南京大学计算机网络课件021

1、第2讲 网络的物理层2.1 物理层的基本概念1一.物理层的作用和目的物理层设计时主要考虑的是如何在连接开放系统的传输介质上传输各种数据的比特流；计算机网络可以利用的物理传输介质与传输设备存在着很大的差异，设计物理层的主要目的是向数据链路层屏蔽通信技术的差异性。2二.物理层的主要任务机械特性电气特性功能特性规程特性3串行传输并行传输串行传输与并行传输42.2 数据通信的基础知识52.2.1 数据通信系统的模型源点传输系统发送器接收器终点输入信息输入数据发送的信号接收的信号输出数据输出信息传输系统源系统目的系统公用电话网正文正文PC机调制解调器调制解调器PC机数字比特流数字比特流模拟信号模拟信号6

2、计算机通信术语数据(Data)：传递(携带)信息的实体。信息(Information)：是数据的内容或解释。信号(Signal)：数据的物理量编码(通常为电编码)，数据以信号的形式传播。信道(Channel)：传送信息的线路(或通路)比特(bit)：信息量的单位，比特率为每秒传输的二进制位个数。码元(Code Cell)：时间轴上的一个信号编码单元 7模拟信号和数字信号模拟信号：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ta) 模拟信号tb) 数字信号8数据与信号的对应情况 一般说来，模拟数据和数字数据都可以转换为模拟信号或数字信号。因此有四

3、种情况：（1）模拟数据、模拟信号。（2）模拟数据、数字信号。（3）数字数据、模拟信号。（4）数字数据、数字信号。9模拟数据数字信号PCM编码器模拟数据模拟信号放大器调制器数字数据模拟信号调制器数字数据数字信号数字发送器102.2.2 信道的几个基本概念一.通信方式 从通信的双方信息交互的方式来看，可以有以下三种基本方式。（1）单向通信：又称为单工通信（2）双向交替通信：又称为半双工通信（3）双向同时通信：又称为全双工通信11三种通信方式示意12二. 基带信号与宽带信号1.基带信号（baseband） 基带传输是指在通信电缆上原封不动地传输由计算机或数据通信终端产生的0或1数字脉冲信号。直接使用

4、数字信号传输数据时，数字信号几乎要占用整个频带。频带越宽，传输线路的电容电感等对传输信号波形衰减的影响越大。 基带传输的距离一般不超过2km，超过时需通过称为中继器的设备对信号进行放大，以延长传输距离。 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(LAN)使用基带传输，如以太网、令牌环网。13二. 基带信号与宽带信号2.宽带信号（broadband） 宽带传输是指传输介质在信息传输时能够支持较宽的频带，一般在300MHz400MHz左右。 系统设计时将此频带分割成若干个子频带，通过使用多路复用方法，在一个信道中可以同时传播声音、图像和数据多种信息，使系统具有多种用途。

5、142.2.3 信道上的最高码元传输速率信道越长，信号受到的衰减就越大，因此码元传输速率的上限值就越低。15信道质量对数字信号的影响16一.最高码元传输速率具有理想低通信道=2W BaudW为理想低通信道的带宽，单位赫(Hz)每赫带宽的最高码元传输速率是每秒2个例如：3kHz的理想低通信道，理论上最高码元传输速率为6000 Baud17一.最高码元传输速率具有理想带通矩形特性的信道=1W BaudW为理想低通信道的带宽，单位赫(Hz)每赫带宽的最高码元传输速率是每秒1个18二.弄清Baud和bit的概念波特是码元传输的速率单位，比特是信息量的单位波特和比特是有联系的，取决于每个码元所携带的信息

6、量19按Nyquist公式得到的理想信道的最大信息传输速率低通信道：C = 2W log2 M带通矩形信道：C = W log2 MC = 数据传输率，单位bit/s W = 带宽，单位HzM = 信号编码级数20Nyquist公式为估算已知带宽信道的最高数据传输速率提供了依据例如，话音级线路的带宽为3100Hz，根据公式计算的信道最大数据率如下表所示M 最大数据率 (C) 2 6200 bps 4 12400 bps 8 18600 bps16 24800 bps32 31000 bps21实际的信道上存在损耗、延迟、噪声损耗：引起信号强度减弱，导致信噪比S/N降低。延迟：使接收端的信号产生

7、畸变。噪声：会破坏信号，产生误码。持续时间0.01s的干扰会破坏约560个比特(56Kbit/s)222.2.4 有限带宽高斯噪声干扰信道极限信息传输速率 著名的香农公式：C = W log2(1+S/N) bit/s (3-3)W为信道的带宽(以Hz为单位)；S为信道内所传信号的平均功率；N为信道内部的高斯噪声功率。 从中看出，信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高。23Nyquist公式和Shannon公式的比较C = 2W log2M数据传输率C随信号编码级数增加而增加。C = W log2(1+S/N)无论采样频率多高，信号编码分多少级，此公式给出了信道能达到的最高

8、传输速率。原因：噪声的存在将使编码级数不可能无限增加。24奈氏准则与香农公式的作用范围输入信息输入数据发送的信号接收的信号输出数据输出信息源点传输系统发送器接收器终点传输系统源系统目的系统码元传输速率受奈氏准则的限制信息传输速率受香农公式的限制25提高信息传输速率的方法增大带宽多元制提高信道中的信噪比26例题：设某一信道带宽为2kHz， 信噪比30dB，求有噪声信道的数据最大传输速率。注：信噪比往往用分贝(dB)表示，采用对数计算是由于人耳的响度特性具有对数特征；分贝值为10*Log10 (S/N)，S和N均为功率。27例题答案：求S/N=103=1000C=W Log2(1+S/N)=2*L

9、og21001 Kb/s =20 Kb/s282.3 物理层下面的传输媒体29双绞线电话业务同轴电缆AM 无线电FM 无线电和 TV地面微波接力 光纤卫星102 Hz1031041051061071081091010101110121013101410151016无线电红外线紫外线可见光微波几种媒体的传输频带302.3.1 导向传输媒体双绞线同轴电缆光缆31一.双绞线内导体芯线绝缘内屏蔽外屏蔽外套-螺旋绞合的双导线，1mm-每根4对、25对、1800对-典型连接距离100m（LAN）-RJ45插座、插头-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

10、扰性一般 连接距离短32屏蔽双绞线 (STP) 非屏蔽双绞线 (UTP)以铝箔屏蔽以减少 干扰和串音双绞线外无任何屏蔽层常用的双绞线为3类(16Mbit/s) 和5类(155Mbit/s)两种33双绞线接法介绍平常接法：双绞线两端的RJ-45头按下列颜色顺序接铜导线：白橙/橙/白绿/蓝/白蓝/绿/白棕/棕；两台计算机互联的双绞线接法：一端按白橙/橙/白绿/蓝/白蓝/绿/白棕/棕的顺序接，另一端按白绿/绿/白橙/蓝/白蓝/橙/白棕/棕顺序接，即第1条与第3条跳线，第2条与第6条跳线。34二.同轴电缆基带：一条电缆只用于一个信道，50，用于数字传输；宽带：一条电缆同时传输不同频率的多路模拟信号，7

11、5，用于模拟传输，300450MHz，100km，需要放大器。铜芯绝缘层外导体屏蔽层保护套35细同轴D=1.02cm，10Mbit/s每段185m、4中继、5段（925m）优缺点：价格低安装方便（T型连接器、BNC接头、Terminator）抗干扰能力较强可靠性差粗同轴D=2.54cm，10Mbit/s每段500m、4中继、5段（2500m）优缺点：价格稍高安装方便（收发器、收发器电缆、Terminator）抗干扰能力强连接距离中等可靠性好 363738三.光缆依靠光波承载信息高传送速率，通信容量大传输损耗小，适合长距离传输抗干扰性能好，保密性好轻便39 多模 输入电信号输出电信号单模 波长:

12、 1300,1550 nmh1h2波长 : 850,1300 nmh2h1芯/封套特性光纤的直径减小到一个光波波长光纤传送模式40玻璃封套塑料外套玻璃内芯单芯光缆多芯光缆玻璃内芯塑料外套玻璃封套外壳典型的光缆41芯封套外套加强芯光纤外鞘加强芯光纤束剖面结构42光纤连网示意图43光信号检测器前置放大器均衡器后置放大器滤波判决电路时钟恢复数据光接收器442.3.2 非导向传输媒体红外线和毫米波光波传输无线电地面微波接力卫星地球同步卫星45红外线和毫米波用于短距离通信，如电视、录象机等的遥控，也可用于无线LAN。缺点：距离短，不能穿透固体。46光波传输应用：在屋顶用激光连接两个建筑物的LAN缺点：不能穿透雨和浓雾，易受天气影响47固定终端点（基站）和终端之间是无线链路BS基站 用户计算机和终端BS基站覆盖的无线电区域F2F3F1F2F3F1F2F3F1F2F2F3F1F1, F2, F3 = 使用的频率无线电48两个地面站之间传送距离：50 -100 km地球地