计算机物理层讲解

• 数据传输速率在数值上，等于每秒钟传输的二进制比 特数，单位为比特/秒，记做bps。
• 对于二进制数据，数据传输速率为：S=1/T（bps）其 中，T为发送每个比特所需要的时间。
• 在实际应用中常用的数据传输速率单位：
1Mbps=1×106 bps 1Gbps=1×109 bps 1Tbps=1×1012 bps
光纤3
光栅
光纤4
光纤3 功率
波长λ1 光纤4
功率
波长λ2
46
• 波分复用就是光的频分复用
光调制器
8 2.5 Gb/s 原来每个光载波的波长均为1310 nm
光解调器
1550 nm
1551 nm
1552 nm 1553 nm 复 1554 nm 用 1555 nm 器
1556 nm
1557 nm
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。
时分复用
a
at
①
bb
t②
cc
t③
④ dt
ab #1
bc
ca dt
#2
#3
#4
4 个时分复用帧
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
32
香农定理的基本内容
• 奈奎斯特定理描述了有限带宽、无噪声的理想信道的 最大传输速率与信道带宽的关系。
• 香农定理则描述了有限带宽、有随机热噪声信道的最 大传输速率与信道带宽、信号噪声功率比之间的关系。
• 香农定理指出：在有随机热噪声的信道中传输数据信 号时，传输速率Rmax与信道带宽B、信噪比S/N的关系为：
数据 (a)非归零码
同步时钟
b0
b1
b2
b3
b4
b5
b6
b7
0
1
0
0
1
0
1
1
(b)曼彻斯特编码
(c)差分曼彻斯特编码
27
3.4.3 脉冲编码调制方法 • PCM技术的典型应用是语音信号的数字化。
模拟语音信号
脉冲编码调制PCM
数字语音信号
28
脉冲编码调制的工作过程：采样、量化与编码
A 1.5 1.28≈1.3
频分多路复用举例2 • 电视节目的发送与接收
电视图像 及其伴音
电视图像 及其伴音
电视图像 及其伴音
调制器
载波1
调制器
载波2
调制器
载波n
多
在天空中传输的 电磁波
电
路
视
复
调
用
电视信号
器
发射器
谐
电视信号
接收器
器
(分路器)
频道 载波频率(MHz) 频道 载波频率(MHz) 频道
1
87.75
5
123.25
9
1.0
1.52≈1.5 1.26≈1.3 0.73≈0.7
0.5 0.27≈0.3
0.41≈0.4 0.12≈0.1
0
D8 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1
t
样本 量化级 二进制编码
D1
1
D2
4
D3
7
D4
13
D5
15
D6
13
D7
6
D8
3
0001 0100 0111 1101 1111 1101 0110 0011
3.3.1 频带传输技术的应用
数据
b0
b1
b2
0
1
0
ω
(a)ASK (b)FSK
ω
ω
ω
2
1
2
π
0
π
(c)PSK(绝对)
+0 (d)PSK(相对)
+π
+0
b3 0
ω 2
π +0
b4 1 ω ω
1
0
+π
b5 0
ω 2
π +0
22
3.3.2 波特率的定义
波特率的定义 • 调制速率描述通过模拟线路传输模拟数据信号传输过
3.2.1 信息、数据与信号 • 信息、数据与信号的基本概念
发送端计算机
传输介质
接收端计算机
信号
数据
11001110 01000101 01010100 01010111 01001111 01010010 11001011
信号 数据
信息
NETWORK
信息
10
3.2.2 数据通信方式
图示：计算机网络中两台主机通信过程
3.1.2 物理层协议的类型 • 基于点—点通信线路的物理层协议 • 基于广播通信线路的物理层协议
7
讨论
物理层协议的类型增加最快。 本学期对物理层与数据链路层的处理 方法： 第3章讨论基于点—点通信线路的物理 层协议与技术；
第4章讨论基于点—点通信线路物理 层协议的数据链路层问题。
第5章以局域网、城域网与无线网络 技术为背景，讨论基于广播信道的物理 层和数据链路层协议与标准。
式中k为多相调制的相数。
• log2k值表示一次调制状态的变化传输的二进制比特数。
24
波特率与比特率的关系
调制速率（baud） 多相调制的相数
log2k值 数据传输速率（bps）
2400
QPSK-2（k=2）
1
2400
2400
QPSK-4（k=4）
2
4800
2400
QPSK-8（k=8）
3
7200
2400
QPSK-16（k=16） 4
9600
25
3.4 基带传输技术
3.4.1 基带传输的定义 • 在数据通信中，表示计算机二进制的比特序列的数字
信号是典型的矩形脉冲信号。 • 人们将矩形脉冲信号称为基本信号。 • 在数字信道上直接传送基带信号的方法称为基带传输。
26
3.4.2 数字数据编码方法
编码信号
29
• 图示：调制器、 曼彻斯特编码器与PCM编码器的比较
数字数据 信号
调制器 （a）调制解调器中调制器的作用
模拟数据 信号
数字数据 信号
数据信号编码器 （b）Machester编码器的作用
数字数据 信号
模拟语音 信号
PCM编码器 （c）PCM编码器的作用
数字语音 信号
30
3.4.4 比特率的定义
20 Gb/s EDFA 120 km
1550 nm
0
1551 nm
1
1552 nm
2
分 1553 nm
3
用 1554 nm
4
器 1555 nm
5
1556 nm
6
1557 nm
7
掺铒光纤放大器
图示：1310 / 8-通道CCWWDMD是M一模种块面向城域网接入层
5
3.1 物理层与物理层协议的基本概念
3.1.1 物理层的基本服务功能
设置物理层的目的是： 屏蔽物理层所采用的传输介质、通信设备与 通信技术的差异性，使数据链路层只需要考虑如 何使用物理层的服务，而不需要考虑物理层的功 能具体是使用了哪种传输介质、通信设备与技术 实现的。
6 《计算机网络》第3章 物理层
接收端
发送端
b7
并
b6
行
b5
通
b4
信
b3
信
b2
道
b1
b0
接收端
0
b7
1
b6
0
b5
0
b4
1
b3
1
b2
0
百度文库
b1
1
b0
(b)并行通信方式
13
• 单工、半双工与全双工通信
发送
单向通道
接收
(a)单工通信方式
发送
接收
双向通道
接收
发送
(b)半双工通信方式
发送
接收
双向通道
接收
发送
(c)全双工通信方式
14
2）同步技术 • 同步传输
铜线
绝缘层
外屏蔽层 外部保护层
屏蔽双绞线结构示意图
铜线
绝缘层
(a)屏蔽双绞线结构
铜线 外部保护层
超5类屏蔽双绞线结构示意图
绝缘层
外部保护层
非屏蔽双绞线结构示意图
(b)非屏蔽双绞线
3类非屏蔽双绞线结构示意图
16
• 同轴电缆的主要特性
内导体 绝缘层 外屏蔽层
外部保护层
17
• 光纤的主要特性
图示：光纤结构与传输原理
35
3.5.2 时分多路复用:
频率
A 在 TDM 帧中 的位置不变
ABCDABCDABCDABCD …
TDM 帧 TDM 帧 TDM 帧 TDM 帧 TDM 帧
时间
频率
B 在 TDM 帧中 的位置不变
ABCDABCDABCDABCD …
TDM 帧 TDM 帧 TDM 帧 TDM 帧 TDM 帧
时间
频率
C 在 TDM 帧中 的位置不变
ABCDABCDABCDABCD …
TDM 帧 TDM 帧 TDM 帧 TDM 帧 TDM 帧
时间
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
缆芯 中心加强芯 护套
20
3.2.4 数据编码分类
计算机的 二进制数据
模拟信号 数字信号
模拟 数据 编码
数字 数据 编码
振幅键控ASK 移频键控FSK 移相键控PSK
外同步编码 内同步编码
非归零码
曼彻斯特编码 差分曼彻斯特编码
计算机内部 二进制数据
信号类型
数据信号 编码分类
数据编码方法
21
3.3 频带传输技术
涂覆层
包层
纤芯
光信号传输的方向
(a)光纤的结构
涂覆层 包层 纤芯
(b)光纤传输的基本工作原理示意图
18
• 典型的光纤传输系统结构
输入
发送端 光电转换
光纤
LED
光信号
• 多模光纤与单模光纤的比较
PIN
接收端 光电转换
输出
输入脉冲 输入脉冲
（a）多模光纤 （b）单模光纤
输出脉冲 输出脉冲
19
• 光缆结构
程中，从调制解调器输出的调制信号每秒钟载波调制 状态改变的数值，单位是1/s，称为波特（baud）。 • 调制速率也称为波特率。 • 波特率描述的是码元传输的速率。 比特率的定义 • 数据传输速率描述在计算机通信中每秒传送的构成代 码的二进制比特数，单位是bps。
23
波特率与比特率的关系
• 比特率S（单位为bps）与调制速率B（单位为baud）之 间关系可以表示为： S=B·log2k
解调
载波频率fn
将不同频率 的载波信号 合成在一起
使用一组滤波器 分解出不同频率 的载波信号
频分多路复用举例1
• 广播电台节目的发送与接收
信号 发射
信号 接收
频分多路复用
• 常见广播电台使用的载波频率
分路器 (带通滤波器)
– 中波 900 KHz(南京经济台) ■ 中波1008 KHz (南京新闻台)
SYN SYN
……
一个或多个 SYN字符
控制字符
数据字符 控制字符
• 异步传输
字节1 字节2 字节3 字节4 字节5
t
b7 b6 b5 b4 b3 b2 b1 b0
起始位 (逻辑“1”)
终止位 (逻辑“0”)
15
3.2.3 传输介质的主要类型与特性
• 双绞线的主要特性
铜线 绝缘层 外屏蔽层
外部保护层
2
95.75
6
206.25
10
3
103.75
7
214.25
11
4
115.25
8
222.25
12
解调器 电视节目
载波频率(MHz)
230.25 238.25 246.25 254.25
3.5.4 波分多路复用
光纤1 功率
波长λ1
光纤1
光纤2 功率
波长λ2
光栅 光纤2
共享光纤的波谱 功率
λ1 λ2 共享光纤
计算机网络
主讲教师：郭慧敏
金城学院精品课程
第3章 物理层
金城学院精品课程
目录
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
频带传输技术
3.4
基带传输技术
3.5
多路复用技术
目录（续）
3.6. 同步光纤网SONET
3.7
接入技术
本章学习要求：
• 理解：物理层与物理层协议的基本概念。 • 理解：数据通信的基本概念。 • 掌握：传输介质类型及主要特性。 • 掌握：数据编码的类型和基本方法。 • 掌握：基带传输与频带传输的基本概念。 • 掌握：多路复用技术的分类与特点。 • 掌握：同步数字体系SDH的基本概念。 • 掌握：接入技术的基本概念。
3 个 STDM 帧
3.5.3频分复用 FDM
• 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）。
频率
频率 5 频率 4 频率 3 频率 2 频率 1
时间
调制 载波频率f1
调制 载波频率fn
MUX
f
DEMUX
共享的传输信道
解调 载波频率f1
3.1.3 物理层向数据链路层提供的服务
• 图示：点—点通信线路的物理层比特流传输过程
主机A 应用层
主机B 应用层
传输层
路由器A
路由器B
传输层
网络层
网络层
网络层
网络层
数据链路层
数据链路层
数据链路层
数据链路层
物理层
物理层
物理层
物理层
点-点传输介质
点-点传输介质
点-点传输介质
9
3.2 数据通信的基本概念
通信子网
主机A
路由器E 路由器A
路由器C
路由器F 路由器B
路由器D
主机B
11
1）数据传输类型 • 模拟信号与数字信号波形
v(t)
t (a)模拟信号 v(t)
t (b)数字信号
12
• 串行通信与并行通信
01001101
发送端
b7 b6 b5 b4 b3 b2 b1 b0 串行通信信道
(a)串行通信方式
Rmax=B·log2（1+S/N）
式中，Rmax单位为bps，带宽B单位为Hz。
33
3.5 多路复用技术
3.5.1 多路复用的基本概念
信道1
信道1
……
多路 高速通信线路 多路
复用器
复用器
……
信道n 信道1
…
信道n
高速通信线路
信道n 信道1
…
信道n
34
多路复用技术的分类
• 时分多路复用（TDM） • 频分多路复用（FDM） • 波分多路复用（WDM） • 码分多址（CDMA）
31
3.4.5 奈奎斯特准则与香农定理
奈奎斯特准则的基本内容：
• 如果表示码元的窄脉冲信号以时间间隔为π/ω （ω=2πf）通过理想通信信道，则前后码元之间不产 生相互串扰。
• 根据奈奎斯特准则，二进制数据信号的最大数据传输速 率Rmax与理想信道带宽B（单位Hz）的关系可以写为： Rmax=2·B（bps）