年计算机网络考研辅导讲座物理层.ppt
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1、第二讲 物理层 第二讲:物理层 2011年考研大纲考查范围: 知识点归纳 (一)通信基础 1)信号传输速率 - 单位时间内通过信道传输的码元数,单位波特(Baud)。 计算公式: B = 1/T (Baud) 式中 T为信号码元的周期时间,单位为秒 信号传输速率,也称码元速率、调制速率或波特率。 2) 数据传输速率 - 每秒传输二进制信息的位数,单位为位/秒,bps或b/s 计算公式: S = (1/T) * log2N (bps) 式中 T为码元的重复周期,单位为秒; N为可用的不同码元个数, 一个码元中所含二进制信息位数为 log2N位。 若N=2,S=1/T,此时数据传输速率等于码元信号
2、传输速率。 关系: S = B * log2N (bps) 或 B = S / log2N (Baud) 3) 数据在网络中经历的总时延 = 发送时延 + 传播时延 + 处理时延 + 排队 时延 4) 信道容量 - 表示一个信道的最大数据传输速率,单位:位/秒(bps) 信道容量与数据传输速率的区别是,前者表示信道的最大数据传输 速率,是信道传输数据能力的极限,而后者是实际的数据传输速率。像 公路上的最大限速与汽车实际速度的关系一样。 5) 无噪信道容量 理想低通无噪信道的码元速率极限值B与信道带宽H的关系: B = 2 * H (Baud) 奈奎斯特(Nyquist)准则 计算理想低通无噪信
3、道传输能力的准则: C = 2 * H * log2N (bps) 式中 H为理想低通无噪信道的带宽,单位为Hz; N为可用的不同码元个数。 知识点归纳 知识点归纳 6) 带噪信道容量 -实际信道上都是有噪声的 香农定理 计算带噪信道容量的定理:C = H * log2 (1+S/N) (bps) 式中 H为信道的带宽, S为信号功率, N为噪声功率, S/N为信噪比,信噪比可表示成10 * lg(S/N) 分贝 (dB)。 例 设有噪电话信道带宽4KHz,信噪比30dB, 试用香农定理计算该有噪信道容量。 解 信噪比 = 30dB,即 10 * log10(S/N) = 30, S/N =
4、1000 代入香农定理,得有噪电话信道容量: C = H * log2 (1+S/N) = 4K * log2 1001 40K (bps) 知识点归纳 信源 信宿 7) 信源、信宿,数据通信系统的一般结构(DTE、DCE和信道) 知识点归纳 8)数据传输的几种方式,编码与调制: 模拟数据 模拟信号 放大器 调制器 模拟数据 数字信号 PCM 编码器 数字数据 模拟信号调制器 数字数据 数字信号 数字 发送器 PCM(脉冲编码调制)、采样、量化、编码(采样定理及其计算 ) AM(ASK), FM(FSK),PM(PSK), QAM 曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码 , NRZ,RZ 知识点归纳
5、单工通信:信息固定地从一端(发送端)传输到另一端,如计算机和输出设备间。 半双工通信:信息可以在两个相反方向上传输,但不能同时进行,某一时刻只能 进行一个方向的传输,要转换到另一个方向传输,需要进行线换向。 全双工通信:能同时在两个相反方向上传输信息。 基带传输:按照原始信号的固有频带传输。 频带传输(宽带传输):用基带数据信号对某个频率的载波进行调制,将其变换 成适合于在某个频段上传输的模拟信号。 调幅,幅移键控ASK(Amplitude Shift Keying): 用载波的不同振幅来表示不同 的二进制值,如用载波的有无分别表示“1”和“0”。 调频,频移键控FSK(Frequency S
6、hift Keying): 用载波频率附近的两个不同频 率来表示两个二进制值。 调相,相移键控PSK(Phase Shift Keying): 用载波的相位移动来表示数据。在 下图中,信号相位与前面信号串同相的信号表示“0”,信号相位与前面信号串反相的 信号表示“1”,这是相对相移键控。也可用载波初相为表示“1”,初相0表示“0”,这 是绝对相移键控。 QAM (正交幅度调制) :使用振幅和相位组合进行调制。 知识点归纳 曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码 , 非归零制NRZ,归零制RZ 11111000 t 位值 t t t 单极型NRZ 单极型RZ 双极型NRZ 双极型RZ NRZ编码 的缺点
7、是从信号中不能 提取时钟 信号。双极型RZ编码 的优 点是中间跳变可用于提取同步时钟 , 另外可有效抑制直流分量。 曼彻斯特编码 和差分曼彻 斯特编码 ,都可以被用来从中 间电 平跳变中提取同步时钟 信 号,这两种编码 方式常用于局 域网中,曼彻斯特编码 用于以 太网,差分曼彻斯特编码 用于 令牌环网中。 9) 多路复用技术及其分类(FDM、TDM、WDM、CDMA): 多路复用技术就是把许多路信号在一个信道上同时传输的技术。频分多路复 用FDM和时分多路复用TDM是两种最常用的多路复用技术。 1. 频分多路复用( FDM)技术 在物理信道的可用带宽超过单路原始信号所需带宽情况下,可将该物理信
8、道 的总带宽分割成若干个与传输单路信号带宽相同(或略宽)的子信道,每个子信道 传输一路信号。在频分复用前,先要通过频谱搬移技术将各路信号的频谱搬移 到物理信道频谱的不同频段上,使各信号的带宽不相互重叠。 频分多路复用 FDM 常用于多路模拟信号的复用。 2. 时分多路复用 (TDM)技术 若媒体能达到的位传输速率超过传输数据所需的数据传输速率,可采用时分 多路复用 TDM技术,即将一条物理信道按时间分成若干个时间片轮流地分配给 多路信号使用。每一时间片由复用的一路信号占用,这样,利用每路信号在时 间上的交叉,就可以在一条物理信道上传输多路数字信号。 时分多路复用 TDM常用于多路数字信号的复用
9、。 时分多路复用可分为同步TDM和统计(异步)TDM。 知识点归纳 3. 波分多路复用 (WDM) 是光的频分复用。不同的信源使用不同波长的光波来传输数据,各路光波 经过一个棱镜(或衍射光栅)合成一个光束在光纤干道上传输,在接收端利用相同 的设备将各路光波分开。这样复用后,可以使光纤的传输能力成几倍几十倍的提高 。 4. 码分多路复用 (CDM,码分多址CDMA) 每个比特时间分成m位的码片,每站分配一个唯一的m位码片序列。当某 个站发 送 “1” 时,在信道中发送它的码片序列,当发送“0”时,发送它的码片序列的 反码。 CDMA接收时,接收站从空中收到多站发送信号后的线性叠加码片序列的 和。
10、将和与某一发送站码片序列进行归一化内积运算,则可恢复出该站发送的数据 。 需满足条件:各站使用的不同码片序列应互相正交。 由于发送时原始数字信号的频率被扩展,这种通信方式又叫做扩频通信。 10) 物理层时分多路复用帧的几个例子(注意:这里的时分多路复用“帧”不是数据链路层 的帧) * E1帧:(8 位/路 * (30 路话音 + 2 路信令及同步)/帧* 8000 帧/秒 = 2.048 Mbps T1帧:(8 位/路 * 24 路话音+1位帧同步)/帧 * 8000 帧/秒 = 1.544 Mbps SONET OC-1帧:(9*87路话音+ 9* 3字节开销) *8位/字节)/帧* 800
11、0 帧/秒= 51.84 Mbps 知识点归纳 知识点归纳 二次群和高次群:E1*4=E2, E2*4=E3, E3*4=E4, E4*4=E5 T1*4=T2, T2*7=T3, T3*6=T4 (OC -1/STS-1)*3= (OC-3/STS-3) =(STM-1) (OC-12/STS-12)=STM-4 (OC-48/STS-48)=STM-16 11) 电路交换、报文交换、分组交换 电路交换的工作原理: 1.电路交换的三个过程 1) 电路建立:在传输任何数据之前,要先经过呼叫过程建立一条端到端的电路。 2) 数据传输:电路建立以后,数据就可以从一端发送到另一端。在整个数据传 输过
12、程中,所建立的电路必须始终保持连接状态。 3) 电路拆除:数据传输结束后,由某一方发出拆除请求,然后逐节拆除到对方 的电路连接。 2.电路交换技术的优缺点及其特点 1) 优点:数据传输可靠、迅速,数据不会丢失且保持原来的序列。 2) 缺点:在某些情况下,电路空闲时的信道容易被浪费:在短时间数据传输时, 电路建立和拆除所用的时间得不偿失。因此,它适用于系统间要求高 质量的大量数据传输的情况。 3) 特点:在数据传送开始之前必须先设置一条专用的通路。在线路释放之前, 该通路由一对用户完全占用。对于猝发式的通信,电路交换效率不高。 知识点归纳 报文交换的工作原理: 交换数据具有随机性和突发性时,报文
13、交换不会浪费信道容量和有效时间 。 1. 报文交换原理 报文交换方式的数据传输单位是报文,报文就是站点一次性要发送的 数据块,其长度不限且可变。当一个站要发送报文时,它将一个目的地址附加 到报文上,网络节点根据报文上的目的地址信息,把报文发送到下一个节点, ,按此法,一直逐个节点地转送到目的节点。 每个节点在收到整个报文并检查无误后,就暂存这个报文,然后利用 路由信息找出下一个节点的地址,再把整个报文传送给下一个节点。因此,端 与端之间无需先通过呼叫建立连接。 一个报文在每个节点的延迟时间,等于接收报文所需的时间加上向下 一个节点转发所需的排队延迟时间之和。 2. 报文交换的特点 1) 报文从
14、源传到目的采用“存储-转发”方式,传送时,一个时刻仅占用一 段 通道。 2) 在交换节点中需缓冲存储,报文需要排队,故报文交换不能满足实时通信 的要求。 知识点归纳 3. 报文交换的优点 1) 电路利用率高。由于许多报文可以分时共享两个节点之间的通道,所以对于同 样的通信量来说,对电路的传输能力要求较低。 2) 在电路交换网络上,当通信量变得很大很大时,就不能接受新的呼叫。而在 报 文交换网络上,通信量大时仍然可以接收报文,不过传送延迟会增加。 3) 报文交换系统可以把一个报文发送到多个目的地,而电路交换网络很难做到 这 一点。 4) 报文交换网络可以进行速度和代码的转换。 4. 报文交换的缺
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