计算机网络-CH2-物理层(V08)

计算机网络第2章物理层本章主要内容数据通信系统简介传输媒体多路复用传输系统宽带接入技术物理层标准本章基本要求掌握数据通信中常用参数指标的意义、计算方法（数据传输率、误码率、信道容量）充分了解数据通信中的相关技术（通信码、基带传输及常用波形编码、多路复用技术等）充分了解模拟传输和数字传输的相关内容（调制技术、PCM技术）了解各种传输介质了解RS－232物理层标准数据通信系统简介本节重点内容重点：数据通信系统模型、数据通信方式（单工、半双工、全双工等）数据通信的理论基础常用参数指标（波特率、比特率、误码率、信道容量）基带传输和频带传输、异步传输和同步传输参看教材2.22.1数据通信系统简介2.1数据通信系统简介2.1.1通信系统模型说明：信源：信息源，有模拟信号、数字信号信宿：信息的接收点变换：调制解调、多路复用、数据编码信道：信号的传输介质及有关的传输设备。噪声：信道中的噪声及分散在通信系统其它各处的噪声的集中表现信源信宿变换变换噪声信道数据通信系统的模型模拟信号调制解调器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正文正文数据通信系统源系统目的系统传输系统PC机2.1数据通信系统简介数据通信系统举例电话网ModemModem(a)用户通过电话网拨号通信2.1数据通信系统简介数据通信系统举例(b)局域网用户通过Internet上网通信SiSiInternetSiSiToken-ring2.1数据通信系统简介2.1.2数据通信过程一般分为五个阶段：阶段一：数据通信线路的建立（建立物理连接）阶段二：建立数据传输链路（建立逻辑连接）阶段三：传送数据和控制信息阶段四：结束数据链路的连接（断开逻辑连接）阶段五：断开通信线路（断开物理连接）说明：并非所有通信过程都需要这五个阶段。如租用专用线的通信方式。2.1数据通信系统简介2.1.3数据通信方式1按连接方式划分(1)点—点连接方式(2)多点连接方式(3)环形连接方式计算机M计算机M计算机MMTMTMT2.1数据通信系统简介2按信息传送方向划分(1)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。(2)双向交替通信（半双工通信）信息可以双向传输，但在某一时刻只能单向传输AB数据监视信号AB数据监视信号2.1数据通信系统简介(3)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。AB数据监视信号2.1数据通信系统简介3按交换方式划分主要的交换方式分为：电路交换报文交换存储转发方式分组交换（包交换）存储转发方式2.1数据通信系统简介2.1.4数据通信的理论基础傅立叶分析任何一个周期为T的有理周期性函数g(t)可分解为若干项（可能无限多项）正弦与余弦函数之和：g(t)=c++其中：f=1/T基本频率an,bnn次谐波项的正弦和余弦振幅值)2sin(1nftann)2cos(1nftbnn2.1数据通信系统简介an=bn=c=是直流分量讨论：*一个周期信号可以分解成无穷多个不同频率的正、余弦分量*反过来，当一个二进制序列脉冲通过信道传输，如果信道的带宽足够宽，则大量的频率成分能够通过，接收端的信号失真就小。如图所示：T2Tdttg0)(T2Tdtnfttg0)2sin()(Tdtnfttg0)2cos()(T22.1数据通信系统简介2.1.5常用参数指标1.数据传输率波特率：每秒钟信号电平变化的次数，也称调制速率。单位为波特（Baud）比特率：每秒钟传送的二进制位数。单位为比特/秒记为：bit/s或bps波特率和比特率的关系：Rb=RBlog2L其中：Rb—比特率；RB—波特率；L：多进制电平数，一般为L=2N2.1数据通信系统简介例如：一个传输系统采用四进制码元表示信号，即有四个电平，L=4，则Rb=2×RB。若波特率为1200波特，则比特率为2400bps。2.误码率二进制码元在传输系统中被传错的概率。设：传输的二进制码元总数为N，传错的码元数为Ne，则误码率为：Pe=Ne/N误码率是衡量系统可靠性的指标。2.1数据通信系统简介3.带宽（传统意义上的）带宽：信道所能传输信号的频率范围。带宽由传输介质的电气特性及信道上传输设备与电路的频率特性综合决定。4.信道容量信道容量：信道所能达到的最大传输能力。单位：bit/s。2.1数据通信系统简介(1)对无噪声有限带宽信道奈奎斯特（H.Nyquist）公式：C=2Hlog2L(bps)式中H：信道带宽；L：某时刻信号可能取的电平数例：某信道带宽为4KHz，数字信号可取四种电平之一。则：C=2×4×log24=16Kbps(2)对有噪声有限带宽信道香农（C.Shannon）公式：C=Hlog2(1+S/N)(bps)式中H：信道带宽；Ｓ：信号功率；Ｎ：噪声功率2.1数据通信系统简介例：某信道带宽为3000Hz，信噪比20dB，求此信道的最大传输速率。解：信噪比20dB，即：10lgS/N=20dB∴S/N=100则：C=3000×log2(1+100)≈19980(bps)≈20Kbps说明：(1)电话系统的典型信噪比一般能达到30dB;(2)此式是利用信息论得出的，具有普遍意义；(3)与信号电平级数、采样速度无关；(4)此式仅是上限，难以达到。记住：若信噪比的单位为dB，一定要转换2.1数据通信系统简介2.1.6通信码通信码：数据传输系统中，将字符按一定的规则用二进制序列的代码表示。当这些代码用于交换信息时，称为信息交换码，或通信码。通信码的种类有：BCD码、ASCII码、EBCDIC码、国际2号五单位电传码、ISO/R646七单位码等。ASCII码ASCII码是对字符、数字和其它符号进行编码的一种规定。ASCII码中，前32个编码（十进制0到31）专门起控制作用。部分控制字符的涵义如下：2.1数据通信系统简介•SOH（StartofHeader）：报文标题开始符，表示标题开始。•STX（StartofText）：正文开始符，表示标题结束和正文开始。•ETX（EndofText）：正文结束符，表示正文已发送完毕。•EOT（EndofTransmission）：传送结束符。•ACK（Acknowledge）：肯定符。•NAK（NegativeAcknowledge）：否定符。•DLE（DataLinkEscape）：数据链转义码控制符，用来改变有限数量的后续字符的含义。例如，使用上面的部分控制字符装配如下传输数据：SOH目的地址STX正文ETX校验EOT2.1数据通信系统简介2.1.7基带传输和频带传输1.数字数据的数字传输（基带传输）基带：基本频带，指传输变换前所占用的频带，是原始信号所固有的频带。基带传输：在传输时直接使用基带信号基带传输是一种最简单最基本的传输方式，一般用低电平表示“0”，高电平表示“1”。限制：因基带信号所带的频率成分很宽，所以要求信道有较宽的带宽。2.1数据通信系统简介※常用的几种编码方式：（对码波形编码）1）不归零制码（NRZ：Non-ReturntoZero）规则：用两种不同的电平分别表示二进制信息“0”和“1”。例如，低电平表示“0”，高电平表示“1”。缺点：(1)难以分辨一位的结束和另一位的开始；(2)发送方和接收方必须有时钟同步；(3)若信号中“0”或“1”连续出现，信号直流分量将累加。结论：不适宜作为传输码形，适宜与系统内部。2.1数据通信系统简介2）曼彻斯特码（Manchester），也称相位编码规则：每一位中间都有一个跳变，从高跳到低表示“1”，从低跳到高表示“0”优点：克服了NRZ码的不足。每位中间的跳变即可作为数据，又可作为时钟，能够自同步。3）差分曼彻斯特码（DifferentialManchester）规则：若本码周期前半个码元电平与上一个码周期后半个码元电平一样,则表示“1”；若两者电平相反，则表示“0”。特点：每个码周期的1/2处，有电平跳变。便于时钟提取，抗干扰能力强。2.1数据通信系统简介10110011100时钟NRZManchester差分Manchester0T2T3T4T5T6T7T8T9T10T11T码周期t2.1数据通信系统简介2.数字数据的模拟传输（频带传输）频带传输：指在一定频率范围内的线路上，进行载波传输。用基带信号对载波进行调制，使其变为适合于线路传送的信号。调制（Modulation）：用基带脉冲对载波信号的某些参量进行控制，使这些参量随基带脉冲变化。解调（Demodulation）：调制的反变换。2.1数据通信系统简介2.1.8并行传输(parallel)与串行传输(serial)并行传输：多位数据同时传输的方式，如图(a)。计算机内部的数据多是并行传输。串行传输：数据一位一位地由源向目的地传输的。如图(b)。成本因素，远距离通信一般采用串行传输。b7b6b5b4b3b2b1b0b7b6b5b4b3b2b1b0b7b6b5b4b3b2b1b0b7b6b5b4b3b2b1b0b0b1b2b3b4b5b6b7串行信道并行信道(a)并行数据传输(b)串行数据传输2.1数据通信系统简介2.1.9异步传输和同步传输数据通信的一个基本要求是接收方必须知道它所接收的每一位的开始时间和持续时间。满足上述要求的办法有两类：异步传输和同步传输。※异步传输工作原理：以字符作为数据单位进行传输，字符之间的传输间隔任意。为了标志字符的开始和结尾，在每个字符的开始加一位起始位，结尾加1位或2位停止位，数据位的长度由不同的编码规则决定。如下图所示：起始位数据位0数据位1数据位2数据位3数据位4数据位5数据位6校验位停止位停止位字符2字符1字符3字符4┗─┳─┛┗┳┛┗┳┛任意间隔任意间隔任意间隔2.1数据通信系统简介※同步传输工作原理：以若干字符组成的数据块作为数据单位进行传输。同步的方法是在数据块前面加特殊模式的位组合(如01111110)或同步字符(SYN)，并且通过位填充或字符填充技术保证数据块中的数据不会与同步字符混淆。SYNSYNBAX......SYN同步字符(一个或多个)01111110BAX......01111110同步位模式可变长度的位数据块可变长度的字符数据块2.1数据通信系统简介2.2传输媒体传输媒体：实际传送信息的载体。2.2.1双绞线双绞线由两根绞合成有规则的螺旋形图样的绝缘铜线组成。分类：非屏蔽双绞线（UTP）：外皮为塑料，不具有屏蔽能力。屏蔽双绞线：外皮为金属，具有屏蔽能力。LAN上常用UTP，分:3类、5类、超5类。RJ45接口{有线传输介质（双绞线、同轴电缆、光纤）无线传输介质（微波、通信卫星、红外线等）传输介质屏蔽双绞线(STP)非屏蔽双绞线(UTP)金属屏蔽网以减少干扰和串音3类、5类、超5类双绞线外没有任何附加屏蔽2.2传输媒体双绞线的特点▪结构简单，容易安装，普通UTP较便宜▪有一定的传输速率▪具有较高的容性阻抗，信号衰减较大，传输距离有限（100m）▪有辐射，容易被窃听2.2传输媒体2.2.2同轴电缆同轴电缆由同心的内导体、绝缘层、屏蔽层、保护外套组成。分类：粗缆（直径为1.47厘米）和细缆（直径为0.70厘米）基带电缆（50Ω）和宽带电缆（75Ω）外层绝缘层屏蔽金属网绝缘层内导体2.2传输媒体特点：▪频带较宽，传输率较高。▪损耗较低，传输距离较远(200m,500m)。▪辐射低，保密性好，抗干扰能力强。▪宽带电缆可实现多路复用传输2.2传输媒体2.2.3光纤光纤由能传导光波的石英玻璃，外加保护层构成。原理：基于光在具有不同折射率的两种介质交界面上的全反射现象，将光线约束在光纤内，并引导光沿着轴线向前传播。2.2传输媒体※光纤结构护套(一般为PVC)纤芯加强材料(Aramid纱线)缓冲层包层光纤保护膜缓冲层Aramid纱线护套2.2传输媒体2.2传输媒体包层纤芯n1n0折射系数：n0n12.2传输媒体※光纤的分类多模光纤：不同光线在介质内部以不同反射角传播，可以认为每束光线对应不同模式。单模光纤：光纤直径小到光波波长时，光在其中无反射，而沿直线传播。