第3章 物 理 层,物理层位于OSI参考模型的最底层，它的主要功能是实现比特流的透明传输，为数据链路层提供数据传输服务。它直接面向实际承担数据的物理介质（即通信信道）。物理层的传输单位为比特，即一个二进制位（“0”或“1”）。,3.1 物理层接口与协议,3.1.1物理层接口 ISO对OSI模型的物理层所作的定义为：在物理信道实体之间合理地通过中间系统，为比特流传输所需的物理连接的激活、保持和去除提供机械的、电气的、功能性和规程性的手段。比特流传输可以采用异步传输，也可以采用同步传输完成,ITU的X.25建议的DTE与DCE,3.1.2物理层的功能和提供的服务,1机械特征 为了使不同厂家生产的DTE、DCE设备便于连接，物理层的机械特性对插头和插座的几何尺寸、插针或插孔芯数及其排列方式、锁定装置形式作了详细的规定，其几何尺寸与DCE连接相配合，插针芯数和排列方式与DCE连接器成镜像对称。,ISO标准化了DCE连接器的几何尺寸及插孔芯数和排列方式。一般来说，DTE的连接器常用插针形式，其几何尺寸与DCE连接器相配合.,2电气特征 物理层的电气特征规定了导线的电气连接及有关电路的特性，DTE与DCE接口的各根导线（也称电路）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和平衡方式三种。,3信号的功能特性 物理层的功能特性规定了接口信号的来源、作用以及其它信号之间的关系。4规程特性 物理层的规程特性规定了使用交换电路进行数据交换的控制步骤，这些控制步骤的应用使得比特流传输得以完成。 目前由ITU建议在物理层使用的规程有V系列标准，X系列标准，它们分别适用于各种不同的交换电路中。,3.1.3物理层协议举例,1RS-232C标准提供了一个利用公用电话网络作为传输介质，并通过调制解调器将远程设备连接起来的技术规定。RS-232C标准接口只控制DTE与DCE之间的通信，与连接在两个DCE之间的电话网络没有直接的关系。,RS-232C的电气特性规定逻辑“1”的电平为-15至-5伏，逻辑“O”的电平为+5至+15伏，也即RS-232C采用士15伏的负逻辑电平，5伏之间为过度区域不作定义。,DTE-DCE连接,若两台DTE设备（如两台计算机）在近距离直接连接方式,2EIA RS-449及RS-422与RS-423接口标准,1977年年底，EIA颁布了一个新标准RS-449，次年，这个接口标准的两个电气子标准：RS-423（采用差动接收器的非平衡方式）和RS-422（平衡方式）也相继问世。RS-449标准的电气特性有两个子标准，即平衡式的RS-422标准和非平衡式的RS-423标准。,RS-422电气标准,RS-422电气标准是平衡方式标准，它的发送器、接收器分别采用平衡发送器和差动接收器，由于采用完全独立的双线平衡传输，抗串扰能力大大增强。又由于信号电平定义为士6伏（士2伏为过渡区域）的负逻辑，性能远远优于RS-232C标准。,RS-423电气标准,RS-423电气标准是非平衡标准，它采用单端发送器（即非平衡发送器）和差动接收器。虽然发送器与RS-232C标准相同，但由于接收器采用差动方式，所以传输距离和速率仍比RS-232C有较大的提高e RS-423的信号电平定义为6伏（其中4伏为过度区域）的负逻辑。,3. 100系列和200系列接口标准 ITU V.24建议中有关DTE-DCE之间的标准有100系列、200系列两种。4X21和X21 bis建议 ITU对DTE-DCE的接口标准有V系列和X系列两大类建议。,3.2 传输介质,传输介质是通信网络中发送方和接收方之间的物理通路，计算机网络中采用的传输介质可分为有线和无线两大类。双绞线、同轴电缆和光纤是常用的三种有线传输介质；无线电通信、微波通信、红外通信以及激光通信的信息载体都属于无线传输介质。,3.2.1双绞线,双绞线是最常用的传输介质。双绞线芯一般是铜质的，能提供良好的传导率。既可以用于传输模拟信号也可以用于传输数字信号。双绞线分为两种：无屏蔽的和屏蔽的。,3.2.2同轴电缆,同轴电缆分为基带同轴电缆（阻抗50）和宽带同轴电缆(阻抗75)。基带同轴电缆又可分为粗缆和细缆两种，都用于直接传输数字信号；宽带同轴电缆用于频分多路复用的模拟信号传输，也可用于不使用频分多路复用的高数字信号和模拟信号传输。闭路电视所使用的CATV电缆就是宽带同轴电缆。,3.2.3光纤,光纤是光导纤维的简称，它由能传导光波的超细石英玻璃纤维外加保护层构成。多条光纤组成一束，就构成一条光缆。相对于金属导线来说具有重量轻、线径细的特点。光纤适合于在几个建筑物之间通过点到点的链路连接局域网络。光纤具有不受电磁干扰或噪声影响的特征，适宜在长距离内保持高数据传输率而且能够提供很好的安全性。,光纤通信系统的基本组成,驱动 电 路,光 源,光 检测 器,放大电路,光发送机 光接收机,电信号 光缆 光缆 电信号,光纤的工作原理,高折射率(纤芯),低折射率(包层),光线在纤芯中传输的方式是不断地全反射,多模光纤与单模光纤,多模光纤,3.2.4无线传输介质,目前常用的技术按照频率由低向高排列有：无线电波、微波、红外线和可见光。由若干小区构成的覆盖区叫做区群。由于区群的结构酷似蜂窝，因此人们将小区制移动通信系统叫做蜂窝移动通信系统。在蜂窝移动通信系统中，多址接人方法主要有3种：频分多址接入FDMA、时分多址接入TDMA与码分多址接入CDMA。蜂窝移动通信网的设计，涉及OSl参考模型的物理层、数据链路层与网络层。,蜂窝移动通信系统,微波通信的载波频率为1OOMHz1OGHz范围。因为频率高，可同时传送大量信息，用来传输数字数据，速率可达数Mbps,地球,微波天线,卫星通信具有通信距离远、费用与通信距离无关、覆盖面积大、不受地理条件的限制、通信信道带宽带、可进行多址通信与移动通信的优点，因此获得了迅速的发展，并成为现代主要的通信手段之一。,地球同步卫星与地面站相对固定位置使用三颗卫星即可覆盖全球传输延迟时间长（270ms）广播式传输应用领域：电视传输长途电话专用网络广域网,35,784km,地球,3.2.5传输介质的选择,传输介质的选择取决于以下诸因素：网络拓扑的结构、实际需要的通信容量、可靠性要求、能承受的价格范围。,常用传输介质的比较,3.3 数据通信技术3.3.1通信信道,数据通信的任务是传输数据信息，希望达到传输速度快、出错率低、信息量大、可靠性高，并且既经济又便于使用维护。这些要求可以用下列技术指标加以描述。,1数据传输速率,所谓数据传输速率，是指每秒能传输的二进制信息位数，单位为位秒，记为bps或b/s，它可由下式确定： R=(1/T).log2N(bps)式中T为一个数字脉冲信号的宽度,单位为秒。一个数字脉冲也称为一个码元,N为一个码元所取的有效离散值个数,也称调制电平数,N一般取2的整数次方值。若一个码元仅可取0和1两种离散值,则该码元只能携带一位二进制信息;若一个码元可取00、01、10和11四种离散值,则该码元就能携带两位二进制信息。以此类推,若一个码元可取N种离散值,则该码元便能携带log2N位二进制信息,另一个技术指标信号传输速率，也称码元速率、调制速率或波特率，单位为波特率。信号传输速率表示单位时间内通过信道传输的码元个数，也就是信号经调制后的传输速率。若信号码元的宽度为T秒，则码元速率定义为： B=(1/T)(Baud)一般在二元调制方式中（N=2),S和B都取同一值(因为log22=1),习惯上二者是通用的。但在多元调制的情况下,必须将它们区别开来。R=(1/T).log2N(bps) = (1/T)(Baud)=B,-5v=0 -5v=1 1 0 1 0 1 1 0 1,1个码元取2个离散值，发送8个码元等于发送了8位,-5v =00 -2.5v=01+2.5v=10 +5v =1111 00 00 10 01 10 00 01,t,1个码元取4个离散值，发送8个码元等于发送了16位,如采用四相调制方式，即N=4，且T=83310-6秒则可求出数据传输率为：R=(1/T)log2N=1/（833X106）log24=2400(bps),而调制速率为：B=1/T=1/（833X106）=1200(baud),2信道容量,信道容量表征一个信道传输数据的能力，单位也用位秒(bps)。信道容量与数据传输速率的区别在于，前者表示信道的最大数据传输速率，是信道传输速率数据能力的极限，而后者则表示实际的数据传输速率。奈奎斯特首先给出了无噪声情况下码元速率的极限值B与信息带宽H的关系： B=2*H(Baud)其中，H是信道的带宽，也称频率范围，即信道能传输的上、下限频率的差值，单位为Hz。,实际的信道总要受到各种噪声的干扰，香农则进一步研究了受随机噪声干扰的信道情况，给出了计算信道容量的香农公式：C=H*log2(1+S/N) 其中，H表示信道的带宽，S表示信号功率，N为噪声功率，S/N则为信噪比。由于实际使用的信道的信噪比都要足够大，故常表示成 10*log10 (S/N) 以分贝(dB)为单位来计算，在使用时要特别注意。,3误码率,误码率是衡量数据通信系统在正常工作情况下的工作情况下的传输可靠性的指标，它定义为二进制数据传输出错的概率。设传输的二进制数据总数为N位，其中出错的位数为Ne，则误码率表示为； Pe= Ne/N计算机网络中，一般要求误码率低于10-9，即平均每传输109位数据仅允许错一位。若误码率达不到这个指标，可以通过差错控制方法进行检错和纠错。,4通信方式,通信有两种基本方式，即串行方式和并行方式。通常情况下，并行方式用于近距离通信，串行方式用于距离较远的通信。串行通信的方向结构。串行数据通信的方向性结构有三种，即单工、半双工和全双工。,并行数据传输,串行数据传输,发送器,接收器,发送器/接收器,发送器/接收器,发送器/接收器,发送器/接收器,单工方式：,半双工方式：,全双工方式：,A站,B站,可同时,不可同时,3.3.2模拟数据通信和数字数据通信,(1)数据。数据可定义为有意义的实体，它涉及事物的存在形式。数据可分为模拟数据和数字数据两大类。(2)信号。信号是数据的电子或电磁编码。对于模拟数据和数字数据，信号也可分为模拟信号和数字信号。,模拟信号时间上连续，包含无穷多个信号值数字信号时间上离散，仅包含有限数目的信号值。最常见的是二值信号,t,a） 模拟信号,b） 数字信号,信息编码：将信息用二进制数表示的方法例如：ASCII编码、BCD编码等数据编码：将数据用物理量表示的方法例如：字符“A”的ASCII编码为01000001，其数据编码可能为,信息通过数据通信系统进行传输的过程把携带信息的数据用物理信号形式通过信道传送到目的地信息和数据（二进制位）不能直接在信道上传输编码：数据适合传输的数字信号便于同步、识别、纠错调制：数字信号适合传输的形式按频率、幅度、相位解调：接收波形数字信号解码：数字信号原始数据,不同类型的信号在不同类型的信道上传输有4种情况：,