【教学课件】第二章物理层.ppt

第二章 物理层,物理层下的传输介质模拟传输与数字传输同步与复用交换技术信道的极限容量物理层的功能、模型与特性物理层标准举例,物理层是开放系统互联参考模型OSI/RM中的最底层，其作用是尽可能地屏蔽掉计算机网络中的物理设备、传输媒体和通信手段等的差异。,第一节 物理层下的传输介质,传输介质是指通信中实际传送信息的载体，通常可以分为有线和无线两类。2.1.1 有线传输介质有线传输介质传输信号的性能较好，成本低，易安装和维护，主要适用于短距离通信和架设电缆比较容易的场合。1.双绞线TP(Twist Pairwire)组成：为减少信号间的串扰，由两根互相绝缘的铜导线按照一定的密度互相扭绞在一起。传输特性：模拟传输每隔5-6公里需加放大器将衰减了的信号放大到合适的量级；数字传输每隔2-3公里需加中继器（转发器）对失真了的信号进行整形。特点：成本低、易维护和安装，带宽较宽，通信距离通常为几到几十公里，速率达100-155Mbps。适用：电话系统、微机局域网。,第一节 物理层下的传输介质,第一节 物理层下的传输介质,2.同轴电缆（Coaxial Cable）组成：按同轴形式的一个线对构成。分类：按照同轴电缆的直径大小可将其分为 粗缆适用于较大型的局域网，标准距离长，可靠性高，总体造价高，安装难度大，但不必切断电缆。细缆造价低，且安装相对简单，但要切开电缆。传输特性：按照特性阻抗数值的不同可以分为 50基带同轴电缆，传输离散的数字信号，可以将10Mbps速率的基带数字 信号传送1Km-1.2Km，广泛应用于局域网中。75宽带同轴电缆，用于模拟传输系统（也可以传输数字信号，传输时需 进行数模-模数的转换），可用FDM技术传输多路信号，覆盖范围广泛，远距离传输需用放大器，是有线电视系统中的标准传输电缆。,第一节 物理层下的传输介质,因放大器只能单向工作，因此模拟传输系统又可分为双缆系统和单缆系统,特点：与双绞线相比，成本较高，安装较复杂；频带较宽，数据速率较高，传输距离较大，抗干扰能力较强，是用途广泛的传输介质。适用：高速、高频通信（如长距离的电话、电报、有线电视系统和短距离系统连接的通信线路以及局域网中）。,3.光纤(fiber)组成：光导纤维（Optical Fiber）简称光纤，由能传导光波的石英玻璃 纤维外加低折射率的保护层组成。传输特性：利用光导纤维传递光脉冲来进行 的,有光信号为1，无光信号为0，光信号在光 纤中进行全反射。光传输系统一般由光源、光纤线路和光探测器组成。光源：采用发光二极管或半导体激光器，在电信号脉冲作用下产生出光脉冲；光纤线路：光脉冲在光纤线路上传送；光探测器：利用光电二极管做成光探测器，将检测出的光脉冲还原成电脉冲信号。,第一节 物理层下的传输介质,第一节 物理层下的传输介质,光纤的两种基本传输模式：多模方式：可以存在多条满足全反射的入射角不同的光线在同一条光纤中传输；芯的直径约为50-100m，光源可以使用普通的发光二极管，数据传输速率受限制。单模方式：当光纤的直径减少到一个光的波长左右时，光纤像波导那样使光线一直向前传播而没有折射；芯的直径约为8-10m，用价格较贵的半导体激光器做光源，衰耗小，效率高，传输距离长。特点：传输频带宽、损耗小、中继距离长、无串音干扰、高保密性、抗雷电和抗电磁干扰性能好且质量轻、体积小。适用：光纤既可以用于局域网也可以用于广域网。,第一节 物理层下的传输介质,光纤的连接方法有三种：将断点接入连接头,然后插入连接插座(损耗10%-20%的光，但重新配置系统较容易)；用机械方法将切割好的光纤钳起来(光的损失大约为10%)；使用融合的方法将光纤的断点处融合在一起(光的损耗最小，连接好的光纤和单根光纤差不多)。三种方法的结合处都有反射，且反射的能量会和信号交互作用！绕过这种问题的方法是采用环网。,第一节 物理层下的传输介质,2.1.2 无线传输介质无线传输介质（又称为视线媒体）用自由空间作为传输介质来进行数据通信。特点：信号沿直线传播。适用：架设或铺埋电缆或光缆较困难的地方，广泛应用于电话领域构成的蜂窝式无线电话网。分类：红外通信、激光通信和微波通信（微波通信又主要有两种方式：地面微波接力通信和卫星通信）。1.地面微波接力通信原理：长距离传输时每隔一段距离就需架中继站，将前一信号放大向后传。适用：微波接力通信可传输电话、电报、图像、数据等信息。优点：频带宽、通信容量大、传输质量高、可靠性较好、投资少、见效快、灵活等。缺点：相邻站间必须直视，不能有障碍物；受气候干扰较大、保密性差、中继站的使用与维护问题等。,第一节 物理层下的传输介质,2.卫星通信原理：用位于36000Km高空的人造同步通信卫星作中继器的一种微波接力通信。特点：通信距离远、费用与距离远近无关；具 有较大的传输延迟，且传输延迟相对确定。优点：频带很宽，通信容量大，信号受干扰小，通信比较稳定。缺点：保密性较差，造价较高。适用：广播电视通信。3.红外线与毫米波特点：具有一定的方向性。优点：价格便宜，易制造，有良好的安全性，不易被窃听或截取。缺点：不能穿透坚硬的物体。适用：被广泛应用于短距离通信，红外线成为室内无线网的主要选择对象。,第二节 模拟传输与数字传输,2.2.1 基本概念、基本术语和数据通信系统1.基本概念和基本术语数据：能够由计算机处理的数字、字母和符号等具有一定意义的实体。分类：模拟数据可以在一定的数据区域中取连续的值，如声音和图像；数字数据只能取离散的数值，如整数、二进制序列。信号：是数据的具体表现形式。分类：从通信的发送端所产生的信号形式来看 模拟信号：在各种介质上传送的连续变化的电磁波。数字信号：在介质上传送的电压脉冲序列。从通信线路上传送的信号来看 基带信号：将数字信号1或0直接用两种不同的电压来表示，在线路上传输。宽带信号：将基带信号进行调制后形成的频分复用模拟信号。,第二节 模拟传输与数字传输,信道：一般用来表示某一个方向上传送信息的媒体。分类：传送模拟信号的模拟信道和传送数字信号的数字信道。信号的传输方式：模拟传输：将信息在传输介质中以模拟信号传输的传输方式。数字传输：将信息在传输介质中以数字信号传输的传输方式。2.数据通信系统数据通信：依据通信协议，利用数据传输技术在两个功能单元之间传递数据信息的技术，它可以实现计算机与计算机、计算机与终端、终端与终端之间的数据信息传递。,第二节 模拟传输与数字传输,数据通信系统：是通过数据电路将分布在原地的远程终端设备如计算机系 统连接起来，实现数据传输、交换、存储和处理的系统。数据通信系统的组成：主要由远程终端设备、数据电路、中央计算机系统三部分组成。,第二节 模拟传输与数字传输,数据终端设备DTE：由数据输入设备（数据源）、数据输出设备（数据宿）和传输控制器组成。数据电路端接设备DCE：是DTE与传输信道的接口设备，在DTE和传输线路之间提供信号变换和编码功能，并负责建立、保持和释放数据链路的连接。常用的DCE有调制解调器和数据服务单元。1.远程终端设备：使用一般终端，具有一定的数据处理能力及发送和接收数据的能力，属于数据终端设备DTE。2.数据电路：由传输信道（传输线路）及两端的数据电路端接设备DCE组成，位于远程终端设备和中央计算机之间，为数据通信提供数字传输信道。传输信道包括通信线路和通信设备。3.中央计算机系统：由通信控制器及主机构成，也属于DTE。通信控制器：是对DTE的信号进行差错控制、终端接续控制、传输顺序控制、切断控制等，同时将线路的信号从并行转成串行或反之。主机则主要进行数据处理。,第二节 模拟传输与数字传输,2.2.2 模拟传输系统1.模拟数据以模拟信号传输 传统的电话系统，采用分级交换；长途干线采用频分复用的传输方式，即所谓的载波电话。2.数字数据以模拟信号传输 在模拟信道中进行数字传输，必须先将数字信号转换为模拟信号！,第二节 模拟传输与数字传输,解决办法：选取某一频率的正（余）弦模拟信号作载波信号，运载所要传送的数字信号。实现的具体方法：用要传送的数字信号改变载波的幅值、频率或相位，然后使之在信道上传送，到达信道的另一端再将数字信号从载波上提取出来。调制：将数字信号放到载波上去的过程，即将数字信号变换模拟信号的过程，实现设备称为调制器（Modulator）；解调：是从载波上提取信号的过程，即将模拟信号变换为数字信号的过程，实现设备称为解调器（DEModulator）。调制解调器（MODEM）是既能实现调制又能实现解调的设备。,第二节 模拟传输与数字传输,1.调制方法调幅（AM）：即载波的幅度随数字信号的值改变，也称为幅移键控法ASK。特点：技术简单，抗干扰性较差，适合光缆使用。调频（FM）：即载波的频率随数字信号的值改变,也称为频移键控法FSK。特点：抗干扰性较高，但所占频带较宽，是常用的一种调制方法。调相（PM）:即载波的相位随数字信号的值改变，也称为相移键控法PSK。特点：抗干扰性较高，数据传输速率高，实现复杂。,第二节 模拟传输与数字传输,调相又可以分为：绝对调相：用固定的不同相位分别代表数字信号1和0。相对（差分）调相：用相对最近前一组位相位的变化来代表数字信号。相对调相比绝对调相更易实现，且具有更好的抗干扰性和更高的数据传输速率。2.调制解调器按调制方法分可分为：调频调制解调器、调相调制解调器和复合调制的调制解调器；按数据率分可分为：低速调制解调器（低于600bps）、中速调制解调器（600bps-9600bps）和高速调制解调器（高于9600bps）；按拨号方式分可分为：手动拨号和自动拨号；此外，还可分为内插和外接式调制解调器等等。,第二节 模拟传输与数字传输,3.数字数据以数字信号传输数字数据可以数字信号传输，但需对信号进行编码以提高数据传输的效率和实现通信双方的信号同步。常用编码：不归零码、归零码、曼彻斯特码和差分曼彻斯特码。单击图标显示编码特点,第二节 模拟传输与数字传输,不归零码NRZ是一种最简单和最原始的编码方式，可分为单极性不归零码和双极性不归零码。优点：有效利用了带宽，简单，低频相应性能较好。缺点：当连续发送“1”或“0”时，难以确定每位的开始或结束。单击图标显示编码特点,单极性不归零码：用零电压代表“0”，用正电压代表“1”，采样时间为每个码元时间的中间点,判决门限为半幅度电平。,第二节 模拟传输与数字传输,双极性不归零码用负电压代表“0”，用正电压代表“1”，采样时间为每个码元时间的中间点，但判决门限为零电平。,不归零码NRZ是一种最简单和最原始的编码方式，可分为单极性不归零码和双极性不归零码。优点：有效利用了带宽，简单，低频相应性能较好。缺点：当连续发送“1”或“0”时，难以确定每位的开始或结束。单击图标显示编码特点,第二节 模拟传输与数字传输,归零码特点：每一个码元脉冲间要有间隔，脉冲宽度比码元间隔短，其采样时间和判决门限与不归零码类似。归零码优点：接收端可以从收到的脉冲间隔中得到同步信息。归零码缺点：当出现长时间“0”码时，同步信号将会丢失。单击图标显示编码特点,单极性归零码：发送“1”信号时发出一个短于一个码元时间宽度的正脉冲，发送“0”信号时，则完全不发出任何电流。,第二节 模拟传输与数字传输,归零码特点：每一个码元脉冲间要有间隔，脉冲宽度比码元间隔短，其采样时间和判决门限与不归零码类似。归零码优点：接收端可以从收到的脉冲间隔中得到同步信息。归零码缺点：当出现长时间“0”码时，同步信号将会丢失。单击图标显示编码特点,双极性归零码：发送“1”信号时发出一个短于一个码元时间宽度的正脉冲，发送“0”信号时发出短于一个码元时间宽度的负脉冲，其余时间则不发出任何电流。,第二节 模拟传输与数字传输,曼彻斯特码：是自带同步信号的编码，常用于局域网的传输。特点：每一位中间均有一次跳变，该跳变既作为时钟信号又作为数据信号；每位编码的前半位表示数据信号的实际取值，后半位与之相反。优点：克服了不归零码和归零码的同步信号丢失问题。单击图标显示编码特点,第二节 模拟传输与数字传输,4.模拟数据以数字信号传输数字传输的过程:发送端：将模拟信号通过编码器（Coder）变换为数字信号。接收端：将收到的数字信号用解码器（Decoder）还原成模拟信号。编码解码器(Codec):既有编码功能又有解码功能的装置。脉码调制技术(Pulse Code Modulation-PCM)：将模拟信号转变成数字信号的技术，常用于对声音信号进行处理。脉码调制过程的三个步骤：采样、量化和编码。,第二节 模拟传输与数字传输,1.采样：按照一定的时间间隔采样测量模拟信号幅值。采样定理：只要采样频率不低于模拟信号最高频率的2倍，就可以从采样脉冲信号无失真的恢复出原来的模拟信号。2.量化：将采样点测得的信号幅值分级取整的过程。经过量化后的样本幅度为离散的整数值，而不是连续的值。3.编码：用相应位数的二进制码表示已经量化的采样样本的量级。如果有N个量化级，则二进制位的位数为log2N。,第三节 同步与复用,2.3.1 数据通信方式按照信号在信道或传输介质中的传输方向分为：1.单工通信(simplex)：数据总是沿信道的一个固定方向传送(如广播、电视)。数据是单工的，信号是双工的 单击此处显示信息传输过程,第三节 同步与复用,2.半双工通信：信息流可以在两个方向上传输，但同一时刻只限于在一个方向传输。通信的双方轮流使用共享信道发送信息或应答信号。单击此处显示信息传递过程,第三节 同步与复用,3.全双工通信：数据能同时沿信道的两个方向传输，即通信的一方在发送信息的同时也能接收信息，其收、发信道分开设置，应答信号通常可利用另一传输信道传送。四线制：采用两个单工通信设备完成全双工通信；二线制：采用频分多路复用技术，将一条线路分成高频和低频两条信道。单击此处显示信息传递过程,第三节 同步与复用,2.3.2 同步技术同步：通信双方的收发数据序列必须在时间上一致，以使接收方能准确地区分和接收发送方发来数据。同步方式：同步传输、异步传输。1.异步传输（起止式同步方式）异步传输：发送端和接收端的时钟信号是各自独立的。特点：信息以字符为单位传输。字符组成：1位起始位 5-8位数据位 0-1位奇/偶校验位 1-2位停止位优点：无需统一的时钟信号，出错只需重发该字符即可，且控制简单。缺点：传输效率低、速度慢。适合：终端误码率要求高或数据率低的线路中。,第三节 同步与复用,2.同步传输同步传输：发送端和接收端的时钟是一致（同步）的。实现方法：自同步法、外同步法。自同步法：从数据信息波形的本身提取同步信号（如曼彻斯特码、差分曼 彻斯特码）。外同步法：不是在每个字符进行同步，而是在一组数据信息前后进行同步。又可分为面向字符的同步方式和面向位的同步方式。特点：接收端靠提取其中的时钟信号来和发送方保持同步；每帧的控制信息 常少于100比特。优点：对于大块的数据，可获得更高的效率和速率。缺点：若数据有一位出错，必须重发整块数据，且控制比较复杂。,第三节 同步与复用,面向字符的同步方式：数据传输以字符串为单位，发送端在发送数据信息前，先向接收端发出一个或多个同步字符SYN(编码为00101000)。面向位的同步方式：数据传输以数据块为单位，发送端在要发送的数据块的前后加上同步位模式F标志(编码为01111110）。插0删0技术,第三节 同步与复用,2.3.3 多路复用技术多路复用技术：通过多路复用器将多路信号组合在一条物理信道上传输，到接收端再用多路译码器将各路信号分离开输出，从而大大降低通信成本，提高通信线路的利用率。1.频分多路复用FDMA(Frequency Division Multiplexing Access)信号的频谱：信号的能量随频率的分布规律。信号的带宽：信号频谱中能量集中的区域。,第三节 同步与复用,原理：在信道带宽大于各路信号总带宽时，将具有一定带宽的信道分割成若干个占有较小带宽的子信道，使每个子信道用来传输一路信号；为保证各路信号的频谱不重叠，在复用前需通过频谱搬移技术。适合：较适用于传输模拟信号。优点：原理简单，技术成熟，系统效率较高，可充分利用信道的频带。缺点：各路信号之间容易产生串扰。使用要求：一、复用频谱之间有足够大的保护间隔；二、调制系统具有很高的线性滤波功能。CCITT标准是将12条4KHz的话音信道复用在60-108KHz的频带上（12条话路构成一个基群，5个基群组成一个超群，5个超群组成一个主群）。,第三节 同步与复用,2.时分多路复用TDMA(Time Division Multiplexing Access)原理：当信道能达到的数据传输率大于各路信号的数据传输率总和时，可以将使用信道的时间分成一个个的时间片，按一定规则将这些时间片分配给各路信号，每一路信号只能在自己的时间片内独占信道进行传输。(1).同步时分多路复用原理：分配给每个终端数据源的时间片是固定的，不管该终端是否有数据发送，其时间片都不能被其它终端占用。特点：复用同一信道的各个信号源所分配的时隙随固定但可以不相等。优点：控制简单。缺点：不能充分利用信道。适用：主要用于电话系统中。,第三节 同步与复用,典例-T1信道：利用PCM和TDM技术，使24路话音信号分时复用一个信道。实现：每路话音信号的带宽是3400Hz，根据采样定理，在发送端以每秒8000次的 速率依次对每路声音信号进行采样，采样值送入编码解码器；每个采样值被编码成7比特数字信号，再加上1比特控制信号，插入信道；24路信号的一次采样值组成一帧，另外加上便于帧同步的1个帧同步比特；于是一帧共有(7+1)24+1193比特；每秒传输8000帧，因而总的数据速率为19380001.544Mbps。T1信道广泛用于北美和日本的电话系统中。,第三节 同步与复用,2.异步时分多路复用又称为异步TDMA、统计时分多路复用、智能时分多路复用。原理：允许动态的按需分配时间片，需要发送数据的终端须提出申请才能获得所需的时间片，否则时间片可以被其它终端占用。特点：可以有n个信息源，k个可用的时隙（kn），且输出数据速率比输入数据速率要小。优点：可以充分利用信道。缺点：控制较为复杂(当输入超过容量高峰时，需在复用器上加设缓冲器，以容纳临时超出的输入数据)。适用：主要用于计算机网络中。,第三节 同步与复用,典例-E1信道：利用PCM和TDM技术，使30路话音信号分时复用一个信道。实现：将信道的使用时间划分为32个时隙，其中30个时隙用于传用户的话 音信号，1个时隙用作帧同步，还有1个用于传输信令；每个时隙传送8比特二进制位，采样频率也是8000次秒；总的数据速率是8328000=2.048Mbps。E1信道用于欧洲和我国的电话系统中。,第三节 同步与复用,3.波分多路复用WDMA(Wavelength Division Multiplexing Access)是计算机网络今后的主要通信传输复用技术之一原理：类似于FDMA，为了能同时进行多路传输，需要将信道的带宽划分多个波段，是将FDMA应用于全光纤网组成的通信系统中。实现：不同的信源使用不同波长(频率)的光波来传送数据，各路光波经过一个棱镜(或衍射光栅)合成一个光束在光纤干道上传输，在接收端利用相同的设备将各路光波分开。目前10Gbps的光纤传输线路已实用化，按一个话路64Kbps计算，在一条光纤上能同时传送156250个话路。,第三节 同步与复用,第四节 交换技术,交换:在网络中两个相距很远的设备间必须通过中间节点来进行通信的技术。典型的交换技术：2.4.1 电路交换（Circuit Switching）原理：通过呼叫（拨号）在通信的双方之间建立起一条传输信息的实际的物理通路，并且在整个通信过程中，这条通路被通信双方独占而不能被其它站使用，直到数据传输结束。包括建立电路、传输数据和电路拆除三个阶段。特点：通信双方形成一条专用物理通路。单击此处显示信息传递过程优点：数据传输可靠、速度快，且按序传送。缺点：线路利用率低；电路建立和拆除的时间较长，通信量较小时，为建立和拆除电路所花费的时间得不偿失。适用：实时通信、语音通信或系统间要求高质量、大数据量的数据传输。,第四节 交换技术,2.4.2 报文交换原理：以报文为数据传输单位，将报文连同目的地址等辅助信息采用“存储转发”交换技术向前转发。特点：无需建立专用通道。优点：一、无需建立专用通道，传送的报文可分时共享通路，从而提高线路利用率；二、可以进行不同速率、不同码型的交换，从而实现不同种类的终端间的数据传送；三、可实现把一个报文送到多个目的站点。缺点:一、报文不按顺序到达；二、延迟时间较长,为“报文接收时间排队等待时间报文转发时间”；三、中间节点须具备很大的存储空间，且大报文从外存调入内存增加了延迟时间；四、大报文长时间占用线路进行传输，增加了其他小报文在网络中的延迟时间；五、大报文出错率较高而引起频繁的重发，影响传输效率。适用：电报、电子邮件等非实时系统。,单击此处显示数据传输过程,第四节 交换技术,2.4.3 分组交换 分组：将较长的报文分割成若干个一定长度（等长）的段，每段加上交换时所需的地址信息、差错校验信息，按规定格式构成的数据单元。基本思想：限制信息的长度，以分组为单位进行存储转发，在接收端再将各分组重新组装成一个完整的报文。优点：缩短报文整体传播时间，出错重发率降低，提高了传输效率。缺点：实现复杂。适合：计算机间联网通信，是目前数据网络中最广泛使用的一种交换技术。1.虚电路分组交换 特点：分组传送前在发送站和接收站间建立一条逻辑电路。优点：数据传送前仅作一次路由选择；数据传送时不需目的地址减少了分组长度，节省通信处理时间等额外的开销；保证每个分组正确有序的到达。缺点：当某个节点出故障时，沿途经过的虚电路瘫痪。适合：系统之间长时间的数据交换。,第四节 交换技术,2.数据报分组交换数据报:指每个独立处理的报文分组。特点：没有建立连接的过程；以数据报为信息单元来处理；接收节点根据网络中的实际情况等来选择路由；每个数据报经过的路径可能不同，到达时可能不按序，甚至有的数据报可能会丢失。优点：传输少数分组时速度更快、灵活；且传输较为可靠，当某个节点出故障而失效，报文分组还可以通过其它路径进行传送。缺点：分组不按序到达，不能及时发现分组丢失。2.4.4 交换方式的选择与比较（a）电路交换：先建立到终点间的连接，连接建立后，则无需路由选择，故无显著的延迟等待时间。（b）报文交换：无需建立呼叫连接，但整个报文必须在节点开始重发前全部收到，且每次传送需重新选择路由，故整个延迟比电路交换长。,单击此处显示数据传输过程,第四节 交换技术,（c）虚电路分组交换：申请虚拟连接，且分组到达每个节点都需要排队等待，故该方式不太适于实时的数据通信。（d）数据报分组交换：每个分组一到达各节点就可排队等待空闲时传输，不用等待整个报文，故明显快于报文交换。,第四节 交换技术,由表可知分组交换适于报文短的数据通信；电路交换适于报文长且数据量大的数据通信。,第五节 信道的极限容量,2.5.1 数据传输速率数据传输速率是衡量系统传输能力的主要指标。通常有以下三种定义：调制速率、数据传输速率和数据传送速率。1.调制速率 NBd(波特率、符号速率、码元速率)定义：每秒种发送的信号码元的个数，单位为波特(Baud、Bd)。如果信号码元的持续时间为T秒，即信号脉冲的周期为T秒，则调制速率为NBd=1T(Bd)例如：T=83310-6秒，则调制速率为：NBd=1T=1/(83310-6)1200 Bd,第五节 信道的极限容量,2.数据传输速率 R(比特率)定义：每秒种传输的二进制位的个数，单位为比特秒(记作b/s或bps)、千比特秒(记作Kb/s或Kbps)，兆比特秒(记作Mb/s或Mbps)。码元的不同状态：指在数字传输系统中用来携带数据信息的码元的某些特征（如幅值、相位等）的不同组合情况，其中每种状态可以用来表示一个数。数据传输速率和调制速率间的关系：若某数字传输系统的码元状态数为M，也称数据信号为M电平或M进制，则该系统中两速率间的关系为：R=NBdlog2M(bps)当M=2时，R=NBd，即比特率在数值上等于波特率。在研究传输数据速率时，常用数据传输速率；在研究频带宽度时，常用调制速率；在涉及系统实际传送能力时，则常用数据传送速率。,第五节 信道的极限容量,2.5.2 信道容量信道带宽：在信道上所能传输的电信号的频率范围，单位为赫兹。信道容量：以数据传输速率作为指标来表征一个信道传输数字信号的能力，即信道所能支持的最大数据传输速率。它取决于信道本身的特征带宽和信噪比，与具体的通信手段无关。数据传输速率：信道实际上每秒钟传输的二进制比特的个数。1.奈奎斯特定理定义：对具有矩形频谱的无噪声信道，若信道带宽为BHz，所能传送的信号最高码元速率为2B波特，则离散的、无噪声的数字信道的信道容量C为：C2Blog2M。C与码元状态数M有关，M越高C就越高，对于无噪信道，M可以取任意值，因而无噪信道的信道容量在理论上是无限的。例如：若信道带宽为3000Hz，则极限数据传输速率为6000bps；当信号电平数M为8时，即log28=3，则极限数据传输速率为18000bps。,第五节 信道的极限容量,2.香农定理 香农定理推导出了带宽受限制且有随机热噪声干扰的信道的极限数据传输速率，信号的极限数据传输速率除了与信道带宽B有关外，还与信号功率对噪声功率的比值S/N（信噪比）有关，其最大的数据传输速率(信道容量)为：C=Blog2(1+SN)(bps)实际中，用 10lg(S/N)来表示信道的信噪比，单位为分贝(dB)。例如：若信道带宽为3000Hz，信噪比为30dB，则极限数据传输速率为：S/N=10(30/10)=1000 C=3000 log2(1+1000)30009.9729910bps30000bps信道的带宽B越大或信道中的信噪比S/N越大，则信息的极限数据传输速率就越高。信号在信道里实际传输的过程中还受其他的损失，故实际信道所能够达到的信息传输速度要比香农定理的极限数据传输速率低得多。,第六节 物理层的功能、模型与特性,物理层的数据传输单位是二进制位。物理层的作用：向其上的数据链路层提供透明地传输二进制比特流的能力。物理层的主要任务：规定了与传输媒体的接口的四个特性。2.6.1 物理层的功能 1.物理连接的建立、维持与释放“建立”或“激活”一个连接：准备好一些必要的资源供发送和接收比特流时使用。“释放”或“去活”一个连接：释放这些资源，以供其他的连接使用。2.物理服务数据单元的传输串行传输：按照时间顺序一个比特、一个比特地进行传送。串行传输的方式可采用同步传输方式，也可采用异步传输方式。3.物理层管理物理层管理：完成物理层的某些管理事务，如确定代码格式、通信方式、同步方式以及异常情况处理、故障情况报告等。,第六节 物理层的功能、模型与特性,2.6.2 物理层的模型数据终端设备DTE：指具有一定的数据处理能力以及发送和接收能力的设备。DTE可以是一台计算机或一个终端，也可以是各种I/O设备；两个互相通信的DTE可以将其中的一个称为是信源，而将另一个称为是信宿。数据电路端接设备DCE：是在DTE和传输线路之间增加的一个中间设备。作用：在DTE和传输网络间提供信号变换和编码的功能，并负责建立、维持和释放 数据链路的连接。,第六节 物理层的功能、模型与特性,2.6.3 物理层的特性 物理层接口有四个技术特性:1.机械特性：规定了物理连接时接口所需连接插件的形状、规格尺寸、引脚数量、排列情况以及固定和锁定装置等。2.电气特性：规定了DTE和DCE间导线的电气连接及有关电路方面的特性。DTE和DCE之间各根导线的电气连接方式有：非平衡方式、采用差动接收器的非平衡方式、平衡方式。3.功能特性：定义了DTE和DCE间各信号线的功能，即某条信号线上出现的某一电平的电压表示何种确切含义。按功能可以分为：数据信号线、控制信号线、定时信号线、接地信号线。4.规程特性：定义了利用信号线进行二进制比特流传输的一组操作过程，即在建立、维持、拆除物理连接及信息交换过程中，各信号线的工作规则和先后顺序。,第六节 物理层的功能、模型与特性,DTE和DCE之间的各根导线的电气连接方式：非平衡方式：采用分立元件技术设计的非平衡接口；每个电路使用一根导线，收发两方向共用一根信号地线，所以会产生比较大的串扰；信号速率20Kbps，传输距离15m。采用差动接收器的非平衡方式：采用集成电路技术设计的非平衡接口，使用非平衡式发送器和差动接收器；每个电路使用一根导线，但每方向都用独立的信号地线，使串扰信号减小；信号速率可达300Kbps，传输距离为10m(300Kbps时)-1000m(3Kbps时)。平衡方式：采用集成电路技术设计的平衡接口，使用平衡式发送器和差动接收器；每个电路采用两根导线，构成各自完全独立的信号回路，使串扰信号减至最小；信号速率10Mbps，传输距离为10m(10Mbps时)1000m(100Kbps时)。,第七节 物理层标准举例,物理层规程主要分为：用于模拟信道和用于数字信道两种。V系列标准:指数据终端设备与调制解调器或网络控制器之间的接口，用于模拟信道接口,较复杂,如计算机异步通信接口EIA RS-232-E；X系列标准:适用于公共数据网的宅内电路终接设备和数据终端设备之间的接口，用于数字信道接口,较简单，如较新的EIA RS-449及X.21建议。2.7.1 EIA RS-232-E EIA RS-232-E（相当于CCITT建议书中的V.24）是美国电子工业协会EIA制订的著名物理层标准，规定了DTE和DCE间的接口标准，是使用得最广泛的串行物理接口标准。EIA RS-232-E的主要特点：1.机械特性：使用25根引脚的DB-25标准连接器，插头用于DTE侧，插座用于DCE侧。,第七节 物理层标准举例,2.电气特性采用负逻辑，即逻辑0相当于对信号地线有+3V或更高的电压；而逻辑l相当于对信号地线有-3V或更低的电压；3V电压之间为过渡区。其中逻辑0相当于数据的“0”(空号)或控制线的“接通”状态；而逻辑1则相当于数据的“1”(传号)或控制线的“断开”状态。采用的电气连接方式是非平衡方式，当两台设备直接相连时，最大传输距离不超过15m时，允许接口数据传输速率不超过20Kbps。,第七节 物理层标准举例,3.功能特性规定了DTE和DCE之间各个信号线的 连接情况及其功能和作用。定义了25芯标准连接器中的20根信号线，其中包括地线、数据线、控制线和定时信号线，另外还有5根线没有定义，作为备用。4.规程特性规定了DTE和DCE之间信号时序的应 答关系和操作过程。发送数据过程的三个阶段：建立连接阶段：拨号及设备准备阶段；线路保证阶段；信道准备阶段。数据交换阶段 断开连接阶段,第七节 物理层标准举例,2.7.2 RS-449接口标准EIA RS-232的接口标准有两个较大的弱点：数据的传输速率最高仅为20 Kbps、连接电缆的最大长度不超过15mRS-449（相当于CCITT的建议书中的V.35）是一个一体化的3个标准，包含两个电气子标准RS-423-A和RS-422-A，在保持与RS-232兼容的前提下，重新定义了信号电平、改进了电气连接方式，提高了数据传输速率和最大传输距离。功能特性：采用了37根和9根引脚的插头座。电气特性：RS-423-A 规定采用半平衡式电气标准，将信号电平定义为6V（4V为过渡区）的负逻辑，提高了传输速率和传输距离。RS-422-A 规定采用平衡式电气标准，将信号电平定义为6V（2V为过渡区）的负逻辑，并且采用完全独立的双线平衡传输，抗串扰能力大大增强，可将传输速率提高到2Mbps，连接电缆长度可超过60m。,第七节 物理层标准举例,EIA RS-232V.24用于标准电话线路(一个话路)的物理层接口；RS-449V.35则用于宽带电路(一般都是租用电路)，其典型的传输速率为48168Kbps，都是用于点到点的同步传输。RS-423-A电气标准可以看作是从EIA RS-232向RS-449全面过渡的一个中间过程。,第七节 物理层标准举例,2.7.3 CCITT X.21X.21建议是CCITT制订的一个用户计算机DTE与数字化DCE交换信号的数字接口标准，适用于由数字线路访问公共数据网。机械特性：采用15根引脚的标准连接器，并且仅定义了其中8根引脚。其中T线和C线由DTE用来传送数据和控制信息；R线和I线由DCE用来传送数据和控制信息；S线和B线由DCE用来向DTE发送同步时钟信号。电气特性：采用平衡电气连接方式，可实现半双工或全双工的同步传输，最大传输速率可达到10Mbps，最大传输距离为300m。本地DTE与远程DTE的通信过程可分为四个阶段：空闲或静止阶段。呼叫建立连接阶段。数据传输阶段。连接清除阶段。,