第6章_物理层及数据通信技术.ppt

第6章物理层及数据通信技术 袁津生主编 主要内容 6 1数据通信基础6 2编码与调制6 3传输介质及传输技术6 4宽带接入技术6 5物理层设备 主要内容 物理层是计算机网络体系结构中的最低层 物理层为设备之间的数据通信提供传输介质及互连设备 为数据传输提供可靠的环境 本章主要介绍数据通信技术 数据编码技术 传输介质以及宽带接入技术 6 1数据通信基础 信息 数据与信号 信息是人对现实世界事物存在方式或运动状态的某种认识 数据是指把事件的某些属性规范化后的表现形式 它能被识别 也可以被描述 信号是数据的具体物理表现 具有确定的物理描述 如电压 磁场强度等 数据是信息的载体 它是信息的表示形式 可以是数字 字符 符号等 信息一般是用数据来表示的 而表示信息的数据通常要转变为信号来进行传递 模拟信号与数字信号 模拟信号是指信号的波形和频率 每秒的波数 是连续变化 如电视图像信号 语音信号 温度压力传感器的输出信号等 简单地说 就是连续的信号 数字信号是指信号的波形不是连续的 而是突变的 如计算机内部的信号都是数字信号 数字信号在通信线路上传输时要借助电信号的状态来表示二进制代码的值 因为电信号可呈现两种状态 可以分别表示 0 和 1 简单的说 就是离散的信号 模拟信号与数字信号 信源 信宿与信道 信源是信息或信息序列的产生源 它泛指一切发送的声音 数据 文字 图像等电信号 信源发出的信息可以是连续的 也可以是离散的 信宿是通信过程中接收和处理信息的设备或计算机 信源和信宿之间要有通信线路才能互相通信 信道是传输数据的通道 是信号传输的必经之路 包括传输介质和通信设备 信源 信宿与信道 信源和信宿之间是通过信道进行信息交换的 信息在传输过程中可能会受到外界的干扰 把这种干扰称为噪声 信道可以分为数字信道与模拟信道 数字信道是在信道上只能传输数字信号的信道 是用来传输离散数字信号的 模拟信道传输的是在幅度和时间上都连续变化的模拟信号 如果利用模拟信道传送数字信号 则必须经过数字与模拟信号之间的变换 通信常用指标 码元是一个固定时长的信号波形 而时间间隔被称为码元长度 速率也叫数据率 是指数据的传输速率 表示单位时间内传输的数据量 单位是比特 秒 bps 带宽是指信号具有的频率宽度 单位是赫兹 Hz 由于带宽与数据率存在数值上的关系 因此 常用带宽指数据率 表示在一段特定的时间内网络所能传送的比特数 信道容量 信道传输数据速率的上限 称为信道的容量 奈奎斯特定理 理想条件下 无噪声的 有限带宽 信道的极限速率是 C 2 W log2M bps 其中 W是信道的带宽 单位为赫兹 M表示每个码元离散电平的数目 极限速率的单位是bps 由于码元的传输速率受到奈奎斯特定理的限制 所以要提高数据的传输速率 就必须设法使每个码元能携带更多个比特的信息量 这就需要采用多元制的调制方法 香农定理 香农定理考虑了有噪声信道的极限数据率 C W log2 1 S N bps 其中 W是信道的带宽 单位为赫兹 S表示信道内信号的平均功率 N表示信道内噪声的功率 为了方便起见 一般用10log10 S N 来表示信噪比 单位是分贝 dB S N的值越高 表示信道的质量越好 例如 S N为1000 其信噪比为30dB 数据通信系统结构 数据通信系统是由数据传输系统和数据处理系统两部分组成的 数据传输系统也称作通信子网 其主要任务是实现不同数据终端设备之间的数据传输 数据处理系统也称为资源子网 它由许多数据终端设备组成 这些终端设备作为信息的源和宿 其中的计算机主要用于数据的收集和处理 数据通系统的模型 单工 半双工和全双工通信 并行通信与串行通信 多路复用技术 多路复用是指将来自若干信息源的信号进行合并 然后将合并后的信号经单一的线路和传输设备进行传输 在接收方 有专用的设备将合成信号分离成各个单路信号 复用的方法有 时分多路复用 频分多路复用 波分多路复用 码分多路复用 多路复用技术的实质是 发送方将多个用户的数据通过复用器汇集 并将汇集的数据通过一条物理线路传送到接收方 接收方通过分用器将数据分离成各个单独的数据 然后分发给接收方的多个用户 多路复用系统结构 时分多路复用 时分多路复用TDM TimeDivisionMultiplexer 是以信道传输时间作为分割对象 通过为多个信道分配互不重叠的时间片的方法来实现多路复用 时分多路复用可分为 同步时分多路复用 异步时分多路复用 同步时分多路复用将时间片预先分配给各个信道 时间片固定不变 并且时间片序号与信道号之间存在固定的对应关系 各个信道的发送与接收必须同步进行 异步时分多路复用时间片序号与信道号之间不再存在固定的对应关系 这种方法可以避免通信线路资源的浪费 但由于信道号与时间片序号无固定对应关系 因此接收端要有识别信号的能力 同步时分复用与异步时分复用 频分多路复用 频分多路复用FDM FrequencyDivisionMultiplexing 主要用于模拟信号 多路复用器接收来自多个源的模拟信号 每个信号都有自己独立的带宽 这些信号被组合成一个具有更大带宽 更加复杂的信号 产生的信号被传送到目的地 在那里另一个多路复用器完成分解工作 然后把各个信号单元分离出来 换句话说 就是将具有一定带宽的信道分割为若干个有较小频带的子信道 每个子信道供一个用户使用 这样在信道中就可同时传送多个不同频率的信号 采用频分多路复用时数据在各子信道上是并行传输的 由于各子信道相互独立 故一个信道发生故障时不影响其他信道 频分多路复用的工作原理 波分多路复用 波分多路复用WDM WavelengthDivisionMultiplexing 是频率分割技术在光纤介质中的应用 也就是光的频分复用 码分多路复用 码分多路复用CDM CodeDivisionMultiplexing 为每一路信号分配不同的编码 每一路信号用它唯一的编码对要发送的数据进行编码 接收方根据编码接收信息 码分多路复用技术的基础是扩频通信 扩频通信的特征是使用比发送的数据速率高许多倍的伪随机码对载荷数据的基带信号的频谱进行扩展 形成宽带低功率频谱密度的信号来发射 码分复用是一种共享信道的方法 常用的名词是码分多址CDMA CodeDivisionMultipleAccess 每一个用户可以在同样的时间使用同样的频带进行通信 由于各用户使用经过特殊挑选的不同码型 因此不会造成干扰 CDMA多用在无线多路访问信道中 6 2编码与调制 数字数据编码为数字信号 把数字数据变换为数字信号的过程称为编码 常用的编码方法有三种 不归零码NRZ Non ReturntoZero 曼彻斯特 Manchester 编码和差分曼彻斯特 DifferentManchester 编码 不归零码是指编码在发送 0 或 1 时 在一码元的时间内不会返回初始状态 零 曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码都属于自同步码 所谓自同步码是指编码在传输信息的同时 将时钟同步信号一起传输过去 三种编码波形图 模拟数据编码为数字信号 模拟数据的数字信号编码最常用的方法是脉冲编码调制PCM PulseCodeModulation PCM的典型应用是语音数字化 PCM就是对模拟信号进行采样 量化 编码的过程 采样就是对模拟信号进行周期性扫描 把时间上连续的信号变成时间上离散的信号 量化就是把经过采样得到的瞬时值将其幅度离散 即用一组规定的电平 把瞬时采样值用最接近的电平值来表示 编码就是用一组二进制码组来表示每一个有固定电平的量化值 PCM采样与量化 编码原理示意图 数字数据调制为模拟信号 要在模拟信道上传输数字数据 首先需对数字信号进行调制 即用模拟信号作为载波运载要传送的数字数据 载波信号可以表示为正弦波形式 其中幅度um 频率 和相位 的变化均影响信号波形 因此 通过改变这三个参数可实现对模拟信号的编码 相应的调制方式分别称为幅度调制 频率调制和相位调制 模拟数据信号的编码 幅度调制也称为幅移键控ASK 频率调制也称为频移键控FSK 相位调制也称为相移键控PSK相位调制又分为绝对调相和相对调相 模拟数据信号的编码方法 6 3传输介质及传输技术 物理层的功能 1 为数据端设备提供传送数据的通路 一次完整的数据传输 包括建立物理连接 传送数据 终止物理连接 2 传输数据 物理层要形成适合数据传输需要的实体 为数据传送服务 一是要保证数据能在其上正确通过 二是要提供足够的带宽 以减少信道上的拥塞 3 完成物理层的一些管理工作 物理层接口的特性 1 机械特性 也叫物理特性 指明通信实体间硬件连接接口的机械特点 如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 2 电气特性 规定了在物理连接上 导线的电气连接及有关电路的特性 3 功能特性 指明物理接口各条信号线的用途 4 规程特性 指明利用接口传输比特流的全过程及各项用于传输的事件发生的合法顺序 传输介质的主要类型 传输介质是网络中信息传输的媒体 是网络通信的物质基础之一 传输介质的性能特点对传输速率 通信的距离 可连接的网络结点数目和数据传输的可靠性等均有很大的影响 因此 必须根据不同的通信要求 合理地选择传输介质 目前在局域网中常用的传输介质有双绞线 同轴电缆和光导纤维等 双绞线 双绞线是最普通的传输介质 它由两根绝缘的金属导线扭在一起而成 通常还把若干对双绞线对 2对或4对 捆成一条电缆并以坚韧的护套包裹着 每对双绞线合并作一根通信线使用 以减小各对导线之间的电磁干扰 双绞线可分为非屏蔽双绞线UTP UnshieldedTwisted Pair 和屏蔽双绞线STP ShieldedTwisted Pair 双绞线按电气性能划分可分为 3类 4类 5类 超5类 6类 7类双绞线等类型 在以太网中 双绞线最长距为100米 双绞线用做远程中继线时 最大距离可达15公里 屏蔽双绞线和非屏蔽双绞线 同轴电缆 同轴电缆是网络中最常用的传输介质 共有四层 最内层是铜芯导体 从里往外 依次分为绝缘层 导体网和绝缘塑料保护套 按带宽和用途来划分 同轴电缆可以分为基带和宽带 基带同轴电缆传输的是数字信号 在传输过程中 信号将占用整个信道 数字信号包括由0到该基带同轴电缆所能传输的最高频率 因此 在同一时间内 基带同轴电缆仅能传送一种信号 宽带同轴电缆传送的是不同频率的信号 这些信号需要通过调制技术调制到各自不同的正弦载波频率上 传送时应用频分多路复用技术分成多个频道传送 使数据 声音和图像等信号 在同一时间内 在不同的频道中被传送 基带同轴电缆使用的最大距离限制在几公里范围内 而宽带同轴电缆最大距离可达几十公里左右 宽带同轴电缆传输模拟信号时 其频率高达300 500MHz 传输距离可达100公里 同轴电缆构造 光导纤维电缆 光导纤维电缆简称光纤电缆或光纤 光纤由纤芯 包层和护套层组成 其中纤芯由玻璃或塑料制成 包层由玻璃制成 护套由塑料制成 光导纤维电缆 光纤信号衰减极小 它可以在20公里的距离内 在不使用中继器的情况下 实现高速率的数据传输 光纤不受外界电磁干扰与噪声的影响 能在长距离 高速率的传输中保持低误码率 光纤的误码率为10 10 因此 光纤传输的安全性与保密性极好 光在光纤中的传播原理是 由于包层的折射率比光纤芯折射率小 这样进入光纤芯的光线在光纤芯与包层的界面上作多次全反射而曲折前进 不会透过界面 仿佛光线被包层紧紧地封闭在光纤芯内 使光线只能沿着光纤芯传送 就好像自来水只能在水管里流动一样 光纤系统的工作原理 光纤通信的原理是 在发送端首先要把传送的信息变成电信号 然后调制到激光器发出的激光束上 使光的强度随电信号的幅度变化而变化 并通过光纤发送出去 在接收端 检测器收到光信号后把它变换成电信号 经解调后恢复原信息 数据传输技术 1 基带传输技术基带就是指基本频带 即数字信号占用的基本频带 在数据通信中 数字信号0和1的是典型的矩形脉冲信号 该矩形脉冲信号的固有频带称为基带 矩形脉冲信号称为基带信号 基带传输是指在通信线路上原封不动地传输由计算机或终端产生的数字脉冲信号 这样一个信号的基本频带可以包含很宽的频率范围 包括直流量和交流量 传输频率越高 传输线路对传输信号的衰减就越大 数据传输技术 2 频带传输技术频带传输 有时也称宽带传输 是指将数字信号调制成音频信号后再发送和传输 到达接收端时再把音频信号解调成原来的数字信号 我们将这种利用模拟信道传输数字信号的方法称为频带传输技术 频带传输将二进制数据的 1 和 0 信号 通过调制解调器变成具有一定频带范围的模拟信号进行传输 典型的例子就是电话电路 其特性是带通型 一般频率范围为300 3400Hz 基带信号不能通过 所以要采取措施把基带信号调制解调到电话电路的频带范围内传输 频带传输可实现远距离的数据通信 6 4宽带接入技术 宽带接入技术 宽带与窄带一般的划分标准是用户网络接口上的速率 即将速率超过2Mbps的用户接入称为宽带接入 对最低接入速率则没有限制 窄带接入系统是基于支持传统的64kbps电路交换业务的 对高速数据业务支持能力较差 宽带接入系统则是以分组传送方式为基础 具有统计复用功能 宽带接入网指能同时承载语音 图像 数据 视频等宽带业务需求的接入网络 常用的宽带接入技术有 xDSL接入技术 光纤接入技术和混合接入技术等 xDSL接入技术 DSL是数字用户线 DigitalSubscriberLine 的缩写 而DSL的前缀x则表示在数字用户线上实现的不同宽带方案 xDSL技术就是用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造 使它能够承载宽带业务 虽然标准模拟电话信号的频带被限制在300 3400Hz的范围内 但用户线本身实际可通过的信号频率仍然超过1MHz xDSL技术就把0 4kHz低端频谱留给传统电话使用 而把原来没有被利用的高端频谱留给用户上网使用 xDSL常用的技术有HDSL ADSL VDSL 在xDSL技术中最常用的就是ADSL非对称数字用户线 AsymmetricDigitalSubscriberLine 技术 ADSL技术 ADSL为用户提供上 下行非对称的传输速率 上行 从用户到网络 为低速的传输 一般为1 5Mbps 下行 从网络到用户 为高速数据传输 最高可达8Mbps ADSL在用户线 铜线 的两端各安装一个ADSL调制解调器 我国目前采用的方案是离散多音调DMT DiscreteMulti Tone 调制技术 这里的多音调就是 多载波 或 多子信道 的意思 DMT调制技术采用频分复用的方法 把40kHz以上一直到1 1MHz的高端频谱划分为许多的子信道 其中25个子信道用于上行信道 而249个子信道用于下行信道 每个子信道占据4kHz带宽 并使用不同的载波进行数字调制 DMT频谱分布 DMT调制原理 光纤接入技术 光纤接入技术是指网络与用户之间完全以光纤作为传输介质的接入方式 用户网光纤化有很多方案 有光纤到路边 FTTC 光纤到大楼 FTTB 光纤到家庭 FTTH 等技术 1 FTTC技术FTTC为目前最主要的服务形式 主要是为住宅区的用户作服务 将光网络单元设备放置于路边机箱 利用光网络单元出来的同轴电缆传送CATV信号或双绞线传送电话及上网服务 2 FTTB技术FTTB依服务对象区分有两种 一种是公寓大厦的用户服务 另一种是商业大楼的公司行号服务 两种皆将光网络单元设置在大楼的地下室配线箱处 只是公寓大厦的光网络单元是FTTC的延伸 而商业大楼是为了中大型企业单位 必须提高传输的速率 以提供高速的数据 电子商务 视频会议等宽带服务 3 FTTH技术 FTTH将光纤的距离延伸到终端用户家里 使得家庭内能提供各种不同的宽带服务 混合接入技术 混合接入技术的主要应用是混合光纤同轴网HFC HybridFiberCoax HFC网是在目前覆盖面很广的有线电视网CATV的基础上开发的一种居民宽带接入网 HFC网除可传送CATV外 还提供电话 数据和其他宽带交互型业务 HFC网可在同一个网络上同时传输有线电视和交互式的电信业务 在这种网络中模拟信号与数字信号并存 典型的HFC网络可分为三个主要部分 前端光传输链路用户 同轴电缆分配网和用户端设备 HFC网络主干部分采用光纤进行传输 然后通过同轴电缆经分路器接入各家用户 HFC网采用结点体系结构 混合接入技术 现有的CATV网是树形拓扑结构的同轴电缆网络 它采用模拟技术的频分复用对电视节目进行单向传输 而HFC网则需要对CATV网进行改造 HFC网将原CATV网中的同轴电缆主干部分改换为光纤 并使用模拟光纤技术 在模拟光纤中采用光的振幅调制AM 这比使用数字光纤更为经济 模拟光纤从头端连接到光纤结点 即光分配结点 在光纤结点光信号被转换为电信号 在光纤结点以下就是同轴电缆 用户端使用接口盒 接口盒提供三种连接 一是通过机顶盒连接到用户的电视机 二是使用双绞线连接到用户的电话机 三是使用电缆调制解调器 CableModem 连接到用户的计算机 电缆调制解调器是为HFC网而使用的调制解调器 电缆调制解调器最大的特点就是传输速率高 其下行速率一般在3 10Mbps之间 最高可达30Mbps 而上行速率一般为0 2 2Mbps 最高可达10Mbps 6 5物理层设备 中继器 物理层的功能是在两个网络设备之间提供透明的比特流传输 所实现的硬件设备有中继器 Repeater 和集线器 Hub 中继器工作物理层 是最简单的网络互连设备 中继器不关心数据的格式和含义 它只负责复制和增强通过物理介质传输的表示 1 和 0 的信号 中继器的主要功能是扩展一个工作站或一组工作站与网络中其它部分的距离 中继器连接的局域网段 中继器 中继器的特点 1 中继器可以将局域网的一个网段和另一个网段相连 而且可以连接不同类型的介质 2 由于中继器只是一种信号放大设备 它不能连接两种不同的介质访问类型 3 中继器只是一种物理层设备 它不能识别数据帧的格式和内容 也不能将一种数据链路报头类型转换成另外一种形式 中继器的适用场合 1 中继器适用于较小地理范围内的相对较小的局域网 2 由于中继器不能隔断局域网网段间的通信 所有的数据都能双向通过中继器 所以不能用它连接负载沉重的局域网 集线器 集线器又叫Hub 是