计算机网络物理层

1、物理层6.1 数据通信的基本概念1.数据与信号2.信道3.通信方式4.传输方式5.同步方式6.2 传输介质6.3 多路复用技术1.多路复用的基本概念2.时分多路复用TDM3.频分复用 FDM4.波分复用WDM5.码分复用 CDM6.4 数据传输速率与码元传输速率1.奈奎斯特准则2.香农定理数据通信系统源系统源系统 源点：源点设备产生通信网络要传输的数据。 发送器：通常源点生成的数据要通过发送器编码后才能够在传输系统中进行传输。目的系统目的系统 接收器：接收传输系统传送过来的信号，并将其转换为能够被目的设备处理的信息。 终点：终点设备从接收器获取传送来的信息。传输系统传输系统 可以是简单的物理通

2、信线路 也可以是连接源系统和目的系统之间的复杂网络设备传输传输系统系统输入信息输入数据发送的信号接收的信号输出数据源点终点发送器接收器调制解调器PC 机公用电话网调制解调器数字比特流数字比特流模拟信号模拟信号 输入汉字显示汉字数据通信系统源系统目的系统传输系统输出信息PC 机 1. 数据与信号数据与信号数据（Data）传递（携带）信息的实体。信息（Information）数据的内容或解释。信号（Signal）数据的物理量编码（通常为电编码），数据以信号的形式在介质中传播 模拟信号：时间上连续，包含无穷多个信号值 数字信号：时间上离散，仅包含有限数目的信号值。最常见的是二值信号 周期信号：信号由

3、不断重复的固定模式组成（如正弦波） 非周期信号：信号没有固定的模式和波形循环（如语音的音波信号）。6.1 数据通信的基本概念a） 模拟信号tb） 数字信号tTTTtTTTtt周期信号非周期信号信息编码：将信息用二进制数表示的方法 例如：ASCII编码、BCD编码等数据编码：将数据用物理量表示的方法 例如：字符“A”的ASCII编码为01000001，其数据编码可能为01000001t信息通过数据通信系统进行传输的过程信息通过数据通信系统进行传输的过程 把携带把携带信息信息的的数据数据用物理用物理信号信号形式通过信道传送到目的地形式通过信道传送到目的地 信息和数据（二进制位）不能直接在信道上传输

4、信息和数据（二进制位）不能直接在信道上传输 编码：数据适合传输的数字信号便于同步、识别、纠错 调制：数字信号适合传输的形式按频率、幅度、相位 解调：接收波形数字信号 解码：数字信号原始数据信息信息数据数据信号信号在信道上传输在信道上传输信号信号数据数据信息信息数据编码数据编码调制调制解调解调数据解码数据解码01000001“A”01000001“A”信道信道信息编码信息编码信息解码信息解码 不同类型的信号在不同类型的信道上传输有4种情况：数据数据：模拟数据：模拟数据 数字数据数字数据信号信号：模拟信号：模拟信号 数字信号数字信号 信道信道：模拟信道：模拟信道 数字信道数字信道 模拟传输和数字传

5、输所使用的技术语音语音移频移频,调制调制模拟模拟数字数字模拟模拟模拟模拟PCM编码编码数字数字数字数字数字编码数字编码数字数字模拟数据，模拟信号模拟数据，模拟信号数字数据，模拟信号数字数据，模拟信号数字数据，数字信号数字数据，数字信号模拟数据，数字信号模拟数据，数字信号10101010调制调制编码与调制的区别编码与调制的区别编码编码：用数字信号承载数字或模拟数据：用数字信号承载数字或模拟数据调制调制：用模拟信号承载数字或模拟数据：用模拟信号承载数字或模拟数据发送方发送方EncoderDecoder数字或数字或模拟数据模拟数据x(t)g(t)数字或数字或模拟数据模拟数据接收方接收方g(t)编码编

6、码解码解码数字或数字或模拟数据模拟数据ModulatorDemodulator数字或数字或模拟数据模拟数据g(t)s(t)g(t)载波发送方发送方接收方接收方调制调制解调制解调制数字数据的数字信号编码数字数据的数字信号编码 不归零码（Non-Return to Zero， NRZ ） 二进制数字0、1分别用两种电平来表示；常用5V表示1，5V表示0； 曼彻斯特编码（Manchester Coding） 用电压的变化表示0和1。 规定在每个码元的中间发生跳变 高低的跳变代表0，低高的跳变代表1 差分曼彻斯特编码（Differential Manchester Coding，DMC） 每个码元的中

7、间仍要发生跳变。 用码元开始处有无跳变来表示0和1 ，有跳变代表0，无跳变代表1。 三种数字编码的波形图三种数字编码的波形图 调幅(AM)： 用载波的两个不同振幅表示0和1 调频(FM)： 用载波的两个不同频率表示0和1 调相(PM)：用载波的起始相位的变化表示0和1数字数据的调制数字数据的调制: 最基本的二元制调制方法有以下几种通信方式通信方式串行通信与并行通信串行通信与并行通信单工数据单向传输（例：无线电广播）半双工数据可以双向交替传输，但不能在同一时刻双向传输（例：对讲机）全双工数据可以双向同时传输（例：电话） 需要具有两条物理上独立的传输线路； 或者需要具有一条物理线路上的两个信道，分

8、别用于不同方向的信号传输。 基带传输：不需调制，编码后的数字脉冲信号直接在信道上传送。 例如：以太网（局域网） 频带传输：数字信号调制成音频模拟信号后再传送，接收方需要解调。 例如：通过电话网络传输数据 宽带传输：把信号调制成频带为几十MHZ到几百MHZ的模拟信号后再传送，接收方需要解调。 例如：闭路电视的信号传输传输方式传输方式6.2 传输介质传输介质 传输介质是网络中连接收发双方的物理通路，也是通信中实际传送信息的载体；网络中常用的传输介质有： 双绞线 同轴电缆 光纤电缆 无线与卫星通信信道 以太网的物理层选项与标识方法以太网的物理层选项与标识方法 速率、信号方式、介质类型速率、信号方式、

9、介质类型速率（速率（Mb/s）基带或宽带基带或宽带Base，Broad每段最大长度（单位每段最大长度（单位:百米）或百米）或介质类型（介质类型（T，F，X）10 Base 5传统以太网10Base5 粗同轴10Base2 细同轴10Base-T UTP 10Base-F MMFUTPUnshielded Twisted Paired，非屏蔽双绞线；MMFMulti-Mode Fiber，多模光纤 双绞线双绞线（Twist Pair，TP）螺旋绞合的双导线每根4对、25对、1800对典型连接距离100m（LAN）RJ45插座、插头局域网中所使用的双绞线分为两类 屏蔽双绞线（STP）与非屏蔽双绞线

10、（UTP）；优缺点： 成本低 组装密度高、节省空间 安装容易（综合布线系统） 平衡传输（高速率） 抗干扰性一般 连接距离短应用领域：电话网络、计算机局域网内导体芯线内导体芯线绝缘绝缘内屏蔽内屏蔽外屏蔽外屏蔽外套外套 双绞线的连接标准 色彩标记和连接方法： 在以太网的标准中，10Mb/s与100Mb/s双绞线系统采用相同的线序：1、2两根线为一对，3、6两根线为另一对。1 2 3 4 5 6 7 81 2 3 4 5 6 7 8色标色标 Pin# Signal白橙白橙 1 TD+橙橙 2 TD-白绿白绿 3 RD+蓝 4 不用白蓝 5 不用绿绿 6 RD-白棕 7 不用棕 8 不用直连线互连直连

11、线互连：两端都按T568B接电脑调制解调器调制解调器路由器电脑集线器、交换机、路由器交叉互连：交叉互连：一端按T568B接，另一端按T568A接电脑电脑集线器集线器交换机交换机T568BT568ANICHUB每段最大长度每段最大长度 100m 双绞线（UTP），两头压接RJ45连接器； 所有站点都与HUB （集线器）相连接； HUB的作用：信号放大与整形 星形拓扑，但逻辑拓扑结构仍然是总线。 轻便、安装密度高、便于维护 为以太网在局域网中的统治地位奠定了牢固的基础。双绞线以太网（双绞线以太网（10Base-T） 同轴电缆同轴电缆（Coaxial Cable，CC） 计算机网络中使用基带同轴电缆

12、计算机网络中使用基带同轴电缆 阻抗50，有粗同轴和细同轴两种 应用：总线局域网（以太网）应用：总线局域网（以太网） 性能：性能：10Mb/s，500m/185m铜芯铜芯绝缘层绝缘层外导体外导体屏蔽层屏蔽层保护套保护套同轴电缆以太网同轴电缆以太网粗缆以太网（10BASE5）粗同轴电缆，可靠性好，抗干扰能力强 收发器 : 发送/接收, 冲突检测, 电气隔离总线型拓扑 粗缆粗缆收发器收发器AUI 电缆电缆NICVampire tap最大段长度最大段长度 500m每段最多站点数每段最多站点数 1002.5m网络最大跨度网络最大跨度 2.5km 网络最多网络最多5个段个段 终端匹配器终端匹配器细缆以太网

13、（ 10Base2 ）细同轴电缆，可靠性稍差 无外置收发器，收发器装在网卡上 轻便、灵活、成本较低总线型拓扑细缆细缆BNC接头接头NIC每段最大长度每段最大长度 185m每段最多站点数每段最多站点数 300.5 m网络最大跨度网络最大跨度 925 m 网络最多网络最多5个段个段 终端匹配器终端匹配器 光纤（Optical Fiber，OF） 依靠光波承载数据，光脉冲在玻璃纤维中传播 优缺点： 传输带宽高：仅受光电转换器件的限制（100Gb/s） 传输损耗小，适合长距离传输 抗干扰性能极好、误码率低、保密性好 轻便 价格较高 需要光电转换 纤芯材料： 塑料 二氧化硅 （高纯玻璃）折射角折射角入射

14、角入射角 包层包层（低折射率的媒体）（低折射率的媒体） 包层包层（低折射率的媒体）（低折射率的媒体） 纤芯纤芯（高折射率的媒体）（高折射率的媒体） 包层包层纤纤芯芯光光线线在在光光纤纤中中的的折折射射高折射率高折射率( (纤芯纤芯) )低折射率低折射率( (包层包层) )光线在纤芯中传输的方式是不断地全反射光线在纤芯中传输的方式是不断地全反射当入射角临界值时产生全反射，不会泄漏。（纤芯折射率高，玻璃包层折射率低）亮度调制：有光脉冲-1，无光脉冲-0光传输系统：光源、介质、光检测器单向传输，双向需两根光纤应用领域：局域网主干、电信网络、服务器连接 多模光纤多模光纤(MMF) 单模光纤单模光纤(S

15、MF)：光纤的直径接近一个光波波长光纤的直径接近一个光波波长多束光线以不同的反射角传播多束光线以不同的反射角传播激光器包层，折射率低纤芯，折射率高亮度调制光检波器激光器光检波器单束光线沿直线传播单束光线沿直线传播6.3 多路复用技术1. 多路复用的基本概念 多路复用技术的实质是：发送方将多个用户的数据通过复用器汇集，并将汇集的数据通过一条物理线路传送到接收方；接收方通过分用器将数据分离成各个单独的数据，然后分发给接收方的多个用户。为何要复用？提高线路利用率 适用场合：当信道的传输能力大于每个信源的平均传输需求时类比：公共运输系统（铁路、海运、航空）DEMUX复用器复用器解复用器解复用器共享信道

16、共享信道MUX信信源源信信宿宿复用方法 频分复用FDM （Frequency Division Multiplexing） 按频率划分不同的信道，如CATV系统 时分复用TDM （Time Division Multiplexing） 按时间划分不同的信道，目前应用最广泛 波分复用WDM （Wave Division Multiplexing） 按波长划分不同的信道，用于光纤传输 码分复用CDM （Code Division Multiplexing） 按地址码划分不同的信道，非常有发展前途共享信道信道信道信道(a) 不使用复用技术(b) 使用复用技术2. 时分多路复用（TDM） 原理：把时间

17、分割成小的时间片(时分复用帧 )，每个时间片分为若干个时隙，每路数据占用一个时隙进行传输。在通信网络中应用极为广泛。 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。 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）。 TDM 信号也称为等时(isochronous)信号。 时分复用的所有用户是在不同的时间占用同样的频带宽度。A2A1A3原始信号D2D1D3数字化信号MUX复用后的数据流复用后的数据流时隙号时隙号1231D3D2D1时间片时间片12时间片时间片2D1时隙时隙D2复用器复用器t由于每路数据总是使用每个时间片的固定时隙，所以这种时分复用也称为同步时

18、分复用。一个时间片内传输的多路数据称为帧。时分复用的典型例子：PCM信号的传输 把多个话路的PCM语音数据用TDM的方法装成帧（帧中还包括了帧同步信息和信令信息） 每帧在一个时间片内发送 每个时隙承载一路PCM信号时分复用可能会造成线路资源的浪费 使用时分复用系统传送计算机数据时，由于计算机数据的突发性质，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用户不固定占用某个时隙，有空时隙就将数据放入ABCDaabbcdb cattttt4 个时分复用帧#1acbcd时分复用#2#3#4用户用户ABCDabcdttttt3 个 STDM 帧#1acbabbcacd#2#3统计时分复

19、用3. 频分复用 FDM(Frequency Division Multiplexing) 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。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 54. 波分复用WDM （Wave Division Multiplexing）光的频分复用 原理：整个波长频带被划分为若干个波长范围，每路信号占用一个波长范围来进行传输。F2F1F3光谱光谱F1F2F3共享光纤的光谱共享光纤的光谱光纤光纤2光纤光纤3光纤光纤1共享光纤共享光纤 棱柱棱柱/衍

20、射光栅衍射光栅5. 码分复用 CDM(Code Division Multiplexing) 常用的名词是码分多址码分多址 CDMA (Code Division Multiple Access)。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。这种系统发送的信号抗干扰能力强，其频谱类似于白噪声，不易被敌人发现。 每一个比特时间划分为 m 个短的间隔，称为码片(chip)。每个站被指派一个唯一的 m bit 码片序列。 如发送比特 1，则发送自己的 m bit 码片序列。 如发送比特 0，则发送该码片序列的二进制反码。 例如，S 站的 8 bit 码片序列是 00011011。 发送比

21、特 1 时，就发送序列 00011011， 发送比特 0 时，就发送序列 11100100。按惯例采用双极型的形式，即二进制的0由-1代替，二进制的1由+1代替 比如S 站的码片序列：(1 1 1 +1 +1 1 +1 +1) 7.4 数据传输速率与码元传输速率 数据传输速率 比特（bit）：即一个二进制位。比特率为每秒传输的比特数（即数据传送速率）。 数据传输速率：是指每秒传输的编码前的数字数据的二进制比特数 ，又称为比特率。 码元传输速率 码元（Code Cell）：时间轴上的一个信号编码单元。 码元传输速率：是指每秒传输的码元数 ，又称为波特率调制（码元传输）速率与数据传输速率的关系 调

22、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） 1200 1200 四相调制（四相调制（k=4） 2400 1200 八相调制（八相调制（k=8） 3600 1200 十六相调制（十六相调制（k=16） 4800数据传输速率S（单位为bps）与码元传输速率B（单位为baud）之间关系可以表示为：S=Blog2k，式中k为多相调制的相数二相调制(2种码元，每个码元携带1bit的数据)的比特率等于波特率 任何实际的信道都不是理想的，在传输信号时会产生各种失真以及带来多种干扰。 码元传输的速率越高，或信号传输的

23、距离越远，在信道的输出端的波形的失真就越严重。 有失真，但可识别失真大，无法识别 实际的信道（带宽受限、有噪声、干扰和失真）发送信号波形接收信号波形发送信号波形实际的信道（带宽受限、有噪声、干扰和失真）接收信号波形Nyquist公式公式：用于无噪声理想低通信道用于无噪声理想低通信道对于一个带宽为W的无噪声信道，其最高码元传输速率Bmax为2W，单位为band，即Bmax=2WNyquist公式为公式为估算已知带宽信道的最高数据传输速率估算已知带宽信道的最高数据传输速率提供了依据。提供了依据。 例如，话音级线路的带例如，话音级线路的带 宽约为宽约为3.1kHz，根据上，根据上 式计算的信道最大数据式计算的信道最大数据 传输率如右表所示传输率如右表所示1. 奈奎斯特准则奈奎斯特准则S = 2W log2 KS 数据传输率，单位数据传输率，单位b/s W 带宽，单位带宽，单位HzK 多相调制的相数多相调制的相数 K 最大数据率最大数据率 2 6200 b/s 4 12400 b/s 8 18600 b/s16 24800 b/s32 31000 b/s非理想信道非理想信道 实际的信道上存在损耗、延迟、噪声。实际的信道上存在损耗、延迟、噪声。 损耗损耗引起信号