计算机网络 第二章物理层.ppt
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1、第二章 物 理 层,物理层的基本概念 数据通信的理论基础 传输介质 数据通信技术基础 物理层协议 几种电信网络技术,2.1 物理层的基本概念,物理层的作用 向上层(Data Link)用户屏蔽物理介质(media)的差异,使Data Link层只考虑如何使用物理层的服务完成本层的协议 向上层(Data Link)用户提供透明的位流传输能力 提供为建立、维护与拆除物理链路所需要的机械的、电气的、功能的与规程的特性,信号在信道(线路)上的传输受到各种因素的影响而发生变化。 变化后的信号,2.2 数据通信的理论基础,变化后的信号,最后的信号(还包括噪声),几个基本概念,信道带宽(bandwidth)
2、是指信道上所能传输的电信号的频率范围,单位为赫兹(Hz)。 信号的带宽是指信号的能量按频率分布最集中的区域,单位为赫兹(Hz)。 信号传输速率是指每秒钟传送的信号数量(码元数),单位为波特(Baud)。也叫码元速率或波特率。 数据传输速率是指每秒钟传输的二进制位数,单位为比特/秒(bit/s=b/s=bps)。又称位速率或比特率。 (注:1Kbps=1000bps,1Mbps=1000Kbps, 1Gbps=1000Mbps,1Byte/s=1Bps=8bps),波特率和比特率,波特率RB与比特率Rb的关系:Rb=RBlog2V 其中V为数字传输系统中的码元状态数或离散级数,即V进制数。 例如
3、: RB=2400波特 V=2 Rb=2400 bps RB=2400波特 V=16 Rb=9600 bps DTE(data terminal equipment)数据终端设备 DCE(data circuit-terminating equipment)数据电路端接设备,傅立叶分析,任何正常的周期为T的函数g(t),都可由无限个正弦和余弦函数合成: 1 g(t) = c + an sin( 2nft ) + bn cos( 2nft ) 2 n=1 n=1 f = 1T 为基频, an和bn为正弦和余弦函数的n次谐波的振幅。 用 表示信号n次谐波的能量 任何持续时间有限(T)的非周期为函数
4、g(t),可以把它想象成一个周期为T的函数,从而分解成无数个正旋和余旋函数 在传输介质上直接传送的数字信号(电压脉冲序列),都可表示成时间的单值函数,它的谐波(harmonic)分量可用傅立叶级数来表示。,有限带宽信号,考虑传输ASCII字符“b” 01100010,经傅立叶变换可得: 1 an = cos(n/4) - cos(3n/4) + cos(6n/4) - cos(7n/4) n 1 bn = sin(3n/4) - sin(n/4) + sin(7n/4) - sin(6n/4) n c = 3/8 几个低次谐波振幅的平方根an2 + bn2 与相应频率处的能量成正 比。 有限带
5、宽的信道会对所传信号各次谐波的振幅作不等量的衰减及相位延迟。 要保证信号的传输质量,信道的带宽必须适应或高于信号的带宽。,(a)为原始二进制信号和它前15次谐波的平方根振幅。 (b)(e)为前几次谐波的合成。,在电话语音信道上,采用二值信号编码,波特率等于比特率。 假设比特率为b,发送8比特所需要得时间T=8/b秒,因而一次谐波的频率即基频f =1/T=b/8Hz。 话音信道的截止频率约为3000 Hz,采用二值信号编码,则话音信道能通过的最大谐波次数为: 3000/f =24000/b次。 在接受端要想辨认传来的信号,信道必须允许信号的十次谐波通过,所以话音信道的极限信号传输速率为2400波
6、特。,数据传输速率与谐波数之间的关系,信道的最大数据传输速率,奈奎斯特(H. Nyquist)证明,如果一个任意信号通过带宽为H的低通滤波器,每秒采样2H能完整地重现通过这个滤波器的信号。更高的采样频率是无意义的,因为高频分量已被滤波器滤掉无法恢复了。 奈奎斯特定理:一个无噪音信道,若信号电平分为V级,则限定的最大数据传输率Rb = 2H log2V bps。 例:对于一个3000 Hz的无噪音信道,若采用两电平信号传输,最大速率不会超过 23000 Hz = 6000 bps。若V = 16,最大速率则可提高到 24000 bps。 此定理针对理想信道进行计算,不考虑噪音因素的影响,故与实际
7、值相差甚大。,信道的最大数据传输速率,香农定理:任何带宽为 H(Hz),信噪比为 S/N 的信道,其最大数据传输速率为: Rb = H log2 ( 1 + S/N ) bps 实际中,信噪比常用分贝(dB)表示,即10 log10 S/N。 例:一个典型参数的模拟电话系统,话音信道带宽为 3400Hz,信噪比为 30dB = 10 log10 S/N,即S/N = 103,则信道的最大数据传输速率为 3400 log2 1001 34 000 bps。 香农定理限定的信道最大数据传输速率是理论值,实际值不可能超越它。但在模拟电话系统中,若超越 3400Hz 的信道带宽或提高信噪比,就可以超越
8、34000 bps 的最大数据传输速率。例如V.90的调制解调器实现了50Kbps以上的下行传输速率,ADSL系统甚至可以达到2Mbps的下行传输速率。,2.2 传输介质,传输介质是通信网络中从一台机器到另一台机器之间传送信号的物理通路。 各种传输介质在带宽、延迟、传输距离、抗干扰和成本等性能上不同。 通信网络传输介质分为有线和无线两大类: 有线介质:双绞线、基带同轴电缆、宽带同轴电缆和光纤。 无线介质:无线电、微波、红外线以及光波。 移动存储介质:磁带、磁盘、光盘和硅存储芯片等也可用来传送数据。但延迟太大,属于离线传输系统。,双绞线(Twisted Pair),双绞线由两条相互绝缘的铜线象螺
9、纹一样扭绞在一起。扭绞的目的是为了减少线对之间的电磁干扰。 把4对双绞线封装在塑料套中构成非屏蔽双绞线UTP(Unshielded TP),其中有两类最常用于计算机网络: 3类(category 3)UTP:较早应用于10 Mbps以太网和电话通信,其扭绞程度较为松散。 5类(category 5)或超5类(category 5e) UTP :现普遍用于百兆和千兆以太网中,其扭绞程度比3类UTP更加紧密,抗干扰能力更强。在100米距离内速率可达100 Mbps,甚至是250 Mbps。 屏蔽双绞线STP(Shielded TP)有一层总的屏蔽层,STP中每对线及总体都有屏蔽层。价格贵,性能好,
10、应用少。,Categories of Unshielded Twisted Pair,Type Use Category 1 Voice Only (Telephone Wire) Category 2 Data to 4 Mbps (LocalTalk) Category 3 Data to 10 Mbps (Ethernet) Category 4 Data to 20 Mbps (16 Mbps Token Ring) Category 5 Data to 100 Mbps (Fast Ethernet) Category 5e Data to 1000 Mbps (Gigabit Et
11、hernet) Category 6 Data to 1000 Mbps (Gigabit Ethernet) Category 7 ?,The EIA/TIA (Electronic Industry Association/Telecommunication Industry Association) has established standards of UTP.,双绞线(Twisted Pair),3类(category 3)UTP 5类(category 5)UTP,UTP的连接标准TIA/EIA 568A/568B,Cat 5 UTP,RJ-45模块,使用中 的UTP,STP,同
12、轴电缆(Coaxial Cable),一对导体(铜芯和屏蔽网)按“同轴”的形式构成线对。 带宽高,抗干扰能力强。 同轴电缆分为基带同轴电缆和宽带同轴电缆两种。,两种同轴电缆,基带同轴电缆(Baseband Coax):阻抗为50,用于数字传输,1公里电缆可达12Gbps的传输速率。又分为: 粗缆(Thick):10Base-5,AUI,单段长度500米,最长5段达2.5公里。 细缆(Thin):10Base-2,BNC,单段长度185米,最长5段达925米。 宽带同轴电缆(Broadband Coax):阻抗匹配为75,用于电视信号的模拟传输(CATV),带宽可达800MHz以上,采用载波信号
13、调制技术。传输数字信号时,要使用Cable MODEM设备调制解调数字信号,现在综合有线电视网络已成为MAN的一种形式。,粗、细同轴电缆的比较,实际使用中的细同轴电缆,光纤(Fiber Optics),光纤由传导光波的高纯石英玻璃纤维和保护层(jacket)构成,其中纤芯(core)的折射率大于包裹着它的包层(cladding)折射率,这样光信号就被保持在纤芯中不会散播出去。 经常将多根光纤封装在坚固的外壳(sheath)中,形成所谓的多芯光缆。,光传输系统,由三个部分组成:光源、光纤和光检测器。 在光纤的一端放上光源,另一端放上检测器,光信号沿着光纤折射或直线传输。 一般采用光强调制,有光表
14、示比特1,而无光脉冲表示比特0。,单模光纤和多模光纤,光线可以多个不同的入射角(大于或等于临界角)在纤芯内全反射传播,可认为每一束不同入射角的光线具有一个不同的模态(mode),具备这种特性的光纤称为多模光纤(multi-mode fiber)。 当光纤的直径减小到几个光波波长时,光纤就如同一个波导,光线在纤芯内以直线传播而不会发生反射,这种光纤称为单模光纤(single-mode fiber)。,单模光纤和多模光纤,多模光纤的直径约在几十 m,而单模光纤不到10 m。实际使用中,裸光纤(纤芯和包层)的直径一般为125 m,其中多模的纤芯有62.5 m和50 m两种;而单模的纤芯只有9 m。
15、有两种光源可用于信号源:LED(发光二极管)和ILD(注入型激光二极管)。以光信号的有和无来表示二进制的“1”和“0”。 接收端由光电二极管构成的光检测器将光信号转换成电信号。 光纤的连接: 机械式:快速,一般不需特殊设备,新技术和连接器改善了接合的损耗(有些 0.1 dB),适合于小数量和应急的应用。 熔结:需要昂贵的特殊设备,极低的损耗(可达 0.05 dB),长距离链路的唯一方法。 光纤传输比较昂贵的原因主要在于光端设备和连接的复杂性。实际上,光纤本身并不算贵。,光纤传输中使用的光信号频谱,集中在红外线到可见光的区域范围。,UV,可见光 (750 - 380 nm),X-Rays,IR,
16、AM Radio,1012,108,1014,1010,1016,1018,1,UHF,VHF,106,10-3,10-9,常用的光波长有:850、1300和1550 nm,频率(Hz),波长(m),两种光源的比较,光纤上红外部分光的衰减,激光产品的级别,Class I:无危险 Class IIa:观看时间小于1000秒则安全 Class II:长期观看有危险 Class IIIa:直接观看有严重危害 Class IIIb:直接辐射对眼睛和皮肤有严重伤害 Class IV:直接观看或散射对眼睛和皮肤有严重伤害,实际的光纤,一些光纤连接器件,MIC:用于FDDI,双光缆,ST:插入锁定,光耦合器
17、(ST),SC:568A标准, 方形,插入锁定,双绞线、同轴电缆、光纤的对比,一些实际使用中的光纤,光纤网络,使用有源中继器的光纤环,光纤网络,光纤网中一种无源星形连接,光纤的优点,高带宽,低损耗,大数据传输速率,抗电磁干扰能力强,安全性好;且相对于金属导线,体积小,重量轻,应用前景一片光明。,无线(wireless)传输介质,无线通信不需要铺设任何有线介质,只要安装 信号收发装置即可。 主要的无线传输介质有: 无线电(Radio) 微波(Microwave) 红外线和毫米波(Infrared and Millimeter Waves) 光波(Light Wave),电磁波频谱,电磁波的频率f
18、 、波长l和真空中电磁波的传播速度即光速c(约为3108 m/s,常数,与频率无关)之间的关系为:c = l f 电磁波在铜线和光纤中的传播速度大约要降低到光速的2/3,且与频率稍有关系,约为2108 m/s,也就是200 m/ s 。,传输速率、带宽及波段的关系,根据上面的推导可得:波段(Dl)越宽,波长(l)越短,带宽(Df)就越高。 例如:采用1.30m红外光的光纤传输中,l=1.310-6 m,Dl=0.1610-6m,则带宽可达到30 THz,而每赫兹信号又可对若干位比特编码,因此可得到很大的数据率。,无线电传输(VLFVHF),无线电波容易产生,可全方位传播,距离远,并能轻易穿过建
19、筑物(低频波段),被广泛应用于各种通信领域。 VLF、LF、MF低频波段电波沿地表传播,由于可绕过建筑物,所以传输距离远。而HF和VHF波段的地表电波会被地球吸收,但可通过地球上空的电离层反射实现长距离传输。 缺点是带宽较低(特别是低频波段),易受电磁干扰和天气影响。,微波传输,在100MHz以上,微波通过抛物状天线把能量集中于一小束,具有极高的信噪比,沿直线实现可视距传输。 在地面因地表弯曲,需中继站接续微波信号,100米高的塔可接续约80公里。 天气和频率的影响可造成多路减弱。 开放的波段:2.4 GHz 2.484 GHz,即工业/科学/医学波段。,微波传输,红外线和毫米波,有方向性,便
20、宜,穿透能力差,传输距离短。 如:遥控器,防盗报警等。,光波传输,成本低,带宽高,不受管制。但受天气影响大,如雨、雾、雪。,2.3 数据通信技术基础,数据通信的基本方式 调制技术 数字信号编码与同步 数据通信系统的一般结构 多路复用技术 交换技术,2.3.1 数据通信的基本方式,数据 模拟数据:取连续值(声音,温度等) 数字数据:取离散值(0,1) 信号,2.3.1 数据通信的基本方式,数据通信的四种方式 模拟信号传输模拟数据(传统电话系统) 模拟信号传输数字数据(调制解调) 数字信号传输数字数据(数字信号编码,收发端的信号同步) 数字信号传输模拟数据(脉冲编码调制PCM),2.3.1 数据通
21、信的基本方式,2.3.2 调制技术,由于基带(baseband)信号在长距离的传输信道上会受到衰减、畸变及噪音等的影响,因此在发送端必须转换成一种适合于在信道上传输的信道信号,这个转换过程就叫调制(modulation)。在接收端的相反转换过程称为解调(demodulation)。 调制解调器(MODEM)就是调制器(MOdulator)和解调器(DEModulator)的组合。,调制技术,考虑计算机通过电话线进行通信。需在电话线两端使用MODEM将计算机中带宽很大的数字基带信号转换成适合于电话线上(带宽 3400 Hz)传输的语音模拟信号。 引入一种带宽在1000 2000 Hz的正弦波作为
22、载波信号: Asin(t +),调制技术,分别将载波信号中的A(振幅)、(频率)、(相位)对传输的基带信号进行调制,即可得到三种基本的调制技术: 振幅调制(AM):用两种不同的电压表示“0”和“1”。 也叫幅移键控(Amplitude Shift Keying,ASK)。 频率调制(FM):用两种不同的频率表示“0”和“1”。 也叫频移键控(Frequency Shift Keying,FSK)。 相位调制(PM):也叫相移键控(Phase Shift Keying,PSK)。分为两种: 绝对PSK:用绝对相位表示比特信息。 相对PSK(DPSK):用相邻两信号的相对相位差来表示比特信息。,三
23、种基本的调制技术示意图,基带信号,ASK,FSK,绝对PSK,相对PSK,PSK,先进的调制技术QAM,正交振幅调制QAM(Quadrature Amplitude Modulation)将ASK和PSK结合起来,可传输多进制信号以获得更大的数据速率(中高速)。 每个调制解调器标准都有自己的星座模型(constellation pattern),具有相同标准的调制解调器才可互联。,先进的调制技术TCM,网格编码调制TCM(Trellis Coding Modulation)对星座模型中众多的点进行复杂的纠错编码,增加信号点之间的欧氏距离,以增强抗干扰能力,降低误码率。 ITU-T V.32 b
24、is(1991.2):14400 bps/2400 波特,26=64个点。 ITU-T V.34(1994):28800 bps/2400 波特,212=4096个点。 ITU-T V.34(1996.10):33600 bps/2400 波特,214=16384个点。,2.3.3 数字信号编码与同步,数字数据的数字信号编码 收发端之间的信号同步,数字数据的数字信号编码,单极性不归零编码,双极性不归零编码,单极性归零编码,双极性归零编码,数字数据的数字信号编码,归零码和不归零码、单极性码和双极性码的特点,不归零码在传输中难以确定一位的结束和另一位的开始,需要用某种方法使发送器和接收器之间进行定
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