第2章物理层详解

1第2章物理层2.1物理层的基本概念*2.2数据通信的基础知识*2.3物理层下面的传输媒体2.4信道复用技术（重点、难点）2.5数字传输系统*2.6宽带接入技术*22.1物理层的基本概念物理层位于传输媒体（传输介质）之上，它的作用是尽量屏蔽具体物理设备或传输媒体的差异，为上层（数据链路层）提供统一的服务。因此，物理层的主要任务是确定与传输媒体的接口的一些特性，即：机械特性指明采用的连接器的几何尺寸、插件的引脚及分布位置。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。……………………………………………………………………………………………………….32.2数据通信系统的基本概念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信源信宿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2.2.1数据通信系统的基本模型4数字通信系统的三大组成部分源系统：发送信号的一端，它包括以下两个必需部分：信源：信源产生要传输的数据，在计算机网络中，信源是计算机，产生的是二进制数字比特流。发送器：通常信源产生的数字比特流要通过发送器进行编码以后才能在传输系统中进行传输。目的系统：接收信号的一端，它包括以下两个必需的部分：接收器：负责接收传输系统传送过来的信号，并把它转换成能够被目标设备处理的信息。信宿：在计算机网络中，信宿同信源一样，也是计算机，它从接收器接收传送来的数字比特流，然后进行处理。传输系统：在源系统和目的系统之间是传输系统5几个术语数据(data)——运送信息的实体。信号(signal)——数据的电气的或电磁的表现。“模拟的”(analogous)——连续变化的。“数字的”(digital)——取值是离散数值。调制——把数字信号转换为模拟信号的过程。解调——把模拟信号转换为数字信号的过程。6信息、数据与信号信息(Information)信息是人们对现实世界的事物的存在方式及其运动状态的认识。数据(Data)数据是运送信息的实体，是把事件的某些属性规范化后的表现形式。在计算机网络系统中，数据通常被理解为在网络中存储、处理和传输的二进制数字编码。信号(Signal)是数据传输的载体，即数据的具体物理表现，如电压、电流、磁场的强度等。7雪六角形凉白色信息数据信号信息：人对雪花和马的认识数据：文字，二进制数，十进制数信号：电压，光，磁场强度信息、数据与信号8模拟与数字模拟——连续数字——离散tt9模拟信号与数字信号模拟信号的特点：波动性；持续变化；包含无穷多个值；在电信业已经被广泛使用超过100年。tt数字信号的特点：离散性；跃变性；包含有限个值设备性能先进，较为便宜。10模拟数据模拟数据的值是某个区间内的连续值。模拟数据的物理信号容易实现，但不精确且容易受干扰。模拟数据和数字数据tt数字数据数字数据的值是某个区间内的有限个离散值。数字数据具有精确以及受扰动可以恢复的特性。……………………………………………………………………………………………………….112.2.2信道的几个基本概念信道（channel）通信双方以传输媒体为基础的传递信号的通路。模拟信道是用来传输连续的模拟信号(如正弦波信号)的信道；如果利用模拟信道传送数字数据，则必须经过数字与模拟信号之间的变换（A/D变换器）。数字信道是用来传输离散的数字信号(如脉冲信号)的信道。数字信道有更高的传输质量，因为它传输的是离散的数字信号，因而有更大的容差范围，即使在传输过程中有一定的信号畸变，一般不会影响到接收端的正确判断，正确还原的概率非常高。12在数据通信系统中，各个节点设备根据用途和在通信系统中的位置可以分为两类：DTE和DCE。DTE（DataTerminalEquipment，数据终端设备）：用于发送和接收数据的设备。DTE具有一定的数据处理能力和发送、接收数据能力，可能是计算机、路由器，也可能是一台只接收数据的打印机。DCE（DataCircuit-terminatingEquipment，数据电路端接设备）用来连接DTE与数据通信网络的设备，该设备为用户设备提供入网的连接点，如调制解调器、交换机、集线器。DTE和DCE13DTE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按照DCE之间传输的信号类型，又可将通信系统分为模拟通信系统和数字通信系统：DCE之间传输模拟信号的系统是模拟通信系统；DCE之间传输数字信号的系统是数字通信系统。14数据传输的形式数据究竟是数字的还是模拟的由所产生数据的性质决定。传输过程中采用数字的还是模拟的信号由传输信道的性质决定。模拟数据和数字数据都可以用模拟信号或数字信号来表示，因而也可以用其中任意一种形式传输。数据和信号的形式组合一般有以下几种：15模拟的和数字的数据、信号模拟数据和数字数据都可以用模拟信号或数字信号来表示，因而也可以用其中任意一种形式传输。模拟数据模拟信号放大器调制器数字数据模拟信号调制器模拟数据数字信号PCM编码器数字数据数字信号数字发送器16解释一下关于调制的概念上面提到的关于调制的概念是很不严格的，容易引起误解。严格地讲，调制是使消息载体的某些特性随消息变化的过程。调制的作用是把消息置入消息载体，便于传输或处理。在通信系统中为了适应不同的信道情况,常常要在发送端对原始信号进行调制,得到便于信道传输的信号。解调是在接收端完成调制的逆过程，还原出原始信号。17调制解调器的作用调制解调器的作用并非简单地把数字信号转换成为模拟信号。否则就使用“模/数转换器”了。当PC机通过调制解调器连接到电话用户线上时，调制解调器把PC机输出的数字信号，转换成适合在电话用户线上传输的模拟信号。而PC机的数字信号置入用户线上传输的模拟信号（改变模拟信号的某些参数）。数字信号本来无法通过电话用户线。但加上调制解调器后，数字信号就好像能够通过电话用户线了。18模拟的电话用户线不能长距离传输数字信号调制解调器调制解调器数字信号的消息置入在模拟信号中两端加上调制解调器后就能传输数字信号19通信的三种基本形式信道：表示向某一方向传送信息的媒体。单向通信（单工通信）:任意时刻只允许向一个方向进行信息传输，需一条信道。例如：广播方式的传输。20双向交替通信（半双工通信）:可以交替改变方向的信息传输，但在任一特定时刻，信息只能向一个方向传输，即半双工传输是一种可切换方向的单工传输，需两条信道。例如：对话方式的传输。21双向同时通信（全双工通信）:任意时刻信息都可进行双向的信息传输。全双工传输是两个单工传输的结合，要求收发设备都具有独立的收发能力，需两条信道。22基带(baseband)信号和宽带(broadband)信号信道可以分成模拟信道和数字信道，信道上传输的信号还有基带和宽带之分。基带信号（即基本频带信号）——来自信源的信号。就是将数字信号1或0直接用两种不同的电压来表示，然后送到线路上去传输。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)。(编码)宽带信号——则是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。（带通信号）23计算机网络的带宽是指网络可通过的最高数据率，即每秒多少比特。描述带宽也常常把“比特/秒”省略。例如，带宽是10M，实际上是10Mb/s。这里的M是106。带宽与宽带的区别24什么是宽带？宽带线路：可通过较高数据率的线路。宽带是相对的概念，并没有绝对的标准。在目前，对于用户接入到因特网的用户线来说，每秒传送几个兆比特就可以算是宽带速率。25对宽带传输的错误概念有些人愿意用“汽车在公路上跑”来比喻“比特在网络上传输”，认为宽带传输的好处就是传输更快，好比汽车在高速公路上可以跑得更快一样。对于这种比喻一定要谨慎对待。26常见的错误是混淆了两种速率在网络中有两种不同的速率：信号（即电磁波）在传输媒体上的传播速率（米/秒，或公里/秒）计算机向网络发送比特的速率（比特/秒）这两种速率的意义和单位完全不同。宽带传输：计算机向网络发送比特的速率较高，实际上光纤信道的传播速率要比铜线的传播速率还略低一些。测量得知：光在光纤中的传播速率是20.5万公里/秒，电磁波在铜线（如5类线）中的传播速率是23.1万公里/秒。27ABAB宽带线路窄带线路在宽带线路上比特传播得快在窄带线路上比特传播得慢错误的概念28ABAB宽带线路窄带线路宽带线路：每秒有更多比特从计算机注入到线路。宽带线路和窄带线路上比特的传播速率是一样的。正确的概念29比喻：汽车运货宽带线路窄带线路宽带和窄带线路：车速一样宽带线路：车距缩短30另一种错误概念——“宽带”相当于“多车道”多车道公路是并行传输……100101110100100111010001011010通信线路上通常都是串行传输(但ADSL是例外的）……………………………………………………………………………………………………….31数据通信系统的指标数据通信系统的性能指标主要有以下几项：波特率——码元的传输速率比特率——信息的传输速率信道容量——信道能达到的最大传输能力。误码率——数据通信系统的传输可靠性的指标32波特率和比特率码元是承载数据的基本信号单元。波特率（码元传输速率）：每秒传输的码元数，单位是Baud（波特）比特率：指的是每秒传输的二进制比特数，速率的单位是b/s，或kb/s,Mb/s,Gb/s等。33要注意信息的传输速率“比特/秒”与码元的传输速率“波特”在数量上有一定的关系。一个n进制码元所包含的信息量为I=log2n位，所以数据传输速率的计算公式为：C=BI=B×log2n其中B代表波特率；n是一个码元表示的有效状态数；C为比特率。当一个码元只能表示0或1两种状态时，比特率就等于波特率。34误码率误码率：是二进制码元在信道中被传错的概率。根据概率统计理论，此概率近似等于被传错的码元数与所传送的码元总数之比。即：Pe=Ne/N其中：Ne为被传错的码元数；N为所传送的码元总数；Pe为误码率。在计算机网络通信系统中，要求误码率低于10-6。如果实际传输的不是二进制码元，需折合成二进制码元计算。35信道容量信道容量（也称为传输带宽）：指信道能达到的最大传输能力，即信道的最大（极限）数据传输速率。……………………………………………………………………………………………………….362.2.3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。37数字信号通过实际的信道失真不严重失真严重实际的信道（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)输入信号波形实际的信道（带宽受限、有噪声、干扰和失真）输出信号波形(失真严重)381.奈奎斯特(Nyquist)准则理想低通信道的最高码元传输速率=2WBaudW是理想低通信道的带宽，单位为赫(Hz)不能通过能通过0频率(Hz)W(Hz)在任何信道中，码元传输的速率是有限的，传输速率超过此上限，就会出现严重的码间串扰的问题，使接收端对码元的识别成为不可能。如果信道的频带越宽，也就是能过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干扰。39如果编码方式的码元状态数为M，就得到了理想低通信道的极限信息传