南京大學(xué)計算機網(wǎng)絡(luò)課件021

1、第2講 網(wǎng)絡(luò)的物理層2.1 物理層的基本概念1一.物理層的作用和目的物理層設(shè)計時主要考慮的是如何在連接開放系統(tǒng)的傳輸介質(zhì)上傳輸各種數(shù)據(jù)的比特流；計算機網(wǎng)絡(luò)可以利用的物理傳輸介質(zhì)與傳輸設(shè)備存在著很大的差異，設(shè)計物理層的主要目的是向數(shù)據(jù)鏈路層屏蔽通信技術(shù)的差異性。2二.物理層的主要任務(wù)機械特性電氣特性功能特性規(guī)程特性3串行傳輸并行傳輸串行傳輸與并行傳輸42.2 數(shù)據(jù)通信的基礎(chǔ)知識52.2.1 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的模型源點傳輸系統(tǒng)發(fā)送器接收器終點輸入信息輸入數(shù)據(jù)發(fā)送的信號接收的信號輸出數(shù)據(jù)輸出信息傳輸系統(tǒng)源系統(tǒng)目的系統(tǒng)公用電話網(wǎng)正文正文PC機調(diào)制解調(diào)器調(diào)制解調(diào)器PC機數(shù)字比特流數(shù)字比特流模擬信號模擬信號6

2、計算機通信術(shù)語數(shù)據(jù)(Data)：傳遞(攜帶)信息的實體。信息(Information)：是數(shù)據(jù)的內(nèi)容或解釋。信號(Signal)：數(shù)據(jù)的物理量編碼(通常為電編碼)，數(shù)據(jù)以信號的形式傳播。信道(Channel)：傳送信息的線路(或通路)比特(bit)：信息量的單位，比特率為每秒傳輸?shù)亩M制位個數(shù)。碼元(Code Cell)：時間軸上的一個信號編碼單元 7模擬信號和數(shù)字信號模擬信號：時間上連續(xù)，包含無窮多個信號值數(shù)字信號：時間上離散，僅包含有限數(shù)目的信號值，最常見的是二值信號ta) 模擬信號tb) 數(shù)字信號8數(shù)據(jù)與信號的對應(yīng)情況 一般說來，模擬數(shù)據(jù)和數(shù)字數(shù)據(jù)都可以轉(zhuǎn)換為模擬信號或數(shù)字信號。因此有四

3、種情況：（1）模擬數(shù)據(jù)、模擬信號。（2）模擬數(shù)據(jù)、數(shù)字信號。（3）數(shù)字數(shù)據(jù)、模擬信號。（4）數(shù)字數(shù)據(jù)、數(shù)字信號。9模擬數(shù)據(jù)數(shù)字信號PCM編碼器模擬數(shù)據(jù)模擬信號放大器調(diào)制器數(shù)字數(shù)據(jù)模擬信號調(diào)制器數(shù)字數(shù)據(jù)數(shù)字信號數(shù)字發(fā)送器102.2.2 信道的幾個基本概念一.通信方式 從通信的雙方信息交互的方式來看，可以有以下三種基本方式。（1）單向通信：又稱為單工通信（2）雙向交替通信：又稱為半雙工通信（3）雙向同時通信：又稱為全雙工通信11三種通信方式示意12二. 基帶信號與寬帶信號1.基帶信號（baseband） 基帶傳輸是指在通信電纜上原封不動地傳輸由計算機或數(shù)據(jù)通信終端產(chǎn)生的0或1數(shù)字脈沖信號。直接使用

4、數(shù)字信號傳輸數(shù)據(jù)時，數(shù)字信號幾乎要占用整個頻帶。頻帶越寬，傳輸線路的電容電感等對傳輸信號波形衰減的影響越大。 基帶傳輸?shù)木嚯x一般不超過2km，超過時需通過稱為中繼器的設(shè)備對信號進行放大，以延長傳輸距離。 如從計算機到監(jiān)視器、打印機等外設(shè)的信號就是基帶傳輸?shù)?。大多?shù)的局域網(wǎng)(LAN)使用基帶傳輸，如以太網(wǎng)、令牌環(huán)網(wǎng)。13二. 基帶信號與寬帶信號2.寬帶信號（broadband） 寬帶傳輸是指傳輸介質(zhì)在信息傳輸時能夠支持較寬的頻帶，一般在300MHz400MHz左右。 系統(tǒng)設(shè)計時將此頻帶分割成若干個子頻帶，通過使用多路復(fù)用方法，在一個信道中可以同時傳播聲音、圖像和數(shù)據(jù)多種信息，使系統(tǒng)具有多種用途。

5、142.2.3 信道上的最高碼元傳輸速率信道越長，信號受到的衰減就越大，因此碼元傳輸速率的上限值就越低。15信道質(zhì)量對數(shù)字信號的影響16一.最高碼元傳輸速率具有理想低通信道=2W BaudW為理想低通信道的帶寬，單位赫(Hz)每赫帶寬的最高碼元傳輸速率是每秒2個例如：3kHz的理想低通信道，理論上最高碼元傳輸速率為6000 Baud17一.最高碼元傳輸速率具有理想帶通矩形特性的信道=1W BaudW為理想低通信道的帶寬，單位赫(Hz)每赫帶寬的最高碼元傳輸速率是每秒1個18二.弄清Baud和bit的概念波特是碼元傳輸?shù)乃俾蕟挝?，比特是信息量的單位波特和比特是有?lián)系的，取決于每個碼元所攜帶的信息

6、量19按Nyquist公式得到的理想信道的最大信息傳輸速率低通信道：C = 2W log2 M帶通矩形信道：C = W log2 MC = 數(shù)據(jù)傳輸率，單位bit/s W = 帶寬，單位HzM = 信號編碼級數(shù)20Nyquist公式為估算已知帶寬信道的最高數(shù)據(jù)傳輸速率提供了依據(jù)例如，話音級線路的帶寬為3100Hz，根據(jù)公式計算的信道最大數(shù)據(jù)率如下表所示M 最大數(shù)據(jù)率 (C) 2 6200 bps 4 12400 bps 8 18600 bps16 24800 bps32 31000 bps21實際的信道上存在損耗、延遲、噪聲損耗：引起信號強度減弱，導(dǎo)致信噪比S/N降低。延遲：使接收端的信號產(chǎn)生

7、畸變。噪聲：會破壞信號，產(chǎn)生誤碼。持續(xù)時間0.01s的干擾會破壞約560個比特(56Kbit/s)222.2.4 有限帶寬高斯噪聲干擾信道極限信息傳輸速率 著名的香農(nóng)公式：C = W log2(1+S/N) bit/s (3-3)W為信道的帶寬(以Hz為單位)；S為信道內(nèi)所傳信號的平均功率；N為信道內(nèi)部的高斯噪聲功率。 從中看出，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。23Nyquist公式和Shannon公式的比較C = 2W log2M數(shù)據(jù)傳輸率C隨信號編碼級數(shù)增加而增加。C = W log2(1+S/N)無論采樣頻率多高，信號編碼分多少級，此公式給出了信道能達到的最高

8、傳輸速率。原因：噪聲的存在將使編碼級數(shù)不可能無限增加。24奈氏準則與香農(nóng)公式的作用范圍輸入信息輸入數(shù)據(jù)發(fā)送的信號接收的信號輸出數(shù)據(jù)輸出信息源點傳輸系統(tǒng)發(fā)送器接收器終點傳輸系統(tǒng)源系統(tǒng)目的系統(tǒng)碼元傳輸速率受奈氏準則的限制信息傳輸速率受香農(nóng)公式的限制25提高信息傳輸速率的方法增大帶寬多元制提高信道中的信噪比26例題：設(shè)某一信道帶寬為2kHz， 信噪比30dB，求有噪聲信道的數(shù)據(jù)最大傳輸速率。注：信噪比往往用分貝(dB)表示，采用對數(shù)計算是由于人耳的響度特性具有對數(shù)特征；分貝值為10*Log10 (S/N)，S和N均為功率。27例題答案：求S/N=103=1000C=W Log2(1+S/N)=2*L

9、og21001 Kb/s =20 Kb/s282.3 物理層下面的傳輸媒體29雙絞線電話業(yè)務(wù)同軸電纜AM 無線電FM 無線電和 TV地面微波接力 光纖衛(wèi)星102 Hz1031041051061071081091010101110121013101410151016無線電紅外線紫外線可見光微波幾種媒體的傳輸頻帶302.3.1 導(dǎo)向傳輸媒體雙絞線同軸電纜光纜31一.雙絞線內(nèi)導(dǎo)體芯線絕緣內(nèi)屏蔽外屏蔽外套-螺旋絞合的雙導(dǎo)線，1mm-每根4對、25對、1800對-典型連接距離100m（LAN）-RJ45插座、插頭-優(yōu)缺點： 成本低 組裝密度高、節(jié)省空間 安裝容易（綜合布線系統(tǒng)） 平衡傳輸（高速率） 抗干

10、擾性一般 連接距離短32屏蔽雙絞線 (STP) 非屏蔽雙絞線 (UTP)以鋁箔屏蔽以減少 干擾和串音雙絞線外無任何屏蔽層常用的雙絞線為3類(16Mbit/s) 和5類(155Mbit/s)兩種33雙絞線接法介紹平常接法：雙絞線兩端的RJ-45頭按下列顏色順序接銅導(dǎo)線：白橙/橙/白綠/藍/白藍/綠/白棕/棕；兩臺計算機互聯(lián)的雙絞線接法：一端按白橙/橙/白綠/藍/白藍/綠/白棕/棕的順序接，另一端按白綠/綠/白橙/藍/白藍/橙/白棕/棕順序接，即第1條與第3條跳線，第2條與第6條跳線。34二.同軸電纜基帶：一條電纜只用于一個信道，50，用于數(shù)字傳輸；寬帶：一條電纜同時傳輸不同頻率的多路模擬信號，7

11、5，用于模擬傳輸，300450MHz，100km，需要放大器。銅芯絕緣層外導(dǎo)體屏蔽層保護套35細同軸D=1.02cm，10Mbit/s每段185m、4中繼、5段（925m）優(yōu)缺點：價格低安裝方便（T型連接器、BNC接頭、Terminator）抗干擾能力較強可靠性差粗同軸D=2.54cm，10Mbit/s每段500m、4中繼、5段（2500m）優(yōu)缺點：價格稍高安裝方便（收發(fā)器、收發(fā)器電纜、Terminator）抗干擾能力強連接距離中等可靠性好 363738三.光纜依靠光波承載信息高傳送速率，通信容量大傳輸損耗小，適合長距離傳輸抗干擾性能好，保密性好輕便39 多模 輸入電信號輸出電信號單模 波長:

12、 1300,1550 nmh1h2波長 : 850,1300 nmh2h1芯/封套特性光纖的直徑減小到一個光波波長光纖傳送模式40玻璃封套塑料外套玻璃內(nèi)芯單芯光纜多芯光纜玻璃內(nèi)芯塑料外套玻璃封套外殼典型的光纜41芯封套外套加強芯光纖外鞘加強芯光纖束剖面結(jié)構(gòu)42光纖連網(wǎng)示意圖43光信號檢測器前置放大器均衡器后置放大器濾波判決電路時鐘恢復(fù)數(shù)據(jù)光接收器442.3.2 非導(dǎo)向傳輸媒體紅外線和毫米波光波傳輸無線電地面微波接力衛(wèi)星地球同步衛(wèi)星45紅外線和毫米波用于短距離通信，如電視、錄象機等的遙控，也可用于無線LAN。缺點：距離短，不能穿透固體。46光波傳輸應(yīng)用：在屋頂用激光連接兩個建筑物的LAN缺點：不能穿透雨和濃霧，易受天氣影響47固定終端點（基站）和終端之間是無線鏈路BS基站 用戶計算機和終端BS基站覆蓋的無線電區(qū)域F2F3F1F2F3F1F2F3F1F2F2F3F1F1, F2, F3 = 使用的頻率無線電48兩個地面站之間傳送距離：50 -100 km地球地