第二次課 物理層

1、計算機網絡第 2 章 物理層物理層的基本概念v物理層的主要任務描述為確定與傳輸媒體的接口的一些特性，即： 機械特性 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 指明對于不同功能的各種可能事件的出現(xiàn)順序。 數(shù)據通信的基本概念 信息、數(shù)據與信號v通信的目的是交換信息， 信息的載體可以是數(shù)字、文字、語音、圖形或圖像，計算機產生的信息一般是字母、數(shù)字、語音、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、語音、圖形或圖像用二進制代碼的數(shù)據來表示； v

2、為了傳輸二進制代碼的數(shù)據，必須將它們用模擬或數(shù)字信號編碼的方式表示；v數(shù)據通信是指在不同計算機之間傳送表示字母、數(shù)字、符號的二進制代碼0、1比特序列的模擬或數(shù)字信號的過程。 信號的概念 v信號是數(shù)據在傳輸過程中電信號的表示形式；v模擬信號（analog signal）的信號電平是連續(xù)變化的；v數(shù)字信號（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表示；v按照在傳輸介質上傳輸?shù)男盘栴愋停ㄐ畔到y(tǒng)分為模擬通信系統(tǒng)與數(shù)字通信系統(tǒng)兩種。 模擬信號與數(shù)字信號波形 幾個術語v數(shù)據(data)運送信息的實體。v信號(signal)數(shù)據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調制把數(shù)字信號轉換為模擬信號的過程。v解調把模擬信號轉換為數(shù)字信號的過程。 2.2 數(shù)據通信的基礎知識2.2.1 數(shù)據通信系統(tǒng)的模型 傳輸系統(tǒng)輸入信息輸入數(shù)據發(fā)送的信號接收的信號輸出數(shù)據源點終點發(fā)送器接收器調制解調器PC 機公用電話網調制解調器數(shù)字比特流數(shù)字比特流模擬信號模擬信號 正文正文數(shù)據通信系統(tǒng)源系統(tǒng)目的系統(tǒng)傳輸系統(tǒng)輸出信息PC 機數(shù)據編碼技術數(shù)據編碼類型數(shù)據編碼方法模擬數(shù)據編碼數(shù)字數(shù)據編碼振幅鍵控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)據編碼方法 數(shù)字數(shù)據編碼方法

4、 01001011數(shù)據數(shù)據(a)非歸零碼同步時鐘(b)曼徹斯特編碼(c)差分曼徹斯特編碼基帶(baseband)信號和寬帶(broadband)信號 v基帶信號就是將數(shù)字信號 1 或 0 直接用兩種不同的電壓來表示，然后送到線路上去傳輸。 v寬帶信號則是將基帶信號進行調制后形成的頻分復用模擬信號。 基帶傳輸技術 基帶傳輸?shù)亩x v在數(shù)據通信中，表示計算機二進制的比特序列的數(shù)字數(shù)據信號是典型的矩形脈沖信號;v矩形脈沖信號的固有頻帶稱做基本頻帶,簡稱為基帶,矩形脈沖信號就叫做基帶信號;v在數(shù)字通信信道上，直接傳送基帶信號的方法稱為基帶傳輸;v在發(fā)送端，基帶傳輸?shù)臄?shù)據經過編碼器變換變?yōu)橹苯觽鬏數(shù)幕鶐?/p>

5、信號，例如曼徹斯特編碼或差分曼徹斯特編碼信號;v在接收端由解碼器恢復成與發(fā)送端相同的矩形脈沖信號;v基帶傳輸是一種最基本的數(shù)據傳輸方式。 v基帶傳輸：指在通信電纜上原封不動地傳輸由計算機或終端產生的0或1數(shù)字脈沖信號。這樣一個信號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傳輸信號波形衰減的影響越大，傳輸距離一般不超過2公里，超過時則需加中繼器放大信號，以便延長傳輸距離。頻帶傳輸技術頻帶傳輸?shù)亩xv利用模擬信道傳輸數(shù)據信號的方法稱為頻帶傳輸；v調制解調器（modem）是頻帶傳輸中最典型的通信設備。v頻帶傳輸：在遠距離通信時，需要將數(shù)字信號調制成音頻信號再發(fā)送和傳輸，接收端

6、再將音頻信號解調成數(shù)字信號。由此可見，采用頻帶傳輸時，要求在發(fā)送和接收端安裝調制解調器，這不僅解決了數(shù)字信號可用電話線路傳輸，而且可以實現(xiàn)多路復用，提高信道利用率。信道的最高碼元傳輸速率 v任何實際的信道都不是理想的，在傳輸信號時會產生各種失真以及帶來多種干擾。 v碼元傳輸?shù)乃俾试礁?，或信號傳輸?shù)木嚯x越遠，在信道的輸出端的波形的失真就越嚴重。 數(shù)字信號通過實際的信道 v失真不嚴重v失真嚴重 實際的信道（帶寬受限、有噪聲、干擾和失真）輸入信號波形輸出信號波形(失真不嚴重)輸入信號波形實際的信道（帶寬受限、有噪聲、干擾和失真）輸出信號波形(失真嚴重)導向傳輸媒體v雙絞線屏蔽雙絞線 STP (Shi

7、elded Twisted Pair)無屏蔽雙絞線 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向傳輸媒體 v無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 無線電波無線電波v無線電波無線電波可分為短波短波和微波微波。短波信號頻率較低，傳輸時通信質量較差。計算機網絡中使用的無線介質主要是微波。微波是一種頻率很高的電磁波。v根據微波傳輸距地面的遠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，微波在傳輸時也有不同程度的衰減和損耗，因此，在遠距離傳輸時，要在微波信道的兩個端點之間建立若干個中繼站。經過多個中繼站的“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，天線越高傳輸距離就越遠。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：地面微波信道的特點：頻帶寬、信道容量大、初建費用低、建設速度快、應用范圍廣、保密性能差、抗干擾性能差等。在互連網中微波信道有時與有線介質混用。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。實際上是使用人造地球衛(wèi)星作為中繼器構成的微波信道。通信衛(wèi)星

10、通常被定位在幾萬公里(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(幾千至上萬公里)。衛(wèi)星通信已被廣泛用于遠程計算機網絡中?？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備（VSAT-Very Small Aperture Terminal）來發(fā)送和接收數(shù)據。如國內很多證券公司顯示的證券行情都是通過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延遲小的數(shù)字數(shù)據網DDN專線或分組交換網進行轉發(fā)的。 v在VSAT中，信息處理、業(yè)務的自適應、網絡的控制與檢測等，都由計算機

11、操作控制；VSAT可提供包括音頻、數(shù)據、圖像和電視等綜合服務。因此，VSAT具有小型化、智能化和提供雙向綜合服務等特點 v衛(wèi)星信道的特點：衛(wèi)星信道的特點：通信容量極大、傳輸距離遠、受自然環(huán)境影響大、一次性投資大、傳輸距離與成本無關等。v無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)設備必須處于視線范圍內，均有很強的方向性，因此，防竊取能力強。但由于它們的頻率太高，對環(huán)境因素（如天氣）較為敏感，因而，只能在室內和近距離使用 。 多路復用技術多路復用技術的分類v頻分多路復用FDMv波分多路復用WDMv時分多路復用TDMv碼分多路復用頻分多路復用v在一條通信線路設計多

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

13、。v各用戶使用經過特殊挑選的不同碼型，因此彼此不會造成干擾。v這種系統(tǒng)發(fā)送的信號有很強的抗干擾能力，其頻譜類似于白噪聲，不易被敵人發(fā)現(xiàn)。 v每一個比特時間劃分為 m 個短的間隔，稱為碼片(chip)。 物理層標準舉例 EIA-232-E 接口標準vDTE (Data Terminal Equipment) 是數(shù)據終端設備，是具有一定的數(shù)據處理能力和發(fā)送、接收數(shù)據能力的設備。vDCE (Data Circuit-terminating Equipment)是數(shù)據電路端接設備，它在 DTE 和傳輸線路之間提供信號變換和編碼的功能，并且負責建立、保持和釋放數(shù)據鏈路的連接。 DTE 通過 DCE 與通

14、信傳輸線路相連 DTEDCEDCE串行比特傳輸信號線與控制線用戶環(huán)境通信環(huán)境用戶設施通信設施DTE信號線與控制線用戶設施用戶環(huán)境EIA-232/V.24 的信號定義 (1) 保護地(2) 發(fā)送數(shù)據(3) 接收數(shù)據(4) 請求發(fā)送(5) 允許發(fā)送(6) DCE 就緒(7) 信號地(8) 載波檢測(20) DTE 就緒(22) 振鈴指示DTEDCE計算機或終端調制解調器兩個 DTE 通過 DCE進行通信的例子 EIA-232/ V.24 接口調制解調器DTE-ADTE-BDCE-ADCE-BEIA-232/ V.24 接口調制解調器網 絡RS-449 接口標準 vRS-449 由 3 個標準組成。

15、即：RS-449：采用37根引腳的插頭座RS-423-A：電纜長度10米時，數(shù)據傳輸速率達300kb/sRS-422-A: 傳輸速率2Mb/s，電纜長度可達60米 數(shù)據通信方式數(shù)據通信方式v計算機網絡中傳輸?shù)男畔⒍际菙?shù)字數(shù)據，計算機之間的通信就是數(shù)據通信方式，數(shù)據通信是計算機和通信線路結合的通信方式。v并行通信與串行通信v在數(shù)據通信中，按每次傳送的數(shù)據位數(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傳送8位二進制數(shù)據，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，如在計算機內部的數(shù)據通信通常以并行方式進行。這種方式的優(yōu)點是傳輸速度快，處理簡單。串行通信一次只傳送一位二進制的數(shù)據，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，但適合于遠距離傳輸，在網絡中（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)送設備接收設備101(b)發(fā)送設備接收設備(a)圖 并行和串行通信方式示意圖按照數(shù)據在線路上的傳輸方向，通信方式可分為：單工通信、半雙工通信與全雙工通信如圖2-13所示。單工通信只支持數(shù)據在一個方向上傳輸，又稱為單向通信，如圖2-13（a），如無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)據在兩個方向上傳