《計算機網(wǎng)絡與信息安全》課件 第06章 物理層

第六章物理層《計算機網(wǎng)絡與信息安全》第六章物理層本章學習目標了解物理層主要功能理解數(shù)據(jù)通信相關(guān)概念與基本原理掌握物理傳輸介質(zhì)特性掌握信道與信道容量的概念，信道容量的計算掌握多路復用技術(shù)理解基帶傳輸與頻帶傳輸?shù)幕靖拍罾斫饣鶐鬏數(shù)湫途幋a與頻帶傳輸?shù)牡湫驼{(diào)制技術(shù)主要內(nèi)容第一節(jié)

數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)第二節(jié)

物理介質(zhì)第三節(jié)

信道與信道容量第四節(jié)基帶傳輸?shù)谖骞?jié)頻帶傳輸?shù)诹?jié)物理層接口規(guī)程2本章重點與難點本章重點數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)模型數(shù)字通信基本概念物理介質(zhì)導向介質(zhì)非導向介質(zhì)信道與信道容量奈奎斯特公式香農(nóng)公式數(shù)據(jù)傳輸編碼與調(diào)制信號碼型與傳輸碼型二進制調(diào)制、多進制調(diào)制QAM物理層接口規(guī)程特性本章難點奈奎斯特公式的無噪聲信道容量的計算香農(nóng)公式的有噪聲信道容量的計算基帶傳輸信號碼型與傳輸碼型歸零碼與非歸零碼曼徹斯特編碼與差分曼徹斯特編碼頻帶傳輸調(diào)制技術(shù)2ASK、2FSK、2PSK、2DPSK比特率與波特率QAM基本原理3李全龍第一節(jié)

數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)4物理層5物理層數(shù)據(jù)鏈路層網(wǎng)絡層物理層數(shù)據(jù)鏈路層網(wǎng)絡層傳輸層會話層表示層應用層物理層數(shù)據(jù)鏈路層網(wǎng)絡層傳輸層會話層表示層應用層主機A主機B中間系統(tǒng)傳輸介質(zhì)傳輸介質(zhì)協(xié)議協(xié)議協(xié)議協(xié)議協(xié)議協(xié)議協(xié)議協(xié)議協(xié)議協(xié)議第一節(jié)

數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)物理層功能在連接結(jié)點的物理介質(zhì)上實現(xiàn)比特流傳輸比特編碼

數(shù)據(jù)率比特同步接口特性機械特性、電氣特性、功能特性、規(guī)程特性

時鐘同步傳輸模式單工（Simplex）、半雙工（half-duplex）、全雙工（full-duplex）1100100111DL-PDU物理層1100100111DL-PDU數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)鏈路層物理介質(zhì)物理層第一節(jié)

數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)常見數(shù)據(jù)通信術(shù)語7消息(message)：人類能夠感知的描述。信息(information)：信息是一個抽象的概念，可以理解為消息中所包含的有意義的內(nèi)容，而消息是信息的載體。通信(communication)：在一點精確或近似地再生另一點的信息。信號(signal)：數(shù)據(jù)的電氣的或電磁的表示：數(shù)據(jù)(data)：傳送消息的實體?！澳M的”(analogous)：參數(shù)的取值是連續(xù)的?！皵?shù)字的”(digital)：參數(shù)的取值是離散的。碼元(code)：信號基本波形（信號基本單元）。波特率：碼元速率RB。比特率：信息速率Rb，，M為碼元狀態(tài)數(shù)。第一節(jié)

數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)信源：將消息轉(zhuǎn)換為信號的設(shè)備，如計算機等。發(fā)送設(shè)備：將信源產(chǎn)生的信號進行適當變換的裝置，使之適合于在信道中傳輸。主要包括編碼和調(diào)制。信道：信號傳輸通道，如物理介質(zhì)。噪聲：自然界和通信設(shè)備中所產(chǎn)生的干擾。接收設(shè)備：完成發(fā)送設(shè)備反變換，還原原始發(fā)送信號。信宿：信號終點，將信號轉(zhuǎn)換為供人們能識別的消息。8第一節(jié)

數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)模擬通信vs數(shù)字通信9區(qū)別在于信道中傳輸?shù)氖牵耗M信號數(shù)字信號第一節(jié)

數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)數(shù)據(jù)通信方式10單向通信（單工通信）雙向交替通信（半雙工通信）雙向同時通信（全雙工通信）并行通信vs串行通信異步通信vs同步通信第一節(jié)

數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)異步通信vs同步通信11發(fā)送器（transmitter，通常簡記為Tx）與接收器（receiver，通常簡記為Rx）之間的時鐘同步問題兩種解決方案：異步（Asynchronous）同步（Synchronous）第一節(jié)

數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)異步通信12每次傳輸一個字符5to8bits發(fā)送器和接收器分別使用各自獨立的時鐘只需在每個字符傳輸期間保證時鐘同步兩個字符之間時鐘不必同步每個字符傳輸開始重新同步時鐘第一節(jié)

數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)異步通信13第一節(jié)

數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)異步通信14第一節(jié)

數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)異步通信15第一節(jié)

數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)異步通信16字符之間間隔時間不一致空閑狀態(tài)下，接收器檢測1到0的跳變?nèi)缓箝_始采樣（一個字符長度）回歸空閑狀態(tài)然后再次檢測1到0的跳變+：簡單+：低成本-：開銷大，每個字符有2或3位開銷(~20%)適合短距離、低速率、字符間間隔時間大(如鍵盤)等通信場景第一節(jié)

數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)同步通信17（大）數(shù)據(jù)塊傳輸時鐘必須同步可以使用單獨的時鐘線適合短距離時鐘信號損傷將時鐘信號嵌入到數(shù)據(jù)信號中曼徹斯特編碼載波頻率比異步通信更高效(開銷少)第一節(jié)

數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的功能18第一節(jié)

數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)數(shù)據(jù)通信的任務解釋信道的利用信道通常會被多個通信設(shè)備共享，需要有某種技術(shù)或機制為多個用戶合理分配傳輸系統(tǒng)的總傳輸能力，充分利用傳輸設(shè)施，如多路復用技術(shù)等。接口及信號產(chǎn)生保證終端（信源和信宿）與傳輸系統(tǒng)間的信息交互，產(chǎn)生能在信道上傳播，并能被接收器轉(zhuǎn)換還原成數(shù)據(jù)的信號。同步發(fā)送器和接收器之間達成約定，接收器能夠正確判斷信號開始到達和結(jié)束的時間點,同時知道每個信號單元的持續(xù)時間。差錯檢測與糾正對通信系統(tǒng)中各種原因造成的信號失真能夠發(fā)現(xiàn)，并糾正由此引起的數(shù)據(jù)差錯。尋址與路由當兩個以上設(shè)備共享傳輸設(shè)施時，終端系統(tǒng)必須有獨立的地址標識，傳輸系統(tǒng)能夠保證終點系統(tǒng)能唯一的收到具有該標識信息的數(shù)據(jù)；如果傳輸系統(tǒng)本身是具有多條路徑的網(wǎng)絡，某條特定的路徑能夠被選擇出來進行數(shù)據(jù)傳輸。網(wǎng)絡管理數(shù)據(jù)通信設(shè)施作為非常復雜的系統(tǒng)，不能自動創(chuàng)建和運行，需要各種管理功能來規(guī)劃、設(shè)置、監(jiān)控、調(diào)度和維護。安全保證數(shù)據(jù)能夠在源點和終點間不被改變的傳輸，且不被其他非法用戶獲取。信源編碼19Q：如果信源產(chǎn)生的是模擬數(shù)據(jù)，如何在數(shù)字通信系統(tǒng)中傳輸？A：信源編碼典型的信源編碼：PCMPCM包括三個步驟：采樣→量化→編碼采樣：目的就是要用一系列在時間上離散的采樣值，代替時間上連續(xù)的模擬數(shù)據(jù)，即實現(xiàn)時間上的離散化。量化：就是使采樣值在取值上離散化編碼：就是將量化后的采樣值用一定位數(shù)的二進制數(shù)碼來表示。

如果量化級數(shù)為N，則每個采樣值就編碼成log2N位二進制碼

第一節(jié)

數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)PCM舉例20第一節(jié)

數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)擴頻（SpreadSpectrum）21模擬或數(shù)字數(shù)據(jù)模擬信號將數(shù)據(jù)的傳輸（調(diào)制）擴展到更寬的頻帶上制造干擾使通信不易被竊聽跳頻（Frequencyhoping）載波信號頻率在一組頻率上隨機（某種規(guī)律）跳變由好萊塢女影星（HedyLamarr）發(fā)明直接序列擴頻（DirectSequenceSpreadSpectrum）通過傳輸多個比特表示原始信息的1個比特碎碼序列第一節(jié)

數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)李全龍第二節(jié)

物理介質(zhì)22物理介質(zhì)23導引型傳輸介質(zhì)架空明線易受天氣和外界電磁干擾，對外界噪聲敏感，帶寬有限雙絞線主要用于基帶傳輸屏蔽雙絞線STP(ShieldedTwistedPair)非屏蔽雙絞線UTP(UnshieldedTwistedPair)UTP類別帶寬典型應用316MHz低速網(wǎng)絡，電話網(wǎng)絡420MHz10Base-T以太網(wǎng)5100MHz10Base-T以太網(wǎng)，100Base-T快速以太網(wǎng)5E（超5類）100MHz100Base-T快速以太網(wǎng)，1000-BaseT吉比特以太網(wǎng)6250MHz1000Base-T吉比特以太網(wǎng)，ATM網(wǎng)絡第二節(jié)

物理介質(zhì)物理介質(zhì)24導引型傳輸介質(zhì)同軸電纜主要用于頻帶傳輸光纖基本原理：光的全反射分為：多模光纖和單模光纖兩類第二節(jié)

物理介質(zhì)物理介質(zhì)25非導引型傳輸介質(zhì)自由空間無線電傳播途徑不同頻段具有不同傳播特性頻段名稱典型應用3~30Hz極低頻（ELF）遠程導航，水下通信30~300Hz超低頻（SLF）水下通信300~3000Hz特低頻（ULF）遠程導航3~30kHz甚低頻（VLF）遠程導航，水下通信，聲納30~300kHz低頻（LF）導航，水下通信，無線電信標300~3000kHz中頻（MF）廣播，海事通信，測向，救險，海岸警衛(wèi)3~30MHz高頻（HF）遠程廣播，電報，電話，傳真，搜救，飛機與艦船通信30~300MHz甚高頻（VHF）電視，調(diào)頻廣播，陸地交通，空中交通管制，導航，飛機通信0.3~3GHz特高頻（UHF）電視，蜂窩網(wǎng)，微波鏈路，導航，衛(wèi)星通信，GPS，監(jiān)視雷達3~30GHz超高頻（SHF）衛(wèi)星通信，微波鏈路，機載雷達，氣象雷達，公用陸地移動通信30~300GHz極高頻（EHF）雷達著陸系統(tǒng)，衛(wèi)星通信，移動通信，鐵路業(yè)務300GHz~3THz亞毫米波（0.1~1mm）尚為劃分，實驗應用43~430THz紅外線（7~0.7μm）光通信系統(tǒng)430~750THz可見光（0.7~0.4μm）光通信系統(tǒng)750~3000THz紫外線（0.4~0.1μm）光通信系統(tǒng)第二節(jié)

物理介質(zhì)物理介質(zhì)26非導引型傳輸介質(zhì)地波傳播頻率較低（大約2MHz以下）的電磁波趨于沿地球表面?zhèn)鞑ビ幸欢ǖ睦@射能力在低頻和甚低頻段，地波傳播距離可以超過數(shù)百米或數(shù)千公里天波傳播電離層，距離地表約60~400km高度頻率較高（大約在2~30MHz之間）的電磁波會被電離層反射電離層的密度和厚度隨時間隨機變化電磁波可以傳播10000km以上隨參信道第二節(jié)

物理介質(zhì)物理介質(zhì)27非導引型傳輸介質(zhì)視線傳播頻率高于30MHz的電磁波將穿透電離層，不會被反射回來沿地面繞射能力也很弱通常采用視線無障礙的點對點直線傳播可以設(shè)立地面中繼站或衛(wèi)星中繼站進行接力傳輸?shù)诙?jié)

物理介質(zhì)李全龍第三節(jié)

信道與信道容量28信道分類與模型29狹義信道信號傳輸介質(zhì)廣義信道包括信號傳輸介質(zhì)和通信系統(tǒng)的一些變換裝置，如發(fā)送設(shè)備、接收設(shè)備、天線、調(diào)制器等調(diào)制信道編碼信道第三節(jié)

信道與信道容量信道傳輸特性30恒參信道傳輸特性各種有線信道和部分無線信道，如微波視線傳播鏈路和衛(wèi)星鏈路等，都屬于恒參信道理想的恒參信道是一個理想的無失真?zhèn)鬏斝诺缹π盘柗诞a(chǎn)生固定的衰減對信號輸出產(chǎn)生固定的時延隨參信道傳輸特性許多無線信道都是隨參信道信號的傳輸衰減隨時間隨機變化信號的傳輸時延隨時間隨機變化存在多徑傳播現(xiàn)象第三節(jié)

信道與信道容量信道容量31信道容量是指信道無差錯傳輸信息的最大平均信息速率奈奎斯特(Nyquist)信道容量公式理想無噪聲信道的信道容量：C=2Blog2M其中：C為信道容量，單位為b/s（或bps）；B為信道帶寬，單位為Hz；M為進制數(shù)，即信號狀態(tài)數(shù)理想信道的極限容量【例題1】：Q：在無噪聲情況下，若某通信鏈路的帶寬為3kHz，采用4個相位、每個相位具有4種振幅的QAM調(diào)制技術(shù)，則該通信鏈路的最大數(shù)據(jù)傳輸速率是多少？A：24kbps第三節(jié)

信道與信道容量信道容量32香農(nóng)(Shannon)信道容量公式有噪聲信道的信道容量：C=Blog2(1+S/N)其中：S/N為信噪比，即信號能量與噪聲能量之比S/N通常以分貝（dB）為單位描述：(S/N)dB=10log10(Signalpower/Noisepower)【例題2】：Q：若某通信鏈路的帶寬為2MHz，信噪比為30dB，則該通信鏈路的最大數(shù)據(jù)傳輸速率約是多少？A：20Mbps第三節(jié)

信道與信道容量李全龍第四節(jié)

基帶傳輸基帶傳輸34信源發(fā)出的原始電信號是基帶信號模擬信源→模擬基帶信號數(shù)字信源→數(shù)字基帶信號基帶信號往往包含有較多的低頻成分，甚至有直流成分直接在信道中傳送基帶信號稱為基帶傳輸實現(xiàn)基帶傳輸?shù)南到y(tǒng)稱為基帶傳輸系統(tǒng)在信道中直接傳輸數(shù)字基帶信號，稱為數(shù)字基帶傳輸，相應的系統(tǒng)稱為數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)第四節(jié)

基帶傳輸數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)35基帶信號比較適合在具有低通特性的有線信道中傳輸，通常不適合在無線信道中直接傳輸信道的傳輸特性會引起波形失真，并會受噪聲的影響信道中的信號傳播一定距離后，信號質(zhì)量就會有所下降，甚至出現(xiàn)傳輸誤碼現(xiàn)象第四節(jié)

基帶傳輸?shù)湫蛿?shù)字基帶信號碼型36單極不歸零碼（NotReturntoZero-NRZ）這種碼型易于產(chǎn)生，但不適合長距離傳輸?shù)谒墓?jié)

基帶傳輸?shù)湫蛿?shù)字基帶信號碼型37雙極不歸零碼第四節(jié)

基帶傳輸?shù)湫蛿?shù)字基帶信號碼型38單極歸零碼（ReturntoZero-RZ）碼元不為零的時間占一個碼元周期的百分比稱為占空比若碼元不為零時間為Tb/2，碼元周期為Tb，則該單極歸零碼的占空比為50%第四節(jié)

基帶傳輸?shù)湫蛿?shù)字基帶信號碼型39雙極歸零碼第四節(jié)

基帶傳輸?shù)湫蛿?shù)字基帶信號碼型40差分碼差分碼又稱為相對碼例如：相鄰脈沖有電平跳變表示1，無跳變表示0第四節(jié)

基帶傳輸?shù)湫蛿?shù)字基帶傳輸碼型41AMI碼AMI（AlternativeMarkInversion）碼的全稱是信號交替反轉(zhuǎn)碼AMI碼的編碼規(guī)則：信息碼中的0編碼為AMI傳輸碼中的0（零電平）信號碼中的1交替編碼為AMI傳輸碼中的+1（正脈沖）和-1(負脈沖)例如：第四節(jié)

基帶傳輸?shù)湫蛿?shù)字基帶傳輸碼型42雙相碼雙相碼（BiphaseCode）又稱為曼徹斯特（Manchester）碼雙相碼只有正、負兩種電平每個比特持續(xù)時間的中間時刻要進行電平跳變正（高）電平跳到負（低）電平表示1負電平跳到正電平表示0雙相碼在每個比特周期中間時刻都會有電平跳變，因此便于提取定時信息雙相碼利用了兩個脈沖編碼信息碼中的一個比特，相當于雙極碼中的兩個比特10Mbps的以太網(wǎng)采用曼徹斯特碼第四節(jié)

基帶傳輸?shù)湫蛿?shù)字基帶傳輸碼型43雙相碼雙相碼的另一種碼型是差分雙相碼，也稱為差分曼徹斯特碼差分雙相碼的每個比特周期的中間時刻也要進行電平跳變，但該跳變僅用于同步利用每個比特開始處是否存在電平跳變編碼信息：有跳變表示0無跳變表示1IEEE806.5令牌環(huán)網(wǎng)采用差分曼徹斯特碼第四節(jié)

基帶傳輸?shù)湫蛿?shù)字基帶傳輸碼型44雙相碼例如：雙相碼差分雙相碼第四節(jié)

基帶傳輸?shù)湫蛿?shù)字基帶傳輸碼型45nBmBnBmB碼將n位二進制信息碼作為一組，映射成m位二進制新碼組，其中m>n由于m>n，因此2m個碼的新碼組中只會用到2n個，多出（2m-2n）個碼可以從2m個碼中優(yōu)選出2n個碼作為有效碼，已獲得良好的編碼性能，其余碼則作為禁用碼，可以用于檢錯快速以太網(wǎng)（100BASE-TX和100BASE-FX）傳輸碼采用的是4B5B編碼這樣只需從25=32個碼中優(yōu)化選擇24=16個碼，以便保證足夠的同步信息，并且可以利用剩余的16個禁用碼進行差錯檢測第四節(jié)

基帶傳輸李全龍第五節(jié)

頻帶傳輸46頻帶傳輸47基帶信號具有低通特性，可以在具有低通特性的信道中進行傳輸許多帶通信道（如無線信道）不具有低通特性，因此不能在這些信道中直接傳輸基帶信號只能利用基帶信號去調(diào)制與對應信道傳輸特性相匹配的載波信號通過在信道中傳送經(jīng)過調(diào)制的載波信號實現(xiàn)將基帶信號所攜帶信息傳送出去利用模擬基帶信號調(diào)制載波，稱為模擬調(diào)制，利用數(shù)字基帶信號調(diào)制載波，稱為數(shù)字調(diào)制數(shù)字調(diào)制就是利用數(shù)字基帶信號控制（或影響）載波信號的某些特征參量第五節(jié)

頻帶傳輸數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)48頻帶傳輸系統(tǒng)通常選擇正弦波信號作為載波：二進制數(shù)字調(diào)制：二進制幅移鍵控（2ASK）二進制頻移鍵控（2FSK）二進制相移鍵控（2PSK）第五節(jié)

頻帶傳輸二進制幅移鍵控（2ASK）49利用二進制基帶信號控制載波信號的幅值變化：二進制基帶信號s(t)為單極不歸零碼信號波形第五節(jié)

頻帶傳輸二進制頻移鍵控（2FSK）50選擇兩個不同頻率的載波，f1和f2二進制基帶信號編碼的信息（比特）序列為{bn}例如：第五節(jié)

頻帶傳輸二進制頻移鍵控（2FSK）51第五節(jié)

頻帶傳輸二進制相移鍵控（2PSK）52利用二進制基帶信號控制載波信號的相位變化二進制基帶信號編碼的信息（比特）序列為{bn}其中：第五節(jié)

頻帶傳輸二進制相移鍵控（2PSK）53例如（載波信號初始相位φ0=-π/2）：第五節(jié)

頻帶傳輸二進制差分相移鍵控（2DPSK）54利用相鄰兩個碼元載波間的相對相位變化表示數(shù)字基帶信號的數(shù)字信息二進制基帶信號編碼的信息（比特）序列為{bn}：其中：第五節(jié)

頻帶傳輸二進制差分相移鍵控（2DPSK）55例如（虛線為前一碼元調(diào)制信號或初始參考載波信號）：第五節(jié)

頻帶傳輸二進制數(shù)字調(diào)制性能56頻帶利用率：2ASK、2PSK以及2DPSK的頻帶利用率相同2FSK的頻帶利用率最低誤碼率：在相同信噪比下，2PSK的誤碼率最低，而2ASK的誤碼率最高二進制相移鍵控抗噪聲性能優(yōu)于二進制頻移鍵控，二進制頻移鍵控優(yōu)于二進制幅移鍵控對信道特性的敏感性：2ASK對信道特性變化比較敏感，性能最差2FSK與2PSK對信道特性變化不敏感第五節(jié)

頻帶傳輸多進制數(shù)字調(diào)制57在確定帶寬與頻帶利用率的情況下，提高數(shù)據(jù)傳輸速率的有效方法：提高每個碼元傳輸信息量，每個碼元調(diào)制多個比特信息，即多進制數(shù)字調(diào)制數(shù)據(jù)傳輸速率Rb（bps）與碼元傳輸速率RB（Baud）以及進制數(shù)M（通常為2的冪次）之間的關(guān)系為：Rb也稱為比特率，單位為bps；碼元傳輸速率RB也稱為調(diào)制速率，或稱為波特率，單位為Baud多進制數(shù)字調(diào)制需要更大的信噪比，發(fā)送端需要增大發(fā)送信號的功率第五節(jié)

頻帶傳輸正交幅值調(diào)制QAM58正交幅值調(diào)制（QAM）也稱為幅值相位聯(lián)合鍵控(APK)具有高頻帶利用率，且可以自適應調(diào)整調(diào)制速率QAM系統(tǒng)設(shè)備比較簡單，應用廣泛QAM的調(diào)制信號的幅值和相位均受基帶信號調(diào)制，可表示為：正余弦變換后：其中：QAM信號是由兩路相互正交載波經(jīng)調(diào)制后疊加而成：兩路載波信號的幅值分別被離散幅值序列{An}和{Bn}所調(diào)制，分別稱為同相信號（I信號