物理层315学习教程.pptx
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1、2.1 物理层的基本概念 注!注!传输媒体本身并不属于物理层的范围传输媒体本身并不属于物理层的范围 物理层的主要任务:确定与传输媒体接口有关的一些特性,即:机机械械特特性性:指指明明接接口口所所用用接接线线器器的的形形状状和和尺尺寸寸、引引线线数数目目和和排排列列、固定、锁定装置等;固定、锁定装置等;电气特性:指明在电气特性:指明在接口接口电缆的各条线上出现的电缆的各条线上出现的电压电压的范围;的范围;功能特性:指明某条线上出现的某一电平的功能特性:指明某条线上出现的某一电平的电压电压表示何种表示何种意义意义;过程特性:指明对于不同功能的各种可能事件的出现过程特性:指明对于不同功能的各种可能事
2、件的出现顺序顺序;转换传输方式:计算机中转换传输方式:计算机中并行并行和通信线路上和通信线路上串行串行传输方式的转换。传输方式的转换。第1页/共50页2.2 数据通信的基础知识2.2.1 数据通信系统的模型传输传输系统系统输输入入信信息息输输入入数数据据发送发送的信号的信号接收接收的信号的信号输输出出数数据据源点源点终点终点发送器发送器接收器接收器调制解调器调制解调器PC PC 机机公用电话网公用电话网调制解调器调制解调器数字比特流数字比特流数字比特流数字比特流模拟信号模拟信号模拟信号模拟信号 输入输入汉字汉字显示显示汉字汉字数据通信系统数据通信系统 源系统源系统目的系统目的系统 传输系统传输
3、系统输输出出信信息息PC PC 机机键 盘 屏 幕调制器解调器演示!第2页/共50页常用术语消息消息(message)(message)话音、文字、图像等都是消息;话音、文字、图像等都是消息;数据数据(data)(data)运送消息的实体;运送消息的实体;信号信号(signal)(signal)数据的物理表现,如电气或电磁。数据的物理表现,如电气或电磁。模模拟拟信信号号(analogous)(analogous)消消息息的的参参数数的的取取值值是是连连续续的的,如如时时间间、温度、声音。温度、声音。数数字字信信号号(digital)(digital)消消息息的的参参数数的的取取值值是是离离散散
4、的的,二二进进制制数数、电脉冲。电脉冲。码码元元(code)(code)使使用用时时间间域域(时时域域)的的波波形形表表示示数数字字信信号号时时,代代表表不不同同离离散散数数值值的的基基本本波波形形就就称称为为码码元元,在在使使用二进制编码时,只有两种不同的码元:用二进制编码时,只有两种不同的码元:0 0、1 1。第3页/共50页第4页/共50页2.2.2 有关信道的几个基本概念信道信道:向某一个方向传送信息的媒体。向某一个方向传送信息的媒体。一条通信一条通信电路电路通常包含通常包含条信道?条信道?单单向向通通信信(单单工工通通信信)只只有有一一个个方方向向的的通通信信,而而没没有反方向的交互
5、。如:电视广播。有反方向的交互。如:电视广播。双双向向交交替替通通信信(半半双双工工通通信信)通通信信的的双双方方都都可可以以发发送信息,但送信息,但不能同时不能同时发送发送(当然也不能同时接收当然也不能同时接收)。双双向向同同时时通通信信(全全双双工工通通信信)通通信信的的双双方方可可以以同同时时发送和接收信息。发送和接收信息。第5页/共50页基带(baseband)信号和带通(bandpass)信号u基带信号基带信号(基本频带信号):来自信源的信号(基本频带信号):来自信源的信号 基基带带信信号号往往往往包包含含较较多多的的低低频频成成分分,甚甚至至有有直直流流成成分分,而而许许多多信信道
6、道并并不不能能传传输输这这种种低低频频分分量量或或直直流流分分量量,因此必须对基带信号进行因此必须对基带信号进行调制调制(modulation)(modulation)。基基带带调调制制:仅仅仅仅对对基基带带信信号号的的波波形形进进行行变变换换,调调制制后后的信号仍是基带信号。的信号仍是基带信号。带带通通调调制制:使使用用载载波波进进行行调调制制,把把基基带带信信号号的的频频率率范范围围搬搬到到较较高高的的频频段段以以便便在在信信道道中中传传输输(即即仅仅在在一一段段频频率范围内能够通过信道)。率范围内能够通过信道)。u带通信号带通信号:基带信号经过:基带信号经过载波调制后载波调制后的信号的信
7、号第6页/共50页带通调制的方法:调幅调幅(AM)(AM):载波载波的的振幅振幅随基带数字信号而变化随基带数字信号而变化 调频调频(FM)(FM):载波载波的的频率频率随基带数字信号而变化随基带数字信号而变化 调相调相(PM)(PM):载波载波的的初始相位初始相位随基带数字信号而变化随基带数字信号而变化0 01 10 00 01 11 11 10 00 0基带信号基带信号调幅调幅调频调频调相调相第7页/共50页2.2.3 信道的极限容量任何实际的信道都不是理想的,在传输信号时会产生各任何实际的信道都不是理想的,在传输信号时会产生各种种失真失真以及带来多种以及带来多种干扰干扰。码元传输的速率越码
8、元传输的速率越高高,传输距离越,传输距离越远远,噪声干扰越,噪声干扰越大大,传输媒体质量越传输媒体质量越差差,在信道输出端的波形的,在信道输出端的波形的失真失真就越就越严严重重。(带宽受限、有噪声、干扰和失真)(带宽受限、有噪声、干扰和失真)发送信号波形发送信号波形接收信号波形接收信号波形发送信号波形发送信号波形(带宽受限、有噪声、干扰和失真)(带宽受限、有噪声、干扰和失真)接收信号波形接收信号波形第8页/共50页信噪比信噪比 信噪比信噪比:信号信号的平均功率和的平均功率和噪声噪声的平均功率之比的平均功率之比 信噪比(信噪比(dB)=10log10(S/N)()(dB)S:信道内所传信号的平均
9、功率信道内所传信号的平均功率N:信道内部的高斯噪声功率信道内部的高斯噪声功率dB:分贝分贝香农香农(Shannon)用信息论的理论推导出了用信息论的理论推导出了带宽受限带宽受限且有且有高斯白噪声高斯白噪声干扰的信道的干扰的信道的极限传输速率极限传输速率C:C=W log2(1+S/N)b/s W:信道的带宽(以信道的带宽(以 Hz 为单位)为单位)信道的信道的带宽带宽或信道中的信噪比越大或信道中的信噪比越大,则信息的极限传输,则信息的极限传输速率就越高速率就越高。第9页/共50页2.3 物理层下面的传输媒体 传输媒体(传输介质):数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路。2.3.1 导向传
10、输媒体双绞线双绞线 屏蔽双绞线屏蔽双绞线 STP(Shielded Twisted Pair)STP(Shielded Twisted Pair)无屏蔽双绞线无屏蔽双绞线 UTP(Unshielded Twisted Pair)UTP(Unshielded Twisted Pair)同轴电缆同轴电缆 50 50 同轴电缆同轴电缆 75 75 同轴电缆同轴电缆光缆光缆 单模单模 多模多模第10页/共50页铜线铜线铜线铜线聚氯乙烯聚氯乙烯 套层套层聚氯乙烯聚氯乙烯套层套层屏蔽层屏蔽层绝缘层绝缘层绝缘层绝缘层外导体屏蔽层外导体屏蔽层绝缘层绝缘层绝缘保护套层绝缘保护套层内导体内导体屏蔽双绞线屏蔽双绞线
11、 STP同轴电缆同轴电缆无屏蔽双绞线无屏蔽双绞线 UTP第11页/共50页直连网线:不同设备交叉网线:相同设备 主机路由器Side 1Side 2Side 112345678123456781=白白/橙橙2=橙橙3=白白/绿绿4=蓝蓝5=白白/蓝蓝6=绿绿7=白白/棕棕8=棕棕Side 2Side 1Side 2Side 1Side 212345678123456781=白白/橙橙2=橙橙3=白白/绿绿4=蓝蓝5=白白/蓝蓝6=绿绿7=白白/棕棕8=棕棕1=白白/橙橙2=橙橙3=白白/绿绿4=蓝蓝5=白白/蓝蓝6=绿绿7=白白/棕棕8=棕棕1=白白/绿绿2=绿绿3=白白/橙橙4=蓝蓝5=白白/
12、蓝蓝6=橙橙7=白白/棕棕8=棕棕第12页/共50页10base5 粗同轴电缆10base2 细同轴电缆第13页/共50页常见光纤接头FC:带螺纹的圆形光纤接头:带螺纹的圆形光纤接头SC矩形光纤接头矩形光纤接头ST:卡接式圆形光纤接头:卡接式圆形光纤接头第14页/共50页光纤的工作原理高折射率高折射率(纤芯纤芯)低折射率低折射率(包层包层)光在纤芯中不断地光在纤芯中不断地全反射全反射发光源:多模:发光二极管 单模:半导体激光器 第15页/共50页多模与单模光纤输入脉冲输入脉冲输出脉冲输出脉冲单模光纤单模光纤输入脉冲输入脉冲输出脉冲输出脉冲多模光纤多模光纤第16页/共50页2.3.2 非导向传输
13、媒体l无线传输:所使用的频段很广;l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;l微波:在空间主要是直线传播。地面微波接力通信地面微波接力通信卫星通信卫星通信 第17页/共50页回 顾1.1.物理层的主要任务:确定与物理层的主要任务:确定与有关的一些特性。有关的一些特性。2.2.在在导导向向传传输输媒媒体体中中,电电磁磁波波沿沿着着媒媒体体传传播播;在在非非导导向向传传输输媒媒体体中中,电电磁磁波波沿沿着着传传播播,这这种种传传输常称为输常称为。3.3.码码元元的的传传输输速速率率越越,信信号号传传输输的的距距离离越越,噪噪声声干干扰扰越越,传传输输媒媒体体的的质质量量越越,在在
14、接接收收端端的波形失真就越的波形失真就越。4.4.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,则则信信息息的的极限传输速率就越高极限传输速率就越高。5.5.单模:单模:光以光以单一单一路径通过这种光纤路径通过这种光纤 多模:多模:光以光以多重多重路径通过这种光纤路径通过这种光纤 第18页/共50页2.4 信道复用技术 信道:向某一个方向传送信息的媒体。2.4.1 频分复用、时分复用、统计时分复用 复用(multiplexing):两个或多个用户共享公用信道的一种机制。共享信道共享信道信道信道A A1 1A A2 2B B1 1B B2 2C C1 1C C2 2信道信道信道信
15、道A A1 1A A2 2B B1 1B B2 2C C1 1C C2 2复用复用分用分用(a)(a)不使用复用技术不使用复用技术(b)(b)使用复用技术使用复用技术第19页/共50页1.频分复用 FDM(Frequency Division Multiplexing)用用户户在在分分配配到到一一定定的的频频带带后后,在在通通信信过过程程中中自自始始至至终终都都占占用用这这个个频频带带,即即所所有有用用户户在在同同样样的的时时间间占占用用不不同同的的带带宽宽资资源(源(“带宽带宽”是是频率带宽频率带宽而不是数据的发送速率)。而不是数据的发送速率)。频率频率时间时间频率频率 1频率频率 2频率频
16、率 3频率频率 4频率频率 5第20页/共50页2.时分复用TDM(Time Division Multiplexing)时时 分分 复复 用用:将将 时时 间间 划划 分分 为为 一一 段段 段段 等等 长长 的的 时时 分分 复复 用用 帧帧(TDM 帧帧),每每一一个个用用户户在在每每一一个个 TDM 帧帧中中占占用用固固定定序号序号的时隙。的时隙。每一个用户所占用的时隙每一个用户所占用的时隙周期性地出现周期性地出现时分复用的所有用户是在时分复用的所有用户是在不同不同的时间占用的时间占用同样同样的的频带宽度。频带宽度。频率时间C C D DC C D DC C D DA AA AA AA
17、 AB BB BB BB B C C D D B B在 TDM TDM 帧中的位置不变TDM TDM 帧TDM TDM 帧TDM TDM 帧TDM TDM 帧TDM TDM 帧第21页/共50页 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,所以用户对分配到的子信道的利用率一般很低。例如,上网时当你用键盘输入文字的时候,此时信道的利用率就很低。A AB BC CD Da aa ab bb bc cd db b c ca at tt tt tt tt t4 4 个时分复用帧#1#1a ac cb bc cd d#2#2#3#3#4#4用户第22页/共50页3.统计时分复用 STDM
18、 (Statistic TDM)u在在统统计计时时分分复复用用中中,每每一一个个STDM帧帧中中的的时时隙隙数数小于小于连接在集中器上的用户数。连接在集中器上的用户数。u STDM帧帧不不是是固固定定分分配配时时隙隙的的,而而是是按按需需动动态态的分配时隙。的分配时隙。用户A AB BC CD Da ab bc cd dt tt tt tt tt t3 3 个 STDM STDM 帧#1#1a ac cb ba ab bb bc ca ac cd d#2#2#3#3集中器第23页/共50页2.4.2 波分复用 WDM(Wavelength Division Multiplexing)|波分复用
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