第2章 物理层.pptx

1、物理层的基本功能 数据通信基础知识,第 2 章 物理层,我们关什么：,计算机间的通路是什么？数据是如何传输的？数据传输速率是多少？,物理层基本概念和通信基础,物理层物理层的功能信号类型标准的制定常物理层标准,为什么需要物理层,!#$,%&,()*+,-.,/)+,-.,0#$,(1,2,3,物理层物理层的功能信号类型标准的制定常物理层标准,为什么需要物理层,物理层不包含物理媒介，是确定与传输媒体的接特性：,机械特性：接所接线器的些物理属性如接形状，接尺，引线数及排列；电特性：接电缆的各条线上出现的电压的范围，阻抗匹配，传输速率，距离等；功能特性：某条线上出现的某电平的电压的意义，接部件信号线的

2、途；过程特性：对于不同功能的各种可能事件的出现顺序，定义各条 物理线路的作规程和时序关系。,物理层物理层的功能信号类型标准的制定常物理层标准,物理层的功能和信号类型,主要功能：解决计算机间特传输问题，即透明地传送特流，关的是点到点的问题：,透明传输：指不管所传输的数据是什么样的特组合，都能够在链 路上传输；要尽可能地屏蔽掉不同传输媒体和通信段的差异。,信号类型：,铜缆：基于电平（electrical signals）；光纤：基于光脉冲（light pluse）；线：基于微波（Microwave）。,物理层物理层的功能信号类型标准的制定常物理层标准,标准制定者,ISO：国际标准化组织，政府组织。

3、IEEE：电和电程师协会，世界上最的营利性专业技术学 会。ANSI：美国国家标准学会，间团体。ITU：国际电信联盟。EIA/TIA：美国电业协会/电信业协会。FCC：美国联邦通信委员会。IETF：国际互联程任务组。,物理层物理层的功能信号类型标准的制定常物理层标准,常物理层相关标准：RJ45机械特性,568B：橙，橙，绿，蓝，蓝，绿，棕，棕568A：绿，绿，橙，蓝，蓝，橙，棕，棕,卡接簧表镀或镀银，可接线径为0.4mm0.6mm。插头插座可重复插拔次数不于750次；8线接触针镀509（inch）。,物理层物理层的功能信号类型标准的制定常物理层标准,常物理层相关标准：RJ45电特性,额定电流：1

4、.5AMPS；额定电压：125VAC；绝缘电阻：不于500M；作环境温度：-40-85；耐压强度：AC 1000V 50Hz或60 Hz；1分钟接触电阻：不于20M；,物理层物理层的功能信号类型标准的制定常物理层标准,常物理层相关标准：RJ45功能特性,差分信号：两根线都发送数据，振幅相同，相位相反；两根线的电势差于1.6V即可认为是“0”，两根线的电势差于8V，就可确认为“1”。,物理层物理层的功能信号类型标准的制定常物理层标准,常物理层相关标准：RS-232-C标准,机械特性：,25芯连接器，上排13根，下排12根（常的9根）；9芯连接器，上排5根，下排4根；DTE为插头，DCE为插座。,

5、电特性：,采负逻辑电平，逻辑“1”：-15V-5V；逻辑“0”：+5V+15V；数据传输速率不超过20Kbps；电缆度不超过15m。,功能特性：,4条数据线，11条控制线。,规程特性：,3条定时线。,物理层物理层的功能信号类型标准的制定常物理层标准,RS-232-C标准：常的9个接引脚定义（功能特性）,物理层物理层的功能信号类型标准的制定常物理层标准,结,物理层物理层的功能信号类型标准的制定常物理层标准,数据通信基础,数据通信模型。基本的通信式。基本术语：调制；编码。,物理层通信基础知识通信模型基本术语基本带通调制正交振幅调制码元,个数据通信系统包括三部分：源系统（或发送端、发送）、传 输系统

6、（或传输络）和的系统（或接收端、接收）。,数据通信系统的模型,公电话,调制解调器,调制解调器,模拟信号,数字信号,数字信号,模拟信号,你好,信源,发送器,接收器,传输系统,输 信息,输 数据,发送信号,接收信号,信宿,输出 数据,输出 信息,源系统,的系统,传输系统,你好,数据通信基础,基本术语：消息、数据,通信的的是传送消息：,消息：消息是客观物质运动或主观思维活动，以及事件发状态的种反映，它通过语、字、图像和数据等不同形式具体描述；消息不便于传送和交换，例如，古代利点燃烽台产的滚 滚狼烟，向远军队传递敌侵的消息；当我们说话时，声波传 递到他的朵，使他了解我们的意图；数据：运送消息的实体。信

7、息在传输之前需要进编码，编码后的消息就变成了数据（将消息存储到计算机中形成进制特 流）。,物理层通信基础知识通信模型基本术语基本带通调制正交振幅调制码元,基本术语：信号、信道,信号：数据的电的或电磁的表现。数据在通信线路上传递需要变 成电信号或光信号：,模拟信号(analogous signal)：代表消息的参数的取值是连续的；数字信号(digital signal)：代表消息的参数的取值是离散的；信源：产和发送数据的源头；信宿：接收数据的终点；信道：信号传输的通道（传输媒介），般来表示向某个向传 送信息的介质，端是发送信道，另端是接收信道。条传输介 质上可以有多条信道（多路复）。,物理层通信

8、基础知识通信模型基本术语基本带通调制正交振幅调制码元,基本术语：三种通信式,物理层通信基础知识通信模型基本术语基本带通调制正交振幅调制码元,基本术语：基带信号、调制,基带信号（Baseband Signal），信源发出的没有经过调制的原始信 号（直接表达了要传输的信息的信号）：,基带信号往往包含有较多的低频成分，甚有直流成分，许多信 道并不能传输这种低频分量或直流分量。因此必须对基带信号进 调制(modulation)；由模拟信号源产的信号成为模拟基带信号（说话的声波）；由计算机产的进制信号称为数字基带信号；特别说明，我们般指的是数字基带信号。,物理层通信基础知识通信模型基本术语基本带通调制正

9、交振幅调制码元,基本术语：基带传输、宽带传输,基带传输，将基带信号（0和1两种不同电压表示：编码）直接送 到数字信道上传输式：,传输的是基带信号：近距离传输。,宽带传输，将基带信号经过调制（带通调制）后送到模拟信道上传 输式，也称为频带传输；,传输的是宽带信号（带通信号）：远距离传输；带通调制，使载波(carrier)进调制，把基带信号的频率范围搬 移到较的频段，并转换为模拟信号，这样就能够更好地在模拟信 道中传输（即仅在段频率范围内能够通过信道）。,物理层通信基础知识通信模型基本术语基本带通调制正交振幅调制码元,调制的两种法：编码、带通调制,编码与调制,数据,编码,数据,调制,数字信号,模拟

10、信号,数字数据,模拟数据,数字信号,模拟数据,模拟信号,数字数据,模拟信号,数字信号,放器 调制器,PCM编码器,调制器,数字 发送器,编码,编码,调制,调制,编码与调制,基本术语：种编码式,归零编码（NRZ）：正电平代表 1，负电平代表 0。归零编码：正脉冲代表 1，负脉冲代表 0。曼彻斯特编码：从到低跳变表示“1”，从低到跳变表示”0，但也 可反过来定义。差分曼彻斯特编码：在每位的中处始终都有跳变。位开始边界 有跳变代表 0，位开始边界没有跳变代表 1。,脉冲是指电压升(或降低)后降低(升)这周期过程，相应称为正脉冲或负脉冲。,物理层通信基础知识通信模型基本术语基本带通调制正交振幅调制码元

11、,基本术语：种编码式,曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码，产的信号频率不归零制。曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码具有同步能。,物理层通信基础知识通信模型基本术语基本带通调制正交振幅调制码元,归零制,曼彻斯特,不归零制,差分曼彻斯特,V O,-V,1,0,0,0,1,0,0,1,1,1,t,t,t,t,特流,调频,调相,调幅,基带信号,基本术语：基本的带通调制法,物理层通信基础知识通信模型基本术语基本带通调制正交振幅调制码元,调制的载波：正弦波,r,0000,0001,0010,(r,)0011,1111,0100,0101,正交振幅调制 QAM(Quadrature Amplitude Modula

12、tion),为了达到更的信息传输速率，采更为复杂的多元制的振幅相位 混合调制法：,16个点的含义：不同的（r,）组合，表示不同的波形；每个点对应于种 4 bit 的编码；即每个波形可以表示不同的 4 bit组合；传输速率可提 4 倍；,多元制的振幅相位混合调制法：同时改变正弦波的振幅和相位,0000,00010010,0011,正交振幅调制 QAM(Quadrature Amplitude Modulation),0000,0010,0001,0011,r,0000,0001,0010,(r,)0011,1111,0100,0101,结,物理层通信基础知识通信模型基本术语基本带通调制正交振幅调

13、制码元,通信的基本式：单通信、半双通信、全双通信；调制：,基带调制（编码）,归零编码；归零编码；曼彻斯特编码；差分曼彻斯特编码；PCM脉码调制。,带通调制：,调频；调幅；调相；QAM。,在使时间域（或简称为时域）的波形表示数字信号时（固定时的信号波形），代表不 同离散数值的基本波形：,1码元可以携带多个特的信息量；当码元的离散状态有M个时（M2），此时码元称为M进制码元。,电压,时间,3210,电压,时间,76543210,1-1,电压,时间,进制码元,四进制码元,进制码元,码元的概念,告诉对8位进制位串：00011011：如果（码元）表示0，表示1（1码元表示1特），传送,传送上述进制位串需

14、要 4 次势（发送4个码元）。,四进制码元的例,上述进制位串需要 8 次势（发送8个码元）。如果我们规定：00011011,物理层通信基础知识通信模型基本术语基本带通调制正交振幅调制码元,结,PCM,#$,QAM,(,)*+,*-,*,物理层通信基础知识通信模型基本术语基本带通调制正交振幅调制码元,信道的极限容量,任何实际的信道都不是理想的，在传输信号时会产各种失真以及带来多种 扰。失真的原因：,码元传输速率；信号传输的距离远；传输媒体质量越差；噪声扰。,发送信号波形,发送信号波形,接收信号波形,接收信号波形,现实中的信道（带宽受限、有噪声、扰）,现实中的信道（带宽受限、有噪声、扰）,码间串扰

15、：接收端收到的信号波形失去了 码元之间的清晰界限的现象。,物理层信道的极限容量信道带宽奈奎斯特定理信噪农定理两个定理较,汽速度太快（单位时间内汽数量太多），法识别，法计数,码间串扰的例,信道带宽：信道能够通过的频率范围,信道的频带越宽，也就是能够通过的信号频分量越多，那么就可以更的速率传送码元不出现码间串扰。,300HZ,3300HZ,4000HZ,不能通过,不能通过,电话线,电话线,电话线,电话线,信道带宽=3300HZ-300HZ=3000HZ,信号频率200HZ,物理层信道的极限容量信道带宽奈奎斯特定理信噪农定理两个定理较,1924年，奈奎斯特(Nyquist)就推导出了著名的奈准则,假

16、定的理想低通条件（噪声、带宽受限）下，为了避免码间串扰：码元的传输速率的上限值=2W Baud（波特）,码元速率是有上限的，传输速率过限，会出现码间串扰：,信道带宽越宽（能通过的频分量越多），可更的速率进码元的 传输不出现码间串扰。奈准则给出了码元传输速率的限制，没有对信息传输速率给出限制。要提特传输速率，采多元调制法（如QAM），使每个码元能携带更多特。,V 进制码元情况下：理想低通信道下的极限数据传输率=2W log2 v(b/s)W 是信道的带宽，单位是 Hz。,物理层信道的极限容量信道带宽奈奎斯特定理信噪农定理两个定理较,在噪声的情况下，若某通信链路的带宽为4kHz，采4个相位，每个

17、相位具有4种振幅的QAM调制技术，求该通信链路的最数据传输率？信号有4 4=16种变化，最数据传输率：,例,Sdmax=2W log2 v(b/s)=2 4000 log2 16=8000 4=32(kb/s),物理层信道的极限容量信道带宽奈奎斯特定理信噪农定理两个定理较,信噪,噪声存在于所有的电设备和通信信道中：噪声是随机产的，它的瞬时值有时会很。因此噪声会使接收端 对码元的判决产错误；但噪声的影响是相对的。如果信号相对较强，那么噪声的影响就相 对较；信噪就是信号的平均功率和噪声的平均功率之。常记为 S/N，并分(dB)作为度量单位。即：dB=10 log10(S/N)(dB),例如，当 S

18、/N=10 时，信噪为 10 dB；当 S/N=1000时，信噪为 30 dB。,物理层信道的极限容量信道带宽奈奎斯特定理信噪农定理两个定理较,1984年，农(Shannon)信息论的理 论推导出了带宽受限且有斯噪声扰 的信道的极限、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：,信道的带宽或信道中的信噪越，则信 息的极限传输速率就越。只要信息传输速率低于信道的极限信息传 输速率，就定可以找到某种办法来实现差错的传输。若信道带宽 W 或信噪 S/N 没有上限，则信道的极限信息传输速率 C 也就没有 上限。实际信道上能够达到的信息传输速率要农的极限传输速率低不少。,C=W log2(

19、1+S/N)(bit/s)其中：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 为信道内部的斯噪声功率。,农定理,10,30dB=10 log(S/N),S/N=1000,信道的极限数据传输速率:Dsmax=W log2(1+S/N)=3000 log2(1+1000)30(kb/s),电话系统的信道带宽为3kHz，信噪为30dB，则系统的最数据传输速率是多少？,农定理：例,物理层信道的极限容量信道带宽奈奎斯特定理信噪农定理两个定理较,对于频带宽度已确定的信道，如果信噪不能再提了，并且码元 传输速率也达到了上限值，那么还有办法提信息的传输速率吗？编码的法让每个码元携带

20、更多特的信息量。,奈准则与农定理的意义不同,信源,信宿,发送器,接收器,传输系统,输 信息,输 数据,发送信号,接收信号,输出 数据,输出 信息,奈准则作范围,农定理作范围,物理层信道的极限容量信道带宽奈奎斯特定理信噪农定理两个定理较,奈准则：不断探索更加先进的编码技术，使每个码元携带更多特的信息量；农公式：在有噪声的信道上，任何编码技术，不能突破农定理给出的信息传输速率,奈准则：Dsmax=2W log2 v(b/s)=2 4000 log2 2=8000(b/s),进制信号在信噪为127/1的4kHz的信道上传输，最的 数据速率是多少？若改为六进制信号结果如何？,例,农定理：Dsmax=W

21、 log2(1+S/N)=4000 log2(1+127/1)=28000(b/s),物理层信道的极限容量信道带宽奈奎斯特定理信噪农定理两个定理较,带宽：最频率与最低频率之差。奈准则：理想低通条件下，码元极限传输速率。信噪的概念。农定理：噪声、扰条件下，信息极限传输速率。,结,物理层信道的极限容量信道带宽奈奎斯特定理信噪农定理两个定理较,信道是传输系统的逻辑通路。传输介质也称传输媒体/传输媒介，是数据传输系统中在发送设备和 接收设备之间的物理通路：传输介质可认为是第0层，它传输的是信号，但不知道信号是什么意思，根据规定的电特性来识别特。,传输媒体（导引型和导引型传输媒体）,物理层传输媒体分类电

22、磁波频谱双绞线同轴电缆光纤导引型传输媒 体,!,#!$%&!(,!),*+,电信领域使的电磁波的频谱,物理层传输媒体分类电磁波频谱双绞线同轴电缆光纤导引型传输媒 体,LFMFHFVHFUHF,SHFEHFTHF,f(Hz)104,105106107108109,1010101110121013101410151016,f(Hz)100,102104106108,10101012101410161018102010221024 X,最常的传输媒体，模拟传输和数字传输都可以使双绞线，其 通信距离般为到公（电话）：屏蔽双绞线 STP（带属屏蔽层）；,F表示铝箔屏蔽层，S表示属编织层：F/UTP、U/

23、FTP、F/FTPS/UTP、S/FTP,屏蔽双绞线 UTP；绞合度：不同类别的双绞线绞合度不样；四对线的绞合度不样。,双绞线,物理层传输媒体分类电磁波频谱双绞线同轴电缆光纤导引型传输媒 体,双绞线,物理层传输媒体分类电磁波频谱双绞线同轴电缆光纤导引型传输媒 体,F/UTP,U/FTP,F/FTP,为铝箔屏蔽层,屏蔽双绞线,屏蔽双绞线,不同双绞线的绞合度,1991年，美国电业协会 EIA 和电信业协会联合发布了个 于室内传送数据的屏蔽双绞线和屏蔽双绞线的标准 EIA/TIA-568。1995年将布线标准更新为 EIA/TIA-568.A（已被淘汰）。2001年，TIA/EIA-568发布了第三

24、个版本，即ANSI/TIA/EIA-568.B 此标准规定了 5 个种类的 UTP 标准（从 1 类线到 5 类线）。对传送数据来说，现在最常的 UTP 是5类线（Category 5 或 CAT5）。,双绞线标准,物理层传输媒体分类电磁波频谱双绞线同轴电缆光纤导引型传输媒 体,12345678,T568A,12345678T568B,双绞线类别,物理层传输媒体分类电磁波频谱双绞线同轴电缆光纤导引型传输媒 体,双绞线的衰减随着频率的升增。更粗的导线可以降低衰减，但增加了导线的重量和价格；信号应当有够的振幅，以便在噪声扰下能够在接收端正确地被检测出来。,同轴电缆有很好的抗扰特性，泛于传输较速率的

25、数据。同轴电缆的带宽取决于电缆的质量：,50 同轴电缆 LAN/数字传输常（基带同轴电缆）；75 同轴电缆 有线电视/模拟传输常（宽带同轴电缆）。,同轴电缆,物理层传输媒体分类电磁波频谱双绞线同轴电缆光纤导引型传输媒 体,传统总线型以太,光纤（光导纤维）是光纤通信的传输媒体：,光纤通信是利光导纤维（光纤），传递光脉冲进通信，有光脉 冲表示 1,光脉冲表示 0。由于可光的频率常，约为 108 MHz 的量级，因此个光纤通信系统的传输带宽远远于前其 他各种传输媒体的带宽；发送端和接收端有光电转换器。,光纤,物理层传输媒体分类电磁波频谱双绞线同轴电缆光纤导引型传输媒 体,当光线从折射率的媒体射 向低

26、折射率的媒体时，其折 射将于射。因此，如果射够，就会出现全反射，光也就沿 着光纤传输下去。,包层,纤芯,包层：光疏介质,纤芯：光密介质,折射,射,光线在纤芯中传输的式是不断地全反射,光 纤 之 锟,光线在光纤中的折射,2009,年 诺尔 物 理 学 奖,低折射率,折射率,在光纤数据传输领域，术语“模式”于描述光信号在光纤玻璃纤芯内的 传播式即模式是光的传播路径：单模光线（SMF，Single Mode Fiber），光沿着条路径传播；多模光纤（MMF，Multi Mode Fiber），光在多条路径中传播。,多模与单模光纤,Multimode,Singlemode,常的波段的中分别位于 850

27、 nm,1300 nm 和 1550 nm：,这三种波的光信号在光纤当中传输的时候损耗最；因此它们最适合作为可光源来在光纤中传输；所有这三个波段都具有 2500030000 GHz 的带宽，可光纤的通信容量常。,光纤波,物理层传输媒体分类电磁波频谱双绞线同轴电缆光纤导引型传输媒 体,810 m,50 m,62.5 m,125 m,125 m,125 m,单模,多模,光纤的优缺点,物理层传输媒体分类电磁波频谱双绞线同轴电缆光纤导引型传输媒 体,四芯光缆剖的示意图,结,物理层传输媒体分类电磁波频谱双绞线同轴电缆光纤导引型传输媒 体,线电波传输：距离远；开放性，保密性差，显易受扰,将由空间称为“导引

28、型传输媒体”。线传输所使的频段很：,短波通信（即频通信）主要是靠电离层的反射，但短波信道的通 信质量较差，传输速率低；微波在空间主要是直线传播。,传统微波通信有两种式：,地微波接通信；卫星通信。,导引型传输媒体,物理层传输媒体分类电磁波频谱双绞线同轴电缆光纤导引型传输媒 体,线信道传送数字信号时，必须使误码率（即特错误率）不于 可容许的范围。,导引型传输媒体,物理层传输媒体分类电磁波频谱双绞线同轴电缆光纤导引型传输媒 体,对于给定的调制式和数据率，信噪越，误码率就越低；对于同样的信噪，具有更数据率 的调制技术的误码率也更；通信时不断改变地理位置，会引起线信道特性的改变，因信噪和误 码率都会发变

29、化。,频率范围：300 MHz300 GHz（波1 m 1 mm）；传播式：直线传播；传播距离：般只有50 km左右，采100 m的天线塔，传播距离 可增到100 km；多径效应：多条路径的信号叠加后会产很的失真。,导引型传输媒体（微波）,物理层传输媒体分类电磁波频谱双绞线同轴电缆光纤导引型传输媒 体,微波波段频率很，其频段范围也很宽，其通信信道的容量很；由于业和天电扰的主要频谱成分微波频率低，对微波通信的 危害较，因此微波传输质量较；与相同容量和度的电缆载波通信较，建设投资少，效快，易 于跨越区、江河。,微波的特点,物理层传输媒体分类电磁波频谱双绞线同轴电缆光纤导引型传输媒 体,相邻站之间必

30、须直视（常称为视距LOS(Line Of Sight)），不能有障碍物；天线发射出的信号可能分成条略有差别的路径到达接收天线，因造成失真；微波的传播有时也会受到恶劣候的影响；与电缆通信系统较，微波通信的隐蔽性和保密性较差；对量中继站的使和维护要耗费较多的和物。,地微波接：,靠地视距接站转换信号来实现远距离通信；每隔50公左右，就需要设置中继站；,卫星通信：,以轨同步卫星作为中继，实现微波信号远距离通信；三颗同步卫星可实现全球覆盖；,成功案例：,中国北卫星导航系统（BDS）；美国全球定位系统（GPS）；俄罗斯全球卫星导航系统（GLONASS）；欧盟伽利略卫星导航系统（Galileo satell

31、ite navigation system）。,卫星,微波接,造同步地球卫星作为中继器的种微波接通信：,通信距离远、覆盖很、通信质量好于地微波接；通信的频带很宽，通信容量很；信号所受到的扰也较，通信较稳定；较的传播时延、通信的费较；保密性差。,卫星通信,物理层传输媒体分类电磁波频谱双绞线,同轴电缆光纤导引型传输媒 体,低轨道卫星通信系统：,美国太空探索技术公司SpaceX在2015年1提出的“星链”（Starlink）计划。把约1.2 万颗通信卫星发射到轨道。在2019年523，“猎鹰9”运载箭已成功将“星链”批 60颗卫星送轨道，截到2021年314，共发送22次约1,325颗近地轨道卫星。

32、2016年112，中国航天科技集团公司宣布将在2020年建成“鸿雁卫星星座通信系 统”（300颗）。2018年1229，“鸿雁”星座发星，预计于2023年建设星座 系统。,频带,频率,902928MHzMHz,2.4GHz,2.4835GHz,5.725GHz,5.850GHz,26MHz,83.5MHz,125MHz,线电频谱的使，必须得到本国政府有关线电频谱管理机构的许可证：,可以由使的线电频段：ISM（Industrial Scientific Medical：业、科研、医疗）；各国的 ISM 标准有可能略有差别（2.4GHz，各国共同的ISM频段）。,线局域使的 ISM 频段,结,物理

33、层传输媒体分类电磁波频谱双绞线同轴电缆光纤导引型传输媒 体,信道复技术,时 分 多 路 复,波 分 多 路 复,频 分 多 路 复,码 分 多 路 复,物理层信道复频分多路复时分多路复统计时分复波分多路复码分复技术,复,分,共享信道,（b）使共享信道,（a）独使信道,多路复技术：,把多个信号组合在条物理信道上进传输，使得多个计算机或终端设备 共享信道资源，提信道利率;把条播信道，逻辑上分成条 于两个结点之间通信的互不扰的信 道，就是把播信道转变为点对点信 道。,复(Multiplexing)是通信技术中的基本概念,它允许户使个共享信道进通信，降低成本，提利率。将使介质的每个设备与来同信道上的其他设备的通信隔离开，把时域和频域资源合理地分 配给络上的设备。,A1,B1,C1,A1,B1,C1,A2,B,2,C2,A2,B2,C2,使调制的法，把各路信号分别搬移到适当的位置，彼此不产扰，各路信