1、计算机网络与通信物理层1/58第 2 章 物理层2.1 物理层基本概念2.2 数据通信基础知识2.2.1 数据通信系统模型2.2.2 相关信道几个基本概念2.2.3 信道极限容量2.2.4 信道极限信息传输速率2.3 物理层下面传输媒体2.3.1 导向传输媒体2.3.2 非导向传输媒体2/58第 2 章 物理层（续）2.4 信道复用技术 2.4.1 频分复用、时分复用和统计时分复用 2.4.2 波分复用 2.4.3 码分复用2.5 局域异步通信3/582.1 物理层基本概念 物理层主要任务描述为确定与传输媒体接口一些特征，即：n机械特征 指明接口所用接线器形状和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定
2、装置等等。n电气特征 指明在接口电缆各条线上出现电压范围。n功效特征 指明某条线上出现某一电平电压表示何种意义。n过程特征 指明对于不一样功效各种可能事件出现次序。4/582.2 数据通信基础知识2.2.1 数据通信系统模型 传输系统输入信息输入数据发送信号接收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标系统传输系统输出信息PC 机5/58几个术语n数据(data)运输消息实体。n信号(signal)数据电气或电磁表现。n“模拟”(analogous)代表消息参数取值是连续。n“数字”(dig
3、ital)代表消息参数取值是离散。n码元(code)在使用时间域（或简称为时域）波形表示数字信号时，代表不一样离散数值基本波形。6/58 2.2.2 相关信号几个基本概念n单向通信（单工通信）只能有一个方向通信而没有反方向交互。n双向交替通信（半双工通信）通信双方都能够发送信息，但不能双方同时发送(当然也就不能同时接收)。n双向同时通信（全双工通信）通信双方能够同时发送和接收信息。7/58基带(baseband)信号和带通(band pass)信号 n基带信号（即基本频带信号）来自信源信号。像计算机输出代表各种文字或图像文件数据信号都属于基带信号。n基带信号往往包含有较多低频成份，甚至有直流成
4、份，而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量。所以必须对基带信号进行调制(modulation)。n带通信号把基带信号经过载波调制后，把信号频率范围搬移到较高频段方便在信道中传输（即仅在一段频率范围内能够经过信道）。8/58几个最基本调制方法 n基带信号往往包含有较多低频成份，甚至有直流成份，而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量。为了处理这一问题，就必须对基带信号进行调制(modulation)。n最基本二元制调制方法有以下几个：n调幅(AM)：载波振幅随基带数字信号而改变。n调频(FM)：载波频率随基带数字信号而改变。n调相(PM)：载波初始相位随基带数字信号而改变。9/58对基带数
5、字信号几个调制方法 010011100基带信号调幅调频调相10/58正交振幅调制 QAM(Quadrature Amplitude Modulation)r(r,)可供选择相位有 12 种，而对于每一个相位有 1 或2 种振幅可供选择。因为4 bit 编码共有16 种不一样组合，所以这 16 个点中每个点可对应于一个 4 bit 编码。若每一个码元可表示比特数越多，则在接收端进行解调时要正确识别每一个状态就越困难。举例11/582.2.3 信道极限容量 n任何实际信道都不是理想，在传输信号时会产生各种失真以及带来各种干扰。n码元传输速率越高，或信号传输距离越远，在信道输出端波形失真就越严重。1
6、2/58数字信号经过实际信道 n有失真，但可识别n失真大，无法识别 实际信道（带宽受限、有噪声、干扰和失真）发送信号波形接收信号波形发送信号波形实际信道（带宽受限、有噪声、干扰和失真）接收信号波形13/58(1)信道能够经过频率范围n1924 年，奈奎斯特(Nyquist)就推导出了著名奈氏准则。他给出了在假定理想条件下，为了防止码间串扰，码元传输速率上限值。n在任何信道中，码元传输速率是有上限，不然就会出现码间串扰问题，使接收端对码元判决（即识别）成为不可能。n假如信道频带越宽，也就是能够经过信号高频分量越多，那么就能够用更高速率传送码元而不出现码间串扰。14/58(2)信噪比 n香农(Sh
7、annon)用信息论理论推导出了带宽受限且有高斯白噪声干扰信道极限、无差错信息传输速率。n信道极限信息传输速率 C 可表示为n C=W log2(1+S/N)b/s nW 为信道带宽（以 Hz 为单位）；nS 为信道内所传信号平均功率；nN 为信道内部高斯噪声功率。15/58香农公式表明 n信道带宽或信道中信噪比越大，则信息极限传输速率就越高。n只要信息传输速率低于信道极限信息传输速率，就一定能够找到某种方法来实现无差错传输。n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么），则信道极限信息传输速率 C 也就没有上限。n实际信道上能够到达信息传输速率要比香农极限传输速率低
8、不少。16/58请注意 n对于频带宽度已确定信道，假如信噪比不能再提升了，而且码元传输速率也到达了上限值，那么还有方法提升信息传输速率。这就是用编码方法让每一个码元携带更多比特信息量。17/582.3 物理层下面传输媒体无线电微波红外线可见光紫外线X射线射线双绞线同轴电缆卫星地面微波 调幅无线电 调频无线电 海事无线电光纤电视(Hz)f(Hz)fLFMFHFVHF UHF SHFEHFTHF波段104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016100 102 104 106 108 1010 1012 1014 1016 101
9、8 1020 1022 1024 移动无线电 电信领域使用电磁波频谱18/582.3.1 导向传输媒体n双绞线n屏蔽双绞线 STP(Shielded Twisted Pair)n无屏蔽双绞线 UTP(Unshielded Twisted Pair)n同轴电缆n50 同轴电缆n75 同轴电缆n光缆 19/58各种电缆铜线铜线聚氯乙烯 套层聚氯乙烯套层屏蔽层绝缘层绝缘层外导体屏蔽层绝缘层绝缘保护套层内导体无屏蔽双绞线 UTP屏蔽双绞线 STP同轴电缆20/58光线在光纤中折射 折射角入射角 包层（低折射率媒体）包层（低折射率媒体）纤芯（高折射率媒体）包层纤芯21/58光纤工作原理高折射率(纤芯)低
10、折射率(包层)光线在纤芯中传输方式是不停地全反射22/58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23/58光纤和同轴电缆比较n光纤与同轴电缆相比有许多优点：n带宽范围大n传输距离远，信号损失小，50km一个中继器，5km一个n光纤不受电源、电磁干扰和空气中腐蚀物质影响，也不会对环境产生电磁干扰。n光纤非常细，对大规模铺设非常有用。n也有缺点：n光纤抽头拼接都比较困难n极难确定断裂位置24/582.3.2 非导向传输媒体 n无线传输所使用频段很广。n短波通信主要是靠电离层反射，但短波信道通信质量较差。n微波在空间主要是直线传输。n地面微波接力通信n卫星通信 25/58
11、共享信道2.4 信道复用技术2.4.1 频分复用、时分复用和统计时分复用 n复用(multiplexing)是通信技术中基本概念。信道A1A2B1B2C1C2信道信道A1A2B1B2C1C2复用分用(a)不使用复用技术(b)使用复用技术26/58频分复用 FDM(Frequency Division Multiplexing)n用户在分配到一定频带后，在通信过程中自始至终都占用这个频带。n频分复用全部用户在一样时间占用不一样带宽资源（请注意，这里“带宽”是频率带宽而不是数据发送速率）。频率时间频率 1频率 2频率 3频率 4频率 527/58时分复用TDM(Time Division Mult
12、iplexing)n时分复用则是将时间划分为一段段等长时分复用帧（TDM 帧）。每一个时分复用用户在每一个 TDM 帧中占用固定序号时隙。n每一个用户所占用时隙是周期性地出现（其周期就是 TDM 帧长度）。nTDM 信号也称为等时(isochronous)信号。n时分复用全部用户是在不一样时间占用一样频带宽度。28/58时分复用 频率时间B C DB C DB C DB C DAAAAA 在 TDM 帧中位置不变TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧29/58时分复用 频率时间C DC DC DAAAABBBB C DB 在 TDM 帧中位置不变TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM
13、 帧TDM 帧30/58时分复用 频率时间BDBDBDAAAA BCCCC DC 在 TDM 帧中位置不变TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧31/58时分复用 频率时间B CB CB CAAAA B CDDDDD 在 TDM 帧中位置不变TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧32/58时分复用可能会造成线路资源浪费 ABCDaabbcdb cattttt4 个时分复用帧#1acbcd时分复用#2#3#4用户使用时分复用系统传送计算机数据时，因为计算机数据突发性质，用户对分配到子信道利用率普通是不高。33/58统计时分复用 STDM(Statistic TDM)用户A
14、BCDabcdttttt3 个 STDM 帧#1acbab bcacd#2#3统计时分复用34/58 1550 nm 0 1551 nm 1 1552 nm 2 1553 nm 3 1554 nm 4 1555 nm 5 1556 nm 6 1557 nm 70 1550 nm 1 1551 nm 2 1552 nm 3 1553 nm 4 1554 nm 5 1555 nm 6 1556 nm 7 1557 nm 2.4.2 波分复用 WDM(Wavelength Division Multiplexing)n波分复用就是光频分复用。8 2.5 Gb/s1310 nm20 Gb/s复用器分用
15、器EDFA120 km光调制器光解调器35/582.4.3 码分复用 CDM(Code Division Multiplexing)n惯用名词是码分多址 CDMA (Code Division Multiple Access)。n各用户使用经过特殊挑选不一样码型，所以彼此不会造成干扰。n这种系统发送信号有很强抗干扰能力，其频谱类似于白噪声，不易被敌人发觉。n每一个比特时间划分为 m 个短间隔，称为码片(chip)。36/58码片序列(chip sequence)n每个站被指派一个唯一 m bit 码片序列。n如发送比特 1，则发送自己 m bit 码片序列。n如发送比特 0，则发送该码片序列二
16、进制反码。n比如，S 站 8 bit 码片序列是 00011011。n发送比特 1 时，就发送序列 00011011，n发送比特 0 时，就发送序列 11100100。nS 站码片序列：(1 1 1+1+1 1+1+1)37/58CDMA 主要特点n每个站分配码片序列不但必须各不相同，而且还必须相互正交(orthogonal)。n在实用系统中是使用伪随机码序列。38/58码片序列正交关系 n令向量 S 表示站 S 码片向量，令 T 表示其它任何站码片向量。n两个不一样站码片序列正交，就是向量 S 和T 规格化内积(inner product)都是 0：(2-3)39/58码片序列正交关系举例
17、n令向量 S 为(1 1 1+1+1 1+1+1)，向量 T 为(1 1+1 1+1+1+1 1)。n把向量 S 和 T 各分量值代入(2-3)式就可看出这两个码片序列是正交。40/58n任何一个码片向量和该码片向量自己规格化内积都是1。n一个码片向量和该码片反码向量规格化内积值是 1。正交关系另一个主要特征 41/58CDMA 工作原理 S 站码片序列 S110ttttttm 个码片tS 站发送信号 SxT 站发送信号 Tx总发送信号 Sx+Tx规格化内积 S Sx规格化内积 S Tx数据码元比特发送端接收端42/582.5 局域异步通信 2.5.1 传输方式串行通信&并行通信n并行通信 发
18、送端同时传输多位数据到接收端特点：并行通信传输数据速率高，距离近时，普通采取并行通信n串行通信 将发送端数据一位一位按次序传输到接收端 特点：能够传输较远距离 43/58同时通信&异步通信n数据通信可分为同时通信和异步通信两大类：n同时通信要求接收端时钟频率和发送端时钟频率一致。发送端发送连续比特流。n异步通信时不要求接收端时钟和发送端时钟同时。发送端发送完一个字节后，可经过任意长时间间隔再发送下一个字节。44/58异步通信145/58异步通信246/58同时通信47/58同时通信 vs 异步通信n异步通信通信开销较大，但接收端可使用廉价、含有普通精度时钟来进行数据通信。n同时通信：时钟保持一
19、致48/582.5.2 RS-232n传输类别传输类别n介质介质n 铜线铜线n传输形式传输形式n 电流电流n编码编码n 负电压表示比特负电压表示比特 1n 正电压表示比特正电压表示比特 0波形图波形图49/58RS-232标准n应用于应用于 键盘、鼠标与键盘、鼠标与PC机连接机连接 调制解调等串口连接调制解调等串口连接n由由EIA制订制订n连线必须在连线必须在50英尺内英尺内n电压：电压：+15 -15n功效特征：功效特征：1，0n属于串行异步传输特点属于串行异步传输特点50/58RS-232异步通信n发送方和接收方统一发送方和接收方统一 每个字符用多少位表示每个字符用多少位表示 每一位连续时
20、间每一位连续时间n接收方接收方 不知道何时接收不知道何时接收 可能会一直等候可能会一直等候n为了确保通信为了确保通信 传输字符前起始位传输字符前起始位 传输字符后终止位传输字符后终止位51/58RS-232n空闲状态空闲状态 1n起始位起始位n 0n 不是数据内容不是数据内容n终止位终止位n1n 在数据内容之后在数据内容之后52/582.5.3 串行通信方式53/58全双工通信n一端发送与另一段接收相连一端发送与另一段接收相连n不一样导线提供不一样方向信息传递不一样导线提供不一样方向信息传递n共同接地线共同接地线nRS-232物理连接器：物理连接器：DB-9,DB-15,DB-25n 引脚引脚
21、2 发送发送n 引脚引脚3 接收接收54/58nCaption:RS-232 connectors,showing wiring for three-wire connection.55/58UTP设备RJ-45 连接器连接器188线对线对4 R41234567线对线对T 代表发送代表发送R 代表接收代表接收线对线对2 T2线对线对2 R2线对线对3 T3线对线对1 R1线对线对1 T1线对线对3 R3线对线对4 T4针针 56/58直通线两端线序相同两端线序相同针针 线线1RD+2RD-3TD+4NC5NC6TD-7NC8NC直通直通10BaseT/100BaseT针针 线线1TD+2TD-
22、3RD+4NC5NC6RD-7NC8NC服务器服务器/路由器路由器8 1棕棕白白蓝蓝白白棕棕蓝蓝绿绿绿绿白白橙橙橙橙白白18Straight-through81集线器集线器/交换机交换机8 1棕棕白白蓝蓝白白棕棕蓝蓝绿绿绿绿白白橙橙橙橙白白57/58交叉线部分线序交叉部分线序交叉8 1交叉连接交叉连接10BaseT/100BaseT针针 线线1RD+2RD-3TD+4NC5NC6TD-7NC8NC针针 线线1RD+2RD-3TD+4NC5NC6TD-7NC8NCCross-over181881集线器集线器/交换机交换机集线器集线器/交换机交换机棕棕白白棕棕蓝蓝绿绿绿绿白白橙橙白白蓝蓝白白橙橙棕棕白白橙橙白白蓝蓝白白棕棕绿绿橙橙绿绿白白蓝蓝58/58
