计算机网络课件3(物理层)

1、计算机网络基础及应用第 3 讲 物理层第 3讲 OSI的物理层1 物理层的基本概念2 物理层下面的传输媒体 2.1 导向传输媒体 2.2 非导向传输媒体3 数据编码与调试技术 3.1 模拟数据调制为模拟信号 3.2 数字数据调制为模拟信号 3.3 模拟数据调制为数字信号PCM 3.4 数字数据编码为数字信号第 3讲 OSI的物理层4 信道复用技术 4.1 频分复用、时分复用和统计时分复用 4.2 波分复用 4.3 码分复用1 物理层的基本概念 n物理层的任务是透明地传输比特流。 n在物理层上所传输数据的单位是比特流。n物理层要考虑用多大的电压代表“1”和“0”，以及当发送端发出比特“1”时，在

2、接收端如何识别出这是比特“1”而不是比特“0”。物理层还要确定连接电缆的插头应当有多少根腿以及各个腿应该如何连接。1 物理层的基本概念 物理层的主要任务描述为确定与传输媒体的接口的一些特性，即： n机械特性 指明接口所用接线器的形状和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等等。n电气特性 指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。n功能特性 指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义。n过程特性 指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。 2 物理层下面的传输媒体无线电微波红外线可见光紫外线X射线射线双绞线同轴电缆卫星地面微波 调幅无线电 调频无线电 海事无线电光纤电视(Hz)f (Hz)fL

3、FMFHFVHF UHF SHFEHFTHF波段104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016100 102 104 106 108 1010 1012 1014 1016 1018 1020 1022 1024 移动无线电 电信领域使用的电磁波的频谱导向传输媒体n双绞线n屏蔽双绞线 STP (Shielded Twisted Pair)n无屏蔽双绞线 UTP (Unshielded Twisted Pair) n同轴电缆n50 同轴电缆n75 同轴电缆n光缆 各种电缆铜线铜线聚氯乙烯 套层聚氯乙烯套层屏蔽层绝缘层绝缘层外导

4、体屏蔽层绝缘层绝缘保护套层内导体无屏蔽双绞线 UTP屏蔽双绞线 STP同轴电缆光线在光纤中的折射 折射角入射角 包层（低折射率的媒体） 包层（低折射率的媒体） 纤芯（高折射率的媒体） 包层纤芯光纤的工作原理高折射率(纤芯)低折射率(包层)光线在纤芯中传输的方式是不断地全反射输入脉冲输出脉冲单模光纤多模光纤与单模光纤输入脉冲输出脉冲多模光纤非导向传输媒体 n无线传输所使用的频段很广。n无线电波通信主要是利用地面发射的无线电波通过电离层的反射，或电离层与地面的多次反射而到达接收端的一种远距离通信方式，但通信质量不稳定。n微波。对于频率在100MHz以上的无线电波，其能量将集中于一点并沿直线传播。微

5、波在空间主要是直线传播。 n地面微波接力通信n卫星通信 n红外。使用红外线通过空气传输数据，电视和立体声系统所使用的遥控器。nRF（射频）传输是指信号通过特定的频率来传输，传输方式与收音机或电视广播相同。每个计算机都带一个天线，经过它发送和接收RF。几种介质的比较 n双绞线的技术和标准比较成熟，安装相对容易，价格低廉。因此双绞线电缆是目前局域网中最通用的电缆形式。缺点是对电磁干扰比较敏感；比同轴电缆更易遭受物理损害。n单模光纤的数据传输速率更高，传输的距离更远，但开销太大。多模光纤相对来说传输距离更短，而且数据传输数据率要小于单模光纤，优点是价格便宜，并且可以用廉价的发光二极管作为光源。n无线

6、电波优点是易于产生，容易穿过建筑物，传播距离可以很远，但容易受到电磁的干扰，而且通信质量不稳定。n微波通信在传输质量上比较稳定，是长途通信的重要手段，缺点是保密性不如电缆和光缆好。n红外网络对小型的计算机尤为方便，但传输距离有待提高。nRF是一种最好的无线解决方案，缺点是易于窃听，也容易受到干扰。 数据的表现形式信号，分为模拟信号和数据的表现形式信号，分为模拟信号和数字信号两种，鉴于信号的特性及传输介质的性数字信号两种，鉴于信号的特性及传输介质的性能，模拟信号和数字信号在处理过程中往往需要能，模拟信号和数字信号在处理过程中往往需要相互转换，或在传输过程中需要改变其表现形式相互转换，或在传输过程

7、中需要改变其表现形式。3 数据调制与编码4 4种不同的数据表示方式种不同的数据表示方式模拟数据模拟数据模拟信号模拟信号调制器调制器模拟数据模拟数据数字信号数字信号编码器编码器数字数据数字数据模拟信号模拟信号调制器调制器数字数据数字数据数字信号数字信号编码器编码器调制信号调制信号高频载波高频载波AM信号信号 是用高频正弦波作为载波信号，用要传输的信号（调制信号）来控是用高频正弦波作为载波信号，用要传输的信号（调制信号）来控制载波的振幅、频率或者相位，使高频载波的振幅、频率或者相位制载波的振幅、频率或者相位，使高频载波的振幅、频率或者相位的变化随着其变化规律的变化而变化。的变化随着其变化规律的变化

8、而变化。例：振幅调制（例：振幅调制（AMAM）3.1 模拟数据调制为模拟模拟数据调制为模拟信号信号3.2 数字数据调制为模拟信号数字数据调制为模拟信号 n模拟信号是由电磁波构成的，其波形会不断发生变化。从物理角度去度量一个电磁波的波形，需要用3个参数：振幅、频率（周期）和相位。其信号可以写成： U（t）=Acos(wt+?) 式子中A振幅；w频率；?初相位；n数字数据的编码，实际上也就是通过载波的控制来传递数据的技术。发送端根据数据的内容命令调制器改变载波的物理特性，接收端则通过解调器从载波上读出这些物理特性的变换并将其还原成数据。3.2 数字数据调制为模拟信号数字数据调制为模拟信号 数字数据

9、数字数据1.振幅键控振幅键控 ASK2.移频键控移频键控 FSK3.移相键控移相键控 PSK3.3 模拟数据调制为数字信号模拟数据调制为数字信号PCM 模拟信号数字化：模拟信号转换成数字信号。模拟信号数字化：模拟信号转换成数字信号。目的：为了信号在数字信道上传输。目的：为了信号在数字信道上传输。PCM（脉冲编码调制）：脉冲编码调制）：Pulse Code Modulation。PCM将模拟信号转换为数字信号的过程：将模拟信号转换为数字信号的过程：采样采样量化量化编码编码（1 1）采样）采样tu（t）d1d0d2d3d4d5d6d7对连续信号（模拟信号），按一定的时间间隔取出一些瞬时值对连续信号

10、（模拟信号），按一定的时间间隔取出一些瞬时值。 能否用抽样值代能否用抽样值代 替原来的连续信号替原来的连续信号f抽 2fmax!? ?如果抽样频率等于或大于信号最高频率的两倍，则可如果抽样频率等于或大于信号最高频率的两倍，则可以由抽样恢复原信号。以由抽样恢复原信号。（2 2）量化）量化预先确定一些标准数值（等级）作为量化值，把抽样值与量化值预先确定一些标准数值（等级）作为量化值，把抽样值与量化值相比较，从中选出最接近抽样值的量化值来代替真实的抽样值。相比较，从中选出最接近抽样值的量化值来代替真实的抽样值。例如：分为例如：分为1616个等级，四舍五入个等级，四舍五入u（t）td1d0d2d3d4

11、d5d6d736131513741!通过抽样、量化后，信号不仅在时间上是离散的通过抽样、量化后，信号不仅在时间上是离散的，而且在取值上也是离散的，而且在取值上也是离散的数字信号的形成数字信号的形成（3 3）编码）编码 二进制码二进制码 0100编码信号编码信号 编码信号编码信号 信号数字化的整个过程为：信号数字化的整个过程为： 抽样抽样 d d2 2 1.281.28 量化为量化为 1313 二进制码二进制码 11011101 编码信号编码信号 抽样抽样 d d5 5 0.730.73 量化为量化为 7 7 二进制码二进制码 01110111 把经过抽样、量化后的数字信号用一组二进制电码来表示

12、的过程。把经过抽样、量化后的数字信号用一组二进制电码来表示的过程。2. 曼彻斯特编码曼彻斯特编码 每个数据比特都分成两个相等的间隔，每个每个数据比特都分成两个相等的间隔，每个 比特中间都会出现一次电平的跳变；比特中间都会出现一次电平的跳变； 规定：规定： 从高电平跳变到低电平时，表示这一比特为从高电平跳变到低电平时，表示这一比特为“1”； 从低电平跳变到高电平时，表示这一比特为从低电平跳变到高电平时，表示这一比特为“0”；3.4 数字数据编码为数字信号数字数据编码为数字信号 1. 不归零编码不归零编码3. 差分曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码 可以用高电平表示逻辑可以用高电平表示逻辑“1”，用低电

13、平表示，用低电平表示“0”；反；反之亦然。之亦然。 若一个比特开始处存在若一个比特开始处存在跳变则表示跳变则表示“0”，无跳变则表示，无跳变则表示“1”；同步信号同步信号曼彻斯特编码曼彻斯特编码例例数据数据1 0 0 0 1 0 1 11 0 0 0 1 0 1 1电信号电信号数据数据1000101110001011的编码如下：的编码如下：课堂练习课堂练习一、单选题一、单选题1. 在数字数据编码方式中，在数字数据编码方式中，( ) 是一种自含时钟编码方式。是一种自含时钟编码方式。 A. 奇偶校验码奇偶校验码 B.曼彻斯特编码曼彻斯特编码 C. PCM D. 二进制编码二进制编码2. 通常通信信

14、道的带宽越宽，数据传输中的失真将会通常通信信道的带宽越宽，数据传输中的失真将会( ) 。 A. 越大越大 B. 越小越小 C. 同不变同不变 D. 不定不定3. 在脉冲编码调制中，如果通信信道带宽为在脉冲编码调制中，如果通信信道带宽为B，那么采样频率那么采样频率f与带宽的与带宽的关系应为关系应为( ) 。 A. f大于等于大于等于2B B. f小于小于2B C. FB D. f0.5B4. 在脉冲编码调制中，如果规定的量化级是在脉冲编码调制中，如果规定的量化级是64个，则需要使用（个，则需要使用（ ）位编码。位编码。 A. 7 B. 6 C. 5 D. 4B BB BA AB B二、填空题二、

15、填空题1.1.描述电磁波的描述电磁波的3 3个主要参数是（个主要参数是（ ）、（）、（ ) )和（和（ ）。）。2.2.电话通信信道是典型的（电话通信信道是典型的（ ）信道，为了利用电话交换网实）信道，为了利用电话交换网实现计算机的（现计算机的（ ）的传输，必须先将数字信号转换为模拟信）的传输，必须先将数字信号转换为模拟信号。号。3.3.模拟数据编码方法可以分为（模拟数据编码方法可以分为（ ）、（）、（ ）和）和 ( ( )3 )3类。类。4. 4. 曼彻斯特编码是比较流行的（曼彻斯特编码是比较流行的（ ）编码方法，它在每个比特）编码方法，它在每个比特中间都会有一次（中间都会有一次（ ），因此

16、它是一种自含（），因此它是一种自含（ ）的数据编码方法。的数据编码方法。5. 5. 脉冲编码调制的三个步骤是（脉冲编码调制的三个步骤是（ ）、（）、（ ）和（）和（ ）。）。振幅振幅 频率频率 相位相位 模拟通信模拟通信 数字信号数字信号 振幅键控振幅键控 频移键控频移键控 相移键控相移键控 数字数据数字数据 电平跳变电平跳变 时钟信号时钟信号 采样采样 量化量化 编码编码 同步信号同步信号曼彻斯特编码曼彻斯特编码数据数据1 1 0 0 1 1 0 11 1 0 0 1 1 0 1电信号电信号三、画出数据三、画出数据1100110111001101的的曼彻斯特曼彻斯特编码编码 作业作业1.数据

17、编码方法可以分为哪两种类型？它们各有哪些主要的编数据编码方法可以分为哪两种类型？它们各有哪些主要的编码方法？码方法？ 2.说明脉冲编码调制方式的基本工作原理。说明脉冲编码调制方式的基本工作原理。3.3.画出数据画出数据1011010110110101的的曼彻斯特曼彻斯特编码。编码。共享信道4 信道复用技术4.1 频分复用、时分复用和统计时分复用 n复用(multiplexing)是通信技术中的基本概念。 信道A1A2B1B2C1C2信道信道A1A2B1B2C1C2复用分用(a) 不使用复用技术(b) 使用复用技术频分复用 FDM(Frequency Division Multiplexing)

18、 n用户在分配到一定的频带后，在通信过程中自始至终都占用这个频带。n频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源（请注意，这里的“带宽”是频率带宽而不是数据的发送速率）。 频率时间频率 1频率 2频率 3频率 4频率 5时分复用TDM(Time Division Multiplexing) n时分复用则是将时间划分为一段段等长的时分复用帧（TDM 帧）。每一个时分复用的用户在每一个 TDM 帧中占用固定序号的时隙。n每一个用户所占用的时隙是周期性地出现（其周期就是 TDM 帧的长度）。nTDM 信号也称为等时(isochronous)信号。n时分复用的所有用户是在不同的时间占用同样的频带宽

19、度。时分复用 频率时间B C DB C DB C DB C DAAAAA 在 TDM 帧中的位置不变TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧时分复用 频率时间BDBDBDAAAA BCCCC DC 在 TDM 帧中的位置不变TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧时分复用 频率时间B CB CB CAAAA B CDDDDD 在 TDM 帧中的位置不变TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧时分复用可能会造成线路资源的浪费 ABCDaabbcdb cattttt4 个时分复用帧#1acbcd时分复用#2#3#4用户使用时分复用系统传送计算机数据时，由于计算机数据的

20、突发性质，用户对分配到的子信道的利用率一般是不高的。 统计时分复用 STDM(Statistic TDM) 用户ABCDabcdttttt3 个 STDM 帧#1acbab bcacd#2#3统计时分复用 1550 nm 0 1551 nm 1 1552 nm 2 1553 nm 3 1554 nm 4 1555 nm 5 1556 nm 6 1557 nm 70 1550 nm 1 1551 nm 2 1552 nm 3 1553 nm 4 1554 nm 5 1555 nm 6 1556 nm 7 1557 nm 2.4.2 波分复用 WDM(Wavelength Division Mul

21、tiplexing) n波分复用就是光的频分复用。 8 2.5 Gb/s1310 nm20 Gb/s复用器分用器EDFA120 km光调制器光解调器2.4.3 码分复用 CDM(Code Division Multiplexing) n常用的名词是码分多址 CDMA (Code Division Multiple Access)。n各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此彼此不会造成干扰。n这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力，其频谱类似于白噪声，不易被敌人发现。 n每一个比特时间划分为 m 个短的间隔，称为码片(chip)。 码片序列(chip sequence) n每个站被指派一个唯一的 m bit 码片序列。n如发送比特 1，则发送自己的 m bit 码片序列。n如发送比特 0，则发送该码片序列的二进制反码。 n例如，S 站的 8 bit 码片序列是 00011011。n发送比特 1 时，就发送序列 00011011，n发送比特 0 时，就发送序列 11100100。nS 站的码片序列：(1 1 1 +1 +1 1 +1 +1) CDMA 的重要特点n每个站分配的码片序列不仅必须各不相同，并且还必须互相正交(orthogonal)。n在实