计算机网络课件第2章 物理层与数据通信基础

1、 monday, november 22, 20212/43计算机网络计算机网络-刘桂江刘桂江第第1章章 概述概述第第2章章 物理层与数据通信基础物理层与数据通信基础第第3章章 数据链路层数据链路层第第4章章 局域网局域网第第5章章 网络层网络层第第6章章 网络互联技术网络互联技术第第7章章 传输层传输层第第8章章 应用层应用层第第9章章 网络管理与信息安全网络管理与信息安全第第10章章 网络新技术专题网络新技术专题3/43计算机网络计算机网络-刘桂江刘桂江2.1数据通信的理论基础数据通信的理论基础 2.2物理传输介质物理传输介质 2.3数据传输技术数据传输技术 2.4物理层接口标准举例物理层

2、接口标准举例 4/43计算机网络计算机网络-刘桂江刘桂江2.1.1 数据通信系统模型数据通信系统模型 2.1.2 带宽与傅立叶分析带宽与傅立叶分析 2.1.3 信道的最大数据速率信道的最大数据速率 5/43计算机网络计算机网络-刘桂江刘桂江 n数据通信系统的组成：数据通信系统的组成：u源系统（或发送端）源系统（或发送端） 传输系统（或传输网络）传输系统（或传输网络） 目的系目的系统（或接收端）统（或接收端） n数据与信号的区别：数据与信号的区别：u数据数据(data)是表达信息的实体，而信号是表达信息的实体，而信号(signal)则是数则是数据的电气的或电磁的表现。据的电气的或电磁的表现。6/

3、43计算机网络计算机网络-刘桂江刘桂江 u无论数据或信号，都可以是模拟的或数字的。所谓无论数据或信号，都可以是模拟的或数字的。所谓“模拟模拟”就是连续变化的，而就是连续变化的，而“数字数字”就表示取值是就表示取值是离散的。离散的。n数据与信号转换的几种情况数据与信号转换的几种情况 放大器放大器调制器调制器pcm编码器编码器调制器调制器数字数字调制器调制器模拟数据模拟数据模拟信号模拟信号模拟数据模拟数据数字信号数字信号数字数据数字数据模拟信号模拟信号数字数据数字数据数字信号数字信号7/43计算机网络计算机网络-刘桂江刘桂江 n带宽的定义：带宽的定义：u带宽有时又叫吞吐量。带宽有时又叫吞吐量。“带

4、宽带宽”本来的意思是指某个信本来的意思是指某个信号所具有的频带宽度。单位：赫兹号所具有的频带宽度。单位：赫兹hzhzu对于数字信道，对于数字信道，“带宽带宽”是指在信道上是指在信道上( (或一段链路上或一段链路上) )能够传送的数字信号的速率，即数据速率或比特率。能够传送的数字信号的速率，即数据速率或比特率。n傅立叶（傅立叶（fourierfourier）级数）级数 ：u一个具有有限持续时间的数字信号，可以看做为一个以一个具有有限持续时间的数字信号，可以看做为一个以此有限持续时间此有限持续时间t t为周期的周期阶梯函数为周期的周期阶梯函数g g（t t）。此函）。此函数可展开成傅立叶（数可展开

5、成傅立叶（fourierfourier）级数。）级数。1n1n)2cos(b)2sin(ac21g(t)nnnftnft8/43计算机网络计算机网络-刘桂江刘桂江 uf=1/t 基波频率基波频率u 直流分量直流分量un次谐波的正弦振幅值次谐波的正弦振幅值un次谐波的余弦振幅值次谐波的余弦振幅值un次谐波的均方根振幅，它和次谐波的均方根振幅，它和n次谐波的能量成正比次谐波的能量成正比u信道的带宽越宽，那么能通过的谐波的次数就越高，信道的带宽越宽，那么能通过的谐波的次数就越高，接收端接收端恢复的波形就越接近于原发送端的波形，相当于恢复的波形就越接近于原发送端的波形，相当于n n越大则傅立越大则傅立

6、叶级数中前叶级数中前n n项求和得到的值越接近于原来的周期函数。项求和得到的值越接近于原来的周期函数。 dtg(t)t2c0dtnft)g(t)sin(2 t2a0ndtnft)g(t)cos(2 t2b0n2n2nba 9/43计算机网络计算机网络-刘桂江刘桂江 10/43计算机网络计算机网络-刘桂江刘桂江 n信道的最大数据速率受信道的带宽制约。信道的最大数据速率受信道的带宽制约。n码元传输速率提高时，信号失真会更加严重。因此，在码元传输速率提高时，信号失真会更加严重。因此，在实际的信道上，码元传输的速率必然有个上限。实际的信道上，码元传输的速率必然有个上限。11/43计算机网络计算机网络-

7、刘桂江刘桂江 n奈奎斯特奈奎斯特(nyquist)推导出在理想低通信道下的最推导出在理想低通信道下的最高码元传输速率的公式：高码元传输速率的公式：u“理想低通信道理想低通信道”就是信号的所有低频分量，只就是信号的所有低频分量，只要其频率不超过某个上限值，都能够不失真地通要其频率不超过某个上限值，都能够不失真地通过此信道，而频率超过该上限值的所有高频分量过此信道，而频率超过该上限值的所有高频分量都不能通过该信道。都不能通过该信道。 u理想低通信道的最高码元传输速率理想低通信道的最高码元传输速率 = 2w baud u若一个码元只携带若一个码元只携带1bit1bit的信息量，则的信息量，则“比特比

8、特/ /秒秒”和和“波特波特”在数值上是相等的。但若使在数值上是相等的。但若使1 1个码元个码元携带携带nbitnbit的信息量，则的信息量，则m baudm baud的码元传输速率所的码元传输速率所对应的信息速率则为对应的信息速率则为m mn n bit/s bit/s。 (电平级数？电平级数？)带宽带宽(hz)12/43计算机网络计算机网络-刘桂江刘桂江 n香农公式香农公式(信道的极限信息传输速率信道的极限信息传输速率 )：uc = w log2(1+s/n) bit/suw为信道的带宽为信道的带宽(以以hz为单位为单位)；s为信道内所传为信道内所传信号的平均功率；信号的平均功率；n为信道

9、内部的高斯噪声功率为信道内部的高斯噪声功率u信噪比的单位为信噪比的单位为db，1db=10lg(s/n)u香农公式表明，信道的带宽或信道中的信噪比香农公式表明，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。越大，则信息的极限传输速率就越高。13/43计算机网络计算机网络-刘桂江刘桂江 n2.2.1 双绞线双绞线 n2.2.2 同轴电缆同轴电缆 n2.2.3 光纤光纤 n2.2.4 无线传输媒体无线传输媒体 n2.2.5 卫星通信卫星通信 14/43计算机网络计算机网络-刘桂江刘桂江 n双绞线的特点：双绞线的特点：u双绞线（双绞线（twisted pair）也称双扭线，是一种最经）

10、也称双扭线，是一种最经常使用的物理媒体。把两根互相绝缘的铜导线并排常使用的物理媒体。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放在一起，然后用规则的方法绞合(twist)起来就起来就构成了双绞线。构成了双绞线。n双绞线的分类：双绞线的分类：u非屏蔽双绞线非屏蔽双绞线 u屏蔽双绞线屏蔽双绞线 15/43计算机网络计算机网络-刘桂江刘桂江 屏蔽双绞线非屏蔽双绞线16/43计算机网络计算机网络-刘桂江刘桂江n同轴电缆的特点：同轴电缆的特点：u同轴电缆由内导体铜质芯线同轴电缆由内导体铜质芯线(单股实心线或多股绞单股实心线或多股绞合线合线)、绝缘层、网状编织的外导体屏蔽层、绝缘层、网状编织

11、的外导体屏蔽层(也可以也可以是单股的是单股的)以及保护塑料外层所组成。以及保护塑料外层所组成。n按特性阻抗数值的不同，同轴电缆分为两类：按特性阻抗数值的不同，同轴电缆分为两类：u50 同轴电缆同轴电缆n主要用于在数据通信中传送基带数字信号，又称主要用于在数据通信中传送基带数字信号，又称基带同轴电缆。基带同轴电缆。 u75 同轴电缆同轴电缆n用于模拟传输系统，它是有线电视系统用于模拟传输系统，它是有线电视系统catv中中的标准传输电缆。在这种电缆上传送的信号采用的标准传输电缆。在这种电缆上传送的信号采用了频分复用的宽带信号。了频分复用的宽带信号。 17/43计算机网络计算机网络-刘桂江刘桂江 n

12、光纤的组成：光纤的组成：u光纤通常由非常透明的石英玻璃拉成细丝，主要由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，其直纤芯和包层构成双层通信圆柱体。纤芯很细，其直径只有径只有8 100 m。正是这个纤芯用来传导光波。正是这个纤芯用来传导光波。n光纤的分类：光纤的分类：u单模光纤单模光纤u多模光纤多模光纤18/43计算机网络计算机网络-刘桂江刘桂江 n单模光纤和多模光纤的比较单模光纤和多模光纤的比较19/43计算机网络计算机网络-刘桂江刘桂江 n光纤的特点：光纤的特点：u传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济。传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别

13、经济。u抗雷电和电磁干扰性能好。这在有大电流脉冲干扰的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。环境下尤为重要。u无串音干扰，保密性好，也不易被窃听或截取数据。无串音干扰，保密性好，也不易被窃听或截取数据。u体积小，重量轻。体积小，重量轻。20/43计算机网络计算机网络-刘桂江刘桂江2.2.4 n无线电无线电 u无线传输所使用的频段很广无线传输所使用的频段很广 。n地面微波接力通信的特点：地面微波接力通信的特点：u微波波段频率很高，其频段范围也很宽，因此其通微波波段频率很高，其频段范围也很宽，因此其通信信道的容量很大。信信道的容量很大。u因为工业干扰和天电干扰的主要频谱成分

14、比微波频因为工业干扰和天电干扰的主要频谱成分比微波频率低得多，对微波通信的危害比对短波和米波通信率低得多，对微波通信的危害比对短波和米波通信小得多，因而微波传输质量较高。小得多，因而微波传输质量较高。u与相同容量和长度的电缆载波通信比较，微波接力与相同容量和长度的电缆载波通信比较，微波接力通信建设投资少，见效快。通信建设投资少，见效快。21/43计算机网络计算机网络-刘桂江刘桂江2.2.4 n微波接力通信缺点：微波接力通信缺点：u相邻站之间必须直视，不能有障碍物，有时一个天相邻站之间必须直视，不能有障碍物，有时一个天线发射出的信号也会分成几条略有差别的路径到达线发射出的信号也会分成几条略有差别

15、的路径到达接收天线，因而造成失真。接收天线，因而造成失真。u微波的传播有时也会受到恶劣气候的影响。微波的传播有时也会受到恶劣气候的影响。u与电缆通信系统比较，微波通信的隐蔽性和保密性与电缆通信系统比较，微波通信的隐蔽性和保密性较差；较差；u对大量中继站的使用和维护要耗费一定的人力和物对大量中继站的使用和维护要耗费一定的人力和物力。力。22/43计算机网络计算机网络-刘桂江刘桂江2.2.5 n卫星通信的特点：卫星通信的特点：u通信距离远，且通信费用与通信距离无关。通信距离远，且通信费用与通信距离无关。u具有较大的传播时延。具有较大的传播时延。23/43计算机网络计算机网络-刘桂江刘桂江 2.3.

16、1 模拟传输与数字传输模拟传输与数字传输 2.3.2 数字调制技术数字调制技术 2.3.3 脉码调制脉码调制 2.3.4 多路复用多路复用 2.3.5 数字信号的编码方法数字信号的编码方法 2.3.6 数据通信方式数据通信方式 24/43计算机网络计算机网络-刘桂江刘桂江n模拟传输系统模拟传输系统 u模拟传输是一种模拟传输是一种不考虑其内容不考虑其内容的模拟信号传输方式。的模拟信号传输方式。u放大器放大器中继信号，易引起信号畸变的叠加。中继信号，易引起信号畸变的叠加。u传统的电话通信系统。传统的电话通信系统。 n数字传输系统数字传输系统u数字传输关心的是数字传输关心的是信号本身所携带的内容信号

17、本身所携带的内容。不论传输。不论传输的是数字信号或模拟信号，只要它代表了的是数字信号或模拟信号，只要它代表了0和和1的相的相互变化模式的数据就可以采用数字传输。互变化模式的数据就可以采用数字传输。u转发器（再生器）转发器（再生器）中继信号。中继信号。u在主干网的长距离传输中数字传输技术已逐步取代早在主干网的长距离传输中数字传输技术已逐步取代早先的模拟传输技术。先的模拟传输技术。 25/43计算机网络计算机网络-刘桂江刘桂江2.3.2 n调制就是进行波形变换。或者更严格些，是进行频谱变换，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将基带

18、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。的频谱。u调幅调幅(am)u调频调频(fm)u调相调相(pm)26/43计算机网络计算机网络-刘桂江刘桂江2.3.3 n脉码调制（脉码调制（pcm）：）：编码解码器编码解码器编码解码器编码解码器27/43计算机网络计算机网络-刘桂江刘桂江2.3.3 n脉码调制的过程脉码调制的过程 ：1、采样、采样 u就是按照一定的时间就是按照一定的时间间隔采样测量模拟信间隔采样测量模拟信号幅值。号幅值。u根据采样定理，只要根据采样定理，只要采样频率不低于电话采样频率不低于电话信号最高频率的信号最高频率的2 2倍，倍，就可以从采样脉冲信就可以从采样脉冲信号无失

19、真地恢复出原号无失真地恢复出原来的电话信号。来的电话信号。 1510时间时间/s125 250 375 500 625 750 875 100010.811.29.528/43计算机网络计算机网络-刘桂江刘桂江2.3.3 2、量化、量化 u量化就是将采样点处测得的信号幅值量化就是将采样点处测得的信号幅值分级取整分级取整。 u先将模拟信号的最大可能幅值等分为若干级先将模拟信号的最大可能幅值等分为若干级( (通常为通常为2 2n n级级) )，而后测量得到的幅值按此分级，而后测量得到的幅值按此分级舍入取整舍入取整，得到，得到一个正整数。如，模拟信号的最大幅值的上确界为一个正整数。如，模拟信号的最大

20、幅值的上确界为256256，可将其分为，可将其分为128128级，则幅值在级，则幅值在00，2 2）中量化为）中量化为o o；幅值在幅值在22，4 4）中量化为）中量化为l l；幅值在；幅值在254254，256256）中量化为中量化为127127等。等。 3、编码、编码 u编码就是将量化后的整数值用二进制数来表示。编码就是将量化后的整数值用二进制数来表示。 29/43计算机网络计算机网络-刘桂江刘桂江2.3.4 1、频分多路复用（、频分多路复用（fdm）n基本思想：基本思想： 将信道的可用频带分成若干互不交叠的频将信道的可用频带分成若干互不交叠的频段，每一路信号仅占用其中的一个频段，以实现多

21、路段，每一路信号仅占用其中的一个频段，以实现多路信号在同一信道中的传输。信号在同一信道中的传输。3路话频原路话频原始信号频分始信号频分多路复用一多路复用一带宽为带宽为12khz(6072khz)的物理信道的物理信道示意图示意图30/43计算机网络计算机网络-刘桂江刘桂江2.3.4 2、时分多路复用（、时分多路复用（tdm）n基本思想：将一条线路按其工作时间划分周期，每一基本思想：将一条线路按其工作时间划分周期，每一周期再划分为若干时间片，每一时间片由复用的一个周期再划分为若干时间片，每一时间片由复用的一个信号占用，从而实现一条线路传送多路信号。信号占用，从而实现一条线路传送多路信号。u频分复用

22、的所有用户在同样的时间占用不同的带宽频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源。时分复用的所有用户是在不同的时间占用同资源。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。样的频带宽度。31/43计算机网络计算机网络-刘桂江刘桂江2.3.4 n时分复用可能会造成线路资源的浪费时分复用可能会造成线路资源的浪费 32/43计算机网络计算机网络-刘桂江刘桂江2.3.4 n统计时分复用统计时分复用stdm：u统计时分复用又称为异步时分复用，而普通的时分统计时分复用又称为异步时分复用，而普通的时分复用称为同步时分复用。复用称为同步时分复用。u统计时分复用是一种改进的时分复用。统计时分复用是一种

23、改进的时分复用。n工作原理图：工作原理图：33/43计算机网络计算机网络-刘桂江刘桂江2.3.4 3、波分复用、波分复用u波分复用就是光的频分复用。波分复用就是光的频分复用。n工作原理图：工作原理图：34/43计算机网络计算机网络-刘桂江刘桂江2.3.4 4、码分复用、码分复用 u码分复用码分复用cdm (code division multiplexing)是是另一种共享信道的方法。又称为码分多址另一种共享信道的方法。又称为码分多址cdma (code division multiple access)。u每一个用户可以在同样的时间使用同样的频率进行每一个用户可以在同样的时间使用同样的频率进

24、行通信。由于各用户使用经过特殊挑选的不同码型，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。因此不会造成干扰。u码分复用最初是用于军事通信，因为这种系统发送码分复用最初是用于军事通信，因为这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力。的信号有很强的抗干扰能力。35/43计算机网络计算机网络-刘桂江刘桂江2.3.5 n对在物理媒体中传输的二进制比特串可用高低电平的对在物理媒体中传输的二进制比特串可用高低电平的矩形波来表示。但接收端若无法得知传输的比特串的矩形波来表示。但接收端若无法得知传输的比特串的起始时间或每个比特串的持续时间长短，则出错。起始时间或每个比特串的持续时间长短，则出错。n

25、如：如： 若接收端接收数据时退后若接收端接收数据时退后1个比特位的时间个比特位的时间若比特传输时间缩短一半若比特传输时间缩短一半36/43计算机网络计算机网络-刘桂江刘桂江2.3.5 n计算机网络中常采用的编码方法有两种：计算机网络中常采用的编码方法有两种：u曼彻斯特编码曼彻斯特编码 （早期早期10m以太网采用此编码以太网采用此编码）u差分曼彻斯特编码（差分曼彻斯特编码（令牌环采用此编码）令牌环采用此编码）37/43计算机网络计算机网络-刘桂江刘桂江2.3.6 1、串、并行通信、串、并行通信（1）并行通信）并行通信u将将16位或位或32位的数据按数位宽度同时进行传输，位的数据按数位宽度同时进行

26、传输，每一个数位都要有自己的数据传输线和发送、接收每一个数位都要有自己的数据传输线和发送、接收设备。设备。 （2）串行通信）串行通信u在一根数据传输线上每次传送一位二进制数据，即在一根数据传输线上每次传送一位二进制数据，即数据一位接一位地传送数据一位接一位地传送。 38/43计算机网络计算机网络-刘桂江刘桂江2.3.6 2、单工通信、半双工通信、全双工通信、单工通信、半双工通信、全双工通信 u按照数据传输方向及其时间关系可将通信方式分为按照数据传输方向及其时间关系可将通信方式分为单工、半双工和全双工三种单工、半双工和全双工三种 。39/43计算机网络计算机网络-刘桂江刘桂江2.3.6 3、同步

27、通信与异步通信、同步通信与异步通信u同步是指接收端要按照发送端所发送的每个数据的起同步是指接收端要按照发送端所发送的每个数据的起止时间和重复频率来接收数据，即收发双方在时间上止时间和重复频率来接收数据，即收发双方在时间上必须一致。必须一致。（1）异步传输）异步传输u异步传输又称起止式传输，发送者可以在任何时候发异步传输又称起止式传输，发送者可以在任何时候发送数据。接收者则只要数据到达，就可以接收数据。送数据。接收者则只要数据到达，就可以接收数据。异步传输是以字符为单位的数据传输。异步传输是以字符为单位的数据传输。40/43计算机网络计算机网络-刘桂江刘桂江2.3.6 （2）同步传输）同步传输u同步传输是以数据块为单位的数据传输。同步传输