杭州电子科技大学《计算机网络》物理层.ppt
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计算机网络课件：第三章 物理层
（5）蜂窝无线通信
将一个大区划分为多个小区，在每个小区设立 一个基站，用户手机通过小区基站接入移动 通信网
（6）卫星通信
3.2.4数据编码分类
计算机内的二进制数据分为模拟信号和数字信 号
模拟数据编码：振幅键控ASK、移频键控FSK 和移相键控PSK
数字数据编码：外同步(NRZ)编码和内同步编 码（曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码）
7) 六类线：1000Mbps 目前正逐步普及 。
8) 七类线有很多标准现在还没有完全规范，还在修订中，是一种全新的标准，而且也 不再使用我们常见的RJ水晶头了。
2同轴电缆的主要特性 同轴电缆由内导体、绝缘层、外屏蔽层及外部保护层组成 抗干扰能力强 3光纤的主要特性 （1）光纤结构与传输原理 光纤的纤芯是一种直径为8-100um的柔软、能传导光波的玻璃或塑料，其中用超高纯度石英
一对导线可以作为一条通信线路。 局域网中所使用的双绞线分为两类：屏蔽双绞线（STP）与非屏蔽双绞线（UTP）。 双绞线常见的有3类线，5类线和超5类线，6类以及最新的7类线，前者线径细而后者线径粗
，详介如下： 1）一类线：主要用于传输语音（一类标准主要用于八十年代初之前的电话线缆），不 同于数据传输 2）二类线：传输频率为1MHZ，用于语音传输和最高传输速率4Mbps的数据传输 3）三类线：该电缆的传输频率16MHz，用于语音传输及最高传输速率为10Mbps的数 据传输主要用于10BASE--T。 4）四类线：该类电缆的传输频率为20MHz，用于语音传输和最高传输速率16Mbps的 数据传输主要用于基于令牌的局域网和 10BASE-T/100BASE-T。 5）五类线：该类电缆增加了绕线密度，外套一种高质量的绝缘材料，传输率为 100MHz，用于语音传输和最高传输速率为10Mbps的数据传输，主要用于100BASE-T 和10BASE-T网络。这是最常用的以太网电缆。 6）超五类线：超5类具有衰减小，串扰少，并且具有更高的衰减与串扰的比值(ACR)和 信噪比(Structural Return Loss)、更小的时延误差，性能得到很大提高。超5类线主 要用于千兆位以太网（1000Mbps）。
计算机网络-第2章 物理层(1)
是“直接控制信号状态”的传输方式，例如：以太网
• 频带传输： 将基带信号调制成模拟信号后再传送，接收方需要解调
是“控制载波信号状态”的传输方式，例如：通过电话模拟 信道传输
• 宽带信号：
是将基带信号进行调制后形成的频分复用模拟信号
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8
通信系统有关的基本概念
4. 信道的传输模式(通信方式) 通信双方的信息交互方式，按数据流动的方向有三种基本方
第二章 物理层
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1
§ 2.1 物理层的基本概念
1. 问题的提出：如何在连接各种计算机的传输媒体上透明 地传输比特流。（向上屏蔽掉媒体的差异）
2. 用于物理层的协议也常称为物理层规程(procedure)。 3. 物理层的主要任务可描述为确定与传输媒体的接口的一
些特性，即： （1）机械特性：连接器形状，排列，尺寸等。 （2）电气特性：电压的范围。 （3）功能特性：电压的意义。 （4）规程特性：事件顺序。
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2
多车道公路是并行传输
通信线路上通常都是串行传输
……100101110100100111010001011010
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3
§2.2 数据通信的基础知识
一、 数据通信系统的模型
一个数据通信系统可划分为三大部分，即源系统(或发送 端)、传输系统(或传输网络)和目的系统(或接收端)。
(注意:逻辑概念,与线路的区别)
不同类型的数据和信号在不同类型的信道上传输有4种组合。 数据：模拟数据、数字数据
信号：模拟信号、数字信号
信道：模拟信道、数字信道
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7
通信系统有关的基本概念
3. 数字信号的传输方式
• 频带传输： 将基带信号调制成模拟信号后再传送，接收方需要解调
是“控制载波信号状态”的传输方式，例如：通过电话模拟 信道传输
• 宽带信号：
是将基带信号进行调制后形成的频分复用模拟信号
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8
通信系统有关的基本概念
4. 信道的传输模式(通信方式) 通信双方的信息交互方式，按数据流动的方向有三种基本方
第二章 物理层
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1
§ 2.1 物理层的基本概念
1. 问题的提出：如何在连接各种计算机的传输媒体上透明 地传输比特流。（向上屏蔽掉媒体的差异）
2. 用于物理层的协议也常称为物理层规程(procedure)。 3. 物理层的主要任务可描述为确定与传输媒体的接口的一
些特性，即： （1）机械特性：连接器形状，排列，尺寸等。 （2）电气特性：电压的范围。 （3）功能特性：电压的意义。 （4）规程特性：事件顺序。
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2
多车道公路是并行传输
通信线路上通常都是串行传输
……100101110100100111010001011010
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3
§2.2 数据通信的基础知识
一、 数据通信系统的模型
一个数据通信系统可划分为三大部分，即源系统(或发送 端)、传输系统(或传输网络)和目的系统(或接收端)。
(注意:逻辑概念,与线路的区别)
不同类型的数据和信号在不同类型的信道上传输有4种组合。 数据：模拟数据、数字数据
信号：模拟信号、数字信号
信道：模拟信道、数字信道
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7
通信系统有关的基本概念
3. 数字信号的传输方式
计算机网络基础课件-物理层
ABCDABCDABCDABCD
…
TDM 帧
TDM 帧
TDM 帧
TDM 帧TDM 帧来自时间时分复用频率
D 在 TDM 帧中 的位置不变
ABCDABCDABCDABCD
…
TDM 帧
TDM 帧
TDM 帧
TDM 帧
TDM 帧
时间
时分复用可能会造成线路资源的浪费
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，用户对 分配到的子信道的利用率一般是不高的。
复用：允许同时通过一条数据链路传输多个信号 的一组技术； 复用器 分用器
1条链路，N条通道
频分复用
FDM是用来组合模拟信号的模拟多路复用技术； 应用条件：链路带宽(HZ)大于传输的信号带宽之 和时使用；
频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源 （请注意，这里的“带宽”是频率带宽而不是数据的发送速率）
输入脉冲
单模光纤
输出脉冲
非导向传输媒体
无线传输所使用的频段很广。
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。 微波在空间主要是直线传播。
地面微波接力通信 卫星通信
主要内容
物理层基本概念 数据通信的基础知识 传输媒体 信道复用技术 接入网
信道复用
光纤，地面微波和卫星微波等高带宽传输媒体， 具有远超过平均传输需求的承载能力；
同轴电缆
绝缘保护套层 外导体屏蔽层
绝缘层
内导体
光线在光纤中的折射
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）
光纤的工作原理
低折射率 (包层) 高折射率 (纤芯) 光线在纤芯中传输的方式是不断地全反射
计算机网络 物理层PPT课件
在任何信道中，码元传输的速率是有上限的， 否则就会出现码间串扰的问题，使接收端对码 元的判决（即识别）成为不可能。
如果信道的频带越宽，也就是能够通过的信号 高频分量越多，那么就可以用更高的速率传送 码元而不出现码间串扰。
(2) 信噪比
香农(Shannon)用信息论的理论推导出了 带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的 极限、无差错的信息传输速率。
第2章 物理层
第 2 章 物理层
2.1 物理层的基本概念 2.2 数据通信的基础知识 2.3 物理层下面的传输媒体 2.4 信道复用技术 2.5 数字传输系统 2.6 宽带接入技术
2.1 物理层的基本概念
物理层的主要任务描述为确定与传输媒体的接 口的一些特性，即： 机械特性 指明接口所用接线器的形状和尺寸、 引线数目和排列、固定和锁定装置等等。 电气特性 指明在接口电缆的各条线上出现的 电压的范围。 功能特性 指明某条线上出现的某一电平的电 压表示何种意义。 过程特性 指明对于不同功能的各种可能事件 的出现顺序。
双绞线
卫星
光纤
同轴电缆
地面微波
海事 调幅 无线电 无线电
调频 移动 无线电 无线电
电视
波段
LF MF HF VHF UHF SHF EHF THF
2.3.1 导向传输媒体
双绞线
屏蔽双绞线 STP (Shielded Twisted Pair) 无屏蔽双绞线 UTP (Unshielded Twisted
有失真，但可识别
实际的信道 （带宽受限、有噪声、干扰和失真）
发送信号波形
接收信号波形
失真大，无法识别
实际的信道 （带宽受限、有噪声、干扰和失真）
发送信号波形
接收信号波形
如果信道的频带越宽，也就是能够通过的信号 高频分量越多，那么就可以用更高的速率传送 码元而不出现码间串扰。
(2) 信噪比
香农(Shannon)用信息论的理论推导出了 带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的 极限、无差错的信息传输速率。
第2章 物理层
第 2 章 物理层
2.1 物理层的基本概念 2.2 数据通信的基础知识 2.3 物理层下面的传输媒体 2.4 信道复用技术 2.5 数字传输系统 2.6 宽带接入技术
2.1 物理层的基本概念
物理层的主要任务描述为确定与传输媒体的接 口的一些特性，即： 机械特性 指明接口所用接线器的形状和尺寸、 引线数目和排列、固定和锁定装置等等。 电气特性 指明在接口电缆的各条线上出现的 电压的范围。 功能特性 指明某条线上出现的某一电平的电 压表示何种意义。 过程特性 指明对于不同功能的各种可能事件 的出现顺序。
双绞线
卫星
光纤
同轴电缆
地面微波
海事 调幅 无线电 无线电
调频 移动 无线电 无线电
电视
波段
LF MF HF VHF UHF SHF EHF THF
2.3.1 导向传输媒体
双绞线
屏蔽双绞线 STP (Shielded Twisted Pair) 无屏蔽双绞线 UTP (Unshielded Twisted
有失真，但可识别
实际的信道 （带宽受限、有噪声、干扰和失真）
发送信号波形
接收信号波形
失真大，无法识别
实际的信道 （带宽受限、有噪声、干扰和失真）
发送信号波形
接收信号波形
最新计算机网络授课课件第三讲_物理层
计算机网络授课课件第三讲 _物理层
本讲主要内容
2.1 物理层的基本概念 2.2 数据通信的基础知识 2.3 物理层下面的传输媒体 2.4 信道复用技术 2.5 宽带接入技术
数据通信与计算机网络
2.2.2 有关信号的几个基本概念
❖ 单向通信（单工通信）——只能有一个方向的通 信而没有反方向的交互。
❖ 同轴电缆 ▪ 50 同轴电缆 ▪ 75 同轴电缆
❖ 光缆
数据通信与计算机网络
各种电缆
无屏蔽双绞线 UTP
屏蔽双绞线 STP
聚氯乙烯 套层
绝缘层 铜线
聚氯乙烯 套层
屏蔽层 绝缘层
铜线
同轴电缆
绝缘保护套层 外导体屏蔽层 绝缘层
内导体
数据通信与计算机网络
光线在光纤中的折射
包层 纤 芯
折射角 包层 （低折射率的媒体）
时分复用 at
①
b
t②
cc
t③
④ dt
ab #1
bc
ca dt
#2
#3
#4
4 个时分复用帧
数据通信与计算机网络
3.统计时分复用 STDM
用户
Aa
a
B bb
C
cc
D
d
统计时分复用 t①
t②
③ t
④ t
a bbc cd a t #1 #2 #3
3 个 STDM 帧
数据通信与计算机网络
2.4.2 波分复用 WDM入射角来自纤芯 （高折射率的媒体）
包层 （低折射率的媒体）
数据通信与计算机网络
光纤的工作原理
低折射率 高折射率 (包层) (纤芯)
光线在纤芯中传输的方式是不断地全反射
本讲主要内容
2.1 物理层的基本概念 2.2 数据通信的基础知识 2.3 物理层下面的传输媒体 2.4 信道复用技术 2.5 宽带接入技术
数据通信与计算机网络
2.2.2 有关信号的几个基本概念
❖ 单向通信（单工通信）——只能有一个方向的通 信而没有反方向的交互。
❖ 同轴电缆 ▪ 50 同轴电缆 ▪ 75 同轴电缆
❖ 光缆
数据通信与计算机网络
各种电缆
无屏蔽双绞线 UTP
屏蔽双绞线 STP
聚氯乙烯 套层
绝缘层 铜线
聚氯乙烯 套层
屏蔽层 绝缘层
铜线
同轴电缆
绝缘保护套层 外导体屏蔽层 绝缘层
内导体
数据通信与计算机网络
光线在光纤中的折射
包层 纤 芯
折射角 包层 （低折射率的媒体）
时分复用 at
①
b
t②
cc
t③
④ dt
ab #1
bc
ca dt
#2
#3
#4
4 个时分复用帧
数据通信与计算机网络
3.统计时分复用 STDM
用户
Aa
a
B bb
C
cc
D
d
统计时分复用 t①
t②
③ t
④ t
a bbc cd a t #1 #2 #3
3 个 STDM 帧
数据通信与计算机网络
2.4.2 波分复用 WDM入射角来自纤芯 （高折射率的媒体）
包层 （低折射率的媒体）
数据通信与计算机网络
光纤的工作原理
低折射率 高折射率 (包层) (纤芯)
光线在纤芯中传输的方式是不断地全反射
计算机网络ppt课件CH2物理层
13
计 算
2. 信道的最大数据传输率
第二章 物理层
机
奈魁斯特推导出无噪声有限带宽信道的最大数
网 据传输率公式：
络 与
最大数据传输率 = 2Hlog2V (bps)
应 任意信号通过一个带宽为Ｈ的低通滤波器，则每 用 秒采样2H次就能完整地重现该信号，信号电平分
为V级。
结论：依据奈奎斯特原理，超过带宽2倍的信号 采样频率并不能更好的表现原始信号
欧洲、中国使用E1线路
21
计
第二章 物理层
算
多个T1或E1线路的复用
机
网 • 一次群：T1 = 1.544M b/s
络
E1 = 2.048M b/s
与 • 二次群：T2 = T1 x 4 + … = 6.312M b/s
应
E2 = E1 x 4 + … = 8.848M b/s
用 • 三次群：T3 = T2 x 7 + … = 44.736M b/s
此公式表示的是理论上限，难以达到。
16
计
第二章 物理层
算 机 有关概念
网 波特率（baud）和比特率（bit/s）的关系： 络 波特率：信号每秒钟变化的次数，也称调制速率 与 比特率：每秒钟传送的二进制位数。
应 波特率与比特率的关系取决于信号值与比特位的关系
用
例：每个信号值可表示３位，则比特率是波特率的３倍 每个信号值可表示１位，则比特率和波特率相同 对于比特率为Ｂbps的信道，发送８位所需的时间为 8/B秒，若８位为一个周期Ｔ，则一次谐波的频率是： f1 = B/8 Hz
• 三个阶段
络
– 建立电路
与 应
– 传输数据 – 拆除电路 • 特点
计 算
2. 信道的最大数据传输率
第二章 物理层
机
奈魁斯特推导出无噪声有限带宽信道的最大数
网 据传输率公式：
络 与
最大数据传输率 = 2Hlog2V (bps)
应 任意信号通过一个带宽为Ｈ的低通滤波器，则每 用 秒采样2H次就能完整地重现该信号，信号电平分
为V级。
结论：依据奈奎斯特原理，超过带宽2倍的信号 采样频率并不能更好的表现原始信号
欧洲、中国使用E1线路
21
计
第二章 物理层
算
多个T1或E1线路的复用
机
网 • 一次群：T1 = 1.544M b/s
络
E1 = 2.048M b/s
与 • 二次群：T2 = T1 x 4 + … = 6.312M b/s
应
E2 = E1 x 4 + … = 8.848M b/s
用 • 三次群：T3 = T2 x 7 + … = 44.736M b/s
此公式表示的是理论上限，难以达到。
16
计
第二章 物理层
算 机 有关概念
网 波特率（baud）和比特率（bit/s）的关系： 络 波特率：信号每秒钟变化的次数，也称调制速率 与 比特率：每秒钟传送的二进制位数。
应 波特率与比特率的关系取决于信号值与比特位的关系
用
例：每个信号值可表示３位，则比特率是波特率的３倍 每个信号值可表示１位，则比特率和波特率相同 对于比特率为Ｂbps的信道，发送８位所需的时间为 8/B秒，若８位为一个周期Ｔ，则一次谐波的频率是： f1 = B/8 Hz
• 三个阶段
络
– 建立电路
与 应
– 传输数据 – 拆除电路 • 特点
计算机网络—物理层PPT教案
第8页/共87页
数字信号通过实际的信道
有失真，但可识别
实际的信道 （带宽受限、有噪声、干扰和失真）
发送信号波形
接收信号波形
失真大，无法识别 实际的信道
（带宽受限、有噪声、干扰和失真）
发送信号波形
接收信号波形
第9页/共87页
(1) 信道能够通过的频率范围
1924 年，奈奎斯特(Nyquist)就推导出了著名的 奈氏准则。他给出了在假定的理想条件下， 为了避免码间串扰，码元的传输速率的上限 值。
续的。 “数字的”(digital)——代表消息的参数的取值是离散的。 码元(code)——在使用时间域（或简称为时域）的波形
表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形。
第5页/共87页
有关信号的几个基本概 念
单向通信（单工通信）——只 能有一个方向的通信而没有反 方向的交互。
双向交替通信（半双工通信） ——通信的双方都可以发送信 息，但不能双方同时发送(当然 也就不能同时接收)。
功能特性 指明某条线上出现的某一电平的 电压表示何种意义。
过程特性 指明对于不同功能的各种可能事 件的出现顺序。
第3页/共87页
2.2 数据通信的基础知识
数据通信系统的模型
数据通信系统
输入 汉字
数字比特流 模拟信号
模拟信号 数字比特流
公用电话网
显示 汉字
PC 机 调制解调器
调制解调器 PC 机
交叉线
EIA-568B
1
1
2
2
3
3
4
4
5
5
6
6
7
7
8
8
直连线
EIA-机、PC-PC、HUB-HUB(标准端 口)
数字信号通过实际的信道
有失真，但可识别
实际的信道 （带宽受限、有噪声、干扰和失真）
发送信号波形
接收信号波形
失真大，无法识别 实际的信道
（带宽受限、有噪声、干扰和失真）
发送信号波形
接收信号波形
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(1) 信道能够通过的频率范围
1924 年，奈奎斯特(Nyquist)就推导出了著名的 奈氏准则。他给出了在假定的理想条件下， 为了避免码间串扰，码元的传输速率的上限 值。
续的。 “数字的”(digital)——代表消息的参数的取值是离散的。 码元(code)——在使用时间域（或简称为时域）的波形
表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形。
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有关信号的几个基本概 念
单向通信（单工通信）——只 能有一个方向的通信而没有反 方向的交互。
双向交替通信（半双工通信） ——通信的双方都可以发送信 息，但不能双方同时发送(当然 也就不能同时接收)。
功能特性 指明某条线上出现的某一电平的 电压表示何种意义。
过程特性 指明对于不同功能的各种可能事 件的出现顺序。
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2.2 数据通信的基础知识
数据通信系统的模型
数据通信系统
输入 汉字
数字比特流 模拟信号
模拟信号 数字比特流
公用电话网
显示 汉字
PC 机 调制解调器
调制解调器 PC 机
交叉线
EIA-568B
1
1
2
2
3
3
4
4
5
5
6
6
7
7
8
8
直连线
EIA-机、PC-PC、HUB-HUB(标准端 口)
计算机网络 第3章物理层(YF65)PPT课件
主讲人：杨 帆
13
2）按技术和通信需求，可分为：单工、半双工和全双工 三种方式。
单工
发送
单向通道
接收
(a)
发送
接收
半双工
接收
双向通道
发送
(b)
发送
接收
全双工
接收
双向通道
发送
(c)
2020/8/9
主讲人：杨 帆
14
3、同步技术
1）什么是同步 在通信过程中，要求通信的收发双方在时间基准上保
持一致。它包括位同步和字符同步两个层次。 2）位同步
1）实现比特流的透明传输；
2）为数据链路层提供数据传输服务。
主要考虑的问题是：
如何在连接开放系统的传输介质上传输各种数据的比 特流；(制定相应协议或标准)
如何向高层屏蔽由于物理传输介质与传输设备的不同 所带来的通信技术的差异性；
与数据链路的接口。数据链路层与物理层之间如何传 送数据。
2020/8/9
规程特性：规定“对于不同功能的各种可能事件的出现 顺序”。
2020/8/9
主讲人：杨 帆
6
3.1.4 物理层向数据链路层提供的服务
基于点对点通信线路的物理层向数据链路层提供的服
务功能主要有建立、维持与释放物理连接。具体可分为以
下不同情况：
（见教材P65）
物理连接分为点-点连接与多点连接 ； 工作方式分为全双工、半双工与单工 ；
课前提问（与作业相关）
如何理解“阶段”一词？ “特点”与“优点”是一回事吗？
第一章作业点评：
1
整体概述
概述一
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概述二
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相关文本内容
《计算机网络教学课件》ch2物理层
传输方式
• 点对点传输：适用于只有两个节点之间的通信。 • 广播传输：适用于多个节点之间的通信。
物理层的性能和特性
带宽
定义信道的传输速率，决定数据的传输能力。
信道利用率
计算信道实际传输的比特数与理论最大传输能 力之间的比率。
传输延迟
信号从发送端到接收端的传播时间，受到信道 长度和信号传输速率的影响。
1 数字编码
将二进制数据转换为电信号的编码技术，如 非归零编码、曼彻斯特编码等。
2 调制技术
将数字信号转换为模拟信号的技术，如频移 键控、振幅调制等。
物理层的传输介质和传输方式
传输介质
• 双绞线：传输速率较低，适用于局域网。 • 同轴电缆：传输速率较高，适用于电视信号
传输。 • 光纤：传输速率极高，抗干扰性能好。
容错能力
物理层能否自动纠正误码和检测出差错的能力。
物理层的功能和目标
数据传输
可靠地传输比特流，确保数据的完整性。
编码与调制
将数据转换为适合传输介质的形式，以便在传 输过程中减少干扰。
物理接口
定义计算机与传输媒介之间的物理连接接口。
时钟同步
通过时钟信号保证发送和接收端的时钟同步。
物理层的基本概念
传输介质
调制解调器
包括双绞线、同轴电缆、光纤等， 用于传输数据信号。
将数字信号转换为模拟信号，以 便在模拟传输介质上传输。
连接器
用于连接计算机与传输介质的接 口，如RJ-45等。
物理层的传输媒介和信道
1
传输媒介
不同类型的传输介质，如双绞线、同轴电缆、光纤等。
2
传输信道
物理通信通道，负责数据的传输，可以是点对点或广播。
第3章计算机网络技术基础课程课件设计物理层
网络通信系统设计中要解决的几个基本问题
• 数据传输类型 模拟通信 数字通信
• 数据通信方式 串行通信、并行通信 单工通信、半双工或全双工通信
• 同步方式 同步通信 异步通信
12
《计算机网络》第3章 物理层
发送端
串行通信与并行通信
b7 b6 b5 b4 b3 b2 b1 b0
串行通信信道 (a)
接收端
曼彻斯特编码的规则： • 每比特的周期T分为前T/2与后T/2两部分； • 通过前T/2传送该比特的反码，通过后T/2传送该比特
的原码； 曼彻斯特编码的优点： • 每个比特的中间有一次电平跳变，两次电平跳变的时
间间隔可以是T/2或T； • 利用电平跳变可以产生收发双方的同步信号；
曼彻斯特编码信号又称做“自含钟编码”信号，发送曼 彻斯特编码信号时无需另发同步信号。
um·sin（ω1t+φ0） 数字1 u（t）=
um·sin（ω2t+φ0） 数字0 • 移频键控FSK信号实现容易，技术简单，抗干扰能力
较强，是目前最常用的调制方法之一。
30
《计算机网络》第3章 物理层
3.移相键控（phase-shift keying，PSK）
• 绝对调相 um·sin（ωt+0） 数字1
《计算机网络》第3章 物理层
(b)
37
PCM用于数字语音系统：
• 声音分为128个量化级； • 每个量化级采用7位二进制编码表示； • 采样速率为8000样本/秒； • 数据传输速率应达到7位×8000/秒 =56kb/s； • 如果每个量化级采用7+1=8位二进制编码表示; • 数据传输速率应达到8位×8000/秒 = 64kb/s。
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频率低
随调制信 号的振幅 大小聚拢
或扩展
基带信号 载波信号
调幅信号 调频信号 调相信号
与载波相似 调制波增大， 调相波聚拢
调制波减小， 调相波扩展
信道的相关概念和信道的极限容量
• 调制和调制的方法 • 信道的极限容量
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 产生各种失真以及带来多种干扰。
➢ 数据传输方式选择（全双工、半双工与单工方式？）
数据传输
• 单向通信（单工） • 双向交替通信（半双工） • 双向同时通信（全双工）
单工
发送
单向通道
接收
(a)
发送
接收
半双工
接收
双向通道
发送
(b)
发送
接收
全双工
双向通道
接收
发送
(c)
物理层的主要任务及特性
• 物理层的主要任务 • 物理层的特征
物理层的特征
五层协议的体系结构
5 应用层 4 运输层 3 网络层 2 数据数据链链路路层层
1 物理层
• 应用层(application layer) • 运输层(transport layer) • 网络层(network layer) • 数据链路层(data link layer) • 物理层(physical layer)
此外，信道带宽B内的噪声功率N=n0B，n0是单边功率谱密度
lim
S
C
lim
S
B log2
1
S n0 B
物理传输媒体
主机 2 AP2 5
4
3
数据链 路层 物理层
物理层的主要任务
• 物理层向数据链路层提供的服务：
➢ 物理连接的建立、维护与释放 ； ➢ 数据链路实体通过与物理层的接口，将数据传送给物理
层，通过物理层按比特流的顺序，将信号传输到另一个 数据链路实体。
• 物理层设计时主要考虑的是：
➢ 如何在连接开放系统的传输介质上传输各种数据的比特 流；
• 机械特性：指明接口所用接线器的形状和尺寸、 引线数目和排列、固定和锁定装置等等。
• 电气特性：指明在接口电缆的各条线上出现的电 压的范围。
• 功能特性：指明某条线上出现的某一电平的电压 表示何种意义。
• 过程特性：指明对于不同功能的各种可能事件的 出现顺序。
由于缺乏必要的通信知识，在介绍物理层 通信时我们需要补充关于数据通信的基础 知识！
信道的相关概念和信道的极限容量
• 调制和调制的方法 • 信道的极限容量
信道的相关概念和信道的极限容量
• 调制和调制的方法 • 信道的极限容量
调制和调制的方法
• 基带信号往往包含有较多的低频成分，甚至有直 流成分，而许多信道并不能传输这种低频分量或 直流分量。为了解决这一问题，就必须对基带信 号进行调制(modulation)，即加载载波信号。
➢导向传输媒体 ➢非导向传输媒体
• 物理层的软件技术
➢信道复用技术 ➢数字传输系统技术 ➢宽带接入技术
物理层的主要任务及特性
• 物理层的主要任务 • 物理层的特征
物理层的主要任务及特性
• 物理层的主要任务 • 物理层的特征
主机 1 AP1 5
4
3
数据链 路层 物理层
电信号（或光信号）在传输媒体中传播 从发送端物理层传送到接收端物理层
• 1924年，奈奎斯特就推导出了著名的奈氏准则。他给 出了在假定的理想条件下，为了避免码间串扰，码元 的传输速率的上限值。
• 在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，否则就 会出现码间串扰的问题，使接收端对码元的识别成为 不可能。
• 如果信道的频带越宽，也就是能够通过的信号高频分 量越多，那么就可以用更高的速率传送码元而不出现 码间串扰。
数据通信系统的基础概念
• 信号是数据在传输过程中电信号的表示形式； • 模拟信号的信号电平是连续变化的； • 数字信号是用两种不同的电平去表示0、1比特序列的
电压脉冲信号表示； • 按照在传输介质上传输的信号类型，通信系统分为模
拟通信系统与数字通信系统两种。
V(t)
V(t)
0
t
0
t
模拟信号
数字信号
•最基本的二元制调制方法有以下几种： 调幅(AM)：载波的振幅随基带数字信号而变化。 调频(FM)：载波的频率随基带数字信号而变化。 调相(PM)：载波的初始相位随基带数字信号而变化。
基带信号 0 1 0 0 1 1 1 0 0 调幅 调频 调相
思考：三种方式中哪种抗干扰性能最好，为什么？
频率高
传输层
请快递 运输
情书
应用层
物理层
送信 数据链路层 遵守交通规则
网络层 问路
物理层
提纲
• 物理层的主要任务及特性 • 数据通信的基本知识 • 物理层的硬件设施
➢导向传输媒体 ➢非导向传输媒体
• 物理层的软件技术
➢信道复用技术 ➢数字传输系统技术 ➢宽带接入技术
提纲
• 物理层的主要任务及特性 • 数据通信的基本知识 • 物理层的硬件设施
• 码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远， 在信道的输出端的波形的失真就越严重。
数字信号通过实际的信道
• 有失真，但可识别
实际的信道 （带宽受限、有噪声、干扰和失真）
发送信号波形
接收信号波形
• 失真大，无法识别
实际的信道 （带宽受限、有噪声、干扰和失真）
发送信号波形
接收信号波形
(1) 信道能够通过的频率范围
(2) 信噪比
• 香农(Shannon)用信息论的理论推导出了带宽受 限且有高斯白噪声干扰的信道的极限、无差错 的信息传输速率。
• 信道的极限信息传输速率 C 可表达为
•
C = W log2(1+S/N) b/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。
数据通信系统的模型
数据通信系统
输入 汉字
数字信号 模拟信号
模拟信号公公用用电电话话网网数字信号显示 汉字
PC 机 调制解调器
调制解调器 PC 机
源系统
传输系统
目的系统
输 源点 输 发送器
发送
传输 系统
入
入
的信号
信
数
息
据
噪声源
接收器
终点
接收
输
输
的信号
出
出
数
信
据
息
数据通信的基本知识
• 数据通信系统 • 信道的相关概念和信道的极限容量
提纲
• 物理层的主要任务及特性 • 数据通信的基本知识 • 物理层的硬件设施
➢导向传输媒体 ➢非导向传输媒体
• 物理层的软件技术
➢信道复用技术 ➢数字传输系统技术 ➢宽带接入技术
数据通信的基本知识
• 数据通信系统
• 信道的相关概念和信道的极限容量
数据通信的基本知识
• 数据通信系统 • 信道的相关概念和信道的极限容量
随调制信 号的振幅 大小聚拢
或扩展
基带信号 载波信号
调幅信号 调频信号 调相信号
与载波相似 调制波增大， 调相波聚拢
调制波减小， 调相波扩展
信道的相关概念和信道的极限容量
• 调制和调制的方法 • 信道的极限容量
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 产生各种失真以及带来多种干扰。
➢ 数据传输方式选择（全双工、半双工与单工方式？）
数据传输
• 单向通信（单工） • 双向交替通信（半双工） • 双向同时通信（全双工）
单工
发送
单向通道
接收
(a)
发送
接收
半双工
接收
双向通道
发送
(b)
发送
接收
全双工
双向通道
接收
发送
(c)
物理层的主要任务及特性
• 物理层的主要任务 • 物理层的特征
物理层的特征
五层协议的体系结构
5 应用层 4 运输层 3 网络层 2 数据数据链链路路层层
1 物理层
• 应用层(application layer) • 运输层(transport layer) • 网络层(network layer) • 数据链路层(data link layer) • 物理层(physical layer)
此外，信道带宽B内的噪声功率N=n0B，n0是单边功率谱密度
lim
S
C
lim
S
B log2
1
S n0 B
物理传输媒体
主机 2 AP2 5
4
3
数据链 路层 物理层
物理层的主要任务
• 物理层向数据链路层提供的服务：
➢ 物理连接的建立、维护与释放 ； ➢ 数据链路实体通过与物理层的接口，将数据传送给物理
层，通过物理层按比特流的顺序，将信号传输到另一个 数据链路实体。
• 物理层设计时主要考虑的是：
➢ 如何在连接开放系统的传输介质上传输各种数据的比特 流；
• 机械特性：指明接口所用接线器的形状和尺寸、 引线数目和排列、固定和锁定装置等等。
• 电气特性：指明在接口电缆的各条线上出现的电 压的范围。
• 功能特性：指明某条线上出现的某一电平的电压 表示何种意义。
• 过程特性：指明对于不同功能的各种可能事件的 出现顺序。
由于缺乏必要的通信知识，在介绍物理层 通信时我们需要补充关于数据通信的基础 知识！
信道的相关概念和信道的极限容量
• 调制和调制的方法 • 信道的极限容量
信道的相关概念和信道的极限容量
• 调制和调制的方法 • 信道的极限容量
调制和调制的方法
• 基带信号往往包含有较多的低频成分，甚至有直 流成分，而许多信道并不能传输这种低频分量或 直流分量。为了解决这一问题，就必须对基带信 号进行调制(modulation)，即加载载波信号。
➢导向传输媒体 ➢非导向传输媒体
• 物理层的软件技术
➢信道复用技术 ➢数字传输系统技术 ➢宽带接入技术
物理层的主要任务及特性
• 物理层的主要任务 • 物理层的特征
物理层的主要任务及特性
• 物理层的主要任务 • 物理层的特征
主机 1 AP1 5
4
3
数据链 路层 物理层
电信号（或光信号）在传输媒体中传播 从发送端物理层传送到接收端物理层
• 1924年，奈奎斯特就推导出了著名的奈氏准则。他给 出了在假定的理想条件下，为了避免码间串扰，码元 的传输速率的上限值。
• 在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，否则就 会出现码间串扰的问题，使接收端对码元的识别成为 不可能。
• 如果信道的频带越宽，也就是能够通过的信号高频分 量越多，那么就可以用更高的速率传送码元而不出现 码间串扰。
数据通信系统的基础概念
• 信号是数据在传输过程中电信号的表示形式； • 模拟信号的信号电平是连续变化的； • 数字信号是用两种不同的电平去表示0、1比特序列的
电压脉冲信号表示； • 按照在传输介质上传输的信号类型，通信系统分为模
拟通信系统与数字通信系统两种。
V(t)
V(t)
0
t
0
t
模拟信号
数字信号
•最基本的二元制调制方法有以下几种： 调幅(AM)：载波的振幅随基带数字信号而变化。 调频(FM)：载波的频率随基带数字信号而变化。 调相(PM)：载波的初始相位随基带数字信号而变化。
基带信号 0 1 0 0 1 1 1 0 0 调幅 调频 调相
思考：三种方式中哪种抗干扰性能最好，为什么？
频率高
传输层
请快递 运输
情书
应用层
物理层
送信 数据链路层 遵守交通规则
网络层 问路
物理层
提纲
• 物理层的主要任务及特性 • 数据通信的基本知识 • 物理层的硬件设施
➢导向传输媒体 ➢非导向传输媒体
• 物理层的软件技术
➢信道复用技术 ➢数字传输系统技术 ➢宽带接入技术
提纲
• 物理层的主要任务及特性 • 数据通信的基本知识 • 物理层的硬件设施
• 码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远， 在信道的输出端的波形的失真就越严重。
数字信号通过实际的信道
• 有失真，但可识别
实际的信道 （带宽受限、有噪声、干扰和失真）
发送信号波形
接收信号波形
• 失真大，无法识别
实际的信道 （带宽受限、有噪声、干扰和失真）
发送信号波形
接收信号波形
(1) 信道能够通过的频率范围
(2) 信噪比
• 香农(Shannon)用信息论的理论推导出了带宽受 限且有高斯白噪声干扰的信道的极限、无差错 的信息传输速率。
• 信道的极限信息传输速率 C 可表达为
•
C = W log2(1+S/N) b/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。
数据通信系统的模型
数据通信系统
输入 汉字
数字信号 模拟信号
模拟信号公公用用电电话话网网数字信号显示 汉字
PC 机 调制解调器
调制解调器 PC 机
源系统
传输系统
目的系统
输 源点 输 发送器
发送
传输 系统
入
入
的信号
信
数
息
据
噪声源
接收器
终点
接收
输
输
的信号
出
出
数
信
据
息
数据通信的基本知识
• 数据通信系统 • 信道的相关概念和信道的极限容量
提纲
• 物理层的主要任务及特性 • 数据通信的基本知识 • 物理层的硬件设施
➢导向传输媒体 ➢非导向传输媒体
• 物理层的软件技术
➢信道复用技术 ➢数字传输系统技术 ➢宽带接入技术
数据通信的基本知识
• 数据通信系统
• 信道的相关概念和信道的极限容量
数据通信的基本知识
• 数据通信系统 • 信道的相关概念和信道的极限容量