物  理  层
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物 理 层. 本章教学要求. 3.1 物理层与物理层协议的基本概念. 3.1.1 物理层的基本服务功能 保证 比特流 通过传输介质的正确传输,为数据链路层提供数据传输服务。 物理层处于 OSI 参考模型的最 低 层; 发送端的 数据链路层通过与物理层的接口 ,将待发送的帧传送到物理层; 物理层 不关心帧的结构 ,它将构成帧的数据只看成是待发送的比特流。. 主要任务. 3.1 物理层与物理层协议的基本概念. 根据所使用 传输介质的不同 ,制定相应的物理层协议,规定数据信号编码方式、传输速率,以及相关的通信参数。

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物 理 层


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本章教学要求


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3.1 物理层与物理层协议的基本概念

3.1.1 物理层的基本服务功能

  • 保证比特流通过传输介质的正确传输,为数据链路层提供数据传输服务。

    • 物理层处于OSI参考模型的最低层;

    • 发送端的数据链路层通过与物理层的接口,将待发送的帧传送到物理层;

    • 物理层不关心帧的结构,它将构成帧的数据只看成是待发送的比特流。

  • 主要任务


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3.1 物理层与物理层协议的基本概念

  • 根据所使用传输介质的不同,制定相应的物理层协议,规定数据信号编码方式、传输速率,以及相关的通信参数。

    • 传输介质类型不同,如:电话线、同轴电缆、光纤与无线通信线路;

    • 不同类型的传输介质对于被传输的信号要求也不同;

  • 重要功能


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3.1 物理层与物理层协议的基本概念

  • 屏蔽物理层所采用的传输介质、通信设备与通信技术的差异性,使数据链路层只需要考虑如何使用物理层的服务,而不需要考虑物理层的功能具体是使用了哪种传输介质、通信设备与技术实现的。

    • 各种通信线路、通信技术存在很大差异;

    • 通信技术快速发展,各种新的通信设备与技术不断涌现;

    • 为了适应通信技术的变化,需针对不同传输介质与通信技术的特点,制定与之相适应的物理层协议。

  • 目的


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3.1.2 物理层协议类型

  • 通信子网分为:点-点通信线路通信子网与广播信道通信子网;

  • 广域网主要采用点到点通信线路;

  • 局域网与城域网一般采用广播信道有线、无线;

  • 由于技术上存在较大的差异,因此在物理层和数据链路层协议上出现了两个分支:一类是基于点-点通信线路,另一类是基于广播信道。


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物理层基本服务功能

  • 物理层设计时主要考虑的是如何在传输介质上传输各种数据的比特流;

  • 计算机网络可以利用的物理传输介质与传输设备存在着很大的差异,设计物理层的主要目的是向数据链路层屏蔽通信技术的差异性;

  • 数据链路实体通过与物理层的接口,将数据传送给物理层,通过物理层按比特流的顺序,将信号传输到另一个数据链路实体。


3 1 3

3.1.3 物理层向数据链路层提供的服务

  • 点-点传输介质连接着两个相邻通信主机的物理层;

  • 网络层根据数据传输的目的地址,启动路由选择算法确定下一个节点是谁。

  • 然后建立物理连接、再传输比特流、传输完后释放物理连接。


3 2 1

—— 通讯系统传输和处理的对象,

泛指人类社会传播的一切内容。

●信息

●数据

—— 表达信息的实体。

●信号

—— 数据的电、磁或光的表现形式,用以传送数据。

●信道

—— 传输信号的通道。

3.2 数据通信的基本概念

3.2.1 信息、数据、信号与信道


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信息、数据与信号的关系

发送端计算机

接收端计算机

传输介质

信号

信号

数据

数据

11001110 01000101 01010100 01010111 01001111 01010010 11001011

信息

信息

NETWORK

信息、数据与信号关系示意图


3 2 2

3.2.2 数据通信方式

发送方 —— 信源、源主机、发送端、发送主机;

接收方 —— 信宿、目的主机、接收端、接收主机;

1、数据传输类型:

● 模拟类

● 数字类

  • 模拟数据的强度连续变化

  • 模拟信号指幅度随时间连

    续变化的信号

  • 数字数据为不连续的离散值

  • 数字信号指幅度值离散的信


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● 通信系统中,数据以信号形式传送

●信道的发展

●信道也根据信号的种类分为模拟与数字两种。

模拟信道

传送模拟信号

A/D或D/A

传送数字信号

数字信道

  • 早期:都是模拟信道

  • 现代:两种信道并存

    • --主干线路基本是数字信道

    • --大部分用户线仍为模拟信道

  • 将来:全数字化通信网


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2、数据通信方式:

根据数据通信使用的信道数,分为:串行通信与并行通信。

串行通信 ——

按顺序依次发送代码的方式称为串行通信;

通信双方只需建立一条通信信道;

如图3-5

并行通信 ——

将多个代码同时通过多条并行的通信信道发送的方式;

通信双方必须建立多条通信信道;

在同样的传输速率下,并行通信在单位时间内所传送的码元数是串行通信的n倍。(n即为并行通信的信道数)


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2、数据通信方式:

根据信号传送方向与时间的关系,分为:

单工通信、半双工通信、全双工通信

半工通信 ——

信号只能向一个方向传输;

半双工通信 ——

信号可以双向传送,

但必须交替进行,一个时间只能向一个方向传送;

如图3-6

全双工通信 ——

信号可以同时双向传送;


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2、数据通信方式:

数据接收端根据发送端发送数据的时钟频率与比特流的起始时刻,校正自己的时钟频率与接收数据的起始时刻,这过程称为位同步

发送端以8位为一个字符单元来发送,接收端也以8位为一个字符单元来接收。保证收发双方正确传输字符的过程称为字符同步。

同步技术:在数据重组时,接收端需从收到的比特流中识别数据边界,分离数据,这一功能称为同步。

位同步

同步技术

字符同步


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2、数据通信方式:

发送数据信号时,另外发送一路同步时钟信号

外同步法

位同步

内同步法

同步技术

发送自含时钟编码的数据

字符同步


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2、数据通信方式:

每个字符作为一个独立的整体发送,

字符之间的时间间隔可以是任意的

将字符组织成组,以组为单位连续传送

外同步法

位同步

内同步法

同步技术

同步式

字符同步

异步式


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绞合在一起

的双绞线对

外层护套

双绞线

3.2.3 传输介质的主要类型与特性

1

  • 由两根有绝缘保护层的铜导线相互绞合而成。是目前最常用和最廉价的传输介质。

  • 双绞线在传输距离、信道带宽和数据传输速度等方面均受到一定限制,但价格较为低廉。


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  • 两类双绞线

  • 没有金属屏蔽层

  • 传输速率不高,传输距离有限

  • 价格便宜,易于安装,应用广泛

  • 屏蔽层可屏蔽电磁波干扰,也可防止电磁波泄漏。

  • 价格较贵,安装较复杂,应用不广泛

屏蔽双绞线与非屏蔽双绞线

●非屏蔽双绞线(UTP)

●屏蔽双绞线(STP)


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外部保护层

绝缘层

内导体

外屏蔽层

同轴电缆

2

  • 早期局域网中最常用的传输介质。

  • 比双绞线有更好的屏蔽特性和传输距离,但价格比双绞线高。


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  • 用于传输数字信号。

  • 在传输过程中,信号占用整个信道。

  • 在同一时间内,仅能传送一种信号。

  • 基带同轴电缆

  • 传送不同频率的信号。

  • 应用频分多路复用技术使各种信号同一时间内在不同的频道中被传送。

  • 性能比基带电缆好,但要附加信号处理设备,安装较困难,主要用于有线电视系统。

  • 宽带同轴电缆

基带同轴电缆与宽带同轴电缆


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  • 结构

塑料护套层

纤芯

(高折射率玻璃)

包层(低折射率玻璃)

光缆

3

  • 抗电磁干扰能力强

  • 传送速率高

  • 传输距离远

  • 目前发展最迅速、前景最好的传输介质。

  • 特点

光缆:多根光纤(4芯、8芯、12芯甚至更多)扎在一起,外

面用坚韧的外壳保护起来。


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2

全反射原理

折射原理

1

当光通过一种介质转入另一种介质时,光线会发生折射,折射量取决于两种介质的特性(它们的折射率)。

如果入射角大于一个临界值,光线将完全反射,从而被限制在纤芯中,近于无损耗地传输。

入射角

折射角

纤芯

包层

光纤的结构及传输原理

  • 光纤传输原理利用了两个物理原理


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发送端光源

1

2

光 纤

3

接收端光检测器

光纤传输系统

  • 三个组成部分

LED(发光二极管)或ILD(注入型激光二极管),用于将需要传送的电信号转换成光信号。

用于传输光脉冲。

由光PIN(电二极管)做成,用于将检测到的光信号还原成电信号。


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多模光纤与单模光纤

  • 直径较大的光纤,可以允许从许多不同角度入射的光线在一条光纤中传输。

  • 纤芯直径有50、62.5和100μm 三种。

  • 光脉冲损耗大,只适合近距离传输。

  • 传输距离通常是300m~4km。

多模光纤

  • 光纤的直径减小到只有一个光波的波长(8~10μm),光线沿直线传播,不会产生多次反射,这时,纤芯内只能传输一种模式的光线。

  • 制造成本及其设备价格都较高。

  • 传输损耗低,传输距离远。

单模光纤


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  • 包括ST、SC、LC等连接头

  • 连接头要损耗10~20%的光

  • 重新配置系统很容易,多用于室内光纤的连接,特别是光纤设备的连接。

  • 机械结合处光的损耗大约为10%

  • 连接点长期使用会不稳定

  • 一般用于应急连接。

  • 用于永久性光纤连接

光纤的连接

  • 三种连接方法

光纤连接器

机械连接

熔 接

SC

ST


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关于传输距离的进一步说明

各种介质的传输距离受传输速率的影响。总体来说,传输距离与传输速率成反比趋势,即在同一种介质上,数据传输速率越高,传输的距离就越短,反之,速率越低,则距离越远。上述三种介质中,同样传输速率下双绞线的传输距离最近,光纤的传输距离最远。


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  • 电磁波谱与通信类型

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1020

1022

100

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频率

(Hz)

X射线

无线电

γ射线

微波

红外线

可见光

紫外线

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频率

(Hz)

卫星

双绞线

光纤

同轴电缆

地面微波

海事

调幅

调频

移动

无线电

无线电

无线电

无线电

电视

波段

LFMF HF VHF UHF SHF EHF THF

中频

低频

高频

极高频

特高频

甚高频

超高频

无线与卫星通信技术

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室内短距离通信

难调制,穿过建筑物的传播性能不好

无线电广播通信


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  • 移动通信的基本概念

移动通信 ——

移动物体与固定物体、移动物体与移动物体之间的通信;


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  • 无线通信系统

无线通信使用的频段覆盖从低频到特高频

  • 微波通信系统

  • 蜂窝移动通信

频率在100MHz ~10GHz的信号称为微波

  • 卫星移动通信

将一个大区域划分成多个小区,在每个小区中设立一个基站,由若干个小区构成的区群的结构酷似蜂窝,因此小区制移动通信系统又称为蜂窝移动通信系统

使用人造地球卫星作为中继站的微波接力通信


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双绞线制作与测试


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接触探针

后端

前端

引脚

卡脚

1.RJ-45水晶头结构

图1.1 RJ-45水晶头结构


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2.做线工具

图1.2 斜口钳

图1.3 剥线钳

图1.4 剥线器

图1.5 剥线/压线钳


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普通网线测试仪

普通网线测试仪使用非常简单,只要将已制作完成的双绞线或同轴电缆的两端分别插入水晶头插座或BNC接头,然后打开电源开关,观察对应的指示灯是否为绿灯,如果依次闪亮绿灯,表明各线对已连通,否则可以判断没有接通。

2.网线测试仪


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至PC机

至交换机

交换机

专用网线测试仪

专用网线测试仪不仅能测试网络的连通性、接线的正误,验证网线是否符合标准,而且对网线传输质量也有一定的测试能力,如识别墙中网线,监测网络流量,自动识别网络设备,识别外部噪音干扰及测试绝缘等。

3.网线测试仪


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4.双绞线接线标准与接线方法

双绞线有两种接法:EIA/TIA 568B标准和EIA/TIA 568A标准。

注意:如果不按标准连接,虽然线路也能接通,但是线路内部各线对之间的干扰不能有效消除,从而导致信号传送出错率升高,最终影响网络整体性能。


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EIA/TIA 568B标准和EIA/TIA 568A标准接线方法模拟图


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第3步

排线。按照EIA/TIA568A或EIA/TIA568B标准排列芯线。

第2步

剥线。利用双绞线剥线/压线钳(或用专用剥线钳、剥线器及其他代用工具)将双绞线的外皮剥去2-3厘米。

第1步

选线。选线也就是准确选择线缆的长度,至少0.6米,最多不超过100米。

1.2-1.4cm

5、实验步骤


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完成后的网线

第8步

测线。如果测试仪上8个指示灯都依次为绿色闪过,证明网线制作成功。还要注意测试仪两端指示灯亮的顺序是否与接线标准对应。

第7步

做另一线头。重复2-6步骤做好另一个线头,在操作过程同样要认真、仔细。

5、实验步骤


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在制作双绞线时,需注意以下几方面问题,避免制作失败:

⑴剥线时千万不能把芯线剪破或剪断,否则会造成芯线之间短路或不通,或者会造成相互干扰,通信质量下降;

⑵双绞线颜色与RJ-45水晶头接线标准是否相符,应仔细检查,以免出错;

⑶插线一定要插到底,否则芯线与探针接触会较差或不能接触;

⑷在排线过程中,左手一定要紧握已排好的芯线,否则芯线会移位,造成白线之间不能分辩,出现芯线错位现象;

⑸双绞线外皮是否已插入水晶头后端,并被水晶头后端夹住,这直接关系到所做线头的质量,否则在使用过程中会造成芯线松动;

⑹压线时一定要均匀缓慢用力,并且要用力压到底,使探针完全刺破双绞线芯线,否则会造成探针与芯线接触不良;

(7) 测试时要仔细观察测试仪两端指示灯的对应是否正确,否则表明双绞线两端排列顺序有错,不能以为灯能亮就可以。


3 2 4

3.2.4 数据编码分类

  • 将发送端的数字信号变成模拟信号的过程称为“调制”

  • 将接收端的模拟信号还原成数字信号的过程称为“解调”

  • 同时具备调制与解调功能的设备称为调制解调器(modem)


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3.5 多路复用技术


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多路复用、通信线路与信道示意图

将发送端多个用户的数据汇集

具备复用器与分用器的功能

将接收到的数据分离,分发给多个用户


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●多路复用技术可分为四种基本形式:

◆将传输划分为若干个时间片,每个用户分的一个时间片,用户在其占有时间片内使用信道的全部带宽

1

时分多路复用

2

频分多路复用

3

波分多路复用

4

码分多路复用


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●多路复用技术可分为四种基本形式:

  • 在一条通信线路设计多路通信信道;

  • 每路信道的信号以不同的载波频率进行调制;

  • 各个载波频率是不重叠的,那么一条通信线路就可以同时独立地传输多路信号。

1

时分多路复用

2

频分多路复用

3

波分多路复用

4

码分多路复用


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●多路复用技术可分为四种基本形式:

  • 在一根光纤上复用多路光载波信号;

  • 波分复用是光波段的频分多路复用;

  • 只要每个信道的光载波频率互不重叠,就可用多路复用方式通过共享光纤进行远距离传输。

1

时分多路复用

2

频分多路复用

3

波分多路复用

4

码分多路复用


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●多路复用技术可分为四种基本形式:

  • 通过为每一个用户分配一种码型,使多个用户同时使用一个信道而不互相干扰。

  • CDMA是3G手机移动通信中共享信道的基本方法;

1

时分多路复用

2

频分多路复用

3

波分多路复用

4

码分多路复用


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3.7 接入技术

用户接入可以分为家庭接入、校园接入、机关与企业接入。

接入技术可以分为:


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3.7.2 ADSL接入技术

数字用户线xDSL的基本概念:

——是指从用户家庭、办公室到本地电话交换中心的一对电话线。

用数字用户线实现通话与上网有多种技术方案,如:

xDSL


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ADSL接入结构示意图


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3.7.2 HC接入技术

HFC——光纤同轴电缆混合网

HFC结构示意图


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HFC接入工作原理


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3.7.4 光纤接入技术

  • 光纤到路边(fiber to the curb,FTTC)

  • 光纤到小区(fiber to the zone,FTTZ)

  • 光纤到大楼(fiber to the building,FTTB)

  • 光纤到办公室(fiber to the office,FTTO)

  • 光纤到户(fiber to the home,FTTH)


3 7 5

3.7.5 移动通信接入技术

空中接口、信道、移动台与基站


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移动通信系统的基本工作原理


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