第二講物理層

第二講物理層第1頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月54321數(shù)據(jù)鏈路層應(yīng)用層傳輸層網(wǎng)絡(luò)層物理層網(wǎng)絡(luò)模型第2頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月TCP/IP協(xié)議簇第3頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月內(nèi)容提要數(shù)據(jù)通信的基礎(chǔ)知識(shí)數(shù)據(jù)編碼技術(shù)信道復(fù)用技術(shù)物理層標(biāo)準(zhǔn)舉例網(wǎng)絡(luò)設(shè)備物理層第4頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月物理層的功能物理層功能：為傳輸數(shù)據(jù)所需的物理鏈路的建立、維護(hù)、拆除而提供的一些特性，即：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。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。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。規(guī)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。即各條物理線路的工作規(guī)程和時(shí)序關(guān)系。第5頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月一、數(shù)據(jù)通信的基礎(chǔ)知識(shí)

幾個(gè)術(shù)語數(shù)據(jù)(data)——運(yùn)送消息的實(shí)體，是把事件的某些屬性規(guī)范化后的表現(xiàn)形式。信號(hào)(signal)——數(shù)據(jù)的電氣的或電磁的表現(xiàn)?！澳M的”(analogous)——代表消息的參數(shù)的取值是連續(xù)的?！皵?shù)字的”(digital)——代表消息的參數(shù)的取值是離散的。碼元(code)——在使用時(shí)間域（或簡稱為時(shí)域）的波形表示數(shù)字信號(hào)時(shí)，代表不同離散數(shù)值的基本波形。第6頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月1、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的模型

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)源點(diǎn)終點(diǎn)發(fā)送器接收器調(diào)制解調(diào)器PC機(jī)公用電話網(wǎng)調(diào)制解調(diào)器數(shù)字比特流數(shù)字比特流模擬信號(hào)模擬信號(hào)輸入漢字顯示漢字?jǐn)?shù)據(jù)通信系統(tǒng)源系統(tǒng)目的系統(tǒng)傳輸系統(tǒng)輸出信息PC機(jī)第7頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月2、數(shù)據(jù)通信方式按信號(hào)傳送方向與時(shí)間的關(guān)系分為：單向通信（單工通信）——只能有一個(gè)方向的通信而沒有反方向的交互。第8頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月雙向交替通信（半雙工通信）——通信的雙方都可以發(fā)送信息，但不能雙方同時(shí)發(fā)送(當(dāng)然也就不能同時(shí)接收)。第9頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月雙向同時(shí)通信（全雙工通信）——通信的雙方可以同時(shí)發(fā)送和接收信息。第10頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月（a）單同步格式（b）雙同步格式同步和異步傳輸?shù)?1頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月異步通信格式第12頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月3、信道的極限容量任何實(shí)際的信道都不是理想的，在傳輸信號(hào)時(shí)會(huì)產(chǎn)生各種失真以及帶來多種干擾。

碼元傳輸?shù)乃俾试礁?，或信?hào)傳輸?shù)木嚯x越遠(yuǎn)，在信道的輸出端的波形的失真就越嚴(yán)重。第13頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月數(shù)字信號(hào)通過實(shí)際的信道情況有失真，但可識(shí)別失真大，無法識(shí)別實(shí)際的信道（帶寬受限、有噪聲、干擾和失真）發(fā)送信號(hào)波形接收信號(hào)波形發(fā)送信號(hào)波形實(shí)際的信道（帶寬受限、有噪聲、干擾和失真）接收信號(hào)波形第14頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月1）信道能夠通過的頻率范圍1924年，奈奎斯特(Nyquist)就推導(dǎo)出了著名的奈氏準(zhǔn)則：在假定的理想條件下，為了避免碼間串?dāng)_，碼元的傳輸速率的上限值（2W）。在任何信道中，碼元傳輸?shù)乃俾适怯猩舷薜?，否則就會(huì)出現(xiàn)碼間串?dāng)_的問題，使接收端對(duì)碼元的識(shí)別成為不可能。如果信道的頻帶越寬，也就是能夠通過的信號(hào)高頻分量越多，那么就可以用更高的速率傳送碼元而不出現(xiàn)碼間串?dāng)_。Smax=2Wlog2Kb/s

（理想條件下）第15頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月2)信道容量與傳輸速率1948年，香農(nóng)(Shannon)用信息論的理論推導(dǎo)出了帶寬受限且有高斯白噪聲干擾的信道的極限、無差錯(cuò)的信息傳輸速率。信道的極限信息傳輸速率C可表達(dá)為

C=Wlog2(1+S/N)b/sW為信道的帶寬（以Hz為單位）；S為信道內(nèi)所傳信號(hào)的平均功率；N為信道內(nèi)部的高斯噪聲功率。S/N為信噪比，常用分貝DB（10log10(S/N)）表示

第16頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月香農(nóng)公式結(jié)果信道的帶寬或信道中的信噪比越大，則信息的極限傳輸速率就越高。只要信息傳輸速率低于信道的極限信息傳輸速率，就一定可以找到某種辦法來實(shí)現(xiàn)無差錯(cuò)的傳輸若信道帶寬W或信噪比S/N沒有上限（當(dāng)然實(shí)際信道不可能是這樣的），則信道的極限信息傳輸速率C也就沒有上限。實(shí)際信道上能夠達(dá)到的信息傳輸速率要比香農(nóng)的極限傳輸速率低。第17頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月波特和比特的關(guān)系波特是碼元傳輸?shù)乃俾蕟挝唬棵雮鞫嗌賯€(gè)碼元）。碼元傳輸速率也稱為調(diào)制速率、波形速率或符號(hào)速率。比特是信息量的單位。若1個(gè)碼元只攜帶1bit的信息量，則“比特/秒”和“波特”在數(shù)值上相等。若1個(gè)碼元攜帶nbit的信息量，則MBaud的碼元傳輸速率所對(duì)應(yīng)的信息傳輸速率為Mnb/s。第18頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月奈氏準(zhǔn)則和香農(nóng)公式

在數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中的作用范圍源系統(tǒng)傳輸系統(tǒng)目的系統(tǒng)傳輸系統(tǒng)源點(diǎn)終點(diǎn)發(fā)送器接收器輸入信息輸出信息輸入數(shù)據(jù)輸出數(shù)據(jù)發(fā)送的信號(hào)接收的信號(hào)碼元傳輸速率受奈氏準(zhǔn)則的限制信息傳輸速率受香農(nóng)公式的限制第19頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月二、數(shù)據(jù)編碼技術(shù)

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)放大器調(diào)制器模擬數(shù)據(jù)數(shù)字信號(hào)

PCM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)送器第20頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月不歸零編碼NRZ(Non-Return-Zero)曼徹斯特編碼(ManchesterEncoding)差（微）分曼徹斯特編碼（DifferentialManchesterEncoding）1、數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)用數(shù)字信號(hào)表示第21頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月不歸零編碼非歸零碼（NRZ碼）可以規(guī)定用負(fù)電平表示邏輯“0”，用正電平表示邏輯“1”；也可以有其他表示方法。第22頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月曼徹斯特編碼每個(gè)比特的中間有一次電平跳變；“1”定義為由高電平到低電平的跳變；“0”定義為由低電平到高電平的跳變。第23頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月差分曼徹斯特編碼是對(duì)曼徹斯特編碼的改進(jìn)。“0”和“1”是根據(jù)兩比特之間有沒有跳變來區(qū)分的。如果下一個(gè)數(shù)是“0”，則在兩比特中間有一次跳變；如果下一個(gè)數(shù)據(jù)是“1”，則在兩比特中間沒有電平跳變。差（微）分曼徹斯特編碼第24頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月基帶信號(hào)和帶通信號(hào)

基帶信號(hào)（即基本頻帶信號(hào)，baseband

）——來自信源的信號(hào)。像計(jì)算機(jī)輸出的代表各種文字或圖像文件的數(shù)據(jù)信號(hào)都屬于基帶信號(hào)。帶通信號(hào)(bandpass)——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)。把基帶信號(hào)經(jīng)過載波調(diào)制后，把信號(hào)的頻率范圍搬移到較高的頻段以便在信道中傳輸（即僅在一段頻率范圍內(nèi)能夠通過信道）。2、數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)用模擬信號(hào)表示第25頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月調(diào)制方法分類基帶信號(hào)往往包含有較多的低頻成分，甚至有直流成分，而許多信道并不能傳輸這種低頻分量或直流分量。為了解決這一問題，就必須對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行調(diào)制(modulation，波形變換)。最基本的二元制調(diào)制方法有以下幾種：調(diào)幅(AM)：載波的振幅隨基帶數(shù)字信號(hào)而變化。調(diào)頻(FM)：載波的頻率隨基帶數(shù)字信號(hào)而變化。調(diào)相(PM)：載波的初始相位隨基帶數(shù)字信號(hào)而變化。

第26頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月對(duì)基帶數(shù)字信號(hào)的調(diào)制方法010011100基帶信號(hào)調(diào)幅調(diào)頻調(diào)相第27頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月脈沖編碼調(diào)制（PCM）3、模擬數(shù)據(jù)用數(shù)字信號(hào)表示第28頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月增量調(diào)制（DM）第29頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月共享信道三、信道復(fù)用技術(shù)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)第30頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月1、頻分復(fù)用FDM

(FrequencyDivisionMultiplexing)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。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第31頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月2、時(shí)分復(fù)用TDM

(TimeDivisionMultiplexing)時(shí)分復(fù)用則是將時(shí)間劃分為一段段等長的時(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。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幀的長度）。TDM信號(hào)也稱為等時(shí)(isochronous)信號(hào)。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度。第32頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月時(shí)分復(fù)用頻率時(shí)間BCDBCDBCDBCDAAAAA在

TDM

幀中的位置不變TDM幀TDM幀TDM幀TDM幀…TDM幀第33頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月時(shí)分復(fù)用頻率時(shí)間CDCDCDAAAABBBBCDB在

TDM

幀中的位置不變TDM幀TDM幀TDM幀TDM幀…TDM幀第34頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月時(shí)分復(fù)用頻率時(shí)間BDBDBDAAAABCCCCDC在

TDM

幀中的位置不變TDM幀TDM幀TDM幀TDM幀…TDM幀第35頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月時(shí)分復(fù)用頻率時(shí)間BCBCBCAAAABCDDDDD在TDM幀中的位置不變TDM幀TDM幀TDM幀TDM幀…TDM幀第36頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月時(shí)分復(fù)用的不足ABCDaabbcdbcattttt4個(gè)時(shí)分復(fù)用幀#1④③②①acbcd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。第37頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用

STDM

(StatisticTDM)用戶ABCDabcdttttt3個(gè)STDM幀#1④③②①acbabbcacd#2#3統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用第38頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月1550nm01551nm11552nm21553nm31554nm41555nm51556nm61557nm701550nm11551nm21552nm31553nm41554nm51555nm61556nm71557nm3、波分復(fù)用WDM

(WavelengthDivisionMultiplexing)波分復(fù)用就是光的頻分復(fù)用。82.5Gb/s1310nm20Gb/s復(fù)用器分用器EDFA120km光調(diào)制器光解調(diào)器第39頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月4、碼分復(fù)用CDM

(CodeDivisionMultiplexing)常用的名詞是碼分多址

CDMA(CodeDivisionMultipleAccess)。用戶可以在同樣的時(shí)間使用同樣的頻率通信各用戶使用經(jīng)過特殊挑選的不同碼型，因此彼此不會(huì)造成干擾。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，不易被發(fā)現(xiàn)。第40頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月四、物理層標(biāo)準(zhǔn)舉例RS-232是DTE與DCE之間的接口標(biāo)準(zhǔn)DTE(DataTerminalEquipment)是數(shù)據(jù)終端設(shè)備，是具有一定的數(shù)據(jù)處理能力和發(fā)送、接收數(shù)據(jù)能力的設(shè)備。DCE(DataCircuit-terminatingEquipment)是數(shù)據(jù)電路端接設(shè)備，它在DTE和傳輸線路之間提供信號(hào)變換和編碼的功能，并且負(fù)責(zé)建立、保持和釋放數(shù)據(jù)鏈路的連接。第41頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月DTE通過DCE

與通信傳輸線路相連DTEDCEDCE串行比特傳輸信號(hào)線與控制線用戶環(huán)境通信環(huán)境用戶設(shè)施通信設(shè)施DTE信號(hào)線與控制線用戶設(shè)施用戶環(huán)境第42頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月

典型的物理層標(biāo)準(zhǔn)接口：

EIARS-2321960年美國電子工業(yè)協(xié)會(huì)EIA提出RS-232，1963提出RS-232-A，1965年提出RS-232-B，1969提出RS-232-C。用于DTE/DCE之間的接口。機(jī)械特性：25芯連接器，DTE為插頭，DCE為插座。電氣特性：采用非平衡型電氣特性，低于-3V為“1”，高于+4V為“0”，最大20Kbps，最長15m。第43頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月RS-232的不足與改進(jìn)不足：傳輸性能低，距離短，速率低。改進(jìn)：重新設(shè)計(jì)，X.21；以RS-232-C為基礎(chǔ)改進(jìn)，1977年提出了RS-449。第44頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月RS-232的功能特性(1)保護(hù)地(2)發(fā)送數(shù)據(jù)(3)接收數(shù)據(jù)(4)請(qǐng)求發(fā)送(5)允許發(fā)送(6)DCE就緒(7)信號(hào)地(8)載波檢測(20)DTE就緒(22)振鈴指示DTEDCE計(jì)算機(jī)或終端調(diào)制解調(diào)器第45頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月第46頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月2、RS-449接口標(biāo)準(zhǔn)RS-449由3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)組成。即：RS-449RS-423-ARS-422-A

第47頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月

典型的物理層標(biāo)準(zhǔn)接口：

EIARS-449/422-A/423-A第48頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月

典型的物理層標(biāo)準(zhǔn)接口：

EIARS-449/422-A/423-A第49頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月互聯(lián)設(shè)備與OSI的對(duì)應(yīng)關(guān)系五、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備第50頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月1、中繼器中繼器(Repeater)又稱重發(fā)器，是一種最為簡單但也是用得最多的網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備。中繼器是物理層上的網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備，它的作用是對(duì)電纜上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信號(hào)再生放大，再重發(fā)到其它電纜段上。中繼器僅適用于以太網(wǎng)，可將兩段或兩段以上以太網(wǎng)互連起來。標(biāo)準(zhǔn)細(xì)纜以太網(wǎng)利用中繼器可將每段長度擴(kuò)展到925m；粗纜以太網(wǎng)每段長度擴(kuò)展到2500m。第51頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月中繼器的種類第52頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）概述集線器（HUB）是對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行集中管理的設(shè)備，工作于物理層，采用共享型模式，是一個(gè)共享設(shè)備，其實(shí)質(zhì)是一個(gè)多接口的中繼器

（共享就是指在有一個(gè)端口向另一個(gè)端口發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，其他端口都處于“等待”狀態(tài)）連接在Hub上的主機(jī)以廣播方式傳輸數(shù)據(jù)，按照CSMA/CD存取，每個(gè)端口的可用帶寬是Hub總帶寬的平均值，與主機(jī)數(shù)量成反比。2、網(wǎng)絡(luò)集線器（HUB）第53頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月信號(hào)的再生與轉(zhuǎn)發(fā)。當(dāng)某一工作站發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，Hub對(duì)到達(dá)信號(hào)的幅度和相位失真