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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 通信子网分为通信子网分为点点-点通信线路通信子网点通信线路通信子网与与广播信道通信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,一类是基于点路层协议上出现了两个分支,一类是基于点-点通信线点通信线路,另一类是基于广播信道。路,另一类
3、是基于广播信道。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层屏蔽屏蔽通信技术的差异性;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
4、物理层按比特流的顺序,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。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式数据传输分为串行传输方式与并行传输方式;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
5、念3.2.1 信息、数据与信号信息、数据与信号1.信息的基本概念通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
6、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。6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
7、个字符;字符分为图形字符与控制字符两类。图形字符包括数字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、字母、运算符号、商用符号等。7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通信技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;术研究的重要内容之一;与文本、图形信息传输相比较,语音、图像信息传输与文本、图形信息传输相比较,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的特性;要求数据通信系统具有高速率与低延时的特性;多媒体技术在网络中的应用,将对数据通信系统提出
8、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。更高的要求。8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化的;的信号电平是连续变化的;数字信号(数字信号(digital signal)是用两种不同的电平去表示是用两种不同的电平去表示0、1比特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,通信系统分为模拟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
9、两种。通信系统与数字通信系统两种。9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10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11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输类型数据传输类型 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
10、步方式同步方式 同步通信同步通信 异步通信异步通信12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 13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 14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15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16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
11、屏蔽双绞线屏蔽双绞线 STP 非屏蔽双绞线非屏蔽双绞线UTP17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 18计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层3.光纤电缆的主要特性光纤电缆的主要特性19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 20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、光纤中传输。以
12、有线方式在同轴电缆、双绞线、光纤中传输。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););微波(微波(microwave););红外(红外(infrared););可见光(可见光(visible light)。)。21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22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)23
13、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24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25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26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)的的模模拟拟信信号号,无无法直接传输计算机的数字信号;法直接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
14、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据信信号号的的传传输输,必必须须首首先先将将数数字字信信号号转转换换成成模模拟拟信号;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调制为调制,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解调为解调,将解调设备称为解调器(将解调设备称为解调器(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
15、器器(modem)。27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,来实现模拟数据信号编码的目的。目的。28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,
16、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。29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 msinsin(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
17、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。30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 31计算机网络第计算机网络第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
18、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。32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,
19、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。33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
20、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。34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(difference manchester)编码编码差分曼彻斯特编码是对曼彻斯特编码的改进。差分曼彻斯特编码是对曼彻斯特编码的改进。差分曼彻斯特编码与曼彻斯特编
21、码不同点主要是:差分曼彻斯特编码与曼彻斯特编码不同点主要是:每比特的中间跳变仅做同步之用;每比特的中间跳变仅做同步之用;每比特的值根据其开始边界是否发生跳变来决定每比特的值根据其开始边界是否发生跳变来决定;一个比特开始处出现电平跳变表示传输二进制一个比特开始处出现电平跳变表示传输二进制0,不发生跳不发生跳变表示传输二进制变表示传输二进制1。35计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层数字数据编码信号的波形数字数据编码信号的波形36计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层3.3.4 脉冲编码脉冲编码 调制方法调制方法采样采样量化量化编码编码37计算机网络第计算机网络第3 3章章
22、物理层物理层PCM用于数字语音系统用于数字语音系统:声音分为声音分为128个量化级;个量化级;每个量化级采用每个量化级采用7位二进制编码表示;位二进制编码表示;采样速率为采样速率为8000样本样本/秒;秒;数据传输速率应达到数据传输速率应达到7位位8000/秒秒=56kb/s;如果每个量化级采用如果每个量化级采用7+1=8位二进制编码表示位二进制编码表示;数据传输速率应达到数据传输速率应达到8位位8000/秒秒=64kb/s。38计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层3.4 基带传输技术基带传输技术 3.4.1 基带传输的定义基带传输的定义在数据通信中,表示计算机二进制的比特序列的数
23、字数在数据通信中,表示计算机二进制的比特序列的数字数据信号是典型的矩形脉冲信号据信号是典型的矩形脉冲信号;矩形脉冲信号的固有频带称做基本频带矩形脉冲信号的固有频带称做基本频带,简称为基带简称为基带,矩矩形脉冲信号就叫做基带信号形脉冲信号就叫做基带信号;在数字通信信道上,直接传送基带信号的方法称为基带在数字通信信道上,直接传送基带信号的方法称为基带传输传输;在发送端,基带传输的数据经过编码器变换变为直接传在发送端,基带传输的数据经过编码器变换变为直接传输的基带信号,例如曼彻斯特编码或差分曼彻斯特编码输的基带信号,例如曼彻斯特编码或差分曼彻斯特编码信号信号;在接收端由解码器恢复成与发送端相同的在接
24、收端由解码器恢复成与发送端相同的矩形脉冲信号矩形脉冲信号;基带传输是一种最基本的数据传输方式。基带传输是一种最基本的数据传输方式。39计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层3.4.2 通信信道带宽对基带传输的影响通信信道带宽对基带传输的影响 通信信道带宽对数据信号传输中失真的影响很大;通信信道带宽对数据信号传输中失真的影响很大;信道带宽越宽,信号传输的失真越小。信道带宽越宽,信号传输的失真越小。40计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层3.4.3 数据传输速率的定义与信道速率的极限数据传输速率的定义与信道速率的极限数据传输速率的定义数据传输速率的定义 数据传输速率是描述数据
25、传输系统的重要技术指标之一;数据传输速率是描述数据传输系统的重要技术指标之一;数据传输速率在数值上,等于每秒钟传输构成数据代码数据传输速率在数值上,等于每秒钟传输构成数据代码的二进制比特数,单位为比特的二进制比特数,单位为比特/秒,记做秒,记做b/s;常用的数据传输速率单位有:常用的数据传输速率单位有:Kb/s、Mb/s、Gb/s与与Tb/s,其中:其中:1Kb/s=1103 b/s 1Mb/s=1106 b/s 1Gb/s =1109 b/s 1Tb/s =11012 b/s41计算机网络第计算机网络第3 3章章 物理层物理层信道速率的极限值信道速率的极限值奈奎斯特准则奈奎斯特准则:二进制数
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