2-物理层讲解

明德博学臻于至善计算机网络授课教师：黄巧云第二章物理层（一）数据通信基础（二）物理层概述（三）通信方式第二章物理层（四）调制（五）信道复用技术2.1数据通信基础通信系统的主要性能指标数据通信模型基本概念2.1数据通信基础2.1.1基本概念消息：比如话音、文字、图像等等数据：运送消息的实体•数字数据：比如以0和1形式存储在计算机内存中的数据•模拟数据：比如人类的声音信号：数据的电气或电磁的表现•模拟信号：代表消息的参数的取值是连续的，即连续信号•数字信号：代表消息的参数的取值是离散的，即离散信号2.1数据通信基础2.1.1基本概念码元：代表不同离散数值的基本波形波特：模拟线路信号的速率，以波形每秒的振荡数来衡量速率：连接在计算机网络中的主机在数字信道上传送数据的速率信道：用来表示向某一个方向传送信息的媒体2.1数据通信基础通信系统的主要性能指标数据通信模型基本概念2.1数据通信基础2.1.2数据通信模型数据通信系统的三个部分•源系统、传输系统和目的系统源系统•源点：源点设备产生要传输的数据，又称源站或信源•发送器目的系统•终点：终点设备从接收器获取传送来的数字比特流，又称目的站或信宿•接收器2.1数据通信基础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PC机输出数据2.1数据通信基础通信系统的主要性能指标数据通信模型基本概念2.1数据通信基础2.1.3通信系统的主要性能指标数据传输速率•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。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2.1数据通信基础2.1.3通信系统的主要性能指标数据传输速率•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。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2.1数据通信基础2.1.3通信系统的主要性能指标数据传输速率•码间串扰：信号传输过程中，高频信号受到衰减，在接收端收到的波形失去了码元间的清晰界限，使得接收端对码元的判决（即识别）成为不可能。2.1数据通信基础2.1.3通信系统的主要性能指标数据传输速率•影响信道上的传输速率的两个因素−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。他给出了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。2CW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。2.1数据通信基础2.1.3通信系统的主要性能指标数据传输速率•影响信道上的传输速率的两个因素−信噪比»定义：信号的平均功率和噪声的平均功率之比，记为S/N。(/)SN10信噪比(dB)=10log2.1数据通信基础2.1.3通信系统的主要性能指标数据传输速率•影响信道上的传输速率的两个因素−信噪比»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。2log(1/)CWSN2.1数据通信基础2.1.3通信系统的主要性能指标数据传输速率•提高传输速率−采用编码的方式让每一个码元携带更多的比特的信息量»奈氏准则»香农公式22logLCW22log(1/)logLCWSN2.1数据通信基础例1：假设信道带宽2000Hz，码元的速率是1000码元/秒，如果按照编码的方式，把码元分为16种不同等级来传送，试回答以下问题：（1）信道的数据率是多少？（2）信道的极限传送速率是多少？2.1数据通信基础例2：假设信道带宽2000Hz，信噪比是15，码元的速率是1000码元/秒，如果按照编码的方式，把码元分为16种不同等级来传送，试回答以下问题：（1）信道的数据率是多少？（2）信道的极限传送速率是多少？2.1数据通信基础2.1.3通信系统的主要性能指标出错率•定义：用于衡量通信系统可靠性的指标，通常以误码率Pe来表示。Pe接收出现差错的比特数/传输的总比特数2.2物理层概述物理层设备传输介质物理层的接口特性2.2物理层概述2.2.1物理层接口特性物理层考虑的是怎样才能在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流，因此主要任务描述为确定与传输媒体接口有关的一些特性，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2.2物理层概述2.2.1物理层接口特性物理层考虑的是怎样才能在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流，因此主要任务描述为确定与传输媒体接口有关的一些特性，即：•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•过程特性指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序2.2物理层概述物理层设备传输介质物理层的接口特性2.2物理层概述2.2.2传输介质定义：数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路，又称为传输媒体或传输媒介•导向传输媒体：电磁波被导向沿着固体媒体（铜线或光纤）传播•非导向传输媒体：一般指自由空间2.2物理层概述2.2.2传输介质定义：数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路，又称为传输媒体或传输媒介传输介质导向传输媒体非导向传输媒体双绞线同轴电缆光缆屏蔽双绞线非屏蔽双绞线2.2物理层概述2.2.2传输介质导向传输媒体•双绞线−屏蔽双绞线STP(ShieldedTwistedPair)−无屏蔽双绞线UTP(UnshieldedTwistedPair)铜线聚氯乙烯套层绝缘层无屏蔽双绞线UTP铜线聚氯乙烯套层屏蔽层绝缘层屏蔽双绞线STP2.2物理层概述2.2.2传输介质导向传输媒体•光缆折射角入射角包层（低折射率的媒体）包层（低折射率的媒体）纤芯（高折射率的媒体）包层纤芯光线在光纤中的折射2.2物理层概述2.2.2传输介质导向传输媒体•光缆高折射率(纤芯)低折射率(包层)光线在纤芯中传输的方式是不断地全反射光波在纤芯中的传播2.2物理层概述2.2.2传输介质导向传输媒体•光缆−多模光纤:许多条不同角度入射的光线在一条光纤中传输输入脉冲输出脉冲2.2物理层概述2.2.2传输介质导向传输媒体•光缆−单模光纤:光以单一路径通过这种光纤输入脉冲输出脉冲2.2物理层概述2.2.2传输介质导向传输媒体•同轴电缆绝缘层内导体外导体屏蔽层绝缘保护套层2.2物理层概述2.2.2传输介质非导向传输媒体•无线传输可使用的频段非常广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2.2物理层概述2.2.2传输介质非导向传输媒体•短波通信:即高频通信,主要是靠电离层的反射，但短波信道的通信质量较差•无线电微波通信:微波在空间主要是直线传播−地面微波接力通信−卫星通信2.2物理层概述物理层设备传输介质物理层的接口特性2.2物理层概述2.2.3物理层设备中继器•中继器是局域网互连的最简单设备，它工作在OSI体系结构的物理层，负责在两个节点的物理层上按位传递信息，完成信号的复制、调整和放大功能，以此来延长网络的长度。•中继器可以用来连接不同的物理介质，并在各种物理介质中传输数据包。•中继器是扩展网络的最廉价的方法。2.2物理层概述2.2.3物理层设备集线器•集线器工作于OSI的物理层,主要功能是对接收到的信号进行再生整形放大，以扩大网络的传输距离，同时把所有节点集中在以它为中心的节点上。•作为网络中枢连接各类节点，以形成星状结构的一种网络设备。•集线器是有多个端口的中继器。2.3通信方式2.3.1根据数据位的传送形式串行通信•发送端和接收端由一条数据线相连，各数据位依次串行通过该线路。•010101010101010010101发送端接收端2.3通信方式2.3.1根据数据位的传送形式并行通信•发送端与接收端之间同时有N条数据线相连，N个数据位并行通过该条线路。010发送端接收端2.3通信方式2.3.2根据数据传输的方向性单向通信：又称单工通信，只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。只需一条通信信道。双向交替通信：又称半双工通信，即通信的双方都可以发送和接收信息，但不能双方同时发送或者同时接收。需两条通信信道。双向同时通信：又称全双工通信，即通信的双方可以同时发送和接收信息。需两条通信信道。2.4调制编码带通调制基本概念2.4调制2.4.1基本概念基带信号：来自信源的信号基带调制：仅对基带信号的波形进行变换，使它能够与信道特性相适应，又称为编码带通信号：利用载波进行调制，把基带信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输。经过载波调制后的信号称为带通信号带通调制:使用载波的调制2.4调制编码带通调制基本概念2.4调制2.4.2带通调制模拟信道信源调制解调信宿带通调制数字数据（二进制）模拟信号2.4调制2.4.2带通调制带通调制方法•调幅：载波的振幅随基带数字信号而变化•调频：载波的频率随基带数字信号的而变化•调相：载波的初始相位随数字信号而变化2.4调制010011100基带信号调幅调频调相2.4调制编码带通调制基本概念2.4调制2.4.3编码数字信道信源编码解码信宿数字编码数字数据（二进制）数字信号2.4调制2.4.3编码编码方法•单极编码：单极编码只使用一种电压电平。•极性编码：使用两种电压电平（正值和负值）。其中常见的有四种：不归零编码、归零编码、曼彻斯特编码、差分曼彻斯特编码。11110000时间振幅2.4调制2.4.3编码编码方法•极性编码−不归零编码：不归零电平编码、不归零反相编码01000111不归零电平NRZ-L不归零反相NRZ-I时间时间振幅2.4调制2.4.3编码编码方法•极性编码−归零编码01000111时间值2.4调制2.4.3编码编码方法•极性编码−曼彻斯特编码（Manchester）与差分曼彻斯特编码（differentialManchester）2.4调制100011010111曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码2.5信道复用技术码分复用波分复用时分复用频分复用信道复用技术概述2.5信道复用技术2.5.1信道复用技术概述定义：为了提高通信线路传送信息的效率，通常采用在一条物理线路上建立多条通信信道的技术。原理：在同一传输介质上可传输多个不同信源发出的信号，从而可充分利用通信线路的传输容量，提高传输介质的利用率。2.5信道复用技术2.5.1信道复用技术概述共享线路线路1A1A2B1B2C1C2线路2线路3A1A2B1B2C1C2复用分用(a)不使用复用技术(b)使用复用技术复用器：使用户数据合起来共享一个信道进行通信分用器：把高速信道传送过来的数据进行分用，分别送交到相应的用户2.5信道复用技术码分复用波分复用时分复用频分复用信道复用技术概述2.5信道复用技术2.5.2频分复用FDM定义：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）。特点•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。2.5信道复用技术2.5.2频分复用FDM定义：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52.5信道复用技术码分复用波分复用时分复用频分复用信道复用技术概述2.5信道复用技术2.5.3时分复用TDM定义：将线路传输时间分