計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課件3(物理層)

1、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)及應(yīng)用第 3 講 物理層第 3講 OSI的物理層1 物理層的基本概念2 物理層下面的傳輸媒體 2.1 導(dǎo)向傳輸媒體 2.2 非導(dǎo)向傳輸媒體3 數(shù)據(jù)編碼與調(diào)試技術(shù) 3.1 模擬數(shù)據(jù)調(diào)制為模擬信號(hào) 3.2 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)調(diào)制為模擬信號(hào) 3.3 模擬數(shù)據(jù)調(diào)制為數(shù)字信號(hào)PCM 3.4 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)編碼為數(shù)字信號(hào)第 3講 OSI的物理層4 信道復(fù)用技術(shù) 4.1 頻分復(fù)用、時(shí)分復(fù)用和統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用 4.2 波分復(fù)用 4.3 碼分復(fù)用1 物理層的基本概念 n物理層的任務(wù)是透明地傳輸比特流。 n在物理層上所傳輸數(shù)據(jù)的單位是比特流。n物理層要考慮用多大的電壓代表“1”和“0”，以及當(dāng)發(fā)送端發(fā)出比特“1”時(shí)，在

2、接收端如何識(shí)別出這是比特“1”而不是比特“0”。物理層還要確定連接電纜的插頭應(yīng)當(dāng)有多少根腿以及各個(gè)腿應(yīng)該如何連接。1 物理層的基本概念 物理層的主要任務(wù)描述為確定與傳輸媒體的接口的一些特性，即： n機(jī)械特性 指明接口所用接線器的形狀和尺寸、引線數(shù)目和排列、固定和鎖定裝置等等。n電氣特性 指明在接口電纜的各條線上出現(xiàn)的電壓的范圍。n功能特性 指明某條線上出現(xiàn)的某一電平的電壓表示何種意義。n過程特性 指明對(duì)于不同功能的各種可能事件的出現(xiàn)順序。 2 物理層下面的傳輸媒體無(wú)線電微波紅外線可見光紫外線X射線射線雙絞線同軸電纜衛(wèi)星地面微波 調(diào)幅無(wú)線電 調(diào)頻無(wú)線電 海事無(wú)線電光纖電視(Hz)f (Hz)fL

3、FMFHFVHF UHF SHFEHFTHF波段104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016100 102 104 106 108 1010 1012 1014 1016 1018 1020 1022 1024 移動(dòng)無(wú)線電 電信領(lǐng)域使用的電磁波的頻譜導(dǎo)向傳輸媒體n雙絞線n屏蔽雙絞線 STP (Shielded Twisted Pair)n無(wú)屏蔽雙絞線 UTP (Unshielded Twisted Pair) n同軸電纜n50 同軸電纜n75 同軸電纜n光纜 各種電纜銅線銅線聚氯乙烯 套層聚氯乙烯套層屏蔽層絕緣層絕緣層外導(dǎo)

4、體屏蔽層絕緣層絕緣保護(hù)套層內(nèi)導(dǎo)體無(wú)屏蔽雙絞線 UTP屏蔽雙絞線 STP同軸電纜光線在光纖中的折射 折射角入射角 包層（低折射率的媒體） 包層（低折射率的媒體） 纖芯（高折射率的媒體） 包層纖芯光纖的工作原理高折射率(纖芯)低折射率(包層)光線在纖芯中傳輸?shù)姆绞绞遣粩嗟厝瓷漭斎朊}沖輸出脈沖單模光纖多模光纖與單模光纖輸入脈沖輸出脈沖多模光纖非導(dǎo)向傳輸媒體 n無(wú)線傳輸所使用的頻段很廣。n無(wú)線電波通信主要是利用地面發(fā)射的無(wú)線電波通過電離層的反射，或電離層與地面的多次反射而到達(dá)接收端的一種遠(yuǎn)距離通信方式，但通信質(zhì)量不穩(wěn)定。n微波。對(duì)于頻率在100MHz以上的無(wú)線電波，其能量將集中于一點(diǎn)并沿直線傳播。微

5、波在空間主要是直線傳播。 n地面微波接力通信n衛(wèi)星通信 n紅外。使用紅外線通過空氣傳輸數(shù)據(jù)，電視和立體聲系統(tǒng)所使用的遙控器。nRF（射頻）傳輸是指信號(hào)通過特定的頻率來(lái)傳輸，傳輸方式與收音機(jī)或電視廣播相同。每個(gè)計(jì)算機(jī)都帶一個(gè)天線，經(jīng)過它發(fā)送和接收RF。幾種介質(zhì)的比較 n雙絞線的技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)比較成熟，安裝相對(duì)容易，價(jià)格低廉。因此雙絞線電纜是目前局域網(wǎng)中最通用的電纜形式。缺點(diǎn)是對(duì)電磁干擾比較敏感；比同軸電纜更易遭受物理?yè)p害。n單模光纖的數(shù)據(jù)傳輸速率更高，傳輸?shù)木嚯x更遠(yuǎn)，但開銷太大。多模光纖相對(duì)來(lái)說(shuō)傳輸距離更短，而且數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)率要小于單模光纖，優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格便宜，并且可以用廉價(jià)的發(fā)光二極管作為光源。n無(wú)線

6、電波優(yōu)點(diǎn)是易于產(chǎn)生，容易穿過建筑物，傳播距離可以很遠(yuǎn)，但容易受到電磁的干擾，而且通信質(zhì)量不穩(wěn)定。n微波通信在傳輸質(zhì)量上比較穩(wěn)定，是長(zhǎng)途通信的重要手段，缺點(diǎn)是保密性不如電纜和光纜好。n紅外網(wǎng)絡(luò)對(duì)小型的計(jì)算機(jī)尤為方便，但傳輸距離有待提高。nRF是一種最好的無(wú)線解決方案，缺點(diǎn)是易于竊聽，也容易受到干擾。 數(shù)據(jù)的表現(xiàn)形式信號(hào)，分為模擬信號(hào)和數(shù)據(jù)的表現(xiàn)形式信號(hào)，分為模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)兩種，鑒于信號(hào)的特性及傳輸介質(zhì)的性數(shù)字信號(hào)兩種，鑒于信號(hào)的特性及傳輸介質(zhì)的性能，模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)在處理過程中往往需要能，模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)在處理過程中往往需要相互轉(zhuǎn)換，或在傳輸過程中需要改變其表現(xiàn)形式相互轉(zhuǎn)換，或在傳輸過程

7、中需要改變其表現(xiàn)形式。3 數(shù)據(jù)調(diào)制與編碼4 4種不同的數(shù)據(jù)表示方式種不同的數(shù)據(jù)表示方式模擬數(shù)據(jù)模擬數(shù)據(jù)模擬信號(hào)模擬信號(hào)調(diào)制器調(diào)制器模擬數(shù)據(jù)模擬數(shù)據(jù)數(shù)字信號(hào)數(shù)字信號(hào)編碼器編碼器數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)模擬信號(hào)模擬信號(hào)調(diào)制器調(diào)制器數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)數(shù)字信號(hào)數(shù)字信號(hào)編碼器編碼器調(diào)制信號(hào)調(diào)制信號(hào)高頻載波高頻載波AM信號(hào)信號(hào) 是用高頻正弦波作為載波信號(hào)，用要傳輸?shù)男盘?hào)（調(diào)制信號(hào)）來(lái)控是用高頻正弦波作為載波信號(hào)，用要傳輸?shù)男盘?hào)（調(diào)制信號(hào)）來(lái)控制載波的振幅、頻率或者相位，使高頻載波的振幅、頻率或者相位制載波的振幅、頻率或者相位，使高頻載波的振幅、頻率或者相位的變化隨著其變化規(guī)律的變化而變化。的變化隨著其變化規(guī)律的變化

8、而變化。例：振幅調(diào)制（例：振幅調(diào)制（AMAM）3.1 模擬數(shù)據(jù)調(diào)制為模擬模擬數(shù)據(jù)調(diào)制為模擬信號(hào)信號(hào)3.2 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)調(diào)制為模擬信號(hào)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)調(diào)制為模擬信號(hào) n模擬信號(hào)是由電磁波構(gòu)成的，其波形會(huì)不斷發(fā)生變化。從物理角度去度量一個(gè)電磁波的波形，需要用3個(gè)參數(shù)：振幅、頻率（周期）和相位。其信號(hào)可以寫成： U（t）=Acos(wt+?) 式子中A振幅；w頻率；?初相位；n數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的編碼，實(shí)際上也就是通過載波的控制來(lái)傳遞數(shù)據(jù)的技術(shù)。發(fā)送端根據(jù)數(shù)據(jù)的內(nèi)容命令調(diào)制器改變載波的物理特性，接收端則通過解調(diào)器從載波上讀出這些物理特性的變換并將其還原成數(shù)據(jù)。3.2 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)調(diào)制為模擬信號(hào)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)調(diào)制為模擬信號(hào) 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)

9、數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)1.振幅鍵控振幅鍵控 ASK2.移頻鍵控移頻鍵控 FSK3.移相鍵控移相鍵控 PSK3.3 模擬數(shù)據(jù)調(diào)制為數(shù)字信號(hào)模擬數(shù)據(jù)調(diào)制為數(shù)字信號(hào)PCM 模擬信號(hào)數(shù)字化：模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。模擬信號(hào)數(shù)字化：模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。目的：為了信號(hào)在數(shù)字信道上傳輸。目的：為了信號(hào)在數(shù)字信道上傳輸。PCM（脈沖編碼調(diào)制）：脈沖編碼調(diào)制）：Pulse Code Modulation。PCM將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的過程：將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的過程：采樣采樣量化量化編碼編碼（1 1）采樣）采樣tu（t）d1d0d2d3d4d5d6d7對(duì)連續(xù)信號(hào)（模擬信號(hào)），按一定的時(shí)間間隔取出一些瞬時(shí)值對(duì)連續(xù)信號(hào)

10、（模擬信號(hào)），按一定的時(shí)間間隔取出一些瞬時(shí)值。 能否用抽樣值代能否用抽樣值代 替原來(lái)的連續(xù)信號(hào)替原來(lái)的連續(xù)信號(hào)f抽 2fmax!? ?如果抽樣頻率等于或大于信號(hào)最高頻率的兩倍，則可如果抽樣頻率等于或大于信號(hào)最高頻率的兩倍，則可以由抽樣恢復(fù)原信號(hào)。以由抽樣恢復(fù)原信號(hào)。（2 2）量化）量化預(yù)先確定一些標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值（等級(jí)）作為量化值，把抽樣值與量化值預(yù)先確定一些標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值（等級(jí)）作為量化值，把抽樣值與量化值相比較，從中選出最接近抽樣值的量化值來(lái)代替真實(shí)的抽樣值。相比較，從中選出最接近抽樣值的量化值來(lái)代替真實(shí)的抽樣值。例如：分為例如：分為1616個(gè)等級(jí)，四舍五入個(gè)等級(jí)，四舍五入u（t）td1d0d2d3d4

11、d5d6d736131513741!通過抽樣、量化后，信號(hào)不僅在時(shí)間上是離散的通過抽樣、量化后，信號(hào)不僅在時(shí)間上是離散的，而且在取值上也是離散的，而且在取值上也是離散的數(shù)字信號(hào)的形成數(shù)字信號(hào)的形成（3 3）編碼）編碼 二進(jìn)制碼二進(jìn)制碼 0100編碼信號(hào)編碼信號(hào) 編碼信號(hào)編碼信號(hào) 信號(hào)數(shù)字化的整個(gè)過程為：信號(hào)數(shù)字化的整個(gè)過程為： 抽樣抽樣 d d2 2 1.281.28 量化為量化為 1313 二進(jìn)制碼二進(jìn)制碼 11011101 編碼信號(hào)編碼信號(hào) 抽樣抽樣 d d5 5 0.730.73 量化為量化為 7 7 二進(jìn)制碼二進(jìn)制碼 01110111 把經(jīng)過抽樣、量化后的數(shù)字信號(hào)用一組二進(jìn)制電碼來(lái)表示

12、的過程。把經(jīng)過抽樣、量化后的數(shù)字信號(hào)用一組二進(jìn)制電碼來(lái)表示的過程。2. 曼徹斯特編碼曼徹斯特編碼 每個(gè)數(shù)據(jù)比特都分成兩個(gè)相等的間隔，每個(gè)每個(gè)數(shù)據(jù)比特都分成兩個(gè)相等的間隔，每個(gè) 比特中間都會(huì)出現(xiàn)一次電平的跳變；比特中間都會(huì)出現(xiàn)一次電平的跳變； 規(guī)定：規(guī)定： 從高電平跳變到低電平時(shí)，表示這一比特為從高電平跳變到低電平時(shí)，表示這一比特為“1”； 從低電平跳變到高電平時(shí)，表示這一比特為從低電平跳變到高電平時(shí)，表示這一比特為“0”；3.4 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)編碼為數(shù)字信號(hào)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)編碼為數(shù)字信號(hào) 1. 不歸零編碼不歸零編碼3. 差分曼徹斯特編碼差分曼徹斯特編碼 可以用高電平表示邏輯可以用高電平表示邏輯“1”，用低電

13、平表示，用低電平表示“0”；反；反之亦然。之亦然。 若一個(gè)比特開始處存在若一個(gè)比特開始處存在跳變則表示跳變則表示“0”，無(wú)跳變則表示，無(wú)跳變則表示“1”；同步信號(hào)同步信號(hào)曼徹斯特編碼曼徹斯特編碼例例數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)1 0 0 0 1 0 1 11 0 0 0 1 0 1 1電信號(hào)電信號(hào)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)1000101110001011的編碼如下：的編碼如下：課堂練習(xí)課堂練習(xí)一、單選題一、單選題1. 在數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)編碼方式中，在數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)編碼方式中，( ) 是一種自含時(shí)鐘編碼方式。是一種自含時(shí)鐘編碼方式。 A. 奇偶校驗(yàn)碼奇偶校驗(yàn)碼 B.曼徹斯特編碼曼徹斯特編碼 C. PCM D. 二進(jìn)制編碼二進(jìn)制編碼2. 通常通信信

14、道的帶寬越寬，數(shù)據(jù)傳輸中的失真將會(huì)通常通信信道的帶寬越寬，數(shù)據(jù)傳輸中的失真將會(huì)( ) 。 A. 越大越大 B. 越小越小 C. 同不變同不變 D. 不定不定3. 在脈沖編碼調(diào)制中，如果通信信道帶寬為在脈沖編碼調(diào)制中，如果通信信道帶寬為B，那么采樣頻率那么采樣頻率f與帶寬的與帶寬的關(guān)系應(yīng)為關(guān)系應(yīng)為( ) 。 A. f大于等于大于等于2B B. f小于小于2B C. FB D. f0.5B4. 在脈沖編碼調(diào)制中，如果規(guī)定的量化級(jí)是在脈沖編碼調(diào)制中，如果規(guī)定的量化級(jí)是64個(gè)，則需要使用（個(gè)，則需要使用（ ）位編碼。位編碼。 A. 7 B. 6 C. 5 D. 4B BB BA AB B二、填空題二、

15、填空題1.1.描述電磁波的描述電磁波的3 3個(gè)主要參數(shù)是（個(gè)主要參數(shù)是（ ）、（）、（ ) )和（和（ ）。）。2.2.電話通信信道是典型的（電話通信信道是典型的（ ）信道，為了利用電話交換網(wǎng)實(shí)）信道，為了利用電話交換網(wǎng)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的（現(xiàn)計(jì)算機(jī)的（ ）的傳輸，必須先將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信）的傳輸，必須先將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)。號(hào)。3.3.模擬數(shù)據(jù)編碼方法可以分為（模擬數(shù)據(jù)編碼方法可以分為（ ）、（）、（ ）和）和 ( ( )3 )3類。類。4. 4. 曼徹斯特編碼是比較流行的（曼徹斯特編碼是比較流行的（ ）編碼方法，它在每個(gè)比特）編碼方法，它在每個(gè)比特中間都會(huì)有一次（中間都會(huì)有一次（ ），因此

16、它是一種自含（），因此它是一種自含（ ）的數(shù)據(jù)編碼方法。的數(shù)據(jù)編碼方法。5. 5. 脈沖編碼調(diào)制的三個(gè)步驟是（脈沖編碼調(diào)制的三個(gè)步驟是（ ）、（）、（ ）和（）和（ ）。）。振幅振幅 頻率頻率 相位相位 模擬通信模擬通信 數(shù)字信號(hào)數(shù)字信號(hào) 振幅鍵控振幅鍵控 頻移鍵控頻移鍵控 相移鍵控相移鍵控 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù) 電平跳變電平跳變 時(shí)鐘信號(hào)時(shí)鐘信號(hào) 采樣采樣 量化量化 編碼編碼 同步信號(hào)同步信號(hào)曼徹斯特編碼曼徹斯特編碼數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)1 1 0 0 1 1 0 11 1 0 0 1 1 0 1電信號(hào)電信號(hào)三、畫出數(shù)據(jù)三、畫出數(shù)據(jù)1100110111001101的的曼徹斯特曼徹斯特編碼編碼 作業(yè)作業(yè)1.數(shù)據(jù)

17、編碼方法可以分為哪兩種類型？它們各有哪些主要的編數(shù)據(jù)編碼方法可以分為哪兩種類型？它們各有哪些主要的編碼方法？碼方法？ 2.說(shuō)明脈沖編碼調(diào)制方式的基本工作原理。說(shuō)明脈沖編碼調(diào)制方式的基本工作原理。3.3.畫出數(shù)據(jù)畫出數(shù)據(jù)1011010110110101的的曼徹斯特曼徹斯特編碼。編碼。共享信道4 信道復(fù)用技術(shù)4.1 頻分復(fù)用、時(shí)分復(fù)用和統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用 n復(fù)用(multiplexing)是通信技術(shù)中的基本概念。 信道A1A2B1B2C1C2信道信道A1A2B1B2C1C2復(fù)用分用(a) 不使用復(fù)用技術(shù)(b) 使用復(fù)用技術(shù)頻分復(fù)用 FDM(Frequency Division Multiplexing)

18、 n用戶在分配到一定的頻帶后，在通信過程中自始至終都占用這個(gè)頻帶。n頻分復(fù)用的所有用戶在同樣的時(shí)間占用不同的帶寬資源（請(qǐng)注意，這里的“帶寬”是頻率帶寬而不是數(shù)據(jù)的發(fā)送速率）。 頻率時(shí)間頻率 1頻率 2頻率 3頻率 4頻率 5時(shí)分復(fù)用TDM(Time Division Multiplexing) n時(shí)分復(fù)用則是將時(shí)間劃分為一段段等長(zhǎng)的時(shí)分復(fù)用幀（TDM 幀）。每一個(gè)時(shí)分復(fù)用的用戶在每一個(gè) TDM 幀中占用固定序號(hào)的時(shí)隙。n每一個(gè)用戶所占用的時(shí)隙是周期性地出現(xiàn)（其周期就是 TDM 幀的長(zhǎng)度）。nTDM 信號(hào)也稱為等時(shí)(isochronous)信號(hào)。n時(shí)分復(fù)用的所有用戶是在不同的時(shí)間占用同樣的頻帶寬

19、度。時(shí)分復(fù)用 頻率時(shí)間B C DB C DB C DB C DAAAAA 在 TDM 幀中的位置不變TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀時(shí)分復(fù)用 頻率時(shí)間BDBDBDAAAA BCCCC DC 在 TDM 幀中的位置不變TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀時(shí)分復(fù)用 頻率時(shí)間B CB CB CAAAA B CDDDDD 在 TDM 幀中的位置不變TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀時(shí)分復(fù)用可能會(huì)造成線路資源的浪費(fèi) ABCDaabbcdb cattttt4 個(gè)時(shí)分復(fù)用幀#1acbcd時(shí)分復(fù)用#2#3#4用戶使用時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)傳送計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)時(shí)，由于計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)的

20、突發(fā)性質(zhì)，用戶對(duì)分配到的子信道的利用率一般是不高的。 統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用 STDM(Statistic TDM) 用戶ABCDabcdttttt3 個(gè) STDM 幀#1acbab bcacd#2#3統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用 1550 nm 0 1551 nm 1 1552 nm 2 1553 nm 3 1554 nm 4 1555 nm 5 1556 nm 6 1557 nm 70 1550 nm 1 1551 nm 2 1552 nm 3 1553 nm 4 1554 nm 5 1555 nm 6 1556 nm 7 1557 nm 2.4.2 波分復(fù)用 WDM(Wavelength Division Mul

21、tiplexing) n波分復(fù)用就是光的頻分復(fù)用。 8 2.5 Gb/s1310 nm20 Gb/s復(fù)用器分用器EDFA120 km光調(diào)制器光解調(diào)器2.4.3 碼分復(fù)用 CDM(Code Division Multiplexing) n常用的名詞是碼分多址 CDMA (Code Division Multiple Access)。n各用戶使用經(jīng)過特殊挑選的不同碼型，因此彼此不會(huì)造成干擾。n這種系統(tǒng)發(fā)送的信號(hào)有很強(qiáng)的抗干擾能力，其頻譜類似于白噪聲，不易被敵人發(fā)現(xiàn)。 n每一個(gè)比特時(shí)間劃分為 m 個(gè)短的間隔，稱為碼片(chip)。 碼片序列(chip sequence) n每個(gè)站被指派一個(gè)唯一的 m bit 碼片序列。n如發(fā)送比特 1，則發(fā)送自己的 m bit 碼片序列。n如發(fā)送比特 0，則發(fā)送該碼片序列的二進(jìn)制反碼。 n例如，S 站的 8 bit 碼片序列是 00011011。n發(fā)送比特 1 時(shí)，就發(fā)送序列 00011011，n發(fā)送比特 0 時(shí)，就發(fā)送序列 11100100。nS 站的碼片序列：(1 1 1 +1 +1 1 +1 +1) CDMA 的重要特點(diǎn)n每個(gè)站分配的碼片序列不僅必須各不相同，并且還必須互相正交(orthogonal)。n在實(shí)