1、计算机网络 第3章 物理层,第 3 章 物理层,3.1 物理层的基本概念 3.2 数据通信系统的基本概念 3.3 数据编码技术（重点） 3.4 基带传输技术（信道容量）（重点、难点） 3.5 频带传输技术 3.6 多路复用技术 3.7 数字传输系统,3.1 物理层的基本概念,物理层位于传输媒体（传输介质）之上，它的作用是尽量屏蔽具体物理设备或传输媒体的差异，为上层（数据链路层）提供统一的服务。物理层的主要任务是确定如何在开放连接系统的传输介质上传输各种数据的比特流。,3.2 数据通信系统的基本概念,调制解调器,PC 机,公用电话网,调制解调器,数字比特流,数字比特流,模拟信号,模拟信号,输入
2、汉字,显示 汉字,PC 机,3.2.1数据通信系统的基本模型,信息、数据与信号,信息(Information) 是人们对现实世界的事物的存在方式及其运动状态的认识。 数据(Data) 运送信息的实体，是把事件的某些属性规范化后的表现形式。 信号(Signal) 是数据传输的载体，即数据的具体物理表现，如电压、电流、磁场的强度等。,信息：人对雪花和马的认识 数据：文字，二进制数，十进制数 信号：电压，光，磁场强度,模拟信号与数字信号,模拟信号的特点： 波动性； 持续变化； 包含无穷多个值； 在电信业已经被广泛使用超过100年。 数字信号的特点： 离散性； 跃变性； 包含有限个值 设备性能先进，较
3、为便宜。,模拟数据和数字数据都可以用模拟信号或数字信号来表示，因而也可以用其中任意一种形式传输。,3.2.2 数据传输的类型与通信方式,数据通信（传输）的方式，可以从不同的角度划分， （1）单向通信、双向交替通信和双向同时通信 （2）并行传输和串行传输 （3）同步传输和异步传输,1 数据通信的方向,从通信的双方信息交互的方式来看，可以有以下三种类型： 单向通信（单工通信）信息只能朝着一个方向传递，信息传输方向不能改变。只需一条信道。 双向交替通信（半双工通信）数据信息可以双向传递，但不能同时进行。在此方式中信息流轮流使用发送和接收装置。 双向同时通信（全双工通信）能同时进行双向通信。需要两条不
4、同方向的信道。,2 并行传输和串行传输,在计算机通信系统中，根据组成字符的各个二进制位是否同时传输，通信方式分为:并行传输和串行传输。,并行传输,几位数据同时从一个设备发往另一设备，传输速度快。 计算机内部常用（并行数据传输线称为“总线”）。亦用于短距传输。,串行传输,数据一位位地按顺序传送，一次只能传送一位。实现容易，但传输速度慢，通常用于远程通信。 与线路接口处需要有“并-串”或“串-并”转换器。 串行传输又分为：同步方式和异步方式。,3 同步传输和异步传输,所谓同步，就是要求接收端按照发送端所发送的频率或起止时间来接收数据，使得收发双方在时序上保持一致。通常采用的同步方式有两种： 异步法
5、（异步传输）： 收发双方独立产生同步时钟，但定期进行同步。 以字符为单位进行传输。 传输的效率比较低。 常用于计算机与Modem之间的数据传输。 同步法（同步传输）： 接收方的时钟完全由发送方控制。（通过位同步来控制） 以帧为单位进行传输。 适用于快速的和较大规模的信息传输。 计算机网络通信采用同步传输。,3.2.3 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。（见“传输介质.ppt”） 传输媒体可以分为两大类，即 导向传输媒体（有线）：电磁波被导向沿着固体媒体传播：双绞线、同轴电缆、光纤 非导向传输媒体（无线）：地面微波、卫星、
6、红外线,3.3 数据编码技术,3.3.1 数字数据的数字信号编码 3.3.2 模拟数据的数字信号编码 3.3.3 数字数据的模拟信号编码,3.3.1 数字数据的数字信号编码,在发送端要将数字数据变换为数字信号，以便在数字通信系统中传输，这一过程称为编码。 在接收端，要将数字信号还原为原来的形式，这一过程称为解码。 最常用的数字信号编码技术有以下几种： （1）非归零码NRZ； （2）曼彻斯特编码； （3）差分曼彻斯特编码。,不归零编码（NRZ）,负电平用于表示一个二进制值，正电平用于表示另一个二进制值 由比特值决定信号的电平。NRZ码是最容易实现的，实际上是直接将计算机发出的信号加到通信线路上，
7、未作任何处理，代价也最低。但NRZ码的缺点是接收方无法判断一位的开始和结束，即不具备同步特性。 主要用于计算机内部通信。,曼彻斯特编码,每个比特的中间位置处都存在一个跳变。这种中间处的跳变既含有时钟信息，也含有数据信息：从低到高的跳变代表1，从高到低的跳变代表0 (注意有些系统也可能相反)。,差分曼彻斯特编码,比特中间位置处的跳变仅含有时钟信息。在比特间隔开始处如果出现跳变表示0，如果没有跳变表示1。,曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码的应用,曼彻斯特编码是IEEE 802.3（以太局域网）标准规定的编码（使用同轴电缆和双绞线）。 差分曼彻斯特编码是IEEE802.5（令牌局域网）标准规定的编码（
8、使用屏蔽双绞线）。,.,3.3.2 模拟数据的数字信号编码,1. PCM脉冲编码调制 是最基本的模拟数据数字化编码方法 对模拟信号进行幅度采样，使连续信号变为时间轴上的离散信号。 设模拟信号f(t)的最高频率为fm (Hz) ，如果对该模拟信号进行周期性采样，只要采样的频率f 满足f2fm ，则这些离散采样值可以无失真地恢复成原来的模拟信号。 主要过程： 采样 量化 二进制编码,（1）采样,每隔一定的时间间隔，把模拟信号的幅值取出来作为样值来代表原信号。采样频率f 2 fm 。,（2）量化,为了将模拟信号进一步离散化，将幅值划分成n个量化级。把采样所得到的样值用取整或四舍五入等方法归并到某个临
9、近的整数幅值。,（3）编码,用一定位数的二进制数字来表示量化后的幅值，其位数称为字长。字长=log2n,在计算机通信网中，为了利用廉价的公共电话交换网（模拟信道）进行远程通信，必须使用调制解调器进行信号变换。 调制器：把要发送的数字数据转换为频率范围在 3003400 Hz 之间的模拟信号（载波信号，载波通常是正弦波或余弦波），以便在电话用户线上传送。 解调器：把电话用户线上传送来的模拟信号转换为数字数据。 所有调制技术均涉及载波信号的下列一个或多个参数的变化：振幅、频率和相位。，分别称为振幅调制、频率调制和相位调制。,3.3.3 数字数据的模拟信号编码,振幅调制,振幅调制又称振幅键控(ASK
10、)，就是用被传输的数字数据去调制载波信号的振幅。,频率调制,频率调制又称移频键控(FSK)，就是用被传输的数字数据去调制载波信号的频率。,相位调制,相位调制又称移相键控(PSK)，就是用被传输的数字数据去调制载波信号的相位。,三种类型的调制,四相位PSK,我们还可以采用四种相位变化方式，让每一种变化代表两个比特(4-PSK)。此时我们可以用两倍于2-PSK的速率传输数据。,正交振幅调制,一种常用于ADSL（非对称数字用户线路）和无线通信的模拟信号传输技术。 振幅调制(ASK)和相位调制(PSK)技术的综合(同时改变正弦波三个特性中的振幅和相位)。,3.4 基带传输技术,基带信号就是将数字信号
11、1 或 0 直接用两种不同的电压来表示，然后送到线路上去传输。 基带传输是在信道中直接传送基带信号。 使用数字信号的传输都是基带传输。 基带传输不需要调制解调器，设备费用低，适合短距离的数据传输。,数据通信系统的指标,数据通信系统的性能指标主要有以下几项 ： 波特率 码元的传输速率或信号的传输速率 比特率 信息的传输速率 传输带宽 信道能达到的最大传输能力。,波特率和比特率,码元是承载数据的基本信号单元。 波特率（码元传输速率）：每秒传输的码元数，单位是Baud（波特） 比特率：指的是每秒传输的二进制比特数，速率的单位是 b/s，或Kb/s, Mb/s, Gb/s 等。,要注意,信息的传输速率
12、“比特/秒”与码元的传输速率“波特”在数量上有一定的关系。 一个n进制码元所包含的信息量为 I=log2n 位，所以数据传输速率的计算公式为： R=BI=Blog2n 其中 B 代表波特率； n 是一个码元表示的有效状态数； R 为比特率。 当一个码元只能表示0或1两种状态时，比特率就等于波特率。,传输带宽,传输带宽（也称为信道容量）： 指信道能达到的最大传输能力，即信道的最大（极限）数据传输速率。,带宽,“带宽”(bandwidth)本来是指信号具有的频带宽度，单位是赫（或千赫、兆赫、吉赫等）。 现在“带宽”是数字信道所能传送的“最高数据率”的同义语，单位是“比特每秒”，或 b/s (bit
13、/s)。,常用的带宽单位,更常用的带宽单位是 千比每秒，即 kb/s （103 b/s） 兆比每秒，即 Mb/s（106 b/s） 吉比每秒，即 Gb/s（109 b/s） 太比每秒，即 Tb/s（1012 b/s） 请注意：在计算机界，K = 210 = 1024M = 220, G = 230, T = 240。,什么是宽带？,宽带线路：可通过较高数据率的线路。 宽带是相对的概念，并没有绝对的标准。 在目前，对于用户接入到因特网的用户线来说，每秒传送几个兆比特就可以算是宽带速率。,对宽带传输的错误概念,有些人愿意用“汽车在公路上跑”来比喻“比特在网络上传输”，认为宽带传输的好处就是传输更快
14、，好比汽车在高速公路上可以跑得更快一样。 对于这种比喻一定要谨慎对待。,常见的错误是混淆了两种速率,在网络中有两种不同的速率： 信号（即电磁波）在传输媒体上的传播速率（米/秒，或公里/秒） 计算机向网络发送比特的速率（比特/秒） 这两种速率的意义和单位完全不同。 宽带传输：计算机向网络发送比特的速率较高。,A,B,A,B,宽带线路,窄带线路,在宽带线路上比特传播得快,在窄带线路上比特传播得慢,错误的概念,A,B,A,B,宽带线路,窄带线路,宽带线路：每秒有更多比特从计算机注入到线路。 宽带线路和窄带线路上比特的传播速率是一样的。,正确的概念,比喻：汽车运货,宽带和窄带线路：车速一样 宽带线路：
15、车距缩短,另一种错误概念 “宽带”相当于“多车道”,多车道公路是并行传输,100101110100100111010001011010,通信线路上通常都是串行传输,3.4.1奈奎斯特(Nyquist)准则,理想信道的最高码元传输速率B = 2f Baud,f是理想信道的带宽，单位为赫(Hz),在任何信道中，码元传输的速率是有限的，传输速率超过此上限，就会出现严重的码间串扰的问题，使接收端对码元的识别成为不可能。 如果信道的频带越宽，那么就可以用更高的速率传送码元而不出现干扰。,如果编码方式的码元状态数为n，就得到了理想信道的极限信息传输速率（即信道容量）Rmax：Rmax= 2f log2n
16、(bps)因为信道总是有噪声的，因此奈奎斯特准则给出的是理论上的上限。实际的信道所能传输的最高数据传输速率，要明显地低于奈奎斯特准则给出上限数值。,练习：有一带宽为4 kHz的理想信道，若传输的为2进制码元，求其最高数据传输速率。若为8进制码元呢？,3.4.2 香农定理,香农(Shannon)用信息论的理论推导出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限、无差错的信息传输速率。 信道的极限信息传输速率 Rmax（即信道容量）可表达为Rmax= f log2(1+S/N) b/s f 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。 S / N信
17、噪比，常以分贝(dB)表示记为： 信噪比(dB) = 10*log10(S/N) (dB),练习：求信噪比为30分贝，带宽为4kHz 的信道的最大数据速率(信道容量)。,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。 要想提高信息的极限传输速率，或者必须设法提高传输线路的带宽，或者必须设法提高所传信号的信噪比，此外没有其他任何办法。 实际信道上能够达到的信息传输速率要比香农的极限传输速率低不少。,.,3.5 频带传输的定义（自学）,利用模拟信道传输数据信号的方法称为频带传输； 调制解调器（modem）是频带传输中最典型的通信设备； 调制解调器的作用是：在数据的发送端
18、将计算机中的数字数据转换成能在电话线上传输的模拟信号；在接收端将从电话线路上接收到的模拟信号还原成数字数据。,共享信道,3.6 信道复用技术（自学）,复用(multiplexing)是将多个信源的彼此无关的信号，组合在一条物理信道上进行传送的技术。 多路复用的目的：充分利用昂贵的通信线路，尽可能地容纳较多的用户传输较多的信息。,信道,A1,A2,B1,B2,C1,C2,信道,信道,A1,A2,B1,B2,C1,C2,复用,分用,(a) 不使用复用技术,(b) 使用复用技术,常用的多路复用技术有： 频分多路复用（FDM，Frequency Division Multiplexing） 时分多路复
19、用（TDM，Time Division Multiplexing） 波分多路复用（WDM，Wavelength Division Multiplexing） 码分多路复用（CDM，Code Division Multiple）,3.6.1 频分复用 FDM,按照频率区分信号的方法，把传输频带分为若干个较窄的频带，每个频带构成一个子信道，独立地传输信息。用户在分配到一定的频带后，在通信过程中自始至终都占用这个频带。 频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源（请注意，这里的“带宽”是频率带宽而不是数据的发送速率）。,频分复用的用途：主要用于模拟信道的复用。如有线电视,频分多路复用技术示例,
20、三路音频模拟信号复用一个带宽为12Hz的物理信道：,300 3400,频分多路复用技术的特点,频分多路复用使信道在同一时刻能同时独立传送多路信号，每路信号占用不同的频带； 在线路上传输的是各路信号经过调制后的叠加在一起的复合信号。 频分多路复用技术适用于宽带网络。要求传输介质的可用带宽超过各路信源所需带宽的总和： Bfi,在使用频分复用时，若每一个用户占用的带宽不变，则当复用的用户数增加时，复用后的信道的总带宽就跟着变宽。,3.6.2 时分复用TDM,当物理信道可支持的位传输速率超过单个原始信号要求的数据传输速率时，可以将时间划分为一段段等长的时分复用帧（TDM 帧）。每个帧又划分成若干个时隙
21、，每一个用户在每一个 TDM 帧中占用固定序号的时隙。用户所占用的时隙是周期性地出现（其周期就是 TDM 帧的长度）。这种时分复用方式又称为同步时分多路复用。主要用于数字信道的复用。时分复用的所有用户是在不同的时间占用同样的频带宽度（整个信道的带宽）。,时分复用,频率,时间,B,C,D,B,C,D,B,C,D,B,C,D,A 在 TDM 帧中 的位置不变,时分复用,频率,时间,C,D,C,D,C,D,A,A,A,A,C,D,B 在 TDM 帧中 的位置不变,时分复用,频率,时间,B,D,B,D,B,D,A,A,A,A,B,D,C 在 TDM 帧中 的位置不变,时分复用,频率,时间,C,B,C,
22、B,C,A,A,A,A,B,C,D 在 TDM 帧中 的位置不变,A,B,C,D,a,a,b,d,b,c,a,t,t,t,t,t,4 个时分复用帧,#1,c,d,时分复用,#2,#3,#4,用户,C没有信息,D没有信息,A没有信息,D没有信息,A没有信息,B没有信息,D没有信息,B没有信息,C没有信息,1,2,3,4,使用时分复用系统传送计算机数据时，由于计算机数据的突发性质，用户对分配到的子信道的利用率一般是不高的。,时分复用可能会造成 线路资源的浪费,统计时分复用 STDM,用户,A,B,C,D,a,b,c,d,t,t,t,t,t,3 个 STDM 帧,#1,a,c,b,a,b,b,c,a
23、,c,d,#2,#3,统计时分复用又称为异步时分多路复用，允许动态地分配时间片。根据用户对时间片的需求来分配时间片，没有数据传输的用户不分配时间片。同时对每个时间片加上用户标识，以区别该时间片属于该用户。,.,3.6.3 波分复用 WDM,波分复用就是光的频分复用，它利用了光具有不同的波长的特征。 原理： 利用波分复用设备（如衍射光栅）将不同信道的信号调制成不同波长的光，并复用到光纤信道上。在接收方，采用相同设备分离不同波长的光。,几种复用技术的简单对比,例：假设现在在开会 TDM(时分复用)如在同一个房间轮流发言的方式，但一次只能一个人说，一个说完，另一个继续。 FDM(频分复用)则先将大房
24、间隔成若干个小房间，每个小房间里的人互相交流。,3.7 数字传输系统（自学）,1.脉码调制PCM体制 2.同步光纤网SONET和同步数字系列SDH,3.7.1. PCM 体制,现在的数字传输系统均采用脉冲编码调制 PCM 体制。 为了有效地利用传输线路，可将多个话路的PCM 信号用时分复用 TDM (Time Division Multiplexing)的方法装成时分复用帧，然后发送到线路上。 由于历史上的原因，PCM 有两个互不兼容的国际标准，即北美的 24 路 PCM（简称为 T1）和欧洲的 30/31/32 路 PCM（简称为 E1）。我国采用的是欧洲的 E1 标准。 E1 的速率是 2
25、.048 Mb/s，而 T1 的速率是 1.544 Mb/s。 当需要有更高的数据率时，可采用再次复用的方法。,E1线路 2.048Mbps,E1由32个多路复用信道组成 每个信道采样8000次/秒，每次采样量化为8bit，则数据传输速率为64kbps。 32个多路复用信道每次采样组成一个帧，即每帧为：32个信道*8bit=256bit。 256bit*8000次/秒=2.048Mbps,T = 125 s,E1 的时分复用帧,2.048 Mb/s,传输线路,CH0,CH16,CH17,CH15,CH15,CH16,CH17,CH31,CH31,CH0,CH1,CH1,时分复用帧,CH0,CH
26、1,CH2,CH15,CH16,CH17,CH30,CH31,CH0,8 bit,t,时分复用帧,时分复用帧,15 个话路,15 个话路,1、一条E1是2.048M的链路，用PCM编码。2、一个E1的帧长为256bit（T=125s）,分为32个时隙，一个时隙为8bit。 3、每秒有8k个E1的帧通过接口，即8k*256=2048kbps。,T1线路 1.544Mbps,T1由24个多路复用信道组成 每个信道采样8000次/秒，每次采样量化为7bit。每个信道每次采样生成的7bit数据加1bit控制位。所以每个信道每秒生成56K+8K的传输速率。 24个多路复用信道每次组成一个帧，即每帧为：2
27、4*8=192bit，每帧间加1bit帧分割，所以每帧为193bit，193bit*8000次/秒=1554000bps=1.544Mbps,上表给出了欧洲和北美系统的高次群的话路数和数据率。日本的一次群用T1，但自己另有一套高次群的标准。,.,3.7.2. 同步光纤网 SONET 和 同步数字系列 SDH (自学),旧的数字传输系统存在着许多缺点。其中最主要的是以下两个方面： 速率标准不统一。 如果不对高次群的数字传输速率进行标准化，国际范围的高速数据传输就很难实现。 不是同步传输。 在过去相当长的时间，为了节约经费，各国的数字网主要是采用准同步方式。,同步光纤网 SONET,美国1988年
28、提出了名为同步光纤网 SONET (Synchronous Optical Network) 的标准，同步光纤网的各级时钟都来自一个非常精确的主时钟，并且以51.84 Mb/s为基础定义了同步传输的线路速率等级。 第 1 级同步传送信号 STS-1 (Synchronous Transport Signal)的传输速率是 51.84 Mb/s（使用的帧称为STS-1帧）。更高的等级是用N个STS-1帧组成STS-N帧。 与第1级同步传输信号对应的光信号则称为第 1 级光载波 OC-1，OC 表示Optical Carrier。,同步数字系列 SDH,ITU-T（国际电信联盟的电信标准化部门）
29、以美国标准 SONET 为基础，制订出国际标准同步数字系列 SDH (Synchronous Digital Hierarchy)。 一般可认为 SDH 与 SONET 是同义词。 SDH 的基本速率为 155.52 Mb/s，称为第 1 级同步传递模块 (Synchronous Transfer Module)，即 STM-1，相当于 SONET 体系中的 OC-3 速率。更高的等级是用N个STM-1组成STM-N。,SONET 标准与 SDH标准的对应关系,SONET 的体系结构,光子层,路径层,线路层,段层,线路 (line),光子层,路径层,线路层,段层,光子层,线路层,段层,光子层,
30、段层,光子层,线路层,段层,光子层,段层,SDH 终端,SDH 终端,复用器 或 分用器,复用器 或 分用器,转发器,转发器,段,段,段,路径 (path),(section),(section),(section),SONET 标准定义了 四个光接口层,光子层(Photonic Layer) 处理跨越光缆的比特传送。 段层(Section Layer) 在光缆上传送 STS-N 帧。 线路层(Line Layer) 负责路径层的同步和复用。 路径层(Path Layer) 处理路径端接设备 PTE (Path Terminating Element)之间的业务的传输。,.,习题1：,假定在进
31、行异步通信时，发送端每发送一个字符就要发送10个等宽的比特（一个起始比特，8个比特的ASCII码字符，最后一个结束比特）。试问当接收端的时钟频率和发送端的时钟频率相差5%时，双方能否正常通信？ （接收端采样的时候是在每个周期的中间时间。）,习题2：,长2km、数据传输率为10Mbps的基带总线LAN，信号传播速度为200m/s，试计算：1000比特的帧从发送开始到接收结束的最大时间是多少？,习题3：,声音数据通常限于4000Hz以下的频率，声音数字化时常采用128个量化级。 问题： 每秒采样多少次可完整地表示声音信号的特征? 信道的数据传输速率应达到多少？ 如果每个样本增加1位冗余，数据传输速率应达到多少？,第3章 结束,
