计算机网络技术(施晓秋编)教案：物理层

教学目标数据通信的根底学问传输介质物理层的网络互连设备物理接口重点和难点信息/数据/信号模拟通信和数字通信〕基带传输/数字数据编码〔NRZ，曼彻斯特编码，差分曼彻斯特编码〕频带传输/模拟数据编码〔调制，解调，幅移键控，频移键控，相移键控〕信道带宽/数据传输速率单工通信、半双工通信、全双工通信串行通信/并行通信数据通信根底一、根本概念1、信息、数据和信号信息：不同形式表达的学问，通信的目的是交换信息数据：信息的载体，可以是数字、文字、声音、图形与图象等形式。在计算机中，以二进制代码表示。同学们所生疏的数据编码系统有EBCDICASCII码信号：数据在传输过程中的电磁波表示形式中的电磁波表示形式〔ASCII还是EBDIC来表达字母和数字，承受GIF或BMP表达图像等〕或数据形式；而数据通信系统则关注如何将表示数据的二进制比特序列转换成适合于通信系统传送的信号表示以及如何传输信号。例子：信息：NETWORK〔用ASCII码表示〕1001110100010110101001010111100111110100101001011信号：用脉冲信号表示的方波图2、模拟信号和数字信号模拟信号：连续变化---是关于时间的连续函数数字信号：离散的脉冲信号，关于时间的非连续函数3、通信系统计算机 通信信道 计算机发送信号 信道带宽 接收信号介质与信道通信处理设备的物理介质。包括无线与有线两大类。信设备。同一传输介质上可供给多条信道，一条信道允许一路信号通过。信道的类型模拟信道与数字信道按相应的数据在传输过程中承受的信号方式划分。信道与无线信道按信道所基于实现的传输介质划分。数字通信系统计算机编计算机编/解码器数字信道编/解码器计算机发送数字信号模拟通信系统

信道带宽 接收数字信号计算机 D/A转换模拟信道计算机D/A转换模拟信道A/D转换计算机发送模拟信号 信道带宽 接收模拟信号问题一：数据如何用电信号表示？基带传输与数字数据编码频带传输与模拟数据编码VocabularyandTerm模拟通信和数字通信〔信道、介质〕基带传输/数字数据编码〔NRZ，曼彻斯特编码，差分曼彻斯特编码〕频带传输/模拟数据编码〔调制，解调，幅移键控，频移键控，相移键控〕基带传输基带信号：矩形脉冲信号是二进制比特的典型表达方式，按傅利叶分析，其由直流、低频带，简称基带。基频等于脉冲信号的固有频率。与基带对应的数字信号称为基带信号。基带传输：在数字信道上直接传送数据的基带信号特点：抗噪声力量强，本钱低，传输速率高信号衰减严峻，只能利用有线介质近距离传输基带信号频带宽，传输时要占用整个传输介质的带宽一、数字数据编码数字数据编码的任务是如何将二进制比特转换成适合在数字信道上传送的数字信号：不归零〔NRZ，Non-ReturntoZero〕编码Manchester编码Manchester编码A、NRZ编码：传送同步信号。B、Manchester编码规章：将每比特周期TT/2T/2T/2传送该比特的反码，后T/2传送该比特的原码。特点：任何两次电平跳变的时间间隔是T/2或T，提取电平跳变信号可作为收发双方的同步信号，不需要另外的同步信号。即“自含时钟编码C、差分Manchester编码规章：对Manchester编码的改进,保存每比特中间的跳变作同步之用；每比特的值则依据0”特点：电路简单，抗干扰力量强。例如：见P363-4二、目前常用的数字编码Manchester andNRZ编码在基于铜缆的网络中较为普遍 arepopularon copper-basednetworks.Manchesterand4B/5B8B/10B编码则在基于光纤的网络中被广泛使用频带传输信道，传输二进制数据的方法称为频带传输。关键技术问题：如何将计算机中的数字信号转化为适合模拟信道传输的模拟信号。解决方案将要传送的数字数据“寄载”在载波上，利用数字数据对载波的某些特性〔振幅、频率、相位〕进展掌握，使载波特性发生了变化，然后将变化了的载波送往线路进展传输调制与解调调制：在数据发送端，将数字数据寄载在载波上的过程称为调制〔modulation〕称为解调demodulatio。三种根本调制方法依据调制过程中所承受的载波的特性不同，分为三种根本调制方法：y=Asin(ωt+φ)幅移键控ASK,Amplitude-ShiftKeyin信号“0”与“1”幅移键控FSK,Frequency-ShiftKeyin“0”与“1”相移键控PSK,Phase-ShiftKeyin：通过转变载波信号的相位值表示二进制信号“0”和“1相对调相；按对一个完整周期的相位的划分方式分为二相制、四相制、八相制等。三种调制方式的比较幅移键控：技术简洁，抗干扰力量差频移键控：技术简洁，抗干扰力量强相移键控：技术较简单，抗干扰力量强，编码效率高目前在网络中广为使用的调制方式为三种根本方式的变种。2：信号如何传输？1、对信道的要求2、串行通信与并行通信3、单工通信、半双工通信、全双工通信4、多路复用技术5、异步通信与同步通信VocabularyandTerm信道带宽/数据传输速率单工通信、半双工通信、全双工通信串行通信/并行通信频分多路复用/时分多路复用/波分多路复用同步传输和异步传输数据通信的理论根底—Fourier分析任何正常的周期函数，都可以由无限个正弦和余弦函数合成,这些函数为基频的n次谐波(n=1,2,…∞)1、信号传送与信道带宽信道带宽：信道中信号的频谱范围信道带宽与信号传送：信道的带宽至少要能保证基频信号〔基次谐波〕的通过；而且信真就越小。2、信道带宽与数据传输速率bps〔bitpersecond〕由脉冲信号的Fourier分析可知：脉冲越窄，数据传输速率越高，但为了使信号不失真通过通信信道所需要的信道带宽越高。就是提高数据传输速率。3、两个定理NyquistNyquist定理给出了有限带宽的无噪声信道的最大数据传输速率：最大数据传输速率=2Hlog2V(b/s)其中，H为信道带宽，V表示被传信号的电平级数。例如：一个无噪声的带宽为3KHZ的信道假设用于传送二进制数〔V=6000bps.Shannon定理给出了有限带宽的噪声信道的最大数据传输速率：最大数据传输速率=Hlog2(1+S/N)其中，H为信道带宽，S/N为信道的信噪比。30db、带宽为3KHZ的信道假设用于传送数据，则不管使用多少级的信3000log2(1+1000)bps.〔分贝数=10×log10〔S/N〕4、通信方式单工通信：数据传送只能在一个固定的方向上进展，任何时候都不能转变方向。例子：播送、电视半双工通信：信号可以双向进展，但不行同时进展，一个时间只能有一个方向的传送例子：对讲机、计算机—终端双工通信：信号可以同时进展双向发送例子：计算机—计算机串行通信：数据流以串行方式在一条信道上传输。存在字符同步问题例子：线路传送数据信号字符，所以不存在字符同步问题。例子：计算机中的总线串行通信与并行通信的比较在一样的发送时钟下，并行通信的数据传输速率将大于串行通信。并行通信需要多个并行信道，实现昂贵。〔如计算机中而在远程通信中一般承受串行通信方式串/并与并/串转换当计算机通过串行信道相互通信时，在发送方要进展并/串转换，而在接收端要进展串/并转换多多路路多多路路复高速通信线路复用用计算机并/串转换串行信道串/并转换计算机并行传输 串行传输 并行传输5、多路复用技术多路复用：在一条物理线路上建立多条通信信道的技术信线路的传输容量，提高传输介质的利用率常用多路复用技术：频分多路复用〔FrequencyDivisionMultiplexing〕时分多路复用〔TimeDivisionMultiplexing〕波分多路复用〔Wave-lengthDivisionMultiplexing〕多路复用系统的构造A、频分多路复用〔FDM〕多路信号分别调制到各个信道中，在线路上同时进展传输用途：主要用于传送模拟信号。频带传输因此也被称为宽带传输。例如：在公用网络上，1260-108KHZ12-60KHZ的频带上。例如：见书P463.16B、时分多路复用〔TDM〕〔timeslo信号传输信号用，多路信号按时间片轮番使用通信线路的全部带宽。用途：既可用于传输数字信号，也可用于传输模拟信号。举例：T1载波(Carrier)或E1载波(Carrier)。例如：见书P473.17时分多路复用例如—T1Bell公司制订利用TDM和PCM24路语音信号在一条通信线路上的复用标准。〔PCM〕进展数字化。PCM的编码解码器每秒采8000125μs24TDM1帧信号，即每个语音信道依次在其使用的时间片内8比特〔7位数据，1位掌握1位帧标识位来标识PCM8000T18000125μs产193〔8*24+1〕比特的帧每信道的数据传输速率：8000*7=56KbpsT1的总数据传输速率可以到达:24*8000*7=1.544Mbps信道1信道2信道3信道4信道1信道2信道3信道4……信道24……第1位为帧标识码每信道每样本7个数据位第8位为信号位B1、脉冲编码调制〔PCM〕PCM(PulsecodeModulation)：将模拟信号转换成数字信号的一种根本方法典型应用：语音数字化工作原理：采样---量化---编码〔三部曲〕语音数字化的例如模拟信源 PCM编/解码器

数字信道 PCM编/解码器

模拟信宿模拟信号 数字信号 模拟信号PCM的采样模拟信号数字化的第一步按肯定的时间间隔，将模拟信号的电平幅度取出来作为样本，让其表示原始信号。以重构原模拟信号的全部信息〔fs≥2fo〕PCM的量化模拟信号数字化的其次步--将采样样本按量化级进展离散化的过程。通过将采样所得样本与预先规定的量化级进展比较，进展取整定级。量化级的多少取决于量化的精度。级数越高，量化精度越高，但所需的编码位数相应越多。PCM的编码模拟信号数字化的第三步。用相应位数的二进制代码表示采样样本的量化级。量化级数越多，所需的编码位数相应志越多。e.g.：8级—3位，16级—4位T1〔128级〕--7位C、统计时分多路复用〔STDM〕内相应的信道无信号发送或信号提前发送完毕，则后续的信道可提前使用自己的时间片。用途：解决带宽的铺张问题，提高信道带宽的利用率举例：ATM〔异步传输模式〕D、波分多路复用光纤上进展信道复用的技术一根光纤的带宽可达25000GHZ，而通常一路光信号的带宽只有几GHZ频分多路复用技术的变种不同频率或波长的光在经过一样的光折射介质后或波长有关例如见书P483.196、同步技术方在时间基准上保持全都。来校正自己的时间基准和重复频率的过程，常用的同步方法：位同步、字符同步A、位同步：使接收端接收的每一位都和发送端发送端发送的每一位保持准确的同步。位同步的类型：NRZ编码所承受的方法。内同步：从自含时钟编码的发送数据中提取同步时钟的方法。如Manchester编码和差分Manchester编码。B、字符同步：以字符或字符组为单位所承受的同步技术。类型：起止式或异步式同步式7、异步传输每个字符作为一个独立的整体进展传送，字符之间的时间间隔是任意的。11、1.5或2位的终止位。8、同步传输将字符以成组的形式连续传送，取消了每个字的同步位，而在每组字符前〔和后〕加上同步标志。依据该标志来实现比特同步和确定字符的起始。类型：面对字符的同步〔标志承受同步字符〕面对位的同步〔标志承受同步位串〕9、同步传输和异步传输的比较A、异步传输：开销大，效率低；掌握简洁，假设传输有错，只需重传出错的字符。B、同步传输序列时，需供给解决方案〔如转义字符，位填充技术；一次传输出错，需重传整个数据块。适用于高速传输。三、传输介质信处理设备的物理介质。类型：有线介质和无线介质性能指标：物理特性、传输特性、地理范围、抗干扰性、价格〔包括安装与维护费用〕1(UTPUnshieldedTwistedPair)22或的铜缆组成。每两条线互绞成一对。阻抗:100ohms.外径:.43cm信号的最大传输距离：100M传输速率:10M-1000Mbps易于安装，价格低廉基于铜介质供给了最快的数据传输速率。信号衰减大，抗干扰和噪声差。问题：双绞线为什么要绞在一起2、屏蔽双绞线(STP)与无屏蔽双绞线有较多的一样点。阻抗：150Ohm集成了屏蔽与抵消技术，抗干扰性强。价格较无屏蔽双绞线高，安装也较无屏蔽双绞线简单。3、同轴电缆按传输特性分为两大类：基带同轴电缆和宽带同轴电缆阻抗：基带同轴电缆50Ohm / 宽带同轴电缆75Ohm基带同轴电缆又分为粗缆和细缆粗缆传输距离500m / 细缆传输距离185m具有较高的噪声抑制特性，抗干扰力量强。价格居中，安装难度居中。目前已不再推举使用4、光纤较低的包裹层。直径：μm数量级不受外界电磁波和噪声的干扰，传输质量高;安全性与保密性好数据传输速率高达Gbps数量级类型：单模〔注入式激光二极管ILED/3km〕与多模光纤〔发光二极管/2km〕5、无线传输无线传输的信号可以是电磁波的任意形式：无线电波，微波，红外线等不存在有形的物理介质常见形式：无线通信 微波通信 红外通信用途:移动通信无线局域网(WLANs) theIEEE802.11standards.6、传输介质的选择传输介质的选择要考虑多种技术和非技术的因素：网络技术〔拓朴构造/连接方式〕网络的通信流量〔传输容量〕牢靠性和安全性地理和环境因素〔介质形式和传输距离〕价格〔建设与维护本钱〕四、信号在介质中传输存在的问题信号在介质中传输会不行避开地存在噪声。噪声与信号的叠加会引起数据传输的错误信道中噪声的大小由信噪比S/N来度量，提高介质性能的一个主要目标是提高其信噪比。噪声的类型热噪声：介质中的电子热运动引起，时刻存在，幅度较小，强度与频率无关，但频谱较宽。具有随机性。冲击噪声：外界电磁干扰引起，幅度较大，呈突发性。近端串扰：可通过绞线或良好的端接来解决接地噪声：非良好接地引发的沟通噪声。〔在在线或无线介质中均存在〕五、标准与标准组织1、标准是指或官方指定的一系列规章或规程，其通常代表着广泛使用的优秀模型或规格。:IEEE-InstituteofElectricalandElectronicsEngineersUL-UnderwritersLaboratoriesEIA-ElectronicIndustriesAllianceTIA-TelecommunicationsIndustryAssociation2、TIA/EIA标准TIA/EIA是最具影响力的关于网络传输介质的标准：TIA/EIA-568 TIA/EIA-569 TIA/EIA-570TIA/EIA-606 TIA/EIA-607给出了构造化布线六大子系统的描述:-水平布线〔horizontal