计算机网络技术基础课程课件设计物理层

物理层简介物理层是网络的基础负责数据在物理媒体上的传输它定义了电气、机械、功,能和程序特性以确保物理连接物理层确保设备能够相互连接并进行通信掌,握物理层知识对于理解网络技术基础至关重要课程概述课程目标课程内容教学方式预期收获掌握计算机网络物理层的基本课程将从网络基础知识开始结合理论讲解和案例分析帮掌握物理层的基本概念和技,,知识和技术包括信号特性、全面介绍物理层的各项关键技助学生深入理解物理层技术的术为后续学习计算机网络其,,线路编码、传输媒体、复用技术并探讨其在现实网络应用原理和实践应用他层次奠定坚实的基础,术和调制技术等内容中的作用网络基础知识回顾网络架构协议标准12回顾网络的基本架构包括客户了解主要的网络协议标准如,,端、服务器和中间设备等组成协议族以及它们在网络TCP/IP,部分通信中的作用网络设备网络拓扑34熟悉常见的网络设备如路由掌握常见的网络拓扑结构如星,,器、交换机、集线器等及其在型、总线型、环型等及其特,,网络中的功能点物理层的作用数据传输网络设备互联信号调制与编码物理层负责将数据转换为可在网络上传输的物理层规定了网络设备如何物理连接和互操物理层负责将数字数据转换为可在物理媒体电子或光学信号它定义了传输数据所需的作确保数据能够在不同设备间顺利传输上传输的模拟信号并定义了相应的编码和,,物理特性，如电压、频率和编码方案它定义了连接电缆、接口等硬件标准调制方式这确保了数据能在网络上稳定传输信号的基本特性振幅信号的振幅决定了其强弱程度是衡量信号能量大小的指标,频率信号的频率决定了其周期性变化的快慢反映了信号的时间特征,相位信号的相位描述了其在时间轴上的位置反映了信号的初始状态,模拟信号和数字信号模拟信号1连续变化的波形数字信号2离散的二进制编码能量特性3模拟信号无限可数数字信号有限数量,传输特性4模拟信号更容易受干扰数字信号更稳定,模拟信号是一种连续变化的波形反映实际世界的连续信息数字信号则是离散的二进制编码可以表示有限的信息模拟信号具有无限可数的能量,,特性而数字信号则有限数量的状态在传输过程中模拟信号更容易受到干扰而数字信号则更加稳定可靠,,,数字信号编码方式非归零编码曼彻斯特编码将逻辑值和分别表示为不利用电平转换的时间位置来编码01同的电平或电压，是最简单直接数据，比非归零编码有更好的抗的编码方式干扰性差分曼彻斯特编码8B/10B编码在曼彻斯特编码基础上，利用相将位数据编码为位信号，提供810邻两个比特之间的电平差异进行更多的编码组合以保持频率与电编码，进一步提高抗干扰能力平的均衡线路编码技术编码目的常见编码方式线路编码技术的目的是将数字信常见的线路编码方式包括非归零号转换为适合在通信信道上传输编码、曼彻斯特编码、编码4B/5B的信号和编码8B/10B编码优点应用领域线路编码可以改善信号的频谱特线路编码广泛应用于以太网、光性提高抗噪能力并实现时钟同纤通信、串行总线等各种计算机,,步网络环境线路编码的优缺点优点可靠性高、抗噪声能力强、同步性好、容易实现并行传输缺点带宽利用率低、功耗大、成本高受物理信道特性和应用场景影响平衡通过系统设计优化选择合适的编码平衡性能和成本,基带传输和宽带传输基带传输1直接使用原始的数字信号进行传输不经过调制适用于短距,离、低速率的应用宽带传输2利用调制技术将数字信号转换成可在通信信道上传输的模拟信号适用于长距离、高速率的应用比较3基带传输简单便捷但传输距离和速率受限宽带传输复杂但性,能更优可适用于更广泛的应用场景,传输媒体概述导体传输光纤传输12通过电缆等导体进行信号传输采用玻璃或塑料光纤作为传输,包括双绞线和同轴电缆这种介质具有带宽大、抗干扰性强,方式传输距离远但易受干扰的特点非常适用于远距离通,信无线传输3利用电磁波在空间进行传输包括微波、无线电波、红外线等传输距离,相对较短但部署灵活便捷,双绞线双绞线是一种常见的网络传输媒体它由两根绝缘导线按规定的方式缠绕在一起组成双绞线具有抗干扰能力强、传输质量高、成本低廉等优点广泛应用于各种网络中,双绞线分为屏蔽双绞线和非屏蔽双绞线两种其中屏蔽双绞线的,抗干扰性更强但成本较高而非屏蔽双绞线成本较低应用范围,,更广同轴电缆同轴电缆是一种常见的电缆传输介质由中心导体、绝缘层、屏蔽层和外护层四,个部分组成它具有低损耗、抗干扰能力强、传输距离远等优点广泛应用于射,频电路、电视天线、网络传输等场合同轴电缆中心导体通常由金属或铜制成可靠传输高频信号绝缘层使用塑料或,聚乙烯材料起到隔离导体的作用屏蔽层用金属编织网覆盖可以防止电磁干,,扰外护层为保护电缆免受外部损坏光纤传输高带宽传输抗干扰能力强连接简单灵活光纤可以提供超高速的数据传输速度支持光纤免受电磁干扰信号传输稳定可靠适用光纤连接器设计简单可根据需求灵活搭配,,,,,大容量和远距离的信号传输于恶劣环境下的数据传输便于网络的扩展和升级无线传输无线传输技术是网络物理层的一个重要组成部分它使用无线电波在不同设备之,间进行数据传输与有线传输相比无线传输具有便利性、灵活性和扩展性等优,势广泛应用于各种场景中,无线技术包括、蓝牙、蜂窝网络等支持从短距离到长距离的多种无线传输Wi-Fi,方式满足不同应用需求同时无线传输还涉及频率选择、多址访问等关键技,术信道复用技术频分复用时分复用码分复用波分复用利用不同的频率带宽实现多个将时间划分为多个时隙，不同利用正交码对信号进行编码，在光纤传输中使用不同波长的用户共用信道传输数据每个用户在不同时隙内轮流使用同每个用户使用不同的编码方式光信号实现多路传输能极大用户被分配一个独立的频率带一信道进行数据传输能充分在同一频率和时间内共享信提高传输容量和带宽利用率宽，可同时进行传输而不会互利用带宽资源道能实现高效隔离相干扰频分复用频率划分频道利用效率抗干扰能力将总的频率范围划分成多个不同的频率信相比时分复用频分复用可以更有效地利用每个频道独立传输不会相互干扰信号质量,,,道每个信道独立传输数据频谱资源较好,时分复用时间划分时隙分配时分复用将时间划分为多个时间系统会根据用户通信需求动态分片段每个用户占用一个独立的时配时隙提高了信道利用率,,间片进行通信同步要求时分复用要求所有用户之间保持精确的时间同步以免时隙重叠造成干扰,码分复用信号独立分离频谱利用率高12码分复用通过为每个用户分配多个用户可以同时在同一个频独特的编码序列来实现信号的带上传输信号而不会互相干独立分离和提取扰，提高了频谱利用率抗干扰能力强广泛应用34编码序列的正交性使得码分复码分复用广泛应用于移动通用具备出色的抗干扰性和安全信、卫星通信、无线局域网等性领域波分复用概念工作原理应用优势发展趋势波分复用不同的光信号被调制到不同的能够提高现有光纤的利用随着技术的不断进步的通Wavelength WDM,WDM光波长上然后通过光复用器效率满足快速增长的带宽需道数量和传输速率也越来越Division Multiplexing,,,是一种通过使用不同的光耦合到同一条光纤上进行传求同时它也降低了建网和维高已成为当前主流的光传输WDM,波长在同一条光纤上实现多路输接收端的光分复用器可将护光纤网络的成本技术未来还将朝着更高的带传输的技术它能够大大提高这些光信号分离出来宽和更低的成本发展光纤的传输带宽利用效率信号的调制技术调制的基本概念幅度调制频率调制调制是将信息信号调制到载波信号上的过幅度调制是通过调制信号的幅度来传输信息频率调制是通过调制信号的频率来传输信息程常见的调制方式有幅度调制、频率调制的一种调制方式其优点是实现相对简单的一种调制方式其优点是抗噪能力强缺,,和相位调制等缺点是对噪音干扰敏感点是带宽占用大调制的基本概念信号特性改变调制方式选择通过调制可以改变载波信号的幅根据实际需求可采用幅度调制、,,度、频率或相位这些特性使其携频率调制或相位调制等不同的调,带信息制方式信号可传输调制后的信号可以更好地适应传输媒体的特性提高传输效率和质量,幅度调制定义原理特点应用幅度调制将待传输信号通过放大器与载幅度调制简单易实现但对噪幅度调制广泛应用于调幅广播Amplitude,是将待传输波信号相乘从而改变载波的声干扰敏感抗干扰能力较广播、对讲机通信、雷达Modulation,AM,,AM的信号调制到载波信号的振幅振幅大小使之包含原始信号弱常用于长距离广播通信通信等场景,上的一种调制方式通过改变的信息载波振幅来携带信息频率调制变化载波频率保持幅度恒定频率调制是通过调整载波的振荡频率来传输信息的一种与幅度调制不同保持了载波振幅的恒定只是改变了FM AM,FM,调制方式频率更佳抗噪性常见应用对噪音和干扰的抗性更强在某些环境下信号质量会更好广播、蓝牙、无线网络等通信技术中都使用了频率调制技FM,FM术相位调制相位调制概念相位调制特点相位调制应用相位调制是一种通过改变载波信号的相位来相位调制的信号对噪声和干扰的抗性强传相位调制广泛应用于无线电通信、雷达、卫,传输信息的方式振幅和频率保持不变而输距离远频谱利用率高但解调复杂同步星通信等领域是重要的数字调制技术之,,,,信号的相位随信息信号的变化而变化要求高一数字调制基带调制将数字信号直接作为载波传输不需要进行额外的调制常用、、等技术,ASK FSKPSK带载调制将数字信号调制到载波信号上进行传输能够更好地适应频带限制和抗干扰常用、,BPSK、等技术QPSK QAM调制特点数字调制技术在传输速率、频谱利用率、抗干扰性等方面都有优势是现代通信发展的主流,多址接入技术ALOHA协议CSMA协议最简单的多址接入协议，允许用用户在发送前先监听信道状态，户随时发送数据包，但存在冲突避免冲突发生，提高传输效率问题CSMA/CD协议CSMA/CA协议在的基础上增加了碰撞检在的基础上增加了碰撞回CSMA CSMA测机制，检测到冲突后立即停止避机制，在发送前先发送RTS/CTS传输信号协议ALOHA随机接入冲突检测12协议是一种最简单的随机当设备同时发送数据时会产生ALOHA接入协议设备可以随时发送数冲突协议要求设备监听,,ALOHA据而无需进行预约是否有冲突发生重传机制应用场景34发生冲突时设备需要等待一段最初应用于无线电台站之,ALOHA随机时间后再次尝试发送数据间的通信是无线网络技术的基,,直到成功传输础协议CSMA载波侦听多路访问避免冲突提高传输效率协议是一种多点接入控制方法通过判协议通过等待一个随机的时间来避免多相比单纯的协议协议能够更好地CSMA,CSMA ALOHA,CSMA断信道是否正在被使用来决定发送数据帧的个节点同时接入导致的信号冲突利用信道资源提高整体的数据传输效率,时间协议CSMA/CD碰撞检测协议会在传输过程中检测是否发生碰撞一旦发生就会立即停止传输CSMA/CD,退避机制如果发生碰撞设备会进行随机的退避时间然后重新尝试传输,,高效利用带宽通过碰撞检测和退避机制协议能有效利用网络带宽提高传输效率,CSMA/CD,协议CSMA/CA背景工作原理优点应用协议是为无线局域网在发送数据帧之前发送端会协议可以有效地避免协议广泛应用于CSMA/CA,CSMA/CA CSMA/CA设计的一种多址接入技术它先监听信道如果信道空闲则碰撞提高无线网络的性能和无线局域网、蓝牙、,,

802.11采用先听后发的方式可以发送数据如果信道忙碌则可靠性它非常适用于无线网等无线通信协议中,,ZigBee减少碰撞的发生随机延迟一段时间后再次检络环境测小结与问答在了解了计算机网络技术基础课程的物理层知识之后让我们来总结一下本章的,核心内容我们学习了物理层的作用、信号的基本特性、数字信号编码方式、线路编码技术、传输媒体、信道复用技术以及信号调制技术等这些概念都是物理,层的基础知识现在请记住这些知识点并做好准备回答老师的相关提问,。