计算机网络原理课件-第2章.ppt

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计算机网络原理计算机网络原理ThePrinciplesofComputerNetworkingq第第2章章物理层物理层第二章第二章物理层物理层数据链路层实体数据链路层实体数据链路层实体数据链路层实体物理层实体物理层实体物理层实体物理层实体物理接入点物理接入点数据链路层数据链路层物理层物理层传输介质传输介质22.1物理层的基本概念物理层的基本概念q物理层考虑的是物理层考虑的是怎样才能在连接各种计算机的传输媒怎样才能在连接各种计算机的传输媒体上传输比特流体上传输比特流，而不是指连接计算机的具体物理设，而不是指连接计算机的具体物理设备或具体的传输媒体。

备或具体的传输媒体。

q用于物理层的协议也常称为物理层规程用于物理层的协议也常称为物理层规程（procedure）。

q可以将物理层的主要任务描述为确定与传输媒体的接可以将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：

口的一些特性，即：

（1）机械特性。

）机械特性。

（2）电气特性。

）电气特性。

（3）功能特性。

）功能特性。

（4）规程特性。

）规程特性。

3机械特性、电气特性、功能特性、规程特性机械特性、电气特性、功能特性、规程特性q机械特性：

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。

列、固定和锁定装置等。

q电气特性：

电气特性：

指明在接口电缆的各条线上出现的电压范围。

指明在接口电缆的各条线上出现的电压范围。

q功能特性：

功能特性：

指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义。

指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义。

q规程特性：

规程特性：

指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。

指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。

4串行传输和并行传输串行传输和并行传输q在物理连接上的传输方式一般都是在物理连接上的传输方式一般都是串行传输串行传输，即一个比特一个比特地按照时间顺序传输。

即一个比特一个比特地按照时间顺序传输。

（这是处于经济上的考虑）（这是处于经济上的考虑）q但是，有时也可以采用多个比特的但是，有时也可以采用多个比特的并行传输并行传输方式。

（短距离）方式。

（短距离）52.2数据通信的基础知识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的模型q两个两个PC机经过普通电话机的连线，再经过公机经过普通电话机的连线，再经过公用电话网进行通信。

用电话网进行通信。

q如图所示，一个数据通信系统可划分为三大如图所示，一个数据通信系统可划分为三大部分，即：

部分，即：

源系统源系统（或发送端或发送端）传输系统传输系统（或传输网络或传输网络）目的系统目的系统（或接收端或接收端）。

6数字通信的模型数字通信的模型公用电话网公用电话网数字比特流数字比特流模拟信号模拟信号数字比特流数字比特流模拟信号模拟信号源点源点发送器发送器传输系统传输系统接收器接收器终点终点源系统源系统传输系统传输系统目的系统目的系统输入输入信息信息输出输出信息信息输入输入数据数据输出输出数据数据发送的信号发送的信号接收的信号接收的信号键盘键盘输入输入汉字汉字PC机机PC机机屏幕屏幕显示显示汉字汉字调制解调器调制解调器调制解调器调制解调器图图2-1数据通信系统的模型数据通信系统的模型7一些术语一些术语q数据数据（Data）：

运送信息的实体，信息运送信息的实体，信息（Information）则是数据的内容或则是数据的内容或解释。

解释。

模拟模拟（Analog）数据与数字数据与数字（Digital）数据数据q信号信号（Signal）：

数据的数据的电气或电磁的表现电气或电磁的表现（物理量编码物理量编码,通常为电编码通常为电编码），数，数据以信号的形式传播据以信号的形式传播模拟信号模拟信号：

连续变化的信号：

连续变化的信号数字信号数字信号：

离散的信号：

离散的信号q调制：

将数字数据转换为模拟信号的过程。

调制：

将数字数据转换为模拟信号的过程。

q解调：

模拟信号转换为数字数据的过程。

解调：

模拟信号转换为数字数据的过程。

8四种情况四种情况q模拟数据、模拟信号模拟数据、模拟信号最早的电话系统最早的电话系统q模拟数据、数字信号模拟数据、数字信号将模拟数据转化成数字形式后，就可以使用先进的数字传将模拟数据转化成数字形式后，就可以使用先进的数字传输和交换设备。

输和交换设备。

q数字数据、模拟信号数字数据、模拟信号因为有些传输媒体只适合传输模拟信号因为有些传输媒体只适合传输模拟信号（光纤、无线电光纤、无线电），使用这样的信道时，必须将数字数据转换成模拟信号后使用这样的信道时，必须将数字数据转换成模拟信号后才能传输。

才能传输。

q数字数据、数字信号数字数据、数字信号把数字数据编码成数字信号的设备比起从数字到模拟的调把数字数据编码成数字信号的设备比起从数字到模拟的调制设备更简单、更廉价。

制设备更简单、更廉价。

9模拟数据、模拟信号、数字数据、数字信号模拟数据、模拟信号、数字数据、数字信号放大器放大器调制器调制器模拟模拟数据数据模拟模拟信号信号PCM编码器编码器模拟模拟数据数据数字数字信号信号调制器调制器数字数字数据数据模拟模拟信号信号数字数字发送器发送器数字数字数据数据数字数字信号信号图图2-2模拟数据、模拟信号、数字数据、数字信号模拟数据、模拟信号、数字数据、数字信号102.2.2有关信道的几个基本概念有关信道的几个基本概念q信道用来表示向某个方向传送信息的媒体。

信道用来表示向某个方向传送信息的媒体。

电路包含一条发送信道和一条接收信道。

电路包含一条发送信道和一条接收信道。

q信道的三种基本方式：

信道的三种基本方式：

单向通信，又称单工通信单向通信，又称单工通信只能有一个方向的通信，无线电广播，有线电视。

只能有一个方向的通信，无线电广播，有线电视。

双向交替通信，又称半双工通信双向交替通信，又称半双工通信双方都可以发送信息，但不能同时发送信息。

一方发双方都可以发送信息，但不能同时发送信息。

一方发送，另一方接收，过一段时间后再反过来。

送，另一方接收，过一段时间后再反过来。

双向同时通信，又称全双工通信双向同时通信，又称全双工通信通信双方可以同时发送和接收信息。

通信双方可以同时发送和接收信息。

112.2.2有关信道的几个基本概念有关信道的几个基本概念q模拟信道：

模拟信道：

传送模拟信号传送模拟信号q数字信道：

数字信道：

传送数字信号传送数字信号q基带基带（baseband）：

将数字信号将数字信号1或或0直接用两种不同电压来表示，然后送到直接用两种不同电压来表示，然后送到线路上线路上q宽带宽带（broadband）信号信号：

将基带信号进行调制后形成频分复用模拟信号。

每一路基将基带信号进行调制后形成频分复用模拟信号。

每一路基带信号的频谱被搬移到不同的频段，因此和在一起并不带信号的频谱被搬移到不同的频段，因此和在一起并不会互相干扰。

这样做就可以在一条电缆中同时传输许多会互相干扰。

这样做就可以在一条电缆中同时传输许多路的数字信号，从而提高线路利用率。

路的数字信号，从而提高线路利用率。

122.2.3信道上的最高码元传输速率信道上的最高码元传输速率（b）失真严重失真严重输入信号波形输入信号波形输出信号波形输出信号波形（失真严重失真严重）实际的信道实际的信道（带宽受限、有噪声、干扰和失真）（带宽受限、有噪声、干扰和失真）（a）失真不严重失真不严重输入信号波形输入信号波形输出信号波形输出信号波形（失真不严重失真不严重）实际的信道实际的信道（带宽受限、有噪声、干扰和失真）（带宽受限、有噪声、干扰和失真）图图2-3数字信号通过实际的信道数字信号通过实际的信道13奈氏准则奈氏准则q码元码元（CodeCell）：

时间轴上的一个信号编码单元时间轴上的一个信号编码单元q奈奎斯特奈奎斯特（Nyquist）推导出在推导出在理想低通信道下的最高理想低通信道下的最高码元传输速率码元传输速率的公式：

的公式：

理想低通信道的最高码元传输速率理想低通信道的最高码元传输速率=2WBaud（2-1）W是理想低通信道的带宽，单位为赫是理想低通信道的带宽，单位为赫（Hz）；Baud是波特，是码元传输速率的单位，是波特，是码元传输速率的单位，1波特为每秒传送波特为每秒传送1个码元。

个码元。

q奈氏准则的另一种表达方法是：

每赫带宽的理想低奈氏准则的另一种表达方法是：

每赫带宽的理想低通信道的最高码元传输速率是每秒通信道的最高码元传输速率是每秒2个码元。

个码元。

140W理想低通信道理想低通信道W1W2理想带通信道理想带通信道WW15奈氏准则奈氏准则q对于对于具有理想带通矩形特性的信道具有理想带通矩形特性的信道（带宽为带宽为W），奈氏奈氏准则就变为：

准则就变为：

理想带通信道的最高码元传输速率理想带通信道的最高码元传输速率=WBaud（2-2）即每赫带宽的带通信道的最高码元传输速率为每秒即每赫带宽的带通信道的最高码元传输速率为每秒1个码元。

个码元。

q强调以下两点：

强调以下两点：

1）一个实际的信道所能传输的最高码元速率，要明显地）一个实际的信道所能传输的最高码元速率，要明显地低于奈氏准则给出的这个上限数值。

低于奈氏准则给出的这个上限数值。

2）波特是码元传输的速率单位，它说明每秒传多少个码）波特是码元传输的速率单位，它说明每秒传多少个码元。

码元传输速率也称为调制速率、波形速率或符号速率。

元。

码元传输速率也称为调制速率、波形速率或符号速率。

q比特是信息量的单位，与码元的传输速率比特是信息量的单位，与码元的传输速率“波特波特”是是两个完全不同的概念。

两个完全不同的概念。

16“比特比特/秒秒”与与“波特波特”q信息的传输速率信息的传输速率“比特比特/秒秒”与码元的传输速率与码元的传输速率“波特波特”在数量上在数量上有一定的关系。

若有一定的关系。

若1个码元只携带个码元只携带1bit的信息量，则的信息量，则“比特比特/秒秒”和和“波特波特”在数值上相等的。

若在数值上相等的。

若1个码元携带个码元携带nbit的信息量，的信息量，则则MBaud的码元传输速率所对应的信息传输速率为的码元传输速率所对应的信息传输速率为Mxnb/s。

q怎样才能是一个码元携带怎样才能是一个码元携带3个个bit的信息量？

的信息量？

101011000110111010将这个信号中的每将这个信号中的每3个比特编为一组，即：

个比特编为一组，即：

101，011，000，110，111，010，。

3个比特共有个比特共有8种不同的组合，可以用调制的方法来表示这样种不同的组合，可以用调制的方法来表示这样的信号，如的信号，如8种不同的振幅、种不同的振幅、8种不同的频率或种不同的频率或8种不同的相种不同的相位。

位。

也就是说，原来要发送也就是说，原来要发送18个码元，每个码元只携带个码元，每个码元只携带1bit的信的信息量。

现在只需要发送息量。

现在只需要发送6个码元，每个码元携带个码元，每个码元携带3bit的信息的信息量。

量。

172.2.4信道的极限信息传输速率信道的极限信息传输速率q信道的极限信息传输速率信道的极限信息传输速率C可表达为可表达为C=Wlog2（1+S/N）bit/s（2-3）其中：

其中：

W为信道的带宽为信道的带宽（以以Hz为单位为单位）；S为信道内所传信号的平均功率；为信道内所传信号的平均功率；N为信道内部的高斯噪声功率。

为信道内部的高斯噪声功率。

q式式（2-3）就是著名的香农就是著名的香农（Shannon）公式。

香农公式公式。

香农公式表明，信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息表明，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。

的极限传输速率就越高。

qS/N称为信噪比，常用分贝称为信噪比，常用分贝（dB）表示。

即：

表示。

即：

信噪比（信噪比（dB）=10log10（S/N）（dB）例如：

当例如：

当S/N=10时，信噪比为时，信噪比为10dB，而当而当S/N=1000时，时，信噪比为信噪比为30dB18多元制多元制q由于码元的传输速率受奈氏准则的制约，所以要提由于码元的传输速率受奈氏准则的制约，所以要提高信息的传输速率，就必须设法使每一个码