计算机网络课件第2章 物理层与数据通信基础

– “理想低通信道”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(带道H宽z)。
– 理想低通信道的最高码元传输速率 = 2W
Baud
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–若一个码元只携带1bit的信息量，则“ 比特/秒”和“波特”在数值上是相等的 。但若使1个码元携带nbit的信息量，1则1 M
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2.3.6 数据通信方式(4/4)
（2）同步传输
– 同步传输是以数据块为单位的数据传输。
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2.4.1 物理层接口特性
1、机械特性
• 规定了物理连接时对插头和插座的几何尺寸、插针或插孔芯 数及排列方式、锁定装置形式等。
2、电气特性
• 规定了在物理连接上导线的电气连接及有关的电路的特性， 一般包括：接收器和发送器电路特性的说明、DTE-DCE接 口线的信号电平等。
• 地面微波接力通信的特点：
– 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。
– 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
波和米波通信小得多，因而微波传输质量较 高。
– 与相同容量和长度的电缆载波通信比较，微
2020/3/21 波接力通信建设投资少，见效快。
• 双绞线的分类：
– 非屏蔽双绞线 – 屏蔽双绞线
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2.2.1 双绞线(2/2)
非屏蔽双绞线
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屏蔽双绞线
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2.2.2 同轴电缆
• 同轴电缆的特点：
– 同轴电缆由内导体铜质芯线(单股实心线或 多股绞合线)、绝缘层、网状编织的外导体 屏蔽层(也可以是单股的)以及保护塑料外层 所组成。
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2.3.4 多路复用(2/6)
2、时分多路复用（TDM） • 基本思想：将一条线路按其工作时间划分周期，每一
周期再划分为若干时间片，每一时间片由复用的一个 信号占用，从而实现一条线路传送多路信号。
– 频分复用的所有用户在同样的时间占用不同 的带宽资源。时分复用的所有用户是在不同
的时间占用同样的频带宽度。
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2.3.4 多路复用(3/6)
• 时分复用可能会造成线路资源的浪费
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2.3.4 多路复用(4/6)
• 统计时分复用STDM：
– 统计时分复用又称为异步时分复用，而普通 的时分复用称为同步时分复用。
– 统计时分复用是一种改进的时分复用。
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2.2.5 卫星通信
• 卫星通信的特点：
– 通信距离远，且通信费用与通信距离无关。 – 具有较大的传播时延。
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2.3.1 模拟传输与数字传输
• 模拟传输系统
– 模拟传输是一种不考虑其内容的模拟信号传 输方式。
– 放大器中继信号，易引起信号畸变的叠加。
实物图
– EIA-232接口标准有两个较大的弱点，即： 2020/3/21 数据的传输速率最高为20 kbit/s；连接电43 缆
发送端 若从这里开始采样数据
接收端
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返回 44
发送端 若比特传输时间缩短一半
接收端
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1 1 0 0 1 1 11 0 0 0 0 0 01 1
• 按特性阻抗数值的不同，同轴电缆分为两类：
– 50 同轴电缆
• 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。
– 75 同轴电缆
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• 用于模拟传输系统，它是有线电视系统CATV中 的标准传输电缆。在这种电缆上传送的信号1采6 用
2.2.3 光纤(1/3)
• 光纤的组成：
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2.2.4 无线传输媒体
• 微波接力通信缺点：
– 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 别的路径到达接收天线，因而造成失真。
– 微波的传播有时也会受到恶劣气候的影响。 – 与电缆通信系统比较，微波通信的隐蔽性和
保密性较差；
– 对大量中继站的使用和维护要耗费一定的人 力和物力。
– 传统的电话通信系统。
• 数字传输系统
– 数字传输关心的是信号本身所携带的内容。 不论传输的是数字信号或模拟信号，只要它
代表了0和1的相互变化模式的数据就可以采 用数字传输。
– 2020/3/21 转发器（再生器）中继信号。
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2.3.2 数字调制技术
• 调制就是进行波形变换。或者更严格些，是进行频谱变换 ，将基带数字信号的频谱变换成为适合于在模拟信道中传 输的频谱。
– 调幅(AM) – 调频(FM) – 调相(PM)
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2.3.3 脉码调制(1/3)
• 脉码调制（PCM）：
编码解码器
编码解码器
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2.3.3 脉码调制(2/3)
• 脉码调制的过程 ：
1、采样
– 就是按照一定的时 间间隔采样测量模 10 拟信号幅值。
–根据采样定理，只 要采样频率不低于 5 电话信号最高频率 的2倍，就可以从采1 样脉冲信号无失真 地恢复出原来的电
3、编码 2020/3/21
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2.3.4 多路复用(1/6)
1、频分多路复用（FDM） • 基本思想： 将信道的可用频带分成若干互不交叠的频
段，每一路信号仅占用其中的一个频段，以实现多路 信号在同一信道中的传输。
3路话频原 始信号频分 多路复用一 带宽为 12kHz(60 ~72kHz) 的物理信道 示意图
– 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
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2.2.1 双绞线(1/2)
• 双绞线的特点：
– 双绞线（Twisted Pair）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
的铜导线并排放在一起，然后用规则的方法
绞合(twist)起来就构成了双绞线。
• 光纤的特点：
– 传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别 经济。
– 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。
– 无串音干扰，保密性好，也不易被窃听或截取 数据。
– 2020/3/21 体积小，重量轻。
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2.2.4 无线传输媒体
• 无线电
– 无线传输所使用的频段很广 。
– 每一个用户可以在同样的时间使用同样的频 率进行通信。由于各用户使用经过特殊挑选 的不同码型，因此不会造成干扰。
– 码分复用最初是用于军事通信，因为这种系 统发送的信号有很强的抗干扰能力。
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2.3.5 数字信号的编码方法 (1/2)
• 对在物理媒体中传输的二进制比特串可用高低电平的 矩形波来表示。但接收端若无法得知传输的比特串的 起始时间或每个比特串的持续时间长短，则出错。
模拟信号
模拟数据
PCM 编码器
数字信号
数字数据
调制器
模拟信号
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数字数据
数字 调制器
数字信号
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2.1.3 信道的最大数据速率 (2/3)
• 奈奎斯特(Nyquist)推导出在理想低通信道下的最高 码元传输速率的公式：
– 按照数据传输方向及其时间关系可将通信方 式分为单工、半双工和全双工三种 。
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2.3.6 数据通信方式(3/4)
3、同步通信与异步通信
– 同步是指接收端要按照发送端所发送的每个数据的起 止时间和重复频率来接收数据，即收发双方在时间上 必须一致。
（1）异步传输
– 异步传输又称起止式传输，发送者可以在任何时候发 送数据。接收者则只要数据到达，就可以接收数据。 异步传输是以字符为单位的数据传输。
话信号。 2020/3/21
10.8
11.2
9.5
125 250 375 500 625 750 875 1000
时间/μs
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2.3.3 脉码调制(3/3)
2、量化
–量化就是将采样点处测得的信号幅值分级取 整。
–先将模拟信号的最大可能幅值等分为若干级( 通常为2n级)，而后测量得到的幅值按此分级 舍入取整，得到一个正整数。如，模拟信号的 最大幅值的上确界为256，可将其分为128级， 则幅值在[0，2）中量化为O；幅值在[2，4） 中量化为l；……；幅值在[254，256）中量化 为127等。
• 如： 若接收端接收数据时退后1个比特位的时间
若比特传输时间缩短一半
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2.3.5 数字信号的编码方法 (2/2)
• 计算机网络中常采用的编码方法有两种 ：
– 曼彻斯特编码 （早期10M以太网采用此编码 ）
– 差分曼彻斯特编码（令牌环采用此编码）
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2.3.6 数据通信方式(1/4)
• 工作原理图：
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2.3.4 多路复用(5/6)
3、波分复用
– 波分复用就是光的频分复用。
• 工作原理图：
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2.3.4 多路复用(6/6)
4、码分复用
– 码分复用CDM (Code Division Multiplexing) 是另一种共享信道的方法。又称为码分多址 CDMA (Code Division Multiple Access)。
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Байду номын сангаас
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2.1.1 数据通信系统模型(2/2)
– 无论数据或信号，都可以是模拟的或数字的。 所谓“模拟”就是连续变化的，而“数字”就 表示取值是离散的。
• 数据与模信拟号数转据换的几种情放况大器 调制器
1、串、并行通信
（1）并行通信 –将16位或32位的数据按数位宽度同时进行传
输，每一个数位都要有自己的数据传输线和 发送、接收设备。 （2）串行通信 –在一根数据传输线上每次传送一位二进制数 据，即数据一位接一位地传送。
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2.3.6 数据通信方式(2/4)
2、单工通信、半双工通信、全双工通信
2.1.3 信道的最大数据速率 (3/3)
• 香农公式(信道的极限信息传输速率 )：
– C = W log2(1+S/N) bit/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
– 信噪比的单位为dB，1dB=10lg(S/N)
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– 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，其直径只有8 ~ 100 m。正是这个 纤芯用来传导光波。
• 光纤的分类：
– 单模光纤 – 多模光纤
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2.2.3 光纤(2/3)
• 单模光纤和多模光纤的比较
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2.2.3 光纤(3/3)
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返回
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3、功能特性 • 规定了接口信号的来源、作用以及与其它信号之间的关系。
4、规程特性 • 规定了使用交换电路进行数据交换的控制步骤。
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2.4.2 常用的物理层标准
• 常见的主要有EIA-232-E标准和RS-449标准等。 • EIA-232-E接口标准
– EIA-232-E是美国电子工业协会EIA制定的著 名物理层标准。EIA-232是DTE与DCE之间 的接口标准。