第2章 物理层与数据通信基础精选文档.ppt
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1、第第2章章 物理物理层与数据通信基与数据通信基础本讲稿第一页,共四十二页2/42计算机网络计算机网络课程目录课程目录第第1章章 概述概述第第2章章 物理层与数据通信基础物理层与数据通信基础第第3章章 数据链路层数据链路层第第4章章 局域网局域网第第5章章 网络层网络层第第6章章 网络互联技术网络互联技术第第7章章 传输层传输层第第8章章 应用层应用层第第9章章 网络管理与信息安全网络管理与信息安全第第10章章 网络新技术专题网络新技术专题本讲稿第二页,共四十二页3/42计算机网络计算机网络本章提纲本章提纲2.1数据通信的理论基础数据通信的理论基础 2.2物理传输介质物理传输介质 2.3数据传输
2、技术数据传输技术 2.4物理层接口标准举例物理层接口标准举例 第第2章章物理层与数据通信基础物理层与数据通信基础 本讲稿第三页,共四十二页4/42计算机网络计算机网络2.1数据通信的理论基础数据通信的理论基础2.1.1 数据通信系统模型数据通信系统模型 2.1.2 带宽与傅立叶分析带宽与傅立叶分析 2.1.3 信道的最大数据速率信道的最大数据速率 本讲稿第四页,共四十二页5/42计算机网络计算机网络2.1.1 数据通信系统模型数据通信系统模型(1/2)n数据通信系统的组成:数据通信系统的组成:n源系统(或发送端)源系统(或发送端)传输系统(或传输网络)传输系统(或传输网络)目的系统目的系统(或
3、接收端)(或接收端)n数据与信号的区别:数据与信号的区别:n数据数据(data)是运送信息的实体,而信号是运送信息的实体,而信号(signal)则是数据的则是数据的电气的或电磁的表现。电气的或电磁的表现。本讲稿第五页,共四十二页6/42计算机网络计算机网络2.1.1 数据通信系统模型数据通信系统模型(2/2)n无论数据或信号,都可以是模拟的或数字的。所谓无论数据或信号,都可以是模拟的或数字的。所谓“模拟模拟”就是连续变化的,而就是连续变化的,而“数字数字”就表示取值是离就表示取值是离散的。散的。n数据与信号转换的几种情况数据与信号转换的几种情况 放大器放大器调制器调制器PCM编码器编码器调制器
4、调制器数字数字调制器调制器模拟数据模拟数据模拟信号模拟信号模拟数据模拟数据数字信号数字信号数字数据数字数据模拟信号模拟信号数字数据数字数据数字信号数字信号本讲稿第六页,共四十二页7/42计算机网络计算机网络2.1.2 带宽与傅立叶分析带宽与傅立叶分析(1/3)n带宽的定义:带宽的定义:n带宽有时又叫吞吐量。带宽有时又叫吞吐量。“带宽带宽”本来的意思是指某个信号所具本来的意思是指某个信号所具有的频带宽度。单位:赫兹有的频带宽度。单位:赫兹HzHzn对于数字信道,对于数字信道,“带宽带宽”是指在信道上是指在信道上(或一段链路上或一段链路上)能够能够传送的数字信号的速率,即数据速率或比特率。传送的数
5、字信号的速率,即数据速率或比特率。n傅立叶(傅立叶(FourierFourier)级数)级数 :n一一个个具具有有有有限限持持续续时时间间的的数数字字信信号号,可可以以看看做做为为一一个个以以此此有有限限持持续续时时间间T T为为周周期期的的周周期期阶阶梯梯函函数数g g(t t)。此此函函数数可可展展开开成成傅傅立叶(立叶(FourierFourier)级数。级数。本讲稿第七页,共四十二页8/42计算机网络计算机网络2.1.2 带宽与傅立叶分析带宽与傅立叶分析(2/3)nf=1/T 基波频率基波频率n 直流分量直流分量nn次谐波的正弦振幅值次谐波的正弦振幅值nn次谐波的余弦振幅值次谐波的余弦
6、振幅值nn次谐波的均方根振幅,它和次谐波的均方根振幅,它和n次谐波的能量成正比次谐波的能量成正比n信道的带宽越宽,那么能通过的谐波的次数就越高,接收端恢复的波形就信道的带宽越宽,那么能通过的谐波的次数就越高,接收端恢复的波形就越接近于原发送端的波形,相当于越接近于原发送端的波形,相当于n n越大则傅立叶级数中前越大则傅立叶级数中前n n项求和得到的项求和得到的值越接近于原来的周期函数。值越接近于原来的周期函数。本讲稿第八页,共四十二页9/42计算机网络计算机网络2.1.2 带宽与傅立叶分析带宽与傅立叶分析(3/3)本讲稿第九页,共四十二页1042计算机网络计算机网络2.1.3 信道的最大数据速
7、率信道的最大数据速率(1/3)n信道的最大数据速率受信道的带宽制约信道的最大数据速率受信道的带宽制约。图图2-1 数字信号通过实际的信道和质量很差的信道时的输出波形数字信号通过实际的信道和质量很差的信道时的输出波形n码元传输速率提高时,信号失真会更加严重。因此,在码元传输速率提高时,信号失真会更加严重。因此,在实际的信道上,码元传输的速率必然有个上限。实际的信道上,码元传输的速率必然有个上限。本讲稿第十页,共四十二页1142计算机网络计算机网络2.1.3 信道的最大数据速率信道的最大数据速率(2/3)n奈奎斯特奈奎斯特(Nyquist)推导出在理想低通信道下的最高码元传推导出在理想低通信道下的
8、最高码元传输速率的公式:输速率的公式:n“理想低通信道理想低通信道”就是信号的所有低频分量,只要就是信号的所有低频分量,只要其频率不超过某个上限值,都能够不失真地通过此其频率不超过某个上限值,都能够不失真地通过此信道,而频率超过该上限值的所有高频分量都不能信道,而频率超过该上限值的所有高频分量都不能通过该信道。通过该信道。n理想低通信道的最高码元传输速率理想低通信道的最高码元传输速率=2W Baud n若一个码元只携带若一个码元只携带1 1bitbit的信息量,则的信息量,则“比特比特/秒秒”和和“波特波特”在数值上是相等的。但若使在数值上是相等的。但若使1 1个码元携带个码元携带nbitnb
9、it的信息量,则的信息量,则M BaudM Baud的码元传输速率所对应的的码元传输速率所对应的信息速率则为信息速率则为Mn bit/sMn bit/s。(电平级数?电平级数?)带宽带宽(Hz)本讲稿第十一页,共四十二页1242计算机网络计算机网络2.1.3 信道的最大数据速率信道的最大数据速率(3/3)n香农公式香农公式(信道的极限信息传输速率信道的极限信息传输速率):nC=W log2(1+S/N)bit/snW为信道的带宽为信道的带宽(以以Hz为单位为单位);S为信道内所传信为信道内所传信号的平均功率;号的平均功率;N为信道内部的高斯噪声功率为信道内部的高斯噪声功率n信噪比的单位为信噪比
10、的单位为dB,1dB=10lg(S/N)n香香农农公公式式表表明明,信信道道的的带带宽宽或或信信道道中中的的信信噪噪比比越越大大,则信息的极限传输速率就越高。则信息的极限传输速率就越高。本讲稿第十二页,共四十二页1342计算机网络计算机网络2.2物理传输介质物理传输介质 n2.2.1 双绞线双绞线 n2.2.2 同轴电缆同轴电缆 n2.2.3 光纤光纤 n2.2.4 无线传输媒体无线传输媒体 n2.2.5 卫星通信卫星通信 本讲稿第十三页,共四十二页1442计算机网络计算机网络2.2.1 双绞线双绞线(1/2)n双绞线的特点:双绞线的特点:n双绞线(双绞线(Twisted Pair)也称双扭线
11、,是一种最经)也称双扭线,是一种最经常使用的物理媒体。把两根互相绝缘的铜导线并排常使用的物理媒体。把两根互相绝缘的铜导线并排放在一起,然后用规则的方法绞合放在一起,然后用规则的方法绞合(twist)起来就构起来就构成了双绞线。成了双绞线。n双绞线的分类:双绞线的分类:n非屏蔽双绞线非屏蔽双绞线 n屏蔽双绞线屏蔽双绞线 本讲稿第十四页,共四十二页1542计算机网络计算机网络2.2.1 双绞线双绞线(2/2)屏蔽双绞线非屏蔽双绞线本讲稿第十五页,共四十二页1642计算机网络计算机网络2.2.2 同轴电缆同轴电缆n同轴电缆的特点:同轴电缆的特点:n同轴电缆由内导体铜质芯线同轴电缆由内导体铜质芯线(单
12、股实心线或多股绞合单股实心线或多股绞合线线)、绝缘层、网状编织的外导体屏蔽层、绝缘层、网状编织的外导体屏蔽层(也可以是也可以是单股的单股的)以及保护塑料外层所组成。以及保护塑料外层所组成。n按特性阻抗数值的不同,同轴电缆分为两类:按特性阻抗数值的不同,同轴电缆分为两类:n50 同轴电缆同轴电缆n主要用于在数据通信中传送基带数字信号,又称基带主要用于在数据通信中传送基带数字信号,又称基带同轴电缆。同轴电缆。n75 同轴电缆同轴电缆n用于模拟传输系统,它是有线电视系统用于模拟传输系统,它是有线电视系统CATV中的标准传中的标准传输电缆。在这种电缆上传送的信号采用了频分复用的宽输电缆。在这种电缆上传
13、送的信号采用了频分复用的宽带信号。带信号。本讲稿第十六页,共四十二页1742计算机网络计算机网络2.2.3 光纤光纤(1/3)n光纤的组成:光纤的组成:n光纤通常由非常透明的石英玻璃拉成细丝,主要由光纤通常由非常透明的石英玻璃拉成细丝,主要由纤芯和包层构成双层通信圆柱体。纤芯很细,其直纤芯和包层构成双层通信圆柱体。纤芯很细,其直径只有径只有8 100 m。正是这个纤芯用来传导光波。正是这个纤芯用来传导光波。n光纤的分类:光纤的分类:n单模光纤单模光纤n多模光纤多模光纤本讲稿第十七页,共四十二页1842计算机网络计算机网络2.2.3 光纤光纤(2/3)n单模光纤和多模光纤的比较单模光纤和多模光纤
14、的比较本讲稿第十八页,共四十二页1942计算机网络计算机网络2.2.3 光纤光纤(3/3)n光纤的特点:光纤的特点:n传输损耗小,中继距离长,对远距离传输特别经济。传输损耗小,中继距离长,对远距离传输特别经济。n抗雷电和电磁干扰性能好。这在有大电流脉冲干扰的抗雷电和电磁干扰性能好。这在有大电流脉冲干扰的环境下尤为重要。环境下尤为重要。n无串音干扰,保密性好,也不易被窃听或截取数据。无串音干扰,保密性好,也不易被窃听或截取数据。n体积小,重量轻。体积小,重量轻。本讲稿第十九页,共四十二页2042计算机网络计算机网络2.2.4 无线传输媒体无线传输媒体n无线电无线电 n无线传输所使用的频段很广无线
15、传输所使用的频段很广。n地面微波接力通信的特点:地面微波接力通信的特点:n微波波段频率很高,其频段范围也很宽,因此其通微波波段频率很高,其频段范围也很宽,因此其通信信道的容量很大。信信道的容量很大。n因为工业干扰和天电干扰的主要频谱成分比微波频因为工业干扰和天电干扰的主要频谱成分比微波频率低得多,对微波通信的危害比对短波和米波通信率低得多,对微波通信的危害比对短波和米波通信小得多,因而微波传输质量较高。小得多,因而微波传输质量较高。n与相同容量和长度的电缆载波通信比较,微波接力与相同容量和长度的电缆载波通信比较,微波接力通信建设投资少,见效快。通信建设投资少,见效快。本讲稿第二十页,共四十二页
16、2142计算机网络计算机网络2.2.4 无线传输媒体无线传输媒体n微波接力通信缺点:微波接力通信缺点:n相邻站之间必须直视,不能有障碍物,有时一个天相邻站之间必须直视,不能有障碍物,有时一个天线发射出的信号也会分成几条略有差别的路径到达线发射出的信号也会分成几条略有差别的路径到达接收天线,因而造成失真。接收天线,因而造成失真。n微波的传播有时也会受到恶劣气候的影响。微波的传播有时也会受到恶劣气候的影响。n与电缆通信系统比较,微波通信的隐蔽性和保密性与电缆通信系统比较,微波通信的隐蔽性和保密性较差;较差;n对大量中继站的使用和维护要耗费一定的人力和物对大量中继站的使用和维护要耗费一定的人力和物力
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