第二讲物理层

第二讲物理层第一页，共五十九页，编辑于2023年，星期一54321数据链路层应用层传输层网络层物理层网络模型第二页，共五十九页，编辑于2023年，星期一TCP/IP协议簇第三页，共五十九页，编辑于2023年，星期一内容提要数据通信的基础知识数据编码技术信道复用技术物理层标准举例网络设备物理层第四页，共五十九页，编辑于2023年，星期一物理层的功能物理层功能：为传输数据所需的物理链路的建立、维护、拆除而提供的一些特性，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。规程特性指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。即各条物理线路的工作规程和时序关系。第五页，共五十九页，编辑于2023年，星期一一、数据通信的基础知识

几个术语数据(data)——运送消息的实体，是把事件的某些属性规范化后的表现形式。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。第六页，共五十九页，编辑于2023年，星期一1、数据通信系统的模型

传输系统输入信息输入数据发送的信号接收的信号输出数据源点终点发送器接收器调制解调器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数据通信系统源系统目的系统传输系统输出信息PC机第七页，共五十九页，编辑于2023年，星期一2、数据通信方式按信号传送方向与时间的关系分为：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。第八页，共五十九页，编辑于2023年，星期一双向交替通信（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)。第九页，共五十九页，编辑于2023年，星期一双向同时通信（全双工通信）——通信的双方可以同时发送和接收信息。第十页，共五十九页，编辑于2023年，星期一（a）单同步格式（b）双同步格式同步和异步传输第十一页，共五十九页，编辑于2023年，星期一异步通信格式第十二页，共五十九页，编辑于2023年，星期一3、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。第十三页，共五十九页，编辑于2023年，星期一数字信号通过实际的信道情况有失真，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发送信号波形实际的信道（带宽受限、有噪声、干扰和失真）接收信号波形第十四页，共五十九页，编辑于2023年，星期一1）信道能够通过的频率范围1924年，奈奎斯特(Nyquist)就推导出了著名的奈氏准则：在假定的理想条件下，为了避免码间串扰，码元的传输速率的上限值（2W）。在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，否则就会出现码间串扰的问题，使接收端对码元的识别成为不可能。如果信道的频带越宽，也就是能够通过的信号高频分量越多，那么就可以用更高的速率传送码元而不出现码间串扰。Smax=2Wlog2Kb/s

（理想条件下）第十五页，共五十九页，编辑于2023年，星期一2)信道容量与传输速率1948年，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。S/N为信噪比，常用分贝DB（10log10(S/N)）表示

第十六页，共五十九页，编辑于2023年，星期一香农公式结果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。第十七页，共五十九页，编辑于2023年，星期一波特和比特的关系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。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Mnb/s。第十八页，共五十九页，编辑于2023年，星期一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输入数据输出数据发送的信号接收的信号码元传输速率受奈氏准则的限制信息传输速率受香农公式的限制第十九页，共五十九页，编辑于2023年，星期一二、数据编码技术

模拟的和数字的数据、信号模拟数据模拟信号放大器调制器模拟数据数字信号

PCM编码器数字数据模拟信号调制器数字数据数字信号数字发送器第二十页，共五十九页，编辑于2023年，星期一不归零编码NRZ(Non-Return-Zero)曼彻斯特编码(ManchesterEncoding)差（微）分曼彻斯特编码（DifferentialManchesterEncoding）1、数字数据用数字信号表示第二十一页，共五十九页，编辑于2023年，星期一不归零编码非归零码（NRZ码）可以规定用负电平表示逻辑“0”，用正电平表示逻辑“1”；也可以有其他表示方法。第二十二页，共五十九页，编辑于2023年，星期一曼彻斯特编码每个比特的中间有一次电平跳变；“1”定义为由高电平到低电平的跳变；“0”定义为由低电平到高电平的跳变。第二十三页，共五十九页，编辑于2023年，星期一差分曼彻斯特编码是对曼彻斯特编码的改进。“0”和“1”是根据两比特之间有没有跳变来区分的。如果下一个数是“0”，则在两比特中间有一次跳变；如果下一个数据是“1”，则在两比特中间没有电平跳变。差（微）分曼彻斯特编码第二十四页，共五十九页，编辑于2023年，星期一基带信号和带通信号

基带信号（即基本频带信号，baseband

）——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。带通信号(bandpass)——将基带信号进行调制后形成的频分复用模拟信号。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）。2、数字数据用模拟信号表示第二十五页，共五十九页，编辑于2023年，星期一调制方法分类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，波形变换)。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。

第二十六页，共五十九页，编辑于2023年，星期一对基带数字信号的调制方法010011100基带信号调幅调频调相第二十七页，共五十九页，编辑于2023年，星期一脉冲编码调制（PCM）3、模拟数据用数字信号表示第二十八页，共五十九页，编辑于2023年，星期一增量调制（DM）第二十九页，共五十九页，编辑于2023年，星期一共享信道三、信道复用技术复用(multiplexing)是通信技术中的基本概念信道A1A2B1B2C1C2信道信道A1A2B1B2C1C2复用分用(a)不使用复用技术(b)使用复用技术第三十页，共五十九页，编辑于2023年，星期一1、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）。频率时间频率1频率2频率3频率4频率5第三十一页，共五十九页，编辑于2023年，星期一2、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。第三十二页，共五十九页，编辑于2023年，星期一时分复用频率时间BCDBCDBCDBCDAAAAA在

TDM

帧中的位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧…TDM帧第三十三页，共五十九页，编辑于2023年，星期一时分复用频率时间CDCDCDAAAABBBBCDB在

TDM

帧中的位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧…TDM帧第三十四页，共五十九页，编辑于2023年，星期一时分复用频率时间BDBDBDAAAABCCCCDC在

TDM

帧中的位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧…TDM帧第三十五页，共五十九页，编辑于2023年，星期一时分复用频率时间BCBCBCAAAABCDDDDD在TDM帧中的位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧…TDM帧第三十六页，共五十九页，编辑于2023年，星期一时分复用的不足ABCDaabbcdbcattttt4个时分复用帧#1④③②①acbcd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。第三十七页，共五十九页，编辑于2023年，星期一统计时分复用

STDM

(StatisticTDM)用户ABCDabcdttttt3个STDM帧#1④③②①acbabbcacd#2#3统计时分复用第三十八页，共五十九页，编辑于2023年，星期一1550nm01551nm11552nm21553nm31554nm41555nm51556nm61557nm701550nm11551nm21552nm31553nm41554nm51555nm61556nm71557nm3、波分复用WDM

(WavelengthDivisionMultiplexing)波分复用就是光的频分复用。82.5Gb/s1310nm20Gb/s复用器分用器EDFA120km光调制器光解调器第三十九页，共五十九页，编辑于2023年，星期一4、码分复用CDM

(CodeDivisionMultiplexing)常用的名词是码分多址

CDMA(CodeDivisionMultipleAccess)。用户可以在同样的时间使用同样的频率通信各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此彼此不会造成干扰。这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力，其频谱类似于白噪声，不易被发现。第四十页，共五十九页，编辑于2023年，星期一四、物理层标准举例RS-232是DTE与DCE之间的接口标准DTE(DataTerminalEquipment)是数据终端设备，是具有一定的数据处理能力和发送、接收数据能力的设备。DCE(DataCircuit-terminatingEquipment)是数据电路端接设备，它在DTE和传输线路之间提供信号变换和编码的功能，并且负责建立、保持和释放数据链路的连接。第四十一页，共五十九页，编辑于2023年，星期一DTE通过DCE

与通信传输线路相连DTEDCEDCE串行比特传输信号线与控制线用户环境通信环境用户设施通信设施DTE信号线与控制线用户设施用户环境第四十二页，共五十九页，编辑于2023年，星期一

典型的物理层标准接口：

EIARS-2321960年美国电子工业协会EIA提出RS-232，1963提出RS-232-A，1965年提出RS-232-B，1969提出RS-232-C。用于DTE/DCE之间的接口。机械特性：25芯连接器，DTE为插头，DCE为插座。电气特性：采用非平衡型电气特性，低于-3V为“1”，高于+4V为“0”，最大20Kbps，最长15m。第四十三页，共五十九页，编辑于2023年，星期一RS-232的不足与改进不足：传输性能低，距离短，速率低。改进：重新设计，X.21；以RS-232-C为基础改进，1977年提出了RS-449。第四十四页，共五十九页，编辑于2023年，星期一RS-232的功能特性(1)保护地(2)发送数据(3)接收数据(4)请求发送(5)允许发送(6)DCE就绪(7)信号地(8)载波检测(20)DTE就绪(22)振铃指示DTEDCE计算机或终端调制解调器第四十五页，共五十九页，编辑于2023年，星期一第四十六页，共五十九页，编辑于2023年，星期一2、RS-449接口标准RS-449由3个标准组成。即：RS-449RS-423-ARS-422-A

第四十七页，共五十九页，编辑于2023年，星期一

典型的物理层标准接口：

EIARS-449/422-A/423-A第四十八页，共五十九页，编辑于2023年，星期一

典型的物理层标准接口：

EIARS-449/422-A/423-A第四十九页，共五十九页，编辑于2023年，星期一互联设备与OSI的对应关系五、网络设备第五十页，共五十九页，编辑于2023年，星期一1、中继器中继器(Repeater)又称重发器，是一种最为简单但也是用得最多的网络互连设备。中继器是物理层上的网络互连设备，它的作用是对电缆上传输的数据信号再生放大，再重发到其它电缆段上。中继器仅适用于以太网，可将两段或两段以上以太网互连起来。标准细缆以太网利用中继器可将每段长度扩展到925m；粗缆以太网每段长度扩展到2500m。第五十一页，共五十九页，编辑于2023年，星期一中继器的种类第五十二页，共五十九页，编辑于2023年，星期一（1）概述集线器（HUB）是对网络进行集中管理的设备，工作于物理层，采用共享型模式，是一个共享设备，其实质是一个多接口的中继器

（共享就是指在有一个端口向另一个端口发送数据时，其他端口都处于“等待”状态）连接在Hub上的主机以广播方式传输数据，按照CSMA/CD存取，每个端口的可用带宽是Hub总带宽的平均值，与主机数量成反比。2、网络集线器（HUB）第五十三页，共五十九页，编辑于2023年，星期一信号的再生与转发。当某一工作站发送数据时，Hub对到达信号的幅度和相位失真进行补