计算机网络(吴功宜)-第二章__物理层.ppt

计算机网络第2章物理层2.1物理层的基本概念2.2数据通信的基础知识2.3物理层下面的传输媒体2.4信道复用技术2.5数字传输系统2.6宽带接入技术2.1物理层的基本概念物理层的主要任务描述为确定与传输媒体的接口的一些特性，即：机械特性指明接口所用接线器的形状和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等等。电气特性指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。功能特性指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义。过程特性指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。2.2数据通信的基础知识2.2.1数据通信系统的模型传输系统输入信息输入数据发送的信号接收的信号输出数据源点终点发送器接收器调制解调器PC机公用电话网调制解调器数字比特流数字比特流模拟信号模拟信号输入汉字显示汉字数据通信系统源系统:信源目的系统：信宿传输系统：信道输出信息PC机几个术语数据(data)——运送消息的实体。信号(signal)——数据的电气的或电磁的表现。“模拟的”(analogous)——代表消息的参数的取值是连续的。“数字的”(digital)——代表消息的参数的取值是离散的。码元(code)——在使用时间域（或简称为时域）的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形。2.2.2有关信号的几个基本概念单向通信（单工通信）——只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。双向交替通信（半双工通信）——通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送(当然也就不能同时接收)。双向同时通信（全双工通信）——通信的双方可以同时发送和接收信息。发送接收单向通道双向通道双向通道(a)(b)(c)发送接收发送接收接收发送接收发送基带(baseband)信号和带通(bandpass)信号基带信号（即基本频带信号）——来自信源的信号。像计算机输出的代表各种文字或图像文件的数据信号都属于基带信号。基带信号往往包含有较多的低频成分，甚至有直流成分，而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量。因此必须对基带信号进行调制(modulation)。带通信号——把基带信号经过载波调制后，把信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输（即仅在一段频率范围内能够通过信道）。几种最基本的调制方法基带信号往往包含有较多的低频成分，甚至有直流成分，而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量。为了解决这一问题，就必须对基带信号进行调制(modulation)。最基本的二元制调制方法有以下几种：调幅(AM)：载波的振幅随基带数字信号而变化。调频(FM)：载波的频率随基带数字信号而变化。调相(PM)：载波的初始相位随基带数字信号而变化。基本原理用数字信号对载波的不同参量进行调制。载波S(t)=Acos(t+)S(t)的参量包括：幅度A、频率、相位调制就是要使这三个参量随数字基带信号的变化而变化振幅键控（ASK）um·cos（ω1t+φ0）数字1u（t）=0数字0振幅键控ASK信号实现容易，技术简单，但抗干扰能力较差。移频键控（FSK）um·sin（ω1t+φ0）数字1u（t）=um·sin（ω2t+φ0）数字0移频键控FSK信号实现容易，技术简单，抗干扰能力较强，是目前最常用的调制方法之一。移相键控（PSK）绝对调相um·sin（ωt+0）数字1u（t）=um·sin（ωt+π）数字0移相键控可以分为：绝对调相相对调相二相调相多相调相对基带数字信号的几种调制方法010011100基带信号调幅调频调相010010ωωπ0πππ0+0+π+0+0+0ω2ω1ω2+π数据(a)ASK(b)FSK(c)PSK(绝对)(d)PSK(相对)ω1ω2ω1正交振幅调制QAM(QuadratureAmplitudeModulation)r(r,)采用30度相位偏移，在相位差45,135,225,315允许有2个幅度值，其余相位处只有1个幅度值。由于4bit编码共有16种不同的组合，因此这16个点中的每个点可对应于一种4bit的编码。若每一个码元可表示的比特数越多，则在接收端进行解调时要正确识别每一种状态就越困难。举例传输技术（补充）模拟传输数字传输模拟传输模拟传输是一种不考虑其内容的模拟信号传输方式。在传输过程中，信号由于噪音的干扰和能量的损失会发生畸变和衰减。在模拟信号中，每隔一定的距离就要通过放大器来放大信号的强度，但在放大信号强度的同时也放大了由噪音引起的信号失真。数字传输数字传输关心的是信号的内容。不论传输的是数字信号还或模拟信号，只要它代表了0和1变化模式的数据，就可以采用数字传输。在数字传输中，每隔一定的距离不是采用放大器来放大衰减和失真的信号，而是采用转发器来代替。在长距离传输中，数字传输技术已逐步取代早先的模拟传输技术。但在诸如局域网这种近距离的通信中，模拟传输技术仍由一席之地。话音模拟传输模拟数字模拟模拟CODEC数字数字数字编码数字模拟数据，模拟信号数字数据，模拟信号数字数据，数字信号模拟数据，数字信号10101010模拟信号的脉码调制发送端，将模拟信号变换为数字信号的装置称为编码器接收端，将接收到的数字信号复原成模拟信号的装置则称为解码器双向通信，使用既能编码又能解码的装置，即编码解码器。模拟信号通过编码解码器进行数字传输的工作过程示意图如下图：codeccodec模拟信号数字信号模拟信号图模拟信号的数字传输将模拟信号变换为数字信号的常用方法是脉码调制PCM。脉码调制的过程由取样、量化和编码构成。取样：取样就是按照一定的时间间隔采样测量模拟信号幅值。量化：量化的步骤就是将取样点测量的信号幅值分级取整的过程编码：编码就是将量化后的整数值用二进制来表示模拟信号的脉码调制模拟信号的脉码调制PCM用于数字语音系统声音分为128个量化级；每个量化级采用7位二进制编码表示；采样速率为8000样本/秒；数据传输速率应达到7位×8000/秒=56kb/s；如果每个量化级采用7+1=8位二进制编码表示;数据传输速率应达到8位×8000/秒=64kb/s。PCM转换过程举例3.23.92.83.41.24.2343314011100011011001100原始信号PAM脉冲PCM脉冲（有量化误差）011100011011001100PCM输出D8D7D6D5D4D3D2D100.51.01.5At0.27≈0.30.62≈0.61.28≈1.31.52≈1.51.26≈1.30.73≈0.70.41≈0.40.12≈0.1(a)样本量化级二进制编码编码信号0001010001111101111111010110001136131513741D1D2D3D4D5D6D7D8(b)数字信号的编码技术不归零制(NRZ，Non-ReturntoZero)二进制数字0、1分别用两种电平来表示。－5V表示0，＋5V表示1缺点：存在直流分量，传输中不能使用变压器；不具备自同步机制，必须使用外同步数字信号的编码技术曼彻斯特编码(Manchestercode)用电压的变化表示0和1。规定在每个码元的中间发生跳变：高→低的跳变—1，低→高的跳变—0每个码元中间都要发生跳变，接收端可将此变化提取出来作为同步信号，使接收端的时钟与发送设备的时钟保持一致。曼彻斯特编码也称为自同步码。它具有自同步机制，无需外同步信号。缺点：需要双倍的传输带宽（即信号速率是数据速率的2倍）。差分曼彻斯特编码(DifferentialManchestercode)与曼彻斯特编码相同，在每个码元的中间，信号都会发生跳变；不同之处在于：用在码元开始处有无跳变来表示0和1：码元开始处有跳变——0码元开始处无跳变——1数字数据编码信号的波形01001011数据(a)非归零码同步时钟(b)曼彻斯特编码(c)差分曼彻斯特编码2.2.3信道的极限容量任何实际的信道都不是理想的，在传输信号时会产生各种失真以及带来多种干扰。码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远，在信道的输出端的波形的失真就越严重。数字信号通过实际的信道有失真，但可识别失真大，无法识别实际的信道（带宽受限、有噪声、干扰和失真）发送信号波形接收信号波形发送信号波形实际的信道（带宽受限、有噪声、干扰和失真）接收信号波形(1)信道能够通过的频率范围1924年，奈奎斯特(Nyquist)就推导出了著名的奈氏准则。他给出了在假定的理想条件下，为了避免码间串扰，码元的传输速率的上限值。在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，否则就会出现码间串扰的问题，使接收端对码元的判决（即识别）成为不可能。如果信道的频带越宽，也就是能够通过的信号高频分量越多，那么就可以用更高的速率传送码元而不出现码间串扰。奈奎斯特公式（无热噪音）C=2Hlog2Lb/sH是信道的带宽，L表示某给定时刻数字信号可能取得的离散值的个数。C是该信道最大的数据速率。(2)信噪比香农(Shannon)用信息论的理论推导出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限、无差错的信息传输速率。信道的极限信息传输速率C可表达为C=Wlog2(1+S/N)b/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。S/N为信噪比，单位为分贝(db)。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。只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定可以找到某种办法来实现无差错的传输。若信道带宽W或信噪比S/N没有上限（当然实际信道不可能是这样的），则信道的极限信息传输速率C也就没有上限。实际信道上能够达到的信息传输速率要比香农的极限传输速率低不少。请注意对于频带宽度已确定的信道，如果信噪比不能再提高了，并且码元传输速率也达到了上限值，那么还有办法提高信息的传输速率。这就是用编码的方法让每一个码元携带更多比特的信息量。波特率vs.比特率码元速率：每秒信号状态变化的次数，以波特（Baud）作为单位,波特率，也叫调制速率。码元速率和数据速率之间的关系：C=BLog2L比特率取决于波特率和信号编码方式，比特率不一定等于波特率。若电压0，1，2，3，4，5，6，7被使用，那么每个信号可代表3个比特，因而比特率是波特率的三倍。当信号只用0和1来代表时，波特率=比特率2.3物理层下面的传输媒体无线电微波红外线可见光紫外线X射线射线双绞线同轴电缆卫星地面微波调幅无线电调频无线电海事无线电光纤电视(Hz)f(Hz)fLFMFHFVHFUHFSHFEHFTHF波段104105106107108109101010111012101310141015101610010210410610810101012101410161018102010221024移动无线电电信领域使用的电磁波的频谱2.3.1导向传输媒体双绞线屏蔽双绞线STP(ShieldedTwistedPair)无屏蔽双绞线UTP(UnshieldedTwistedPair)同轴电缆50同轴电缆75同轴电缆光缆各种电缆铜线铜线聚氯乙烯套层聚氯乙烯套层屏蔽层绝缘层绝缘层外导体屏蔽层绝缘层绝缘保护套层内导体无屏蔽双绞线UTP屏蔽双绞线STP同轴电缆光线在光纤中的折射折射角入射角包层（低折射率的媒体）包层（低折射率的媒体）纤芯（高折射率的媒体）包层纤芯光纤的工作原理高折射率(纤芯)低折射率(包层)光线在纤芯中传输的方式是不断地全反射输入脉冲输出脉冲单模光纤多模光纤与单模光纤输入脉冲输出脉冲多模光纤2.3.2非导向传输媒体无线传输所使用的频段很广。短波通信主要是靠电离层的反射，但短波信道的通信质量较差。微波在空间主要是直线传播。地面微波接力通信卫星通信共享信道2.4信道复用技术2.4.1频分复用、时分复用和统计时分复用复用(multiplexing)是通信技术中的基本概念。信道A1A2B1B2C1C2信道信道A1A2B1B2C1C2复用分用(a)不使用复用