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文档简介

第2章 物理层 本章重点与学习目标 掌握模拟数据与数字数据的特点与区别; 掌握信道极限传输速率公式; 掌握双绞线与光纤的特点与应用范围。 第2章 物理层 2.1 案例需求 在鲁中学院校园网中,首先要考虑的问题是如何 采用传输媒体,把计算机与网络设备连接成网络。 接下来要考虑选用哪种类型的媒体,室内媒体与 室外媒体是否应该不同,连接计算机与网络设备的 媒体使用什么样的连接头。 还要考虑一些理论上的问题:如0与1如何在媒体 中以光与电的形式传输,媒体传输速率有没有上限 ,同一媒体是否可以同时传输多路数据。 第2章 物理层 2.2 信道 2.2.1 有关信道的基本概念 1单工通信 当数据只能单向传输,即一方发送,另一 方只能接收而不能发送时,称为单工通信。 2半双工通信 数据能够双向传输,但在同一时刻每一方 只能发送或接收,称为半双工通信。通信双 方都不能同时发送与接收。 3全双工通信 通信双方都可以同时发送与接收,互不 影响。 两人可以同时说话,也不用按任何 按钮,使用起来非常方便。 信道(channel)表示向某一方向传送数据的媒体。 从数据的传输方向与方式看,一个信道可有以下3种通信方式: 第2章 物理层 概念 数据(data)是运送信息的实体 。 信道中传输的电或光则称为信号(signal),是数据的电或 光的表现。 无论是数据还是信号,都有模拟的(analog)与数字的( digital)之分。 模拟的指取值可以连续变化,数字的则指取值只能取有限的 几个离散值 。 第2章 物理层 模拟与数字信号可以相互转换 模拟转换为数字称为模/数(A/D)转换,数字转换 为模拟称为数/模(D/A)转换。 网络信道中传输的信号一般是数字的(只有0与1) 。 如何用数字信号来表示数字数据? 数字信号可取多个离散值,最简单的情况是只取两 个值:电信号就是低电压与高电压,光信号则是有光 与无光。 第2章 物理层 模拟、数字数据转换为模拟、 数字信号 模拟数据模拟信号 放大器 调制器 模拟数据数字信号 PCM 编码器 数字数据模拟信号调制器 数字数据数字信号 数字 发送器 第2章 物理层 电信号表示时: 用高电压表示1,用低电压表示0。 但这种方法在遇到连续多个0或1时信号将不会变化,接 收时可能出现错误,因此计算机网络中并不采用此法。 广泛使用的是曼彻斯特编码(克服以上缺点):由低电 压跳变到高电压表示0,由高电压跳变到低电压表示1。 第2章 物理层 数字信号优点 与模拟信号相比,数字信号最大的优点是抗干扰性好。 GSM数字手机的语音质量比老式的模拟手机高得多;硬盘 上的数字音乐与数字电影无论复制多少遍都与原版一样,磁 带上的模拟音乐与录像带上的模拟电影复制几次就无法与原 版相比了。 道理非常简单:一个信号值从5V被干扰变成4V,如果是 模拟信号就再也变不回5V,如果是数字信号却仍能分辨出 它是高电压,代表1,并且复制时再把它变回5V。 第2章 物理层 2.2.2 信道的数据传输速率 数据传输速率的基本单位是b/s(位 /秒),因此若要按字节计算速率就必 须除以8。bit/s也可写为bps(bit per second)。 需要注意的是,在计算机世界,K 、M、G、T的含义有两种,另一种是 : 1Kbps = 103bps 1Mbps = 106bps 1Gbps = 109bps 1Tbps = 1012bps 1K=210=1024 1M=220=1 048 576 1G=230=1 073 741 824 1T=240。 硬盘厂家声明硬盘容量是250GB,可是用某些软件查看时容量 却不到240GB? 目前,双绞线的数据传输速率有10Mbps、100Mbps等几种, 光纤的速率高得多,有2.5Gbps、10Gbps等几种。无线信道 的速率较低,有11Mbps、54Mbps等几种。 第2章 物理层 香农(Shannon)公式 一个信道的数据传输速率越高越好,但是速率 高到一定程度,信号的失真、衰减会变得非常 严重,接收方就不能正确接收。 1948年香农指出:对于一个带宽受限且有高 斯白噪声干扰的信道,存在一个极限传输速率 ,当低于此速率传输数据时,可以做到不产生 差错。 第2章 物理层 香农公式 这个极限速率由以下确定: C = W log2(1+S/N) (香农公式) 其中: C为信道的极限传输速率,单位是bps; W为信道的带宽,单位是赫兹(Hz); S为信道内所传信号的平均功率; N为信道内部的高斯白噪声的功率; S/N称为信噪比。 带宽(band width)是通信技术中的概念,信号的带宽 指该信号所占据的频率范围,例如,某信号的频率范围是 10009000Hz,那么它的带宽就是8000Hz 。 第2章 物理层 2.3 信道复用技术 信号在信道中传输时,最简单的是一条信道传输一路信号 。 为提高效率,考虑在一条信道上同时传输多路信号。 信道复用(multiplexing)技术就是在发送端将多路信号进 行组合,然后在一条信道上传输,接收端再将组合信号分离 出来。 利用复用技术,一条信道好像划分成了多条信道,彼此之 间互不影响。 复用技术中最关键的问题是如何划分信道而不出现混乱。 根据划分信道技术的不同,复用技术主要分为三大类:频 分复用、时分复用与码分复用。 第2章 物理层 2.3.1 频分复用 在频分复用(Frequency Division Multiplexing, FDM)技术中,划分信道的依据是频率。 信道的带宽被分成若干个相互不重叠的频段,每路 信号占用其中一个频段,因而在接收端可以采用适当 的设备将多路信号分开,从而恢复出所需要的信号 频率 时间 频带 1 频带 2 频带 3 频带 4 频带 5 第2章 物理层 2.3.2 时分复用 在时分复用(Time Division Multiplexing,TDM)技术中 ,划分信道的依据是时间。 将时间划分成若干时间片(也称为时隙),并将这些时间 片分配给每一个发送方。 发送方把数据拆分,在自己的时间片内独占信道的整个带 宽传输。接收方再把收到的不连续的数据还原成原始数据。 第2章 物理层 2.3.3 码分复用 频分复用是各用户占用全部的时间与部分的带宽; 时分复用是各用户占用部分的时间与全部的带宽。 如果各用户都占用全部的时间与全部的带宽会怎么样? 一般情况下这会造成混乱,接收方无法正确分离各路信 号。 但是利用码分复用(Code Division Multiplexing, CDM)技术,可以让各用户占用全部的时间与全部的带 宽,同时接收方可以正确分离各路信号。 码分复用也称为码分多址(Code Division Multiple Access,CDMA)。 第2章 物理层 码分复用 码分复用的每一个用户都有一个地址码, 当要发送1时,就发送自己的地址码; 当要发送0时,就发送自己地址码的反码(1变0,0变1) 。 假如地址码是1010,当要发送1时,就发送1010;当要发 送0时,就发送0101。 所有用户可以同时占用全部带宽发送数据,接收方如何分 离出自己想要接收的数据? 当某一接收方要接收S用户发送的数据时,它必须知道S 的地址码,利用S的地址码对接收到的混合信号加以处理, 就能分离出S发送的数据。 第2章 物理层 地址码显然是码分复用技术的关键 地址码长度一般是64位或128位,各用户唯一,不 能重复。 不是任意二进制位串就能充当地址码,地址码必须 符合严格的数学关系。 码分复用具有抗干扰能力强、话音质量好、发射功 率低、保密性好等优点,所以最初用于军事通信。 码分复用已广泛运用于民用通信中。 如电信的CDMA手机。 第三代移动通信(3G)的几种国际标准中,都使 用了码分复用技术。 第2章 物理层 三种信道复用技术经常综合运用 最后需要指出的是,以上三种信道复用技术经 常综合运用。 例如,GSM手机综合运用了频分复用与时分复 用技术;在我国提出的第三代移动通信国际标准 TD-SCDMA中,综合运用了频分复用、时分复用 与码分复用这三种技术。 第2章 物理层 2.4 传输媒体 传输媒体也叫做传输介质。 传输媒体分为导向传输媒体与非导向传输媒 体两类。 前者包括同轴电缆、双绞线、光纤等; 后者就是指空间,无线电波可以在空间中传 播,不需要任何物理线路。 第2章 物理层 2.4.1 同轴电缆 同轴电缆(coaxial cable)的得名与它的结构有关。 它有内外相互绝缘的两个同轴心导体,内导体为铜线,外导 体多为编织网与铝塑复合带组合。 内外导体之间有一绝缘层,使内外导体绝缘。 内外导体相当于电路的正负极,构成一个完整的电回路。同 轴电缆根据其直径大小可以分为粗同轴电缆与细同轴电缆。 第2章 物理层 2.4.2 双绞线 同轴电缆被淘汰后,双绞线(twisted-pair wire )成为现在计算机网络中最常用的传输媒体。 双绞线由几对或几十对具有绝缘层的铜导线组成 ,具有4对导线的双绞线最常见。 每一对导线都绞在一起,这样可以抵御外界干扰 ,更主要的是能够降低自身信号的对外辐射量,以 增大传输距离。 每一根导线都有不同的颜色以便区分。导线外面 是绝缘护套。 第2章 物理层 屏蔽双绞线 上述双绞线称为非屏蔽双绞线(Unshielded Twisted- Pair wire,UTP),除此之外还有屏蔽双绞线( Shielded Twisted-Pair wire,STP)。 屏蔽双绞线在导线与护套之间增加了一个金属屏蔽层以 提高性能。 屏蔽双绞线价格较贵,而非屏蔽双绞线已经能够满足要 求,因此得到了广泛使用 。 第2章 物理层 双绞线的连接头 双绞线的连接头是RJ-45头,俗称水晶头 。 用专用的压线钳把双绞线与RJ-45头连接在一起非常简 单,熟练时一分钟就可完成。 两端都有RJ-45头的短双绞线在工程上称为跳线,用来 近距离连接设备。 第2章 物理层 2.4.3 光纤 计算机网络室内媒体的最佳选择是双绞线,室外媒体的 最佳选择则是光纤(fiber optics)。 1977年,世界上第一条光纤速率仅为45Mbps。现在光 纤的传输速率已经达到10Gbps,因特网的骨干线路已经全 部使用光纤。 如何用光来表示数据呢?可以用光的强弱来表示不同的 数据,最简单的办法是有光代表1,无光代表0。 光纤由非常透明的石英玻璃拉制而成,像头发一样细, 有圆柱形的内外两层,内层叫做纤芯,外层叫做包层。 光纤有两种:多模光纤与单模光纤。 第2章 物理层 光缆 光纤很细,非常脆弱,在实际应用中把几根几 十根甚至几百根光纤包装在一起,再加上钢丝、 润滑膏等填充物,外面包上硬质护套,做成。 这样做成的光缆非常适合用作室外传输媒体 . 第2章 物理层 光端机 当光纤进入室内时,一般接入光端机,光端机实际上就 是光电转换器,实现双绞线中的电信号与光纤中的光信号 的转换,如图所示。 图中光端机有两个光纤接口,一个双绞线接口。 两条光纤一收一发,可以进行全双工通信。 第2章 物理层 光纤的优点 (1)速率高。一根单模光纤传输一束光线时,传输速率可以 是2.5Gbps,利用更好的技术可以达到10Gbps。 10Gbps的速率对于局域网已经足够了,但是还不能满足因特 网骨干线路的需要。 因特网的骨干线路使用密集波分复用技术,同时增加光缆中光 纤的数量。 (2)传输距离远。光纤用作局域网室外媒体时,距离可达几 千米,一根双绞线最长只能是100m。 光纤用作骨干线路媒体时,距离可达100Km。超过这个距离时 ,就要使用放大器。 (3)抗干扰性和保密性好。光虽然也是电磁波,但波长比无 线电波短得多,因此很难被干扰,保密性也很好。 第2章 物理层 光纤的缺点 光纤的缺点:价格高于双绞线,直接连接光纤 的光设备费用高于连接双绞线的电设备。 光纤最大的问题是连接困难。 把RJ-45头连接在双绞线上只需要一分钟时间, 在光纤上安装连接头却很困难,连接两根光纤同 样非常困难,必须使用专门的光纤熔接机。 现在的发展趋势是全部采用光纤通信,这就是 所谓的光纤到桌面。 第2章 物理层 2.4.4 无线传输 很多情况下很难架设这些物理线路。随着笔记本电脑的迅速 增多,随时随地找到网线接口上网变得越来越困难。 利用不需要线缆的无线电波可以很好地解决这些问题。 微波在计算机网络中最为常用。 微波在远距离传输时有两种方式,即地面微波接力通信与卫 星通信。 从理论上讲,只需3颗同步卫星就可以覆盖全球。 卫星通信不需要众多的中继站,但卫星及其发射的成本较高 。 第2章 物理层 无线传输应用 中国移动、中国联通、中国电信等运营商都提供无线上 网的服务。 无线局域网在今天已经发展得非常成熟。 很多单位都已建立了无线局域网,使用价格低廉的无线 设备,家庭中也可以很容易地组建无线局域网。 因特网改变了人们的生活方式,以手机为代表的无线通 信同样也改变了人们的生活方式。iphone 把因特网与无线通信结合起来会怎么样呢? 这就是移动因特网,在任何时间都可以连入因特网。 第2章 物理层 2.4.5 结构化综合布线 结构化综合布线可以简称为综合布线,也可以简称为结构 化布线。 所谓综合布线,就是指建筑群内的线路布置标准化、简单 化、统一化。 综合布线主要包括以下内容: (1)选择合适的线路与设备。 (2)所有线路统一布设。 (3)要安全可靠。 (4)要容易扩展。 (5)要维护方便。 第2章 物理层 2.5 物理层协议简介 物理层协议的内容主要包括各类媒体连接头的 形状与尺寸、高低电压的范围、光信号强弱的范 围、媒体的传输速率等。 实际上物理层协议与计算机技术并无太大的关 系,而与通信技术关系密切。 在局域网中,物理层协议规定了可以使用的媒 体、数据传输速率、数据编码

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