計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)：Chapter 6-Physical Layer物理層

1、Physical Layer物理層Chapter 6內(nèi)容提要數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的基本概念編碼與調(diào)制奈奎斯特定理與香農(nóng)定理交換技術(shù)電路交換報(bào)文交換分組交換數(shù)據(jù)報(bào)交換虛電路交換傳輸介質(zhì)物理層設(shè)備中繼器集線器 26:Physical LayerContentsTheoretical Basis for Data communicationBasic concepts of data communication systemEncoding and Modulation Nyquists Theorem and Shannons TheoremSwitchingCircuit switchMes

2、sage switchPacket switchVirtual Circuit switchDatagram switchTransmission MediumPhysical Layer DevicesRepeaterHub 36:Physical LayerGoal of the physical layerThe physical layer is concerned with transmitting raw bits over a communication channel.在通信信道上傳輸原始比特Determines the characteristics of Interface

3、 to physical media 確定與傳輸介質(zhì)的接口的一些特性Mechanical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Electrical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Functional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Procedural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 46:Physical LayerContentsTheoretical Basis for Data communicationBasic concepts of data communication systemEncodin

4、g and Modulation Nyquists Theorem and Shannons TheoremSwitchingCircuit switchMessage switchPacket switchVirtual Circuit switchDatagram switchTransmission MediumPhysical Layer DevicesRepeaterHub 56:Physical LayerData Communication Model數(shù)據(jù)通信模型傳輸系統(tǒng)輸入信息輸入數(shù)據(jù)發(fā)送的信號(hào)接收的信號(hào)輸出數(shù)據(jù)信源信宿發(fā)送設(shè)備接收設(shè)備調(diào)制解調(diào)器PC 機(jī)公用電話網(wǎng)調(diào)制解調(diào)器數(shù)字

5、比特流數(shù)字比特流模擬信號(hào)模擬信號(hào) 正文正文目的系統(tǒng)輸出信息PC 機(jī)源系統(tǒng)傳輸系統(tǒng)66:Physical LayerBasic Concepts基本概念信息information客觀事物屬性和相互聯(lián)系特性的表征數(shù)據(jù)data信息的實(shí)體。模擬數(shù)據(jù)：連續(xù)變化，如語音，溫度等；數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)：離散變化，如文字，整數(shù)等。信源source產(chǎn)生和發(fā)送數(shù)據(jù)的設(shè)備(計(jì)算機(jī))信宿destination接收和處理數(shù)據(jù)的設(shè)備(計(jì)算機(jī))信號(hào)signal數(shù)據(jù)的電壓或電磁編碼。 模擬(analog)信號(hào)：連續(xù)continuous變化。參數(shù)：振幅(amplitude)、周期(period)/頻率(frequency)、相位(phas

6、e)數(shù)字(digital)信號(hào)：取值是離散discrete數(shù)值。76:Physical Layer模擬的和數(shù)字的數(shù)據(jù)、信號(hào) 模擬數(shù)據(jù)模擬信號(hào)放大器模擬數(shù)據(jù)數(shù)字信號(hào)編碼器數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)模擬信號(hào)調(diào)制器數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)數(shù)字信號(hào) 數(shù)字發(fā)送器86:Physical LayerBasic Concepts (2)基帶信號(hào)Baseband Signal沒有經(jīng)過調(diào)制的原始數(shù)字信號(hào) 在傳輸距離較近時(shí)，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)都采用基帶傳輸方式。如從計(jì)算機(jī)到監(jiān)視器、打印機(jī)等外設(shè)的信號(hào)就是基帶傳輸?shù)摹４蠖鄶?shù)局域網(wǎng)使用基帶傳輸，如以太網(wǎng)、令牌環(huán)網(wǎng)。寬帶信號(hào)Broadband Signal將基帶信號(hào)進(jìn)行調(diào)制后形成的頻分復(fù)用模擬信號(hào)。由于每一路基帶

7、信號(hào)的頻譜被搬移到不同的頻段，因此合在一起后不會(huì)相互干擾，從而可以在一條電纜中同時(shí)傳送多路數(shù)字信號(hào)，提高信道利用率。 96:Physical LayerBasic Concepts (3)信道channel向某一個(gè)方向傳送信息的介質(zhì)。一條通信電路往往包含一條發(fā)送信道和一條接收信道。數(shù)字信道：采用數(shù)字信號(hào)傳輸數(shù)據(jù)的信道。模擬信道：采用模擬信號(hào)傳輸數(shù)據(jù)的信道。信道的帶寬Bandwidth帶寬源自于模擬信號(hào)傳輸系統(tǒng),是信道能夠傳輸?shù)男盘?hào)的頻率范圍,單位是赫茲(Hz)帶寬還可以指在單位時(shí)間內(nèi)從網(wǎng)絡(luò)中的某一點(diǎn)到另一點(diǎn)所能通過的位數(shù),單位是比特/秒(b/s)106:Physical Layer數(shù)據(jù)通信方式

8、設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)需要回答以下3個(gè)基本問題：串行通信與并行通信單工、半雙工與全雙工通信同步技術(shù)6:Physical Layer11串行通信與并行通信6:Physical Layer12單工、半雙工與全雙工通信6:Physical Layer13單工傳輸simplex： 在一個(gè)單一不變的方向上進(jìn)行信息傳輸。半雙工傳輸half-duplex：通信雙方都可以發(fā)送信息，但不能雙方同時(shí)發(fā)送。全雙工傳輸full-duplex：通信雙方可以同時(shí)發(fā)送和接收信息。異步傳輸與同步傳輸異步傳輸asynchronous：以字符為獨(dú)立的傳輸單位，在每個(gè)字符的起始處對(duì)字符內(nèi)的比特實(shí)現(xiàn)同步，但字符之間的間隔時(shí)間是不固定的

9、。同步傳輸synchronous：數(shù)據(jù)塊以穩(wěn)定的比特流的形式傳輸，沒有起始位和停止位。為了防止發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備之間的偏差，它們的時(shí)鐘必須達(dá)到某種程度的同步。外同步自同步(內(nèi)同步):將時(shí)鐘插入到數(shù)據(jù)中146:Physical LayerBasic Concepts (6)數(shù)據(jù)傳輸速率(比特率)每秒傳輸?shù)木幋a前數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的二進(jìn)制比特?cái)?shù), 單位是比特/秒(bps, b/s) 碼元code cell：時(shí)間軸上的一個(gè)信號(hào)編碼單元對(duì)于數(shù)字信號(hào)：一個(gè)數(shù)字脈沖是一個(gè)碼元對(duì)于模擬信號(hào)：載波的某個(gè)參數(shù)或幾個(gè)參數(shù)的變化是一個(gè)碼元碼元速率(波特率)數(shù)字信號(hào)或模擬信號(hào)每秒鐘變化的次數(shù) , 單位是波特(Baud)碼元所攜

10、帶的數(shù)據(jù)量由碼元的狀態(tài)值的個(gè)數(shù)決定比特率 = 波特率*log2M, M是碼元對(duì)應(yīng)的離散值個(gè)數(shù)(信號(hào)的狀態(tài)數(shù))156:Physical Layer碼元速率與數(shù)據(jù)傳輸速率的關(guān)系16 調(diào)制速率(baud) 多相調(diào)制的相數(shù) 數(shù)據(jù)傳輸速率(bps) 1200 二相調(diào)制(M=2) 1200 1200 四相調(diào)制(M=4) 2400 1200 八相調(diào)制(M=8) 3600 1200 十六相調(diào)制(M=16) 4800常用的數(shù)據(jù)傳輸速率單位有： kbps、Mbps、Gbps與Tbps1kbps=1103 bps1Mbps=1106 bps1Gbps=1109 bps1Tbps=11012 bpsContentsT

11、heoretical Basis for Data communicationBasic concepts of data communication systemEncoding and Modulation Nyquists Theorem and Shannons TheoremSwitchingCircuit switchMessage switchPacket switchVirtual Circuit switchDatagram switchTransmission MediumPhysical Layer DevicesRepeaterHub 176:Physical Laye

12、rEncoding and Modulation編碼與調(diào)制 數(shù)據(jù)在通過信道發(fā)送之前，必須轉(zhuǎn)換成不同的物理信號(hào)，轉(zhuǎn)換的方式取決于數(shù)據(jù)的原始格式和通信硬件采用的格式。數(shù)字-數(shù)字編碼：將數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)非歸零碼、曼徹斯特編碼、差分曼徹斯特編碼模擬-數(shù)字編碼：將模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)脈沖振幅調(diào)制PAM、脈沖編碼調(diào)制PCM、差分脈沖編碼調(diào)制DPCM數(shù)字-模擬調(diào)制：將數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)幅移鍵控ASK、頻移鍵控FSK、相移鍵控PSK、正交調(diào)幅QAM模擬-模擬調(diào)制：將模擬數(shù)據(jù)調(diào)制到高頻載波上去，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸調(diào)幅AM、調(diào)頻FM、調(diào)相PM186:Physical Layer196:Physical L

13、ayer數(shù)字-數(shù)字編碼數(shù)字-數(shù)字編碼曼徹斯特編碼原理：在每個(gè)位中間引入跳變來表示二進(jìn)制1和0。從低電平跳變到高電平表示0，從高電平跳變到低電平表示1。特點(diǎn)：位中間的跳變被接收方用于時(shí)鐘同步(也表示數(shù)據(jù))，即自同步。應(yīng)用：以太網(wǎng)差分曼徹斯特碼原理：在每個(gè)位中間有一個(gè)跳變，每個(gè)位開始時(shí)有跳變表示0，沒有跳變表示1。特點(diǎn)：位中間的跳變表示時(shí)鐘，位前的跳變表示數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)與時(shí)鐘分離，便于提取。應(yīng)用：令牌環(huán)網(wǎng)206:Physical Layer 脈沖編碼調(diào)制（PCM）是模擬數(shù)據(jù)數(shù)字化的主要方法；PCM操作包括：采樣、量化、編碼模擬-數(shù)字編碼216:Physical Layer采樣：脈沖振幅調(diào)制PAM通過脈

14、沖振幅調(diào)制技術(shù)對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行采樣，然后根據(jù)采樣結(jié)果產(chǎn)生一系列脈沖。脈沖振幅調(diào)制是脈沖信號(hào)的幅度隨模擬信號(hào)變化的一種調(diào)制方式。226:Physical Layer量化是將樣本幅度按量化級(jí)決定取值的過程；經(jīng)過量化后的樣本幅度為離散的量級(jí)值，已不是連續(xù)值；編碼是用相應(yīng)位數(shù)的二進(jìn)制代碼表示量化后的樣本的量級(jí)。23量化和編碼樣本量化級(jí)二進(jìn)制編碼D110001D240100D370111D4131101D5151111D6131101D760110D830011脈沖編碼調(diào)制PCM的應(yīng)用當(dāng)PCM用于數(shù)字化語音系統(tǒng)時(shí)，它將聲音分為128個(gè)量化級(jí)，每個(gè)量化級(jí)采用7位二進(jìn)制編碼表示；PCM可以用于計(jì)算機(jī)中的圖形、

15、圖像數(shù)字化與傳輸處理中；PCM的缺點(diǎn)是采用二進(jìn)制編碼，由于使用的二進(jìn)制位數(shù)較多，因此PCM的編碼效率比較低。24數(shù)字-模擬調(diào)制6:Physical Layer25數(shù)字-模擬調(diào)制:正交振幅調(diào)制 QAM266:Physical Layer正交振幅調(diào)制 QAM：將ASK和PSK兩種調(diào)制技術(shù)結(jié)合起來，使用同時(shí)包含振幅和相位的改變來表示數(shù)據(jù)。8-QAM使用了幅度與相位的8種組合，由于使用3個(gè)比特可以表示8種組合，因此，每一種組合代表一個(gè)碼元，每個(gè)碼元3個(gè)比特。16-QAM的幅度和相位有16種組合，每個(gè)組合代表一個(gè)碼元，每個(gè)碼元4個(gè)比特。 ContentsTheoretical Basis for Dat

16、a communicationBasic concepts of data communication systemEncoding and Modulation Nyquists Theorem and Shannons TheoremSwitchingCircuit switchMessage switchPacket switchVirtual Circuit switchDatagram switchTransmission MediumPhysical Layer DevicesRepeaterHub 276:Physical LayerNyquists Theorem奈奎斯特定理奈

17、奎斯特定理給出了無噪聲的有限帶寬信道的最大數(shù)據(jù)傳輸速率：對(duì)于一個(gè)帶寬為WHz的理想信道，其最大碼元速率為2W波特。如果被傳輸?shù)男盘?hào)包含了M個(gè)狀態(tài)值，那么WHz的信道所能承載的最大數(shù)據(jù)傳輸速率是C=2W*log2M(bps)286:Physical LayerShannons Theorem香農(nóng)定理香農(nóng)定理給出了有高斯白噪聲干擾的有限帶寬信道的極限、無差錯(cuò)的數(shù)據(jù)傳輸速率。信噪比 (signal-to-noise ratio)是信號(hào)的平均功率和噪聲的平均功率之比, 常記為S/N,單位為分貝(dB)例如：當(dāng)S/N = 10時(shí)，信噪比為10dB信道的極限數(shù)據(jù)傳輸速率 C 可表達(dá)為 B為信道的帶寬(以H

18、z為單位)例如：話音信道帶寬為3000Hz, (S/N)dB=30dB296:Physical LayerContentsTheoretical Basis for Data communicationBasic concepts of data communication systemEncoding and Modulation Nyquists Theorem and Shannons TheoremSwitchingCircuit switchMessage switchPacket switchVirtual Circuit switchDatagram switchTransmis

19、sion MediumPhysical Layer DevicesRepeaterHub 306:Physical LayerSwitching交換 交換的概念最早來自于電話系統(tǒng)。話音從電話程控交換機(jī)的某個(gè)接口進(jìn)入，從另一個(gè)接口出去的過程就是交換。交換設(shè)備解決了N個(gè)設(shè)備之間相互通信時(shí)存在的N2問題 交換機(jī)316:Physical LayerSwitching (2)電路交換Circuit switching：整個(gè)報(bào)文連續(xù)從源點(diǎn)直達(dá)終點(diǎn)，好象在一個(gè)管道中傳輸。報(bào)文交換Message switching：整個(gè)報(bào)文先傳送到相鄰節(jié)點(diǎn)，全部存下來后查轉(zhuǎn)發(fā)表，轉(zhuǎn)發(fā)至下一節(jié)點(diǎn)。分組交換Packet swit

20、ching：?jiǎn)蝹€(gè)分組傳送到相鄰節(jié)點(diǎn)，存儲(chǔ)下來后查轉(zhuǎn)發(fā)表，轉(zhuǎn)發(fā)到下一節(jié)點(diǎn)。326:Physical Layer(a) Circuit switching (b) Message switching (c) Packet switchingcomparison of circuit switching and packet switching336:Physical Layer電路交換與分組交換的比較項(xiàng)目電路交換分組交換建立呼叫連接要求不要求專門的物理路徑是否每個(gè)分組沿同樣的路徑是否分組按序到達(dá)是否某交換機(jī)崩潰是否有嚴(yán)重影響是否可用帶寬固定動(dòng)態(tài)可能擁塞的時(shí)間點(diǎn)建立呼叫連接的時(shí)候每個(gè)分組傳送的時(shí)候可

21、能有浪費(fèi)的帶寬是否存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)傳輸機(jī)制否是透明性是否收費(fèi)每分鐘每個(gè)分組346:Physical LayerContentsTheoretical Basis for Data communicationBasic concepts of data communication systemEncoding and Modulation Nyquists Theorem and Shannons TheoremSwitchingCircuit switchMessage switchPacket switchVirtual Circuit switchDatagram switchTransmissi

22、on MediumPhysical Layer DevicesRepeaterHub 356:Physical LayerTransmission media傳輸介質(zhì)guided media導(dǎo)引型介質(zhì)signals propagate in solid media固體介質(zhì), e.g., copper銅線, optical fiber光纖, coaxial cable同軸電纜unguided media 非導(dǎo)引型介質(zhì)signals propagate freely, e.g., radio無線電6:Physical Layer36Physical Media: Twisted Pair (TP)

23、 雙絞線雙絞線由按規(guī)則螺旋結(jié)構(gòu)排列的2根、4根或8根絕緣導(dǎo)線組成；一對(duì)導(dǎo)線可以作為一條通信線路，各個(gè)線對(duì)螺旋排列的目的是為了使各線對(duì)之間的電磁干擾最小；雙絞線分為兩類： 屏蔽雙絞線（STP）與非屏蔽雙絞線（UTP）按傳輸特性分成5類Category 3: 3類線 traditional phone wires電話線Category 5: 5類線100Mbps Ethernet6:Physical Layer37Physical Media: Coaxial Cable同軸電纜two concentric copper conductors同中心的銅導(dǎo)體同軸電纜根據(jù)帶寬分成兩類：baseband

24、基帶：single channel on cable單個(gè)信道E.g., legacy Ethernet 傳統(tǒng)以太網(wǎng)broadband寬帶：multiple channels on cable 多個(gè)信道E.g., HFC光纖同軸混合網(wǎng)6:Physical Layer38Physical Media: Fiber Optic Cable光纖glass fiber carrying light pulses, each pulse a bit 承載光脈沖的玻璃纖維，每個(gè)脈沖一個(gè)比特high-speed operation:high-speed point-to-point transmission

25、(10 -100 Gbps)low error rate低差錯(cuò)率: 低于10-10repeaters spaced far apart中繼器相隔很遠(yuǎn) immune to electromagnetic noise不受電磁噪聲干擾6:Physical Layer39Physical media: wirelesssignal carried in electromagnetic spectrum電磁頻譜no physical “wire”6:Physical Layer40Physical media: wirelessWireless link types:terrestrial microw

26、ave 陸地微波LAN (e.g., Wifi)11Mbps, 54 Mbpswide-area (e.g., cellular蜂窩)廣域3G cellular: 1 MbpsSatellite衛(wèi)星Kbps to 45Mbps channel270 msec end-end delay端到端傳播時(shí)延geosynchronous 同步衛(wèi)星,low altitude低軌道衛(wèi)星6:Physical Layer416:Physical Layer42ContentsTheoretical Basis for Data communicationBasic concepts of data communication systemEncoding and Modulation Nyquists Theorem and Shannons TheoremSwitchingCir