第2章_物理层12

1第一章重点内容：-掌握计算机网络的基本概念-掌握三种交换的特点，进行比较，分析优缺点-掌握计算机网络的分类-掌握带宽、时延等重要概念-掌握计算机网络体系结构的基本概念-协议、服务2第2章物理层2.1物理层的基本概念2.2数据通信的基本知识2.3常用的传输介质2.4数据编码2.5多路复用2.6宽带接入技术内容提要32.1物理层的基本概念物理层的功能：实现在各种传输介质上传输数据的比特流。物理层的主要任务：确定与传输媒体的接口的一些特性。4物理层的基本概念机械特性指明接口所用接线器的形状和尺寸、引脚数目和排列方式，定义接插及锁紧方式等。电气特性指明在接口电缆的线路上出现的电压、电流等范围。功能特性指明某条线上出现的某一电平的电压信号表示何种意义，通信过程中完成何种功能。规程特性指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。是功能事件时序的描述。52.2数据通信的基础知识1、数据通信系统的模型一个通信系统可以划分成三部分：源系统（源点、发送器）、传输系统和目的系统（接收器、终点）。传输系统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正文正文源系统目的系统传输系统输出信息PC机6相关的术语数据：传递信息的实体，信息则是数据的内容或解释。信号：数据的物理量编码（通常为电编码），数据以信号的形式传播。数字的：取值是离散的。数字信号与数字数据模拟的：连续变化的。模拟信号与模拟数据2.2数据通信的基础知识72.2数据通信的基础知识8模拟数据和数字数据都可以转换成模拟信号或数字信号进行传输。就会有4种组合。模拟数据-模拟信号模拟数据-数字信号数字数据-模拟信号数字数据-数字信号模拟信号和数字信号也可以互相转换。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。2.2数据通信的基础知识92.2数据通信的基础知识2、信道与电路信道：表示向某一个方向传送信息的媒体。模拟信道与数字信道电路：往往包含一条发送信道和一条接收信道。信道上传送的信号:基带信号：就是将数字信号1或0直接用两种电压来表示，然后送到线路上去传输。带通信号：就是将基带信号进行载波调制后形成的模拟信号。10传输模式(通信双方信息交换方式)—数据流动的方向•单向通信：数据单向传输（无线电广播）•双向交替通信：数据可以双向传输，但不能在同一时刻双向传输（对讲机）•双向同时通信：数据可同时双向传输（电话）1）链路具有两条物理上独立的传输线路；2）将带宽一分为二，分别用于不同方向的信号传输。2.2数据通信的基础知识112.2数据通信的基础知识3、信道的最高码元传输速率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。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。12码元(code)——在使用时间域（或简称为时域）的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形。如在使用二进制编码时，只有两种不同的码元，一种代表0状态，一种代表1状态。132.2数据通信的基础知识3、信道的最高码元传输速率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受到多种干扰。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。142.2数据通信的基础知识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)15(1)信道能够通过的频率范围在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，否则就会出现码间串扰的问题，使接收端对码元的判决（即识别）成为不可能。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。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。16每赫带宽的理想低通信道的最高码元传输速率是每秒2个码元。Baud是波特，是码元传输速率的单位，1波特为每秒传送1个码元。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)具有理想低通信道特性奈氏(Nyquist)准则17每赫带宽的理想带通信道的最高码元传输速率是每秒1个码元。理想带通信道的最高码元传输速率=WBaudW是理想带通信道的带宽，单位为赫(Hz)不能通过能通过0频率(Hz)W(Hz)不能通过具有理想带通信道特性奈氏(Nyquist)准则182.2数据通信的基础知识要强调以下几点：实际的信道所能传输的最高码元速率，要明显地低于奈氏准则给出上限数值。波特(Baud)和比特(bit)是两个不同的概念。-波特是码元传输的速率单位（每秒传多少个码元）。码元传输速率也称为调制速率、波形速率或符号速率。-比特是信息量的单位。192.2数据通信的基础知识信息的传输速率“比特/秒”与码元的传输速率“波特”在数量上却有一定的关系。若1个码元只携带1bit的信息量，则“比特/秒”和“波特”在数值上相等。若1个码元携带nbit的信息量，则MBaud的码元传输速率所对应的信息传输速率为Mnb/s。204、信道的极限信息传输速率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。信道的极限信息传输速率C可表达为C=Wlog2(1+S/N)b/s-W为信道的带宽（以Hz为单位）；-S为信道内所传信号的平均功率；-N为信道内部的高斯噪声功率。信息论是运用概率论与数理统计的方法研究信息、信息熵、通信系统、数据传输、密码学、数据压缩等问题的应用数学学科。21香农公式表明信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高。只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定可以找到某种办法来实现无差错的传输。若信道带宽W或信噪比S/N没有上限（当然实际信道不可能是这样的），则信道的极限信息传输速率C也就没有上限。实际信道上能够达到的信息传输速率要比香农的极限传输速率低不少。22码元传输速率和信息传输速率的关系:对于M进制系统，设信息速率为Rb，码元速率为RB，则有在二进制下，码元速率与信息速率在数值上相等，只是单位不同。注意：对于频带宽度已确定的信道，信噪比不能再提高了，且码元传输速率也达到了上限值，那么提高信息的传输速率就必须用编码的方法让每一个码元携带更多比特的信息量。231分类2.3物理层下面的传输媒体导向传输媒体——电磁波被导向沿着固体媒体传播如：双绞线，同轴电缆，光纤等非导向传输媒体——电磁波沿着自由空间传播如：无线电波，微波，红外等24•双绞线是综合布线工程中最常用的一种传输介质。•双绞线——两根互相绝缘的铜导线并排放在一起，用规则的方法绞合起来(降低信号干扰)。导向传输媒体屏蔽双绞线(STP)非屏蔽双绞线(UTP)ShieldedTwistedPairUnshiededTwistedPair以铝箔屏蔽以减少电磁干扰和串音，适合于配电房附近等区域布线。双绞线外没有任何附加屏蔽，适合于无干扰源区域布线。双绞线既可用于传输模拟信号，又可用于传输数字信号。美国的电气工业协会/电信工业协会（EIA/TIA）制定标准来评估非屏蔽双绞线，分为多个等级，每个等级的传输速率和应用环境不同：•第一类线：主要用于传输语音（一类标准主要用于八十年代初之前的电话线缆），不用于数据传输。其数据传输速率可达4Mbps。•第二类线：传输频率为1MHz，用于语音传输和最高传输速率4Mbps的数据传输，常见于使用4Mbps规范令牌传递协议的旧的令牌网。•第三类线：该电缆的传输频率为16MHz,用于语音传输及最高传输速率为10Mbps的数据传输，主要用于10base-T。27第四类线：该类电缆的传输频率为20MHz,用于语音传输和最高传输速率16Mbps的数据传输，主要用于基于令牌的局域网和10base-T/100base-T。第五类线：该类电缆增加了绕线密度,外套一种高质量的绝缘材料,传输频率为100MHz,用于语音传输和最高传输速率为100Mbps的数据传输，主要用于100base-T和10base-T网络，这就是我们最常用的双绞线。超五类线：超5类具有衰减小，串扰少，并且具有更高的衰减与串扰的比值（ACR）和信噪比（StructuralReturnLoss）、更小的时延误差，性能得到很大提高。超5类线主要用于千兆位以太网（1000Mbps）。六类线：该类电缆的传输频率为1MHz～250MHz，六类布线系统在200MHz时综合衰减串扰比（PS-ACR）应该有较大的余量，它提供2倍于超五类的带宽，最大速度可达到1000Mbps，能满足千兆位以太网需求。28双绞线的特点：•结构简单，容易安装，普通UTP较便宜•有一定的传输速率•总体造价降低•对电磁干扰比较敏感(b)Category5UTP(a)Category3UTP29双绞线的使用：•双绞线一般用于星型网的布线连接，两端安装有RJ-45头，就是我们经常说的“水晶头”。连接网卡与集线器，最大网线长度为100米，如果要加大网络的范围，在两段双绞线之间可安装中继器，最多可安装4个中继器，如安装4个中继器连5个网段，最大传输范围可达500米。30双绞线的使用：•传输数据时，双绞线使用的只有八根线芯中的4根，用于双向传输（全双工）。•根据连接两端的网络端口不同，有直通线、交叉线及rollover三种：•直通线主要用于不同的两个端口，比如网卡-交换机；•交叉线用于连接相同的两个端口，如网卡-网卡；•rollover线主要被用于使用RJ45转换器连接交换机或者路由器的控制端口。31•同轴电缆——指有两个同心导体，而导体和屏蔽层又共用同一轴心的电缆。同轴电缆以单根铜导线为内芯（电缆铜芯），外裹一层绝缘材料（绝缘层），外覆密集网状导体（铜网），最外面是一层保护性塑料（外绝缘层）。金属屏蔽层能将磁场反射回中心导体，同时也使中心导体免受外界干扰，故同轴电缆比双绞线具有更高的带宽和更好的噪声抑制特性，广泛用于传输较高速率的数据。导向传输媒体（续）32两种广泛使用的同轴电缆：基带同轴电缆一条电缆只用于一个信道，直接传输数字信号，阻抗为50Ω，基带同轴电缆的最大距离限制在几公里；可分为两类：粗缆和细缆。宽带同轴电缆宽带同轴电缆传输模拟信号，阻抗为75Ω，宽带电缆的最大距离可以达几十公里。•光纤——是光导纤维的简写，是一种利用光在玻璃或塑料制成的纤维中的全反射原理而达成的光传导工具。导向传输媒体（续）光纤传输原理——利用了光的全反射光从一种介质入射到另一种介质时会产生折射。折射量取决于两种介质的折射率。当入射角≥临界值时产生全反射，不会泄漏。光纤：纤芯-折射率高、玻璃包层-折射率低利用光纤传递光脉冲来进行通信，有光脉冲相当与1，没有光脉冲相当与0。光传输系统：光源、介质、光检测器光源:发光二极管/激光二极管介质:光纤光检测器:光电二极管PIN/雪崩二极管APD单向传输，双向需两根光纤35光纤的工作原理高折射率(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玻璃封套塑料外套玻璃内芯单芯光缆多芯光缆玻璃内芯塑料外套玻璃封套外壳37多模光纤与单模光纤通过光纤传输的每一条光束被称作一个模。单模光纤在给定的工作波长上只能传输一路信号，它的纤芯直径很小，8µm~10µm。传输频带宽，传输容量大，距离远，一般由激光作光源,多用于远程通信。多模光纤在多个给定的工作波长上，能以多个模式（多路信号）同时传输的光纤，它的纤芯直径比单模光纤粗，15µm~50µm。一般由二极管发光,多用于网络布线系统。与单模光纤相比，多模光纤的传输性能较差。38输入脉冲输出脉冲单模光纤多模光纤与单模光纤输入脉冲输出脉冲多模光纤39光纤