数据通信与网络技术4

1、第2章 物理层的基本概念数据通信系统物理层的概念传输介质复用技术数据通信与计算机网络数据通信系统2.2 数据通信系统的模型*数据通信系统模型：(P37)任何一个通信系统(如模拟电话、数字电话)都可以用该模型来抽象描述。该模型包含了许多基本概念和基本知识，也涉及大量复杂的通信技术。输出数据发送信号接收信号源点发送器信道接收器终点输入数据噪声源输入信息输出信息源系统目的系统传输系统(1)(2)(3)2.2 数据通信系统的模型 (续1)几个术语数据(data) 运送信息的实体；数据通信系统中，数据通常是广义地指声音、图形/图象、文本等在网络中存储、处理和传输的二进制数字信息。信号(signal) 数

2、据的电气的或电磁的表现，是携带数据的传输介质 ； “模拟的”(analogous) 连续变化的；“数字的”(digital) 取值是离散数值；调制 把数字信号转换为模拟信号的过程；解调 把模拟信号转换为数字信号的过程。2.2 数据通信系统的模型 (续2)源系统：源点- 源点设备产生要传输的数据，也称为源站；发送器- 通常源点生成的数据要通过发送器编码后才能在传送系统中传输。目的系统：接收器- 接收传输系统传来的信号，并转换为能被目的设备处理的信息；终点- 从接收器获取传来的数字比特流，然后输出信息。也称为目的站。传输系统：可以是简单的传输线，也可以是复杂的网络系统，如公用电话网(有许多交换设备

3、)等。模拟通信、数字通信和数据通信模拟通信系统模型*模拟通信：以模拟信号为传输对象的传输方式称为模拟传输，而以模拟信号来传输信息的通信方式称为模拟通信。模拟通信系统模型调制信号信号解调源点调制器信道解调器终点噪声源源系统目的系统传输系统(1)(2)(3)模拟信号模拟信号模拟通信、数字通信和数据通信(续1) 模拟通信系统模型*说明：图中调制器和解调器分别起发送机和接收机的作用，实质是一种信号变换器，对信号进行变换，以适应传输信道的特性；经调制后的信号仍是连续信号，解调器对调制信号进行反变换，恢复成调制前的信号形状；特点：传输介质中传输信号的频带比较窄，故信道的利用率高；但抗干扰能力弱、保密性差、

4、设备不易大规模集成和不适应计算机通信飞速发展的需要等。模拟通信、数字通信和数据通信(续2) 数字通信系统模型*数字通信：以数字信号为传输对象的传输方式称为数字传输，而以数字信号来传输信息的通信方式称为数字通信。若源点输出的是模拟信号，可以通过取样、量化和编码等数字化处理后，以数字信号形式进行传输；数字通信系统模型：源点调制器信道解调器噪声源源系统目的系统传输系统(1)(2)(3)信源编码器信道编码器终点信源译码器信道译码器模拟通信、数字通信和数据通信(续3) 数字通信系统模型*信源编码器-把模拟信号进行数字化处理，转变成数字信号，还具有提高数字信号传输有效性的作用；如果源点输出满足要求的数字信

5、号，则可省略；信道编码器-将数字信号按一定的规则加入冗余码，以便在接收端发现或纠正错码，从而提高通信的可靠性；调制器和解调器-仅对采用模拟传输的数字通信系统才需要，作用与模拟通信系统中的类似；信道译码器-发现和纠正信号传输过程中引入的差错，消除信道编码器所加入的冗余码；信源译码器-把数字信号还原为模拟信号。特点：抗干扰性强、保密性好，设备易于集成化和便于使用计算机技术处理；但所占信道频带比模拟通信宽得多，故降低了信道的利用率。模拟通信、数字通信和数据通信(续4) 数据通信*数据通信：指由源点产生的数据，不管通过模拟传输还是数字传输的信道，都按一定的通信协议形成数据流传输到终点的过程。从某种意义

6、上讲，数据通信可看作数字通信的特例，并具有数字通信的一切优点；数据通信主要是“人-机”通信或“机-机”通信，以数据传输为基础，包括数据传输、数据交换及传输前后的数据处理过程；数据通信离不开计算机，故通常将数据通信和计算机通信混着使用。早期的数据通信与现代在计算机通信有区别。但随着技术的进步，数据通信的含义也在发生变化。数据通信研究的内容数据通信的任务包括计算机或数据终端之间数据的存储、处理、传输和交换等，通常从系统各组成部分功能的角度，其研究内容可划分为3个基本方面：传输-解决如何为数据提供传输通道，研究适合传输的电信号形式，以及构成传输介质和用来控制电信号的各种传输设备；通信接口-解决怎样把

7、发送端的信号变换为适合于传输的电信号，或把传输到接收端的电信号转换为终端设备可接收的形式；通信处理-是数据通信中最复杂的部分，其基本功能可分为以下3类：数据通信研究的内容(续)编辑：包括差错控制、格式处理和编辑3个基本功能。这些功能涉及到数据处理前后对数据的安排和监控，以便进行有效的处理；转换：包括速度转换和代码转换。前者是为补偿发送端与接收端之间两者速度上的差异，后者是将发送端采用的代码转换为接收端采用的代码，起“翻译”作用；控制：包括网络控制、查询和路由选择。这类功能涉及在发送端和接收端之间选择一条有效而经济的路径，控制报文有序且安全地由发送端传送到接收端；查询是对数据终端进行询问的功能，

8、查询既可以顺序进行，也可以按数据终端优先级的高低进行，甚至中断正常的查询顺序进行应急处理。课堂思考P622-032-04物理层概述 物理层的作用 物理层的任务物理层的服务AB物理层的作用*1000011000011、数据转化为信号2、信号的传输3、信号转化为数据物理层的任务*物理层主要任务：从四个方面对物理设备和媒体之间的接口进行定义。机械特性：指明接口部件的形状和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等；电气特性：指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围等；功能特性：指明某条信号线（数据线、控制线、定时线等）上出现的某一电平的电压表示何种意义；规程特性：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序

9、。物理层的服务*物理层服务：建立、维持和释放物理连接，并在物理连接上透明传输比特流。 物理连接：由物理层提供的、在该层用户之间建立起来的一种临时的联系。 透明传输：上层看不见传输方式和过程。物理层标准举例重点：通过具体的标准理解物理层规程的含义；DTE 通过 DCE 与通信传输线路相连DTEDCEDCE串行比特传输信号线与控制线用户设施DTE信号线与控制线用户设施EIA-232/ V.24接口EIA-232/ V.24接口物理层标准举例EIA-232标准：是DTE和DCE之间的接口标准机械特性：使用25引脚的DB-25插头座，即ISO 2110关于插座的标准。物理层标准举例为节省空间并且实现具

10、有双向握手功能的双向通信，用DB9连接器作为RS232C的物理连接器。发送数据接收数据请求发送允许发送DCE 就绪信号地载波检测DTE 就绪振铃指示(2)(3)(4)(5)(6)(7)(8)(20)(22)(3)(2)(5)(1)(4)(9)(7)(8)(6)DB-25连接器DB-9连接器物理层标准举例电气特性： 输出阻抗 小于 300 欧 输入阻抗 3 7 欧 -5v -15v 表示 1 +5v +15v 表示 0 连接线缆=15m时，最大数据传输率为19.2kb/s；101100011信号 -5v-15v信号 -5v-15v数据DTEDCEDCE信号线与控制线用户设施DTE信号线与控制线用

11、户设施011000011000物理层标准举例物理层标准举例EIA-232/V.24的信号定义，其余引脚保留未用(1) 保护地(2) 发送数据(3) 接收数据(4) 请求发送(5) 允许发送(6) DCE 就绪(7) 信号地(8) 载波检测(20) DTE 就绪(22) 振铃指示DTEDCE计算机或终端调制解调器功能特性：地(信号地、保护地)、数据(发送、接收)、控制(RTS、CTS、DCR、DTR等)、定时(发送定时、接收定时)物理层标准举例规程特性： 规定了在DTE和DCE之间所发生事件的合法顺序。便于接口的输入输出。端口地址输入/输出名称-用途0 x3f8*Out写发送保持寄存器。含有将要

12、发送的字符。0 x3f8*In读接收缓冲寄存器。含有将要接收的字符。0 x3f8*Out/in读写波特率因子（LSB）- 低字节0 x3f9*Out/in读写波特率因子（MSB）- 高字节0 x3f9*Out/in读写中断允许寄存器。位1-发送空中断，位0-数据到达中断。0 x3faIn读中断识别寄存器。位12-10-数据到达，位12-01-数据发送。0 x3fbOut写线路控制寄存器。232传输方式。位7-1-DLAB0 x3fcOut写modem控制寄存器。位3-1-允许中断。0 x3fdIn读线路状态寄存器。错误识别。0 x3feIn读modem状态寄存器。了解modem的状态变化。物理

13、层标准举例有些场合需要两台PC直接连接(NULL MODEM)，此时需要一根特制的电缆。双方都是可随时发送和随时接收的DTE。插头插头插座插座计算机虚调制解调器计算机(1)保护地(2)发送(3)接收(4)请求发送(5)允许发送(6)DCE 就绪(7)信号地(8)载波检测(20)DTE 就绪(22)振铃指示(1)保护地(2)发送(3)接收(4)请求发送(5)允许发送(6)DCE 就绪(7)信号地(8)载波检测(20)DTE 就绪(22)振铃指示物理层标准举例RS-449标准：解决RS-232具有的两个最大缺点；由3个标准组成RS-449：规定机械、功能和过程特性，采用37引脚；RS-423-A：

14、规定采用非平衡传输时的电气特性；线缆长10m时，数据传输率可达300kb/s；RS-422-A：规定采用平衡传输时的电气特性；数据传输率可达2Mb/s ，线缆长度可超过60m；电缆长度更短时(如10m)，传输速率还可更高(如10Mb/s)。现在广泛采用平衡传输。RS-232通常用于标准电话线的物理层接口；RS-449则用于宽带电路，速率一般在48168kb/s，是点到点的同步传输。实验1 串口通信将计算机上的串口（9针的EIA-232接口）的收发端口短接，编写程序，实现自发自收。实验课时检查程序和运行结果！课堂思考P622-05通信介质 - 传输媒体物理层-通信介质双绞线屏蔽双绞线 STP (

15、Shielded Twisted Pair)无屏蔽双绞线 UTP (Unshielded Twisted Pair) 同轴电缆50 同轴电缆基带同轴电缆75 同轴电缆宽带同轴电缆光缆-通信应用极为广泛，如市话中继、干线通信电视传输、专用系统通信等领域，特别适合远距离干线通信。由两条导线按一定扭距相互绞合（可减少相邻导线的电磁干扰）在一起的类似于电话线的传输媒体，每根线加绝缘层并有颜色来标记。双绞线(twisted-pair)双绞线有两种类型： 1）非屏蔽双绞线UTP 2）屏蔽双绞线STP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非屏蔽双绞线 UTP屏蔽双绞线 STP双绞线(twist

16、ed-pair)LAN上常用UTP，3类传10M-100m (10BASE-T) ，5类传10M/100M-100m(100BASE-T)（其中10指最高速率为10M，T表示双绞线）RJ-45接头，8芯，1/2、3/6为数据收发，4/5为电话，7/8为电源568A：绿白、绿、橙白、蓝、蓝白、橙、棕白、棕标准568B：橙白、橙、绿白、蓝、蓝白、绿、棕白、棕 双绞线的制作10M双绞线：两端按一样的顺序制作即可。100M双绞线分两类：正线（标准568B）：两端都按568B的线序。反线（568A）：一端为568B的线序，另一端为568A的线序。 具体如下：PC-PC：反线PC-Hub：正线Hub-Hu

17、b、 Switch-Switch相连时：普通口 - 普通口：反线级连口 - 级连口：反线普通口 - 级连口：正线Hub(级联口) - Switch(普通口)：正线Switch(级联口) Router：正线Router - Router ：反线 同轴电缆：可分为两类：宽带同轴电缆（75欧，粗缆）和基带同轴电缆（50欧，细缆）。同轴电缆在实际应用中很广，比如有线电视网CATV，就是使用同轴电缆。外导体屏蔽层绝缘层绝缘保护套层内导体同轴电缆同轴电缆折射角入射角 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） 包层纤芯光线在光纤中的折射光纤光纤的工作原理-光线在纤芯中传输的方式

18、是不断地全反射高折射率(纤芯)低折射率(包层)光纤多模光纤与单模光纤输入脉冲输出脉冲单模光纤输入脉冲输出脉冲多模光纤光纤同轴电缆、双绞线、光缆的性能比较 传输媒介 价格 电磁干扰 频带宽度 单段最大长度 UTP 最便宜 高 低 100 米 STP 一般 低 中 等 100 米 同轴电缆 一般 低 高 185米/500米 光 缆 最高 没 有 极 高 几十公里 非导向传输媒体以自由空间为传输电磁波的手段，常称为无线传输，所用的工作频段很广(如图2-所示)。目前，可用于通信的频段是：无线电波、微波、红外线及可见光几个频段；短波通信主要是靠电离层的反射，但短波信道的通信质量较差。微波在空间主要是直线

19、传播。 地面微波接力通信卫星通信 2.3.2 非导向传输媒体两个地面站之间传送距离：50 -100 km地球地面站之间的直视线路 微波传送塔地面微波接力通信使用微波使用转发器接收和转发地球地面站C波段 4/6 GHz 上行 5.925 - 6.425 GHz 下行 3.7 - 4.2 GHz KU波段 11/14 GHz 上行 14 - 14.5 GHz 下行 11.7 - 12.2 GHzKa波段 20/30GHz 上行 27.5-30.5 下行 17.7-21.7卫星通信地球同步卫星与地面站相对位置固定使用3个卫星覆盖全球约36000公里地球信道复用技术 信道复用技术信道复用技术：是一种将

20、若干彼此无关的信号合并成一路复合信号，并在一条公共的信道上传输，到达接收端后再进行分离的技术；包括信号复合、传输和分离等3方面的内容。频分复用、时分复用和统计时分复用 频分复用：所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源。时分复用：所有用户在不同的时间占用同样的频带宽度。信道复用技术(续1)按频率划分不同的子信道供用户同时使用频率时间频率 1频率 2频率 3频率 4频率 5频分复用信道复用技术(续2)时分复用注意：每个时分复用用户在每个TDM帧中占用固定序号的时隙。故可能会造成线路资源的浪费。时间BBBBCCCCDDDDAAAA在 TDM 帧中的位置不变TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧TD

21、M 帧在 TDM 帧中的位置不变在 TDM 帧中的位置不变在 TDM 帧中的位置不变信道复用技术(续3)统计时分复用(STDM)：原理：STDM帧不固定分配时隙，而是按需要动态地分配时隙。即输出线路上，某个用户所占用的时隙并不是周期性地出现。与TDM相比，必须在时隙中包括用户地址信息。信道复用技术(续4)统计时分复用用户ABCDattttt3 个 STDM 帧a#1babacbbc#2cdcd#3统计时分复用taABCDABCD信道复用技术(续5)波分复用 WDM：就是光的频分复用。 1550 nm 0 1551 nm 1 1552 nm 2 1553 nm 3 1554 nm 4 1555

22、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 8 2.5 Gb/s1310 nm20 Gb/s复用器分用器EDFA120 km光调制器光解调器信道复用技术*(续6)码分复用 CDMA常用的名词是码分多址 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。 每一个比特时间划分为 m 个

23、短的间隔，称为码片(chip)。信道复用技术*(续7)码片序列(chip sequence)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。发送比特 1 时，就发送序列 00011011，发送比特 0 时，就发送序列 11100100。S 站的码片序列：(1 1 1 +1 +1 1 +1 +1)信道复用技术*(续8)CDMA 的重要特点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)。在实用的系统中是使用伪随

24、机码序列。码片序列的正交关系令向量 S 表示站 S 的码片向量，令 T 表示其他任何站的码片向量。 两个不同站的码片序列正交，就是向量 S 和T 的规格化内积(inner product)都是 0： (2-4)信道复用技术*(续9)码片序列的正交关系举例令向量 S 为(1 1 1 +1 +1 1 +1 +1)，向量 T 为(1 1 +1 1 +1 +1 +1 1)。 把向量 S 和 T 的各分量值代入(2-4)式就可看出这两个码片序列是正交的。正交关系的另一个重要特性任一个码片向量和该码片向量自己的规格化内积都是1 。一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是 1。信道复用技术*(续10)

25、CDMA 的工作原理S 站的码片序列 Sttttttm 个码片tS 站发送的信号 SxT 站发送的信号 Tx总的发送信号 Sx + Tx规格化内积 S Sx规格化内积 S Tx数据码元比特发送端接收端如果T站要接收S站发送的数据，T必须要知道S站的码序列S，用S与接收到的信号I(各站码序列之和)求内积，结果就是其它站信号都被过滤掉，余下的就是S站发送的信号。若内积+1，说明S站发送的是比特1；内积-1，说明S站发送的是比特0，否则就是什么也没发送。接收方的工作原理 课堂练习1A：00011011，B：00101110，C：01000010，若A站发1，B站发0，C站不发，则各站收到的芯片序列是

26、什么？ （0 0 -2 +2 0 -2 0 +2）课堂练习2共4站进行CDMA通信，码序列分别为A（-1-1-1+1+1-1+1+1）B（-1-1+1-1+1+1+1-1）C（-1+1-1+1+1+1-1-1）D（-1+1-1-1-1-1+1-1）现收到（ -1+1-3+1-1-3+1+1 ），问哪个站发数据了，发的什么？A1B0D1各种复用方法的比较FDM各路占用的频带不同，每路占用时间是相同的。TDM各路占用的时间不同，每路占用的频带是相同的。CDMA各路占用的码形不同，每路占用的时间和频带是相同的。时间频率FDM时间频率TDM时间码形CDMA频率课堂思考P622-132-15作业P622

27、-16数据传输方式(自学) 基带传输基带信号：直接用两种不同的电压来表示数字信号1和0，因此我们将对应矩形电脉冲信号的固有频率称为“基带”，相应的信号称为基带信号。基带传输：指通过有线信道直接传输基带信号。应用：一般用于传输距离较近的数字通信系统，如基带局域网系统 。常用的基带传输码：1、双极性不归零码；2、单极性不归零码；3、双极性归零码；4、单极性归零码；5、曼彻撕特码。 频带传输频带传输：当数字信号要进行较长距离的传送时，就要采用载波传送的方式了。使用区别：数字信号的载波传送与基带传送的主要区别就是增加了调制与解调。模拟传输与数字传输调制解调器的速率目前调制解调器的信息传输速率已很接近于

28、香农的信道容量极限了。 要提高信息传输速率，只能设法提高信噪比。 在电话的用户线上，最大的噪声来自模拟到数字的模数转换所带来的量化噪声。数据通信可分为同步通信和异步通信两大类：同步通信-要求接收端时钟频率和发送端时钟频率一致。发送端发送连续的比特流。异步通信-不要求接收端时钟和发送端时钟同步。发送端发送完一个字节后，可经过任意长的时间间隔再发送下一个字节。调制解调器使用异步通信方式异步通信的通信开销较大，但接收端可使用廉价的、具有一般精度的时钟来进行数据通信。2.5 模拟传输与数字传输)数字传输系统-现在的数字传输系统均采用脉码调制 PCM (Pulse Code Modulation)体制。

29、 采样周期 Tt信号t采样1001001111000010t编码t解码t还原知识卡A：USB 接口USB (Universal Serial Bus)接口不是一种新的总线标准，而是应用在PC领域的接口技术。由COMPAQ、IBM、Inter、Microsoft、NEC等厂商共同制定的一种通用的外部设备总线规范，目前是2.0标准。用一个4针插头作为标准插头，采用菊花链形式可以把所有的外设连接起来，最多可以连接127个外部设备，并且不会损失带宽。需要主机硬件、操作系统和外设都支持才能工作。具有传输速度快(1.1是12Mbps，2.0是480Mbps)、使用方便、支持热插拔、连接灵活、独立供电等优点。可连接鼠标、键盘、打印机、扫描仪、摄像头、闪存盘、MP3机、手机、数码相机、移动硬盘、外置光软驱、网卡、ADSL Modem、Cable Modem等，几乎所有的外部设备。知识卡A： USB 接口(续1)USB可以分为五部分：控制器：接收和执行由系统向USB发出的各种命令。 控制器驱动程序：向控制器发送各种命令和向系统回馈信息。USB芯片驱动程序：使操作系统能够对USB进行支持。USB设备：各种与PC的USB接口相连的设备。USB设备驱动程序：使操作系统驱动USB设备的程序。USB共有四种传输方式： 等时传输：可用于对时间非常敏感的需要连续