第2章物理层素材

计算机网络第2章物理层第2章物理层2.1物理层的基本功能2.2物理层相关术语2.3数据系统通信系统的组成模型2.4数字数据的通信方式2.5数字数据的电信号编码方法2.6数据传输速率2.7数字调制技术2.8多路复用技术2.9宽带接入技术本章主要内容物理层是网络体系结构的最低层，是唯一直接传输数据的一层。但物理层并不是指连接计算机的具体的物理设备或具体的传输介质，它主要考虑的是如何在连接开放系统的传输介质上传输各种数据的比特流。物理层的另外一个作用是要尽可能屏蔽掉物理设备和传输介质的差异，为数据链路层提供一个统一的数据传输服务。2.1物理层的基本功能物理层的主要功能是要确保原始的比特流可以在各种物理媒介上正确传输。物理层的主要任务为确定与传输媒体的接口的一些特性，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。过程特性指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。（1）机械特性指明接线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。指明连接线缆的各通信线上出现的信号类型、编码方式等相关参数。(语法)（2）电气特性指明某通信线上出现的某一信号状态的意义。（语义）（3）功能特性RS232为D形9针头接口的信号定义（4）过程特性指明针对每个功能的可能事件序列及其相关信令的出现顺序。（同步/时序）拨号连接事件序列挂机拆线事件序列功能：建立通信通道功能：传输功能：撤销通信通道用OSI定义的物理层的四个特性分析通信系统的物理层属性查寻USB接口的机械、电气和功能特性能用USB接口连接两台电脑吗？2.2数据通信的基础知识2.2.1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机分析国际电话与电报顾问委员会（CCITT）对物理层的定义定义：利用物理的、电气的、功能的和规程的特性在数据终端设备(DataTerminalEquipment，DTE)和数据电路端接设备(DataCircuit-terminatingEquipment，DCE)之间实现物理信道的建立、保持和拆除功能。调制解调器主机A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主机B调制解器例：基于电话网连接的DTE和DCEDTEDCEDTEDCE分析：与ISO定义的物理层的位置、功能、功能作用范围一致吗？数据通信的基本概念数据：承载消息的实体（某种符号系统）信号：数据的电气的或电磁的表现形式。模拟信号：信号参数的取值是连续的。数字信号：信号参数的取值是离散的。承载数据的基本信号单位称为信号码元，简称码元。用基于时域的波形表示数字信号时，单位时域中可代表不同离散数值的基本波形称为基本码元，不同的信号编码方式，基本码元数不同。1码元可以携带nbit的信息量。数据通信的基本概念:信号码元2.2.2基带传输、频带传输和宽带传输基带信号（即基本频带信号）——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。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。因此必须对基带信号进行调制(modulation)。带通/频带信号——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）。基带/频带/宽带传输基带传输：不需调制，编码后的数字脉冲信号直接在信道上传送。例如：以太网（局域网）频带传输：数字信号调制成音频模拟信号后再传送，接收方需要解调。例如：通过电话网络传输数据宽带传输：把信号调制成频带为几十MHZ到几百MHZ的模拟信号后再传送，接收方需要解调。例如：闭路电视的信号传输基带信号与宽带信号基带(数字)信号：将数字信号“1”或“0”直接用两种不同的电压表示，这种高电平和低电平不断交替的信号称为基带信号，而基带就是这种原始信号所占的基本频带。宽带(模拟)信号：若将多路基带信号、音频信号和视频信号的频谱分别移到一条电缆的不同频段传输，这种传输方式称为宽带传输。宽带传输所传输的信号都是经过调制后的模拟信号。几种最基本的调制方法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)。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。对基带数字信号的几种调制方法010011100基带信号调幅调频调相2.3数据通信系统的模型通信的三个要素：信源、信宿和信道噪声信源发送器信道接收器信宿源系统目的系统任何信道都不是完美无缺的，因此会对传输的信号产生干扰，称为“噪声”。外界：闪电、串扰、电气设备内部：介质特性（衰减、延迟－与频率有关）术语①数据（data）：是传递（携带）信息的实体，信息（information）则是数据的内容或解释。②信号（signal）：是数据的物理量编码（通常为电编码），数据以信号的形式传播。③信道（Channel）：传送信息的线路（或通路）。数字通信系统模拟通信系统数据通信系统的构成数据传输系统传输线路有线介质、无线介质传输设备调制解调器、中继器、多路复用器、交换机等调制解调器等网络接入设备也称为DCE（DataCircuitEquipment）数据处理系统：计算机、终端等又分为：源系统（信源＋发送器）：发出数据的计算机目的系统（信宿＋接收器）：接收数据的计算机计算机、终端等设备也称为DTE（DataTerminalEquipment）DCEDTEDTEDCE数据通信基本过程5个阶段包含两项内容：数据传输和通信控制过程与打电话比较建立物理连接拨号，拨通对方建立逻辑连接互相确认身份数据传输互相通话断开逻辑连接互相确认要结束通话断开物理连接双方挂机*注意，并不是所有的数据通信都需要全部5个阶段。模拟数据的数字信号编码使模拟数据能在数字信道上传输采样定理：如果模拟信号的最高频率为F，若以≥2F的采样频率对其采样，则从采样得到的离散信号序列就能完整地恢复出原始信号。要转换的模拟数据主要是电话语音信号模拟数据要在数字线路上传输，必须将其转换成数字信号。三个步骤：采样：按一定间隔对语音信号进行采样量化：把每个样本舍入到最接近的量化级别上编码：对每个舍入后的样本进行编码编码后的信号称为PCM信号（脉码调制,PulseCodedModulation）。2.4数字数据的通信方式通信有两种基本方式:串行方式:较远距离的通信并行方式:近距离通信1．并行通信方式在并行数据传输中有多个数据位，如8个数据位同时在两个设备之间传输。优点：传输速度快，处理简单缺点：不适合远距离数据传输，线路费用贵2．串行通信方式远距离使用现成的电话线可以完成数据传输。按数据在线路上的传输方向单/双工通信——单/双向传输单工：数据单向传输（例：无线电广播）半双工：数据可以双向交替传输，但不能在同一时刻双向传输（例：对讲机）全双工：数据可以双向同时传输（例：电话）需要具有两条物理上独立的传输线路；或者需要具有一条物理线路上的两个信道，分别用于不同方向的信号传输。1、Simplex（单工）单工传输系统的数据只能沿单一方向（onedirection）发送和接收。由A向B的信道称为正向信道。由B向A的信道称为反向信道。举例：电视播放；气象数据的收集；计算机与监视器之间；键盘与计算机之间的数据传输。2、HalfDuplex（半双工）半双工传输系统的数据可以沿两个方向进行，但是两个方向的传输不能同时进行，即某个时刻是单向传输的。无论哪一方开始传输，都占用信道的整个带宽。举例：对讲机和民用无线电都是半双工传输。3、FullDuplex（全双工）全双工传输系统的数据可以在两个方向上同时进行数据传输（Bothdirectionsatthesametime）。举例：电话就是全双工传输。发送器接收器单工方式：发送器/接收器发送器/接收器全双工方式：A站B站可同时发送器/接收器发送器/接收器半双工方式：不可同时2.5数字数据的电信号编码方法使数字数据能在数字信道上传输把数字数据转换成某种数字脉冲信号常见的有两类：不归零码和曼彻斯特编码不归零码（NRZ，Non-ReturntoZero）当0出现时电平翻转;当1出现时电平不翻转曼彻斯特编码（ManchesterCoding）用电压的变化表示0和1。规定在每个码元的中间发生跳变：高→低的跳变代表1，低→高的跳变代表0每个码元中间都要发生跳变，接收端可将此变化提取出来作为同步信号。这种编码也称为自同步码（Self-SynchronizingCode）。差分曼彻斯特编码（Differential～）每个码元的中间仍要发生跳变。用码元开始处有无跳变来表示0和1，有跳变代表0，无跳变代表1。三种数字编码的波形图2.6数据传输速率数据通信的任务是传输数据信息，希望能够实现传输速率快、出错率低、信息量大、可靠性高，并且既经济又便于使用维护。可以用下列技术指标来描述：1．传输速率2．信道容量3．误码率1．传输速率单位数据传输速率是指每秒能传输的二进制信息位数，单位为“比特/秒”，记做bps（bitspersecond）或b/s。常用的数据传输速率单位有：Kbps、Mbps、Gbps、Tbps。其中：1Kbps=1*10^3bps；1Mbps=1*10^6bps；1Gbps=1*10^9bps；1Tbps=1*10^12bps；2．信道容量信道容量表示一个信道传输数据的能力，即单位时间内可能传送的最大比特数，单位为bps。信道容量：表示信道的最大数据传输速率，是信道传输数据能力的极限。数据传输速率：表示实际的数据传输速率。（1）奈奎斯特公式对于无热噪声的信道，奈奎斯特（Nyquist）给出了码元速率的极限值与信道带宽的关系式中，W是信道的带宽，也称为频率范围，即信道能传输的上、下限频率的差值，单位为Hz。B=2WNyquist公式：用于无噪声理想低通信道Nyquist公式为估算已知带宽信道的最高数据传输速率提供了依据。例如，话音级线路的带宽约为3.1kHz，根据上式计算的信道最大数据传输率C=2Wlog2MC=信道最大数据传输率，单位b/sW=带宽，单位HzM=信号编码级数M最大数据率26200b/s412400b/s818600b/s1624800b/s3231000b/s理想！非理想信道实际的信道上存在损耗、延迟、噪声。损耗引起信号强度减弱，导致信噪比S/N降低。延迟会使接收端的信号产生畸变。噪声会破坏信号，产生误码。例如：数据传输速率为56kb/s时，持续时间0.01s的干扰会破坏约？个比特。560010110011001010010110011001010010110111001000误码位传输数据：信号：噪声：信号与噪声叠加：采样时序：接收数据：原始数据：Shannon公式：用于有噪声干扰信道例：信道带宽W=3.1kHz，S/N=2000，则C=3100×log2（1+2000）≈34kb/s即该信道上的最大数据传输率不会大于34kb/s。信噪比的单位也可用分贝(dB)表示：S/NdB=10log10S/N所以，若S/NdB=30dB，则S/N=1000。C=Wlog2（1+S/N）C:传信道最大传输率单位b/sW:带宽，单位HzS/N:信噪比（2）香农公式Nyquist公式和Shannon公式的比较C=2Wlog2M