。由于各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此不会造成干扰。码分复用最初是用于军事通信，因为这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力，其频谱类似于白噪声，不易被敌人发现。34/42计算机网络2.3.5数字信号的编码方法(1/2)当信道的质量很差时，在输出端是很难判断这个信号在什么时候是1和在什么时候是0，尤其是当出现一组连续1或者连续0的时候。因此在数据通信中，即使采用数字信道，由端用户产生的基带数字信号通常也不是直接送入信道，而是首先采用编码的方法。计算机网络中常采用的编码方法有两种：曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码35/42计算机网络2.3.5数字信号的编码方法(2/2)两种编码方法的对比：36/42计算机网络2.3.6数据通信方式(1/3)串、并行通信（1）并行通信将16位或32位的数据按数位宽度同时进行传输，每一个数位都要有自己的数据传输线和发送、接收设备。（2）串行通信在一根数据传输线上每次传送一位二进制数据，即数据一位接一位地传送。37/42计算机网络2.3.6数据通信方式(2/3)单工通信、半双工通信、全双工通信按照数据传输方向及其时间关系可将通信方式分为单工、半双工和全双工三种。38/42计算机网络2.3.6数据通信方式(3/3)同步通信与异步通信异步传输又称起止式传输，即指发送者和接收者之间不需要合作。也就是说，发送者可以在任何时候发送数据。接收者则只要数据到达，就可以接受数据。异步传输是以字符为单位的数据传输。同步是指接收端要按照发送端所发送的每个数据的起止时间和重复频率来接收数据，即收发双方在时间上必须一致。39/42计算机网络2.4物理层接口标准举例2.4.1物理层接口特性2.4.2常用的物理层标准40/42计算机网络2.4.1物理层接口特性1、机械特性规定了物理连接时对插头和插座的几何尺寸、插针或插孔芯数及排列方式、锁定装置形式等。2、电气特性规定了在物理连接上导线的电气连接及有关的电路的特性，一般包括：接收器和发送器电路特性的说明、DTE-DCE接口线的信号电平等。3、功能特性规定了接口信号的来源、作用以及其它信号之间的关系。4、规程特性规定了使用交换电路进行数据交换的控制步骤。41/