计算机网络(第3版)第3章：物理层

1、吴功宜吴功宜 编著编著普通高等教育精品教材普通高等教育精品教材普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”国家级规划教材国家级规划教材计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层2本章学习要求本章学习要求： 理解：物理层与物理层协议的基本概念。理解：物理层与物理层协议的基本概念。 理解：数据通信的基本概念。理解：数据通信的基本概念。 掌握：传输介质类型及主要特性。掌握：传输介质类型及主要特性。 掌握：数据编码的类型和基本方法。掌握：数据编码的类型和基本方法。 掌握：基带传输与频带传输的基本概念。掌握：基带传输与频带传输的基本概念。 掌握：多路复用技术的分类与特点。掌握：多路复用技术的分类与特点

2、。 掌握：同步数字体系掌握：同步数字体系SDHSDH的基本概念。的基本概念。 掌握：接入技术的基本概念。掌握：接入技术的基本概念。计算机网络第计算机网络第3章章 物理层物理层3本章知识点结构本章知识点结构计算机网络第计算机网络第3章章 物理层物理层43.1 物理层与物理层协议的基本概念物理层与物理层协议的基本概念3.1.1 物理层的基本服务功能物理层的基本服务功能设置物理层的目的是设置物理层的目的是：屏蔽物理层所采用的传输介质、通信设备与通信屏蔽物理层所采用的传输介质、通信设备与通信技术的差异性，使数据链路层只需要考虑如何使技术的差异性，使数据链路层只需要考虑如何使用物理层的服务，而不需要考虑

3、物理层的功能具用物理层的服务，而不需要考虑物理层的功能具体是使用了哪种传输介质、通信设备与技术实现体是使用了哪种传输介质、通信设备与技术实现的。的。计算机网络第计算机网络第3章章 物理层物理层53.1.2 物理层协议的类型物理层协议的类型 基于点基于点点通信线路的物理层协议点通信线路的物理层协议 基于广播通信线路的物理层协议基于广播通信线路的物理层协议讨论讨论 物理层协议的类型增加最快。物理层协议的类型增加最快。 教材对物理层与数据链路层的处理方法：教材对物理层与数据链路层的处理方法： 第第3章讨论基于点章讨论基于点点通信线路的物理层协议与技术；点通信线路的物理层协议与技术； 第第4章讨论基于

4、点章讨论基于点点通信线路物理层协议的数据链路点通信线路物理层协议的数据链路层问题。层问题。 第第5章以局域网、城域网与无线网络技术为背景，讨论章以局域网、城域网与无线网络技术为背景，讨论基于广播信道的物理层和数据链路层协议与标准。基于广播信道的物理层和数据链路层协议与标准。 第第6章讨论它们共同使用的网络层的章讨论它们共同使用的网络层的IP协议。协议。计算机网络第计算机网络第3章章 物理层物理层63.1.3 物理层向数据链路层提供的服务物理层向数据链路层提供的服务 点点点通信线路的物理层比特流传输过程点通信线路的物理层比特流传输过程计算机网络第计算机网络第3章章 物理层物理层73.2 数据通信

5、的基本概念数据通信的基本概念3.2.1 信息、数据与信号信息、数据与信号 信息、数据与信号的基本概念信息、数据与信号的基本概念计算机网络第计算机网络第3章章 物理层物理层83.2.2 数据通信方式数据通信方式计算机网络中两台主机通信过程计算机网络中两台主机通信过程计算机网络第计算机网络第3章章 物理层物理层9数据传输类型数据传输类型 模拟信号与数字信号波形模拟信号与数字信号波形计算机网络第计算机网络第3章章 物理层物理层10 串行通信与并行通信串行通信与并行通信计算机网络第计算机网络第3章章 物理层物理层11 单工、半双工与全双工通信单工、半双工与全双工通信计算机网络第计算机网络第3章章 物理

6、层物理层12同步技术同步技术 同步传输同步传输 异步传输异步传输计算机网络第计算机网络第3章章 物理层物理层133.2.3 传输介质的主要类型与特性传输介质的主要类型与特性 双绞线的主要特性双绞线的主要特性计算机网络第计算机网络第3章章 物理层物理层14 同轴电缆的主要特性同轴电缆的主要特性计算机网络第计算机网络第3章章 物理层物理层15光纤的主要特性光纤的主要特性 光纤结构与传输原理光纤结构与传输原理计算机网络第计算机网络第3章章 物理层物理层16 典型的光纤传输系统结构典型的光纤传输系统结构 多模光纤与单模光纤的比较多模光纤与单模光纤的比较计算机网络第计算机网络第3章章 物理层物理层17

7、光缆结构光缆结构计算机网络第计算机网络第3章章 物理层物理层18无线与卫星通信技术无线与卫星通信技术 电磁波谱与通信类型电磁波谱与通信类型计算机网络第计算机网络第3章章 物理层物理层19移动通信的基本概念移动通信的基本概念 工业、科学与医药专用工业、科学与医药专用ISM频段频段 信号频率、功率与覆盖范围信号频率、功率与覆盖范围计算机网络第计算机网络第3章章 物理层物理层20蜂窝无线通信蜂窝无线通信计算机网络第计算机网络第3章章 物理层物理层21卫星通信卫星通信 计算机网络第计算机网络第3章章 物理层物理层223.2.4 数据编码分类数据编码分类计算机网络第计算机网络第3章章 物理层物理层233

8、.3 频带传输技术频带传输技术计算机网络第计算机网络第3章章 物理层物理层243.3.2 波特率的定义波特率的定义波特率的定义波特率的定义 调制速率描述通过模拟线路传输模拟数据信号调制速率描述通过模拟线路传输模拟数据信号传输过程中，从调制解调器输出的调制信号每传输过程中，从调制解调器输出的调制信号每秒钟载波调制状态改变的数值，单位是秒钟载波调制状态改变的数值，单位是1/s，称，称为波特（为波特（baud）。）。 调制速率也称为波特率。调制速率也称为波特率。 波特率描述的是码元传输的速率。波特率描述的是码元传输的速率。比特率的定义比特率的定义 数据传输速率描述在计算机通信中每秒传送的数据传输速率

9、描述在计算机通信中每秒传送的构成代码的二进制比特数，单位是构成代码的二进制比特数，单位是bps。计算机网络第计算机网络第3章章 物理层物理层25波特率与比特率的关系波特率与比特率的关系 比特率比特率S（单位为（单位为bps）与调制速率）与调制速率B（单位为（单位为baud）之间关系可以表示为：）之间关系可以表示为： S=Blog2k 式中式中k为多相调制的相数。为多相调制的相数。 log2k值表示一次调制状态的变化传输的二进制值表示一次调制状态的变化传输的二进制比特数。比特数。计算机网络第计算机网络第3章章 物理层物理层26波特率与比特率的关系波特率与比特率的关系计算机网络第计算机网络第3章章

10、 物理层物理层273.4 基带传输技术基带传输技术3.4.1 基带传输的定义基带传输的定义 在数据通信中，表示计算机二进制的比特序列在数据通信中，表示计算机二进制的比特序列的数字信号是典型的矩形脉冲信号。的数字信号是典型的矩形脉冲信号。 人们将矩形脉冲信号称为基本信号。人们将矩形脉冲信号称为基本信号。 在数字信道上直接传送基带信号的方法称为基在数字信道上直接传送基带信号的方法称为基带传输。带传输。计算机网络第计算机网络第3章章 物理层物理层283.4.2 数字数据编码方法数字数据编码方法计算机网络第计算机网络第3章章 物理层物理层293.4.3 脉冲编码调制方法脉冲编码调制方法 PCM技术的典

11、型应用是语音信号的数字化。技术的典型应用是语音信号的数字化。计算机网络第计算机网络第3章章 物理层物理层30脉冲编码调制的工作过程：采样、量化与编码脉冲编码调制的工作过程：采样、量化与编码计算机网络第计算机网络第3章章 物理层物理层31 调制器、调制器、 曼彻斯特编码器与曼彻斯特编码器与PCM编码器的比较编码器的比较计算机网络第计算机网络第3章章 物理层物理层323.4.4 比特率的定义比特率的定义 数据传输速率在数值上，等于每秒钟传输的二进制比数据传输速率在数值上，等于每秒钟传输的二进制比特数，单位为比特特数，单位为比特/秒，记做秒，记做bps。 对于二进制数据，数据传输速率为：对于二进制数

12、据，数据传输速率为：S=1/T（bps）其）其中，中，T为发送每个比特所需要的时间。为发送每个比特所需要的时间。 在实际应用中常用的数据传输速率单位在实际应用中常用的数据传输速率单位 1kbps =1103 bps 1Mbps=1106 bps 1Gbps=1109 bps 1Tbps=11012 bps计算机网络第计算机网络第3章章 物理层物理层333.4.5 奈奎斯特准则与香农定理奈奎斯特准则与香农定理奈奎斯特准则的基本内容奈奎斯特准则的基本内容 如果表示码元的窄脉冲信号以时间间隔为如果表示码元的窄脉冲信号以时间间隔为/（=2f）通过理想通信信道，则前后码元之）通过理想通信信道，则前后码元

13、之间不产生相互串扰。间不产生相互串扰。 根据奈奎斯特准则，二进制数据信号的最大数根据奈奎斯特准则，二进制数据信号的最大数据传输速率据传输速率Rmax与理想信道带宽与理想信道带宽B（单位（单位Hz）的关系可以写为：的关系可以写为： Rmax=2B（bps）。）。计算机网络第计算机网络第3章章 物理层物理层34香农定理的基本内容香农定理的基本内容 奈奎斯特定理描述了有限带宽、无噪声的理想奈奎斯特定理描述了有限带宽、无噪声的理想信道的最大传输速率与信道带宽的关系。信道的最大传输速率与信道带宽的关系。 香农定理则描述了有限带宽、有随机热噪声信香农定理则描述了有限带宽、有随机热噪声信道的最大传输速率与信

14、道带宽、信号噪声功率道的最大传输速率与信道带宽、信号噪声功率比之间的关系。比之间的关系。 香农定理指出：在有随机热噪声的信道中传输香农定理指出：在有随机热噪声的信道中传输数据信号时，传输速率数据信号时，传输速率Rmax与信道带宽与信道带宽B、信、信噪比噪比S/N的关系为：的关系为：Rmax=Blog2（1+S/N）。式）。式中，中，Rmax单位为单位为bps，带宽，带宽B单位为单位为Hz。计算机网络第计算机网络第3章章 物理层物理层353.5 多路复用技术多路复用技术3.5.1 多路复用的基本概念多路复用的基本概念计算机网络第计算机网络第3章章 物理层物理层36多路复用技术的分类多路复用技术的

15、分类 时分多路复用（时分多路复用（TDM） 频分多路复用（频分多路复用（FDM） 波分多路复用（波分多路复用（WDM） 码分多址（码分多址（CDMA）正交频分复用（）正交频分复用（OFDM）计算机网络第计算机网络第3章章 物理层物理层37时分多路复用时分多路复用: :同步时分多路复用同步时分多路复用 统计时分多路复用统计时分多路复用计算机网络第计算机网络第3章章 物理层物理层383.5.3 频分多路复用频分多路复用计算机网络第计算机网络第3章章 物理层物理层393.5.4 波分多路复用波分多路复用计算机网络第计算机网络第3章章 物理层物理层403.6 同步光纤网同步光纤网SONET与同步数字体

16、系与同步数字体系SDH3.6.1 SONET与与SDH的基本概念的基本概念 早期时分多路复用（早期时分多路复用（TDM）设备是专用的，并且各个运营）设备是专用的，并且各个运营商的商的TDM标准不同。标准不同。 1985年美国贝尔实验室首先提出了同步光纤网（年美国贝尔实验室首先提出了同步光纤网（SONET）的概念，解决光接口标准规范问题。的概念，解决光接口标准规范问题。 ITU-T在在SONET的基础上制定同步数字体系的基础上制定同步数字体系 （SDH）标准，从而统一了国际通信传输速率、接口标准）标准，从而统一了国际通信传输速率、接口标准体制。体制。 SDH标准不仅适用于光纤传输系统，也适用于微

17、波与卫星标准不仅适用于光纤传输系统，也适用于微波与卫星传输体系。传输体系。计算机网络第计算机网络第3章章 物理层物理层413.6.2 基本速率标准的制定基本速率标准的制定 T1载波速率载波速率 T1=（193/125）106=1.544（Mbps）计算机网络第计算机网络第3章章 物理层物理层42E1载波速率载波速率 E1标准是标准是CCITT标准，它将标准，它将30路数字语音信道路数字语音信道和和2路控制信道复用在一条通信线路。路控制信道复用在一条通信线路。 每个信道在一帧中插入每个信道在一帧中插入8bit数据，这样一帧要数据，这样一帧要传送的数据共（传送的数据共（30+2）8=256（bit

18、）。）。 传送一帧的时间为传送一帧的时间为125s。则。则E1载波的数据传载波的数据传输速率为：输速率为： E1=（256/125）106=2.048（Mbps）计算机网络第计算机网络第3章章 物理层物理层433.6.3 SDH速率体系速率体系计算机网络第计算机网络第3章章 物理层物理层44SDH速率体系速率体系 OC定义的是光纤上传输的光信号速率。定义的是光纤上传输的光信号速率。 STS定义的是数字电路接口的电信号传输速率。定义的是数字电路接口的电信号传输速率。 STM标准是电话主干线路的数字信号速率标准标准是电话主干线路的数字信号速率标准。计算机网络第计算机网络第3章章 物理层物理层45OC、STS与与STM速率对应关系速率对应关系计算机网络第计算机网络第3章章 物理层物理层463.7 接入技术接入技术3.7.1 接入技术的基本概念接入技术的基本概念接入技术的类型接入技术的类型计算机网络第计算机网络第3章章 物理层物理层47 接入技术分类接入技术分类计算机网络