2第二章_物理层模板

第二章物理层本章学习要求掌握：物理层与物理层协议的基本概念。掌握：数据通信的基本概念。了解：无线与卫星通信技术的基本概念。掌握：数据编码的类型和基本方法。了解：基带传输的基本概念。掌握：频带传输的基本概念。3.1物理层与物理层协议的基本概念一、物理层的基本概念通信子网分为点-点通信线路通信子网与广播信道通信子网;广域网主要采用点到点通信线路，局域网与城域网一般采用广播信道;由于技术上存在较大的差异，因此在物理层和数据链路层协议上出现了两个分支，一类是基于点-点通信线路，另一类是基于广播信道。二、物理层基本服务功能物理层设计时主要考虑的是如何在连接开放系统的传输介质上传输各种数据的比特流；计算机网络可以利用的物理传输介质与传输设备存在着很大的差异，设计物理层的主要目的是向数据链路层屏蔽通信技术的差异性；数据链路实体通过与物理层的接口，将数据传送给物理层，通过物理层按比特流的顺序，将信号传输到另一个数据链路实体。三、物理层向数据链路层提供的服务物理连接的建立、维护与释放；物理连接分为点-点连接与多点连接；数据传输分为全双工、半双工与单工方式；数据传输分为串行传输方式与并行传输方式；串行传输方式的物理数据服务单元是位；并行传输方式的物理数据服务单元是N位，N为并行连接的物理通道数。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正文正文数据通信系统源系统目的系统传输系统输出信息PC机3.2数据通信基本概念雪六角形凉白色信息数据信号一、信息、数据与信号信息是人对现实世界事物存在方式或运动状态的某种认识;数据是把事件的某些属性规范化后的表现形式;信号是数据的具体的物理表现。信息：人对雪花和马的认识数据：文字，二进制数，十进制数信号：电压，光，磁场强度两种不同类型的量：A.时间、温度、电波、声音B.字符，二进制数，电脉冲信号中没有断开或不连续的的地方；信号仅取一些有限数目的值；信号与信号传输模拟：波动性；持续变化；反映事物的本质；在电信业已经被广泛使用超过100年；数字：离散性；跃变性；设备性能先进，较为便宜；模拟信号：信号值的变化在时间上是连续的。例：电流数字信号：信号值的变化是瞬间的，无中间状态，也称离散信号。例：电压脉冲序列。1011100（a）模拟信号（b）数字信号两者对比模拟信号数字信号表示方法较复杂表示方法简单抗干扰能力弱抗干扰能力强便于长距离传输不能长距离直接传输模拟传输：不关心传送的内容，通过放大器传播，来提高信号的能量。数字传输：关心信号的内容，信号通过中继器传播二、数据传输类型与通信方式网络中两台计算机的通信过程网络通信系统设计中要解决的几个基本问题数据传输类型模拟通信数字通信数据通信方式串行通信、并行通信单工通信、半双工或全双工通信同步方式同步通信异步通信串行通信与并行通信发送端接收端串行通信信道(a)发送端b0b1b2b3b4b5b6b7b7b6b5b4b3b2b1b0接收端b0b1b2b3b4b5b6b7并行通信信道(b)单工、半双工与全双工通信(a)单工通信；(b)半双工通信；(c)全双工通信数据同步方式在串行通信中，为了正确地解释收到的信号，接收端必须知道信号何时开始和结束，这叫做定时。使发送和接收的时钟一致，这叫做同步。根据同步的方式不同可分为：异步通信和同步通信。异步通信用于低速设备，如打印机；同步通信用于高速设备，如硬盘，网络异步通信一次传输一个字符（5-8位），字符间隔不定。传送字符前，传输一位起始位（“0”），传送字符后有一位校验码和1-2位停止位（“1”）。总计10位。接收端要与发送端使用同一个频率。在没有信号时，线路总是“1”态，接收端一旦收到起始位“0”，表示字符开始。起校停始验止位1101000位位终止位(逻辑“0”)起始位(逻辑“1”)tb0b1b2b3b4b5b6字节5字节4字节3字节2字节1同步通信一次传输由若干字符组成的数据帧，帧的开始有同步字符，帧的结束有校验码和同步字符。帧内字符之间无间隙。字符往往采用曼彻斯特编码，可以从中提取同步脉冲，达到发送和接收端的同步。格式如下：SYNSYN......一个或多个SYN字符控制字符数据字符控制字符三、传输介质的主要类型双绞线同轴电缆光纤电缆无线与卫星通信信道1.双绞线的主要特性屏蔽双绞线STP非屏蔽双绞线UTP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）非屏蔽双绞线同轴电缆由内导体铜制芯线（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以及保护塑料外层所组成基带同轴电缆一条电缆只用于一个信道，50，用于数字传输宽带同轴电缆一条电缆同时传输不同频率的多路模拟信号，75，用于模拟传输，300—450MHz，100km，需要放大器铜芯绝缘层外导体屏蔽层保护套2、同轴电缆3.光纤电缆的主要特性光纤芯包层外部保护层(a)保护层包层光纤芯(b)光电转换LED发送端输入光电转换PIN接收端输出光纤光信号光纤传送模式：MMF、SMF多模MMF输入电信号输出电信号单模SMF波长:1300,1550nm波长:850,1300nmh2h1芯/封套特性h1h2光纤的直径减小到一个光波波长多束光线以不同的反射角传播单束光线沿直线传播典型的光缆玻璃封套塑料外套玻璃内芯单芯光缆多芯光缆玻璃内芯塑料外套玻璃封套外壳常见规格：玻璃内芯——50um缓变型MMF62.5um缓变/增强型MMF8.3um突变型SMF玻璃包层——125um4、无线介质使用电磁波或光波携带信息无需物理连接适用于长距离或不便布线的场合易受干扰无线电固定终端点（基站）和终端之间是无线链路BS基站用户计算机和终端BS基站覆盖的无线电区域F2F3F1F2F3F1F2F3F1F2F2F3F1F1,F2,F3=使用的频率地面微波接力两个地面站之间传送距离：50-100km地球地面站之间的直视线路微波传送塔（3）卫星通信卫星地球表面卫星发送多点接收多点接收地球同步卫星与地面站相对固定位置使用3个卫星覆盖全球传输延迟时间长22,300公里地球数据通信类型基带传输：将数字信号编码为电压脉冲序列后传输用于：计算机---磁盘、局域网。频带传输：用数字信息对高频载波进行调制形成调制波后传输。用于广域网、城域网。宽带传输：将链路容量分解成若干个信道，每个信道可以携带不同的信号，如：声音、数据、图像等，这些信道一起传输。3.4基带传输技术一、基带传输的定义在数据通信中，表示计算机二进制的比特序列的数字数据信号是典型的矩形脉冲信号;矩形脉冲信号的固有频带称做基本频带,简称为基带,矩形脉冲信号就叫做基带信号;在数字通信信道上，直接传送基带信号的方法称为基带传输;在发送端，基带传输的数据经过编码器变换变为直接传输的基带信号，例如曼彻斯特编码或差分曼彻斯特编码信号;在接收端由解码器恢复成与发送端相同的矩形脉冲信号;基带传输是一种最基本的数据传输方式。二、通信信道带宽对基带传输的影响通信信道带宽对数据信号传输中失真的影响很大；信道带宽越宽，信号传输的失真越小。E(t)E(t)E(t)E(t)E(t)E(t)E(t)E(t)E(t)E(t)000000ttttt1234567891001100010(a)(b)(c)(d)(e)0101201234012345678ttttt三、数据传输速率的定义与信道速率的极限数据传输速率的定义数据传输速率是描述数据传输系统的重要技术指标之一；数据传输速率在数值上，等于每秒钟传输构成数据代码的二进制比特数，单位为比特/秒，记做b/s；常用的数据传输速率单位有：Kb/s、Mb/s、Gb/s与Tb/s，其中：1Kb/s=1×103b/s1Mb/s=1×106b/s1Gb/s=1×109b/s1Tb/s=1×1012b/s数字信号通过实际的信道失真不严重失真严重实际的信道（带宽受限、有噪声、干扰和失真）输入信号波形输出信号波形(失真不严重)输入信号波形实际的信道（带宽受限、有噪声、干扰和失真）输出信号波形(失真严重)频带传输的定义利用模拟信道传输数据信号的方法称为频带传输；调制解调器（modem）是频带传输中最典型的通信设备；调制解调器的作用是：在数据的发送端将计算机中的数字信号转换成能在电话线上传输的模拟信号；在接收端将从电话线路上接收到的模拟信号还原成数字信号。