计算机网络

1. 计算机网络 西安邮电学院计算机学院 谢晓燕 副教授 第2章 物理层

2. 第二章 物理层 2.1物理层的基本概念 2.2数据通信的基础知识 2.3物理层下面的传输媒体 2.4 信道复用技术 2.5 数字传输系统 2.6宽带接入技术 第二章 物理层

3. § 2.1 物理层的基本概念 问题的提出：如何在连接各种计算机的传输媒体上透明地传输比特流。（向上屏蔽掉媒体的差异） 用于物理层的协议也常称为物理层规程(procedure)。 物理层的主要任务可描述为确定与传输媒体的接口的一些特性，即： （1）机械特性。 （2）电气特性。 （3）功能特性。 （4）规程特性。 第二章 物理层

4. § 2.1 物理层的基本概念 机械特性 指明接口所用接线器的形状和尺寸、引脚数目和排列方式，定义接插及锁紧方式等。 电气特性 指明在接口电缆的线路上出现的电压、电流等范围。 功能特性 指明某条线上出现的某一电平的电压信号表示何种意义，通信过程中完成何种功能。 规程特性 指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。是功能事件时序的描述。 返回目录 第二章 物理层

5. § 2.2 数据通信的基础知识 2.2.1数据通信系统的模型 2.2.2 有关信道的几个基本概念 2.2.3信道的极限容量 第二章 物理层

6. §2.2.1 数据通信系统的模型 一个数据通信系统可划分为三大部分，即源系统(或发送端)、传输系统(或传输网络)和目的系统(或接收端)。 返回目录 第二章 物理层

7. 信息→数据→信号→在介质上传输→信号→数据→信息信息→数据→信号→在介质上传输→信号→数据→信息 §2.2.2 通信系统有关的基本概念 • 数据、信息与信号 • 信息（Information）数据的内容或含义 • 数据(data)是运送信息的实体 • 信号(signal)是数据的电气的或电磁的表现 把携带信息的数据用物理信号形式通过介质传送到目的地。 第二章 物理层

8. §2.2.2 通信系统有关的基本概念 • 数据传输的形式 • 信道:表示向某一个方向传送信息的媒体 • (注意:逻辑概念,与线路的区别) • 不同类型的数据和信号在不同类型的信道上传输有4种组合。 数据：模拟数据、数字数据 信号：模拟信号、数字信号 信道：模拟信道、数字信道 第二章 物理层

9. §2.2.2 通信系统有关的基本概念 3.数字信号的传输方式 • 基带传输： 信号按原来的形式通过数字信道进行传输，即：将编码后的数字脉冲信号直接放在信道上传送。 是“直接控制信号状态”的传输方式，例如：以太网 • 频带传输： 将基带信号调制成模拟信号后再传送，接收方需要解调 是“控制载波信号状态”的传输方式，例如：通过电话模拟信道传输 •宽带信号： 是将基带信号进行调制后形成的频分复用模拟信号 第二章 物理层

10. §2.2.2 通信系统有关的基本概念 信道的传输模式(通信方式) 通信双方的信息交互方式，按数据流动的方向有三种基本方式： （1）单向通信：又称为单工通信，即只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。 （2）双向交替通信：又称为半双工通信，即通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送(当然也就不能同时接收)。 （3）双向同时通信：又称为全双工通信，即通信的双方可以同时发送和接收信息。 第二章 物理层

11. §2.2.3 信道的极限容量 码元速率又称波特率，指单位时间内通过信道的码元个数 衰减和失真对传输的影响 第二章 物理层

12. §2.2.3 信道的极限容量 1。信道对通过信号的频率限制 奈奎斯特(Nyquist)准则： • 理想低通信道(带宽为WHz )的最高码元传输速率= 2W Baud 即每赫带宽的理想低通信道的最高码元传输速率是每秒2个码元。 • 理想带通信道的最高码元传输速率 = W Baud 即每赫带宽的带通信道的最高码元传输速率为每秒1个码元。 第二章 物理层

13. §2.2.3 信道的极限容量 2。信噪比 信号平均功率与噪声平均功率的比值，S/N. 用分贝（dB）度量信噪比=10log10（S/N） 第二章 物理层

14. §2.2.3 信道的极限容量 3、信道的极限信息传输速率香农公式 信道的极限信息传输速率可表达为 C = W log2(1+S/N) bit/s 其中：W为信道的带宽(以Hz为单位)； S为信道内所传信号的平均功率； N为信道内部的高斯噪声功率。 香农公式表明，信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高。 第二章 物理层

15. §2.2.3 信道的极限容量 4. Bit与Baud的关系 1 Baud = （log2M） bps 其中M是信号的编码级数。也可以写成 Rbit = Rbaud log2M 通过调制编码，一个码元中可以传送多个比特（bit），这样在信道不变的情况下可以提高信息传送速率。 M 最大数据率 (C) 2 6000 bps 4 12000 bps 8 18000 bps 话音级线路 (3000 Hz) Rbaud =6000 baud 第二章 物理层

16. §2.2.3 信道的极限容量 第二章 物理层

17. §2.2.3 信道的极限容量 调制解调器（数字数据的模拟传输） 1．调制解调器的作用 第二章 物理层

18. §2.2.3 信道的极限容量 若所传送的码元速率越高，信号的失真就越严重。 调制解调器(modem)就是由调制器(MOdulator)和解调器(DEModulator)这两个字各取其字头合并而成的。 调制器的主要作用就是：在一条标准的二线模拟话路(3.1kHz)上提供全双工的异步数字通信。调制进行波形变换、解调进行波形识别。 第二章 物理层

19. §2.2.3 信道的极限容量 2．几种最基本的调制方法 所谓调制就是进行波形变换。或者更严格些，是进行频谱变换，将基带数字信号的频谱变换成为适合于模拟信道传输的频谱。最基本的二元制调制方法有以下几种： （1）调幅(AM)：载波的振幅随基带数字信号而变化 （2）调频(FM)：载波的频率随基带数字信号而变化 （3）调相(PM)：载波的初始相位随基带数字信号而变化 第二章 物理层

20. 第二章 物理层

21. §2.2.3 信道的极限容量 调频又称为移频键控FSK (Frequency Shift Keying)而调相又称为移相键控PSK (Phase Shift Keying)。移相键控还可再分为绝对移相键控和相对移相键控(DPSK差分码，抗干扰性好)。 为了达到更高的信息传输速率，可以采用技术上更复杂的多元制振幅相位混合调制方法。后面为正交调制QAM (Quadrature Amplitude Modulation)的星座图。 第二章 物理层

22. §2.2.3 信道的极限容量 可以看出，若每一个码元可表示的比特数越多(即在星座图中的点数越多)，则在接收端进行解调时要正确识别每一种状态就越困难。 第二章 物理层

23. §2.2.3 信道的极限容量 3．关于调制解调器的速率 图(a)表示两个计算机用户A和B通过V.34调制解调器(33.6 kbit/s)进行通信。 由于大部分的ISP都使用租用数字专线接入到电话交换机，因此用户与ISP之间的通信信道是图(b)所示的那样。 第二章 物理层

24. 返回目录 经数模转换后到用户环路，只有在模拟信号到达用户的调制解调器后才进行数模转换，这时才产生量化噪声。 第二章 物理层

25. §2.3 物理层下面的传输媒体 2.3.1 导向传输媒体 2.3.2非导向传输媒体 第二章 物理层

26. §2.3 物理层下面的传输媒体 传输媒体也称为传输介质或传输媒介，它就是数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路。传输媒体可分为两大类:导向传输媒体、非导向传输媒体。 在导向传输媒体中，电磁波被导向沿着固体媒体(铜线或光纤)传播，而非导向传输媒体就是指自由空间，在非导向传输媒体中电磁波的传输常称为无线传输。 第二章 物理层

27. §2.3.1 导向传输媒体 一、双绞线（TP, Twisted Pair） 1、双绞线的结构 把两根互相绝缘的铜导线并排放在一起，然后用规则的方法按一定密度绞合(twist)起来就构成了双绞线。 • 在双绞线电缆(也称双扭线电缆)内,不同线对具有不同的扭绞长度（扭距），一般地说，扭绞长度在38.1cm至14cm内，按逆时针方向扭绞，相邻线对的扭绞长度在12.7cm以上。 • 扭绞可以相互抵消电磁干扰，扭距越小，抗干扰能力越强 撕剥线 第二章 物理层

28. 撕剥线 撕剥线 §2.3.1 导向传输媒体 2、双绞线的分类 屏蔽双绞线 (Shielded,STP)非屏蔽双绞线 (Unshielded,UTP) （以铝箔屏蔽以减少干扰和串音） • ( 双绞线外没有任何附加屏蔽 ) 屏蔽层 第二章 物理层

29. §2.3.1 导向传输媒体 二、同轴电缆 (Coaxial Cable) 1、电缆结构 同轴电缆由内导体铜质芯线(单股实心线或多股绞合线)、绝缘层、网状编织的外导体屏蔽层(也可以是单股的)以及保护塑料外绝缘护套所组成。 第二章 物理层

30. BNC 接头 §2.3.1 导向传输媒体 2、电缆分类 通常按特性阻抗数值的不同，将同轴电缆分为两类： （1）50 同轴电缆：又称为基带同轴电缆。一条电缆只用于一个信道，用于数字传输。 • 细缆（Thinnet）：直径0.25英寸传输距离185米 RG-58 第二章 物理层

31. §2.3.1 导向传输媒体 RJ-45连接器包括一个插头（水晶头）和一个插孔。插孔安装在机器上或布线设备上，而插头和双绞线相连。EIA/TIA制定的布线标准规定了8根针脚的编号。 5、RJ-45连接器 第二章 物理层

32. §2.3.1 导向传输媒体 6、制作双绞线 • 压线钳 第二章 物理层

33. §2.3.1 导向传输媒体 粗缆(Thicknet)：直径0.5英寸传输距离500米 RG-8 第二章 物理层

34. §2.3.1 导向传输媒体 （2）75 同轴电缆:RG-59 75 同轴电缆又称为宽带同轴电缆。 在计算机通信中，“宽带系统”是指采用了频分复用和模拟传输技术的同轴电缆网络。一条电缆同时传输不同频率的多路模拟信号，用于模拟传输，300—450MHz，100km，需要放大器 第二章 物理层

35. §2.3.1 导向传输媒体 三、光纤 光纤通常由非常透明的石英玻璃拉成细丝，主要由纤芯和包层构成双层通信圆柱体。纤芯很细，其直径只有8 ~ 100 m。正是这个纤芯用来传导光波。其特点是： - 依靠光波承载信息 - 速率高，通信容量大 仅受光电转换器件的限制（＞100Gb/s） - 传输损耗小，适合长距离传输 - 抗干扰性能极好，保密性好 - 轻便 第二章 物理层

36. §2.3.1 导向传输媒体 • 光纤传输原理 - 光从一种介质入射到另一种介质时会产生折射。折射量取决于两种介质的折射率。当入射角≥临界值时产生全反射，不会泄漏。 - 纤芯的折射率高、玻璃包层的折射率低 - 有光脉冲-1，无光脉冲-0 第二章 物理层

37. §2.3.1 导向传输媒体 • 光纤收发问题 光电转换器 光电转换器 电信号 光信号 电信号 第二章 物理层

38. 单芯光缆 玻璃封套 塑料外套 玻璃内芯 塑料外套 外壳 多芯光缆 玻璃封套 玻璃内芯 §2.3.1 导向传输媒体 • 典型的光缆 第二章 物理层

39. §2.3.1 导向传输媒体 二、光纤类型（多模式multimode、单模式single-mode) • 单模特性： • 纤芯较细。 • 散射少。 • 适合长距离传输（达到3km) • 使用激光作为光源。 • 用于校园网骨干连接。 • 多模特性： • 纤芯较粗（50微米、62.5微米或更大） • 散射较大。 • 适合长距离传输（达到2km) • 使用红外发光二极管作为光源。 • 用于校园网或LAN连接。 第二章 物理层

40. §2.3.1 导向传输媒体 • 光缆接头（SC,ST,FC,LC) • 光缆耦合器 • 光缆配线架 返回目录 第二章 物理层

41. §2.3.2 非导向传输媒体 第二章 物理层

42. §2.3.2 非导向传输媒体 1．短波通信：高频、电离层反射、通信质量差、速率低 2．地面微波接力通信 其主要特点是： 微波波段频率很高，其频段范围也很宽，因此其通信信道的容量很大； 因为工业干扰和天电干扰的主要频谱成分比微波频率低得多，对微波通信的危害比对短波和米波通信小得多，因而微波传输质量较高； 与相同容量和长度的电缆载波通信比较，微波接力通信建设投资少，见效快。 第二章 物理层

43. §2.3.2 非导向传输媒体 • 两个地面站之间传送 • 距离：50 -100 km 地面站之间的直视线路 微波传送塔 地球 第二章 物理层

44. §2.3.2 非导向传输媒体 微波接力通信缺点： 相邻站之间必须直视，不能有障碍物，有时一个天线发射出的信号也会分成几条略有差别的路径到达接收天线，因而造成失真； 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。 3．卫星通信 卫星通信的最大特点是通信距离远，且通信费用与通信距离无关。广播式通信、保密差、技术复杂、成本高。 卫星通信的另一特点就是具有较大的传播时延。 第二章 物理层

45. §2.3.2 非导向传输媒体 • 与地面站相对固定位置 • 使用3个卫星覆盖全球 • 传输延迟时间长 地球 第二章 物理层

46. 常用传输媒体的比较 返回目录 第二章 物理层

47. §2.4 信道复用技术 2.4.1 频分复用、时分复用和统计时分复用 2.4.2 波分复用 2.4.3码分复用 第二章 物理层

48. § 2.4 信道复用技术 • 复用(multiplexing)是通信技术中的基本概念。 信道 A1 A2 A1 A2 共享信道 信道 复用 分用 B1 B2 B1 B2 信道 C1 C2 C1 C2 (a) 不使用复用技术 (b) 使用复用技术 第二章 物理层

49. §2.4.1 频分复用、时分复用和统计时分复用 1 频分复用FDM 所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源。 e.g.广播、电视 第二章 物理层

50. §2.4.1 频分复用、时分复用和统计时分复用 2 时分复用TDM 所有用户是在不同的时间占用同样的频带宽度。 第二章 物理层