本章学习要求 (2).ppt
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1、第第3章章 物理层物理层1本章学习要求本章学习要求:掌握:物理层与物理层协议的基本概念掌握:物理层与物理层协议的基本概念。掌握:掌握:数据通信的基本概念。数据通信的基本概念。了解:了解:无线与卫星通信技术的基本概念。无线与卫星通信技术的基本概念。掌握:掌握:数据编码的类型和基本方法。数据编码的类型和基本方法。了解:了解:基带传输的基本概念。基带传输的基本概念。掌握:掌握:频带传输的基本概念。频带传输的基本概念。掌握掌握:多路复用的分类与特点。多路复用的分类与特点。掌握:广域网中的数据交换技术。掌握:广域网中的数据交换技术。掌握:同步数字体系掌握:同步数字体系SDH的基本概念的基本概念。2计算机
2、网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层3.1 物理层与物理层协议的基本概念物理层与物理层协议的基本概念3.1.1 物理层的基本概念物理层的基本概念 通信子网分为点通信子网分为点-点通信线路通信子网与广播信道通信点通信线路通信子网与广播信道通信子网子网;广域网主要采用点到点通信线路,局域网与城域网一广域网主要采用点到点通信线路,局域网与城域网一般采用广播信道般采用广播信道;由于技术上存在较大的差异,因此在物理层和数据链由于技术上存在较大的差异,因此在物理层和数据链路层协议上出现了两个分支路层协议上出现了两个分支:一类是基于点一类是基于点-点通信线路点通信线路另一类是基于广播信道。另一类是基于
3、广播信道。3计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层3.1.2 物理层基本服务功能物理层基本服务功能物理层设计时主要考虑的是如何在连接开放系统的传物理层设计时主要考虑的是如何在连接开放系统的传输介质上传输各种数据的比特流;输介质上传输各种数据的比特流;计算机网络可以利用的物理传输介质与传输设备存在计算机网络可以利用的物理传输介质与传输设备存在着很大的差异,设计物理层的主要目的是向数据链路着很大的差异,设计物理层的主要目的是向数据链路层屏蔽通信技术的差异性;层屏蔽通信技术的差异性;数据链路实体通过与物理层的接口,将数据传送给物数据链路实体通过与物理层的接口,将数据传送给物理层,通过物理层
4、按比特流的顺序,将信号传输到另理层,通过物理层按比特流的顺序,将信号传输到另一个数据链路实体。一个数据链路实体。解决的核心问题是解决的核心问题是:上一层在实现时不需要考虑物理传上一层在实现时不需要考虑物理传输设备和传输介质的差异输设备和传输介质的差异.4计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层3.1.3 物理层向数据链路层提供的服务物理层向数据链路层提供的服务 物理连接的建立、维护与释放物理连接的建立、维护与释放;物理连接分为点物理连接分为点-点连接与多点连接点连接与多点连接;数据传输分为全双工、半双工与单工方式数据传输分为全双工、半双工与单工方式;数据传输分为串行传输方式与并行传输方
5、式数据传输分为串行传输方式与并行传输方式;串行传输方式的物理数据服务单元是位;串行传输方式的物理数据服务单元是位;并行传输方式的物理数据服务单元是并行传输方式的物理数据服务单元是N位,位,N为并行连为并行连接的物理通道数。接的物理通道数。5计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层3.2 数据通信的基本概念数据通信的基本概念3.2.1 信息、数据与信号信息、数据与信号计算机网络的任务:能在发送和接收主机间正确的传送表示这些信息的比特流。达到不同传输数据的不同传输质量要求。计算机系统:关心信息用什么样的编码体制表示出来。6计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层1.信息的基本概念通
6、信的目的是交换信息,通信的目的是交换信息,信息的载体可以是数字、文信息的载体可以是数字、文字、语音、图形或图像,计算机产生的信息一般是字字、语音、图形或图像,计算机产生的信息一般是字母、数字、语音、图形或图像的组合;母、数字、语音、图形或图像的组合;为了传送这些信息,首先要将字母、数字、语音、图为了传送这些信息,首先要将字母、数字、语音、图形或图像用二进制代码的数据来表示;形或图像用二进制代码的数据来表示;为了传输二进制代码的数据,必须将它们用模拟或数为了传输二进制代码的数据,必须将它们用模拟或数字信号编码的方式表示;字信号编码的方式表示;数据通信是指在不同计算机之间传送表示字母、数字、数据通
7、信是指在不同计算机之间传送表示字母、数字、符号的二进制代码符号的二进制代码0、1比特序列的模拟或数字信号的比特序列的模拟或数字信号的过程。过程。7计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层信息编码标准信息编码标准ASCII 码被国际标准化组织码被国际标准化组织ISO接受,成为国际标准接受,成为国际标准ISO 646,又称为国际又称为国际5号码号码;它用于计算机内码,也用做数据通信中的编码标准它用于计算机内码,也用做数据通信中的编码标准;ASCII码采用码采用7位二进制比特编码,可以表示位二进制比特编码,可以表示128个字符个字符;ASCII 码的字符分为图形字符与控制字符两类。图形码的字
8、符分为图形字符与控制字符两类。图形字符包括数字、字母、运算符号、商用符号等。字符包括数字、字母、运算符号、商用符号等。参看参看:p60表表3-1 8计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层数据与信息的区别:数据:数据是用二进制比特序列表示的文本、数字、语音、图象、图形与视频。信息:是对数据在二进制比特序列所表示意义的解释。9计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层多媒体网络应用多媒体网络应用利用数字通信系统来实现多媒体信息的传输是利用数字通信系统来实现多媒体信息的传输是通信技术研究的重要内容之一;通信技术研究的重要内容之一;与文本、图形信息传输相比较,语音、图像信与文本、图形信
9、息传输相比较,语音、图像信息传输要求数据通信系统具有高速率与低延时息传输要求数据通信系统具有高速率与低延时的特性;的特性;多媒体技术在网络中的应用,将对数据通信系多媒体技术在网络中的应用,将对数据通信系统提出更高的要求。统提出更高的要求。10计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层2.信号的概念信号的概念 信号是数据在传输过程中电信号的表示形式;信号是数据在传输过程中电信号的表示形式;模拟信号(模拟信号(analog signal)的信号电平是连续变的信号电平是连续变化的;化的;数字信号(数字信号(digital signal)是用两种不同的电平是用两种不同的电平去表示去表示0、1比特
10、序列的电压脉冲信号表示;比特序列的电压脉冲信号表示;按照在传输介质上传输的信号类型,通信系统按照在传输介质上传输的信号类型,通信系统分为模拟通信系统与数字通信系统两种。分为模拟通信系统与数字通信系统两种。11计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层模拟信号波型模拟信号波型数字信号波型数字信号波型12计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层3.2.2 数据传输类型与通信方式数据传输类型与通信方式 网络中两台计算机的通信过程网络中两台计算机的通信过程13计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层网络通信系统设计中要解决的几个基本问题网络通信系统设计中要解决的几个基本问题数据传
11、输类型:数据传输类型:通信信道所允许传输的信号类型 模拟通信模拟通信 数字通信数字通信数据通信方式数据通信方式 串行通信串行通信、并行通信并行通信 单工通信单工通信、半双工或全双工通信半双工或全双工通信同步方式同步方式 同步通信同步通信 异步通信异步通信14计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层串行通信与并行通信串行通信与并行通信 15计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层单工、半双工与全双工通信单工、半双工与全双工通信 16计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层同步通信与异步通信同步通信与异步通信17计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层3.2.3 传
12、输介质的主要类型传输介质的主要类型双绞线双绞线同轴电缆同轴电缆光纤电缆光纤电缆无线与卫星通信信道无线与卫星通信信道18计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层1.双绞线的主要特性双绞线的主要特性 屏蔽双绞线屏蔽双绞线 STP 非屏蔽双绞线非屏蔽双绞线UTP19计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层双绞线双绞线双绞线双绞线RJ-45 和和AUI20计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层双绞线双绞线STP双绞线双绞线UTP双绞线双绞线21计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层2.同轴电缆的主要特性同轴电缆的主要特性 22计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理
13、层物理层同轴电缆同轴电缆10base5 粗同粗同轴电缆轴电缆1010base2 base2 细同轴细同轴电缆电缆23计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层同轴电缆和计算机连接同轴电缆和计算机连接服务器服务器客户机客户机客户机客户机客户机客户机BNC TBNC T型连接器型连接器 终端终端电阻电阻终端终端电阻电阻24计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层3光纤光纤通常由非常透明的石英玻璃拉成细丝,主要由纤芯和包层构成双层通信圆柱体。纤芯很细,其直径只有8100m。正是这个纤芯用来传导光波。包层较纤芯有较低的折射率。当光线从高折射率的媒体射向低折射率的媒体时,其折射角将大于入射
14、角(如图3-10所示)。25计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层26计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层图3-11画出了光波在纤芯中传播的示意图。27计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层光纤电缆的主要特性光纤电缆的主要特性28计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层光纤通信系统的基本构成光纤通信系统的基本构成光源是光波产生的根源光纤是传输光波的导体光发送机的功能是产生光束,将电信号转变成光信号,再将光信号导入光纤光接收机的功能负责接收从光纤上传输的光信号,并将它转变成电信号,经解码后再作相应处理29计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层光纤
15、光纤光纤是数据传输中最有效的一种传输介质,它有以个优点:频带较宽电磁绝缘性能好衰减较小中继器的间隔较大30计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层多模光纤:只要从纤芯中射到纤芯表面的光线的入射角大于某一个临界角度,就可产生全反射。因此,可以存在许多条不同角度入射的光线在一条光纤中传输。这种光纤就称为多模光纤。单模光纤:若光纤的直径减小到只有一个光的波长,则光纤就像一根波导那样,它可使光线一直向前传播,而不会产生多次反射。这样的光纤就称为单模光纤。31计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层单模光纤与多模光纤的比较单模光纤与多模光纤的比较 32计算机网络第计算机网络第3 3章章
16、物理层物理层常见光纤接头常见光纤接头FCPC型光尾纤接头外形图型光尾纤接头外形图SCPC型光尾纤接头外形图型光尾纤接头外形图ST-PC型光尾纤接头外形图型光尾纤接头外形图FC/PCSC/PC型光尾纤外形图型光尾纤外形图33计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层4.无线与卫星通信技术无线与卫星通信技术电磁波的传播有两种方式:电磁波的传播有两种方式:以无线方式一种是在自由空间中传播;以无线方式一种是在自由空间中传播;以有线方式在同轴电缆、双绞线、光纤中传以有线方式在同轴电缆、双绞线、光纤中传输。输。目前目前以无线方式进行以无线方式进行通信的主要有:通信的主要有:无线(无线(radio);
17、);微波(微波(microwave););红外(红外(infrared););可见光(可见光(visible light)。)。34计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层无线通信无线通信无线电波:传输数据速度为2-6Mbps,适用于短距离微波:地面微波的速度为4-6GHz,卫星微波为11-14GHz红外线:一个方向16Mbps,多个方向不超过1Mbps 35计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层(1)微波通信)微波通信 视距传播视距传播电离层反射电离层反射36计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层(2)蜂窝无线通信蜂窝无线通信多址接入方法:多址接入方法:频分多址接
18、入(频分多址接入(FDMA)时分多址接入(时分多址接入(TDMA)码分多址接入(码分多址接入(CDMA)37计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层(3)卫星通信)卫星通信38计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层3.3 数据编码技术数据编码技术3.3.1 数据编码类型数据编码类型39计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层3.3.2 模拟数据编码方法模拟数据编码方法40计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层传传统统的的电电话话通通信信信信道道是是为为传传输输语语音音信信号号设设计计的的,只只适适用用于于传传输输音音频频范范围围(300Hz3400Hz)的的
19、模模拟拟信信号号,无无法法直直接接传输计算机的数字信号;传输计算机的数字信号;为为了了利利用用模模拟拟语语音音通通信信的的电电话话交交换换网网实实现现计计算算机机的的数数字字数数据信号的传输,必须首先将数字信号转换成模拟信号;据信号的传输,必须首先将数字信号转换成模拟信号;将将发发送送端端数数字字数数据据信信号号变变换换成成模模拟拟数数据据信信号号的的过过程程称称为为调调制制,将调制设备称为调制器(将调制设备称为调制器(modulator););将将接接收收端端模模拟拟数数据据信信号号还还原原成成数数字字数数据据信信号号的的过过程程称称为为解解调调,将解调设备称为解调器(将解调设备称为解调器(
20、demodulator););同同 时时 具具 备备 调调 制制 与与 解解 调调 功功 能能 的的 设设 备备 称称 为为 调调 制制 解解 调调 器器(modem)。41计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层在调制过程中,选择音频范围内的某一角频率在调制过程中,选择音频范围内的某一角频率的正的正(余)弦信号作为载波,该正(余)弦信号可以写为:(余)弦信号作为载波,该正(余)弦信号可以写为:u(t)=umsin(t+0)3个可以改变的电参量:个可以改变的电参量:振振 幅幅 um 角频率角频率 相相 位位 可以通过变化可以通过变化3个电参量,来实现模拟数据信号编码的个电参量,来实现模
21、拟数据信号编码的目的。目的。42计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层1.振幅键控(振幅键控(amplitude shift keying,ASK)u um msinsin(1 1t+t+0 0)数字数字1 1 u u(t t)=0 0 数字数字0 0振幅键控振幅键控ASKASK信号实现容易,技术简单,但抗干扰能信号实现容易,技术简单,但抗干扰能力较差。力较差。43计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层2.移频键控(移频键控(frequency-shift keying,FSK)u um msinsin(1 1t+t+0 0)数字数字1 1 u u(t t)=u um ms
22、insin(2 2t+t+0 0)数字数字0 0移频键控移频键控FSK信号实现容易,技术简单,抗干扰能力信号实现容易,技术简单,抗干扰能力较强,是目前最常用的调制方法之一。较强,是目前最常用的调制方法之一。44计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层3.移相键控(移相键控(phase-shift keying,PSK)绝对调相绝对调相u um msinsin(t+0t+0)数字数字1 1 u u(t t)=u um msinsin(t+t+)数字数字0 0移相键控可以分为移相键控可以分为:绝对调相绝对调相 相对相对调相调相 二二相调相相调相 多多相调相相调相 45计算机网络第计算机网络
23、第3 3章章 物理层物理层3.3.3 数字数据编码方法数字数据编码方法基带传输在基本不改变数字数据信号频带(即波形)基带传输在基本不改变数字数据信号频带(即波形)的情况下直接传输数字信号,可以达到很高的数据传的情况下直接传输数字信号,可以达到很高的数据传 输速率与系统效率输速率与系统效率;在基带传输数字数据信号的编码方式主要有:在基带传输数字数据信号的编码方式主要有:非归零码非归零码NRZ;曼彻斯特(曼彻斯特(manchester)编码;编码;差分曼彻斯特差分曼彻斯特(difference manchester)编码编码。46计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层1.非归零码非归零码
24、NRZNRZ码的缺点是无法判断一位的开始与结束,收发双码的缺点是无法判断一位的开始与结束,收发双方不能保持同步;方不能保持同步;为保证收发双方的同步,必须在发送为保证收发双方的同步,必须在发送NRZ码的同时,码的同时,用另一个信道同时传送同步信号;用另一个信道同时传送同步信号;如果信号中如果信号中“1”与与“0”的个数不相等时,存在直流的个数不相等时,存在直流分量分量。47计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层2.曼彻斯特(曼彻斯特(manchester)编码编码曼彻斯特编码的规则曼彻斯特编码的规则:每比特的周期每比特的周期T分为前分为前T/2与后与后T/2两部分;两部分;通过前通过
25、前T/2传送该比特的反码,通过后传送该比特的反码,通过后T/2传送该比特传送该比特 的原码;的原码;曼彻斯特编码的优点曼彻斯特编码的优点:每个比特的中间有一次电平跳变,两次电平跳变的时每个比特的中间有一次电平跳变,两次电平跳变的时 间间隔可以是间间隔可以是T/2或或T;利用电平跳变可以产生收发双方的同步信号;利用电平跳变可以产生收发双方的同步信号;曼彻斯特编码信号又称做曼彻斯特编码信号又称做“自含钟编码自含钟编码”信号,发送曼信号,发送曼 彻斯特编码信号时无需另发同步信号。彻斯特编码信号时无需另发同步信号。48计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层差分曼彻斯特差分曼彻斯特(diffe
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