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1、第6章 物理层,6.1 物理层的基本概念 6.2 数据通信的基本知识 6.3 数据的编码与调制 6.4 传输介质 6.5 宽带接入技术,6.1物理层的基本概念,物理层是OSI参考模型的最低层,它向下直接与传输媒体相连,向上与数据链路层相邻并为其提供服务。 物理层的主要功能是为数据链路层提供物理连接,在传输介质上实现比特流的透明传输。也就是说,物理层的任务是将代表数据链路层帧的二进制数字编码成信号,并通过连接网络设备的物理介质(铜缆、光缆和无线介质)发送和接收这些信号。 物理层的协议定义了物理层与物理传输媒体之间的接口,主要包括四个特性:机械特性、 电气特性 、 功能特性 、规程特性。,6.2数
2、据通信的基本知识,6.2.1信息、数据与信号 信息是人对现实世界事物存在方式或运动状态的某种认识,也是人们通过通信系统传递的内容。信息的载体可以是数字、文字、语音、图形、图像和动画等。 在网络中传输的二进制代码被称为数据,因此可以认为数据是信息的载体,是信息的表现形式,而信息是数据的具体含义。 数据的形式有两种:模拟数据和数字数据。,3. 信号是数据在传输过程中的电信号表示形式。信号可以分为数字信号和模拟信号两种类型。 (1)模拟信号是指在时间和幅度上连续变化的信号。 (2)数字信号是指在时间和幅度上都用离散数字表示的信号。,图6.2 模拟信号和数字信号,6.2.2 信道,信道是指传输信号的通
3、路,由传输介质和相关设备组成。常用的信道分类方法有两种。 1有线信道与无线信道 有线信道:有线信道使用的传输介质是有线介质,比如电话线、双绞线、同轴电缆、光缆和电力线等。 无线信道:无线信道使用的传输介质是电磁波,比如无线电、微波、红外线和卫星通信信道等。,2模拟信道和数字信道 模拟信道。能传输模拟信号的信道称之为模拟信道,如电话线。模拟信道常用带宽来描述。 数字信道。能传输离散数字信号的信道称为数字信道,如基带同轴电缆。数字信道常用数据传输速率来描述。,6.2.3 数据通信系统的基本结构,按照在传输介质上传输的信号类型,可以将数据通信系统分为模拟通信系统和数字通信系统两种。 1模拟通信系统
4、普通的电话、广播、模拟电视等都属于模拟通信系统。,模拟通信系统的结构模型,2数字通信系统 计算机通信、数字电话、数字电视等都属于数字通信系统。,数字通信系统的结构模型,6.2.4 数据通信的技术指标,1信息传输速率Rb 信息传输速率Rb是指单位时间内传输的二进制位的个数,单位为比特/秒(bit/s)。信息传输速率描述了数据通信系统的传输能力,又称为比特率。 2误比特率Pe 误比特率是衡量数据通信系统传输质量的重要指标。,3信道带宽和信道容量 信道带宽(W)是指信道中传输的信号在不失真的情况下所占用的频率范围,通常称为信道的通频带,单位用赫兹(Hz)表示。信道带宽是由信道的物理特性所决定的。 信
5、道容量(C)是指单位时间内信道上所能传输的最大比特数,用比特率(bit/s)表示。 信道容量和信道带宽具有正比的关系,带宽越大,容量越高,所以要提高信号的传输速率,信道就要有足够的带宽。,6.2.5 数据的通信方式,1.并/串行通信 并行通信是指数据以成组的方式在多个并行信道上同时进行传输。 特点:速度快,常用于计算机内部总线以及并行口通信。使用线路多,费用高,仅适合于近距离和高速率的通信。,并行通信,串行通信是指数据以串行方式在一条信道上传输。 特点:收、发双方只 需要一条传输信道,易 于实现,成本低,但速 度比较低。主要用于 计算机的串行口及远距 离通信。,串行通信,2单工、半双工和全双工
6、通信 按照信号传送方向与时间的关系,信道的通信方式可以分为单工、半双工和全双工三种。 (1)单工通信 单工通信是指信号只能沿一个方向传输,发送方只能发送不能接收,而接收方只能接收而不能发送,任何时候都不能改变信号传送方向。例如,无线电广播和有线电视都属于单工通信方式。,单工通信,(2)半双工通信 半双工通信是指信号可以沿两个方向传送,但同一时刻一个信道只允许单方向传送,即两个方向的传输只能交替进行。当改变传输方向时,要通过开关装置进行切换。例如,对讲机系统和无线电收发报机系统都属于半双工通信方式。,半双工通信,(3)全双工通信 全双工通信是指信号可以同时沿相反的两个方向进行双向传输。两台计算机
7、之间的通信就是一个全双工的通信过程。,全双工通信,3信号的传输方式 (1)基带传输 在计算机通信中,表示二进制比特序列的数字信号是典型的矩形脉冲信号。矩形脉冲信号的固有频带被称为基带,而矩形脉冲信号被称为基带信号。也就是说,基带信号是将计算机发送的数字信号“0”或“1”用两种不同的电压表示后,直接送到通信线路上传输的信号。基带传输就是在数字信道上直接传输基带信号的方法。 (2)频带传输 频带信号是基带信号经过调制后形成的频分复用模拟信号。所谓频带传输,是指在模拟信道上传输数字信号的方法。采用频带传输方式时,发送端和接收端都要安装调制解调器。,4同步和异步传输 (1)异步方式 异步传输方式一般以
8、字符为单位传输,每传送一个字符(7或8位)都要在前面加1个起始位,极性为“0”,表示字符代码的开始;在后面加12个停止位,极性为“1”,表示字符代码的结束。接收方根据起始位和停止位来判断一个字符的开始和结束,从而使通信双方实现同步。 异步方式的实现比较容易,但每传输一个字符都需要多使用23位,所以适合于低速通信。,(2)同步方式 通常,同步传输方式的信息格式是一组字符或若干个二进制位组成的数据块(帧)。在发送一个数据块之前,先发送一个同步字符SYN(以01101000表示)或一个同步字节(以01111110表示),用于接收方进行同步检测,从而使收发双方进入同步状态。在同步字符或字节之后,可以连
9、续发送任意多个字符,发送数据完毕后,再使用同步字符或字节来标识整个发送过程的结束,如图所示。,6.2.6 信道复用技术,多路复用技术:利用一个物理信道同时传输多个信号。,目前主要有以下3种信道复用方式: 频分复用(Frequency Division Multiplexing,FDM) 时分复用(Time Division Multiplexing,TDM) 波分复用(Wavelength Division Multiplexing,WDM),1频分多路复用(FDM) 频分多路复用技术利用频率分割的方式来实现多路复用。,频分多路复用的原理图,2时分多路复用(TDM) 时分多路复用技术是以信号传
10、输的时间作为分割对象,将传输时间分为若干个时间片(Slot time,又称为时隙),给每个用户分配一个或几个时间片,使不同信号在不同时间段内传送。 根据信道动态利用的情况,时分多路复用分为同步时分复用(Synchronous Time Division Multiplexing,STDM)和异步时分复用(Asynchronous Time Division Multiplexing,ATDM)两种类型。,(1)同步时分复用,同步时分多路复用的原理图,(2) 异步时分复用,异步时分多路复用的原理图,3波分多路复用(WDM),波分多路复用,6.3 数据的编码与调制,为了正确地传输数据,必须对原始数
11、据进行相应的编码或调制,将原始数据变成与信道传输特性相匹配的数字信号或模拟信号后,才能送入信道传输。,6.3.1 数字数据的数字信号编码 在数字基带传输中,最常见的数据信号编码方式有不归零码、曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码3种。 1不归零码(NRZ,NonReturn to Zero) NRZ码可以用低电平表示逻辑“0”,用高电平表示逻辑“1”。并且在发送NRZ码的同时,必须传送一个同步信号,以保持收发双方的时钟同步。,2曼彻斯特编码(Manchester) 曼彻斯特编码的特点是每一位二进制信号的中间都有跳变,若从低电平跳变到高电平,就表示数字信号“1”;若从高电平跳变到低电平,就表示数字信号
12、“0”。曼彻斯特编码的原则是:将每个比特的周期T分为前T/2和后T/2,前T/2取反码,后T/2取原码。 3差分曼彻斯特编码(Difference Manchester) 差分曼彻斯特编码是对曼彻斯特编码的改进,其特点是每比特的值要根据其开始边界是否发生电平跳变来决定,若一个比特开始处出现跳变则表示“0”,不出现跳变则表示“1”,每一位二进制信号中间的跳变仅用作同步信号。,数字数据011101001的3种编码方式,它的编码波形如图所示。,数字数据信号的编码方法,6.3.2 数字数据的模拟信号调制 典型的模拟通信信道是电话通信信道。它是当前世界上覆盖面最广、应用最普遍的通信信道之一。传统的电话通
13、信信道是为传输语音信号设计的,用于传输音频3003400Hz的模拟信号,不能直接传输数字数据。为了利用模拟语音通信的电话交换网实现计算机的数字数据的传输,必须首先将数字信号转换成模拟信号,也就是要对数字数据进行调制。,在调制过程中,首先要选择一个频率为f的正(余)弦信号作为载波,该正(余)弦信号可以用Asin(2ft)表示,其中A代表波形的幅度,f代表波形的频率,代表波形的初始相位。通过改变载波的这三个参数,就可以表示数字数据“0”或“1”,实现调制的过程。 数字数据调制的基本方法有:幅移键控(ASK)、频移键控(FSK)和相移键控(PSK)三种。,1幅移键控(ASK,Amplitude Sh
14、ift Keying) ASK是通过改变载波信号的幅度值来表示数字数据“1”和“0”的,用载波幅度A1表示数据 “1”,用载波幅度A2表示数据“0”(通常A1取1,A2取0),而载波信号的参数f和恒定。 2频移键控(FSK,Frequency Shift Keying) FSK是通过改变载波信号频率的方法来表示数字数据“1”和“0”的,用频率f1表示数据“1”,用频率f2表示数据“0”,而载波信号的参数A和不变。,3相移键控(PSK,Phase Shift Keying) PSK是通过改变载波信号的初始相位值来表示数字数据“1”和“0”的,而载波信号的参数A和f不变。PSK包括绝对调相和相对调
15、相两种类型: (1)绝对调相 绝对调相使用相位的绝对值,为0表示数据“1”,为表示数据“0”。 (2)相对调相 相对调相使用相位的偏移值,当数字数据为“0”时,相位不变化,而数字数据为“1”时,相位要偏移。,下图显示了对数字数据“010110”进行不同调制方法的波形。,6.3.3模拟数据的数字信号编码,脉冲编码调制(Pulse Code Modulation,PCM)是将模拟数据数字化的主要方法,它在发送端把连续输入的模拟数据变换为在时域和振幅上都离散的量,然后将其转化为代码形式传输。 脉冲编码调制一般通过抽样、量化和编码3个步骤将连续的模拟数据转换为数字信号。,脉冲编码调制的过程,6.3.4
16、 模拟数据的模拟信号调制,在模拟数据通信系统中,信源产生的电信号具有比较低的频率,不宜直接在信道中传输,需要对信号进行调制,将信号搬移到适合信道传输的频率范围内,接收端将接收的已调信号再搬回到原来信号的频率范围内,恢复成原来的消息,比如无线电广播。 模拟数据的模拟调制技术主要包括调幅AM、调频FM和调相PM三类。,6.4传输介质,传输介质也称为传输媒体,是数据传输的物理基础。 传输介质的特性对数据传输质量的好坏有很大的影响。,6.4.1 有线介质 在有线介质中,信号会沿着有形的固体介质传输。常见的有线传输介质有双绞线、同轴电缆和光缆。,有线介质的种类,非屏蔽双绞线和RJ-45连接器,非屏蔽双绞
17、线,优点: 尺寸小、重量轻、容易弯曲 价格便宜 容易安装和维护 RJ-45连接器牢固、可靠 缺点: 抗干扰能力较弱 传输距离比较短 UTP分为: 1类线、2类线、 3类线、4类线、5类线、超5 类线和6类线 UTP非常适合于楼宇内部的结构化布线,屏蔽双绞线,优点: 传输质量较高 电缆尺寸和重量与UTP相当 具有更高的传输速率 安全性较高 缺点: 安装不合适有可能引入外界干扰,同轴电缆,同轴电缆的特点,1.优点 传输距离较远,覆盖的地域范围较大 技术非常成熟 2.缺点 电缆硬,折曲困难,重量重 3.传统局域网常用同轴电缆 粗同轴电缆:特征阻抗50 ,直径1cm 细同轴电缆:特征阻抗50,直径0.
18、5cm 4.同轴电缆不适合用于楼宇内的结构化布线,光缆,光纤的分类:多模光纤和单模光纤(传输质量比多模光纤好),光纤的种类,光缆的特点 优点: 传输速率高 传输距离远 传输损耗低 抗干扰能力强 缺点: 价格相对较高 安装比较困难 光缆适合于楼宇内部的结构化布线,6.4.2 无线介质,所谓无线介质就是指使用电磁波在自由空间的传播来实现通信。 常用的无线传输介质有: 无线电 微波 红外线,1无线电 工作频率范围在几十兆赫兹到200 MHz左右 优点: 易于产生 能够长距离传输,能轻易地穿越建筑物 传播是全向的,非常适合于广播通信 缺点: 传输特性与频率相关 容易受外界电磁场的干扰,2.微波 微波是
19、利用无线电波在对流层的视距范围内进行信息传输的一种通信方式。它的频率范围为300MHz300GHz,但主要是使用240GHz的频率范围。 微波通信有两种主要的方式: 地面微波接力通信 卫星通信,(1)地面微波接力通信,地面微波接力通信,微波接力通信的优点: 通信信道的容量很大 微波通信受外界干扰影响比较小,传输质量较高 投资少、见效快 微波接力通信的缺点: 相邻站之间必须直视,不能有障碍物 微波的传播有时也会受到恶劣气候的影响 与电缆通信系统相比较,微波通信的隐蔽性和保密性 较差 对大量中继站的使用和维护,要耗费一定的人力和物力,卫星通信,(2)卫星通信 卫星通信是在地球站之间利用位于3600
20、0km高空的人造地球同步卫星作为中继器的一种微波接力通信,,卫星通信的优点 频带很宽,通信容量很大通信距离远 通信费用与通信距离无关 信号受到的干扰较小,通信比较稳定 卫星通信的缺点 通信费用高 信号的传输时延较大,3. 红外线 红外线指10121014Hz范围的电磁波信号。 红外线最大的缺点是不能穿越固体物质,因而它主要用于短距离、小范围内的设备之间的通信。 红外线通信目前主要用于家电产品的远程遥控,便携式计算机通信接口等。,6.5 宽带接入技术,随着Internet的迅猛发展,人们对远程教学、远程医疗、视频会议、电子商务等多媒体应用的需求大幅度增加。 为了适应新的形势和需要,出现了多种宽带
21、接入网技术。包括铜线接入技术、光纤接入技术、混合光纤同轴(HFC)接入技术等多种有线接入技术以及无线接入技术等。,6.5.1 xDSL,数字用户线环路(DSL,Digital Subscriber Loop)技术是一种为满足宽带业务传输需求而发展起来的新型宽带铜线接入技术。采用DSL 技术时,传统电话业务只使用04 kHz的低端频谱,而原来没有被利用的高端频谱用于传输用户上网数据。,6.5.1 xDSL,数字用户线技术主要包括: 高比特率数字用户线环路(HDSL) 对称数字用户线环路(SDSL) 非对称数字用户线环路(ADSL) 速率自适应数字用户线环路(RADSL) 甚高比特率数字用户线环路
22、(VDSL),ADSL频谱划分,ADSL用户接入示意图,6.5.2 FTTx,光纤接入示意图,根据ONU放置的具体位置不同,光纤接入技术FTTx可以分为: 光纤到路边(FTTC:Fiber To The Curb) 光纤到大楼(FTTB:Fiber To The Building) 光纤到户(FTTH:Fiber To The Home) FTTB光纤到小区(FTTZ:Fiber To The Zone) 光纤到办公室(FTTO:Fiber To The Office),6.5.3 HFC,光纤和同轴电缆混合接入技术(HFC:Hybrid Fiber Coaxial)是在有线电视(CATV:C
23、able Television)系统的基础上发展起来的一种新型宽带用户接入技术。 HFC的优点: 具有很好的数模兼容性,成本比光纤用户环路低,具有双绞线无法比拟的传输带宽优势。 HFC充分利用了现有的有线电视网资源,可以大大节省新建网络的费用。 信号传输距离远。,HFC的缺点: 上行带宽过窄,只能使用550MHz,且由于外界干扰,一般只能用到1842MHz。 在网络的双向改造过程中,密集的居住人群以及电缆老化等问题使得回传系统产生了棘手的漏斗噪声问题,双向改造不易进行,用户群只能限于较小的范围内。 系统的标准目前还不统一,使得各系统之间不能很好的互连。,小 结,本章主要讲述了以下内容: 1. 物理层是OSI参考模型的最低层,它的主要功能是为数据链路层提供物理连接,在传输介质上实现比特流的透明传输。 2.信号是数据在传输过程中的电信号的表示形式。 3.串行通信方式和采用并行通信方式。 4.单工通信、半双工通信和全双工通信。 5.信息传输速率和误比特率是描述数据通信系统性能的技术指标。,6.多路复用技术分为FDM、WDM、TDM。 7.为了正确地传输数据,必须对原始数据进行相应的编码或调制 。 8.传输介质是通信中实际传送信息的载体。 9.宽带接入网技术包括铜线接入技术、光纤接入技术、混合光纤同轴(HFC)接入技术等多种有线接入技术以及无线接入技术。,
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