1、第三章 物理层（一）,第三章 物理层,物理层与物理层协议的基本概念数据通信的基本概念数据编码技术基带传输技术频带传输技术多路复用技术数据交换技术同步数字体系SDH,一、物理层与物理层协议的基本概念1.物理层的位置和特点物理层位于OSI参考模型的最低层，直接面向物理媒体。,特点：物理层不是指具体的物理设备，也不是指信号传输的物理媒体，而是指在物理媒体之上为上一层提供一个传输原始比特流的物理连接。物理层传输的是比特流。物理层的物理连接是有差错的。物理层为物理连接的建立、维持和拆除提供机械的、电气的、功能的和规程的特性。物理层上的协议有时也称为接口。,定义：利用物理的、电气的、功能的和规程的特性在D
2、TE和DCE之间实现对物理信道的建立、保持和拆除功能。,DTE：数据终端设备（Data Terminal Equipment）是数据的源或目的，或者二者兼有之。它具有根据协议来控制数据通信的功能（如计算机、终端等）。DCE：数据电路终接设备（ Data Communication Equipmen-t）是对网络设备的统称，为用户设备提供入网的连接点。它不是数据的源或目的，也不是二者兼有之。它不具有根据协议来控制数据通信的功能（如MODEM、网桥等）。,物理层基本服务功能,由于计算机网络可以利用的物理传输介质与传输设备种类繁多，各种通信技术存在着很大的差异，而且各种新的通信技术又在快速发展，因此
3、网络在最初的设计中，试图设置物理层，来尽可能地屏蔽这些差异，使数据链路层只需要考虑本层的服务与协议，而不需要考虑网络具体使用了哪些传输介质与物理传输设备。,物理层向数据链路层提供的服务,物理连接的建立、维护与释放物理连接的类型：点对点连接与点对多点连接物理连接可以分为全双工、半双工与单工物理连接可以分为串行传输方式和并行传输方式,物理连接可以分为全双工、半双工与单工信号的传输方向可以是单工、半双工和全双工三种方式。单工：传送的信息始终是一个方向，只有一个信道。,半双工：信息流可以在两个方向传输，但同一时刻只限于一个方向传输，只有一个信道。,全双工：可以同时作双向的通信，可以采用多条线路或频分法
4、来实现。,物理连接可以分为串行传输方式和并行传输方式,并行通信：同时传送多位二进制，不需要做任何变换便可以直接使用，速度快，但设备费，常用于近距离通信。,串行通信：一次传送一位二进制，速度慢，设备省（nT，T为并行传送总时间），并要有并行变串行、串行变并行的转换设备。,二、数据通信的基本概念模型1.通信模型,实际生活中，通信系统大多为双向的，信道可以双向传输，信源与信宿合为一体，变换器与反变换器也合为一体。,信源变换器信道反变换器信宿,发送端,接收端,噪声,信源即通信过程中产生和发送信息的设备或计算机。信宿即通信过程中接受和处理信息的设备或计算机。信道是信源和信宿之间的通信线路。,通信用任何方
5、法，通过任何媒体，将信息从一地传送到另一地，从广义上均可称为通信。我们现在的通信一般指的是电子通信（使用电信号进行通信：采用电压、电流、电磁波来传递信息）。,电子通信系统中传输的信号可分为连续变化的电信号和离散变化的电信号两大类。 连续变化的电信号称为模拟信号 离散变化的电信号号称为数字信号所以信道也可以分为二类：传输模拟信号的称为模拟信道传输离散取值的数字信号则称为数字信道通信系统可以分为二类：数字通信系统：传输数字信号模拟通信系统：传输模拟信号,数据通信是一种通过计算机或其他数据装置与通信线路，完成数据编码信号的传输、转接、存储和处理的通信技术。数据通信系统就是以计算机为中心，用通信线路连
6、接分布在远地的数据终端设备，实施数据通信的一种系统。例：通过模拟信道进行数据通信,DTE MODEM 模拟信道 MODEM DTE,数字信号模拟信号模拟信号数字信号,2.数据和信号,1.数据和信号的概念A.数据定义为有意义的实体，它涉及到事物的存在形式。例如：声音、图象、温度、压力等为模拟数据； 十进制数字等为数字数据。,数据可分为,模拟数据：是在某个区间内连续变化的值。,数字数据：是在某个区间内离散的值。,B.信号是数据的电子或电磁编码,信号也可以分为,模拟信号：随时间连续变化的电流、电压或电磁波，可利用其某个参数（如幅度、频率、相位）来表示要传输的数据。,数字信号：是一系列离散的电脉冲，可
7、以利用其某一瞬间的状态来表示要传输的数据。,C.信息是数据的内容和解释。D.信源即通信过程中产生和发送信息的设备或计算机。E.信宿即通信过程中接受和处理信息的设备或计算机。F.信道是信源和信宿之间的通信线路。,数据的传输形式可分为四种：模拟数据的模拟信号传输电话系统数字数据的模拟信号传输要使用调制介调器模拟数据的数字信号传输要使用编码解码器数字数据的数字信号传输数字发射机（或计算机内部的信息传输）,2.数据通信的几个主要技术指标：1）传码率是信号码元传输的速率，又称为调制速率、码元速率、波特率。单位为波特（Baud）。表示为：每秒钟通过信道传输的码元个数；或信号调制过程中，调制状态的每秒转换次
8、数；或每秒钟传输的信号个数。定义为： B=1/TT：,为一个数字脉冲信号的宽度全宽码情况为一个数字脉冲信号的重复周期归零码的情况,2）数据传输速率：每秒能传输的二进制信息位数单位为：位/秒，b/s, bps定义为：S=1/Tlog2N =Blog2NN为一个码元所取的有效离散值个数，也称调制电平数，一般取2的整数次方值。当N=2时，S=B （在二元调制方式中）,当N2时，SB （在多元调制方式中）,例：四相调制解调器，采用T=83310-6s的单位脉冲，该脉冲与两个比特组合的双比特相对应，即N=4，这时数据速率为：S=（1/T）log24=（1/83310-6）2=2400bps而B=1/T=
9、1200 baud注：1 s=103 ms （毫秒） 1kb=1000 bit1ms=103s （微秒） 1Mb=1000 kb1s=103 ns（毫微秒） 1Gb=1000 Mb,3）误码率衡量数据通信系统在正常情况下的传输可靠性的指标，定义为二进制数据位传输时出错的概率。Pe Ne/ NN：传输的二进制数据位总数Ne：出错的位数Pe：误码率网络中一般要求低于10-6，在网络中经常还使用一种帧的错误率，因为在网络中，数据常常组织成帧来传输，在一个帧里错一个和错几个是相同的，都需要重新传送。,4）信道的容量信道每秒所能传输的比特数（表示信道可以传输的最大数据速率）。单位：bit/s，bps信道
10、的容量是受信道的带宽所限制的。信道的容量又是受噪声的影响的。,信道的容量是受信道的带宽所限制的。带宽任何实际的信道所能传输信号的频率都是有一定范围的，该范围称为信道的通频带宽简称带宽。一个信道，若对于从0到截止频率fc的信号通过时，振幅不会衰减，或者衰减很小，而当超过该频率时，振幅就会大大衰减，则此信道的带宽为fc（单位：HZ）。,信道的容量又是受噪声的影响的。躁声分为二大类：随机热噪声：是信道所固有的，是持续存在的，随机热噪声产生的错误称为随机错，常常为孤立的单个错。冲击噪声：是由外界特定的短暂原因所造成的，冲击噪声造成的差错呈突发状，称为突发错误（由外界干扰源引起）。突发错误的突发长度：从
11、突发错误发生的第一个码元到有错的最后一个码元之间所有码元的个数。,1 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1 0 1 0 1 1,E,E,突发长度,奈奎斯特定理：无噪声信道的容量（理想状态）C=2Hlog2NH为低通信道的带宽（单位：HZ）N为每个信号可能取的有效离散值个数C为信道的最大的数据速率（单位：bps）例：某信道带宽为4KHZ，任何时刻数字信号可取0、1、2和3四种电平值之一（N=4），则最大数据速率为：C=24KHZlog24=16Kbps,香农定理（Shannon）香农研究了受随机热噪声干扰的信道的情况（没有考虑冲击噪声，所以也是一种理想状态）。C=Hlog2（1+S/N）H为信
12、道带宽C为信道容量S为信号功率N为噪声功率，S/N为信噪比由于实际使用的信道的信噪比都要足够大，常表示成10log10（S/N），以分贝（db）为单位来计量。,例2：对于带宽为4KHZ的信道，用8种不同的物理状态来表示数据，信噪比为30db。问按奈奎斯特定理，最大限制的数据速率是多少？按香农定理，最大限制的数据速率是多少？该信道实际传输时的数据速率不会超过多少？解：按奈奎斯特定理：C=2Hlog2N=24KHZlog28=24Kbps 按香农定理：30db=10log10S/N S/N=1030/10=1000C=Hlog2（1+S/N）=4KHZlog2（1001） 4KHZ10=40Kbp
13、s由于这两个定理计算的都是理想状态，是不可能达到的。所以该信道实际传输时的数据速率不会超过24Kbps。,例3：某信道误码率为10-5，每帧长度为10000bits，试问:1）若差错都是单个错，则在该信道上传送的帧的平均出错率是多少？2）若差错大多为突发错，平均突发长度为100bit，则在该信道上传送的帧的平均出错率是多少？解：1）Pe=Ne/N 因为差错都是单个错，则Ne=1； N=Ne/Pe=105bits帧的个数= N（10000bit/帧）=10个帧；即每传输10个帧，就会出现一个帧的错误，故帧的出错率为0.1(10%)。,2）若差错大多为突发错，平均突发长度为100bit，则在该信道上传送的帧的平均出错率是多少？解：2）因为差错大多为突发错; 突发错误的突发长度为100bit ; Ne=100bit N=Ne/Pe=100bit/10-5=107bits 帧的个数= N（10000bit/帧）=1000个帧。 又100bit的突发错误可以发生在一个帧中，或在二个帧当中；故帧的出错率为1/1000或2/1000。,
