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计算机网络,第 2 章 物理层,本章内容,2.1 物理层的基本概念 2.2 数据通信的基础知识 2.3 物理层下面的传输媒体 2.4 模拟传输与数字传输 2.5 信道复用技术 2.6 物理层标准举例,2.1 物理层的基本概念,物理层的主要任务描述为确定与传输媒体的接口的一些特性，即： 机械特性 指明接口所用接线器的形状和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等等。 电气特性 指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。 功能特性 指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义。 规程特性 指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。,一、数据和信号 数据是指能够被计算机处理的数字、字母和符号等具有一定意义的实体。信号是数据在信道中传输时的具体表现形式，一般表现为电信号。信息可通过两种方式被发送：模拟方式和数字方式，这两种方式均使用电压产生相应的信号。 1、模拟信号：使用可变电压以产生连续波，也因为这个原因导致了数据发送的不精确。,2.2 数据通信的基础知识 2.2.1 数据通信概述,模拟信号的一个优点是它能对细节进行表示，但是噪声、或来自其他源的干扰，会严重地影响模拟信号，比数字信号更易于出错，因此模拟信号对于数据发送并不是最佳选择。 2、数字信号：由脉冲值为1 或0 的精确电压组成，如同在任何二进制系统中用1 和0 组合来对信息进行编码一样，在数字信号中每个脉冲被称为一个二进制数或位。一个位只能有两种可能值：1 或0 。连续8 位组成1 个字节， 个字节携带一个信息片。,相对于模拟信号，数字信号传输数据时更可靠些。,随着信号的传播，信号能量会逐渐减少，这就是信号的衰减。模拟信号和数字信号存在着衰减。为了补偿衰减，要经常对数字信号和模拟信号进行转发，也即使将信号重新放大，以使它们传播得更远。 1、模拟信号的转发：在模拟信号转发过程中会出现这样的问题当它被转发时信号幅度将增强，同时伴随的被累积的噪声幅度也将增强，这种杂乱无章的增强将使得模拟信号变形更加严重。下图显示了因噪声而变形并在随后又被放大的模拟信号的波形。,因噪声变形继而被放大的模拟信号,2、数字信号的转发：相对于模拟信号，数字信号被转发时，实际上是将原始信号以不变形的、并且无噪声的放大形式重新发送，该过程也被称之为波形再生。再生一个数字信号的设备被称之为中继器。,网络仅仅收发由精确脉冲所表示的1 和0 两种模式，因为数字传输要比依靠可变电压的模拟传输可靠得多，并且数字发送几乎不受噪声影响。所以大部分网络仅限于使用数字传输。,因噪声而变形的数字信号进而被转发,也有使用模拟信号传输数据的情况：比如使用调制解调器连接两个系统。在发送端，调制解调器将数字信号调制成模拟信号，通过传输模拟信号的电话线传输；在接收端，调制解调器将模拟信号解调成数字信号。Modem (调制解调器)是Modulator(调制)Demodulator(解调)。这个词反映了该设备的功能。 二、数据通信系统结构 数据通信系统可以看成是以计算机为中心，用通信线路与分布于远地的数据终端设备连接起来，进行数据通信的系统。它由信源、发送器、传输系统、接收器、信宿组成，如下图所示： 信源：产生需要传输的数据。 发送器：对数据进行编码，以产生能在特定传输系统中传输的信号形 式，同时实现信源与传输系统之间的连接。,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,PC 机,传输系统：在源和目的地之间完成数据传输的传输线或复杂的网络。 接收器： 从传输系统接收信号并转换为信宿可识别的形式。 信宿： 接收并处理接收的数据。,其中，信源和信宿都是数据终端设备（DTE），而传输系统上的设备、发送器、接收器及其中间的设备都是数据电路终接设备，简称数据通信设备（DCE）。常用的调制解调器就是DCE。 按照DCE之间传输的信号类型，又可将通信系统分为模拟通信系统和数字通信系统：DCE之间传输模拟信号的系统是模拟通信系统；DCE之间传输数字信号的系统是数字通信系统。 综上，数据通信是一种通过计算机与通信线路相结合，完成信息传输、转接、存储和处理的通信技术。,2.2.2 有关信号的几个基本概念,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。 双向交替通信（半双工通信）通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送(当然也就不能同时接收)。 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。,基带(baseband)信号和 宽带(broadband)信号,基带信号就是将数字信号 1 或 0 直接用两种不同的电压来表示，然后送到线路上去传输。 宽带信号则是将基带信号进行调制后形成的频分复用模拟信号。例如，可以将多路基带信号、音频信号和视频信号的频谱分别移到一条电缆的不同频段传输，实现文字、声音和图像的一体化传输。,2.2.3 信道的极限信息传输速率,香农公式: 实际的信道总要受到各种噪声的干扰,香农(Shannon) 研究了受随机噪声干扰的信道的情况,给出了计算信道容量的香农公式: C =Hlog2(1+S/N) (bps) 其中, S表示信号功率,N为噪声功率,S/N则为信噪比 由于实际使用的信道的信噪比都要足够大,故常表示成10log10(S/N),以分贝(dB)为单位来计量,在使用时要特别注意。,课堂讨论1： 对于带宽为3KHz、信噪比为30分贝的有噪音频信道，最大数据传输率为 (A) 6kb/s (B) 30kb/s (C) 10kb/s (D) 90kb/s 分析： C=3klog2(1+1030/10)=3klog2(1+1001)=30kbps. 由此可见,只要提高信道的信噪比,便可提高信道的最大数据传输速率。 需要强调的是, 香农公式计算得到的只是信道数据传输速率的极限值,实际使用时必须留有充足的余地。,香农公式表明,信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率(信道容量)就越高。 若信道带宽 W 或信噪比 S/N 没有上限（当然实际信道不可能是这样的），则信道的极限信息传输速率 C 也就没有上限。 实际信道上能够达到的信息传输速率要比香农的极限传输速率低不少。,2.3 物理层下面的传输媒体,无线电,微波,红外线,可见光,紫外线,X射线,射线,双绞线,同轴电缆,卫星,地面微波,调幅 无线电,调频 无线电,海事 无线电,光纤,电视,LF,MF,HF,VHF,UHF,SHF,EHF,THF,波段,104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016,100 102 104 106 108 1010 1012 1014 1016 1018 1020 1022 1024,移动 无线电,电信领域使用的电磁波的频谱,2.3.1 导向传输媒体,双绞线 屏蔽双绞线 STP (Shielded Twisted Pair) 无屏蔽双绞线 UTP (Unshielded Twisted Pair) 同轴电缆 50 同轴电缆 75 同轴电缆 光缆,各种电缆,铜线,铜线,聚氯乙烯 套层,聚氯乙烯 套层,屏蔽层,绝缘层,绝缘层,外导体屏蔽层,绝缘层,绝缘保护套层,内导体,无屏蔽双绞线 UTP,屏蔽双绞线 STP,同轴电缆,光线在光纤中的折射,折射角,入射角,包层 （低折射率的媒体）,包层 （低折射率的媒体）,纤芯 （高折射率的媒体）,包层,纤芯,光纤的工作原理,高折射率 (纤芯),低折射率 (包层),光线在纤芯中传输的方式是不断地全反射,多模光纤与单模光纤,多模光纤,2.3.2 非导向传输媒体,无线传输所使用的频段很广。 短波通信主要是靠电离层的反射，但短波信道的通信质量较差。 微波在空间主要是直线传播。 地面微波接力通信 卫星通信,2.4 模拟传输与数字传输 2.4.1 模拟传输系统,长途干线最初采用频分复用 FDM 的传输方式 FDM (Frequency Division Multiplexing) 目前我国长途通信线路已实现了数字化，因而现在的模拟通信电路就只剩下从用户电话机到市话交换机之间的这一段几公里长的用户线上。,2.4.2 调制解调器,数据经过模拟传输系统后会出现差错。,调制解调器的作用,调制解调器(modem)包括： 调制器(MOdulator)：把要发送的数字信号转换为频率范围在 3003400 Hz 之间的模拟信号，以便在电话用户线上传送。 解调器(DEModulator)：把电话用户线上传送来的模拟信号转换为数字信号。,调制解调器的作用（续）,调制器的主要作用就是个波形变换器，它把基带数字信号的波形变换成适合于模拟信道传输的波形 解调器的作用就是个波形识别器，它将经过调制器变换过的模拟信号恢复成原来的数字信号。 若识别不正确，则产生误码。 在调制解调器中还要有差错检测和纠正的设施。,几种最基本的调制方法,调制就是进行波形变换（频谱变换）。 最基本的二元制调制方法有以下几种： 调幅(AM)：载波的振幅随基带数字信号而变化。 调频(FM)：载波的频率随基带数字信号而变化。 调相(PM) ：载波的初始相位随基带数字信号而变化。,2.5 信道复用技术,2.5.1 频分复用、时分复用和统计时分复用 在数据通信系统或计算机网络系统中,传输媒体的带宽或容量往往超过传输单一信号的需求,为了有效地利用通信线路,希望一个信道同时传输多路信号,这就是所谓的多路复用技术(MultiplexiI1g)。采用多路复用技术能把多个信号组合起来在一条物理信道上进行传输,在远距离传输时可大大节省电缆的安装和维护费用。频分多路复用FDM (Frequency Division Multiplexing)和时分多路复用TDM (Time Division Multiplexing)是两种最常用的多路复用技术。,频分复用,频率,时间,频率 1,频率 2,频率 3,频率 4,频率 5,频分复用：所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源。,时分复用,频率,时间,B,C,D,B,C,D,B,C,D,B,C,D,时分复用：所有用户在不同的时间占用同样的频带宽度。 特点：每个用户轮流瞬间地占有主干线路的整个带宽。,时分复用,频率,时间,C,D,C,D,C,D,A,A,A,A,C,D,时分复用,频率,时间,B,D,B,D,B,D,A,A,A,A,B,D,时分复用,频率,时间,B,C,B,C,B,C,A,A,A,A,B,C,在数字通信系统中，对主干线路的多路复用只能采用TDM，因为数字信号的频谱有可能占居整个信道带宽。,1550 nm 0 1551 nm 1 1552 nm 2 1553 nm 3 1554 nm 4 1555 nm 5 1556 nm 6 1557 nm 7,0 1550 nm 1 1551 nm 2 1552 nm 3 1553 nm 4 1554 nm 5 1555 nm 6 1556 nm 7 1557 nm,2.5.2 波分复用 WDM,波分复用就是光的频分复用。,8 2.5 Gb/s 1310 nm,20 Gb/s,复 用 器,分 用 器,EDFA,120 km,2.6 物理层标准举例 2.6.1 EIA-232-E 接口标准,DTE (Data Terminal Equipment) 是数据终端设备，是具有一定的数据处理能力和发送、接收数据能力的设备。 DCE (Data Circuit-terminating Equipment)是数据电路端接设备，它在 DTE 和传输线路之间提供信号变换和编码的功能，并且负责建立、保持和释放数据链路的连接。,DTE 通过 DCE 与通信传输线路相连,DTE,DCE,DCE,串行比特传输,信号线与控制线,用户环境,通信环境,用户设施,通信设施,DTE,信号线与控制线,用户设施,用户环境,EIA-232/V.24 的信号定义,(1) 保护地,(2) 发送数据,(3) 接收数据,(4) 请求发送,(5) 允许发送,(6) DCE 就绪,(7) 信号地,(8) 载波检测,(20) DTE 就绪,(22) 振铃指示,DTE,DCE,计算机 或 终端,调制解调器,两个 DTE 通过 DCE 进行通信的例子,EIA-232/ V.24 接口,调制解调器,DTE-A,DTE-B,DCE-A,DCE-B,EIA-232/ V.24 接口,调制解调器,网 络,2