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1、第二章第二章 物理层物理层计计算算机机网网络络与与应应用用一、模拟与数字通信1模拟信号与数字信号模拟数据模拟数据(Analog Data)(Analog Data)：连续值：连续值数字数据数字数据(Digital Data)(Digital Data)：离散值：离散值数据传输方式 信号类型：模拟信号(Analog Signals)数字信号(Digital Signals)信号发送方式模拟信号传输（采用模拟信道）数字信号传输（采用数字信道）1第二章第二章 物理层物理层计计算算机机网网络络与与应应用用1)模拟信号传输电话系统模拟数据（声音）模拟信号模拟信号的模拟信道直接传输调制解调器MODEM数字
2、数据（二进制脉冲）模拟信号数字信号经转换后的模拟信道传输优点：不易衰减，传输距离较远优点：不易衰减，传输距离较远缺点：易受噪声干扰影响缺点：易受噪声干扰影响2第二章第二章 物理层物理层计计算算机机网网络络与与应应用用比特流 模拟信号 PCMODEM 公用电话网 源系统 传输系统 目的系统 PCMODEM数字与模拟信号的关系 模拟信号比特流3第二章第二章 物理层物理层计计算算机机网网络络与与应应用用优点：价格便宜，对噪声不敏感；优点：价格便宜，对噪声不敏感；缺点：易受衰减，频率越高，衰减越厉害。缺点：易受衰减，频率越高，衰减越厉害。2)数字信号传输编码解码器CODEC模拟数据数字信号模拟信号的数
3、字信道传输数字编码解码器数字数据（二进制脉冲）数字信号数字信号的数字信道传输4第二章第二章 物理层物理层计计算算机机网网络络与与应应用用1)基带传输（数字信号的数字传输）基带：基本频带，指传输变换前所占用的频带，基带：基本频带，指传输变换前所占用的频带，是原始信号所固有的频带。是原始信号所固有的频带。基带传输：在传输时直接使用基带信号。基带传输是一种最简单最基本的传输方式，一般基带传输是一种最简单最基本的传输方式，一般用低电平表示用低电平表示“0”“0”，高电平表示，高电平表示“1”“1”。适用范围：低速和高速的各种情况。限制：因基带信号所带的频率成分很宽，所以对传输线有一定的要求。2基带传输
4、和频带传输 5第二章第二章 物理层物理层计计算算机机网网络络与与应应用用常用的数字传输编码方式：1）不归零制码不归零制码（NRZ：Non-Return to Zero）原理：用两种不同的电平分别表示二进制信息原理：用两种不同的电平分别表示二进制信息“0”“0”和和“1”“1”，低电平表示，低电平表示“0”“0”，高电平表示，高电平表示“1”“1”。2）曼彻斯特码曼彻斯特码（Manchester），也称相位编码原理：每一位中间都有一个跳变，从低跳到高原理：每一位中间都有一个跳变，从低跳到高表示表示“0”“0”，从高跳到低表示，从高跳到低表示“1”“1”。6第二章第二章 物理层物理层计计算算机机网
5、网络络与与应应用用3 3）差分曼彻斯特码）差分曼彻斯特码（Differential Manchester）原理：每一位中间都有一个跳变，每位开始时有原理：每一位中间都有一个跳变，每位开始时有跳变表示跳变表示“0”“0”，无跳变表示，无跳变表示“1”“1”。位中间跳变。位中间跳变表示时钟，位前跳变表示数据。表示时钟，位前跳变表示数据。4 4）逢）逢“1”“1”变化的变化的NRZNRZ码码原理：在每位开始时，逢原理：在每位开始时，逢“1”“1”电平跳变，逢电平跳变，逢“0”“0”电平不跳变。电平不跳变。5 5）逢）逢“0”“0”变化的变化的NRZNRZ码码原理：在每位开始时，逢原理：在每位开始时，
6、逢“0”“0”电平跳变，逢电平跳变，逢“1”“1”电平不跳变。电平不跳变。7第二章第二章 物理层物理层计计算算机机网网络络与与应应用用2)频带传输（数字数据的模拟传输）频带传输：指在一定频率范围内的线路上，频带传输：指在一定频率范围内的线路上，进行载波传输。用基带信号对载波进行调制，进行载波传输。用基带信号对载波进行调制，使其变为适合于线路传送的信号。使其变为适合于线路传送的信号。调制（调制（ModulationModulation）：用基带脉冲对载波信）：用基带脉冲对载波信号的某些参量进行控制，使这些参量随基带号的某些参量进行控制，使这些参量随基带脉冲变化。脉冲变化。解调（解调（Demodu
7、lationDemodulation）：调制的反变换。）：调制的反变换。调制解调器调制解调器MODEM（MOdulation-DEModulation)8第二章第二章 物理层物理层计计算算机机网网络络与与应应用用不同调制形式举例不同调制形式举例调幅调幅调频调频调相调相数字数字信号信号相位变化相位变化9第二章第二章 物理层物理层计计算算机机网网络络与与应应用用3)模拟数据数字传输 解决模拟信号数字化问题，也称脉冲代码调制解决模拟信号数字化问题，也称脉冲代码调制PCM（Pulse Code Modulation），根据奈奎斯特原理进），根据奈奎斯特原理进行采样。行采样。p 常规的PCM技术将模拟信
8、号振幅分成多级（2n），每一级用 n 位表示。例如：电话系统的 T1 载波将模拟信号分成128级，每次采样用7位二进制数表示。p 差分脉冲代码调制不是将振幅值数字化，而是根据前后两个采样值的差进行编码，输出二进制数字。p 调制根据每个采样值与前一个值之间差“+1”或“-1”来决定输出二进制“1”或“0”。10第二章第二章 物理层物理层计计算算机机网网络络与与应应用用二、数据通信的理论基础1.傅立叶分析 任何一个周期为任何一个周期为T T的有理周期性函数的有理周期性函数 g(t)g(t)可分解可分解为若干项（可能无限多项）正弦和余弦函数之和：为若干项（可能无限多项）正弦和余弦函数之和：其中：f=
9、1/T 基本频率；an,bn为n次谐波项的正弦和余弦振幅值；C 为常数；11第二章第二章 物理层物理层计计算算机机网网络络与与应应用用对于二进制数据01100010，不同谐波的输出结果原始数据1次谐波2次谐波4次谐波8次谐波12第二章第二章 物理层物理层计计算算机机网网络络与与应应用用例如：电话音频线路的截止频率为3000Hz，N=fc/f1=3000/(B/8)=24000/B结论：即使对于完善的信道，有限的带宽也会结论：即使对于完善的信道，有限的带宽也会限制数据的传输速率。限制数据的传输速率。13第二章第二章 物理层物理层计计算算机机网网络络与与应应用用2.信道的最大数据传输率 奈魁斯特推
10、导出无噪声有限带宽信道无噪声有限带宽信道的最大数据传输率公式：最大数据传输率=2Hlog2V(bps)任意信号通过一个带宽为的低通滤波器，则每任意信号通过一个带宽为的低通滤波器，则每秒采样秒采样2H2H次就能完整地重现该信号，信号电平分次就能完整地重现该信号，信号电平分为为V V级。级。结论：依据奈奎斯特原理，超过带宽结论：依据奈奎斯特原理，超过带宽2倍的信号倍的信号采样频率并不能更好的表现原始信号采样频率并不能更好的表现原始信号14第二章第二章 物理层物理层计计算算机机网网络络与与应应用用信道受到随机（热）噪声干扰的情况信道受到随机（热）噪声干扰的情况 热噪声的大小用信噪比（信号功率与噪声功
11、率之比）来衡量。信噪比 10 lg S/N:信号功率，:噪声功率 单位:分贝（dB）香农的有噪声环境最大数据传输率：带宽为带宽为 H H 赫兹，信噪比为赫兹，信噪比为S/NS/N的任意信道的最的任意信道的最大数据传输率为大数据传输率为最大数据传输率=Hlog2(1+S/N)单位：bps15第二章第二章 物理层物理层计计算算机机网网络络与与应应用用例如：电话系统的典型信噪比为30dB，其截止频率为3000Hz。根据香农理论，电话线路上的最大数据传输率为：35Kbps注意：香农的公式是利用信息论得出的，具有普遍意义；与信号电平级数、采样速度无关；此公式表示的是理论上限，难以达到。16第二章第二章
12、物理层物理层计计算算机机网网络络与与应应用用波特率（baud）和比特率（bit/s）的关系：波特率：信号每秒钟变化的次数，也称调制速率比特率：每秒钟传送的二进制位数。波特率与比特率的关系取决于信号值与比特位的关系例：每个信号值可表示位，则比特率是波特率的倍 每个信号值可表示位，则比特率和波特率相同对于比特率为bps的信道，发送位所需的时间为 8/B秒，若位为一个周期，则一次谐波的频率是：f1=B/8 Hz有关概念17第二章第二章 物理层物理层计计算算机机网网络络与与应应用用由于一条传输线路的能力远远超过传输一个用户由于一条传输线路的能力远远超过传输一个用户信号所需的能力，为了提高线路利用率，经
13、常让信号所需的能力，为了提高线路利用率，经常让多个信号同时共用一条物理线路。多个信号同时共用一条物理线路。二、多路复用技术常用的有三种方法：u 时分复用时分复用 TDM（Time Division Multiplexing）u 频分复用频分复用 FDM（Frequency Division Multiplexing）u 波分复用波分复用 WDM（Wavelength Division Multiplexing）18第二章第二章 物理层物理层计计算算机机网网络络与与应应用用T1线路线路 1.544M b/sT1线路由线路由24个多路复用信道组成个多路复用信道组成每个信道采样每个信道采样8000次
14、次/秒，每次采样量化为秒，每次采样量化为7 bit 每个信道每次采样生成每个信道每次采样生成7bit数据位加数据位加1 bit控制位，控制位，即即7b+1b 即每个信道每秒生成即每个信道每秒生成56K+8K的传输速率的传输速率 24个多路复用信道的每次采样组成一个帧，即每个多路复用信道的每次采样组成一个帧，即每帧为：帧为：8 bit 24=192 bit，每帧间加一个，每帧间加一个bit，所，所以每帧为以每帧为193 bit 193 bit 8000次采样次采样/秒秒=1544000 bit/s=1.544M b/s 北美地区使用北美地区使用T1线路线路 时分复用举例：时分复用举例：19第二章
15、第二章 物理层物理层计计算算机机网网络络与与应应用用T1线路示意图线路示意图20第二章第二章 物理层物理层计计算算机机网网络络与与应应用用E1线路由线路由32个多路复用信道组成个多路复用信道组成每个信道采样每个信道采样8000次次/秒，每次采样量化为秒，每次采样量化为8 bit，其中包括用于信令的二进制位，其中包括用于信令的二进制位32个多路复用信道的每次采样组成一个帧，即每个多路复用信道的每次采样组成一个帧，即每帧为：帧为：8 bit32个信道个信道8000次采样次采样/秒秒=2.048M b/s欧洲、中国使用欧洲、中国使用E1线路线路21第二章第二章 物理层物理层计计算算机机网网络络与与应
16、应用用多个多个T1或或E1线路的复用线路的复用一次群：一次群：T1=1.544M b/s E1=2.048M b/s二次群：二次群：T2=T1 x 4+=6.312M b/s E2=E1 x 4+=8.848M b/s三次群：三次群：T3=T2 x 7+=44.736M b/s E3=E2 x 4+=34.304M b/s四次群：四次群：T4=T3 x 6+=274.176M b/s E4=E3 x 4+=139.264M b/s22第二章第二章 物理层物理层计计算算机机网网络络与与应应用用三、数据交换技术三、数据交换技术在多结点通信网络中，为有效利用通信设备和线路，一般希望动态地设定通信双方
17、间的线路。动态地接通或断开通信线路，称为“交换”交换方式分类：电路交换报文交换（采用存储转发方式）分组交换（包交换，采用存储转发方式）混合交换 23第二章第二章 物理层物理层计计算算机机网网络络与与应应用用1.电路交换（circuit switching）原理：直接利用可切换的物理通信线路，连接通信双方。三个阶段建立电路传输数据拆除电路特点在发送数据前，必须建立起点到点的物理通路；建立物理通路时间较长，数据传送延迟较短。例公共电话网ISDN(Integrated Services Digital Networks)24第二章第二章 物理层物理层计计算算机机网网络络与与应应用用(A交换机交换机交
18、换机交换机(交换机交换机BCD电路交换示意图25第二章第二章 物理层物理层计计算算机机网网络络与与应应用用电路交换网络中的一个节点进入链路外出链路节点26第二章第二章 物理层物理层计计算算机机网网络络与与应应用用2.报文交换（message switching）原理：信息以报文（逻辑上完整的信息段）为单位进行存储转发。特点线路利用率高；要求中间结点（网络通信设备）缓冲大；延迟时间长。27第二章第二章 物理层物理层计计算算机机网网络络与与应应用用3.分组交换（packet switching）原理：信息以分组为单位进行存储转发。源节点把报文分为分组，在中间节点存储转发，目的节点把分组合成报文。分
19、组：比报文还小的信息段，可定长，也可变长。分组交换分为数据报（datagram）虚电路（virtual circuit）28第二章第二章 物理层物理层计计算算机机网网络络与与应应用用数据报每个分组均带有全称网络地址（源、目的），可走不同的路径。如：IP网络虚电路电路交换和分组交换的结合，如：ATM网络分三个阶段建立：发带有全称网络地址的呼叫分组，建立虚电路传输：沿建立好的虚电路传输数据；拆除：拆除虚电路。29第二章第二章 物理层物理层计计算算机机网网络络与与应应用用 分组交换特点每个分组包括目的地址，独立进行路由选择每个分组包括目的地址，独立进行路由选择网络结点设备中不预先分配资源网络结点设备
20、中不预先分配资源线路利用率高；结点存储器利用率高；线路利用率高；结点存储器利用率高；易于重传，可靠性高；易于重传，可靠性高；易于开始新的传输，让紧急信息优先通过；易于开始新的传输，让紧急信息优先通过；需要增加额外信息。需要增加额外信息。30第二章第二章 物理层物理层计计算算机机网网络络与与应应用用分组交换网中的一个节点进入链路外出链路节点Memory31第二章第二章 物理层物理层计计算算机机网网络络与与应应用用交换方式对比 时间路由选择时间电路交换 A B C D 线路报文报文呼叫接收信号 呼叫请求信号线路线路报文交换 A B C D 传播延迟排队延迟报文报文报文分组交换 A B C D 分组
21、1 分组2 分组3分组1 分组2 分组3分组1 分组2 分组332第二章第二章 物理层物理层计计算算机机网网络络与与应应用用电路交换与分组交换的比较电路交换分组交换建立连接需要不需要专用物理链路需要不需要可用带宽固定动态潜在的带宽浪费有没有存储转发方式不是是每个数据包经过相同路线是不是数据包按序到达是不是一台交换机崩溃的影响严重轻微可能拥塞的时间点建立连接时每个分组传递时透明性好差收费方式每分钟每分组33第二章第二章 物理层物理层计计算算机机网网络络与与应应用用结论：电路交换适用于实时信息和模拟信号传送，在线路带宽比较低的情况下使用比较经济；报文交换适用于线路带宽比较高的情况，可靠灵活，但延迟
22、大；分组交换缩短了延迟，也能满足一般的实时信息传送。在高带宽的通信中更为经济、合理、可靠。是目前公认较（最）好的一种交换技术。34第二章第二章 物理层物理层计计算算机机网网络络与与应应用用四、物理层和物理介质物理层的定义ISO/OSI 关于物理层的定义：物理层提供机械的、电气的、功能的和规程的特性，目的是启动、维护和关闭数据链路实体之间进行比特传输的物理连接。这种连接可能通过中继系统，在中继系统内的传输也是在物理层的。物理层的功能在两个网络设备之间提供透明的比特流传输。35第二章第二章 物理层物理层计计算算机机网网络络与与应应用用需要规定连接方式（点到点，点到多点）通信方式（单工，半双工，全双
23、工）位传输方式（串行，并行）物理层的四个重要特性机械特性(mechanical characteristics)电气特性(electrical characteristics)功能特性(functional characteristics)规程特性(procedural characteristics)36第二章第二章 物理层物理层计计算算机机网网络络与与应应用用1.机械特性 主要定义物理连接的边界点，即接插装置。规定物理连接时所采用的规格、引脚的数量和排列情况。常用的标准接口 ISO 2110，25芯连接器，EIA RS-232-C，EIA RS-366-A ISO 2593，34芯连接器，
24、V.35宽带MODEM ISO 4902，37芯和9芯连接器，EIA RS-449 ISO 4903，15芯连接器，X.20、X.21、X.2237第二章第二章 物理层物理层计计算算机机网网络络与与应应用用2.电气特性规定传输二进制位时，线路上信号的电压高低、阻抗匹配、传输速率和距离限制。早期的标准是在边界点定义电气特性，例如EIA RS-232-C；最近的标准则说明了发送器和接受器的电气特性，而且给出了有关对连接电缆的控制。CCITT 标准化的电气特性标准CCITT V.10/X.26：新的非平衡型电气特性，EIA RS-423-ACCITT V.11/X.27：新的平衡型电气特性，EIA
25、RS-422-ACCITT V.28：非平衡型电气特性，EIA RS-232-CCCITT X.21/EIA RS-44938第二章第二章 物理层物理层计计算算机机网网络络与与应应用用3.功能特性主要定义各条物理线路的功能。线路的功能分为四大类：数据控制定时接地4.规程特性主要定义各条物理线路的工作规程和时序关系。39第二章第二章 物理层物理层计计算算机机网网络络与与应应用用5.传输介质1）磁介质磁带，软盘，硬盘2）双绞线既可用于模拟传输，也可用于数据传输；带宽依赖于线的粗细和传输距离；3类线，5类线非屏蔽双绞线UTP（Unshielded Twisted Pair），屏蔽双绞线STP40第二
26、章第二章 物理层物理层计计算算机机网网络络与与应应用用带有带有RJ45接头的双绞线及与计算机的连接接头的双绞线及与计算机的连接41第二章第二章 物理层物理层计计算算机机网网络络与与应应用用3）基带同轴电缆基带传输：将数字信号0、1直接用两种不同的电压表示，然后送到线路上去传输，即数字传输50欧姆，用于数据传输；传输距离为185 M（细缆）、500 M（粗缆）适用在LAN 4）宽带同轴电缆宽带传输：将基带信号进行调制后形成频分复用的模拟信号，再进行传输。75欧姆，用于模拟传输，有线电视网使用有线电视电缆，带宽可达300 MHz 450 MHz，由于进行模拟信号传输，所以传输距离可达100 km4
27、2第二章第二章 物理层物理层计计算算机机网网络络与与应应用用要在宽带系统中传输数据需在两端安装转换器，由于宽带系统可分为多个信道，所以模拟和数字传输可混合使用。但通常需解决数据双向传输的问题，在混合光缆HFC(Hybrid Fiber Coax)中：450 550MHZ是电视，550 750MHZ是数字传输编织外导体绝缘层内芯外层护套43第二章第二章 物理层物理层计计算算机机网网络络与与应应用用5）光纤 光纤分类：单模单模光纤和多模多模光纤 模式模式（mode）：是一个与很多参数有关的量，可以简单地理解为偏振方向，单模光纤可以传输多种波长，但每个波长只能有一种模式。常用的三个波长窗口（光纤波段
28、）0.85m:衰减大，传输速率和距离受限制，价格便宜；1.30m:衰减小，无色散补偿、功率放大情况下，最大传40km（最坏情况）；1.55m:衰减小，无色散补偿、功率放大情况下，最大传80km（最坏情况）44第二章第二章 物理层物理层计计算算机机网网络络与与应应用用 多模光缆：通过光的反射在光纤中无损传输。距离2 km 单模光缆：直线传输。距离10 km 光传输系统包括：光源、传输介质、检测器 光网络 组网方式 点到点：四根线（两根用于保护倒换）环：两根线（一根用于保护倒换）中继器：光 电 光，全光 全光网，光因特网论坛 OIF45第二章第二章 物理层物理层计计算算机机网网络络与与应应用用光纤
29、示意图光纤示意图46第二章第二章 物理层物理层计计算算机机网网络络与与应应用用光缆的布线和连接光缆的布线和连接47第二章第二章 物理层物理层计计算算机机网网络络与与应应用用光纤及光纤及光纤与计算机的连接光纤与计算机的连接48第二章第二章 物理层物理层计计算算机机网网络络与与应应用用6）无线传输（Wireless Transmission）电磁频谱无线电传输微波传输红外线和毫米波光波传输传输距离：天线的高度、类型和信号强度传输距离：天线的高度、类型和信号强度传输可靠性：障碍物传输可靠性：障碍物传输正确性：气象条件传输正确性：气象条件地面无线通信模型地面无线通信模型49第二章第二章 物理层物理层计
30、计算算机机网网络络与与应应用用卫星通信模型卫星通信模型VSAT：甚小孔径卫星终端：甚小孔径卫星终端Very Small Aperture Satellite Terminals地面站地面站地球同步卫星地球同步卫星上行链路上行链路下行链路下行链路地球同地球同步卫星步卫星VSAT中央站中央站VSAT36000km270ms50第二章第二章 物理层物理层计计算算机机网网络络与与应应用用用于模拟信道传输数字信号使用25针D型连接器(DB25)，现在主要使用9针型(DB9)。目前主要用于对设备实施控制一类的通信场合。DB25及及DB9 接口图接口图DB9 接口图接口图五、RS-232标准51第二章第二章
31、 物理层物理层计计算算机机网网络络与与应应用用u DTE与DCE的连接(常规连接，常见于计算机与外置猫的连接)u DTE与DTE的连接(Null-Modem，常见于两个计算机的直接连接RS-232常用于对设备进行控制RS-232连接连接具备具备232接口的设备接口的设备常见设备：交换机、路由器等52第二章第二章 物理层物理层计计算算机机网网络络与与应应用用交换机、路由器等设备上的CONSOLE端口（DB9或RJ45形式的RS232接口）交换机、路由器等设备用的控制电缆（一端DB9，另一端为RJ45形式）53第二章第二章 物理层物理层计计算算机机网网络络与与应应用用设置交换机或路由器时的链路方法54第二章第二章 物理层物理层计计算算机机网网络络与与应应用用u RS-422/485规范 数据信号采用差分传输（或平衡传输）方式 弥补了RS-232的不足，更适合嘈杂的工业环境 允许单个驱动器与多个接收器通信 信号采用差分传输方式，速率最高可达10Mb/s 最大传输距离超过1000m 最大传输速率为10Mb/s55