高等计算机网络与安全1/103,第二讲 物理层简介,2010年10月,高等计算机网络与安全2/103,上讲内容回顾： 计算机网络的定义 计算机网络的分类 计算机网络的演变历程 计算机网络的发展趋势 OSI模型 TCP/IP模型 OSI与TCP/IP模型的区别,高等计算机网络与安全3/103,本讲内容提要： 物理层的功能 信息、数据与信号 传输介质 数字数据的通信方式 数字数据的编码方法 模拟信道的数字数据传输速率 多路复用技术 数据交换技术（广域网）,高等计算机网络与安全4/103,一.物理层的功能简介 1.物理层的主要功能：,利用传输介质为通信的节点之间建立、管理与释放物理连接； 对信号进行调制或转换，使得用户设备中的信号定义能与信道上实际传送的信号相匹配，以便这些信号可以经由物理线缆（例如：双绞线、同轴电缆、光纤等）或是无线信道来进行传送； 实现比特流的透明传输，为数据链路层提供服务。,高等计算机网络与安全5/103,一.物理层的功能简介(Cont.) 2.物理层的主要目标：,物理层是 OSI 参考模型中的第一层，是整个开放系统的基础，它是唯一直接提供原始比特流传输的层。 物理层设计的目的：是为了保证当发送方发送的信号为二进制“1”时，接收方接收到的也是二进制“1”，而不是二进制“0”。,高等计算机网络与安全6/103,二.信息、数据与信号 1.信息、数据与信号的基本概念,信息（Information）是指对客观事物的反映，可以是对物质的形态、大小、结构、性能等的描述，也可以是物质与外部的联系。 信息的载体是数字、文字、语音、图形、以及图像等。计算机及其外围设备所产生和交换的信息都是由二进制代码表示的字母、数字或控制符号的组合。,高等计算机网络与安全7/103,二.信息、数据与信号,数据（Data）是指对客观事物的符号表示。 在计算机科学中，数据是指所有能输入到计算机并被计算机程序所处理的符号的总称， 是用于输入电子计算机进行处理，具有一定意义的数字、字母、符号以及模拟量等的通称。,高等计算机网络与安全8/103,二.信息、数据与信号,信号（Signal）是数据在传输过程中的电信号的表示形式， 数据必须转换为相应的信号才能在计算机网络中进行传输。 按照在传输介质上传输的信号类型不同，信号可以分为模拟信号和数字信号两类。,高等计算机网络与安全9/103,二.信息、数据与信号,模拟信号（Analog Signal）：是指在时间或幅度上连续的信号，因此，通常又称为连续信号。 例如：电话通信中在用户线上传送的音频信号，是用电流的频率直接反映声音的频率，用电流的强弱直接反映声音的分贝值，其幅度取值是随着用户声音大小的连续变化而连续变化的，其波形为正弦波 。,高等计算机网络与安全10/103,二.信息、数据与信号,数字信号（Digital Signal）：是指在时间上与幅度上都是离散的、不连续的信号，因此通常又称为离散信号。 例如：由计算机或终端等数字设备直接发出的二进制信号，其幅度取值只有两种，即“1”或“0”，分别用高（或低）电平或低（或高）电平表示，其波形为方波。,高等计算机网络与安全11/103,二.信息、数据与信号,模拟信号波形图,数字信号波形图,高等计算机网络与安全12/103,二.信息、数据与信号 2.基带、频带与宽带传输,信号每秒钟变化的次数称为频率（Frequency），频率的单位为赫兹（Hz）。 信号包含的最高频率与最低频率之间的频率范围称为频带（Band），不同的信号具有不同的频带。,高等计算机网络与安全13/103,二.信息、数据与信号 2.基带、频带与宽带传输,信源（模拟信源、数字信源）所发出的没有经过调制（频谱搬移与变换）的原始电信号（无论是数字信号还是模拟信号）称为基带信号（Base Band Signal），数字信号也被称为数字基带信号。 基带信号所固有的频带，称为基本频带，简称为基带（Base Band）。,高等计算机网络与安全14/103,二.信息、数据与信号 2.基带、频带与宽带传输（Cont.）,在信道中直接传送基带信号的方式，称为基带传输（Base Band Transmission）。 在基带传输中，整个信道只传输一种信号，因此，基带传输的信道利用率很低。 由于在近距离范围内基带信号的衰减不大，从而信号内容不会发生变化。因此，在传输距离较近时，计算机网络通常都采用基带传输方式。,高等计算机网络与安全15/103,二.信息、数据与信号 2.基带、频带与宽带传输（Cont.）,例如：从计算机到监视器、打印机等外设的信号就是采用基带传输的。 另外，大多数的局域网，如：以太网、令牌环网等，也都使用基带传输，常见的网络设计标准10BaseT所使用的就是基带信号。 基带信号的频谱中由于含有丰富的低频分量乃至直流（零频）分量，例如：语音信号为3003400Hz， 图像信号为06MHz，因此，出于抗干扰和提高数据传输率的考虑，基带信号不适合用于远距离通信。,高等计算机网络与安全16/103,二.信息、数据与信号 2.基带、频带与宽带传输（Cont.）,在远距离通信时，通常所采用的传输方式为频带传输（Frequency Band Transmission），即：首先将基带信号变换（调制）成便于在模拟信道中传输的、具有较高频率范围的模拟信号（称为频带信号，Frequency Band Signal），然后再将这种频带信号在模拟信道中进行传输。显然，模拟信道不适用于直接传输频带很宽、但能量集中在低频段的数字基带信号。 频带传输在传输系统的发送端和接收端都需要设置调制解调器（Modem） 。,高等计算机网络与安全17/103,二.信息、数据与信号,小知识：为什么在远距离通信时，要采用频带传输？即：为什么在远距离通信时，要将基带信号变换（调制）成具有较高频率范围的频带信号，才便于在模拟信道中进行传输？ 由 电磁波速率电磁波波长*电磁波频率 可知，当电磁波频率越高时，电磁波波长越短，此时的电磁波由于波长短，能量大，因此能够进行远距离传输 。,高等计算机网络与安全18/103,二.信息、数据与信号 2.基带、频带与宽带传输（Cont.）,相对一般说的频带传输而言，比音频（4KHZ）还要宽的频带称为宽带（Broad Band）。 使用这种宽频带传输的系统，称为宽带传输系统（Broad Band Transmission System）。 显然，宽带传输系统多是模拟信号传输系统，传输的是模拟信号。,高等计算机网络与安全19/103,二.信息、数据与信号 2.基带、频带与宽带传输（Cont.）,与基带传输相比，宽带传输具有以下几个方面的优点： 能在一个信道中同时传输声音、图像和数据信息，从而使得系统可具有多种用途。 一条宽带信道能划分为多条逻辑基带信道，实现多路复用，因此，宽带传输系统中信道的容量大大增加了。 宽带（宽频带）传输的距离比基带传输的距离更远。,高等计算机网络与安全20/103,二.信息、数据与信号 3.数据通信系统的一般组成模型,数据通信是指在不同的计算机之间传送表示字符、数字、语音、图像的二进制代码的过程。 按照在传输介质上传输的信号类型不同，数据通信系统可分为模拟通信系统与数字通信系统两种。其中， 信道中传输模拟信号的系统称为模拟通信系统， 信道中传输数字信号的系统则称为数字通信系统。,高等计算机网络与安全21/103,二.信息、数据与信号 3.数据通信系统的一般组成模型,通信系统的一般组成模型如下图所示：,高等计算机网络与安全22/103,二.信息、数据与信号 4.模拟通信系统的组成模型,模拟通信系统的组成可由通信系统一般模型略加改变而成，主要完成了以下两种重要变换： 连续消息到电信号相互变换；例如：把声音转换为电信号的麦克风。 基带信号（模拟基带信号）到调制信号（频带信号）的变换。,高等计算机网络与安全23/103,二.信息、数据与信号 4.模拟通信系统的组成模型,为了完成基带信号到频带信号的变换，如下图所示，在模拟通信系统中需要将通信系统一般组成模型中的发送与接收设备分别用调制器、解调器来代替。,高等计算机网络与安全24/103,二.信息、数据与信号 5.数字通信系统的组成模型与分类,在数字通信系统中，若信源产生的是数字信号（例如：计算机或终端等数字设备直接发出的二进制信号），而传输使用的是模拟信道（例如：公用电话线路等），则称为数字信号的频带传输通信系统。 若信源产生的是数字信号，而传输使用的也是数字信道，则称为数字信号的数字基带传输通信系统。 若信源产生的是模拟信号，而传输使用的是数字信道，则称为模拟信号数字化后的数字基带传输通信系统。,高等计算机网络与安全25/103,二.信息、数据与信号 5.数字通信系统的组成模型与分类（Cont.）,数字信号频带传输通信系统：数字信号频带传输通信系统的组成模型如下图所示。,高等计算机网络与安全26/103,二.信息、数据与信号 5.数字通信系统的组成模型与分类（Cont.）,数字基带传输通信系统：数字基带传输通信系统的组成模型如下图所示。,高等计算机网络与安全27/103,二.信息、数据与信号 5.数字通信系统的组成模型与分类（Cont.）,模拟信号数字化后的数字基带传输通信系统：模拟信号数字化后的数字基带传输通信系统的组成模型如下图所示。,高等计算机网络与安全28/103,二.信息、数据与信号 5.数字通信系统的组成模型与分类（Cont.）,要实现模拟信号在数字基带传输通信系统中的传输，必须在发送端将模拟信号数字化，即进行模/数转换；在接收端需进行相反的转换，即数/模转换。 模拟信号的数字化需要三个步骤：抽样、量化和编码：,高等计算机网络与安全29/103,二.信息、数据与信号 5.数字通信系统的组成模型与分类（Cont.）,抽样（Sampling）：是指用每隔一定时间的信号样值序列来代替原来在时间上连续的模拟信号， 也就是把在时间连续的模拟信号转换为在时间上离散，幅度上连续的模拟信号。,高等计算机网络与安全30/103,二.信息、数据与信号 5.数字通信系统的组成模型与分类（Cont.）,量化（Quantification）：是指用有限个幅度值来近似采样得到的连续变化的幅度值， 从而把模拟信号的连续幅度变为有限数量的有一定间隔的离散幅度。,高等计算机网络与安全31/103,二.信息、数据与信号 5.数字通信系统的组成模型与分类（Cont.）,编码（Coding）：是指按照一定的规律，把量化后的幅度值用二进制数字表示，然后转换成二值或多值的数字信号流。 这样得到的数字信号，才可通过电缆、微波干线、卫星通道等数字线路传输。由此可知，在基带传输中，需要对数字信号进行编码来表示数据。,高等计算机网络与安全32/103,二.信息、数据与信号 6.数字通信的优缺点,数字通信的主要优点如下： 抗干扰能力强：由于在数字通信中，传输的信号幅度是离散的，以二进制为例，信号的取值只有两个，这样接收端只需判别两种状态。 差错可控：数字信号在传输过程中出现的错误（差错），可通过纠错编码技术来控制，以提高传输的可靠性。,高等计算机网络与安全33/103,二.信息、数据与信号 6.数字通信的优缺点,易加密：数字信号与模拟信号相比，它容易进行加密和解密。因此，数字通信的保密性好。 易于与现代技术相结合：由于计算机技术、数字存贮技术、数字交换技术以及数字处理技术等现代技术飞速发展，许多设备、终端接口等产生的均是数字信号，因此，极易与数字通信系统相连接。,高等计算机网络与安全34/103,二.信息、数据与信号,数字通信的主要缺点如下： 频带利用率不高：数字通信中，数字信号占用的频带宽，例如：以电话系统为例，一路模拟电话通常只占据 4kHz 带宽，但一路接近同样话音质量的数字电话可能要占据20-60kHz的带宽。因此，在系统传输带