自考网络原理第3章物理层要点

1、2022年1月26日1计算机网络原理计算机网络原理2第第3 3章章 物理层物理层3.1 物理接口物理接口3.2 传输介质传输介质3.3 数据通信技术数据通信技术3.4 数据编码数据编码3.5 数据交换技术数据交换技术3复习纲要复习纲要n 物理接口物理接口n 物理层的功能与服务物理层的功能与服务n ISO对物理层的对物理层的OSI定义定义n ITU对物理层的定义，加入了对物理层的定义，加入了DTE和和DCEn 物理层四个特性：机械、电气、功能、规程物理层四个特性：机械、电气、功能、规程n DTE和和DCE之间的电气连接三种方式之间的电气连接三种方式n 物理层接口标准：物理层接口标准：n 经典的经

2、典的RS232C、EIA提出提出n RS449，含子标准含子标准RS423（非平衡非平衡）、）、RS422（平衡平衡）n ITU提出的提出的V系列，含系列，含100系列、系列、200系列系列n ITU提出的提出的X系列，含系列，含X.21和和X.21bis4复习纲要复习纲要n 传输介质传输介质n 传输介质的定义传输介质的定义n 传输介质对通信质量影响的特性传输介质对通信质量影响的特性n 传输介质选择的取决因素传输介质选择的取决因素n 有线传输介质：三种有线传输介质：三种n 光纤是最好的，速度快、距离远、抗干扰光纤是最好的，速度快、距离远、抗干扰n 无线传输介质：四种无线传输介质：四种n 无线电

3、波，移动通信网络，蜂窝式部署结构无线电波，移动通信网络，蜂窝式部署结构n 蜂窝移动通信系统的多址接入三种方式蜂窝移动通信系统的多址接入三种方式n 三种视线介质，容易受气候影响三种视线介质，容易受气候影响n 卫星通信系统，有通信延时，典型值是卫星通信系统，有通信延时，典型值是540ms5复习纲要复习纲要n 数据通信技术数据通信技术n 通信信道包括四个指标：数据传输速率、信道容量、误通信信道包括四个指标：数据传输速率、信道容量、误码率、通信方式码率、通信方式n 数据传输速率，表示信道一般数据传输速率数据传输速率，表示信道一般数据传输速率n 基本公式：码元、波特率、脉冲信号宽度、脉冲周期基本公式：码

4、元、波特率、脉冲信号宽度、脉冲周期n 信道容量，表示信道最大数据传输速率信道容量，表示信道最大数据传输速率n 奈奎斯特公式，无噪声，带宽、码元奈奎斯特公式，无噪声，带宽、码元n 香农公式，有噪声干扰，带宽、信噪比香农公式，有噪声干扰，带宽、信噪比n 通信方式：并行通信、串行通信通信方式：并行通信、串行通信n 串行通信的三种方向性结构串行通信的三种方向性结构n 模拟数据通信和数字数据通信模拟数据通信和数字数据通信n 编码解码、调制解调的区别编码解码、调制解调的区别n 多路复用技术：频分、时分、波分多路复用技术：频分、时分、波分n波分复用技术用于光纤波分复用技术用于光纤n 两种传输方式：异步传输、

5、同步传输两种传输方式：异步传输、同步传输6复习纲要复习纲要n 数据编码技术数据编码技术n 数字数据的数字信号数字数据的数字信号n单极不归零码、不归零码单极不归零码、不归零码n单极归零码、双极归零码单极归零码、双极归零码n 同步技术同步技术n分成位同步和群同步分成位同步和群同步n位同步分为外同步、自同步位同步分为外同步、自同步n自同步掌握自同步掌握曼彻斯特编码、差分曼彻斯特编码曼彻斯特编码、差分曼彻斯特编码n群同步即前面的异步传输群同步即前面的异步传输n 模拟数据的数字信号模拟数据的数字信号nPCM三步骤：采样、量化、编码三步骤：采样、量化、编码n 调制解调器调制解调器n数字信号转模拟信号的三种

6、技术：数字信号转模拟信号的三种技术：ASK、FSK、PSKnxDSL的概念，的概念，ADSL的不对称含义的不对称含义7复习纲要复习纲要n 数据交换技术数据交换技术n 电路交换电路交换n面向连接、专用通路面向连接、专用通路n优缺点优缺点n 报文交换报文交换n以报文为交换单位以报文为交换单位n优缺点优缺点n 分组交换分组交换n把报文划分为分组，以分组为交换单位把报文划分为分组，以分组为交换单位n分为虚电路分组交换、数据报文分组交换分为虚电路分组交换、数据报文分组交换n 三种交换技术的比较三种交换技术的比较8本章计算本章计算数据传输速率数据传输速率n 数据传输速率数据传输速率R R，已知条件：数字脉

7、冲周期、波特率、码元已知条件：数字脉冲周期、波特率、码元R = BR = Bloglog2 2N = 1/T N = 1/T loglog2 2N N n B B是波特率，是波特率，N N是码元携带的二进制位，是码元携带的二进制位，T T是周期是周期n 例子，已知脉冲周期为例子，已知脉冲周期为8338331010-6-6秒，采用四相调制方式，求数据传输速率秒，采用四相调制方式，求数据传输速率即即N=4N=4，且，且T=833T=8331010-6-6秒秒R = (1/833R = (1/8331010-6-6 ) )loglog2 24 =12004 =12002=2400bps2=2400b

8、psn 例子，数据传输率为例子，数据传输率为1200bps1200bps，采用无校验，采用无校验，1 1位停止位的异步传输，问位停止位的异步传输，问1 1分钟最分钟最多能传输多少个汉字多能传输多少个汉字隐含知识：异步传输以字符为传输单位，每个字符由隐含知识：异步传输以字符为传输单位，每个字符由5-85-8位数据组成。每个字符有位数据组成。每个字符有1 1个起始个起始位和位和1 1至至2 2个停止位保证字符的同步。个停止位保证字符的同步。因为汉字是用两个字节的数据，每个字节是因为汉字是用两个字节的数据，每个字节是8 8位，加上位，加上1 1个起始位，题目中加上个起始位，题目中加上1 1个停止位，

9、所以每个字节的数据用个停止位，所以每个字节的数据用1010位，即一个汉字用位，即一个汉字用2020位位得到：得到： (1200(1200* *60) / 20 = 360060) / 20 = 3600个汉字个汉字如果传输是英文字母，因为每个字母用如果传输是英文字母，因为每个字母用1 1个字节，即个字节，即1010位，得传输位，得传输72007200个字母个字母9本章计算本章计算数据传输速率数据传输速率n 奈奎斯特公式，求最大数据传输速率，已知条件：无噪声下，信道带宽、奈奎斯特公式，求最大数据传输速率，已知条件：无噪声下，信道带宽、波特率、码元波特率、码元C = 2C = 2H Hloglog

10、2 2N = B N = B loglog2 2N N n B B是波特率，是波特率，N N是码元携带的二进制位，是码元携带的二进制位，H H是带宽也是频率范围是带宽也是频率范围n 例子，对于带宽为例子，对于带宽为6MHz6MHz信道，若用信道，若用4 4种不同的状态来表示数据，在不考虑噪声的种不同的状态来表示数据，在不考虑噪声的情况下，该信道的最大传输率是多少情况下，该信道的最大传输率是多少即即N=4N=4，且且H=6MH=6MC = 2C = 2H Hloglog2 2N = 2N = 26M6Mloglog2 24 = 24Mbps 4 = 24Mbps n 例子，采用每种相位各有两种幅

11、度的例子，采用每种相位各有两种幅度的PAMPAM调制方法，在带宽为调制方法，在带宽为8KHz8KHz的无噪声信道的无噪声信道上传输数字信号，若要达到上传输数字信号，若要达到64Kbps64Kbps的数据传输率，问要多少种不同相位的数据传输率，问要多少种不同相位? ?即即C=64KC=64K，且且H=8KH=8Kloglog2 2N = C / (2N = C / (2H) = 4 H) = 4 得到得到 N= 16N= 16 因为每种相位有两种幅度，所以因为每种相位有两种幅度，所以 16/2 = 816/2 = 8种不同相位种不同相位 10本章计算本章计算数据传输速率数据传输速率n 香农公式，

12、求最大数据传输速率，已知条件：有噪声干扰、信道带宽、香农公式，求最大数据传输速率，已知条件：有噪声干扰、信道带宽、信号功率、噪声功率、信噪比信号功率、噪声功率、信噪比r rC = HC = Hloglog2 2( 1+10( 1+10(r/10) (r/10) ) )n H H是带宽，是带宽，r r是信噪比，单位是是信噪比，单位是dBdB分贝，分贝，r=S/Nr=S/Nn 例子，信道带宽例子，信道带宽3KHz3KHz，信噪比为，信噪比为30db30db，则每秒能发送的比特数不会超过多少，则每秒能发送的比特数不会超过多少即即H=3KH=3K，r=30r=30C = 3K C = 3K log l

13、og2 2(1 + 10(1 + 10(30/10)(30/10) ) = 3K ) = 3K log log2 2(1001) = 30Kbps(1001) = 30Kbps11本章计算本章计算编码画图编码画图n 已知控制字符已知控制字符SYNSYN的的ASCIIASCII码为码为00101100010110，请画出请画出SYNSYN的的FSKFSK、NRZNRZ、曼彻斯曼彻斯特编码、差分曼彻斯特四种编码的波形特编码、差分曼彻斯特四种编码的波形n FSKFSK是调频编码，用两种不同频率表示二进制的是调频编码，用两种不同频率表示二进制的0 0和和1 1，参考课本参考课本P57P57n NRZN

14、RZ是不归零码，每位编码占用全部码元宽度，是不归零码，每位编码占用全部码元宽度，0 0是低是低1 1是高，参考课本是高，参考课本P52P52n 曼彻斯特编码，用中间跳变表示，升是曼彻斯特编码，用中间跳变表示，升是0 0，降是降是1 1，参考课本参考课本P52P52n 差分曼彻斯特，用中间跳变表示，看起点，差分曼彻斯特，用中间跳变表示，看起点，0 0跳跳1 1不跳，一般起点是高电平，参不跳，一般起点是高电平，参考课本考课本P52P5212本章计算本章计算采样定理采样定理n 数字采样，是把模拟信号转化为数字信号，得到数据传输速率数字采样，是把模拟信号转化为数字信号，得到数据传输速率C C。已知条。

15、已知条件：脉冲频率件：脉冲频率BsBs、频宽或带宽、频宽或带宽BsBs、采样次数、采样次数FsFs、量化级、量化级N NC = 2C = 2BsBsloglog2 2 N = FsN = Fsloglog2 2 N Nn BsBs是带宽，是带宽，FsFs是采样次数也是带宽的是采样次数也是带宽的2 2倍，倍，N N是量化级是量化级n 例子例子. .对于带宽为对于带宽为4KHz4KHz的语音信号，采用量化级别为的语音信号，采用量化级别为128128的的PCMPCM方法编码，问所产方法编码，问所产生的二进制位起码要用多大传输速率的信道才能传输？生的二进制位起码要用多大传输速率的信道才能传输？即即Bs

16、=4KBs=4K，N=128N=128C = 2C = 24K4Kloglog2 2 (128) =56Kbps(128) =56Kbps13本章计算本章计算传播延迟传播延迟n 延迟与传送距离和传输速度有关，已知条件：传送距离延迟与传送距离和传输速度有关，已知条件：传送距离( (路径长度路径长度) )、传、传输速度、总数据量、带宽输速度、总数据量、带宽一个位一个位bitbit的传送时间，即一个位传送延迟的传送时间，即一个位传送延迟 = = 传送距离传送距离 / /传输速度传输速度n 例子例子. .考虑一条长度为考虑一条长度为50Km 50Km 的点到点链路，对一个的点到点链路，对一个100 1

17、00 字节的分组，带宽为多字节的分组，带宽为多大时其传播延迟（速度为大时其传播延迟（速度为2 2* *10108 8m/sm/s）等于发送延迟？对于）等于发送延迟？对于512 512 字节的分组，情况字节的分组，情况又如何？又如何？传送距离传送距离=50=501000=51000=510104 4，传播速度传播速度=2=210108 8，因此每个位的传送时间因此每个位的传送时间=(5=(510104 4) ) / (2/ (210108 8) = 2.5 ) = 2.5 1010-4-4 秒秒要传播延迟等于发送延迟，即带宽要能够一次传送总数据量要传播延迟等于发送延迟，即带宽要能够一次传送总数据

18、量即即 100100字节字节/ C = 2.5 / C = 2.5 1010-4-4 = 0.25 = 0.25 1010-5-5秒，因为秒，因为100100个字节共个字节共800800个位个位得到带宽得到带宽C = 800/(0.25 C = 800/(0.25 1010-5-5) = 3.2 ) = 3.2 10108 8 = 320Mbps = 320Mbps如果是如果是512512字节，共字节，共40964096字节，即字节，即4K4K字节字节得到带宽得到带宽C = 4K/(0.25 C = 4K/(0.25 1010-5-5) = 1.6 ) = 1.6 10109 9 = 1.6G

19、bps = 1.6Gbps14本章计算本章计算传播延迟传播延迟n 例子例子.1Gbps.1Gbps网络，路径上有一个存储转发交换机，分组长度为网络，路径上有一个存储转发交换机，分组长度为50005000比特，比特，每条链路的传播延迟为每条链路的传播延迟为10us10us，交换机接收完分组后再开始转发分组交换机接收完分组后再开始转发分组1.1.计算传播延迟计算传播延迟2.2.假设要经过三个交换机，计算传播延迟假设要经过三个交换机，计算传播延迟3.3.假设要经过三个交换机，假定交换机之间采用直通式转发：接受假设要经过三个交换机，假定交换机之间采用直通式转发：接受128128比特后就立比特后就立即转

20、发该分组，计算传播延迟即转发该分组，计算传播延迟总延迟总延迟 = = 接收延迟接收延迟 + + 传播延迟传播延迟 (5000 / 1G) + 10 = 15 us(5000 / 1G) + 10 = 15 us 15153 = 45 us3 = 45 us 第一个交换机用第一个交换机用15us15us，第二个交换机只用第二个交换机只用(128/1G)+10=10.125us(128/1G)+10=10.125us，第三个交换第三个交换机同样，所以用机同样，所以用15+10.125+10.125=35.5us15+10.125+10.125=35.5us15本章计算本章计算传播延迟传播延迟n 例

21、子例子. .假设在地球和一个火星探测车之间架设了一条假设在地球和一个火星探测车之间架设了一条128Kbps 128Kbps 的点到点的点到点的链路，从火星到地球的距离的链路，从火星到地球的距离( (当它们离得最近时当它们离得最近时) )大约是大约是55gm55gm，而且数，而且数据在链路上以光速传播，即据在链路上以光速传播，即3 310108 8m/sm/s。n 计算传播延迟计算传播延迟n 假设拍摄一张图片（大小假设拍摄一张图片（大小5MB5MB）并发送回地球，求照片到达地球的时间）并发送回地球，求照片到达地球的时间隐含知识：隐含知识：k/m/gk/m/g的关系，以及它们对应的的关系，以及它们

22、对应的2 2次幂和次幂和1010次幂次幂传播延迟传播延迟 = = 传送距离传送距离 / / 传送速度传送速度 = (55= (5510109 9) / (3) / (310108 8) = 183.3) = 183.3秒秒一张图片大小一张图片大小 = 5MB = 5M= 5MB = 5M* *8b = 40Mb8b = 40Mb，因为因为128K= (1/8)Mb128K= (1/8)Mb总延迟总延迟 = = 发送延迟发送延迟 + + 传播延迟传播延迟发送延迟发送延迟 = 40M/128K = 320= 40M/128K = 320秒秒总延时总延时 = 320 + 183.3 = 503.3=

23、 320 + 183.3 = 503.3秒秒16本章计算本章计算采样与带宽采样与带宽n 例子例子. .计算传输带宽计算传输带宽1.HDTV1.HDTV高清视频，分辨率高清视频，分辨率1920192010801080，2424位位/ /像素，像素，3030帧每秒帧每秒该视频在理论上为该视频在理论上为2.5GHz2.5GHz宽带，信噪比为宽带，信噪比为30dB30dB的信道上能否实时传输？的信道上能否实时传输？2.82.8比特比特POTSPOTS电话服务，采样频率电话服务，采样频率8KHz8KHz3.2603.260比特比特GSMGSM移动语音音频，采样频率移动语音音频，采样频率50Hz50Hz4.244.24比特比特HDCDHDCD高保真音频，采样频率高保真音频，采样频率88.2KHz88.2KHz 1920192010801080242430=1.49Gbps30=1.49Gbps。根据香农公式根据香农公式C=2.5GC=2.5G log log2 2(1 + 10(1 + 10(30/10)(30/10) )=25Gbps )=25Gbps因为因为1.49G25G1.49G25G，所以可以实时传输所以可以实时传输8 88K=64Kbps8K=64Kbps 26026050=13000bps50=13000bps1.1. 242488.2K=2116.