计算机网络2-1课件

第2章物理层（1）1第2章物理层第2章物理层2.1数据通信的理论基础2.2

传输介质2.3无线传输2.4典型的物理层标准接口2.5数据传输技术2.6广域网数据交换技术2.7电话系统2.8窄带ISDN

2.9蜂窝无线通信2第2章物理层数据通信的基本概念数据通信系统分类数据传输类型与通信方式傅立叶分析波特率（baud）和比特率（bit）的关系信道的最大数据传输速率2.1数据通信的理论基础3第2章物理层一、数据通信的基本概念

数据通信：是指在不同计算机之间传送表示字母、数字、符号的二进制代码0、1比特序列的过程。2.1数据通信的理论基础4第2章物理层二、数据通信系统分类按照在传输介质上传输的信号类型分类：模拟通信系统：用幅度连续变化的电信号表示声音的强弱。传输模拟信号的通信线路叫模拟信道。数字通信系统：用两种不同电平表示0、1序列的电压脉冲信号。传输数字信号的通信线路叫数字信道。2.1数据通信的理论基础5第2章物理层ty

0ty

0(a)(b)图2.1模拟信号与数字信号波形2.1数据通信的理论基础6第2章物理层三、数据传输类型与通信方式串行通信：发送端接收端串行通信信道并行通信：发送端…接收端2.1数据通信的理论基础a.按字节使用的信道数：7第2章物理层图2-2串行和并行数据传输示意图2.1数据通信的理论基础8第2章物理层

b.按信号传送的方向与时间的关系单工通信：信号只向一个方向传输。类似广播。

半双工通信：信号可以双向传递，但必须是交替进行，一个时间只能向一个方向传送。类似对讲机。全双工通信：信号可以同时双向传送。类似电话。2.1数据通信的理论基础9第2章物理层发送发送单向通道发送接收双向通道接收发送发送接收接收发送双向通道图2-3单工、半双工和全双工通信示意图2.1数据通信的理论基础10第2章物理层c.同步技术（通信双方在时间基准上保持一致）

位同步：接收端根据发送端发送数据的起止时间和时钟频率来校正自己的时间基准与时钟频率。实现方法：外同步法、内同步法。外同步法：在发送端发送一路数据信号的同时，另外发送一路同步时钟信号，接收端根据接收到的同步时钟信号来校正时间基准与时钟频率，实现收发双方的位同步。内同步法：从自含时钟编码的发送数据中提取同步时钟的方法。2.1数据通信的理论基础11第2章物理层•字符同步：保证收发双方正确传输字符的过程。有起止式（异步式）、同步式。起止式：每个字符作为一个独立的整体进行发送，字符之间的时间间隔可以是任意的。在字符的前后分别加上“0”“1”。2.1数据通信的理论基础0101011001起始位字符编码奇偶校验终止位图2-4起止式示意图12第2章物理层SYNSYN 信 息

SYNSYN一个或多个字符图2-5同步式示意图2.1数据通信的理论基础同步式：将字符组织成组，以组为单位连续发送。每组字符前加上一个或多个用于同步控制的同步字符SYN。13第2章物理层四、傅立叶分析

任何一个周期为T的有理周期性函数g(t)可分解为若干项（可能无限多项）正弦和余弦函数之和：g(t)=c+ + f=1/T 基本频率(基频)

an n次谐波项的正弦振幅值bnn次谐波项的余弦振幅值2.1数据通信的理论基础14第2章物理层对于二进制编码０１１０００１０，其输出电压波形为：

g(t)=2.1数据通信的理论基础15第2章物理层

其傅立叶分析的系数为：

an=[cos(n/4)-cos(3n/4)+cos(6n/4)-cos(7n/4)] bn= [sin(3n/4)-sin(n/4)+sin(7n/4)-sin(6n/4)] c=3/8

信号在信道上传输时的特性：对不同傅立叶分量（不同频率信号）的衰减不同，因此引起输出失真；2.1数据通信的理论基础16第2章物理层图2-6(a)一个二进制信号和它的平方根傅立叶振幅(b)~(e)几个连续的接近于原始信号的谐波17第2章物理层结论：1、信道有截止频率fc；0~fc的振幅不衰减，fc以上的振幅衰减厉害，这主要由信道的物理特性决定，0~fc称为信道的有效带宽；2、通过信道的谐波次数越多，信号越逼真。反之，信道带宽越宽，信号失真越小。2.1数据通信的理论基础18第2章物理层五、波特率（baud）和比特率（bit）的关系：

码元：一个离散信号（电平）状态或信号事件。

比特：二进制位。波特率：信号每秒钟变化的次数，也称调制速率。即每秒钟传输码元数。（baud）比特率：每秒钟传送的二进制位数。(b/s,bps)波特率与比特率的关系取决于信号值与比特位的关系（v是电平的级数；b是单个码元代表的比特数）。比特率=波特率*log2v；比特率=波特率*b2.1数据通信的理论基础19第2章物理层例：每个信号值表示３位，则比特率是波特率的３倍；每个信号值表示１位，则比特率和波特率相同。111001000100111010010011102.1数据通信的理论基础20第2章物理层六、信道的最大数据传输速率

1924年，尼奎斯特（H.Nyquist）推导出无噪声有限带宽信道的最大数据传输率公式：

最大比特传输率=2Hlog2V(bps)最大码元传输率=2H(baud)

任意信号通过一个带宽为Ｈ的低通滤波器，则每秒采样２Ｈ次就能完整地重现该信号，信号电平分为Ｖ级。2.1数据通信的理论基础21第2章物理层

1948年，香农（C.Shannon）把尼奎斯特的工作扩大到信道受到随机（热）噪声干扰的情况。

热噪声出现的大小用信噪比（信号功率与噪声功率之比）来衡量。 Ｓ：信号功率， Ｎ：噪声功率

S/N--------信噪比

10log10S/N

单位：分贝（dB）2.1数据通信的理论基础22第2章物理层

香农的主要结论是： 带宽为H

赫兹，信噪比为S/N的任意信道的最大数据传输率为 最大数据传输率

=Hlog2(1+S/N)(bps)电话系统的典型信噪比为30db;此式是利用信息论得出的，具有普遍意义；与信号电平级数、采样速度无关；此式仅是上限，难以达到。2.1数据通信的理论基础23第2章物理层2.2

传输介质

双绞线同轴电缆光纤24第2章物理层

传输介质是网络中连接收发双方的物理通路。网络中常见的传输介质有：双绞线、同轴电缆、光纤、无线与卫星通信信道。一、双绞线

常用于电话系统。在局域网中，也可用来传输数字信号。特点：价格便宜，安装维护方便。2.2

传输介质25第2章物理层既可用于模拟传输，也可用于数据传输；带宽依赖于线的粗细和传输距离；3类线，4类线，5类线双绞线分为非屏蔽双绞线UTP(UnshieldedTwistedPair）和屏蔽双绞线。以太网中，常用第三、五类非屏蔽线。三类：带宽10MHZ语音及10Mbps以下五类：带宽100MHZ语音及100Mbps以下屏蔽双绞线：IBM80年代引入。2.2

传输介质26第2章物理层二、同轴电缆

特点：比双绞线的屏蔽性更好，其传输的有效距离更远。结构如下：铜芯隔离材料网状导体保护性塑料外层2.2

传输介质27第2章物理层分类：基带同轴电缆：一般用于局域网的数字传输。安装简单价格便宜，由于在传输过程中信号易发生畸变和衰减，所以传输距离近，一般在1km以内，最大距离限制在几公里范围内。宽带同轴电缆：用于模拟传输。即有线电视电缆。这里的“宽带”指比4kHz宽的频带。带宽为300~450MHz，可传输100km。宽带系统可以通过多路复用技术让电视和数据在一条电缆上混合传输。2.2

传输介质28第2章物理层三、光纤特点：低损耗、宽频带、高数据传输速率、低误码率、安全保密性好。外壳外套封套2.2

传输介质29第2章物理层我们常用的光纤传输介质有室外光缆和室内光纤之分。室外光缆：主要用于室外环境，可以架空或走地下管道。由于室外光缆所处环境比较恶劣，需要防水、防晒、防压、防化学侵蚀等，所以需要有很好保护，其结构如图所示。2.2

传输介质30第2章物理层室内光缆

室内光纤主要用于室内，单根光纤加上稍许保护材料。光波在纤芯上传播。纤芯是一种直径50到100微米的柔软的光导介质，成分主要是二氧化硅。在折射率较高的纤芯外面，由折射率较低的包层包裹着，以保证在界面上光波可以发生全反射。2.2

传输介质31第2章物理层光纤分类：单模光纤和多模光纤多模光纤：多条光波与光纤内芯成不同可分辨角度的传播。单模光纤：若光纤的直径被减小到一个光波波长大小的时候，光纤就如同一个波导，光在其中没有反射，而沿直线传播。模式（mode）：是一个与很多参数有关的量，可以简单地理解为偏振方向，单模光纤可以传输多种波长，但每个波长只能有一种模式。2.2

传输介质32第2章物理层利用光纤传输数据的基本过程：

在发送端用光源----发光二极管LED或注入型激光二极管将电信号转换为光信号，光信号通过光纤传输到接收端，在接收端使用光电二极管PIN检波器或APD检波器将光信号再还原为电信号。光纤可以采用环网接入LAN。接口分为无源接口和有源中继器。如下图所示：2.2

传输介质33第2章物理层2.2

传输介质34第2章物理层电磁波谱无线电传输微波通信激光红外线2.3无线传输35第2章物理层2.3无线传输一、电磁波谱

1862年，英国科学家麦克斯韦尔预言存在。并断言光波就是一种电磁波。1887年，德国物理学家赫兹首次发现。

c=f*其基本传播方式：

无线传播方式、有线传播方式。36第2章物理层各通信类型使用的电磁波谱范围2.3无线传输37第2章物理层普通双绞线传播低频与中频信号。同轴电缆传播低频到特高频信号。光纤传播可见光。二、无线电传输调幅无线电广播使用——中波MF。调频无线电广播使用——甚高频。调频电视广播使用———甚高频到特高频2.3无线传输38第2章物理层三、微波通信

在电磁波谱中，频率在100MHZ~10GHZ的信号叫做微波信号，对应的信号波长为3m~3cm.特点：无绕射功能，波长较短可用很小的发射功率来进行远距离通信。适用于卫星通信与城市建筑物之间的通信。2.3无线传输39第2章物理层四、激光

频率更高，带宽更宽，方向性更好，但不能穿透雨和浓雾，只适用于短距离通信。五、红外线

特性象可见光，有方向性，沿直线传播，不能穿透坚固的物体。多用于遥控装置。2.3无线传输40第2章物理层EIARS-232-CEIARS-449/422-A/423-ACCITTX.212.4典型的物理层标准接口41第2章物理层物理层标准：机械特性：接线器的形状、引脚数等；电气特性：信号电平（电流）的范围；功能特性：信号电平（电流）的含义；规程特性：信号的时序。2.4典型的物理层标准接口42第2章物理层一、EIARS-232-C

EIARS-232-C是由美国电子工业协会EIA制定的一种串行物理接口标准。它最初是为了连接DTE和DCE，即连接计算机主机或CRT终端和调制解调器而制定的，目前广泛应用于主机和CRT终端间的近地连接。还可用于计算机与打印机和CRT显示器的连接。其中，“RS”是推荐标准的缩写，“232”是标准号，“C”是版本号。

1960年美国电子工业协会EIA提出RS-232，1963年提出RS-232-A，1965年提出RS-232-B，1969年提出RS-232-C。2.4典型的物理层标准接口43第2章物理层DTEDTEDCEDCEEIARS-232-CEIARS-232-C电话网络在通信电路中使用的DTE和DCE2.4典型的物理层标准接口44第2章物理层45第2章物理层图RS-232C示意图2.4典型的物理层标准接口46第2章物理层47第2章物理层图3-1-7RS-232接口678948第2章物理层机械特性25芯或9芯连接器，DTE为插头，DCE为插座。电气特性采用非平衡型电气特性，低于-3V为“1”，高于+3V为“0”，最大20Kbps，最长30m。非平衡传输（unbalancedtransmission）：所有电路共享一个公用的地线。平衡传输（balancedtransmission）：每个主要电路需要两根线，没有公用的地线。2.4典型的物理层标准接口49第2章物理层功能特性定义了21条线，许多子集，基本与CCITTV.24兼容。规程特性对不同的功能子集，有不同的规程。RS-232-C有14种不同的接口类型，适合于：单工，半双工，全双工，同步，异步

RS-232-C的不足与改进不足传输性能低，距离短，速率低。改进重新设计，X.21；以RS-232-C为基础改进，1977年提出RS-449。2.4典型的物理层标准接口50第2章物理层2.4典型的物理层标准接口51第2章物理层二、EIARS-449/422-A/423-AEIARS-449

是为替代RS-232-C而提出的物理层标准接口。实际上是一体化的三个标准。它的机械、功能和过程性接口由RS-449定义，而电气接口由两个不同的标准定义。主要改进改善了性能，加长了接口电缆距离，加大了数据传输率；增加了新的接口功能，例如，回送检查；解决了机械接口问题。机械特性37芯或9芯连接器。2.4典型的物理层标准接口52第2章物理层电气特性与RS-232-C相连，采用非平衡型电气特性RS-423-A，20Kbps以下其他情况，采用平衡型电气特性RS-422-A

和RS-423-A，20Kbps~2Mbps功能特性定义了30条功能线。规程特性基本上以RS-232-C为基础。2.4典型的物理层标准接口53第2章物理层三、CCITTX.21X.21：在公共数据网PDN中进行同步操作的DTE/DCE之间的通用接口。1980年的X.21由两部分组成：“通用接口”：真正的物理层部分；用于电路交换网络的呼叫控制规程，用于DTE之间的连接，涉及到许多数据链路层和网络层的功能。机械特性15针连接器，ISO4903。2.4典型的物理层标准接口54第2章物理层电气特性采用非平衡型电气特性和平衡型电气特性。传输速率：600，2400，4800，9600，48000bpsDTE使用非平衡型电气特性和平衡型电气特性；DCE使用平衡型电气特性功能特性定义了8条功能线。规程特性分成四个工作阶段：空闲，呼叫控制，数据传送，清除2.4典型的物理层标准接口55第2章物理层USB接口：通用串行总线接口接口类型：4针、可支持127个装置

电气标准传输距离：≤5米最高传输频率：12Mbps 优点：周边设备连接标准化、单一化

支持热插拔缺点：支持的传输距离有限

应用例：调制解调器、打印机、扫描仪、相机

2.4典型的物理层标准接口四、USB接口56第2章物理层2.5数据传输技术数据编码技术多路复用技术脉冲编码调制57第2章物理层一、数据编码技术2.5数据传输技术模拟数据编码数据编码方式振幅键控ASK移频键控FSK移相键控PSK数字数据编码非归零码NRZ曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码58第2章物理层1.数字数据的模拟传输（频带传输）频带传输：指在一定频率范围内的线路上，进行载波传输。用基带信号对载波进行调制，使其变为适合于线路传送的信号。调制（Modulation）：用基带脉冲对载波信号的某些参量进行控制，使这些参量随基带脉冲变化。即把数字信号变换成模拟数据信号的过程。解调（Demodulation）：调制的反变换。

2.5数据传输技术59第2章物理层调制解调器MODEM（modulation-demodulation)根据载波Asin(t+)的三个特性：幅度、频率、相位，产生常用的三种调制技术：振幅键控法Amplitude-shiftkeying(ASK)移频键控法Frequency-shiftkeying(FSK)移相键控法Phase-shiftkeying(PSK)三种或两种方式的组合2.5数据传输技术60第2章物理层振幅键控ASK通过改变载波信号振幅来表示数字信号1、0

0数字0u(t)=um*sin(1t+)数字1此方法实现容易，技术简单，但抗干扰能力差。ASK

010010102.5数据传输技术61第2章物理层移频键控PSK通过改变载波信号角频率来表示数字信号0、1

umsin(1t+)数字1u(t)=umsin(2t+)数字0实现容易，技术简单，抗干扰能力强。2.5数据传输技术62第2章物理层移相键控PSK（绝对调相）通过改变载波信号的相位值来表示数字信号0、1

umsin(1t+0）=0

表示数字1u(t)=umsin(2t+）=

表示数字0实现容易，技术简单，抗干扰能力强。2.5数据传输技术63第2章物理层（相对调相）用载波在两位数字信号的交接处产生的相对偏移来表示载波所表示的数字信号。抗干扰能力强，但实现技术较复杂。（多相调制）例：两位二进制位可以有4种组合，即00、01、10、11，可用4个不同的相位值表示。00：0=0；01：1=/2；10：2=；11：3=3/2；2.5数据传输技术64第2