计算机网络之物理层_传输介质与数据通信

1、1林楠林楠电子邮件：电子邮件：lynn_办公电话：办公电话公室：办公室：408物理层物理层第四讲第四讲2 物理层物理层 物理层物理层发送方发送方接收方接收方传输介质传输介质传输介质实际上位于物理层以下，并直接由物理层控制。传输介质实际上位于物理层以下，并直接由物理层控制。电缆或空气电缆或空气传输介质传输介质: 是计算机网络的主要组成部分之一，是计算机网络的主要组成部分之一， 是数据传输中收发双方的物理通路，是数据传输中收发双方的物理通路， 其特性对网络的通信速度和通信量都有很大影响。其特性对网络的通信速度和通信量都有很大影响。3传输介质传输介质有线传输介质有线传输

2、介质双绞线双绞线同轴电缆同轴电缆无线传输介质无线传输介质空气：空气：无线电、微波、无线电、微波、卫星、移动通讯卫星、移动通讯光缆光缆q有线传输介质有线传输介质（有向的有向的）：双绞线、同轴电缆、光缆）：双绞线、同轴电缆、光缆q无线传输介质无线传输介质（无向的无向的）：无线电、微波、卫星、移动通讯）：无线电、微波、卫星、移动通讯传输介质：分类传输介质：分类4双绞线双绞线由两根彼此绝缘的铜线按照规则绞合在一起。由两根彼此绝缘的铜线按照规则绞合在一起。传输介质：双绞线传输介质：双绞线 Twisted-pair cable内导体芯线内导体芯线绝缘绝缘箔屏蔽箔屏蔽铜屏蔽铜屏蔽外套外套5双绞线的连接器双绞

3、线的连接器: RJ45水晶头水晶头q使用双绞线组网，网线要安装使用双绞线组网，网线要安装RJ45RJ45水晶头才可与网络设备连接。水晶头才可与网络设备连接。 传输介质：双绞线传输介质：双绞线 Twisted-pair cable6数据终端设备数据终端设备 DTE DTE （计算机，路由器计算机，路由器）数据通讯设备数据通讯设备 DCE DCE （集线器，交换机集线器，交换机）q同型叉线！同型叉线！ ( ( 计算机，路由器）连（计算机，路由器）计算机，路由器）连（计算机，路由器） ( ( 集线器，交换机）连（集线器，交换机）集线器，交换机）连（集线器，交换机） 交叉线：交叉线：一个水晶头使用一个

4、水晶头使用T568AT568A，另一个使用，另一个使用T568BT568Bq异型直通！异型直通！ （计算机，路由器）连（集线器，交换机）（计算机，路由器）连（集线器，交换机） 直连线：直连线：即两个水晶头都使用即两个水晶头都使用T568BT568B另另: : 反转线反转线 , ,连接主机与路由器的控制端口。连接主机与路由器的控制端口。现在的网络设备接口有很多是直通与交叉自适应的。现在的网络设备接口有很多是直通与交叉自适应的。传输介质：双绞线传输介质：双绞线 Twisted-pair cable7两个同心的铜导线，两个同心的铜导线，一个空心金属圆柱体（外导体）和一根硬导线一个空心金属圆柱体（外导

5、体）和一根硬导线（内导体）按同轴构成，内外导体间有绝缘层。（内导体）按同轴构成，内外导体间有绝缘层。q同轴电缆同轴电缆的抗干扰性比双绞线强，可以传输更高频率的信号，但的抗干扰性比双绞线强，可以传输更高频率的信号，但是价格比双绞线贵。是价格比双绞线贵。传输介质：同轴电缆传输介质：同轴电缆 Coaxial cable8q光纤光纤的芯由玻璃构成的，传输光信号。的芯由玻璃构成的，传输光信号。 应用在主干网络中，还有百兆、千兆快速以太网中。应用在主干网络中，还有百兆、千兆快速以太网中。q玻璃光纤：玻璃光纤：外包层是玻璃，损耗小成本高，用于远距离宽带传输。外包层是玻璃，损耗小成本高，用于远距离宽带传输。

6、塑料光纤：塑料光纤：外包层是塑料，损耗大成本低，用于近距离宽带传输。外包层是塑料，损耗大成本低，用于近距离宽带传输。传输介质：光纤传输介质：光纤 Fiber9q无线传输介质无线传输介质 可以解决有线传输介质难以架设的问题，如通过高山或岛屿等环境。可以解决有线传输介质难以架设的问题，如通过高山或岛屿等环境。无线传输无线传输无线电波无线电波微波微波红外线红外线无线电波：无线电波：用于用于多播通信多播通信，如收音机、电视以及寻呼系统。中播，短播。，如收音机、电视以及寻呼系统。中播，短播。微波：微波：用于用于单播通信单播通信，如移动电话、卫星网络和无线局域网，如移动电话、卫星网络和无线局域网，计算机网

7、络计算机网络。红外线：红外线：可以在可以在封闭区域封闭区域用于短距离通信，使用视线传播，如遥控器。用于短距离通信，使用视线传播，如遥控器。 传输介质：无线传输传输介质：无线传输10q数据数据 DataData 传递传递( (携带携带) )信息的实体信息的实体 ( ( 文字，二进制数，十进制数文字，二进制数，十进制数 ) ) 数据有：模拟数据、数字数据数据有：模拟数据、数字数据q信息信息 InformationInformation数据的内容或解释。数据的内容或解释。q信号信号 SignalSignal 数据具体的物理表现。（电压，光，磁场强度）数据具体的物理表现。（电压，光，磁场强度） 它使数

8、据能以适当的形式在介质上传输。它使数据能以适当的形式在介质上传输。 信号有：模拟信号、数字信号信号有：模拟信号、数字信号数据以信号的形式传播数据以信号的形式传播：模拟信号与数字信号模拟信号与数字信号数据通信数据通信: 信号信号11模拟信号模拟信号 时间上时间上连续连续，包含无穷多个信号值。，包含无穷多个信号值。时间、温度、电波、声音；信号中没有断开或不连续的地方。时间、温度、电波、声音；信号中没有断开或不连续的地方。数字信号数字信号 时间上时间上离散离散，仅包含有限数目的信号值。，仅包含有限数目的信号值。 最常见的是二值信号字符，二进制数，电脉冲；信号仅取一些有限最常见的是二值信号字符，二进制

9、数，电脉冲；信号仅取一些有限 数目的值；数目的值；数字信号数字信号 模拟信号模拟信号数据通信数据通信: 信号信号12不同类型的信号在不同类型的信道上传输有不同类型的信号在不同类型的信道上传输有4种情况种情况数据：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 数字信道数字信道数据通信数据通信: 信号传输信号传输13移频移频,调制调制调制调制模拟数据模拟数据数字数据数字数据1010调制：调制：用用模拟信号模拟信号承载数字数据或模拟数据。承载数字数据或模拟数据。模拟信号模拟信号编码：编码：用用数字信号数字信号承载数字数据或模拟数

10、据。承载数字数据或模拟数据。模拟信号模拟信号PCM编码编码数字编码数字编码模拟数据模拟数据数字数据数字数据1010数字信号数字信号数字信号数字信号数据通信数据通信: 信号传输信号传输14调制与解调调制与解调编码编码解码解码数字信号数字信号发送方发送方接收方接收方调制调制解调解调数字数据数字数据模拟模拟数据数据模拟信号模拟信号发送方发送方接收方接收方编码与解码编码与解码数字数据数字数据模拟模拟数据数据数字数据数字数据模拟模拟数据数据载波载波数字数据数字数据模拟模拟数据数据数据通信数据通信: 信号传输信号传输15q三种常用的调制技术三种常用的调制技术（二元制调制）：（二元制调制）：v幅移键控幅移键

11、控 ASK ( Amplitude Shift Keying )v频移键控频移键控 FSK ( Frequency Shift Keying )v相移键控相移键控 PSK ( Phase Shift Keying )q基本原理：基本原理：用用数字信号数字信号对载波的不同参量进行调制，进行对载波的不同参量进行调制，进行波形变换波形变换 （频谱变换）。（频谱变换）。 载波载波 S(t) = Acos( t+ ) 调制调制就是使就是使A、 或或 随数字基带信号的变化而变化。随数字基带信号的变化而变化。 S(t)的参量包括：的参量包括： 幅度幅度A、频率、频率 、初相位、初相位 数据通信数据通信: 信

12、号调制（数字信号调制（数字模拟）模拟）16幅移键控幅移键控ASK：用载波的两个不同振幅表示用载波的两个不同振幅表示0和和1频移键控频移键控FSK：用载波的两个不同频率表示用载波的两个不同频率表示0和和1相移键控相移键控PSK：用载波的起始相位的变化表示用载波的起始相位的变化表示0和和1数据通信数据通信: 信号调制（数字信号调制（数字模拟）模拟）17q不归零码不归零码 ( NRZ，Non-Return to Zero ) 二进制数字二进制数字0、1分别用两种电平来表示：分别用两种电平来表示： 正电平正电平表示表示1，0电平电平表示表示0。 缺点：缺点：存在发送方和接收方的同步问题。存在发送方和接

13、收方的同步问题。 一般一般在计算机内部使用在计算机内部使用此编码方法，因为内部受统一的时钟信号控此编码方法，因为内部受统一的时钟信号控制；而在网络中连续发送制；而在网络中连续发送1或或0时，如双方时钟有误差产生错误。时，如双方时钟有误差产生错误。把把数字数据数字数据转换成某种转换成某种数字脉冲信号数字脉冲信号。常见有两类：常见有两类： 不归零编码不归零编码 曼彻斯特编码（差分曼彻斯特编码）曼彻斯特编码（差分曼彻斯特编码）数据通信：数据通信：信号编码（数字信号编码（数字数字）数字）18q曼彻斯特编码曼彻斯特编码 ( Manchester Code )v用电压的变化表示用电压的变化表示 0 和和

14、1。规定在规定在每个信号的中间每个信号的中间发生跳变：发生跳变：高高低低的跳变代表的跳变代表0，低低高高的跳变代表的跳变代表1；v每个信号中间的跳变在接收端可将其提取出来作为同步信号。每个信号中间的跳变在接收端可将其提取出来作为同步信号。 因此，这种因此，这种编码也称为编码也称为自同步码自同步码 (Self-Synchronizing Code)。 在网络中常用：在网络中常用：每个每个bit中间有跳变，等于信号携带了时钟。中间有跳变，等于信号携带了时钟。v缺点：缺点：需要双倍的传输带宽。需要双倍的传输带宽。 信号传输速率（波特率）是数据传输速率的信号传输速率（波特率）是数据传输速率的2倍。倍。

15、q差分曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码 ( Differential )v每个信号的中间每个信号的中间仍要发生跳变；仍要发生跳变；v用信号用信号开始处开始处有无跳变来表示有无跳变来表示0和和1；有跳变为；有跳变为0，无跳变为，无跳变为1。数据通信：数据通信：信号编码（数字信号编码（数字数字）数字）19三种数字编码的波形图三种数字编码的波形图 时钟时钟不归零码不归零码曼彻斯特编码曼彻斯特编码 差分差分曼彻斯特编码曼彻斯特编码数据通信：数据通信：信号编码（数字信号编码（数字数字）数字）20q语音信号要在数字线路上传输，必须将语音信号转换成数字信号。语音信号要在数字线路上传输，必须将语音信号转换成数字信

16、号。 现在的数字传输系统均采用现在的数字传输系统均采用脉码调制脉码调制 PCM (Pulse Code Modulation) 编码后的信号称为：编码后的信号称为：PCM信号信号q这需要经过三个步骤：这需要经过三个步骤：v采样：采样：按一定间隔对语音信号进行采样按一定间隔对语音信号进行采样v量化：量化：对每个样本舍入到量化级别上对每个样本舍入到量化级别上v编码：编码：对每个舍入后的样本进行编码对每个舍入后的样本进行编码q采样定理：采样定理：如果模拟信号的如果模拟信号的最高频率最高频率为为F，若以，若以2F的的采样频率采样频率对其采对其采样，则采样得到的离散信号序列就能完整地恢复出原始信号。样，

17、则采样得到的离散信号序列就能完整地恢复出原始信号。数据通信：数据通信：信号编码（模拟信号编码（模拟数字）数字）21PCM转换过程转换过程 语音信号语音信号011 100 011 011 100 011 011011 001 100 001 100 PCM 输出输出 PCM 脉冲脉冲 （有量化误差）（有量化误差） PAM脉冲脉冲数据通信：数据通信：信号编码（模拟信号编码（模拟数字）数字）22信道信道 (Channel)(Channel)：传送信号的线路传送信号的线路( (或通路或通路) )。传输介质与信道是不同范畴的概念；传输介质与信道是不同范畴的概念；传输介质传输介质是指传送信号的物理载体；是

18、指传送信号的物理载体；信道信道则提供了传输某种信号所需的带宽，着重体现介质的逻辑特性；则提供了传输某种信号所需的带宽，着重体现介质的逻辑特性；一条传输介质可能同时提供多个信道；一条传输介质可能同时提供多个信道；一个信道也可能由多个传输介质级联而成。一个信道也可能由多个传输介质级联而成。传输介质与信道的区别传输介质与信道的区别DEMUXMUX信信源源信信宿宿1条传输介质条传输介质 3个信道共享个信道共享数据通信数据通信: 信道信道23q波特波特率率(baud rate)(baud rate)和和比特比特率率(bit rate)(bit rate)是两个不同的概念是两个不同的概念 v波特波特率：率

19、：每秒传多少个码元，码元的传输速率。每秒传多少个码元，码元的传输速率。 它是它是信号变化的频率（信号变化的频率（物理介质上信号变化的最高频率物理介质上信号变化的最高频率 决定了每秒采样的次数，即多少时间收到一个信号。）决定了每秒采样的次数，即多少时间收到一个信号。）v比特率：比特率：每秒传多少个比特，每秒传多少个比特，数据传输速率数据传输速率 bps。如果信号分两级：如果信号分两级：1 个码元只携带个码元只携带 1 bit 的信息量，则的信息量，则波特率波特率 = 比特率比特率 则有：则有：0、1如果信号分八级：如果信号分八级：1 个码元携带个码元携带 3 bit 的信息量的信息量 则有：则有

20、：0、 1、 2、 3、 4、 5、 6、 7。 000 001 010 011 100 101 110 111 则一次信号变化可表示则一次信号变化可表示3bit 3 * 波特率波特率 = 比特率比特率如果信号分如果信号分V级：级： 比特率比特率 = log2V * 波特率波特率数据通信：数据通信：两个容易混淆的概念两个容易混淆的概念24波特率波特率 和和 比特率比特率，两者之间的差别在于每次采样的量化值。，两者之间的差别在于每次采样的量化值。V=2，波特率，波特率 = 比特率比特率V=4，2 波特率波特率 = 比特率比特率比特率比特率 = log2V * 波特率波特率数据通信数据通信: 两个

21、容易混淆的概念两个容易混淆的概念25单工（单工（Simplex）：）：信号单向传输。信号单向传输。 如：广播、电视。如：广播、电视。半双工（半双工（Half Duplex）：）：信号可以双向交替传输，但不能在同一时刻。信号可以双向交替传输，但不能在同一时刻。 如：对讲机。如：对讲机。全双工（全双工（Full Deplex）：）：信号可以双向同时传输，信号可以双向同时传输，需要两条信道需要两条信道。 如：电话。如：电话。SimplexHalf deplexFull deplex数据通信数据通信: 信道工作方式信道工作方式26模拟传输：模拟传输：以连续模拟信号形式传输数字数据或模拟数据。以连续模拟

22、信号形式传输数字数据或模拟数据。 不关心传输信号的内容不关心传输信号的内容，只关心怎么减少信号的衰减和失真；，只关心怎么减少信号的衰减和失真； 长距离传输时，采用长距离传输时，采用信号放大器信号放大器放大衰减的信号；放大衰减的信号； 信号放大器信号放大器其对信号进行简单的放大，但同时也放大了其对信号进行简单的放大，但同时也放大了叠加在叠加在 原始信号中的噪声，即放大了信号的失真。原始信号中的噪声，即放大了信号的失真。数字传输：数字传输：以数字脉冲形式传输数字数据或模拟数据。以数字脉冲形式传输数字数据或模拟数据。 关心传输信号的内容关心传输信号的内容； 长距离传输时，采用长距离传输时，采用转发器转发器； 转发器转发器收到信