计算机网络课件 物理层

发布于:2021-09-29 06:20:45

第2章 物理层 张君雁 1 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 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*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。 3 2.2 数据通信的基础知识 2.2.1 数据通信系统的模型 数据通信系统 输入 数字比特流 模拟信号 汉字 PC 机 调*獾髌 公用电话网 模拟信号 数字比特流 显示 汉字 调*獾髌 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 接收器 接收 输 的信号 出 数 据 终点 输 出 信 息 4 几个术语 ? 数据(data)——运送消息的实体。 ? 信号(signal)——数据的电气的或电磁的表现。 ? “模拟的”(analogous)——代表消息的参数的取值是连 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。 5 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。 ? 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)。 ? 双向同时通信(全双工通信)——通信的 双方可以同时发送和接收信息。 6 基带(baseband)信号和 带通(band pass)信号 ? 基带信号(即基本频带信号)——来自信源的信号。像 计算机输出的代表各种文字或图像文件的数据信号都属 于基带信号。 ? 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。因此 必须对基带信号进行调制(modulation)。 ? 带通信号——把基带信号经过载波调制后,把信号的频 率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输(即仅在一 段频率范围内能够通过信道)。 7 几种最基本的调制方法 ? 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)。 ? 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。 8 对基带数字信号的几种调制方法 基带信号 0 1 0 0 1 1 1 0 0 调幅 调频 调相 9 2.2.3 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。 ? 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。 10 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 11 (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。 ? 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。 12 (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*均功率; ? N 为信道内部的高斯噪声功率。 13 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 极限传输速率就越高。 ? 只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速 率,就一定可以找到某种办法来实现无差错的 传输。 ? 若信道带宽 W 或信噪比 S/N 没有上限(当然实 际信道不可能是这样的),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比香农 的极限传输速率低不少。 14 请注意 ? 对于频带宽度已确定的信道,如果信噪 比不能再提高了,并且码元传输速率也 达到了上限值,那么还有办法提高信息 的传输速率。这就是用编码的方法让每 一个码元携带更多比特的信息量。 15 2.3 物理层下面的传输媒体 电信领域使用的电磁波的频谱 f (Hz) 100 102 104 106 108 1010 1012 1014 1016 1018 1020 1022 1024 无线电 微波 红外线 X射线 ? 射线 可见光 紫外线 f (Hz) 104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016 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

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