二章物理层.ppt
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1、第二章 物理层,物理层下的传输介质 模拟传输与数字传输 同步与复用 交换技术 信道的极限容量 物理层的功能、模型与特性 物理层标准举例,物理层是开放系统互联参考模型OSI/RM中的最底层,其作用是尽可能地屏蔽掉计算机网络中的物理设备、传输媒体和通信手段等的差异。,第一节 物理层下的传输介质,传输介质是指通信中实际传送信息的载体,通常可以分为有线和无线两类。 2.1.1 有线传输介质 有线传输介质传输信号的性能较好,成本低,易安装和维护,主要适用于短距离通信和架设电缆比较容易的场合。 1.双绞线TP(Twist Pairwire) 组成:为减少信号间的串扰,由两根互相绝缘的铜导线按照一定的密度互
2、相扭绞在一起。 传输特性:模拟传输每隔5-6公里需加放大器将衰减了的信号放大到合适的量级;数字传输每隔2-3公里需加中继器(转发器) 对失真了的信号进行整形。 特点:成本低、易维护和安装,带宽较宽,通 信距离通常为几到几十公里,速率达100-155Mbps。 适用:电话系统、微机局域网。,第一节 物理层下的传输介质,第一节 物理层下的传输介质,2.同轴电缆(Coaxial Cable) 组成:按同轴形式的一个线对构成。 分类:按照同轴电缆的直径大小可将其分为 粗缆适用于较大型的局域网,标准距离长, 可靠性高,总体造价高,安装难度大, 但不必切断电缆。 细缆造价低,且安装相对简单,但要切开电缆。
3、 传输特性:按照特性阻抗数值的不同可以分为 50基带同轴电缆,传输离散的数字信号,可以将10Mbps速率的基带数字 信号传送1Km-1.2Km,广泛应用于局域网中。 75宽带同轴电缆,用于模拟传输系统(也可以传输数字信号,传输时需 进行数模-模数的转换),可用FDM技术传输多路信号,覆盖范围广泛, 远距离传输需用放大器,是有线电视系统中的标准传输电缆。,第一节 物理层下的传输介质,因放大器只能单向工作,因此模拟传输系统又可分为双缆系统和单缆系统,特点:与双绞线相比,成本较高,安装较复杂;频带较宽,数据速率较高, 传输距离较大,抗干扰能力较强,是用途广泛的传输介质。 适用:高速、高频通信(如长距
4、离的电话、电报、有线电视系统和短距离系统连接的通信线路以及局域网中)。,3.光纤(fiber) 组成:光导纤维(Optical Fiber)简称光纤,由能传导光波的石英玻璃 纤维外加低折射率的保护层组成。 传输特性:利用光导纤维传递光脉冲来进行 的,有光信号为1,无光信号为0,光信号在光 纤中进行全反射。 光传输系统一般由光源、光纤线路和光探测器组成。 光源:采用发光二极管或半导体激光器,在电信号脉冲作用下产生出光脉冲; 光纤线路:光脉冲在光纤线路上传送; 光探测器:利用光电二极管做成光探测器,将检测出的光脉冲还原成电脉冲信号。,第一节 物理层下的传输介质,第一节 物理层下的传输介质,光纤的两
5、种基本传输模式: 多模方式:可以存在多条满足全反射的入射角不同 的光线在同一条光纤中传输;芯的直径约为50-100m, 光源可以使用普通的发光二极管,数据传输速率受限制。 单模方式:当光纤的直径减少到一个光的波长左右 时,光纤像波导那样使光线一直向前传播而没有折射; 芯的直径约为8-10m,用价格较贵的半导体激光器做 光源,衰耗小,效率高,传输距离长。 特点:传输频带宽、损耗小、中继距离长、无串 音干扰、高保密性、抗雷电和抗电磁干扰性能好且 质量轻、体积小。 适用:光纤既可以用于局域网也可以用于广域网。,第一节 物理层下的传输介质,光纤的连接方法有三种: 将断点接入连接头,然后插入连接插座(损
6、耗10%-20%的光,但重新配置系统较容易); 用机械方法将切割好的光纤钳起来(光的损失大约为10%); 使用融合的方法将光纤的断点处融合在一起(光的损耗最小,连接好的光纤和单根光纤差不多)。 三种方法的结合处都有反射,且反射的能量会和信号交互作用! 绕过这种问题的方法是采用环网。,第一节 物理层下的传输介质,2.1.2 无线传输介质 无线传输介质(又称为视线媒体)用自由空间作为传输介质来进行数据通信。 特点:信号沿直线传播。 适用:架设或铺埋电缆或光缆较困难的地方,广泛应用于电话领域构成的蜂窝式无线电话网。 分类:红外通信、激光通信和微波通信(微波通信又主要有两种方式:地面微波接力通信和卫星
7、通信)。 1.地面微波接力通信 原理:长距离传输时每隔一段距离就需架中继站, 将前一信号放大向后传。 适用:微波接力通信可传输电话、电报、图像、数据等信息。 优点:频带宽、通信容量大、传输质量高、可靠性较好、投资少、见效快、灵活等。 缺点:相邻站间必须直视,不能有障碍物;受气候干扰较大、保密性差、中继站的使用与维护问题等。,第一节 物理层下的传输介质,2.卫星通信 原理:用位于36000Km高空的人造同步通信卫星作中继器的一种微波接力通信。 特点:通信距离远、费用与距离远近无关;具 有较大的传输延迟,且传输延迟相对确定。 优点:频带很宽,通信容量大,信号受干扰小, 通信比较稳定。 缺点:保密性
8、较差,造价较高。 适用:广播电视通信。 3.红外线与毫米波 特点:具有一定的方向性。 优点:价格便宜,易制造,有良好的安全性,不易被窃听或截取。 缺点:不能穿透坚硬的物体。 适用:被广泛应用于短距离通信,红外线成为室内无线网的主要选择对象。,第二节 模拟传输与数字传输,2.2.1 基本概念、基本术语和数据通信系统 1.基本概念和基本术语 数据:能够由计算机处理的数字、字母和符号等具有一定意义的实体。 分类:模拟数据可以在一定的数据区域中取连续的值,如声音和图像; 数字数据只能取离散的数值,如整数、二进制序列 。 信号:是数据的具体表现形式。 分类: 从通信的发送端所产生的信号形式来看 模拟信号
9、:在各种介质上传送的连续变化的电磁波。 数字信号:在介质上传送的电压脉冲序列。 从通信线路上传送的信号来看 基带信号:将数字信号1或0直接用两种不同的电压来表示,在线路上传输。 宽带信号:将基带信号进行调制后形成的频分复用模拟信号。,第二节 模拟传输与数字传输,信道:一般用来表示某一个方向上传送信息的媒体。 分类:传送模拟信号的模拟信道和传送数字信号的数字信道。 信号的传输方式: 模拟传输:将信息在传输介质中以模拟信号传输的传输方式。 数字传输:将信息在传输介质中以数字信号传输的传输方式。 2.数据通信系统 数据通信:依据通信协 议,利用数据传输技术在 两个功能单元之间传递数 据信息的技术,它
10、可以实 现计算机与计算机、计算机与终端、终端与终端之间的数据信息传递。,第二节 模拟传输与数字传输,数据通信系统:是通过数据电路将分布在原地的远程终端设备如计算机系 统连接起来,实现数据传输、交换、存储和处理的系统。 数据通信系统的组成:主要由远程终端设备、数据电路、中央计算机系统三部分组成。,第二节 模拟传输与数字传输,数据终端设备DTE:由数据输入设备(数据源)、数据输出设备(数据宿)和传输控制器组成。 数据电路端接设备DCE:是DTE与传输信道的接口设备,在DTE和传输线路之间提供信号变换和编码功能,并负责建立、保持和释放数据链路的连接。 常用的DCE有调制解调器和数据服务单元。 1.远
11、程终端设备:使用一般终端,具有一定的数据处理能力及发送和接收数据的能力,属于数据终端设备DTE。 2.数据电路:由传输信道(传输线路)及两端的数据电路端接设备DCE组成,位于远程终端设备和中央计算机之间,为数据通信提供数字传输信道。 传输信道包括通信线路和通信设备。 3.中央计算机系统:由通信控制器及主机构成,也属于DTE。 通信控制器:是对DTE的信号进行差错控制、终端接续控制、传输顺序控制、切断控制等,同时将线路的信号从并行转成串行或反之。 主机则主要进行数据处理。,第二节 模拟传输与数字传输,2.2.2 模拟传输系统 1.模拟数据以模拟信号传输 传统的电话系统,采用分级交换;长途干线采用
12、频分复用的传输方式,即所谓的载波电话。 2.数字数据以模拟信号传输 在模拟信道中进行数字传输,必须先将数字信号转换为模拟信号!,第二节 模拟传输与数字传输,解决办法:选取某一频率的正(余)弦模拟信号作载波信号,运载所要传送的数字信号。 实现的具体方法:用要传送的数字信号改变载波的幅值、频率或相位,然后使之在信道上传送,到达信道的另一端再将数字信号从载波上提取出来。 调制:将数字信号放到载波上去的过程,即将数字信号变换模拟信号的过程,实现设备称为调制器(Modulator); 解调:是从载波上提取信号的过程,即将模拟信号变换为数字信号的过程,实现设备称为解调器(DEModulator)。 调制解
13、调器(MODEM)是既能实现调制又能实现解调的设备。,第二节 模拟传输与数字传输,1.调制方法 调幅(AM):即载波的幅度随数字信号的值改变,也称为幅移键控法ASK。 特点:技术简单,抗干扰性较差,适合光缆使用。 调频(FM):即载波的频率随数字信号的值改变, 也称为频移键控法FSK。 特点:抗干扰性较高,但 所占频带较宽,是常用的一种 调制方法。 调相(PM):即载波的相位 随数字信号的值改变,也称为 相移键控法PSK。 特点:抗干扰性较高, 数据传输速率高,实现复杂。,第二节 模拟传输与数字传输,调相又可以分为: 绝对调相:用固定的不同相位分别代表数字信号1和0。 相对(差分)调相:用相对
14、最近前一组位相位的变化来代表数字信号。 相对调相比绝对调相更易实现,且具有更好的抗干扰性和更高的数据传输速率。 2.调制解调器 按调制方法分可分为:调频调制解调器、调相调制解调器和复合调制的调制解调器; 按数据率分可分为:低速调制解调器(低于600bps)、中速调制解调器(600bps-9600bps)和高速调制解调器(高于9600bps); 按拨号方式分可分为:手动拨号和自动拨号; 此外,还可分为内插和外接式调制解调器等等。,第二节 模拟传输与数字传输,3.数字数据以数字信号传输 数字数据可以数字信号传输,但需对信号进行编码以提高数据传输的效率和实现通信双方的信号同步。 常用编码:不归零码、
15、归零码、曼彻斯特码和差分曼彻斯特码。 单击图标显示编码特点,第二节 模拟传输与数字传输,不归零码NRZ 是一种最简单和最原始的编码方式,可分为单极性不归零码和双极性不归零码。 优点:有效利用了带宽,简单,低频相应性能较好。 缺点:当连续发送“1”或“0”时,难以确定每位的开始或结束。 单击图标显示编码特点,单极性不归零码:用零电压代表“0”, 用正电压代表“1”,采样时间为每个码 元时间的中间点,判决门限为半幅度电平。,第二节 模拟传输与数字传输,双极性不归零码用负电压代表“0”, 用正电压代表“1”,采样时间为每个 码元时间的中间点,但判决门限为零电平。,不归零码NRZ 是一种最简单和最原始
16、的编码方式,可分为单极性不归零码和双极性不归零码。 优点:有效利用了带宽,简单,低频相应性能较好。 缺点:当连续发送“1”或“0”时,难以确定每位的开始或结束。 单击图标显示编码特点,第二节 模拟传输与数字传输,归零码特点:每一个码元脉冲间要有间隔,脉冲宽度比码元间隔短,其采样时间和判决门限与不归零码类似。 归零码优点:接收端可以从收到的脉冲间隔中得到同步信息。 归零码缺点:当出现长时间“0”码时,同步信号将会丢失。 单击图标显示编码特点,单极性归零码:发送“1”信号时发出一个短于一个码元时间宽度的正脉冲,发送“0”信号时,则完全不发出任何电流。,第二节 模拟传输与数字传输,归零码特点:每一个
17、码元脉冲间要有间隔,脉冲宽度比码元间隔短,其采样时间和判决门限与不归零码类似。 归零码优点:接收端可以从收到的脉冲间隔中得到同步信息。 归零码缺点:当出现长时间“0”码时,同步信号将会丢失。 单击图标显示编码特点,双极性归零码:发送“1”信号时 发出一个短于一个码元时间宽度 的正脉冲,发送“0”信号时发出短 于一个码元时间宽度的负脉冲,其余时间则不发出任何电流。,第二节 模拟传输与数字传输,曼彻斯特码:是自带同步信号的编码,常用于局域网的传输。 特点:每一位中间均有一次跳变,该跳变既作为时钟信号又作为数据信号;每位编码的前半位表示数据信号的实际取值,后半位与之相反。 优点:克服了不归零码和归零
18、码的同步信号丢失问题。 单击图标显示编码特点,第二节 模拟传输与数字传输,4.模拟数据以数字信号传输 数字传输的过程: 发送端:将模拟信号通过编码器(Coder)变换为数字信号。 接收端:将收到的数字信号用解码器(Decoder)还原成模拟信号。 编码解码器(Codec):既有编码功能又有解码功能的装置。 脉码调制技术(Pulse Code Modulation-PCM):将模拟信号转变成数字信号的技术,常用于对声音信号进行处理。 脉码调制过程的三个步骤:采样、量化和编码。,第二节 模拟传输与数字传输,1.采样:按照一定的时间间隔采样测量模拟信号幅值。 采样定理:只要采样频率不低于模拟信号最高
19、频率的2倍,就可以从采样脉冲信号无失真的恢复出原来的模拟信号。 2.量化:将采样点测得的信号幅值分级取整的过程。 经过量化后的样本 幅度为离散的整数值, 而不是连续的值。 3.编码:用相应位数的 二进制码表示已经量化 的采样样本的量级。 如果有N个量化级, 则二进制位的位数为log2N。,第三节 同步与复用,2.3.1 数据通信方式 按照信号在信道或传输介质中的传输方向分为: 1.单工通信(simplex):数据总是沿信道的一个固定方向传送(如广播、电视)。 数据是单工的,信号是双工的 单击此处显示信息传输过程,第三节 同步与复用,2.半双工通信:信息流可以在两个方向上传输,但同一时刻只限于在
20、一个方向传输。 通信的双方轮流使用共享信道发送信息或应答信号。 单击此处显示信息传递过程,第三节 同步与复用,3.全双工通信:数据能同时沿信道的两个方向传输,即通信的一方在发送信息的同时也能接收信息,其收、发信道分开设置,应答信号通常可利用另一传输信道传送。 四线制:采用两个单工通信设备完成全双工通信; 二线制:采用频分多路复用技术,将一条线路分成高频和低频两条信道。 单击此处显示信息传递过程,第三节 同步与复用,2.3.2 同步技术 同步:通信双方的收发数据序列必须在时间上一致,以使接收方能准确地区分和接收发送方发来数据。 同步方式:同步传输、异步传输。 1.异步传输(起止式同步方式) 异步
21、传输:发送端和接收端的时 钟信号是各自独立的。 特点:信息以字符为单位传输。 字符组成:1位起始位 5-8位数据位 0-1位奇/偶校验位 1-2位停止位 优点:无需统一的时钟信号,出错只需重发该字符即可,且控制简单。 缺点:传输效率低、速度慢。 适合:终端误码率要求高或数据率低的线路中。,第三节 同步与复用,2.同步传输 同步传输:发送端和接收端的时钟是一致(同步)的。 实现方法:自同步法、外同步法。 自同步法:从数据信息波形的本身提取同步信号(如曼彻斯特码、差分曼 彻斯特码)。 外同步法:不是在每个字符进行同步,而是在一组数据信息前后进行同步。 又可分为面向字符的同步方式和面向位的同步方式。
22、 特点:接收端靠提取其中的时钟信号来和发送方保持同步;每帧的控制信息 常少于100比特。 优点:对于大块的数据,可获得更高的效率和速率。 缺点:若数据有一位出错,必须重发整块数据,且控制比较复杂。,第三节 同步与复用,面向字符的同步方式:数据传输以字符串为单位,发送端在发送数据信息前,先向接收端发出一个或多个同步字符SYN(编码为00101000) 。 面向位的同步方式:数据传输以数据块为单位,发送端在要发送的数据块的前后加上同步位模式F标志(编码为01111110)。 插0删0技术,第三节 同步与复用,2.3.3 多路复用技术 多路复用技术:通过多路复用器将多路信号组合在一条物理信道上传输,
23、到接收端再用多路译码器将各路信号分离开输出,从而大大降低通信成本,提高通信线路的利用率。 1.频分多路复用FDMA(Frequency Division Multiplexing Access) 信号的频谱:信号的能量随频率的分布规律。 信号的带宽:信号频谱中能量集中的区域。,第三节 同步与复用,原理:在信道带宽大于各路信号 总带宽时,将具有一定带宽的信道 分割成若干个占有较小带宽的子信 道,使每个子信道用来传输一路信 号;为保证各路信号的频谱不重叠, 在复用前需通过频谱搬移技术。 适合:较适用于传输模拟信号。 优点:原理简单,技术成熟,系统效率较高,可充分利用信道的频带。 缺点:各路信号之间
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