05-物理层-传输介质与数据通信省公开课一等奖全国示范课微课金奖课件

物理层数据链接层网络层运输层会话层表示层应用层OSI七层协议实际生活中从来没有实现过！物理层数据链接层网络层IP运输层TCP应用层Internet五层协议网络接口层网络层运输层应用层TCP/IP四层协议Review:协议栈，服务模式一个协议层能够由软件、硬件，或二者同时完成服务功效。不一样层协议总合为协议栈--

protocolstack。1第1页数据多层封装消息数据段数据报帧发送端应用层运输层网络层链路层物理层HtHnHlMHtHnMHtMM接收端应用层运输层网络层链路层物理层HtHnHlMHtHnMHtMM网络层链路层物理层链路层物理层HtHnHlMHtHnMHtHnHlMHtHnMHtHnHlMHtHnHlM路由器交换机位位位位消息数据段数据报帧Review:数据封装2第2页林楠电子邮件：lynn_linnan@办公电话公室：408物理层第四讲3第3页物理层传输介质数据通信4第4页物理层物理层发送方接收方传输介质传输介质实际上位于物理层以下，并直接由物理层控制。电缆或空气传输介质:是计算机网络主要组成部分之一， 是数据传输中收发双方物理通路，其特征对网络通信速度和通信量都有很大影响。5第5页传输介质有线传输介质双绞线同轴电缆无线传输介质空气：无线电、微波、卫星、移动通讯光缆有线传输介质（有向）：双绞线、同轴电缆、光缆无线传输介质（无向）：无线电、微波、卫星、移动通讯传输介质：分类6第6页物理特征：说明传输介质物理结构、特征阻抗等。传输特征：传输模拟信号还是数字信号，传输容量及带宽等等。连通特征：适合于点到点还是多点连接。传输范围：各点间允许最大传输距离。抗干扰性：抗噪声、电磁干扰能力。价格：包含安装与维护价格。传输介质：几个指标7第7页双绞线由两根彼此绝缘铜线按照规则绞合在一起。传输介质：双绞线Twisted-paircable内导体芯线绝缘箔屏蔽铜屏蔽外套8第8页双绞线普通采取铜制，能够传输数字和模拟信号。双绞线中一条线用于将信号传送到接收方，另一条线仅用作接地参考点。接收方使用这两个电平之间差值。每个长度单位内绞合数决定了电缆质量，绞合数越多，质量越好。双绞线既可用于点对点连接，又可用于多点连接。能够在15km范围内提供数据传输。抗干扰性较差价格比较廉价传输介质：双绞线Twisted-paircable9第9页双绞线分类：

屏蔽双绞线（STP，Shieldedtwisted-pair）

非屏蔽双绞线（UTP,unshieldedtwisted-pair）屏蔽双绞线以铝箔屏蔽，以降低干扰和串音，质量好但更粗笨更昂贵。非屏蔽双绞线（惯用）双绞线外没有任何附加屏蔽传输介质：双绞线Twisted-paircable10第10页非屏蔽双绞线依据绞和密度分为七类，密度越高质量越好。

1类质量最低，7类质量最高。分类 带宽 数据速率 数字/模拟 用途1 很低 <100Kbps 模拟 电话2 <2MHz 2Mbps 模拟/数字

T-1线路3 16MHz 10Mbps 数字 LANs4 20MHz 20Mbps 数字

LANs5 100MHz 100Mbps 数字 LANs6 200MHz 200Mbps 数字

LANs7 600MHz 600Mbps 数字

LANsLAN使用双绞线传输速度能够在10Mbps到1Gbps之间。传输介质：双绞线Twisted-paircable11第11页双绞线连接器:RJ45水晶头

使用双绞线组网，网线要安装RJ45水晶头才可与网络设备连接。传输介质：双绞线Twisted-paircable12第12页连接双绞线和水晶头（将剥离双绞线插入RJ45水晶头）传输介质：双绞线Twisted-paircable13第13页T568A：

白绿／绿／白橙／蓝／白蓝／橙／白棕／棕T568B：

白橙／橙／白绿／蓝／白蓝／绿／白棕／棕传输介质：双绞线Twisted-paircable14第14页

一端568B：

白橙／橙／白绿／蓝／白蓝／绿／白棕／棕

一端568B：白橙/橙／白绿／蓝／白蓝／绿／白棕／棕直通线连接传输介质：双绞线Twisted-paircable15第15页交叉线连接一端568A：白绿／绿／白橙／蓝／白蓝／橙／白棕／棕

一端568B：白橙/橙／白绿／蓝／白蓝／绿／白棕／棕

传输介质：双绞线Twisted-paircable16第16页数据终端设备DTE（计算机，路由器）数据通讯设备DCE（集线器，交换机）同型叉线！！！

(计算机，路由器）连（计算机，路由器）

(集线器，交换机）连（集线器，交换机）

交叉线：一个水晶头使用T568A，另一个使用T568B异型直通！！！（计算机，路由器）连（集线器，交换机）

直连线：即两个水晶头都使用T568B另:

反转线,连接主机与路由器控制端口。现在网络设备接口有很多是直通与交叉自适应。传输介质：双绞线Twisted-paircable17第17页两个同心铜导线，一个空心金属圆柱体（外导体）和一根硬导线（内导体）按同轴组成，内外导体间有绝缘层。同轴电缆抗干扰性比双绞线强，能够传输更高频率信号，不过价格比双绞线贵。传输介质：同轴电缆Coaxialcable18第18页同轴电缆分为基带同轴电缆和宽带同轴电缆基带同轴电缆用于传输数字信号，阻抗50

，普通用于局域网连接。又可分为细缆和粗缆：细缆用户间相互连接，粗缆用于主干连接宽带同轴电缆用于传输模拟信号，阻抗75

，普通用于有线电视信号传输。传输介质：同轴电缆Coaxialcable19第19页同轴电缆连接器惯用三种类型：BNC连接器：用于将电缆一端连接到设备，如电视机上。BNCT型连接器：用于局域网，从根本路分支以连接计算机。BNC终接器：用于电缆末端，以预防信号反射。BNC连接器BNCT型连接器BNC终接器传输介质：同轴电缆Coaxialcable20第20页总线型办公室LANBNCT型连接器每段最大长度500m每段最多站点数100两站点间最短距离2.5mBNC终接器传输介质：同轴电缆Coaxialcable21第21页光纤芯由玻璃组成，传输光信号。应用在主干网络中，还有百兆、千兆快速以太网中。玻璃光纤：外包层是玻璃，损耗小成本高，用于远距离宽带传输。塑料光纤：外包层是塑料，损耗大成本低，用于近距离宽带传输。传输介质：光纤Fiber22第22页光纤传输特点：信号衰降低，能够无中继远距离传输；带宽宽，传输速度高，传输能力强；因为传输信息是光束而非电气信号，所以光纤传输信号不受电磁干扰，抗干扰能力强，无辐射，保密性好；重量轻，容量大，非常适合多媒体通信。缺点：光纤准确地连接需要较高技术；

单向传输，要实现双向则需要两根光纤。假如光纤断裂，极难检测和修复。若干年将会继续使用媒体传输介质：光纤Fiber23第23页光纤类型：

单模光纤Single-modefiberSMF性能很好，成本最高，

多模光纤MultimodefiberMMF

性能稍差，不过价格稍低

多模MMF

输入电信号输出电信号单模SMF波长:1300,1550nm波长:850,1300nm多束光线以不一样反射角传输单束光线沿直线传输传输介质：光纤Fiber24第24页光纤连接器惯用三种类型：用户通道连接器：用于有线电视中。直插式连接器：用于将光钎连接到网络设备上。MT-RJ连接器：与RJ45规格相同。传输介质：光纤Fiber25第25页无线传输介质不使用物理导体传输电磁波，信号是经过空气广播。电离层电离层电离层地表传输天空传输视线传输传输介质：无线传输26第26页无线传输介质能够处理有线传输介质难以架设问题，如经过高山或岛屿等环境。无线传输无线电波微波红外线无线电波：用于多播通信，如收音机、电视以及寻呼系统。中播，短播。微波：用于单播通信，如移动电话、卫星网络和无线局域网，计算机网络。红外线：能够在封闭区域用于短距离通信，使用视线传输，如遥控器。传输介质：无线传输27第27页无线电波基站和终端之间是无线传输用户计算机和终端基站覆盖无线区域F2F1F3F1,F2,F3

：使用频率基站基站基站基站F2F1F3基站基站基站传输介质：无线传输28第28页地面微波频率：100MHz—10GHz两个地面站之间传送速率低，几百kb/s传输距离：50-100km与天线高度相关，与信号强度相关，与气象条件相关。地面站之间直视线路微波传送塔地球传输介质：无线传输29第29页地球同时卫星与地面站相对固定位置使用3个卫星覆盖全球传输距离很远传输延迟时间长地面站需要发射很强信号，对地面站要求高。现在使用VSAT甚小孔径卫星终端

Verysmallaperturesatelliteterminals,使得中小用户用起卫星传输。离地球表面36,000公里地球270ms延迟传输介质：无线传输30第30页传输介质：惯用传输介质比较

31第31页无线电微波红外线可见光紫外线X射线

射线双绞线同轴电缆卫星地面微波调幅无线电调频无线电海事无线电光纤电视(Hz)f

(Hz)fLFMFHFVHFUHFSHFEHFTHF波段104105106107108109101010111012101310141015101610010210410610810101012101410161018102010221024移动无线电传输介质：电信领域使用电磁波频谱

无线传输所使用频段很广32第32页物理层传输介质数据通信33第33页其中，f=1/T

是周期函数基频，an

和bn

称为正弦和余弦函数n次谐波振幅。数据通信:数字信号Fourier分析傅立叶级数：任何正常周期为T函数g(t)，都能够由无限个正弦和余弦函数合成。任何信号传输都能够了解为以傅立叶级数形式传输：我们能够把要传输信号看成一个周期函数，传输过程中这个周期函数分成n个sin波形和cos波形传输，在接收端将它们叠加起来。34第34页我们把发送信号变成傅立叶函数以后，并不是每个谐波都能过去，介质允许过去谐波是有限。过不去谐波就使得接收方收到波形失真，这就是我们传输信号为何失真。我们要还原出原始信号，就需要确保最少接收到一定量谐波。（最少要大于4个谐波，n=4）一条物理介质信号经过谐波是有限，所以信道传输速度是有限。比如：10M以太网，为何不能传输速度到达100M呢？其实是和这条物理介质能经过信号谐波次数相关。数据通信:数字信号Fourier分析35第35页谐波号1次谐波n=12次谐波n=24次谐波n=48次谐波n=8比较靠近原始方波了。经过谐波数越高，传输质量越好，信号恢复越好。36第36页所以这条线路最大传输速率是4800bps,大于4800bps谐波就小于4了。数据通信:数字信号Fourier分析对指定最高频率介质，传输带宽是有限！最少要大于4个谐波，n=4才能恢复原始信号。37第37页数据Data传递(携带)信息实体(文字，二进制数，十进制数

)数据有：模拟数据、数字数据信号Signal 数据详细物理表现。（电压，光，磁场强度）

它使数据能以适当形式在介质上传输。信号有：模拟信号、数字信号数据以信号形式传输：模拟信号与数字信号数据通信:信号38第38页模拟信号时间上连续，包含无穷多个信号值。时间、温度、电波、声音；信号中没有断开或不连续地方。数字信号时间上离散，仅包含有限个信号值。最常见是二值信号字符，二进制数，电脉冲；信号仅取一些有限数目标值；数字信号模拟信号数据通信:信号39第39页周期信号：信号由不停重复固定模式组成（如正弦波）非周期信号：信号没有固定模式和波形循环（如语音音波信号）。ttTTTTTT周期信号非周期信号数据通信:信号40第40页信号传输：把数据以物理信号形式经过信道传送到目标地。数据（0，1比特）不能直接在介质上传输。调制解调器PC机公用电话网调制解调器比特流比特流模拟信号模拟信号数据数据数据通信系统源系统目标系统传输系统PC机数据通信:信号传输传输系统输入信息输入数据发送信号接收信号输出数据源点终点发送器接收器输出信息概念有误，灵活看书，重在了解41第41页不一样类型信号在不一样类型信道上传输有以下情况数据：模拟数据 数字数据信号：模拟信号 数字信号

信道：模拟信道 数字信道数据通信:信号传输42第42页移频,调制调制模拟数据数字数据1010调制：用模拟信号承载数字数据或模拟数据。模拟信号编码：用数字信号承载数字数据或模拟数据。模拟信号PCM编码数字编码模拟信号数字数据1010数字信号数字信号数据通信:信号传输43第43页调制与解调编码解码数字信号发送方接收方调制解调数字信号模拟数据模拟信号发送方接收方编码与解码数字数据模拟信号数字数据模拟信号载波数字信号模拟数据数据通信:信号传输44第44页三种惯用调制技术（二元制调制）：幅移键控ASK(AmplitudeShiftKeying)频移键控FSK(FrequencyShiftKeying)相移键控PSK(PhaseShiftKeying)基本原理：用数字信号对载波不一样参量进行调制，进行波形变换（频谱变换）。

载波S(t)=Acos(

t+

)

调制就是使A、

或

随数字基带信号改变而改变。S(t)参量包含：幅度A、频率

、初相位

数据通信:信号调制（数字——模拟）45第45页幅移键控ASK：用载波两个不一样振幅表示0和1频移键控FSK：用载波两个不一样频率表示0和1相移键控PSK：用载波起始相位改变表示0和100110100010ASKFSKPSK数据通信:信号调制（数字——模拟）46第46页不归零码(NRZ，Non-ReturntoZero)

二进制数字0、1分别用两种电平来表示：

正电平表示1，0电平表示0。

缺点：存在发送方和接收方同时问题。普通在计算机内部使用此编码方法，因为内部受统一时钟信号控制；而在网络中连续发送1或0时，如双方时钟有误差产生错误。把数字数据转换成某种数字脉冲信号。常见有两类：不归零编码曼彻斯特编码（差分曼彻斯特编码）数据通信：信号编码（数字——数字）47第47页曼彻斯特编码(ManchesterCode)用电压改变表示0和1。要求在每个信号中间发生跳变：高→低跳变代表0，低→高跳变代表1；每个信号中间跳变在接收端可将其提取出来作为同时信号。所以，这种编码也称为自同时码(Self-SynchronizingCode)。

在网络中惯用：每个bit中间有跳变，等于信号携带了时钟。缺点：需要双倍传输带宽。信号传输速率（波特率）是数据传输速率2倍。差分曼彻斯特编码(Differential～)每个信号中间仍要发生跳变；用信号开始处有没有跳变来表示0和1；有跳变为0，无跳变为1。数据通信：信号编码（数字——数字）48第48页三种数字编码波形图01001100011时钟不归零码曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码数据通信：信号编码（数字——数字）49第49页语音信号要在数字线路上传输，必须将语音信号转换成数字信号。

现在数字传输系统均采取脉码调制PCM(PulseCodeModulation)

编码后信号称为：PCM信号这需要经过三个步骤：采样：按一定间隔对语音信号进行采样量化：对每个样本舍入到量化级别上编码：对每个舍入后样本进行编码采样定理：假如模拟信号最高频率为F，若以2F采样频率对其采样，则采样得到离散信号序列就能完整地恢复出原始信号。数据通信：信号编码（模拟——数字）50第50页PCM转换过程语音信号011100011011001100

PCM输出011100011011001100

PCM脉冲（有量化误差）343314

PAM脉冲3.23.92.83.41.24.2数据通信：信号编码（模拟——数字）51第51页现在公共电话网络主干使用光纤传输，采取时分多路复用技术传输数字信号。TDM两个国际标准：T1，E1E1线路：由32个多路复用信道组成（欧洲，中国使用E1线路）每个信道采样8000次/秒，每次采样量化为8bit数据；所以，每个信道信号传输速度是64Kbps。32个多路复用信道每次采样组成一个帧，每帧为：

8*32=256bit， 256bit*8000次/秒=2.048MbpsT1线路：由24个多路复用信道组成（北美，日本使用T1线路）每个信道采样8000次/秒，每次采样量化为7bit数据，再加1bit控制位，即8bit；所以，每个信道信号传输速度是64Kbps。24个多路复用信道每次采样组成一个帧，每帧为：

8*24=192bit，每帧间加1bit，即193bit 193bit*8000次/秒=1.544Mbps数据通信：信号编码（模拟——数字）52第52页信道

(Channel)：传送信号线路(或通路)。传输介质与信道是不一样范围概念；传输介质是指传送信号物理载体；信道则提供了传输某种信号所需带宽，着重表达介质逻辑特征；一条传输介质可能同时提供多个信道；一个信道也可能由多个传输介质级联而成。传输介质与信道区分DEMUXMUX信源信宿1条传输介质3个信道共享数据通信:信道53第53页信道参数：数据传输速率=带宽（公路宽度：每秒能够放多少信号在信道上）信号传输速率（公路上汽车跑速度：每秒信号在信道上跑速度）载波频率（信道处于波段）采样频率（信道传递模拟信号时，对信号采样频率）量化（每个信号分成多少个级别）噪声、信噪比（信道噪声越大，信号越差。）带宽：信号频率变动范围差值。比如带宽=8K频带：信号频率变动上下界。信道频带=4K~12K数据通信:信道54第54页波特率(baudrate)和比特率(bitrate)是两个不一样概念

波特率：每秒传多少个码元，码元传输速率。它是信号改变频率（物理介质上信号改变最高频率决定了每秒采样次数，即多少时间收到一个信号。）比特率：每秒传多少个比特，比特传输速率bps。假如信号分两级：1个码元只携带1bit信息量，则波特率=比特率

则有：0、1假如信号分八级：1个码元携带3bit信息量

则有：0、1、2、3、4、5、6、7。

000001010011100101110111

则一次信号改变可表示3bit3*波特率=比特率假如信号分V级：比特率=log2V*波特率数据通信：两个轻易混同概念55第55页波特率和比特率，二者之间差异在于每次采样量化值。V=2，波特率=比特率V=4，2波特率=比特率比特率=log2V*波特率数据通信:两个轻易混同概念56第56页实际信道（带宽受限、有噪声、干扰和失真）输入信号波形输出信号波形(失真不严重)输入信号波形实际信道（带宽受限、有噪声、干扰和失真）输出信号波形(失真严重)任何实际信道都是不理想，在传输信号时会产生各种失真以及带来各种干扰。码元传输速率越高，或信号传输距离越远，在信道输出端波形失真就越严重。数据通信:信道57第57页1）Nyquist定理/奈奎斯特定律

在无噪声信道中（理想状态下，现实生活中不存在）当带宽为WHz,信号电平分为V级，

信道极限传输速率

=2Wlog2Vbps比如：在二进制中，仅为0、1两级V=2信道极限传输速率=2Wbps实际信号传输速率要显著地低于奈氏准则数值。数据通信:信道58第58页2）Shannon定理/香农定理在有噪声信道中，当带宽为WHz,信噪比为S/N，

S为信道内所传信号平均功率； N为信道内部高斯噪声功率。

信道极限传输速率=Wlog2

（1+S/N）bps日常生活中，噪声惯用分贝（dB）表示，则：分贝（dB）=10log10S/N比如：噪声为30dB，则信噪比为S/N=1000说明：实际信号数据传输速率比香农极限传输速率低。数据通信:信道59第59页比如：在有噪声信道中，当带宽为3kHz,信噪比为30dB（较为真实电话信道），求信号最大传输速率是多少？数据通信:信道解：依据香农定理（Shannon定理）

信号最大传输速率bps=Wlog2

（1+S/N）=3000log2

（1+1000）=30000bps=30Kbps这是在噪声信道中传输速率极限，实际上是不可能到达。

60第60页比如：在一条无噪声信道上,带宽是4KHz,信号分成16个等级,发送一个64K文件需要多长时间?解：依据奈奎斯特定律信号传输速率=2WLog2V=2*4000*Log216=32Kbps需要时间：文件长度64K/信号最大传输速率32Kbps=2秒数据通信:信道61第61页单工（Simplex）：信号单向传输。如：广播、电视。半双工（HalfDuplex）：信号能够双向交替传输，但不能在同一时刻。如：对讲机。全双工（FullDeplex）：信号能够双向同时传输，需要两条信道。如：电话。SimplexHalfdeplexFulldeplex数据通信:信道工作方式62第62页模拟传输：以连续模拟信号形式传输数据。

不关心传输信号内容，只关心怎么降低信号衰减和失真；长距离传输时，采取信号放大器放大衰减信号；

信号放大器其对信号进行简单放大，但同时也放大了叠加在

原始信号中噪声，即放大了信号失真。数字传输：以数字脉冲形式传输数据。

关心传输信号内容；长距离传输时，采取转发器；

转发器收到信号识别后,再重新生成新信号发送出去，不累计噪声，可消除躁声累积。数字传输质量好：抗干扰能力强、能够控制差错、便于计算机处理、保密性强。现在传输主干网络中（长距离传输）都采取数字传输，仅不得已时采取模拟传输。数据