第2章 物理层素材

南阳理工学院计算机科学技术系第2章物理层南阳理工学院计算机科学技术系本章学习要求：掌握：物理层与物理层协议的基本概念。掌握：数据通信的基本概念。了解：无线与卫星通信技术的基本概念。掌握：数据编码的类型和基本方法。了解：基带传输的基本概念。掌握：频带传输的基本概念。掌握：多路复用的分类与特点。掌握：广域网中的数据交换技术。南阳理工学院计算机科学技术系2.1.1物理层的基本概念通信子网分为点-点通信线路通信子网与广播信道通信子网;广域网主要采用点到点通信线路，局域网与城域网一般采用广播信道;由于技术上存在较大的差异，因此在物理层和数据链路层协议上出现了两个分支，一类是基于点-点通信线路，另一类是基于广播信道。2.1物理层与物理层协议的基本概念南阳理工学院计算机科学技术系2.1.2物理层基本服务功能物理层设计时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；计算机网络可以利用的物理传输介质与传输设备存在着很大的差异，设计物理层的主要目的是向数据链路层屏蔽通信技术的差异性；数据链路实体通过与物理层的接口，将数据传送给物理层，通过物理层按比特流的顺序，将信号传输到另一个数据链路实体。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、电气特性、功能特性、规程特性南阳理工学院计算机科学技术系①机械特性规定了物理连接时对插头和插座的几何尺寸、插针或插孔芯数及排列方式、锁定装置形式等。各类已被ISO标准化了的DCE连接器的几何尺寸及插孔芯数和排列方式。南阳理工学院计算机科学技术系②电气特性规定了在物理连接上导线的电气连接及有关的电路的特性，一般包括：接收器和发送器电路特性的说明、表示信号状态的电压/电流电平的识别、最大传输速率的说明、以及与互连电缆相关的规则等。南阳理工学院计算机科学技术系③功能特性规定了接口信号的来源、作用以及其它信号之间的关系。指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义④过程特性规定了使用交换电路进行数据交换的控制步骤，这些控制步骤的应用使得比特流传输得以完成。指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。南阳理工学院计算机科学技术系2.1.3物理层向数据链路层提供的服务物理连接的建立、维护与释放；物理连接分为点-点连接与多点连接；数据传输分为全双工、半双工与单工方式；数据传输分为串行传输方式与并行传输方式；串行传输方式的物理数据服务单元是位；并行传输方式的物理数据服务单元是N位，N为并行连接的物理通道数。南阳理工学院计算机科学技术系1信息、数据与信号信息(Information)——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)——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;最原始，计算机能表示的。各种需要传输和处理的信息（文字，图像、声音、动作等）。信号(signal)——数据的电气的或电磁的表现。2.2数据通信的基本概念南阳理工学院计算机科学技术系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，磁场强度南阳理工学院计算机科学技术系2.模拟信号和数字信号模拟信号（analogsignal）的信号电平是连续变化的；时间上连续，包含无穷多个值数字信号（digitalsignal）是用两种不同的电平去表示0、1比特序列的电压脉冲信号表示,时间上离散，仅包含有限数目的预定值数字信号模拟信号南阳理工学院计算机科学技术系模拟信号：优点是它能对细节进行表示，但是噪声、或来自其他源的干扰，会严重地影响模拟信号，比数字信号更易于出错，因此模拟信号对于数据发送并不是最佳选择。随着信号的传播，信号能量会逐渐减少，这就是信号的衰减。模拟信号和数字信号存在着衰减。为了补偿衰减，要经常对数字信号和模拟信号进行转发，也即使将信号重新放大，以使它们传播得更远。南阳理工学院计算机科学技术系模拟信号的转发：在模拟信号转发过程中会出现这样的问题－－当它被转发时信号幅度将增强，同时伴随的被累积的噪声幅度也将增强，这种杂乱无章的增强将使得模拟信号变形更加严重。下图显示了因噪声而变形并在随后又被放大的模拟信号的波形。因噪声变形继而被放大的模拟信号南阳理工学院计算机科学技术系数字信号：由脉冲值为1或0的精确电压组成，如同在任何二进制系统中用1和0组合来对信息进行编码一样，在数字信号中每个脉冲被称为一个二进制数或位。一个位只能有两种可能值：1或0。相对于模拟信号，数字信号传输数据时更可靠些。数字信号的转发：相对于模拟信号，数字信号被转发时，实际上是将原始信号以不变形的、并且无噪声的放大形式重新发送，该过程也被称之为波形再生。再生一个数字信号的设备被称之为中继器。网络仅仅收发由精确脉冲所表示的1和0两种模式，因为数字传输要比依靠可变电压的模拟传输可靠得多，并且数字发送几乎不受噪声影响。所以大部分网络仅限于使用数字传输。因噪声而变形的数字信号进而被转发南阳理工学院计算机科学技术系2.3数据通信系统的指标为了衡量数据传输的有效性和可靠性，数据通信系统有以下性能指标：数据传输速率、带宽、波特率、误码率等。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南阳理工学院计算机科学技术系1码元码元：承载信息量的基本信号单位。一码元就是一个单位电脉冲。一码元所承载的信息量，由脉冲信号所能表示的数据有效离散值的个数决定的。例：一个码元（脉冲）仅可取0和1两个有效值时，则该码元只能携带一位（bit）二进制信息，-----1位信息量一个码元（脉冲）可取00、01、10、11四个有效值时，则该码元能携带二位（bit）二进制信息。-----2位信息量一个码元（脉冲）可取000、001、010.、011、100、101、110、111八个有效值时，则该码元能携带三位（bit）二进制信息。-----3位信息量南阳理工学院计算机科学技术系结论：一个码元（脉冲）可取M个有效值时，则该码元能携带log２M（bit）二进制信息南阳理工学院计算机科学技术系码元和比特的关系码元……..比特位信道南阳理工学院计算机科学技术系码元传输速率码元传输速率，又称为码元速率或传码率。其定义为每秒钟传送码元的数目，单位为“波特”,常用符号“Baud”表示，简写为“B”。数据传输速率（比特(bit)率）每秒能传输构成代码的位(bit)数。单位为比特/秒（bit/s）、位/秒。简记为b/s或bps；调制速率：线路上单位时间内传送的波形（码元）个数。波形变换的次数。单位是波特（baud）.又称波特率或码元速率数据速率=码元速率log２ＭM为一个码元所取的离散值个数或信号的编级数南阳理工学院计算机科学技术系信道容量信道容量表征一个信道传输数据的能力,单位也用位/秒(bps)。信道容量与数据传输速率的区别在于,前者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,而后者则表示实际的数据传输速率。南阳理工学院计算机科学技术系练习：假设某信道的最大码元传输速率为2400baud，采用四电平的编码方式，该信道的最高数据传输速率是多少？南阳理工学院计算机科学技术系2信道带宽信道带宽：指的是网络信号可使用的最高频率与最低频率之差、或者说是“频带的宽度，单位是赫（或千赫、兆赫、吉赫等）。南阳理工学院计算机科学技术系传输媒体的带宽任何传输媒体都只能传输某些频率范围内的信号，即具有一个有限的带宽。如果媒体带宽小于信号的有效带宽，接收将会失真。南阳理工学院计算机科学技术系现在“带宽”是数字信道所能传送的“最高数据率”的同义语，单位是“比特每秒”，或b/s(bit/s)。更常用的带宽单位是千比每秒，即kb/s（103b/s）兆比每秒，即Mb/s（106b/s）吉比每秒，即Gb/s（109b/s）太比每秒，即Tb/s（1012b/s）注：南阳理工学院计算机科学技术系练习：有600MB（兆字节）的数据，要甲地传送到乙地。设信息传送的速率是56Kb/s，则从甲到乙要多长时间？如果信息传送的速率是10Mb/s呢？南阳理工学院计算机科学技术系练习：1、设数据信号码元长度为833×10-6秒，如采用16电平传输，试求数据传信速率和调制速率？解：RB=1/T=1/（833×10-6）=1200BdR=1200×log216=4800bps2、一个二进制数字信号码元时间长度为0.1μs，在传输过程中平均2.5秒产生一个错码，求其平均误码率。解：2.5秒传输码元数为：2.5/0.1*10-6=2.5×106所以，平均误码率为：1/(2.5×106)=4×10-7南阳理工学院计算机科学技术系3时延(delay或latency)发送时延（传输时延）发送数据时，数据块从结点进入到传输媒体所需要的时间。信道带宽数据在信道上的发送速率。常称为数据在信道上的传输速率。发送时延=数据块长度（比特）信道带宽（比特/秒）南阳理工学院计算机科学技术系时延(delay或latency)传播时延电磁波在信道中需要传播一定的距离而花费的时间。数据传输速率（即发送速率）和信号在信道上的传播速率是完全不同的概念。传播时延=信道长度（米）信号在信道上的传播速率（米/秒）南阳理工学院计算机科学技术系时延(delay或latency)处理时延交换结点为存储转发而进行一些必要的处理所花费的时间。结点缓存队列中分组排队所经历的时延是处理时延中的重要组成部分。处理时延的长短往往取决于网络中当时的通信量。有时可用排队时延作为处理时延。南阳理工学院计算机科学技术系时延(delay或latency)数据经历的总时延就是发送时延、传播时延和处理时延之和：总时延=发送时延+传播时延+处理时延南阳理工学院计算机科学技术系三种时延所产生的地方1011001…发送器队列在链路上产生传播时延结点B结点A在发送器产生发送时延(即传输时延)在队列中产生处理时延数据从结点A向结点B发送数据链路南阳理工学院计算机科学技术系习题：收发两端之间的传输距离为1000km，信号在媒体上的传播速率为2×108m/s。试计算以下两种情况的发送时延和传播时延：（1）数据长度为107bit，数据发送速率为100kb/s。（2）数据长度为103bit，数据发送速率为1Gb/s。南阳理工学院计算机科学技术系答案：（1）发送时延：ts=107÷105=100s传播时延：tp=106÷(2*108)=0.005s（2）发送时延：ts=103÷109=0.000001s传播时延：tp=106÷(2*108)=0.005s结论：若数据长度大而发送速率低，则在总的时延中，发送时延往往大于传播时延；但若数据长度短而发送速率高，则传播时延就可能是总时延中的主要成分。南阳理工学院计算机科学技术系4、时延带宽积和往返时延链路的时延带宽积又称为以比特为单位的链路长度。表示发送端连续发送数据，则发送的第一个比特即将到达终点时，发送端就已经发送了“时延带宽积”个比特（传播）时延链路带宽时延带宽积=传播时延带宽时延带宽积南阳理工学院计算机科学技术系习题：假设信号在媒体上的传播速率为2.3×108m/s。媒体长度l分别为：(1)10cm（网卡）(2)100m（局域网）(3)100km（城域网）(4)5000km（广域网）试计算当带宽为1Mb/s和10Gb/s时在以上媒体中正在传输的比特数。南阳理工学院计算机科学技术系答案：媒体长度l传播时延媒体中的比特数数据率=1Mb/s数据率=10Gb/s（1）0.1m4.35×10-10s4.35×10-44.35（2）100m4.35×10-7s0.4354.35×103（3）100km4.35×10-4s4.35×1024.35×106（4）5000km0.0217s2