第二次課 物理層

1、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)第 2 章 物理層物理層的基本概念v物理層的主要任務(wù)描述為確定與傳輸媒體的接口的一些特性，即： 機(jī)械特性 指明接口所用接線器的形狀和尺寸、引線數(shù)目和排列、固定和鎖定裝置等等。電氣特性 指明在接口電纜的各條線上出現(xiàn)的電壓的范圍。功能特性 指明某條線上出現(xiàn)的某一電平的電壓表示何種意義。規(guī)程特性 指明對(duì)于不同功能的各種可能事件的出現(xiàn)順序。 數(shù)據(jù)通信的基本概念 信息、數(shù)據(jù)與信號(hào)v通信的目的是交換信息， 信息的載體可以是數(shù)字、文字、語(yǔ)音、圖形或圖像，計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的信息一般是字母、數(shù)字、語(yǔ)音、圖形或圖像的組合； v為了傳送這些信息，首先要將字母、數(shù)字、語(yǔ)音、圖形或圖像用二進(jìn)制代碼的數(shù)據(jù)來(lái)表示； v

2、為了傳輸二進(jìn)制代碼的數(shù)據(jù)，必須將它們用模擬或數(shù)字信號(hào)編碼的方式表示；v數(shù)據(jù)通信是指在不同計(jì)算機(jī)之間傳送表示字母、數(shù)字、符號(hào)的二進(jìn)制代碼0、1比特序列的模擬或數(shù)字信號(hào)的過(guò)程。 信號(hào)的概念 v信號(hào)是數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中電信號(hào)的表示形式；v模擬信號(hào)（analog signal）的信號(hào)電平是連續(xù)變化的；v數(shù)字信號(hào)（digital signal）是用兩種不同的電平去表示0、1比特序列的電壓脈沖信號(hào)表示；v按照在傳輸介質(zhì)上傳輸?shù)男盘?hào)類型，通信系統(tǒng)分為模擬通信系統(tǒng)與數(shù)字通信系統(tǒng)兩種。 模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)波形 幾個(gè)術(shù)語(yǔ)v數(shù)據(jù)(data)運(yùn)送信息的實(shí)體。v信號(hào)(signal)數(shù)據(jù)的電氣的或電磁的表現(xiàn)。 v“模擬的”

3、(analogous)連續(xù)變化的。v“數(shù)字的”(digital)取值是離散數(shù)值。v調(diào)制把數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)的過(guò)程。v解調(diào)把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的過(guò)程。 2.2 數(shù)據(jù)通信的基礎(chǔ)知識(shí)2.2.1 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的模型 傳輸系統(tǒng)輸入信息輸入數(shù)據(jù)發(fā)送的信號(hào)接收的信號(hào)輸出數(shù)據(jù)源點(diǎn)終點(diǎn)發(fā)送器接收器調(diào)制解調(diào)器PC 機(jī)公用電話網(wǎng)調(diào)制解調(diào)器數(shù)字比特流數(shù)字比特流模擬信號(hào)模擬信號(hào) 正文正文數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)源系統(tǒng)目的系統(tǒng)傳輸系統(tǒng)輸出信息PC 機(jī)數(shù)據(jù)編碼技術(shù)數(shù)據(jù)編碼類型數(shù)據(jù)編碼方法模擬數(shù)據(jù)編碼數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)編碼振幅鍵控ASK移頻鍵控FSK移相鍵控PSK非歸零碼NRZ曼徹斯特編碼差分曼徹斯特編碼模擬數(shù)據(jù)編碼方法 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)編碼方法

4、 01001011數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)(a)非歸零碼同步時(shí)鐘(b)曼徹斯特編碼(c)差分曼徹斯特編碼基帶(baseband)信號(hào)和寬帶(broadband)信號(hào) v基帶信號(hào)就是將數(shù)字信號(hào) 1 或 0 直接用兩種不同的電壓來(lái)表示，然后送到線路上去傳輸。 v寬帶信號(hào)則是將基帶信號(hào)進(jìn)行調(diào)制后形成的頻分復(fù)用模擬信號(hào)。 基帶傳輸技術(shù) 基帶傳輸?shù)亩x v在數(shù)據(jù)通信中，表示計(jì)算機(jī)二進(jìn)制的比特序列的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)信號(hào)是典型的矩形脈沖信號(hào);v矩形脈沖信號(hào)的固有頻帶稱做基本頻帶,簡(jiǎn)稱為基帶,矩形脈沖信號(hào)就叫做基帶信號(hào);v在數(shù)字通信信道上，直接傳送基帶信號(hào)的方法稱為基帶傳輸;v在發(fā)送端，基帶傳輸?shù)臄?shù)據(jù)經(jīng)過(guò)編碼器變換變?yōu)橹苯觽鬏數(shù)幕鶐?/p>

5、信號(hào)，例如曼徹斯特編碼或差分曼徹斯特編碼信號(hào);v在接收端由解碼器恢復(fù)成與發(fā)送端相同的矩形脈沖信號(hào);v基帶傳輸是一種最基本的數(shù)據(jù)傳輸方式。 v基帶傳輸：指在通信電纜上原封不動(dòng)地傳輸由計(jì)算機(jī)或終端產(chǎn)生的0或1數(shù)字脈沖信號(hào)。這樣一個(gè)信號(hào)的基本頻帶可以從直流成分到數(shù)兆赫，頻帶越寬，傳輸線路的電容電感等對(duì)傳輸信號(hào)波形衰減的影響越大，傳輸距離一般不超過(guò)2公里，超過(guò)時(shí)則需加中繼器放大信號(hào)，以便延長(zhǎng)傳輸距離。頻帶傳輸技術(shù)頻帶傳輸?shù)亩xv利用模擬信道傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)的方法稱為頻帶傳輸；v調(diào)制解調(diào)器（modem）是頻帶傳輸中最典型的通信設(shè)備。v頻帶傳輸：在遠(yuǎn)距離通信時(shí)，需要將數(shù)字信號(hào)調(diào)制成音頻信號(hào)再發(fā)送和傳輸，接收端

6、再將音頻信號(hào)解調(diào)成數(shù)字信號(hào)。由此可見，采用頻帶傳輸時(shí)，要求在發(fā)送和接收端安裝調(diào)制解調(diào)器，這不僅解決了數(shù)字信號(hào)可用電話線路傳輸，而且可以實(shí)現(xiàn)多路復(fù)用，提高信道利用率。信道的最高碼元傳輸速率 v任何實(shí)際的信道都不是理想的，在傳輸信號(hào)時(shí)會(huì)產(chǎn)生各種失真以及帶來(lái)多種干擾。 v碼元傳輸?shù)乃俾试礁?，或信?hào)傳輸?shù)木嚯x越遠(yuǎn)，在信道的輸出端的波形的失真就越嚴(yán)重。 數(shù)字信號(hào)通過(guò)實(shí)際的信道 v失真不嚴(yán)重v失真嚴(yán)重 實(shí)際的信道（帶寬受限、有噪聲、干擾和失真）輸入信號(hào)波形輸出信號(hào)波形(失真不嚴(yán)重)輸入信號(hào)波形實(shí)際的信道（帶寬受限、有噪聲、干擾和失真）輸出信號(hào)波形(失真嚴(yán)重)導(dǎo)向傳輸媒體v雙絞線屏蔽雙絞線 STP (Shi

7、elded Twisted Pair)無(wú)屏蔽雙絞線 UTP (Unshielded Twisted Pair) v同軸電纜50 同軸電纜75 同軸電纜v光纜 聚氯乙烯 套層銅線銅線聚氯乙烯套層屏蔽層絕緣層絕緣層無(wú)屏蔽雙絞線 UTP屏蔽雙絞線 STP同軸電纜同軸電纜光線在光纖中的折射 折射角入射角 包層（低折射率的媒體） 包層（低折射率的媒體） 纖芯（高折射率的媒體） 包層纖芯光纖的工作原理高折射率(纖芯)低折射率(包層)光線在纖芯中傳輸?shù)姆绞绞遣粩嗟厝瓷漭斎朊}沖輸出脈沖單模光纖多模光纖與單模光纖輸入脈沖輸出脈沖多模光纖非導(dǎo)向傳輸媒體 v無(wú)線傳輸所使用的頻段很廣。v短波通信主要是靠電離層的反射

8、，但短波信道的通信質(zhì)量較差。v微波在空間主要是直線傳播。 地面微波接力通信衛(wèi)星通信 無(wú)線電波無(wú)線電波v無(wú)線電波無(wú)線電波可分為短波短波和微波微波。短波信號(hào)頻率較低，傳輸時(shí)通信質(zhì)量較差。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中使用的無(wú)線介質(zhì)主要是微波。微波是一種頻率很高的電磁波。v根據(jù)微波傳輸距地面的遠(yuǎn)近可分為地面地面微波信道微波信道和空間微波信道空間微波信道。v地面微波信道：地面微波信道：即通常所說(shuō)的微波。地面微波一般按直線傳輸，受各種因素的影響，微波在傳輸時(shí)也有不同程度的衰減和損耗，因此，在遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)，要在微波信道的兩個(gè)端點(diǎn)之間建立若干個(gè)中繼站。經(jīng)過(guò)多個(gè)中繼站的“接力”，信息就被從發(fā)送端傳輸?shù)浇邮斩恕?微波地面中繼通信

9、微波地面中繼通信地球表面v地面微波信道常用于電纜(或光纜)鋪設(shè)不便的特殊地理環(huán)境或作為地面?zhèn)鬏斚到y(tǒng)的備份和補(bǔ)充。v微波在地面的直線傳輸距離與微波的收發(fā)天線的高度有關(guān)，天線越高傳輸距離就越遠(yuǎn)。地面微波信道中繼器間距離一般為40-60km。v微波的頻率范圍為300MHz300GHz，主要使用的是2GHz40GHz的頻率范圍。v地面微波信道的特點(diǎn)：地面微波信道的特點(diǎn)：頻帶寬、信道容量大、初建費(fèi)用低、建設(shè)速度快、應(yīng)用范圍廣、保密性能差、抗干擾性能差等。在互連網(wǎng)中微波信道有時(shí)與有線介質(zhì)混用。v空間微波信道：空間微波信道：主要是指衛(wèi)星信道衛(wèi)星信道。實(shí)際上是使用人造地球衛(wèi)星作為中繼器構(gòu)成的微波信道。通信衛(wèi)星

10、通常被定位在幾萬(wàn)公里(如36,000公里)高空，衛(wèi)星作為中繼器可使信息的傳輸距離很遠(yuǎn)(幾千至上萬(wàn)公里)。衛(wèi)星通信已被廣泛用于遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中?？臻g微波信道空間微波信道-衛(wèi)星信道衛(wèi)星信道 衛(wèi)星通信示意圖衛(wèi)星通信示意圖v每個(gè)同步衛(wèi)星可覆蓋地球的三分之一表面。衛(wèi)星通信的地面站使用小口徑天線終端設(shè)備（VSAT-Very Small Aperture Terminal）來(lái)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。如國(guó)內(nèi)很多證券公司顯示的證券行情都是通過(guò)VSAT接收的衛(wèi)星通信廣播信息。而證券的交易信息則是通過(guò)延遲小的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)網(wǎng)DDN專線或分組交換網(wǎng)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)的。 v在VSAT中，信息處理、業(yè)務(wù)的自適應(yīng)、網(wǎng)絡(luò)的控制與檢測(cè)等，都由計(jì)算機(jī)

11、操作控制；VSAT可提供包括音頻、數(shù)據(jù)、圖像和電視等綜合服務(wù)。因此，VSAT具有小型化、智能化和提供雙向綜合服務(wù)等特點(diǎn) v衛(wèi)星信道的特點(diǎn)：衛(wèi)星信道的特點(diǎn)：通信容量極大、傳輸距離遠(yuǎn)、受自然環(huán)境影響大、一次性投資大、傳輸距離與成本無(wú)關(guān)等。v無(wú)線通信信道除微波及衛(wèi)星信道外，還有紅外線、激光等媒體。紅外線和激光通信的收發(fā)設(shè)備必須處于視線范圍內(nèi)，均有很強(qiáng)的方向性，因此，防竊取能力強(qiáng)。但由于它們的頻率太高，對(duì)環(huán)境因素（如天氣）較為敏感，因而，只能在室內(nèi)和近距離使用 。 多路復(fù)用技術(shù)多路復(fù)用技術(shù)的分類v頻分多路復(fù)用FDMv波分多路復(fù)用WDMv時(shí)分多路復(fù)用TDMv碼分多路復(fù)用頻分多路復(fù)用v在一條通信線路設(shè)計(jì)多

12、路通信信道;v每路信道的信號(hào)以不同的載波頻率進(jìn)行調(diào)制;v各個(gè)載波頻率是不重疊的, 一條通信線路就可以同時(shí)獨(dú)立地傳輸多路信號(hào)。 波分多路復(fù)用 v光纖通道技術(shù)采用了波長(zhǎng)分隔多路復(fù)用方法，簡(jiǎn)稱為波分復(fù)用WDM;v在一根光纖上復(fù)用80路或更多路的光載波信號(hào)稱為密集波分復(fù)用DWDM； v目前單模光纖的數(shù)據(jù)傳輸速率最高可以達(dá)到20Gbps 。時(shí)分多路復(fù)用 v時(shí)分多路復(fù)用是將信道用于傳輸?shù)臅r(shí)間劃分為若干個(gè)時(shí)間片；v每個(gè)用戶分得一個(gè)時(shí)間片；v在每個(gè)用戶占有的時(shí)間片內(nèi)，用戶使用通信信道的全部帶寬。 碼分復(fù)用 CDM v常用的名詞是碼分多址 CDMA (Code Division Multiple Access)

13、。v各用戶使用經(jīng)過(guò)特殊挑選的不同碼型，因此彼此不會(huì)造成干擾。v這種系統(tǒng)發(fā)送的信號(hào)有很強(qiáng)的抗干擾能力，其頻譜類似于白噪聲，不易被敵人發(fā)現(xiàn)。 v每一個(gè)比特時(shí)間劃分為 m 個(gè)短的間隔，稱為碼片(chip)。 物理層標(biāo)準(zhǔn)舉例 EIA-232-E 接口標(biāo)準(zhǔn)vDTE (Data Terminal Equipment) 是數(shù)據(jù)終端設(shè)備，是具有一定的數(shù)據(jù)處理能力和發(fā)送、接收數(shù)據(jù)能力的設(shè)備。vDCE (Data Circuit-terminating Equipment)是數(shù)據(jù)電路端接設(shè)備，它在 DTE 和傳輸線路之間提供信號(hào)變換和編碼的功能，并且負(fù)責(zé)建立、保持和釋放數(shù)據(jù)鏈路的連接。 DTE 通過(guò) DCE 與通

14、信傳輸線路相連 DTEDCEDCE串行比特傳輸信號(hào)線與控制線用戶環(huán)境通信環(huán)境用戶設(shè)施通信設(shè)施DTE信號(hào)線與控制線用戶設(shè)施用戶環(huán)境EIA-232/V.24 的信號(hào)定義 (1) 保護(hù)地(2) 發(fā)送數(shù)據(jù)(3) 接收數(shù)據(jù)(4) 請(qǐng)求發(fā)送(5) 允許發(fā)送(6) DCE 就緒(7) 信號(hào)地(8) 載波檢測(cè)(20) DTE 就緒(22) 振鈴指示DTEDCE計(jì)算機(jī)或終端調(diào)制解調(diào)器兩個(gè) DTE 通過(guò) DCE進(jìn)行通信的例子 EIA-232/ V.24 接口調(diào)制解調(diào)器DTE-ADTE-BDCE-ADCE-BEIA-232/ V.24 接口調(diào)制解調(diào)器網(wǎng) 絡(luò)RS-449 接口標(biāo)準(zhǔn) vRS-449 由 3 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)組成。

15、即：RS-449：采用37根引腳的插頭座RS-423-A：電纜長(zhǎng)度10米時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)300kb/sRS-422-A: 傳輸速率2Mb/s，電纜長(zhǎng)度可達(dá)60米 數(shù)據(jù)通信方式數(shù)據(jù)通信方式v計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)男畔⒍际菙?shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)之間的通信就是數(shù)據(jù)通信方式，數(shù)據(jù)通信是計(jì)算機(jī)和通信線路結(jié)合的通信方式。v并行通信與串行通信v在數(shù)據(jù)通信中，按每次傳送的數(shù)據(jù)位數(shù)，通信方式可分為：并行通信和串行通信。v并行通信是一次同時(shí)傳送8位二進(jìn)制數(shù)據(jù)，從發(fā)送端到接收端需要8根傳輸線，如圖（a）所示。并行方式主要用于近距離通信，如在計(jì)算機(jī)內(nèi)部的數(shù)據(jù)通信通常以并行方式進(jìn)行。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是傳輸速度快，處理簡(jiǎn)單。串行通信一次只傳送一位二進(jìn)制的數(shù)據(jù)，從發(fā)送端到接收端只需要一根傳輸線。串行方式雖然傳輸率低，但適合于遠(yuǎn)距離傳輸，在網(wǎng)絡(luò)中（如公用電話系統(tǒng)）普遍采用串行通信方式，如圖（b）所示。發(fā)送設(shè)備接收設(shè)備101(b)發(fā)送設(shè)備接收設(shè)備(a)圖 并行和串行通信方式示意圖按照數(shù)據(jù)在線路上的傳輸方向，通信方式可分為：?jiǎn)喂ねㄐ?、半雙工通信與全雙工通信如圖2-13所示。單工通信只支持?jǐn)?shù)據(jù)在一個(gè)方向上傳輸，又稱為單向通信，如圖2-13（a），如無(wú)線電廣播和電視廣播都是單工通信。發(fā)端信 道收端發(fā)端信 道收端發(fā)端收端(a)(b)發(fā)端信 道收端發(fā)端收端信 道(c)半雙工通信允許數(shù)據(jù)在兩個(gè)方向上傳