资源描述
2.1 2.1 物理层的基本概念物理层的基本概念2.1.1 2.1.1 物理层概念物理层概念 通信子网分为点到点通信线路通信子网与广播信通信子网分为点到点通信线路通信子网与广播信道通信子网道通信子网; ; 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，一类是基于点据链路层协议上出现了两个分支，一类是基于点- -点点通信线路，另一类是基于广播信道。通信线路，另一类是基于广播信道。 2.1.2 2.1.2 物理层的基本服务功能物理层的基本服务功能 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；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；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。号传输到另一个数据链路实体。 2.1.3 2.1.3 物理层的主要任务描述物理层的主要任务描述 机械特性机械特性 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。2.2 2.2 数据通信的基础知识数据通信的基础知识2.2.1 2.2.1 数据通信系统的模型数据通信系统的模型 1.1.通信系统模型通信系统模型 2.2.通信系统功能介绍通信系统功能介绍nSourceSource（信源（信源） generates data to be transmittedgenerates data to be transmittednTransmitterTransmitter（发送器（发送器） Converts data into transmittable signalsConverts data into transmittable signalsnTransmission SystemTransmission System（传输系统（传输系统） Carries data Carries data （传输系统包含信道及系统噪声）（传输系统包含信道及系统噪声）nReceiverReceiver（接收器（接收器） Converts received signal into dataConverts received signal into datanDestinationDestination（信宿（信宿） Takes incoming dataTakes incoming data2.2.2 2.2.2 信息、数据与信号信息、数据与信号 1.1.基本定义基本定义 数字：数字：离散数值。离散数值。 模拟：模拟：连续数值。连续数值。 信息：信息：对事物或状态的某种认识。对事物或状态的某种认识。 数据：数据：传送信息的实体。数据可以是模拟或数字。传送信息的实体。数据可以是模拟或数字。 信号：信号：数据的物理表现方式。信号也可以模拟或数字。数据的物理表现方式。信号也可以模拟或数字。 通信的目的是交换信息，通信的目的是交换信息， 信息的载体可以是数字、信息的载体可以是数字、文字、语音、图形或图像，计算机产生的信息一般是字文字、语音、图形或图像，计算机产生的信息一般是字母、数字、语音、图形或图像的组合；母、数字、语音、图形或图像的组合； 为了传送这些信息，首先要将字母、数字、语音、图为了传送这些信息，首先要将字母、数字、语音、图形或图像用二进制代码的数据来表示；形或图像用二进制代码的数据来表示； 为了传输二进制代码的数据，必须将它们用为了传输二进制代码的数据，必须将它们用模拟或数字信号编码的方式表示；模拟或数字信号编码的方式表示； 数据通信是指在不同计算机之间传送表示字数据通信是指在不同计算机之间传送表示字母、数字、符号的二进制代码母、数字、符号的二进制代码0、1比特序列的比特序列的模拟或数字信号的过程。模拟或数字信号的过程。 2. 2. 数据转换为信号的方式数据转换为信号的方式 模拟数据模拟信号模拟数据模拟信号 模拟数据数字信号模拟数据数字信号 数字数据模拟信号数字数据模拟信号 数字数据数字信号数字数据数字信号 2.2.3 2.2.3 有关信道的几个基本概念有关信道的几个基本概念 1 1信道信道 表示向某一个方向传送信息的媒体。信道不等同表示向某一个方向传送信息的媒体。信道不等同电路，一条电路往往含收发两信道。电路，一条电路往往含收发两信道。 2 2信道的分类信道的分类 1 1）模拟信道）模拟信道 2 2）数字信道）数字信道 3 3基带与宽带基带与宽带 基带：基带：将数字信号将数字信号1 1和和O O直接用两种不同的电压来直接用两种不同的电压来表示，然后送到线路上去传输。表示，然后送到线路上去传输。 宽带：宽带： 将基带信号进行调制后形成频分复用模拟将基带信号进行调制后形成频分复用模拟信号。信号。4 4串行通信与并行通信串行通信与并行通信 发送端接收端串行通信信道(a)发送端b0b1b2b3b4b5b6b7b7b6b5b4b3b2b1b0接收端b0b1b2b3b4b5b6b7并行通信信道(b)5. 单工、半双工与全双工通信单工、半双工与全双工通信发送接收单向通道双向通道双向通道(a)(b)(c)发送接收发送接收接收发送接收发送6 6同步通信与异步通信同步通信与异步通信SYNSYN.一个或多个SYN字符控制字符数据字符控制字符终止位(逻辑“0”)起始位(逻辑“1”)tb0b1b2b3b4b5b6字节5字节4字节3 字节2字节12.2.4 2.2.4 信道的最高码元传输速率信道的最高码元传输速率 1 1、NyquistNyquist准则准则 理想低通信道的最高码元传输速率理想低通信道的最高码元传输速率2 2W BaudW Baud 理想带通信道的最高码元传输速率理想带通信道的最高码元传输速率W BaudW Baud W: W: 带宽，单位为赫（带宽，单位为赫（Hz)Hz) Baud: Baud: 码元传输速率的单位，码元传输速率的单位，1 1波特为每秒传送波特为每秒传送1 1个码元。个码元。 2 2、比特和波特、比特和波特 比特比特是信息量的单位。是信息量的单位。 波特波特是码元传输速率的单位，它说明每秒传多少个是码元传输速率的单位，它说明每秒传多少个码元。也称为调制速率、波形速率或符号速率。码元。也称为调制速率、波形速率或符号速率。 比特比特/ /秒秒是信息的传输速率。是信息的传输速率。 比特比特/ /秒秒与与波特波特在数量上有一定的关系。若在数量上有一定的关系。若1 1码元只码元只携带携带1 1比特信息量，比特信息量，比特比特/ /秒秒与与波特波特在数值上相等；若在数值上相等；若1 1码元携带码元携带n n比特信息量，则比特信息量，则M M波特波特等于等于M Mn n比特比特/ /秒。秒。 例：有一带宽为例：有一带宽为3kHz3kHz的理想低通信道，若的理想低通信道，若1 1码元能携码元能携带带3bit3bit的信息量，问信道的最高信息传输速率是多少？的信息量，问信道的最高信息传输速率是多少？ 答：答：1800018000b/s.b/s. 2.2.4 2.2.4 信道的极限信息传输速率信道的极限信息传输速率 香农公式：香农公式：C = W C = W 2 2(1+S/N) b/s(1+S/N) b/s 其中：其中：W W为信道的带宽为信道的带宽( (以以HzHz为单位）；为单位）； S S为信道内所传信号的平均功率；为信道内所传信号的平均功率； N N为信道内的高斯噪声功率。为信道内的高斯噪声功率。 特点：特点： 1 1）信道带宽或信噪比越大，极限传输速率越高；）信道带宽或信噪比越大，极限传输速率越高； 2 2）信息传输速率低于信道极限传输速率，一定可）信息传输速率低于信道极限传输速率，一定可以找到方法实现无差错传输。以找到方法实现无差错传输。 2.4 2.4 物理层下面的传输媒体物理层下面的传输媒体 传输媒体也称为传输介质或传输媒介，它是在传输媒体也称为传输介质或传输媒介，它是在发送器与接收器之间的物理通路。发送器与接收器之间的物理通路。 传输煤体可分为两大类：即导向性传输媒体与传输煤体可分为两大类：即导向性传输媒体与非导向传输媒体。非导向传输媒体。 电信领域使用的电磁波的频谱电信领域使用的电磁波的频谱目前已用到从长目前已用到从长波到红外线的所有频段，频率成为战略资源。波到红外线的所有频段，频率成为战略资源。2.4.1 2.4.1 导向传输媒体导向传输媒体 1 1双绞线双绞线 双绞线由两根互相绝缘的铜导线按规则螺旋结构双绞线由两根互相绝缘的铜导线按规则螺旋结构扭绞而成。扭绞而成。 模拟传输和数字传输都可以使用双绞线。模拟传输和数字传输都可以使用双绞线。 模拟传输：模拟传输：大约每大约每5km5km6km6km就需要增设放大器来就需要增设放大器来将衰减了的信号放大到合适数值。将衰减了的信号放大到合适数值。 数字传输：数字传输：每每2km2km3km 3km 也要使用中继器将失真了也要使用中继器将失真了的数字信号进行整形。的数字信号进行整形。 双绞线的分类：双绞线的分类： 1）屏蔽双绞线）屏蔽双绞线 2）无屏蔽双绞线）无屏蔽双绞线 铜线绝缘层外屏蔽层外部保护层（a）屏蔽双绞线（a）屏蔽双绞线铜线绝缘层外部保护层（b）非屏蔽双绞线（b）非屏蔽双绞线 2 2同轴电缆同轴电缆 同轴电缆同轴电缆（Coaxial CableCoaxial Cable）由内导体硬铜芯线、）由内导体硬铜芯线、绝缘层、密织的网状外导体屏蔽层以及保护塑料外绝缘层、密织的网状外导体屏蔽层以及保护塑料外层所组成，它比双绞线的屏蔽性更好，因此，传输层所组成，它比双绞线的屏蔽性更好，因此，传输速度更高，传输距离更远。速度更高，传输距离更远。内导体绝缘层外屏蔽层外部保护层同轴电缆的分类：同轴电缆的分类：1） 5050同轴电缆同轴电缆 用于传送基带（用于传送基带（BasebandBaseband）数字信号，又称为基）数字信号，又称为基带同轴电缆。传送基带数据信号时，有多种编码方法。带同轴电缆。传送基带数据信号时，有多种编码方法。最常用的为曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码。最常用的为曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码。2 2）7575同轴电缆同轴电缆 用于模拟传输系统，它是公用天线电视（用于模拟传输系统，它是公用天线电视（CATVCATV，Community Antenna TelevisionCommunity Antenna Television）系统中的标准传输）系统中的标准传输电缆。传送的信号采用了频分的宽带（电缆。传送的信号采用了频分的宽带（BroadbandBroadband）信）信号。又称为宽带同轴电缆。号。又称为宽带同轴电缆。3 3光纤光纤 光传输系统由三部分组成：光传输系统由三部分组成：光源、光纤和检测器。光源、光纤和检测器。 光电转换LED发送端输入光电转换PIN接收端输出光纤光信号 1) 1)光源与光检测器光源与光检测器 发送端：发送端：采用发光二极管或半导体激光器，将接收采用发光二极管或半导体激光器，将接收到的电脉冲转换成光脉冲并传输出去。到的电脉冲转换成光脉冲并传输出去。 接收端：接收端：利用光电二极管做成光检测器，当检测到利用光电二极管做成光检测器，当检测到光脉冲时就可将其还原成电脉冲。光脉冲时就可将其还原成电脉冲。 2) 2)光纤介质光纤介质 构造：构造：由透明的石英玻璃拉成细丝的纤芯和包层构由透明的石英玻璃拉成细丝的纤芯和包层构成双层的圆柱体光缆。成双层的圆柱体光缆。光纤芯包层外部保护层(a)(a)保护层包层光纤芯(b)(b) 多模光纤（多模光纤（Multi-mode FiberMulti-mode Fiber）: :指多条不同角度指多条不同角度入射的光线在一条光纤中传输。入射的光线在一条光纤中传输。 单模光纤（单模光纤（Single-mode FiberSingle-mode Fiber）: :直径减小到只有直径减小到只有一个光的波长一个光的波长, ,不需经过多次反射就可一直向前传播。不需经过多次反射就可一直向前传播。 输入脉冲输出脉冲（a a）多多模模光光纤纤（b b）单单模模光光纤纤输入脉冲输出脉冲 3) 3)光缆光缆 由一至数百根光纤组成。由一至数百根光纤组成。 4 4）优缺点）优缺点频带宽，传输损耗小。频带宽，传输损耗小。不受电磁干扰或噪声的影响。不受电磁干扰或噪声的影响。不受空气中腐蚀性化学物质的侵蚀。不受空气中腐蚀性化学物质的侵蚀。安全性很高。安全性很高。光纤很细而且重量轻，有利于敷设线路。光纤很细而且重量轻，有利于敷设线路。光电接口价格较贵，光纤对接需要专用设备。光电接口价格较贵，光纤对接需要专用设备。4 4非导向传输媒体非导向传输媒体 电磁波的传播有两种方式：电磁波的传播有两种方式： 以无线方式一种是在自由空间中传播；以无线方式一种是在自由空间中传播； 以有线方式在同轴电缆、双绞线、光纤中传输。以有线方式在同轴电缆、双绞线、光纤中传输。 目前目前以无线方式进行以无线方式进行通信的主要有：通信的主要有： 无线（无线（radio）；）； 微波（微波（microwave）；）； 红外（红外（infrared）；）； 卫星通信。卫星通信。 1)1)无线电波无线电波 容易产生，传播距离很远，容易穿过建筑物，容易产生，传播距离很远，容易穿过建筑物，广泛用于通信的无线电波是全方向传播的，因此广泛用于通信的无线电波是全方向传播的，因此发射和接收装置不必精确地对准。发射和接收装置不必精确地对准。 无线电波的特性与频率有关。在较低频率上，无线电波的特性与频率有关。在较低频率上，无线电波能轻易地通过障碍物，但其能量随着距无线电波能轻易地通过障碍物，但其能量随着距离的增大而急剧减小。在高频上，无线电波趋于离的增大而急剧减小。在高频上，无线电波趋于直线传播，并会受障碍物的阻挡，而且还会被雨直线传播，并会受障碍物的阻挡，而且还会被雨水吸收。水吸收。 2)2)微波通信微波通信 微波通信被用于长途电话通信、蜂窝电话、电视微波通信被用于长途电话通信、蜂窝电话、电视传播和其它应用。传播和其它应用。n视距传播视距传播地球表面 3）红外线）红外线 广泛用于短距离通信。采用相干光调制的激光广泛用于短距离通信。采用相干光调制的激光收发器也可以安装成类似的系统。其主要差别是，收发器也可以安装成类似的系统。其主要差别是，激光硬件会发生少量射线，需要经过许可才能安装。激光硬件会发生少量射线，需要经过许可才能安装。 4）卫星通信）卫星通信 卫星地球表面卫星发送多点接收多点接收2.5 2.5 模拟传输与数字传输模拟传输与数字传输2.5.1 2.5.1 模拟传输系统模拟传输系统 典型的模拟传输系统就是传统的电话通信系统。典型的模拟传输系统就是传统的电话通信系统。传统的电话通信信道是为传输语音信号设计的，只传统的电话通信信道是为传输语音信号设计的，只适用于传输音频范围（适用于传输音频范围（300Hz3400Hz）的模拟信）的模拟信号，无法直接传输计算机的数字信号。号，无法直接传输计算机的数字信号。2.5.2 2.5.2 模拟系统传输数字信号模拟系统传输数字信号 为了利用模拟系统实现计算机的数字数据信号为了利用模拟系统实现计算机的数字数据信号的传输，必须首先将数字信号转换成模拟信号；的传输，必须首先将数字信号转换成模拟信号；2.5.3 2.5.3 调制解调器调制解调器1 1、调制解调器的作用、调制解调器的作用 将发送端数字数据信号变换成模拟数据信号的过程将发送端数字数据信号变换成模拟数据信号的过程称为调制，将调制设备称为调制器（称为调制，将调制设备称为调制器（modulator）；）； 将接收端模拟数据信号还原成数字数据信号的过程将接收端模拟数据信号还原成数字数据信号的过程称为解调，将解调设备称为解调器称为解调，将解调设备称为解调器(demodulator)； 同时具备调制与解调功能的设备称为调制解调器同时具备调制与解调功能的设备称为调制解调器（modem）； 调制解调器使用异步通信方式。调制解调器使用异步通信方式。2 2、调制解调器的工作原理、调制解调器的工作原理3 3、调制解调器的速率、调制解调器的速率2020世纪世纪8080年代中期，调制解调器的速率一般为年代中期，调制解调器的速率一般为300300b/s;b/s;本世纪初，调制解调器的速率发展到本世纪初，调制解调器的速率发展到28.8-33.6kb/s 28.8-33.6kb/s (ITU-T(ITU-T的的V.34V.34标准标准) )和和56kb/s (ITU-T V.90)56kb/s (ITU-T V.90)的水平。的水平。目前用于电话通信系统的调制解调器速率已经接近香农目前用于电话通信系统的调制解调器速率已经接近香农的信道容量极限；的信道容量极限；香农公式的信道最高传输速率取决于信道频带宽和信噪香农公式的信道最高传输速率取决于信道频带宽和信噪比。对于传统电话系统每一话路频带为比。对于传统电话系统每一话路频带为3.1kHz3.1kHz的标准已的标准已定，要提高传输速率，只有提高信噪比；定，要提高传输速率，只有提高信噪比；调制解调器的最大噪声来自模拟到数字的调制解调器的最大噪声来自模拟到数字的A/DA/D转换所带转换所带来的量化噪声。来的量化噪声。 2.5.4 2.5.4 数字传输系统数字传输系统 1 1数字传输与模拟传输比较数字传输与模拟传输比较1 1）数字信号仅恢复两个值）数字信号仅恢复两个值0 0、1 1，模拟信号需恢，模拟信号需恢复不同的值（波形）。复不同的值（波形）。2 2）数字信号可以实现多媒体业务传输，模拟信）数字信号可以实现多媒体业务传输，模拟信号无法办到。号无法办到。3 3）数字传输成本低。）数字传输成本低。4 4）数字传输便于维护。）数字传输便于维护。5 5）数字传输更安全。）数字传输更安全。 2 2模拟信号数字化模拟信号数字化 采用脉码调制采用脉码调制PCM实现模拟信号数字化实现模拟信号数字化D8D7D6D5D4D3D2D100.51.01.5At0.270.30.620.61.281.31.521.51.261.30.730.70.410.40.120.1(a)样本量化级二进制编码编码信号0001010001111101111111010110001136131513741D1D2D3D4D5D6D7D8(b)n采样采样n量化量化n编码编码 现简要介绍标准电话信号（最高频率为现简要介绍标准电话信号（最高频率为3.4 KHZ）的数字化过程。的数字化过程。 1）采样：）采样：要采样频率不低于模拟信号最高频率的要采样频率不低于模拟信号最高频率的2倍，就可以无失真地恢复出原来的模拟信号（采样定倍，就可以无失真地恢复出原来的模拟信号（采样定理），故采样频率设为理），故采样频率设为8000Hz。 2）量化：）量化：将模拟信号按幅度分成多个量化级别。将模拟信号按幅度分成多个量化级别。 3）编码：）编码：用一定位数的二进制数表示量化等级。用一定位数的二进制数表示量化等级。 4）传输：）传输：将将PCM编码后的数字发送到信道上传输。编码后的数字发送到信道上传输。一路话音的一路话音的PCM信号速率信号速率88kHz64kb/s恢复模拟信号的过程正好相反。恢复模拟信号的过程正好相反。2.6 2.6 信道复用技术信道复用技术 信道复用指多个信道通过一条数据链路传输，典型信道复用指多个信道通过一条数据链路传输，典型构造如下：构造如下：复用器 分用器 通道 通路 一条通路三个通道 PathChannel2.6.1 频分复用(FDM) 1、FDM复用调制 调制 调制 f1f2f3f1f3f2复用器 Transmit 2、FDM分用滤波器 滤波器 滤波器 解调 解调 解调 f1f2f3 FDM解复用 2.6.2 时分复用 (TDM) 1 1、同步时分复用、同步时分复用 输入线路5，每帧时间片5 帧1 帧N 帧2复用器 2 2多个话路的时分复用多个话路的时分复用TDMTDM 将多个话路将多个话路PCMPCM信号按时分复用信号按时分复用TDMTDM的方法装成帧，然的方法装成帧，然后再送到线路上一帧接一帧地传输。后再送到线路上一帧接一帧地传输。 E1E1的一个采样周期的一个采样周期T T（为（为125125s s）共划分）共划分3232个相等的个相等的时隙，其中第时隙，其中第0 0个时隙作帧同步用，第个时隙作帧同步用，第1616个时隙传送信令个时隙传送信令, ,其它其它3030个时隙可作为个时隙可作为3030个话路。如图：个话路。如图：CH0 CH1 CH30 CH31采样周期采样周期T=125ST=125S8bit此时数据速率为此时数据速率为8 832328000=8000=2.048Mb/S2.048Mb/S3、统计时分复用、统计时分复用vSTMD中，帧内时间片的顺序依赖于那些设备有数据待中，帧内时间片的顺序依赖于那些设备有数据待发送。发送。 vSTMD中，每个时间片中都加入地址信息中，每个时间片中都加入地址信息 。 v寻址需要增加额外的开销寻址需要增加额外的开销 。v变长时间片，可以通过改变时间片长度来容纳不同数变长时间片，可以通过改变时间片长度来容纳不同数据速率的流量。据速率的流量。2.6.3 波分复用（WDM） 波分复用就是光的频分复用。波分复用就是光的频分复用。 1 1、色散补偿技术、色散补偿技术 2 2、密集波分复用（、密集波分复用（DWDM)DWDM) 3 3、合波器与分波器、合波器与分波器 4 4、光纤放大器、光纤放大器2.6.4 码分复用（CDM） 1、定义、定义 码分复用指用户使用经过特殊挑选的相互正交的码型码分复用指用户使用经过特殊挑选的相互正交的码型进行通信，它们之间互不干扰。进行通信，它们之间互不干扰。 对于码分复用，各用户可用同样的时间和频率通信。对于码分复用，各用户可用同样的时间和频率通信。 2、工作原理、工作原理 1）将每个比特位时间划分为）将每个比特位时间划分为m个短的间隔，称为码片。个短的间隔，称为码片。 2）为每站指派一个唯一的）为每站指派一个唯一的mbit的码片序列，各站码片的码片序列，各站码片序列互相正交。序列互相正交。 3）一站要发送比特）一站要发送比特1，则发送自己的，则发送自己的mbit码片序列。码片序列。若发送若发送0，则发该码片序列的反码。，则发该码片序列的反码。 4）接收方用发送方码片序列与收到的信号求规格）接收方用发送方码片序列与收到的信号求规格化内积，得到化内积，得到0或或1。 3、数学公式、数学公式110miiiS TS Tm111111miiimiiiS SS SmS SS Sm 4 4、举例、举例2.7 2.7 物理层标准举例物理层标准举例 2.7.1 EIA-232-E2.7.1 EIA-232-E接口标准接口标准 2.7.2 RS-4492.7.2 RS-449接口标准接口标准
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