CH2-5ed 物理层(1).ppt

计算机网络 第5版 第2章物理层 课件制作人 谢希仁 本节内容 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信道复用技术2 4 1频分复用 时分复用和统计时分复用2 4 2波分复用 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 过程特性指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序 2 2数据通信的基础知识2 2 1数据通信系统的模型 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 输入汉字 显示汉字 PC机 源系统一般包括以下两个部分 1 源站 2 发送器 目的系统一般包括以下两个部分 1 接收器 2 目的站 几个术语 数据 data 运送消息的实体 信号 signal 数据的电气的或电磁的表现 模拟的 analogous 代表消息的参数的取值是连续的 数字的 digital 代表消息的参数的取值是离散的 码元 code 在使用时间域 或简称为时域 的波形表示数字信号时 代表不同离散数值的基本波形 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 信号和带通 bandpass 信号 基带信号 即基本频带信号 来自信源的信号 像计算机输出的代表各种文字或图像文件的数据信号都属于基带信号 信道划分 信道可以分成传送模拟信号的模拟信道和传送数字信号的数字信道两大类 但应注意 数字信号在经过数模变换后就可以在模拟信道上传送 模拟信号在经过模数变换后也可在数字信道上传送 几种最基本的调制方法 基带信号往往包含有较多的低频成分 甚至有直流成分 而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量 为了解决这一问题 就必须对基带信号进行调制 modulation 数据经过模拟传输系统后会出现差错 产生原因 1 基带信号包含各种频率成分 其中一部分已经落到模拟电话通信系统所能通过的频率范围 300HZ 3400HZ 之外 因而通不过去 2 在能通过电话线路这部分频率成分中 各频率成分经受的衰减和时延可能会有些不同 这也要产生失真 3 电话线路中存在噪声和各种干扰信号 使信号失真 若所传送的码元速率越高 信号的失真就越严重 为解决上述 1 和 2 两个因素产生失真 必须将计算机输出信号转换为频率范围在 300hz 3400hz 之间的模拟信号来传输 带通信号 把基带信号经过载波调制后 把信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输 即仅在一段频率范围内能够通过信道 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300 3400Hz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 本书中的调制解调器是指使用在标准的二线模拟话路 3 1kHz的标准话路带宽 上的调制解调器 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 所谓调制就是进行波形变换 或者更严格些 是进行频谱变换 将基带数字信号的频谱变换成为适合于在模拟信道中传输的频谱 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 对基带数字信号的几种调制方法 0 1 0 0 1 1 1 0 0 基带信号 调幅 调频 调相 正交振幅调制QAM QuadratureAmplitudeModulation r r 可供选择的相位有12种 而对于每一种相位有1或2种振幅可供选择 由于4bit编码共有16种不同的组合 因此这16个点中的每个点可对应于一种4bit的编码 若每一个码元可表示的比特数越多 则在接收端进行解调时要正确识别每一种状态就越困难 举例 2 2 3信道的极限容量 任何实际的信道都不是理想的 在传输信号时会产生各种失真以及带来多种干扰 码元传输的速率越高 或信号传输的距离越远 在信道的输出端的波形的失真就越严重 数字信号通过实际的信道 有失真 但可识别失真大 无法识别 实际的信道 带宽受限 有噪声 干扰和失真 发送信号波形 接收信号波形 奈氏 Nyquist 准则 每赫带宽的理想低通信道的最高码元传输速率是每秒2个码元 Baud是波特 是码元传输速率的单位 1波特为每秒传送1个码元 理想低通信道的最高码元传输速率 2WBaud W是理想低通信道的带宽 单位为赫 Hz 不能通过 能通过 0 频率 Hz W Hz 另一种形式的奈氏准则 每赫带宽的理想低通信道的最高码元传输速率是每秒1个码元 理想带通特性信道的最高码元传输速率 WBaud W是理想带通信道的带宽 单位为赫 Hz 不能通过 能通过 0 频率 Hz W Hz 不能通过 要强调以下两点 实际的信道所能传输的最高码元速率 要明显地低于奈氏准则给出上限数值 波特 Baud 和比特 bit 是两个不同的概念 波特是码元传输的速率单位 每秒传多少个码元 码元传输速率也称为调制速率 波形速率或符号速率 比特是信息量的单位 要注意 信息的传输速率 比特 秒 与码元的传输速率 波特 在数量上却有一定的关系 若1个码元只携带1bit的信息量 则 比特 秒 和 波特 在数值上相等 若1个码元携带nbit的信息量 则MBaud的码元传输速率所对应的信息传输速率为M nb s 信道的极限信息传输速率 香农 Shannon 用信息论的理论推导出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限 无差错的信息传输速率 信道的极限信息传输速率C可表达为C Wlog2 1 S N b sW为信道的带宽 以Hz为单位 S为信道内所传信号的平均功率 N为信道内部的高斯噪声功率 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就越高 只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率 就一定可以找到某种办法来实现无差错的传输 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 奈氏准则和香农公式在数据通信系统中的作用范围 源系统 传输系统 目的系统 传输系统 源点 终点 发送器 接收器 输入信息 输出信息 奈氏准则描述了有限带宽 无噪声信道的最大码元传输速率与信道带宽W的关系 香农定理描述了有限带宽 有随机噪声信道的最大传输速率与信道带宽W 信噪比S N之间的关系 例题 对于某带宽为4000HZ的低通信道 采用16种不同的物理状态来表示数据 1 按照奈奎斯特定理 信道最大传输速率是多少 2 如果信道信噪比为30db 按照香农定理 信道传输速率是多少 提示 16种不同物理状态可用4位二进制信息量表示 即log2 16 例2 无噪声情况下 若某通信链路的带宽为3khz 采用4相位 每个相位有4种振幅的QAM调制技术 则该通信链路的最大传输速率是 A 12kbpsB 24KbpsC 48KbpsD 96kBPS 2009年全国考研题 解 本题中W 3KHZ 根据奈奎斯特定理 最大码元传输速率 即波特率B 2XW 6Kbps 根据波特率与数据传输率公式Rb Blog2M 其中M 4x4 16 代入求得最大传输速率为24kbps 3 3物理层下面的传输媒体 传输媒体也称为传输介质或传输媒介 它就是数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路 传输媒体可分为两大类 即导向传输媒体和非导向传输媒体 在导向传输媒体中 电磁波被导向沿着固体媒体 铜线或光纤 传播 而非导向传输媒体就是指自由空间 在非导向传输媒体中电磁波的传输常称为无线传输 图3 5是电信领域使用的电磁波的频谱 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 1041051061071081091010101110121013101410151016 10010210410610810101012101410161018102010221024 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 ShieldedTwistedPair 无屏蔽双绞线UTP UnshieldedTwistedPair 同轴电缆50 同轴电缆75 同轴电缆光缆 2 3 1导向传输媒体 1 双绞线把两根互相绝缘的铜导线并排放在一起 然后用规则的方法绞合 twist 起来就构成了双绞线 图3 6是无屏蔽双绞线和屏蔽双绞线的示意图 a 无屏蔽双绞线 b 屏蔽双绞线 图3 6无屏蔽双绞线和屏蔽双绞线的示意图 2 同轴电缆同轴电缆由内导体铜质芯线 单股实心线或多股绞合线 绝缘层 网状编织的外导体屏蔽层 也可以是单股的 以及保护塑料外层所组成 图3 7 图3 7同轴电缆的结构 通常按特性阻抗数值的不同 将同轴电缆分为两类 1 50 同轴电缆 2 75 同轴电缆 3 光缆光纤通常由非常透明的石英玻璃拉成细丝 主要由纤芯和包层构成双层通信圆柱体 纤芯很细 其直径只有8 100 m 正是这个纤芯用来传导光波 包层较纤芯有较低的折射率 当光线从高折射率的媒体射向低折射率的媒体时 其折射角将大于入射角 如图3 10所示 图3 10光线在光纤中的折射 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 只要从纤芯中射到纤芯表面的光线的入射角大于某一个临界角度 就可产生全反射 因此 可以存在许多条不同角度入射的光线在一条光纤中传输 这种光纤就称为多模光纤 如图3 12 a 所示 若光纤的直径减小到只有一个光的波长 则光纤就像一根波导那样 它可使光线一直向前传播 而不会产生多次反射 这样的光纤就称为单模光纤 图3 12 b 多模光纤与单模光纤 多模光纤 图3 13四芯光缆剖面的示意图 图3 13为四芯光缆剖面的示意图 光纤特点 光纤不仅具有通信容量非常大的优点 而且还具有其他的一些特点 1 传输损耗小 中继距离长 对远距离传输特别经济 2 抗雷电和电磁干扰性能好 这在有大电流脉冲干扰的环境下尤为重要 3 无串音干扰 保密性好 也不易被窃听或截取数据 4 体积小 重量轻 当采用光纤连网时 常常将一段段点到点的链路串接起来构成一个环路 通过T形接头连接到计算机 T形接头有两种 无源的和有源的 无源的T形接头由于完全是无源的 因此非常可靠 有源的T形接头实际上就是一个有源转发器 如图3 14所示 图3 14使用有源转发器的光纤环路 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 共享信道 2 4信道复用技术2 4 1频分复用 时分复用和统计时分复用 复用 multiplexing 是通信技术中的基本概念 信道 A1 A2 B1 B2 C1 C2 信道 信道 A1 A2 B1 B2 C1 C2 复用 分用 a 不使用复用技术 b 使用复用技术 频分复用FDM FrequencyDivisionMultiplexing 用户在分配到一定的频带后 在通信过程中自始至终都占用这个频带 频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源 请注意 这里的 带宽 是频率带宽而不是数据的发送速率 时分复用TDM TimeDivisionMultiplexing 时分复用则是将时间划分为一段段等长的时分复用帧 TDM帧 每一个时分复用的用户在每一个TDM帧中占用固定序号的时隙 每一个用户所占用的时隙是周期性地出现 其周期就是TDM帧的长度 TDM信号也称为等时 isochronous 信号 时分复用的所有用户是在不同的时间占用同样的频带宽度 时分复用 频率 时间 B C D B C D B C D B C D A在TDM帧中的位置不变 时分复用 频率 时间 C D C D C D A A A A C D B在TDM帧中的位置不变 时分复用 频率 时间 B D B D B D A A A A B D C在TDM帧中的位置不变 时分复用 频率 时间 B C B C B C A A A A B C D在TDM帧中的位置不变 时分复用可能会造成线路资源的浪费 A B C D a a b b c d b c a t t t t t 4个时分复用帧 1 a c b c d 时分复用 2 3 4 用户 使用时分复用系统传送计算机数据时 由于计算机数据的突发性质 用户对分配到的子信道的利用率一般是不高的 统计时分复用STDM StatisticTDM