计算机网络第3章物理层

第三章 物理层
§3.1 物理层与物理层协议的基本概念
§3.2 数据通信的基本概念
§3.3 数据编码技术
§3.4 基带传输技术
§3.5 频带传输的基本概念
§3.6 多路复用技术
§3.7 广域网中的数据交换技术
物理层与物理层协议的基本概念
§3.1 物理层与物理层协议 的基本概念
§3.1.1 物理层的基本概念
与曼彻斯特编码不同点 1）每比特的中间跳变仅做同步之用； 2）每比特的值根据其开始边界是否发生跳变来决定; 3）一个比特开始处出现电平跳变表示传输二进制0, 不发生跳变表示传输二进制1。
数据 (b)曼彻斯特编码 0 1 0 0 1 0 1 1
(c)差分曼彻斯特编码 同步时钟
数据编码技术
§3.3.4 脉冲编码调制方法
数据通信的基本概念
光纤芯 包层 外部保护层
发送端 光纤 输入 光电转换 LED 光信号 PIN
接收端 光电转换 输出
数据通信的基本概念
输入脉冲
输出脉冲
（a）多模光纤
输入脉冲
输出脉冲
（b）单模光纤
数据通信的基本概念
多
模
芯粗 价格较低
式 单
模
芯细 价格昂贵
式
适合近距离低速率传输
适合长距离高速率传输
0 数据 ω 2 (b)FSK 1 ω ω 1 0 ω 2 0 ω 1
，数字1
，数字0
1 ω ω 2 0 ω 1
数据编码技术
3、移相键控（PSK）
1）绝对调相
初相不同
u m sin(t 0) u (t ) u m sin(t )
0 数据 π (c)PSK(绝对) 0 1 ω π π 0 0
X ( n )
s

X ( ) 是输入信号 x(t ) 的频谱
数据编码技术 2）实际抽样 （1）自然抽样 自然采样信号频谱：
X s ( )
n
C

n
X ( n s )
X ( ) 是输入信号 x(t ) 的频谱
数据编码技术 （2）平顶抽样 平顶采样信号频谱：
A X sf ( ) Ts
（1）位同步的目的是为了将发送端发送的每一个 比特都正确地接收下来。
接收到的比特流 t 判决时刻 接收端时钟调整到和发送端时钟完全一样
数据通信的基本概念 （2）位同步方法：
① 外同步法——发送端发送一路数据信号的同时，另 外发送一路同步时钟信号。如：NRZ编码。
② 内同步法——从自含时钟编码的发送数据中提取同 步时钟。如：曼彻斯特编码与差分曼彻斯特编码。
Ú ¼ å Ä µ Ì
ø µ ã ¾ Ô ²
â Á Î ã Í Æ ±²
â ¿ £ ¤² Í ² ±» ã
根据同轴电缆带宽的不同，可以分为两类： 基带同轴电缆和宽带同轴电缆。
数据通信的基本概念
3、光缆的主要特性
包层 纤 芯
折射角
包层 （低折射率的媒体）
纤芯 （高折射率的媒体）
入射角 包层 （低折射率的媒体）
数据编码技术
§3.3 数据编码技术
§3.3.1 数据编码类型
数据编码技术
基本的数据编码方式
振幅键控ASK 模拟数据编码 移频键控FSK 移相键控PSK 数据编码方法 非归零码NRZ 数字数据编码 曼彻斯特编码 差分曼彻斯特编码
数据编码技术
§3.3.2 模拟数据编码方法
◆ 电话通信信道只适用于传输音频范围的模拟
n
X ( n )Sa( 2 )
s


X ( ) 是输入信号 x(t ) 的频谱
数据编码技术
2、量化
从数学的角度看，量化过程实际上就是把一个连续幅 度的无限数集合映射成一个离散幅度的有限数集合。 量化过程：
x
模拟输入
Q(x) 量化器
y
量化值
n 若有M个量化电平，则需要二进制码的位数n为： M 2
接收器 输 出 数 据
终点 输 出 信 息
数据通信的基本概念
1、源系统
1）源点：源点设备产生要传输的数据，源点又称为源站 或信源。
2）发送器：通常源点生成的数字比特流要通过发送器编 码后才能在传输系统中传输。
2、目的系统
1）接收器：接收传输系统传送过来的信号，并把它转换 为能够被目的设备处理的信息。
信号，无法直接传输计算机的数字信号
◆ 将发送端数字数据信号变换成模拟数据信号
的过程称为调制，将调制设备称为调制器; 将接收端模拟数据信号还原成数字数据信号 的过程称为解调，将解调设备称为解调器; 同时具备调制与解调功能的设备称为调制解 调器
数据编码技术
◆ 载波是指用来载送数据的信号。一般都用 最基本的正弦波作为载波。 ◆ 3个可以改变的电参量：
…
t
帧同步确定每一个时分复用帧的位置
接收到的数据帧（异步通信） 数据帧 数据帧 数据帧 t
数据通信的基本概念 ② 异步式——以单个字符或帧为单位进行传送
每个字符开始发送的时间可以是任意的 以字符为单位发送 t
0 0 1 1 0 1 1 0
起始位 结束位
每个帧开始发送的时间可以是任意的 以帧为单位发送 帧开始 帧结束 t
§3.2 数据通信的基本概念
§3.2.1 传输介质的主要类型 1、双绞线的主要特性
铜线 绝缘层 外屏蔽层 外部保护层
（a）屏蔽 双绞线 铜线 绝缘层 外部保护层
（b）非屏 蔽双绞 线
数据通信的基本概念
常见双绞线的类别、带宽和典型应用
双绞线类型
3 4 5
带宽
16MHz 20MHz
典型应用
低速网络、模拟电话 短距离的10BASE-T以太网
若用 进制脉冲进行编码，那么n个码元所代表的量化电平 数目为：M n
数据编码技术
3、编码
在PCM中，把量化后的信号电平转换成二进制码 的过程称为编码。其逆过程称为解码或译码
样本 A 1 . 52 ≈ 1 . 5 1.5 1 . 28 ≈ 1 . 3 1.0 0 . 73 ≈ 0 . 7 0 . 62 ≈ 0 . 6 0.5 0 . 27 ≈ 0 . 3 0 D8 D7 D6 D5 D4 (a) D3 D2 D1 t D8 3 0011 (b) 0 . 41 ≈ 0 . 4 D6 0 . 12 ≈ 0 . 1 D7 13 6 1101 0110 1 . 26 ≈ 1 . 3 D1 D2 D3 1 4 7 0001 0100 0111 量化级 二进制编码 编码信号
脉冲编码调制工作包括三个步骤:
采样、量化与编码。
数据编码技术
1、采样
1）理想低通抽样定理： 一个频带限制在（0，fH）赫兹内的时间连续信号 x（t），如果抽样频率fs大于或等于2fH，则可以 由抽样序列{x(nTs)}无失真地恢复原始信号x（t） 理想采样信号频谱：
1 X s ( ) Ts
n
2）终点（destination）：终点设备从接收器获取传送 来的数字比特流（即数据），然后把信息进行输出。终点也 称为目的站或信宿。
数据通信的基本概念
§3.2.3 数据传输类型与通信方式
数据通信的基本概念
1、数据传输类型
1）基带传输（数字通信） 2）频带传输（模拟通信）
2、数据通信方式
1）串行通信、并行通信 2）单工通信、半双工或全双工通信
D4
D5
13
15
1101
1111
数据编码技术 1）自然二进制码 若n位自然二进制码组成的码字为：
an1 , an2 ,...,a1 , a0
则码字对应的量化电平为：
数据编码技术
2、曼彻斯特编码
曼彻斯特编码的规则： 前T/2传送该比特的反码，后T/2传送该比特的原码；
曼彻斯特编码的优点： 利用电平跳变可以产生收发双方的同步信号； 曼彻斯特编码信号不含直流分量
数据 0 1 0 0 1 0 1 1
(b)曼彻斯特编码 同步时钟
数据编码技术
3、差分曼彻斯特编码
100MHz 10BASE-T以太网、某些100BASE-T快速 以太网
5E（超5类）
6 7
100MHz 100BASE-T快速以太网、某些1000BASET吉比特以太网
250MHz 600MHz 1000BASE-T吉比特以太网、ATM网络 可能用于今后的10吉比特以太网
数据通信的基本概念
2、同轴电缆的主要特性
§3.1.3 物理层向数据链路层提供的服务
◆ 建立物理连接：建立、维护与释放； ◆ 物理连接：点-点连接与多点连接； ◆ 数据传输：单工、半双工与全双工方式； ◆ 数据传输方式：串行传输方式与并行传输方式； 串行传输方式的物理数据服务单元是位；
并行传输方式的物理数据服务单元是N位;
数据通信的基本概念
，数字1 ，数字0
1 ω 0 π 0
数据编码技术
2）相对调相
用载波在两位数字信号的交接处产生的相位偏移 来表示载波所代表的数字信号。
1变0不变
0 数据 +0 (d)PSK(相对) +π +0 +0 +π +0 1 0 0 1 0
数据编码技术
3）多相调制 四相调相的相位变化值
比特位 （码元组） 00 01 10 11 相对相位偏移(度) 0 90 180 270
振幅 角频率
u(t ) um sin(t 0 )
相位
数据编码技术
1、振幅键控（ASK）
u m sin(1t 0 ) u (t ) 0
振幅不同
0 0 数据 1 ω 0
，数字1
，数字0
1 ω
0
(a)ASK