NET08第3章：物理层.ppt

第3章 物理层,1,复习上次课内容,有线传输介质 双绞线：UTP、STP 直通连接与交叉连接 EIA/TIA568A、 EIA/TIA568B 同轴电缆： RG-8/11 (粗)、RG-58A/U(细)、RG-59(电) 光纤及光纤规格 MMF（62.5/125、50/125um）（纤芯/覆层） SMF（8.3/125um） 无线传输介质 无线电波、地面微波、卫星微波、红外传输 自由空间光传输,第3章 物理层,2,作业评讲,1、网络协议包含哪三个要素？ 语义：对发出的请求、执行的动作及对方的应答做出解释。 确定双方“讲什么（what to do ?）” 语法：定义用户数据与控制信息的数据结构形式或格式。 规定双方“如何讲（how to do ?）” 时序（规则）：规定事件发生的条件和执行顺序。 确定双方的“讲话次序（when to do ?）”,第3章 物理层,3,作业评讲,2、举例说明协议及协议三要素的含义？ 甲联系乙，第一次约网友乙见面，以前没见过，网上也没见过照片。约定：2011年3月15日晚20：30，俩人在地铁新街口站8号出口处见面，然后去看电影，俩人都穿白色风衣，俩人左手均拿一本“非诚勿扰”杂志作为见面识别证明。 协议：陌生网友315约会 语义：“3月15日晚20：30”表示约会时间；“地铁新街口站8号出口处”表示约会地点；穿黑色风衣，左手拿一本“非诚勿扰”的杂志表示双方识别的证明。 语法：穿黑色风衣、左手拿一本“非诚勿扰” 杂志表示见面信息的形式或格式。 时序：首先，约会人员“3月15日晚上20：30”时间不能错误；其次，约会地点地铁新街口站8号出口不能错误；约会见面识别的证明不能错误。三都都正确处理了，见面也就成功了，约会见面的协议完成了。约会的内容就保密了。,第3章 物理层,4,作业评讲,3、OSI环境中的数据传输过程？,第3章 物理层,5,数据 信号，以便数字传输或模拟传输,第3章 物理层,6,3.3 数据的编码和调制技术,3.3.1 、调制与编码原理 1. 基本概念 编码： 是将模拟数据或数字数据变换成数字信号，以便在数字信道中传输。 解码： 在接收端，将数字信号变换成原始的模拟数据或数字数据。 调制： 将数字数据或非正弦波的模拟数据变成正弦波的模拟信号的过程。以便在模拟信道中传输。 解调： 将经过调制变换过的模拟信号恢复成原来的数字数据或者模拟数据。,第3章 物理层,7,3.3 数据的编码和调制技术,2、数据传输方法 (1) 模拟数据在模拟信道上传输 (2) 数字数据在模拟信道上传输 (3) 模拟数据在数字信道上传输 (4) 数字数据在数字信道上传输 3、数据的编码和调制技术 为实现上述四种传输而采取的相应技术,第3章 物理层,8,(1)模拟数据在模拟信道上传输,典型例子：模拟电话系统 人的语音频率范围是3003400Hz 为了进行传输,在线路上给它分配一定的带宽，国际标准取4KHz为一个标准话路所占用的频带宽度 传输过程中,语音信号以3003400Hz频率输入，发送方的电话机（送话器）把这个语音信号转变成模拟信号 模拟信号经过一个频分多路复用器进行变化，使得线路上可以同时传输多路模拟信号 到达接收端以后再经过一个解频的过程把它恢复到原来的频率范围模拟信号 最后由接收方电话机（受话器）把模拟信号转换成声音信号,第3章 物理层,9,(2) 数字数据在模拟信道上传输,典型例子：计算机拨号上网 计算机和终端设备都是数字设备，它们只能接收和发送数字数据，而模拟电话系统只能传输模拟信号。 所以这个数字数据在进入到模拟信道以前.要有一个变换器进行数字数据到模拟信号的转换(D/A)，以便它能在模拟信道上传输，该变换过程叫调制(Modulation),此变换器又叫做调制器(Modulator)。 当调制后的模拟信号传到接收端以后，接收端也有一个变换器再对该信号进行反变换，即又把它变回数字数据，该变换过程叫解调(Demodulation)。此变换器又叫解调器(Demodulator)。 由于计算机和终端设备之间的数据通信一般是双向的，因此在数据通信的双方既有用于发送信号的调制器又有用于接收信号的解调器，所以把这两个设备合在一起形成我们通常所说的调制解调器（Modem）。 调制解调器就是使用一条标准话路（4kHz的标准话路带宽）为计算机终端提供一条全双工的数字信道。,第3章 物理层,10,(3) 模拟数据在数字信道上传输,典型例子：模拟话音在数字信道上复用 用数字信道传输模拟数据时，需要对模拟数据进行脉冲编码调制(PCM)。 PCM最初并不是为传送计算机数据所设计的，它的目的是为了能使电话局之间的一条中继线上，不仅是传送一路电话而是可以同时传送几十路电话所设计的。,第3章 物理层,11,(4) 数字数据在数字信道上传输,典型例子：两台电脑通过串口进行通信 在两个装有Windows 操作系统的计算机上，利用Windows 中自带的“直接电缆连接”功能把两个计算机通过串行口或并行口直接相连。 这种情况下通信的双方发出的数据和接收的数据以及在信道上所传输的全部都是数字信号。 “直接电缆连接”，要求用“空猫线”连接。,第3章 物理层,12,3.3.2、模拟数据的调制(调制成模拟信号) * 最常用的调制技术有： 幅度调制（AM） 频率调制（FM） 相位调制 (PM),3.3 数据的编码和调制技术,第3章 物理层,13,幅度调制 ：AM,它是一种载波的幅度会随着原始模拟信号的幅度变化而变化的技术。,第3章 物理层,14,频率调制 ：FM,它是一种高频载波的频率，会随着原始模拟信号的幅度变换而变化的技术。,第3章 物理层,15,3.3.3 、数字数据的调制(调制成模拟信号 ) 将数字数据调制成适合模拟信道传输的模拟信号。 基本思想：用数字信号来调制具有一定频率或振幅或相位的载波，使已调信号能通过有限带宽的信道传输。 常见的基本数字调制方式有幅移键控(ASK)、频移键控(FSK)、相移键控(PSK)等三种。如图所示。 模拟信号表示：Acos(2ft+) A幅度，f频率，相位。,3.3 数据的编码和调制技术,第3章 物理层,16,数字数据的调制(调制成模拟信号 ),第3章 物理层,17,ASK、FSK、PSK解释,1、幅移键控(ASK)： 即载波的振幅随基带数字信号而 变化。例如，0对应于无载波输出，而1对应于有载波输出。 F、恒定不变。 2、频移键控(FSK)： 即载波的频率随基带数字信号而变化。例如，0对应于频率f1，而1对应于频率f2。 A、恒定不变。 3、相移键控(PSK)： 即载波的初始相位随基带数字信号而变化。例如，0对应于相位0度，而1对应于180度。 F、A恒定不变。 *4、多相调制和混合调相 抗干扰能力、强调制速率高,第3章 物理层,18,3.3.4 、数字数据的编码(数字信号编码) 对于数字数据在数字信道上传输来说，最普遍而且最容易的办法是用两个不同的电压电平来表示两个二进制数字。 无电压（也就是无电流）常用来表示0，而恒定的正电压用来表示1。 另外，使用负电压（低）表示0，使用正电压（高）表示1也是很普遍的。 常用的数字数据的数字信号编码有以下几种: 单极性不归零码和双极性不归零码 单极性归零码和双极性归零码 *(*了解) 曼彻斯特码和差分曼彻斯特码,3.3 数据的编码和调制技术,第3章 物理层,19,1、单极性不归零码和双极性不归零码,(1) 单极性不归零码 在每一码元时间间隔内，有电流发出表示二进制的1；无电流发出则表示二进制的0。每一个码元时间的中心是采样时间，判决门限为半幅度电平，即0.5。若接收信号的值在0.5与1.0之间就判为；若在0.5与之间就判为。,不归零码(NRZ),单极性不归零码,无电压(也就是无电流)用来表示“0“,而恒定的正电压用来表示“1“。每一个码元时间的中间点是采样时间,判决门限为半幅度电平(即0.5)。也就是说接收信号的值在0.5与1.0之间,就判为“1“码,如果在O与0.5之间就判为“0“码。,第3章 物理层,20,1、单极性不归零码和双极性不归零码,(2) 双极性不归零码 在每一码元时间间隔内，发正电流表示二进制的1；发负电流表示二进制的0。判决门限定为零电平。接收信号的值如在零电平以上，判为1；如在零电平以下，判为0。,双极性不归零码,“1“码和“0“码都有电流,但是“1“码是正电流,“0“码是负电流,正和负的幅度相等,故称为双极性码。此时的判决门限为零电平,接收端使用零判决器或正负判决器,接收信号的值若在零电平以上为正,判为“1“码;若在零电平以下为负,判为“0“码。,第3章 物理层,21,2、单极性归零码和双极性归零码,（1）单极性归零码 在每一码元时间间隔内，当发1时，发出正电流，但是发电流的持续时间短于一个码元的时间, 即发出一个窄脉冲 ；当发0时，仍然完全不发送电流。这样发1时有一部分时间不发电流，幅度降为回零电平。所以称为归零码。,第3章 物理层,22,2、单极性归零码和双极性归零码,（2）双极性归零码 在每一码元时间间隔内，当发1时，发出正的窄脉冲；当发0时，发出负的窄脉冲。两个码元之间的间隔时间可以大于每一个窄脉冲的宽度。采样时间总是对准中心。,第3章 物理层,23,3、曼彻斯特码和差分曼彻斯特码,（1）曼彻斯特码 在每一码元时间间隔内，当发0时，在间隔的中间时刻电平从低向高跃变；当发1时，在间隔的中间时刻电平从高向低跃变。,第3章 物理层,24,3、曼彻斯特码和差分曼彻斯特码,（2）差分曼彻斯特码 在每一码元时间间隔内，无论发0或发1，在间隔的中间都有电平的跃变，但发1时，间隔开始时刻不跃变；发0时，间隔开始时刻就跃变。,第3章 物理层,25,3.3.5 、模拟数据的编码(数字信号编码) 对模拟数据进行数字信号编码的最常用方法是脉冲编码调制PCM(Pulse Code Modulation，常用于对声音信号进行编码。 PCM工作原理： 对模拟电话信号进行取样：（奈奎斯特定理 ） 根据取样定理，只要取样频率不低于电话信号最高频率的2倍，就可以从取样的脉冲信号中无失真地恢复出原来的电话信号。标准的电话信号的最高频率为3.4KHz，为方便起见，取最高频率为4KHz，那么取样频率就是8KHz，相当于取样周期为125s，即每秒钟采样8000次。 量化：将取样值与量化级进行比较,取整定级。 最后进行编码： 在我国使用的PCM体制中，电话信号是采用7bit编码(第8bit为校验编码)，也就是说，将取样后的模拟电话信号量化为128个不同等级中的一个。,3.3 数据的编码和调制技术,第3章 物理层,26,PCM工作过程,第3章 物理层,27,4位（16个量化级） PCM示例,采样 量化 编码,第3章 物理层,28,PCM用于数字语音系统： 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； 采样速率为8000样本/秒； 数据传输速率应达到7位8000/秒 =56kb/s； 如果每个量化级采用7+1(校验)=8位二进制编码表示; 数据传输速率应达到8位8000/秒 = 64kb/s。 E1速率:32*64kbps=2048kbps=2.048Mbps T1速率:24*64kbps+8kbps=1544kbps=1.544Mbps,第3章 物理层,29,3.3.6 、调制解调器,MODEM 结合数据通信和计算机技术，是数据通信的一个重要设备，在网络连接和远程访问方面起着重要作用。 调制解调器主要用于在模拟线路上传输数字信息。,第3章 物理层,30,MODEM的作用及功能,作用 信号转换（A/D、D/A） 同步 提高数据在传输中抗干扰能力 实现信道的多路复用（调制） 功能 差错控制功能 V.42协议（CCITT） MNP14协议（Microcom，Networking Protocol） 数据压缩功能 V.42bis,最大压缩率4:1 MNP5,MNP7,MNP9，其中MNP5使用最广，其压缩率为2:1,第3章 物理层,31,MODEM的分类,按调制方式 频移键控（FSK） 相移键控（PSK） 相位幅度调制（APSK） 智能调制解调器 按传输速率 高速 中速 低速 按与计算机连接的方式 内置 外置,第3章 物理层,32,56k MODEM技术,MODEM标准(ITU-T建议) V.32bis 14.4k V.34 （12个数据位） 28.8k V.34bis （14个数据位） 33.6k *V.90 56k 模拟Modem速度上限C 香农(Shannon)的容量理论 C=Blog2(1+S/N)bps 普通电话线路(PSDN)的信噪比(S/N)约为30dB(1000:1),频宽B为3100Hz（3003400HZ） 代入公式,可得模拟Modem的速度最大值为34400,约33.6K,第3章 物理层,33,33.6k MODEM技术,最大的噪声来源于模数转换的量化噪声，信道容量极限值约 33.6kbps,第3章 物理层,34,56k MODEM技术,工作在非对称方式，上行速率遵循v.34的33.6kbps标准，下行速率可达到56kbps,第3章 物理层,35,3.3.7 通信信道的概念（补充）,信道：表示向某一个方向传送信息的媒体，包括发送信道和接收信道。信道的分类： 1、按通信使用的传输介质不同进行划分 有线信道 无线信道 2、按信道传输信号的类型不同进行划分 模拟信道 数字信道 3、按信道使用方式进行划分 专用信道 公用信道,第3章 物理层,36,有线信道,定义 使用有形的媒体作为传输介质的信道，称为有线信道。 示例及应用？ 电话线（拨号上网，MODEM） 双绞线（宽带上网，网卡） 同轴电缆（有线电视上网，CABLE MODEM） 光缆（光纤宽带上网，网卡） 电缆（220V电线上网，电力MODEM，如DL-1200 ，最高速率达115.2Kbps）,第3章 物理层,37,无线信道,定义 以电磁波在空间传播方式传送信息的信道，称为无线信道。 示例及应用 无线电（电报、移动电话） 微波（微波接力通信，CCTV） 红外线（笔记本无线上网） 卫星通信信道（卫星通信、手机上网）,第3章 物理层,38,模拟信道,能传输模拟信号的信道称为模拟信道。 换句话说：模拟信道以连续模拟信号形式传输数据。 模拟信号的电平随时间连续变化 语音信号是典型的模拟信号 模拟电话系统是典型的模拟信道 若利用模拟信道传输数字信号，则需要进行数/模(D/A)转换,也即需要调制解调器。 应用实例：模拟电话系统、拨号上网。,第3章 物理层,39,数字信道,能传输离散数字信号的信道称为数字信道。 换句话说：数字信道以数字脉冲形式(离散信号)传输数据。 离散的数字信号是指“0”和“1”的二进制代码组成的数字序列。 用数字信道传输数字信号时不需要进行变换。但通常需要进行数字编码。 若模拟信号需要在数字信道中传输的话，需要进行模/数(A/D)转换。 应用实例：网络电话、VOIP,第3章 物理层,40,专用信道,专用信道是一种连接于用户设备之间的固定电路,可以由用户自己建设或向电信部门租用. 专用信道一般用于数据量比较大的网络需求情况,或者遍布全国或全球的大型企业. 专用信道连接方式 点到点连接 点到多点连接 专用信道的应用实例 租用线路(租用电信部门的DDN) 虚拟线路(VPN, Virtual Private Network,虚拟专用网络，一门网络新技术 ),第3章 物理层,41,公用信道,也称公共交换信道 是一种通过交换机转接、为大量用户提供服务的信道。通常由电信部门建设。 采用公用信道，用户之间的通信需要通过交换机到交换机之间的电路转接，其路径不是固定的。 公用信道应用实例 公用电话交换网(PSTN) 公用数据网(CHINANET),第3章 物理层,42,3.4 基带传输技术,3.4.1 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; 矩形脉冲信号就叫做基带信号; 矩形脉冲信号的固有频带称做基本频带,简称为基带； 在数字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，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。,第3章 物理层,43,基带传输 基带传输：在信道中直接传输数字信号(也称基带信号)，是最简单、最基本的传输方式。或者说保持数据波的原样进行传输称为基带传输或者基带数字信号传输。 特征 传输带宽：传输媒体的整个带宽都被基带信号占用。可以达到10Mbps的传输速率。 数字信号为电脉冲或者光脉冲。 信号传输将占用整个信道的带宽。 数据波信号会随着距离的增加而衰减，随着频率的增加而容易发生畸变，因此它不适合高速和远距离的传输。 优点：成本低、安装简单。主要用于总线拓扑结构的LAN。,第3章 物理层,44,3.4.2 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。,第3章 物理层,45,3.5 频带传输技术,第3章 物理层,46,频带传输特点,频带传输 频带传输是一种利用调制器对传输信号进行频率变换的传输方式。 特征 信号调制：目的是为了更好的适应信号传输通道的频率特性，传输信号经过调制处理也能克服基带传输通频带过宽的缺点，提高线路的利用率，一举两得。 信号频率变换设备：调制后的