第4讲物理层(1)

1、刘宏刘宏月印月印2022-5-7College of Information Science and Technology, HAUT3/60计算机网络体系结构计算机网络体系结构n分层、协议分层、协议OSITCP/IP2022-5-7College of Information Science and Technology, HAUT4/60学习目标学习目标n掌握物理层的基本概念；掌握物理层的基本概念；n数据通信的基础知识，模拟传输和数字传输的一数据通信的基础知识，模拟传输和数字传输的一些常用技术；些常用技术；n掌握信道、信号、码元、波特、编码与调制、解掌握信道、信号、码元、波特、编码与调制、

2、解调等基本概念。调等基本概念。本节难点本节难点n编码与调制编码与调制2022-5-7College of Information Science and Technology, HAUT5/601. 物理层基本概念物理层基本概念2. 数据通信系统模型数据通信系统模型3. 数据编码技术数据编码技术2022-5-7College of Information Science and Technology, HAUT6/60 物理层的基本服务功能物理层的基本服务功能n物理层与数据链路层的关系物理层与数据链路层的关系p保证比特流通过传输介质的正确传输，为数据链路层保证比特流通过传输介质的正确传输，为数

3、据链路层提供数据传输服务提供数据传输服务。n传输介质与信号编码的关系传输介质与信号编码的关系p根据所使用传输介质的不同，制定相应的根据所使用传输介质的不同，制定相应的物理层协议物理层协议，规定数据信号编码方式、传输速率，以及相关的通信规定数据信号编码方式、传输速率，以及相关的通信参数。参数。2022-5-7College of Information Science and Technology, HAUT7/60 物理层的基本服务功能物理层的基本服务功能n设置物理层的目的设置物理层的目的p屏蔽屏蔽物理层采用的传输介质、通信设备与通信技术的物理层采用的传输介质、通信设备与通信技术的差异性差异性

4、，使上层只需考虑如何使用物理层的服务，而，使上层只需考虑如何使用物理层的服务，而不需要考虑物理层的功能具体是如何实现的。不需要考虑物理层的功能具体是如何实现的。物理层考虑的是怎样才能在连接各种计算机的传输物理层考虑的是怎样才能在连接各种计算机的传输媒体上媒体上传输比特流传输比特流，而不是指具体的传输媒体。，而不是指具体的传输媒体。物理层的基本功能：物理层的基本功能：屏蔽差异，为数据链路层服务屏蔽差异，为数据链路层服务。2022-5-7College of Information Science and Technology, HAUT8/60物理层的主要任务物理层的主要任务 确定确定与传输媒体

5、的接口有关的一些特性与传输媒体的接口有关的一些特性，主要包括：，主要包括： n 机械特性机械特性指明接口所用接线器的形状和尺寸、引线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。数目和排列、固定和锁定装置等。n 电气特性电气特性指明在接口电缆的各条线上出现的电压的指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。范围。n 功能特性功能特性指明某条线上出现的某一电平的电压表示指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义。何种意义。n 过程特性过程特性指明对于不同功能的各种可能事件的出现指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。顺序。2022-5-7College of Informa

6、tion Science and Technology, HAUT9/60RJ45接口信号定义，以及网线连接头信号安排接口信号定义，以及网线连接头信号安排以太网以太网 10/100Base-T 接口接口: Pin Name Description 1 TX+ Tranceive Data+ (发信号发信号+) 2 TX- Tranceive Data- (发信号发信号-) 3 RX+ Receive Data+ (收信号收信号+) 4 n/c Not connected (空脚空脚) 5 n/c Not connected (空脚空脚) 6 RX- Receive Data- (收信号收信号-

7、) 7 n/c Not connected (空脚空脚) 8 n/c Not connected (空脚空脚)2022-5-7College of Information Science and Technology, HAUT10/60基于点基于点-点通信线路的物理层协议点通信线路的物理层协议nEIA-232-CnADSLnCable Modem基于广播通信线路的物理层协议基于广播通信线路的物理层协议n最早的最早的Ethernet是在公用总线的同轴电缆上用广播的是在公用总线的同轴电缆上用广播的方式发送和接收数据。方式发送和接收数据。IEEE 802.3n无线网络采用广播方式发送和接收数据。无

8、线网络采用广播方式发送和接收数据。IEEE 802.112022-5-7College of Information Science and Technology, HAUT11/602022-5-7College of Information Science and Technology, HAUT12/60数据通信需求数据通信需求协议：控制数据通信的一组规则。协议：控制数据通信的一组规则。通信的信息：通信的信息： 文本、数文本、数字、图片、声音字、图片、声音2022-5-7College of Information Science and Technology, HAUT13/60信道实

9、例信道实例2022-5-7College of Information Science and Technology, HAUT14/60 数据通信系统有效性数据通信系统有效性n传递传递n正确正确n即时即时2022-5-7College of Information Science and Technology, HAUT15/60传输传输系统系统输输入入信信息息输输入入数数据据发送发送的信号的信号接收接收的信号的信号输输出出数数据据源点源点终点终点发送器发送器接收器接收器调制解调器调制解调器PC 机机公用电话网公用电话网调制解调器调制解调器数字比特流数字比特流模拟信号模拟信号输入输入汉字汉字

10、显示显示汉字汉字数字比特流数字比特流模拟信号模拟信号 数据通信系统数据通信系统源系统源系统目的系统目的系统传输系统传输系统输输出出信信息息PC 机机数据通信系统模型数据通信系统模型2022-5-7College of Information Science and Technology, HAUT16/60信息信息(Information)：指人们对客观现实世界事物的存在方式：指人们对客观现实世界事物的存在方式或运动状态的某种认识或运动状态的某种认识 n“传递给某人的事情和消息传递给某人的事情和消息”，“所知道的知识所知道的知识”，“交流的知交流的知识识”等。等。数据数据(Data)：信息的表

11、达形式信息的表达形式n对计算机系统而言，所有能用计算机进行编码和通信的符号都属对计算机系统而言，所有能用计算机进行编码和通信的符号都属于数据。或者说是在计算机中被传输的二进制代码称为数据。于数据。或者说是在计算机中被传输的二进制代码称为数据。数据和信息的区别数据和信息的区别n数据是独立的，是尚未组织起来的符号的集合；数据是独立的，是尚未组织起来的符号的集合；n信息则是按照一定要求以一定格式组织起来的数据信息则是按照一定要求以一定格式组织起来的数据。信息转换为数据需要编码：如信息转换为数据需要编码：如ASCII、GB2312:简体简体中文编码、中文编码、BIG5:繁体中文编码。繁体中文编码。20

12、22-5-7College of Information Science and Technology, HAUT17/60信号信号(signal)：数据的电气的或电磁的表现。：数据的电气的或电磁的表现。n“模拟的模拟的”(analogous)：代表消息的参数取值是连续：代表消息的参数取值是连续的。的。 n“数字的数字的”(digital)：代表消息的参数的取值是离散的。：代表消息的参数的取值是离散的。 无论是无论是数据或信号数据或信号，都可是，都可是模拟的模拟的也可是也可是数字的数字的。数据转换为信号需要编码：如曼彻斯特编码、差分数据转换为信号需要编码：如曼彻斯特编码、差分曼彻斯特编码，不归

13、零码等。曼彻斯特编码，不归零码等。2022-5-7College of Information Science and Technology, HAUT18/60串行传输：数据流以串行方式在一条信道上传输叫串行传输：数据流以串行方式在一条信道上传输叫串行传输。串行传输。n一般在远程通信中，人们采用串行通信方式。一般在远程通信中，人们采用串行通信方式。并行传输：数据以成组的方式在多个并行信道上同并行传输：数据以成组的方式在多个并行信道上同时进行传输叫并行传输。时进行传输叫并行传输。n每次同时传输一个字节（每次同时传输一个字节（8 8位）。位）。n计算机内部的通信通常是并行传输。计算机内部的通信通

14、常是并行传输。n特点：并行传输的优点是速度快，但发送端与接收端特点：并行传输的优点是速度快，但发送端与接收端之间有若干条线，导致费用高之间有若干条线，导致费用高2022-5-7College of Information Science and Technology, HAUT19/60 按照信号传送方向与时间的关系，可以分成：按照信号传送方向与时间的关系，可以分成：n单向通信单向通信(单工通信单工通信)：只能有一个方向的通信而没有：只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。反方向的交互。n双向交替通信双向交替通信(半双工通信半双工通信)：通信的双方都可以发送：通信的双方都可以发送信息，但不能双

15、方同时发送信息，但不能双方同时发送(当然也不能同时接收当然也不能同时接收)。n双向同时通信双向同时通信(全双工通信全双工通信)：通信的双方可以同时发：通信的双方可以同时发送和接收信息。送和接收信息。 发送接收单向通道双向通道双向通道(a)(b)(c)发送接收发送接收接收发送接收发送发送接收单向通道双向通道双向通道(a)(b)(c)发送接收发送接收接收发送接收发送发送接收单向通道双向通道双向通道(a)(b)(c)发送接收发送接收接收发送接收发送2022-5-7College of Information Science and Technology, HAUT20/60电信号也叫信号，信号的每秒

16、钟变化次数叫频率，电信号也叫信号，信号的每秒钟变化次数叫频率，单位是赫兹单位是赫兹(HZ)。信号的频率有高有低，就像声音。信号的频率有高有低，就像声音有高有低一样，低频到高频的范围叫频带，不同的有高有低一样，低频到高频的范围叫频带，不同的信号有不同的频带。信号有不同的频带。信道传输类型信道传输类型n基带传输：基带信号基带传输：基带信号n频带传输：频带信号频带传输：频带信号n宽带传输宽带传输2022-5-7College of Information Science and Technology, HAUT21/60什么是基带信号什么是基带信号 2022-5-7College of Inform

17、ation Science and Technology, HAUT22/60近距离传输近距离传输大多采用基带传输方式大多采用基带传输方式n原因：由于在近距离范围内基带信号的衰减不大，从而原因：由于在近距离范围内基带信号的衰减不大，从而信号内容不会发生变化。信号内容不会发生变化。n例如：从计算机到监视器、打印机等外设的信号就是基例如：从计算机到监视器、打印机等外设的信号就是基带传输的。大多数的局域网使用基带传输，如以太网、带传输的。大多数的局域网使用基带传输，如以太网、令牌环网。常见的局域网标准令牌环网。常见的局域网标准10BaseT使用的就是基使用的就是基带信号。带信号。2022-5-7Co

18、llege of Information Science and Technology, HAUT23/60基带信号为什么需要调制？基带信号为什么需要调制？n基带信号往往包含有较多的基带信号往往包含有较多的低频成分低频成分，甚至有，甚至有直流成分直流成分，而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量。为了而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量。为了解决这一问题，就必须对基带信号进行编码解决这一问题，就必须对基带信号进行编码/调制调制(modulation)。2022-5-7College of Information Science and Technology, HAUT24/60频带传输

19、频带传输 n远距离通信信道多为模拟信道，例如，传统的电话（电远距离通信信道多为模拟信道，例如，传统的电话（电话信道）只适用于传输音频范围话信道）只适用于传输音频范围(300-3400Hz)的模拟的模拟信号，不适宜直接传输频带很宽、但能量集中在低频段信号，不适宜直接传输频带很宽、但能量集中在低频段的数字基带信号。的数字基带信号。n频带传输就是频带传输就是先将基带信号变换（调制）成便于在模拟先将基带信号变换（调制）成便于在模拟信道中传输的、具有较高频率范围的模拟信号信道中传输的、具有较高频率范围的模拟信号（称为频（称为频带信号），再将这种频带信号带信号），再将这种频带信号在模拟信道中传输在模拟信道

20、中传输。n计算机网络的计算机网络的远距离通信远距离通信通常采用的是频带传输。通常采用的是频带传输。n基带信号与频带信号的转换是由基带信号与频带信号的转换是由调制解调技术调制解调技术完成的。完成的。2022-5-7College of Information Science and Technology, HAUT25/60宽带传输宽带传输n借助频带传输，可以将链路容量分解成两个或更多的借助频带传输，可以将链路容量分解成两个或更多的信道，每个信道可以携带不同的信号，这就是宽带传信道，每个信道可以携带不同的信号，这就是宽带传输。宽带传输中的所有信道都可以同时发送信号。如输。宽带传输中的所有信道都可

21、以同时发送信号。如CATV、ISDN等。等。2022-5-7College of Information Science and Technology, HAUT26/60 错误的认识错误的认识ABAB宽带线路宽带线路窄带线路窄带线路在宽带线路上比特传播得快在宽带线路上比特传播得快 在窄带线路上比特传播得慢在窄带线路上比特传播得慢 2022-5-7College of Information Science and Technology, HAUT27/60 正确的认识正确的认识宽带线路宽带线路窄带线路窄带线路宽带线路和窄带线路上比特的宽带线路和窄带线路上比特的传播速率是一样的传播速率是一样的

22、。宽带线路：每秒有更多比特从计算机注入到线路。宽带线路：每秒有更多比特从计算机注入到线路。2022-5-7College of Information Science and Technology, HAUT28/60 比喻：汽车运货比喻：汽车运货宽带线路宽带线路窄带线路窄带线路宽带和窄带线路：车速一样宽带和窄带线路：车速一样宽带线路：车距缩短宽带线路：车距缩短2022-5-7College of Information Science and Technology, HAUT29/60 另一种错误认识：另一种错误认识：“宽带宽带”相当于相当于“多车道多车道”10010111010010011

23、10100010110102022-5-7College of Information Science and Technology, HAUT30/601. 物理层基本概念物理层基本概念2. 数据通信系统模型数据通信系统模型3. 数据编码技术数据编码技术 2022-5-7College of Information Science and Technology, HAUT31/60编码与调制编码与调制模拟模拟模拟模拟模拟模拟数字数字数字数字数字数字信道信道信号信号数据数据2022-5-7College of Information Science and Technology, HAUT32

24、/60编码与调制编码与调制n由于传输介质及其格式的限制，通信双方的信号不能由于传输介质及其格式的限制，通信双方的信号不能直接进行传送，必须通过一定的方式处理之后，使之直接进行传送，必须通过一定的方式处理之后，使之能够适合传输媒体的特性，才能够更好地、正确无误能够适合传输媒体的特性，才能够更好地、正确无误地传送到目的地。地传送到目的地。n编码编码：用：用数字信号数字信号承载数字或模拟数据。承载数字或模拟数据。n调制调制：用：用模拟信号模拟信号承载数字或模拟数据。承载数字或模拟数据。2022-5-7College of Information Science and Technology, HAU

25、T33/60数字数字/数字编码数字编码(1)直流分量，单极性编码信号平均振幅不是零，有的媒体没有直流分量，单极性编码信号平均振幅不是零，有的媒体没有传输直流分量能力，如微波、变压器。传输直流分量能力，如微波、变压器。(2)同步，连续信号（多个同步，连续信号（多个1划划0）如何识别数量，时间同步，）如何识别数量，时间同步，信号传输会发生扭曲，拉长。信号传输会发生扭曲，拉长。2022-5-7College of Information Science and Technology, HAUT34/60极化编码极化编码n极化编码采用两个电压值：一个正电压、一个负电压。极化编码采用两个电压值：一个正电

26、压、一个负电压。减轻了直流分量问题。减轻了直流分量问题。n在双相位编码中，每个比特均含正电压和负电压，彻在双相位编码中，每个比特均含正电压和负电压，彻底解决了直流分量问题。底解决了直流分量问题。2022-5-7College of Information Science and Technology, HAUT35/602022-5-7College of Information Science and Technology, HAUT36/602022-5-7College of Information Science and Technology, HAUT37/60信号在每比特间隙中发生

27、改变但并不归零信号在每比特间隙中发生改变但并不归零n曼切斯特编码：在每个比特间隙中间引入跃迁来同时曼切斯特编码：在每个比特间隙中间引入跃迁来同时代表不同比特和同步信息。代表不同比特和同步信息。p1：一个负电平到正电平跳变。：一个负电平到正电平跳变。p0：一个正电平到负电平跳变。：一个正电平到负电平跳变。n差分曼切斯特编码：比特间隙跃迁用于携带同步信息，差分曼切斯特编码：比特间隙跃迁用于携带同步信息，开始位置是否有跃迁代表比特。开始位置是否有跃迁代表比特。p1：没有跳变。：没有跳变。p0：有跳变。：有跳变。2022-5-7College of Information Science and Te

28、chnology, HAUT38/602022-5-7College of Information Science and Technology, HAUT39/60数字数字/模拟编码模拟编码n用模拟信号表达数字信息的编码技术。用模拟信号表达数字信息的编码技术。n例如电话线模拟信号用于传输数字数据前的转换。例如电话线模拟信号用于传输数字数据前的转换。n通过数字通过数字/模拟编码，数据被调制到一个模拟信号上。模拟编码，数据被调制到一个模拟信号上。一个正弦波通过三个参数定义：一个正弦波通过三个参数定义：振幅振幅、频率频率和和相位相位。当。当改变其中任何一个参数，波形就会发生变化。改变其中任何一个参

29、数，波形就会发生变化。n若用原来的波代表若用原来的波代表1，可以用变形的波代表，可以用变形的波代表0。2022-5-7College of Information Science and Technology, HAUT40/60载波信号载波信号n在模拟传输中，发送设备产生一个高频信号作为基波在模拟传输中，发送设备产生一个高频信号作为基波承载数据信号承载数据信号基波信号、载波信号。基波信号、载波信号。n接收设备将自己的接收频率调整到与所期望的发送方接收设备将自己的接收频率调整到与所期望的发送方载波信号频率一致。载波信号频率一致。n数字信息通过改变载波信号的一个或多个特性参数数字信息通过改变载波

30、信号的一个或多个特性参数(振振幅、频率和相位幅、频率和相位)被被调制调制()到载波信号上到载波信号上()。2022-5-7College of Information Science and Technology, HAUT41/60010011100基带信号调幅调频调相2022-5-7College of Information Science and Technology, HAUT42/60比特率与波特率比特率与波特率n比特率：每秒传输的比特数。比特率：每秒传输的比特数。n波特率：每秒传输的信号单元数波特率：每秒传输的信号单元数(波形变化次数波形变化次数)，一个，一个信号单元包含信号单元

31、包含1或多个或多个比特。比特。n两个节点间通信，需要的信号单元越少，系统效率越高，两个节点间通信，需要的信号单元越少，系统效率越高，传输更多比特时所需的带宽就少。传输更多比特时所需的带宽就少。n波特率决定了发送信号所需的带宽。波特率决定了发送信号所需的带宽。2022-5-7College of Information Science and Technology, HAUT43/60比特率与波特率比特率与波特率n数据传输速率数据传输速率S (单位为单位为bps)与调制速率与调制速率B (单位为单位为baud)之间关系可以表示为：之间关系可以表示为：S=Blog2k （k为多相调制的为多相调制的

32、相数相数）调制速率调制速率(baud)多相调制的相数多相调制的相数数据传输速率数据传输速率(bps)1200二相调制二相调制(k=2)12001200四相调制四相调制(k=4)24001200八相调制八相调制(k=8)36001200十六相调制十六相调制(k=16)48002022-5-7College of Information Science and Technology, HAUT44/60幅移键控（幅移键控（ASK: Amplitude Shift Keying） nASK受噪声影响大，热、电磁感应等易引起线路中受噪声影响大，热、电磁感应等易引起线路中不期望的电压值，改变振幅。不期望

33、的电压值，改变振幅。2022-5-7College of Information Science and Technology, HAUT45/60频移键控（频移键控（FSK: Frequency Shift Keying） nFSK避免了噪声问题，接收方通过在给定时间内的具避免了噪声问题，接收方通过在给定时间内的具体频率变化识别比特值，能够忽略尖峰脉冲。体频率变化识别比特值，能够忽略尖峰脉冲。2022-5-7College of Information Science and Technology, HAUT46/60相移键控（相移键控（PSK: Phrase Shift Keying） n

34、二相位二相位PSK，编码中使用两个不同的相位值，编码中使用两个不同的相位值(0和和180度度)。2022-5-7College of Information Science and Technology, HAUT47/60相移键控（相移键控（PSK: Phrase Shift Keying） n星座图星座图p2-PSKpQ-PSK2022-5-7College of Information Science and Technology, HAUT48/60相移键控（相移键控（PSK: Phrase Shift Keying） nQ-PSK2022-5-7College of Informat

35、ion Science and Technology, HAUT49/60 如何进一步提高编码效率？如何进一步提高编码效率？n正交调幅正交调幅 (QAM: Quadrature Amplitude Modulation) 编码将编码将ASK和和PSK以某种方式结合起来，以某种方式结合起来，使得每一比特、双比特、三比特、使得每一比特、双比特、三比特、四比特组等之间具有最大的反差。四比特组等之间具有最大的反差。8-QAM (2振幅、振幅、4相位相位)2022-5-7College of Information Science and Technology, HAUT50/60 一个一个8-QAM信

36、号的时域图信号的时域图n若每一个码元可表示的比特数越多，则在接收端若每一个码元可表示的比特数越多，则在接收端进行解调时要正确识别每一种状态就越困难。进行解调时要正确识别每一种状态就越困难。 2022-5-7College of Information Science and Technology, HAUT51/60例：正交振幅调制例：正交振幅调制 QAMn可供选择的相位有可供选择的相位有 12 种，而种，而 对于每一种相位有对于每一种相位有 1 或或2 种种 振幅可供选择。振幅可供选择。n由于由于4 bit 编码共有编码共有16 种不种不 同的组合，因此这同的组合，因此这 16 个点中的每个

37、点可对应于一种个点中的每个点可对应于一种 4 bit 的编码。的编码。若每一个码元可表示的比特数越多，则在接收端进若每一个码元可表示的比特数越多，则在接收端进行解调时要正确识别每一种状态就越困难。行解调时要正确识别每一种状态就越困难。r(r, )2022-5-7College of Information Science and Technology, HAUT52/60用数字信号表示模拟信号，例如光盘录制歌曲。用数字信号表示模拟信号，例如光盘录制歌曲。n最小失真的数字流。最小失真的数字流。脉冲振幅调制脉冲振幅调制 (PAM: Pulse Amplitude Modulation)n接收模拟信

38、号，采样，产生脉冲。接收模拟信号，采样，产生脉冲。n采样指每隔相等的时间间隔测量一次信号振幅。采样指每隔相等的时间间隔测量一次信号振幅。2022-5-7College of Information Science and Technology, HAUT53/60脉冲振幅调制脉冲振幅调制 (PAM)n接收模拟信号，采样，产生脉冲。接收模拟信号，采样，产生脉冲。n采样指每隔相等的时间间隔测量一次信号振幅。采样指每隔相等的时间间隔测量一次信号振幅。n对于一个接收设备，重现一个模拟信号只需少量信息。对于一个接收设备，重现一个模拟信号只需少量信息。n奈奎斯特定理奈奎斯特定理：PAM中采样频率至少是原始

39、信号中最高中采样频率至少是原始信号中最高频分量频率的两倍。频分量频率的两倍。nPAM采样的脉冲取值仍然是可以任意值（是一个模拟信采样的脉冲取值仍然是可以任意值（是一个模拟信号，而不是数字化的），并不适合数据通信。号，而不是数字化的），并不适合数据通信。模拟信号模拟信号脉冲振幅调制信号脉冲振幅调制信号2022-5-7College of Information Science and Technology, HAUT54/60脉冲编码调制脉冲编码调制(PCM: Pulse Code Modulation) n将将PAM所产生的采样结果修改成完全的数字化信号所产生的采样结果修改成完全的数字化信号n量化：对采样结果赋予一个特定范围内的整数值量化：对采样结果赋予一个特定范围内的整数值202