《计算机通信网 》第2章 物理层

12010SPLENG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22010SPLENG2.1物理层概述Connection，连接短距离连接DirectconnectionbetweenStationsStation：主机或网络节点WiredorWireless（有线或无线）RS232C,Ethernet，红外，蓝牙，WLAN，WiMax长距离连接借助于传输系统(传输网)实现SDH/SONET、卫星网、微波接力等关注传输特性传输系统•短距离长距离32010SPLENG2.1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★42010SPLENG2.1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★52010SPLENG2.2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通信方式同步、异步传输62010SPLENG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SiSo72010SPLENGBasicTheory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82010SPLENGBasicTheory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……92010SPLENG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1102010SPLENGBasicTheory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……112010SPLENG调制技术(教材图2.21)122010SPLENGBasicTheory数字信号传输通用模型：用N级信号来代表bit信号信号s0,s1,…,sN－1(N=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=log2N*波特率例QPSK（N=4）编码调制000s0001s1…111s7…0101…Tsisjsk0123cos(2/4)cos(23/4)cos(25/4)cos(27/4)sAftsAftsAftsAftN=8每三个bit用一个信号代表比特速率增到3倍132010SPLENG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/T142010SPLENG最大数据传输速率(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152010SPLENG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=2Hlog2V式中：H：信道带宽，V：信号数值级数例：信道带宽H为3KHz，V=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162010SPLENG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：H=3KHz，S/N=30dB（即S/N=1000）则U0max=Hlog2（1+S/N）=3000×log2（1+1000）=30kbps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172010SPLENG最大传输速率—讨论简单传输方式仅用2个信号传输时(V0,V1或S0，S1)每Hz带宽传输能力2bit，(实际情况:1bit/Hz)每个比特用两个bit来传输好处：信号没有直流分量缺点：同样bit速率，要求2倍信道带宽信号变化频率扩大1倍如果每比特用Nbit来传输，要求N倍带宽若想提高信道速率无噪信道：不可能无限制增加信号个数接收方难以区分差别细微的信号(经过信道的信号有畸变)有噪信道：不可能无限制增加信道带宽噪声能量与信道带宽成正比编码0:V0V11:V1V0…0011…T00110=1=182010SPLENGb7b6b5b4b3b2b1b0b7b6b5b4b3b2b1b0b7b6b5b4b3b2b1b0b7b6b5b4b3b2b1b0b7b6b5b4b3b2b1b0b0b1b2b3b4b5b6b7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192010SPLENG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202010SPLENG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212010SPLENG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、SDHTxDatasignalTxclocksignalRxDatasignalRxclocksignalSparebitsBitstream222010SPLENG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232010SPLENG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)Manchestercoding242010SPLENG同步传输群同步数据链路层的帧同步方法很多面向字符面向位计数法物理层违法编码法帧头部校验和法…01001010010110111111010101011010100010010010010001001001001001001001010010010100100101010010010011111110000000000000101000010011111000100100000000100010001000010001000000000……01001010010110111111010101011010100010010010010001001001001001001001010010010100100101010010010011111110000000000000101000010011111000100100000000100010001000010001000000000…252010SPLENGTransmissionScheme异步传输(AsynchronousTransmission)字节为单位传输，字节间隔长度可变特点不需要专门的时钟线路(所以称为“异步”)传输速率不可能很高(最高约200kb/s)由起始/停止位识别一个字符应用场合计算机间的直接连接低速、短距离传输(几百米~几公里)键盘、鼠标的传输方式ByteByteBytestartstop又称为起-止式传输RT262010SPLENG异步传输接收端和发送端有相同速率的时钟，但没有同步接收方在每个Start处调整脉冲位置，保证后续至少8bit的同步对时钟精度要求低0000010011001111Clock1Clock2DataData调整调整发收失步调整StartStopStartStop272010SPLENG异步传输与同步传输异步传输一次只传输一个字符（8位）速率低，用于信道质量较差的环境噪音同步传输一次传输一个数据段或块（连续的一串字符）用于信道质量好，高速数据传输282010SPLENGTransmissionScheme块传输(BlockTransmission)以数据块为单位传输，块的长度可变，块间可变长度间隔特点增强型的“异步传输方式”传输速率高(可达上千兆)应用场合计算机网络中的直接电缆连接典型如：以太网信道RTBlockBlock292010SPLENG2.3传输介质传输介质对网络的影响介质类型（教材2.2～2.4，了解）磁介质(及其它存储介质）有