第4讲 物理层(1).ppt

主讲教师：刘宏月Tel-Mail：hautxxxylhy,计算机网络,第4讲物理层（1）,刘宏月河南工业大学信息科学与工程学院,2020/6/9,CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT,3/60,上讲知识回顾,计算机网络体系结构分层、协议OSITCP/IP,2020/6/9,CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT,4/60,本讲学习目标,学习目标掌握物理层的基本概念；数据通信的基础知识，模拟传输和数字传输的一些常用技术；掌握信道、信号、码元、波特、编码与调制、解调等基本概念。本节难点编码与调制,2020/6/9,CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT,5/60,本讲主要内容,1.物理层基本概念2.数据通信系统模型3.数据编码技术,2020/6/9,CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT,6/60,1.物理层基本概念,物理层的基本服务功能物理层与数据链路层的关系保证比特流通过传输介质的正确传输，为数据链路层提供数据传输服务。传输介质与信号编码的关系根据所使用传输介质的不同，制定相应的物理层协议，规定数据信号编码方式、传输速率，以及相关的通信参数。,2020/6/9,CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT,7/60,1.物理层基本概念,物理层的基本服务功能设置物理层的目的屏蔽物理层采用的传输介质、通信设备与通信技术的差异性，使上层只需考虑如何使用物理层的服务，而不需要考虑物理层的功能具体是如何实现的。,物理层考虑的是怎样才能在连接各种计算机的传输媒体上传输比特流，而不是指具体的传输媒体。物理层的基本功能：屏蔽差异，为数据链路层服务。,2020/6/9,CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT,8/60,1.物理层基本概念,物理层的主要任务确定与传输媒体的接口有关的一些特性，主要包括：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。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。,2020/6/9,CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT,9/60,例：RJ45接口定义,RJ45接口信号定义，以及网线连接头信号安排以太网10/100Base-T接口:PinNameDescription1TX+TranceiveData+(发信号+)2TX-TranceiveData-(发信号-)3RX+ReceiveData+(收信号+)4n/cNotconnected(空脚)5n/cNotconnected(空脚)6RX-ReceiveData-(收信号-)7n/cNotconnected(空脚)8n/cNotconnected(空脚),2020/6/9,CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT,10/60,1.物理层基本概念：物理层协议,基于点-点通信线路的物理层协议EIA-232-CADSLCableModem基于广播通信线路的物理层协议最早的Ethernet是在公用总线的同轴电缆上用广播的方式发送和接收数据。IEEE802.3无线网络采用广播方式发送和接收数据。IEEE802.11,2020/6/9,CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT,11/60,本讲主要内容,1.物理层基本概念2.数据通信系统模型3.数据编码技术,2020/6/9,CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT,12/60,2.数据通信系统的模型,数据通信需求,协议：控制数据通信的一组规则。,通信的信息：文本、数字、图片、声音,2020/6/9,CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT,13/60,2.数据通信系统的模型,信道实例,2020/6/9,CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT,14/60,2.数据通信系统的模型,数据通信系统有效性传递正确即时,2020/6/9,CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT,15/60,2.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,输入汉字,显示汉字,PC机,数据通信系统模型,2020/6/9,CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT,16/60,信息、数据与信号(1),信息(Information)：指人们对客观现实世界事物的存在方式或运动状态的某种认识“传递给某人的事情和消息”，“所知道的知识”，“交流的知识”等。数据(Data)：信息的表达形式对计算机系统而言，所有能用计算机进行编码和通信的符号都属于数据。或者说是在计算机中被传输的二进制代码称为数据。数据和信息的区别数据是独立的，是尚未组织起来的符号的集合；信息则是按照一定要求以一定格式组织起来的数据。,信息转换为数据需要编码：如ASCII、GB2312:简体中文编码、BIG5:繁体中文编码。,2020/6/9,CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT,17/60,信息、数据与信号(2),信号(signal)：数据的电气的或电磁的表现。“模拟的”(analogous)：代表消息的参数取值是连续的。“数字的”(digital)：代表消息的参数的取值是离散的。无论是数据或信号，都可是模拟的也可是数字的。,数据转换为信号需要编码：如曼彻斯特编码、差分曼彻斯特编码，不归零码等。,2020/6/9,CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT,18/60,数据通信方式：串行与并行传输,串行传输：数据流以串行方式在一条信道上传输叫串行传输。一般在远程通信中，人们采用串行通信方式。并行传输：数据以成组的方式在多个并行信道上同时进行传输叫并行传输。每次同时传输一个字节（8位）。计算机内部的通信通常是并行传输。特点：并行传输的优点是速度快，但发送端与接收端之间有若干条线，导致费用高,2020/6/9,CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT,19/60,数据通信方式：单工、半双工、全双工,按照信号传送方向与时间的关系，可以分成：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。,2020/6/9,CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT,20/60,2.数据通信系统的模型,电信号也叫信号，信号的每秒钟变化次数叫频率，单位是赫兹(HZ)。信号的频率有高有低，就像声音有高有低一样，低频到高频的范围叫频带，不同的信号有不同的频带。信道传输类型基带传输：基带信号频带传输：频带信号宽带传输,2020/6/9,CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT,21/60,2.数据通信系统的模型,什么是基带信号(BasebandSignal)基带信号是信源发出的没有经过调制（进行频谱搬移和变换）的原始电信号，其特点是频率较低。通俗地讲，基带信号就是发出的直接表达了要传输的信息的信号，比如我们说话的声波就是基带信号。根据原始电信号的特征，基带信号可分为数字基带信号和模拟基带信号（相应地，信源也分为数字信源和模拟信源。），其由信源决定。,2020/6/9,CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT,22/60,2.数据通信系统的模型,近距离传输大多采用基带传输方式原因：由于在近距离范围内基带信号的衰减不大，从而信号内容不会发生变化。例如：从计算机到监视器、打印机等外设的信号就是基带传输的。大多数的局域网使用基带传输，如以太网、令牌环网。常见的局域网标准10BaseT使用的就是基带信号。,2020/6/9,CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT,23/60,2.数据通信系统的模型,基带信号为什么需要调制？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编码/调制(modulation)。,2020/6/9,CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT,24/60,2.数据通信系统的模型,频带传输远距离通信信道多为模拟信道，例如，传统的电话（电话信道）只适用于传输音频范围(300-3400Hz)的模拟信号，不适宜直接传输频带很宽、但能量集中在低频段的数字基带信号。频带传输就是先将基带信号变换（调制）成便于在模拟信道中传输的、具有较高频率范围的模拟信号（称为频带信号），再将这种频带信号在模拟信道中传输。计算机网络的远距离通信通常采用的是频带传输。基带信号与频带信号的转换是由调制解调技术完成的。,2020/6/9,CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT,25/60,2.数据通信系统的模型,宽带传输借助频带传输，可以将链路容量分解成两个或更多的信道，每个信道可以携带不同的信号，这就是宽带传输。宽带传输中的所有信道都可以同时发送信号。如CATV、ISDN等。宽带传输一定是采用频带传输技术的，但频带传输不一定就是宽带传输。,2020/6/9,CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT,26/60,2.数据通信系统的模型,错误的认识,A,B,A,B,宽带线路,窄带线路,在宽带线路上比特传播得快,在窄带线路上比特传播得慢,2020/6/9,CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT,27/60,2.数据通信系统的模型,正确的认识,A,B,A,B,宽带线路,窄带线路,宽带线路和窄带线路上比特的传播速率是一样的。宽带线路：每秒有更多比特从计算机注入到线路。,2020/6/9,CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT,28/60,2.数据通信系统的模型,比喻：汽车运货,宽带和窄带线路：车速一样宽带线路：车距缩短,2020/6/9,CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT,29/60,2.数据通信系统的模型,另一种错误认识：“宽带”相当于“多车道”,多车道公路是并行传输,100101110100100111010001011010,通信线路上通常都是串行传输,2020/6/9,CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT,30/60,本讲主要内容,1.物理层基本概念2.数据通信系统模型3.数据编码技术,2020/6/9,CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT,31/60,3.数据编码技术,编码与调制,2020/6/9,CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT,32/60,3.数据编码技术,编码与调制由于传输介质及其格式的限制，通信双方的信号不能直接进行传送，必须通过一定的方式处理之后，使之能够适合传输媒体的特性，才能够更好地、正确无误地传送到目的地。编码：用数字信号承载数字或模拟数据。调制：用模拟信号承载数字或模拟数据。,2020/6/9,CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT,33/60,3.数据编码技术,数字/数字编码单极性编码应用失效问题(1)直流分量，单极性编码信号平均振幅不是零，有的媒体没有传输直流分量能力，如微波、变压器。(2)同步，连续信号（多个1划0）如何识别数量，时间同步，信号传输会发生扭曲，拉长。,2020/6/9,CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT,34/60,3.数据编码技术：数字/数字编码,极化编码极化编码采用两个电压值：一个正电压、一个负电压。减轻了直流分量问题。在双相位编码中，每个比特均含正电压和负电压，彻底解决了直流分量问题。,2020/6/9,CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT,35/60,3.数据编码技术：非归零编码,2020/6/9,CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT,36/60,3.数据编码技术：归零编码,2020/6/9,CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT,37/60,3.数据编码技术：双相位编码,信号在每比特间隙中发生改变但并不归零曼切斯特编码：在每个比特间隙中间引入跃迁来同时代表不同比特和同步信息。1：一个负电平到正电平跳变。0：一个正电平到负电平跳变。差分曼切斯特编码：比特间隙跃迁用于携带同步信息，开始位置是否有跃迁代表比特。1：没有跳变。0：有跳变。,2020/6/9,CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT,38/60,3.数据编码技术：双相位编码,2020/6/9,CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT,39/60,3.数据编码技术,数字/模拟编码用模拟信号表达数字信息的编码技术。例如电话线模拟信号用于传输数字数据前的转换。通过数字/模拟编码，数据被调制到一个模拟信号上。一个正弦波通过三个参数定义：振幅、频率和相位。当改变其中任何一个参数，波形就会发生变化。若用原来的波代表1，可以用变形的波代表0。,2020/6/9,CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT,40/60,3.数据编码技术：数字/模拟编码,载波信号在模拟传输中，发送设备产生一个高频信号作为基波承载数据信号基波信号、载波信号。接收设备将自己的接收频率调整到与所期望的发送方载波信号频率一致。数字信息通过改变载波信号的一个或多个特性参数(振幅、频率和相位)被调制(移动键控)到载波信号上(调制信号)。,2020/6/9,CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT,41/60,调制（移动键控）,基带信号,调幅,调频,调相,2020/6/9,CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT,42/60,3.数据编码技术：数字/模拟编码,比特率与波特率比特率：每秒传输的比特数。波特率：每秒传输的信号单元数(波形变化次数)，一个信号单元包含1或多个比特。两个节点间通信，需要的信号单元越少，系统效率越高，传输更多比特时所需的带宽就少。波特率决定了发送信号所需的带宽。,2020/6/9,CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT,43/60,3.数据编码技术：数字/模拟编码,比特率与波特率数据传输速率S(单位为bps)与调制速率B(单位为baud)之间关系可以表示为：S=Blog2k（k为多相调制的相数）,2020/6/9,CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT,44/60,3.数据编码技术：数字/模拟编码,幅移键控（ASK:AmplitudeShiftKeying）ASK受噪声影响大，热、电磁感应等易引起线路中不期望的电压值，改变振幅。,2020/6/9,CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT,45/60,3.数据编码技术：数字/模拟编码,频移键控（FSK:FrequencyShiftKeying）FSK避免了噪声问题，接收方通过在给定时间内的具体频率变化识别比特值，能够忽略尖峰脉冲。,2020/6/9,CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT,46/60,3.数据编码技术：数字/模拟编码,相移键控（PSK:PhraseShiftKeying）二相位PSK，编码中使用两个不同的相位值(0和180度)。,2020/6/9,CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT,47/60,3.数据编码技术：数字/模拟编码,相移键控（PSK:PhraseShiftKeying）星座图2-PSKQ-PSK,2020/6/9,CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT,48/60,3.数据编码技术：数字/模拟编码,相移键控（PSK:PhraseShiftKeying）Q-PSK,2020/6/9,CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT,49/60,3.数据编码技术：数字/模拟编码,如何进一步提高编码效率？正交调幅(QAM:QuadratureAmplitudeModulation)编码将ASK和PSK以某种方式结合起来，使得每一比特、双比特、三比特、四比特组等之间具有最大的反差。,8-QAM(2振幅、4相位),2020/6/9,CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT,50/60,3.数据编码技术：数字/模拟编码,一个8-QAM信号的时域图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。,2020/6/9,CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT,51/60,例：正交振幅调制QAM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。,3.数据编码技术：数字/模拟编码,2020/6/9,CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT,52/60,3.数据编码技术：模拟-数字编码,用数字信号表示模拟信号，例如光盘录制歌曲。最小失真的数字流。脉冲振幅调制(PAM:PulseAmplitudeModulation)接收模拟信号，采样，产生脉冲。采样指每隔相等的时间间隔测量一次信号振幅。,2020/6/9,CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT,53/60,3.数据编码技术：模拟-数字编码,脉冲振幅调制(PAM)接收模拟信号，采样，产生脉冲。采样指每隔相等的时间间隔测量一次信号振幅。对于一个接收设备，重现一个模拟信号只需少量信息。奈奎斯特定理：PAM中采样频率至少是原始信号中最高频分量频率的两倍。PAM采样的脉冲取值仍然是可以任意值（是一个模拟信号，而不是数字化的），并不适合数据通信。,模拟信号,脉冲振幅调制信号,2020/6/9,CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT,54/60,3.数据编码技术：模拟-数字编码,脉冲编码调制(PCM:PulseCodeModulation)将PAM所产生的采样结果修改成完全的数字化信号量化：对采样结果赋予一个特定范围内的整数值,2020/6/9,CollegeofInformationScienceandTec