物理层与物理层协议

NankaiUniversity第8章物理层与物理层协议1NankaiUniversity2主要内容本章回答的主要问题是：·物理层协议的主要功能是什么？·信息、数据、信号之间的关系是什么？·传输介质类型及主要特性是什么？·数据编码的类型和基本方法是什么？·数据通信速率的定义是什么？·为什么可以用带宽来表示速率？NankaiUniversity8.1物理层的基本概念8.8.1物理层的主要服务功能•物理连接的建立、维护与释放•比特流的传输3NankaiUniversity8.1.2物理层协议的类型物理线路的类型计算机网络使用的通信信道分为两类：•点-点通信线路•广播通信线路4NankaiUniversity点-点通信线路的物理层协议•电话线路是典型的点-点通信线路；•家庭的个人计算机可以使用ADSL调制解调器，通过电话线路接入ISP；•两个ADSL调制解调器之间通过电话线路传输比特流所遵循的通信协议就是一种点-点通信线路的物理层协议。5NankaiUniversity广播通信线路的物理层协议•广播通信线路又分为有线与无线两种；•传统的传输速率为10Mbps的Ethernet协议标准802.3是一种针对共享总线传输介质的物理层协议；•无线局域网协议标准802.11是一种针对共享无线通信信道的物理层协议。6NankaiUniversity8.2数据通信的基本概念8.2.1信息与数据•通信的目的是交换信息，信息的载体可以是文字、语音、图形或图像；•为了传送这些信息，首先要将字母、数字、语音、图形或图像用二进制代码来表示；•为了传输二进制代码的数据，必须将它们用模拟或数字信号编码的方式表示。7NankaiUniversity8.2.2信号的基本概念•信号是数据在传输过程中电信号的表示形式；•信号分为模拟信号与数字信号两类；•模拟信号的电平连续变化；•数字信号的电平以脉冲变化；模拟信号与数字信号波形8(a)模拟信号v(t)v(t)tt(b)数字信号NankaiUniversity8.3数据编码技术8.3.1数据编码类型9计算机的二进制数据模拟信号数字信号模拟数据编码数字数据编码振幅键控ASK移频键控FSK移相键控PSK外同步编码非归零码差分曼彻斯特编码内同步编码曼彻斯特编码计算机内部表示信息的二进制数据通信系统用于表示二进制数据类型数据信号编码类型具体的数据编码方法NankaiUniversity8.3.2模拟数据编码方法10010010ωωπ0πππ0+0+π+0+0+0ω2ω1ω2+π数据(a)ASK(b)FSK(c)PSK(绝对)(d)PSK(相对)ω2ω1ω2b0b1b2b3b4b5NankaiUniversity8.3.3数字数据编码方法1101001011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b0b1b2b3b4b5b6b7NankaiUniversity曼彻斯特（manchester）编码•曼彻斯特编码是应用最广泛的编码方法之一；•曼彻斯特编码的规则是：每比特的周期T分为前T/2与后T/2两部分；通过前T/2传送该比特的反码，通过后T/2传送该比特的原码；•曼彻斯特编码的优点是：每个比特的中间有一次电平跳变，两次电平跳变的时间间隔可以是T/2或T，利用电平跳变可以产生收发双方的同步信号；•曼彻斯特编码信号称为“自含钟编码”信号，发送曼彻斯特编码信号时无需另发同步信号。12NankaiUniversity差分曼彻斯特（differencemanchester）编码•差分曼彻斯特编码是对曼彻斯特编码的改进；•差分曼彻斯特编码与曼彻斯特编码不同点是：每比特的中间跳变仅做同步使用，每比特的值根据其开始边界是否跳变来决定；•某个比特开始处发生电平跳变表示传输二进制“0”；不发生跳变表示传输二进制“1”。13NankaiUniversity脉冲编码调制方法•脉冲编码调制（PCM）是模拟数据数字化的主要方法；•PCM的工作原理示意图14模拟语音信号数字语音信号脉冲编码调制PCMNankaiUniversity•PCM操作包括：采样、量化与编码；采样•采样是隔一定的时间间隔，将模拟信号的电平幅度取出作为样本，让其表示原来的信号；•采样频率f应为：f≥2B或f=1/T≥2·fmax。•其中，B为通信信道带宽，T为采样周期，fmax为信道允许通过的信号最高频率；•如果以大于或等于通信信道带宽2倍的速率对信号采样，其样本可以包含足以重构原模拟信号的所有信息。15NankaiUniversity量化•量化是将样本幅度按量化级决定取值的过程；•经过量化后的样本幅度为离散的量级值，已不是连续值；16D8D7D6D5D4D3D2D100.51.01.5At0.27≈0.31.28≈1.31.52≈1.51.26≈1.30.73≈0.70.41≈0.40.12≈0.1NankaiUniversity编码•编码是用相应位数的二进制代码表示量化后的样本的量级；•当PCM用于数字化语音系统时，它将声音分为128个量化级，每个量化级采用7位二进制编码表示；•PCM可以用于计算机中的图形、图像数字化与传输处理中；•PCM的缺点是采用二进制编码，由于使用的二进制位数较多，因此PCM的编码效率比较低。17NankaiUniversity8.4数据传输类型与通信方式8.4.1数据通信系统的结构18数据信号编码器数据信号发送设备数据信号接收设备数据信号解码器发送方计算机发送的二进制比特序列经过Manchster编码后的比特序列在通信线路上传输的数字信号接收的数字信号接收的二进制比特序列接收方计算机信源信宿发送设备接收设备通信线路数据通信系统NankaiUniversity8.4.2数据通信方式设计一个数据通信系统需要回答以下3个基本问题：•串行通信与并行通信•单工、半双工与全双工通信•同步技术19NankaiUniversity串行通信与并行通信20发送端接收端串行通信信道(a)串行通信方式发送端b7b6b5b4b3b2b1b0b7b6b5b4b3b2b1b0接收端b7b6b5b4b3b2b1b0并行通信信道0000000011111111(b)并行通信方式NankaiUniversity单工、半双工与全双工通信21发送接收单向通道双向通道双向通道(a)单工通信方式发送接收发送接收接收发送接收发送(b)半双工通信方式(c)全双工通信方式NankaiUniversity同步技术•同步是保持通信双方在时间基准上保持一致的过程；•数据通信的同步包括以下两种类型：—位同步—字符同步•实现位同步的方法主要有两种：—外同步法—内同步法•实现字符同步的方法主要有两种：—同步式—异步式22NankaiUniversity实现字符同步的同步传输方法•采用同步方式进行数据传输称为同步传输；•同步传输将字符组织成组，以组为单位连续传送；•每组字符之前加上一个或多个用于同步控制的同步字符SYN，每个数据字符内不加附加位；•接收端接收到同步字符SYN后，根据SYN来确定数据字符的起始与终止，以实现同步传输的功能。23SYN一个或多个SYN字符控制字符数据字符控制字符SYN……NankaiUniversity异步传输•异步传输的每个字符作为一个独立的整体进行发送，字符之间的时间间隔可以是任意的;•为了实现字符同步，每个字符的第一位前加1位起始位（逻辑“1”），字符的最后一位后加1或2位终止位（逻辑“0”）;24终止位(逻辑“0”)起始位(逻辑“1”)tb0b1b2b3b4b5b6字节1字节2字节3字节4字节5b7NankaiUniversity•在实际问题中，人们也将同步传输称为同步通信，将异步传输成为异步通信;•同步通信比异步通信的传输效率要高，因此同步通信更适用于高速数据传输。25NankaiUniversity8.5传输介质的主要类型传输介质是网络中连接收发双方的物理通路，也是通信中实际传送信息的载体；网络中常用的传输介质有：•双绞线•同轴电缆•光纤电缆•无线与卫星通信信道26NankaiUniversity8.5.1双绞线的主要特性•双绞线由按规则螺旋结构排列的2根、4根或8根绝缘导线组成；•一对导线可以作为一条通信线路，各个线对螺旋排列的目的是为了使各线对之间的电磁干扰最小；•局域网中所使用的双绞线分为两类：屏蔽双绞线（STP）与非屏蔽双绞线（UTP）；27NankaiUniversity双绞线的基本结构28铜线绝缘层外屏蔽层外部保护层(a)屏蔽双绞线铜线绝缘层外部保护层(b)非屏蔽双绞线NankaiUniversity8.5.2同轴电缆的主要特性•同轴电缆由内导体、绝缘层、外屏蔽层及外部保护层组成；•同轴介质的特性参数由内导体、外屏蔽层及绝缘层的电参数与机械尺寸决定；•同轴电缆的特点是抗干扰能力较强；•同轴电缆根据带宽可以分为两类：基带同轴电缆与宽带同轴电缆。29NankaiUniversity同轴电缆的基本结构30内导体绝缘层外屏蔽层外部保护层NankaiUniversity8.5.3光纤的主要特性•光纤是传输介质中性能最好、应用前途最广泛的一种；•光纤是一种直径为50～100μm的柔软、能传导光波的介质，多种玻璃和塑料可以用来制造光纤，其中使用超高纯度石英玻璃纤维制作的光纤的纤芯可以得到最低的传输损耗；•在折射率较高的纤芯外面，用折射率较低的包层包裹起来，外部包裹涂覆层，这样就可以构成一条光纤；•多条光纤组成一束构成一条光缆。31NankaiUniversity•光纤通过内部的全反射来传输一束经过编码的光信号；•由于光纤的折射系数高于外部包层的折射系数，因此可以形成光波在光纤与包层的界面上的全反射；•光纤结构与传输原理32纤芯包层涂覆层(a)涂覆层包层纤芯(b)光信号传输的方向NankaiUniversity典型的光纤传输系统结构•在发送端，使用发光二极管（LED）或注入型激光二极管（ILD）作为光源；•在接收端，使用光电二极管PIN检波器或APD检波器将光信号转换成电信号；•光载波调制方法采用振幅键控ASK调制方法，即亮度调制；•光纤传输速率可以达到Gbps的量级。33光电转换LED发送端光电转换PIN接收端输出光纤光信号输入NankaiUniversity8.5.4无线与卫星通信技术微波通信•频率在100MHz～10GHz之间的信号叫做微波信号；•微波信号只能进行视距传播；•由于微波信号的波长比较短，因此可以利用尺寸较小的抛物面天线，就可以将微波信号能量集中在一个很小的波束内发送出去，这样就可以用很小的发射功率来进行远距离通信；•微波信号的频率很高，因此可以获得较大的通信带宽，特别适合于卫星通信与城市建筑物之间的通信。34NankaiUniversity蜂窝无线通信•为了提高覆盖区域的系统容量与充分利用频率资源，人们提出了小区制的概念；•将一个大区制覆盖的区域划分成多个小区，在每个小区（cell）中设立一个基站（basestation），通过基站在用户的移动台（mobilestation）之间建立通信；•由若干个小区构成的覆盖区称为区群。•由于区群的结构酷似蜂窝，因此小区制移动通信系统又称为蜂窝移动通信系统。35NankaiUniversity•在每个小区设立一个（或多个）基站，它与若干个移动站建立无线通信链路；•区群中各小区的基站之间可以通过电缆、光缆或微波链路与移动交换中心连接；•移动交换中心通过电路与市话交换局连接，从而构成一个完整的蜂窝移动通信的网络结构。蜂窝移动通信系统结构示意图：36NankaiUniversity•1995年出现的第一代移动通信是模拟方式，用户的语音信息以模拟信号方式传输的；•1997年出现的第二代（2ndGeneration，2G）移动通信采用GSM、TDMA等数字制式，使得手机能够接入互联网；•第三代（3rdGeneration，3G）移动通信能够在全球范围内更好地实现互联网的无缝漫游，使用手机来处理音乐、图像、视频，浏览网页，参加电话会议，开展电子商务活动，；•第四代（4G）移动通信技术正在研究中。37