数据通信与计算机网络
授课教师：黄巧云
明德博学
臻于至善
第二章 物理层
（一） 数据通信基础
（二） 物理层概述
（三） 通信方式
第二章 物理层
（四） 编码与调制
（五） 信道复用技术
2.1 数据通信基础
基本概念
数据通信模型
奈奎斯定理与香农定理
2.1 数据通信基础
2.1.1基本概念
消息：比如话音、文字、图像等等 数据：运送消息的实体
串行通信
• 发送端和接收端由一条数据线相连，各数据位依次串行通过该 线路。 •
发送端
010101010101010010101
接收端
并行通信
• 发送端与接收端之间同时有N条数据线相连，N个数据位并行通 过该条线路 0
发 接
•送 •端
1
收
0
端
2.3 通信方式
2.3.2根据数据传输的方向性
单向通信：又称单工通信，只能有一个方向的通信而 没有反方向的交互。只需一条通信信道。 双向交替通信：又称半双工通信，即通信的双方都可 以发送和接收信息，但不能双方同时发送或者同时接 收。需两条通信信道。 双向同时通信：又称全双工通信，即通信的双方可以 同时发送和接收信息。需两条通信信道。
2.1 数据通信基础
2.1.3奈奎斯定理与香农定理
影响信道上的传输速率的两个因素
• 信噪比
–定义：信号的平均功率和噪声的平均功率之比，记为S/N
信 噪 比 (dB)=10log 10 ( S / N )
–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
屏蔽双绞线 STP
无屏蔽双绞线 UTP
聚氯乙烯 屏蔽层 铜线 绝缘层 套层
聚氯乙烯 套层
绝缘层
铜线
2.2 物理层概述
2.2.2传输介质
导向传输媒体
• 光缆 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）
光线在光纤中的折射
2.2 物理层概述
2.2.2传输介质
输出脉冲
2.2 物理层概述
2.2.2传输介质
导向传输媒体
• 同轴电缆 绝缘保 护套层 外导体 屏蔽层 绝缘层 内导体
• 架空明线
2.2 物理层概述
2.2.2传输介质
非导向传输媒体
• 无线传输可使用的频段非常广 • 短波通信:即高频通信,主要是靠电离层的反射，但短波信道的 通信质量较差 • 无线电微波通信:微波在空间主要是直线传播
• 用户在分配到一定的频带后，在通信过程中自始至终都占用这 个频带。 频率 频率 5 频率 4 频率 3 频率 2 频率 1 时间
2.5 信道复用技术
2.5.3时分复用TDM
定义：将线路传输时间分成一个个互不重叠的时隙， 并按一定规则将这些时隙分配给多路信号，每一路信 号在分配给自己的时隙内独占信道进行传输。 分类
2.2 物理层概述
2.2.3物理层设备
集线器
• 集线器工作于OSI的物理层,主要功能是对接收到的信号进行再 生整形放大，以扩大网络的传输距离，同时把所有节点集中在 以它为中心的节点上。 • 作为网络中枢连接各类节点，以形成星状结构的一种网络设备 • 集线器是有多个端口的中继器
2.3 通信方式
2.3.1根据数据位的传送形式
振幅 NRZ-L
0
1
0
0
1
1
1
0 时间
NRZ-I
时间
2.4 编码与调制
2.4.1编码
编码方法
• 极性编码
–归零编码
值 0 1 0 0 1 1 1 0
时间
2.4 编码与调制
2.4.1编码
编码方法
• 极性编码
–曼彻斯特编码（ Manchester ）与差分曼彻斯特编码（ differential Manchester ）
2.1 数据通信基础
2.1.2数据通信模型
数据通信系统的三个部分
• 源系统（发送端、发送方） • 传输系统（传输网络） • 目的系统（接收端，接收方）
源系统
• 源点：源点设备产生要传输的数据，又称源站或信源 • 发送器
目的系统
• 接收器 • 终点：终点设备从接收器获取传送来的数字比特流，又称目的 / N )
提高传输速率
• 采用编码的方式让每一个码元携带更多的比特的信息量
2.2 物理层概述
物理层的接口特性
传输介质
物理层设备
2.2 物理层概述
2.2.1物理层接口特性
物理层考虑的是怎样才能在连接各种计算机的传输媒 体上传输数据比特流，因此主要任务描述为确定与传 输媒体接口有关的一些特性，即：
1014
1015
1016
光纤
同轴电缆 地面微波 调幅 海事 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
电信领域使用的电磁波的频谱
2.2 物理层概述
2.2.3物理层设备
中继器
• 中继器是局域网互连的最简单设备，它工作在OSI体系结构的 物理层，负责在两个节点的物理层上按位传递信息，完成信号 的复制、调整和放大功能，以此来延长网络的长度 • 中继器可以用来连接不同的物理介质，并在各种物理介质中传 输数据包 • 中继器是扩展网络的最廉价的方法
–调幅：载波的振幅随基带数字信号而变化 –调频：载波的频率随基带数字信号的而变化 –调相：载波的初始相位随数字信号而变化
2.4 编码与调制
基带信号
0
1
0
0
1
1
1
0
0
调幅
调频
调相
2.5 信道复用技术
信道复用技术概述
频分复用
时分复用
波分复用
码分复用
2.5 信道复用技术
2.5.1信道复用技术概述
定义：为了提高通信线路传送信息的效率，通常采用 在一条物理线路上建立多条通信信道的技术。 原理：在同一传输介质上可传输多个不同信源发出的 信号，从而可充分利用通信线路的传输容量，提高传 复用器：使用户数据合起 来共享一个信道进行通信 输介质的利用率。
–地面微波接力通信 –卫星通信
2.2 物理层概述
0 f (Hz) 10
102
104
106
108 微波
1010
1012
1014
1016
1018
1020
1022
1024
无线电
红外线 可见光 紫外线
X射线
γ 射线
4 f (Hz) 10
105 双绞线
106
107
108
109 卫星
1010
1011
1012
1013
2.1 数据通信基础
2.1.3奈奎斯定理与香农定理
影响信道上的传输速率的两个因素
• 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。
• 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 • 功能特性 义 • 过程特性 指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围 指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意
指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序
2.2 物理层概述
2.2.2传输介质
定义：数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理 通路，又称为传输媒体或传输媒介
导向传输媒体
• 光缆 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
光波在纤芯中的传播
2.2 物理层概述
2.2.2传输介质
导向传输媒体
• 光缆
–多模光纤:许多条不同角度入射的光线在一条光纤中传输 –单模光纤:光以单一路径通过这种光纤
多模光纤
输入脉冲 输出脉冲
输入脉冲
单模光纤
2.5 信道复用技术
2.5.3时分复用
分类
• 同步时分多路复用 频率 A 在 TDM 帧中 的位置不变
A B C D A B C D A B C D A B C D
…
TDM 帧
TDM 帧
TDM 帧
TDM 帧
TDM 帧 时间
2.5 信道复用技术
• 导向传输媒体：电磁波被导向沿着固体媒体（铜线或光纤）传 播 • 非导向传输媒体：一般指自由空间
屏蔽双绞线 双绞线 非屏蔽双绞线 光缆 导向传输媒体 同轴电缆 传输介质 架空明线 非导向传输媒体
2.2 物理层概述
2.2.2传输介质
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 Pair)
2.4 编码与调制
1 0 0 0 1 1 0 1 0 1 1 1
曼
彻
斯
特
编
码
差
分
曼
彻
斯
特
编
码
2.4 编码与调制
2.4.2调制 模拟信道
信源 调制 解调 信宿
数字数据 （二进制）
调制
模拟信号
2.4 编码与调制
2.4.2调制