1、计算机网络,第 2 章 物理层,第 2 章 物理层,*2.1 物理层的基本概念*2.2 数据通信的基础知识2.2.1 数据通信系统的模型2.2.2 有关信道的几个基本概念2.2.3 信道的最高码元传输速率2.2.4 信道的极限信息传输速率 2.2.5 数据传输的同步问题 2.3 物理层下面的传输媒体2.3.1 导向传输媒体2.3.2 非导向传输媒体,第 2 章 物理层（续）,2.4 模拟传输与数字传输 2.4.1 模拟传输系统*2.4.2 调制解调器*2.4.3 数字传输系统*2.5 信道复用技术 2.5.1 频分复用、时分复用和统计时分复用 2.5.2 波分复用 2.5.3 码分复用*2.6
2、 同步光纤网SONET和同步数字系列SDH 2.7 物理层标准举例2.7.1 EIA-232-E接口标准2.7.2 RS-449接口标准,2.1 物理层的基本概念,物理层的主要任务描述为确定与传输媒体的接口的一些特性，即： 机械特性 指明接口所用接线器的形状和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等等。电气特性 指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。功能特性 指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义。规程特性 指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。,2.2 数据通信的基础知识2.2.1 数据通信系统的模型,几个术语,数据(data)运送信息的实体。信号(signal)数据的电气的或电
3、磁的表现。 “模拟的”(analogous)连续变化的。“数字的”(digital)取值是离散数值。调制把数字信号转换为模拟信号的过程。解调把模拟信号转换为数字信号的过程。,模拟的和数字的数据、信号,2.2.2 有关信号的几个基本概念,单向通信（单工通信）单工方式指通信信道是单向信道，数据信号仅沿一个方向传输，发送方只能发送不能接收，接收方只能接收而不能发送，任何时候都不能改变信号传送方向。无线电广播和电视都属于单工通信。,双向交替通信（半双工通信）半双工通信是指信号可以沿两个方向传送，但同一时刻一个信道只允许单方向传送，即两个方向的传输只能交替进行，而不能同时进行。当改变传输方向时，要通过开
4、关装置进行切换。半双工信道适合于会话式通信，比如公安系统使用的“对讲机”和军队使用的“步话机”。半双工方式在计算机网络系统中适用于终端与终端之间的会话式通信。,双向同时通信（全双工通信）全双工通信是指数据可以同时沿相反的两个方向作双向传输。比如，电话通话。,串行通信和并行通信,并行通信数据以成组的方式在多个并行信道上同时进行传输。并行通信的优点是速度快，但发端与收端之间有若干条线路，导致费用高，仅适合于近距离和高速率的通信。,串行通信,数据流以串行方式在一条信道上传输，由于计算机内部都采用并行通信，因此，数据在发送之前，要将计算机中的字符进行并/串变换，在接收端再通过串/并变换，还原成计算机的
5、字符结构，才能实现串行通信。串行通信的优点是收、发双方只需要一条传输信道，易于实现，成本低，但速度比较低。,基带(baseband)信号和宽带(broadband)信号,基带信号就是将数字信号 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。 宽带信号则是将基带信号进行调制后形成的频分复用模拟信号。,2.2.3 信道的最高码元传输速率,任何实际的信道都不是理想的，在传输信号时会产生各种失真以及带来多种干扰。 码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远，在信道的输出端的波形的失真就越严重。,数字信号通过实际的信道,奈氏(Nyquist)准则,每赫带宽的理想低通信道的最高码元传输速率是
6、每秒 2 个码元。Baud 是波特，是码元传输速率的单位，1 波特为每秒传送 1 个码元。,理想低通信道的最高码元传输速率 = 2W Baud,W 是理想低通信道的带宽，单位为赫(Hz),不能通过,能通过,0,频率(Hz),W (Hz),另一种形式的奈氏准则,每赫带宽的理想低通信道的最高码元传输速率是每秒 1 个码元。,理想带通特性信道的最高码元传输速率 = W Baud,W 是理想带通信道的带宽，单位为赫(Hz),不能通过,能通过,0,频率(Hz),W (Hz),不能通过,要强调以下两点,实际的信道所能传输的最高码元速率，要明显地低于奈氏准则给出上限数值。波特(Baud)和比特(bit)是两
7、个不同的概念。 波特是码元传输的速率单位（每秒传多少个码元）。码元传输速率也称为调制速率、波形速率或符号速率。比特是信息量的单位。,要注意,信息的传输速率“比特/秒”与码元的传输速率“波特”在数量上却有一定的关系。若 1 个码元只携带 1 bit 的信息量，则“比特/秒”和“波特”在数值上相等。若 1 个码元携带 n bit 的信息量，则 M Baud 的码元传输速率所对应的信息传输速率为 M n b/s。,2.2.4 信道的极限信息传输速率,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 C 可表达为 C =
8、W log2(1+S/N) b/s W 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。,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。 只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定可以找到某种办法来实现无差错的传输。 若信道带宽 W 或信噪比 S/N 没有上限（当然实际信道不可能是这样的），则信道的极限信息传输速率 C 也就没有上限。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。,奈氏准则和香农公式在数据通信系统中的作用范围,源系统,传输系统,目的系统,传输系统,源点,终点,发送器,接收器,输入
9、信息,输出信息,2.2.5 数据传输的同步问题,在数据通信系统中，当发送端与接收端采用串行通信时，通信双方要交换数据，需要有高度的协同动作，彼此间传输数据的速率、每个比特的持续时间和间隔都必须相同，这就是同步问题。同步就是要接收方按照发送方发送的每个码元/比特起止时刻和速率来接收数据，否则，收发之间会产生误差，即使是很小的误差，随着时间增加的逐步累积，也会造成传输的数据出错。,两种同步技术,实现收发之间的同步技术是数据传输中的关键技术之一，通常使用的同步技术有两种：异步方式同步方式,异步传输方式,在异步传输方式中，每传送1个字符（7位或8位）都要在每个字符码前加1个起始位，以表示字符代码的开始
10、，在字符代码和校验码后面加1或2个停止位，表示字符结束。接收方根据起始位和停止位来判断一个新字符的开始。从而起到通信双方的同步作用。异步方式实现比较容易，但每传输一个字符都需要多使用23位，所以适合于低速通信,同步传输方式,同步传输方式的信息格式是一组字符或一个二进制位组成的数据块（帧）。对这些数据，不需要附加起始位和停止位，而是在发送一组字符或数据块之前先发送一个同步字符SYN（以01101000表示）或一个同步字节（01111110），用于接收方进行同步检测，从而使收发双方进入同步状态。在同步字符或字节之后，可以连续发送任意多个字符或数据块，发送数据完毕后，再使用同步字符或字节来标识整个发
11、送过程的结束。在同步传送时，由于发送方和接收方将整个字符组作为一个单位传送，且附加位又非常少，从而提高了数据传输的效率。所以这种方法一般用在高速传输数据的系统中，比如计算机之间的数据通信。,同步传输中的位同步,在同步通信中，要求收发双方之间的时钟严格的同步，而使用同步字符或同步字节，只是用于同步接收数据帧，只有保证了接收端接收的每一个比特都与发送端保持一致，接收方才能正确的接收数据，这就要使用位同步的方法。对于位同步，可以使用一个额外的专用信道发送同步时钟保持双方同步，也可以使用编码技术将时钟编码到数据中，接收端接收数据的同时就获取到同步时钟，两种方法相比，后者的效率最高，使用的最为广泛。,2
12、.3 物理层下面的传输媒体,无线电,微波,红外线,可见光,紫外线,X射线,射线,双绞线,同轴电缆,卫星,地面微波,调幅无线电,调频无线电,海事无线电,光纤,电视,LF,MF,HF,VHF,UHF,SHF,EHF,THF,波段,104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016,100 102 104 106 108 1010 1012 1014 1016 1018 1020 1022 1024,移动无线电,电信领域使用的电磁波的频谱,2.3.1 导向传输媒体,双绞线屏蔽双绞线 STP (Shielded Twisted Pair
13、)无屏蔽双绞线 UTP (Unshielded Twisted Pair) 同轴电缆50 同轴电缆75 同轴电缆光缆,双绞线,双绞线是由一对或多对绝缘铜导线组成，为了减少信号传输中串扰及电磁干扰（EMI）影响的程度，通常将这些线按一定的密度互相缠绕在一起。双绞线是模拟和数字数据通信最普通的传输媒体，它的主要应用范围是电话系统中的模拟话音传输，最适合于较短距离的信息传输，当超过几千米时信号因衰减可能会产生畸变，这时就要使用中继器（Repeater）来放大信号和再生波形。双绞线的价格在传输媒体中是最便宜的，并且安装简单，所以得到广泛的使用。在局域网中一般也采用双绞线作为传输媒体。双绞线可分为非屏蔽
14、双绞线UTP（Unshielded Twisted Pair）和屏蔽双绞线STP（Shielded Twisted Pair）。,双绞线的分类（一）,双绞线既可以用于音频传输，也可以用于数据传输。按双绞线的性能，目前广泛应用的有五个不同的等级，级别越高性能越好。由于UTP的成本低于STP，所以使用的更广泛。UTP可以分为六类：l类UTP：主要用于电话连接，通常不用于数据传输。2类UTP：通常用在程控交换机和告警系统。ISDN和T1/E1数据传输也可以采用2类电缆，2类线的最高带宽为1MHz。3类UTP：又称为声音级电缆，是一类广泛安装的双绞线。3类UTP的阻抗为100欧姆，最高带宽为16MHz
15、，适合于10Mbps双绞线以太网和4Mbps令牌环网的安装，也能运行16Mbps的令牌环网。,双绞线的分类（二）,4类UTP：最大带宽为20MHz，其它特性与3类UTP完全一样，能更稳定的运行16Mbps令牌环网。5类UTP：又称为数据级电缆，质量最好。它的带宽为100MHz，能够运行100Mbps以太网和FDDI，5类UTP的阻抗为100欧姆。5类UTP目前已被广泛的应用。6类UTP：是一种新型的电缆，最大带宽可以达到1000MHz，适用于低成本的高速以太网的骨干线路,双绞线示意图,铜线,铜线,聚氯乙烯 套层,聚氯乙烯套层,屏蔽层,绝缘层,绝缘层,无屏蔽双绞线 UTP,屏蔽双绞线 STP,同
16、轴电缆,同轴电缆是由绕同一轴线的两个导体所组成，即内导体（铜芯导线）和外导体(屏蔽层)，外导体的作用是屏蔽电磁干扰和辐射，两导体之间用绝缘材料隔离。同轴电缆具有较高的带宽和极好的抗干扰特性。同轴电缆的规格是指电缆粗细程度的度量，按射频级测量单位（RG）来度量，RG越高，铜芯导线越细，RG越低，铜芯导线越粗。,同轴电缆的分类,常用同轴电缆的型号和应用如下：阻抗为50欧姆的粗缆RG-8或RG-11，用于粗缆以太网；阻抗为50欧姆的细缆RG-58A/U或C/U，用于细缆以太网；阻抗为75欧姆的电缆RG-59，用于有线电视CATV。,光导纤维,光纤是一种由石英玻璃纤维或塑料制成的，直径很细，能传导光信
17、号的媒体。光纤由一束玻璃芯组成，它的外面包了一层折射率较低的反光材料，称为覆层。由于覆层的作用，在玻璃芯中传输的光信号几乎不会从覆层中折射出去。这样当光束进入光纤中的芯线后，可以减少光通过光缆时的损耗，并且在芯线边缘产生全反射，使光束曲折前进。,光纤的工作原理,2.3.2 非导向传输媒体,无线传输所使用的频段很广。短波通信主要是靠电离层的反射，但短波信道的通信质量较差。微波在空间主要是直线传播。 地面微波接力通信卫星通信,2.4 模拟传输与数字传输 2.4.1 模拟传输系统,长途干线最初采用频分复用 FDM 的传输方式FDM (Frequency Division Multiplexing)目
18、前我国长途通信线路已实现了数字化，因而现在的模拟通信电路就只剩下从用户电话机到市话交换机之间的这一段几公里长的用户线上。,2.4.2 调制解调器,数据经过模拟传输系统后会出现差错。,发送的基带信号,接收到的失真信号,调制解调器的作用,调制解调器(modem)包括：调制器(MOdulator)：把要发送的数字信号转换为频率范围在 3003400 Hz 之间的模拟信号，以便在电话用户线上传送。解调器(DEModulator)：把电话用户线上传送来的模拟信号转换为数字信号。本书中的调制解调器是指使用在标准的二线模拟话路（3.1 kHz 的标准话路带宽）上的调制解调器。,调制解调器的作用（续）,调制器
19、的主要作用就是个波形变换器，它把基带数字信号的波形变换成适合于模拟信道传输的波形 解调器的作用就是个波形识别器，它将经过调制器变换过的模拟信号恢复成原来的数字信号。若识别不正确，则产生误码。在调制解调器中还要有差错检测和纠正的设施。,几种最基本的调制方法,调制就是进行波形变换（频谱变换）。 最基本的二元制调制方法有以下几种：调幅(AM)：载波的振幅随基带数字信号而变化。 调频(FM)：载波的频率随基带数字信号而变化。调相(PM) ：载波的初始相位随基带数字信号而变化。,对基带数字信号的几种调制方法,一种正交调制 QAM,QAM (Quadrature Amplitude Modulation)
20、,r,(r, ),可供选择的相位有 12 种，而对于每一种相位有 1 或2 种振幅可供选择。,由于4 bit 编码共有16 种不同的组合，因此这 16 个点中的每个点可对应于一种 4 bit 的编码。,若每一个码元可表示的比特数越多，则在接收端进行解调时要正确识别每一种状态就越困难。,调制解调器的速率,目前调制解调器的信息传输速率已很接近于香农的信道容量极限了。 要提高信息传输速率，只能设法提高信噪比。 在电话的用户线上，最大的噪声来自模拟到数字的模数转换所带来的量化噪声。,调制解调器使用异步通信方式,数据通信可分为同步通信和异步通信两大类：同步通信要求接收端时钟频率和发送端时钟频率一致。发送
21、端发送连续的比特流。异步通信时不要求接收端时钟和发送端时钟同步。发送端发送完一个字节后，可经过任意长的时间间隔再发送下一个字节。 异步通信的通信开销较大，但接收端可使用廉价的、具有一般精度的时钟来进行数据通信。,2.4.3 数字传输系统,现在的数字传输系统均采用脉码调制 PCM脉码调制包括三部分：采样、量化和编码。采样每隔一定的时间间隔，采集模拟信号的瞬时电平值做为样本，表示模拟数据在某一区间随时间变化的值。量化量化是将取样样本幅度按量化级决定取值的过程。,量化级可以分为8级、16级，或者更多的量化级，这取决于系统的精确度要求。编码 编码是用相应位数的二进制代码表示量化后的采样样本的量级。 P
22、CM用于数字化语音系统，将声音分为128个量化级，采用7位二进制编码表示，再使用1个比特进行差错控制，采样速率8000次秒，因此，一路话音的数据传输速率为88000 bps64kbps。,PCM的工作过程,时分复用,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。中国采用欧洲体制，以 E1 为一次群。美国和日本等国采用北美体制，以 T1 为一次群。,E1 的时分复用帧,数字数据的编码,利用数字通信信道直接传输数字数据信号的方法称作数字信号的基带传输，而数字数据在传输之前，需要进
23、行数字编码。数字数据的编码方式有三种：不归零码、曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码 。,数字数据的编码,不归零编码（Non-Return to Zero，NRZ）NRZ编码规定可用负电平表示逻辑“1”，用正电平表示逻辑“0”，反之亦然。曼彻斯特编码（Manchester）曼彻斯特编码是目前应用最广泛的编码方法之一，其特点是每一位二进制信号的中间都有跳变，若从低电平跳变到高电平，就表示数字信号“1”，若从高电平跳变到低电平，就表示数字信号“0”；,数字数据的编码,差分曼彻斯特编码（Difference Manchester）差分曼彻斯特编码是对曼彻斯特编码的改进。其特点是每一位二进制信号的跳变依然提
24、供收发端之间的同步，但每位二进制数据的取值，要根据其开始边界是否发生跳变来决定，若一个比特开始处存在跳变则表示“0”，无跳变则表示“1”。,数字数据的编码示例,2.5 信道复用技术,2.5.1 频分复用、时分复用和统计时分复用 频分复用：所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源。时分复用：所有用户在不同的时间占用同样的频带宽度。,频分复用,频率,时间,频率 1,频率 2,频率 3,频率 4,频率 5,时分复用TDM,TDM又分为同步时分复用和异步（统计）时分复用。同步时分复用采用固定时间片分配方式，将传输信号的时间按特定长度连续地划分成特定时间段（一个周期），再将每一时间段划分成等长度的多个时隙
25、，每个时隙以固定的方式分配给各路数字信号，各路数字信号在每一时间段都顺序分配到一个时隙。,时分复用,由于在同步时分复用方式中，时隙预先分配且固定不变，无论时隙拥有者是否传输数据都占有一定时隙，形成了时隙浪费，其时隙的利用率很低 。,异步时分复用,异步时分复用技术又被称为统计时分复用，它能动态地按需分配时隙，避免每个时间段中出现空闲时隙。异步时分复用就是只有当某一路用户有数据要发送时才把时隙分配给它。当用户暂停发送数据时，则不给它分配时隙。电路的空闲时隙可用于其他用户的数据传输 。在所有的数据帧中，除最后一个帧外，其他所有帧均不会出现空闲的时隙，从而提高了资源的利用率，也提高了传输速率。,异步时
26、分复用示意图,1550 nm 0 1551 nm 1 1552 nm 2 1553 nm 3 1554 nm 4 1555 nm 5 1556 nm 6 1557 nm 7,0 1550 nm 1 1551 nm 2 1552 nm 3 1553 nm 4 1554 nm 5 1555 nm 6 1556 nm 7 1557 nm,2.5.2 波分复用 WDM,波分复用就是光的频分复用。,8 2.5 Gb/s1310 nm,20 Gb/s,复用器,分用器,EDFA,120 km,2.7 物理层标准举例2.7.1 EIA-232-E 接口标准,DTE (Data Terminal Equipme
27、nt) 是数据终端设备，是具有一定的数据处理能力和发送、接收数据能力的设备。DCE (Data Circuit-terminating Equipment)是数据电路端接设备，它在 DTE 和传输线路之间提供信号变换和编码的功能，并且负责建立、保持和释放数据链路的连接。,DTE 通过 DCE与通信传输线路相连,EIA-232/V.24 的信号定义,(1) 保护地,(2) 发送数据,(3) 接收数据,(4) 请求发送,(5) 允许发送,(6) DCE 就绪,(7) 信号地,(8) 载波检测,(20) DTE 就绪,(22) 振铃指示,DTE,DCE,计算机或终端,调制解调器,两个 DTE 通过 DCE进行通信的例子,EIA-232/ V.24 接口,调制解调器,DTE-A,DTE-B,DCE-A,DCE-B,EIA-232/ V.24 接口,调制解调器,网 络,利用虚调制解调器与两台计算机相连,2.7.2 RS-449 接口标准,RS-449 由 3 个标准组成。即：RS-449RS-423-ARS-422-A,
