計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)電子教案第二章物理層

1、The Physical LayerChapter 2The Theoretical Basis for Data CommunicationFourier AnalysisBandwidth-Limited SignalsMaximum Data Rate of a ChannelBandwidth-Limited SignalsA binary signal and its root-mean-square Fourier amplitudes.(b) (c) Successive approximations to the original signal.Bandwidth-Limite

2、d Signals (2)(d) (e) Successive approximations to the original signal.Bandwidth-Limited Signals (3)Relation between data rate and harmonics.Guided Transmission DataMagnetic MediaTwisted PairCoaxial CableFiber OpticsTwisted Pair(a) Category 3 UTP.(b) Category 5 UTP.Coaxial CableA coaxial cable.Fiber

3、Optics(a) Three examples of a light ray from inside a silica fiber impinging on the air/silica boundary at different angles.(b) Light trapped by total internal reflection.Transmission of Light through FiberAttenuation of light through fiber in the infrared region.Fiber Cables(a) Side view of a singl

4、e fiber.(b) End view of a sheath with three fibers.Fiber Cables (2)A comparison of semiconductor diodes and LEDs as light sources.Wireless TransmissionThe Electromagnetic SpectrumRadio TransmissionMicrowave TransmissionInfrared and Millimeter WavesLightwave TransmissionThe Electromagnetic SpectrumTh

5、e electromagnetic spectrum and its uses for communication.Communication SatellitesGeostationary SatellitesMedium-Earth Orbit SatellitesLow-Earth Orbit SatellitesSatellites versus FiberCommunication Satellites (2)The principal satellite bands.Public Switched Telephone SystemStructure of the Telephone

6、 SystemThe Politics of TelephonesThe Local Loop: Modems, ADSL and WirelessTrunks and MultiplexingSwitchingStructure of the Telephone System(a) Fully-interconnected network.(b) Centralized switch.(c) Two-level hierarchy.Structure of the Telephone System (2)A typical circuit route for a medium-distanc

7、e call.Major Components of the Telephone SystemLocal loops（本地回路）Analog twisted pairs going to houses and businessesTrunks（干線）Digital fiber optics connecting the switching officesSwitching offices（交換局）Where calls are moved from one trunk to anotherThe Local Loop: Modems, ADSL, and WirelessThe use of

8、both analog and digital transmissions for a computer to computer call. Conversion is done by the modems and codecs.轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換a)調(diào)制解調(diào)器中調(diào)制解調(diào)器中數(shù)字信號(hào)數(shù)字信號(hào)-模擬信號(hào)模擬信號(hào)a)編解碼器編解碼器模擬信號(hào)模擬信號(hào)-數(shù)字信號(hào)數(shù)字信號(hào)傳輸線路中存在的問題：衰減（傳輸線路中存在的問題：衰減（attenuation）、延遲崎變）、延遲崎變（delay distortion）和噪聲（）和噪聲（noise）Modems (a) A binary signal (b) Amplitud

9、e modulation(c) Frequency modulation(d) Phase modulationModems (2)(a) QPSK.正交相移鍵控正交相移鍵控(b) QAM-16.正交振幅調(diào)制正交振幅調(diào)制(c) QAM-64.（涉及振幅和相位）（涉及振幅和相位）三幅圖形分別顯示振幅和相位的幾種合法組合，稱為星座圖三幅圖形分別顯示振幅和相位的幾種合法組合，稱為星座圖Modems (3)(a) V.32 for 9600 bps.(b) V32 bis for 14,400 bps.(a)(b)調(diào)制解調(diào)器的傳輸調(diào)制解調(diào)器的傳輸a) Full duplex（在不同的方向上使用不（在不

10、同的方向上使用不同同 的頻率）的頻率）b) Half duplexc) simplex調(diào)制解調(diào)器的標(biāo)準(zhǔn)調(diào)制解調(diào)器的標(biāo)準(zhǔn)a) V.90（56kbps）提供）提供33.6kbps的上行信道和的上行信道和56kbps的下行信道的下行信道b) V.92提供提供48kbps的上行信道的上行信道 老的調(diào)制解調(diào)器在前老的調(diào)制解調(diào)器在前30秒內(nèi)確定實(shí)際使用的速秒內(nèi)確定實(shí)際使用的速度，新型的調(diào)制解調(diào)器可以在大約一半（度，新型的調(diào)制解調(diào)器可以在大約一半（15秒）秒）內(nèi)決定將要使用的速度內(nèi)決定將要使用的速度Digital Subscriber LinesBandwidth versus distanced over

11、 category 3 UTP for DSL.Digital Subscriber Lines (2)Operation of ADSL using discrete multitone modulation.Digital Subscriber Lines (3)A typical ADSL equipment configuration.干線和多路復(fù)用干線和多路復(fù)用a) FDM（Frequency Division Multiplexing，頻分多路復(fù)用），頻分多路復(fù)用）b) TDM（Time Division Multiplexing，時(shí)分多路復(fù)用時(shí)分多路復(fù)用）c) WDM（Wavel

12、ength Division Multiplexing，波分多路復(fù)用）光纖通，波分多路復(fù)用）光纖通道中的道中的FDM，F(xiàn)DM在極高頻率上的在極高頻率上的應(yīng)用應(yīng)用FDM的標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)a) 12個(gè)個(gè)4000Hz的語音信道復(fù)用到的語音信道復(fù)用到60108kHz的頻段中，這個(gè)單位稱為一的頻段中，這個(gè)單位稱為一個(gè)群（個(gè)群（group）b) 5個(gè)群（個(gè)群（60條語音信道）復(fù)用形成超級(jí)條語音信道）復(fù)用形成超級(jí)群（群（supergroup）c) 主群（包含主群（包含5個(gè)超級(jí)群）個(gè)超級(jí)群）Frequency Division Multiplexing(a) The original bandwidths.(b)

13、The bandwidths raised in frequency.(b) The multiplexed channel.Wavelength Division MultiplexingWavelength division multiplexing.TDMa)FDM要求模擬線路，不適合計(jì)算機(jī)。要求模擬線路，不適合計(jì)算機(jī)。TDM完全由數(shù)完全由數(shù)字電路處理，只能用于數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)字電路處理，只能用于數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)b)模擬數(shù)據(jù)通過編解碼器（模擬數(shù)據(jù)通過編解碼器（codec）設(shè)備完成模數(shù)轉(zhuǎn)化，）設(shè)備完成模數(shù)轉(zhuǎn)化，產(chǎn)生一個(gè)產(chǎn)生一個(gè)8位數(shù)字系列。編解碼器每秒鐘采樣位數(shù)字系列。編解碼器每秒鐘采樣8000次次（每次

14、采樣（每次采樣125um），使用），使用PCM（Pulse Code Modulation，脈沖編碼調(diào)制），脈沖編碼調(diào)制），PCM是現(xiàn)代電話系是現(xiàn)代電話系統(tǒng)的核心統(tǒng)的核心c)北美和日本的北美和日本的T1線路（線路（24條被復(fù)用在一起的語音信條被復(fù)用在一起的語音信道），每幀包含道），每幀包含248=192位，還有一位用于成幀，位，還有一位用于成幀，每每125um產(chǎn)生產(chǎn)生193位數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸率位數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸率1.544Mbpsd)其他國(guó)家的其他國(guó)家的E1線路（速率線路（速率2.048Mbps），）， 125um基基本幀中本幀中32個(gè)個(gè)8位數(shù)據(jù)采樣，位數(shù)據(jù)采樣，30條信道用于數(shù)據(jù)信息，條信道用于

15、數(shù)據(jù)信息，2條信道用于信令信息。條信道用于信令信息。4幀一組，共幀一組，共64個(gè)信令位。個(gè)信令位。Time Division MultiplexingThe T1 carrier (1.544 Mbps).編碼編碼a)語音信號(hào)數(shù)字化以后，系統(tǒng)試圖用統(tǒng)計(jì)技術(shù)減少每條語音信號(hào)數(shù)字化以后，系統(tǒng)試圖用統(tǒng)計(jì)技術(shù)減少每條信道所需要的位數(shù)。這種技術(shù)適用于編碼語音信號(hào)，信道所需要的位數(shù)。這種技術(shù)適用于編碼語音信號(hào)，也可以用于其他任何模擬信號(hào)的數(shù)字化處理也可以用于其他任何模擬信號(hào)的數(shù)字化處理b)所有壓縮方法依據(jù)的原理是：信號(hào)的變化相對(duì)于采樣所有壓縮方法依據(jù)的原理是：信號(hào)的變化相對(duì)于采樣頻率而言比較慢，所以頻率而

16、言比較慢，所以7位或位或8位數(shù)字級(jí)別中的大部分位數(shù)字級(jí)別中的大部分信息是多余的。信息是多余的。c)一些編碼方法（差分脈沖編碼調(diào)制、增量調(diào)制、預(yù)測(cè)一些編碼方法（差分脈沖編碼調(diào)制、增量調(diào)制、預(yù)測(cè)編碼等），這些方案降低了需要編碼的數(shù)值范圍，降編碼等），這些方案降低了需要編碼的數(shù)值范圍，降低了需要發(fā)送的位數(shù)低了需要發(fā)送的位數(shù)Time Division Multiplexing (2)Delta modulation.Time Division Multiplexing (3)Multiplexing T1 streams into higher carriers.復(fù)用復(fù)用a)TDM允許多個(gè)允許多個(gè)T1

17、被復(fù)用在一個(gè)更高階的線路中被復(fù)用在一個(gè)更高階的線路中b)4條條T1信道被復(fù)用到一條信道被復(fù)用到一條T2信道中信道中c)T2以及更高階的復(fù)用是按位完成的（以及更高階的復(fù)用是按位完成的（24條語音信道構(gòu)條語音信道構(gòu)成一個(gè)成一個(gè)T1幀是按字節(jié)完成的）幀是按字節(jié)完成的）d)復(fù)用時(shí)會(huì)有多出來的位，用于成幀或線路失去同步時(shí)復(fù)用時(shí)會(huì)有多出來的位，用于成幀或線路失去同步時(shí)用于恢復(fù)（例如用于恢復(fù)（例如4個(gè)個(gè)1.544Mbps的的T1流應(yīng)產(chǎn)生流應(yīng)產(chǎn)生6.176Mbps，但是，但是T2實(shí)際上是實(shí)際上是6.312Mbps）e)T1和和T3使用普遍，使用普遍，T2和和T4用于內(nèi)部（用于內(nèi)部（7個(gè)個(gè)T2流按位組流按位組合

18、，形成一個(gè)合，形成一個(gè)T3（44.736Mbps），），6個(gè)個(gè)T3流組合成一流組合成一個(gè)個(gè)T4（274.176Mbps）流）流）f)E1（2.048Mbps）、）、E2（8.448Mbps）、）、E3（34.368Mbps）、）、E4（139.264Mbps）、）、E5（565.148Mbps）SONET/SDHa) SDH（ Synchronous Digital Hierarchy同步數(shù)字系列）同步數(shù)字系列）b) SONET（Synchronous Optical Network同步光網(wǎng)絡(luò)）同步光網(wǎng)絡(luò)） （使用光纖的高級(jí)（使用光纖的高級(jí)TDM系統(tǒng)）系統(tǒng)） Time Division Mul

19、tiplexing (4)Two back-to-back SONET frames.Time Division Multiplexing (5)SONET and SDH multiplex rates.Circuit Switching(a) Circuit switching.(b) Packet switching.Message Switching(a) Circuit switching (b) Message switching (c) Packet switchingPacket SwitchingA comparison of circuit switched and pac

20、ket-switched networks.The Mobile Telephone SystemFirst-Generation Mobile Phones: Analog VoiceSecond-Generation Mobile Phones: Digital VoiceThird-Generation Mobile Phones:Digital Voice and DataAdvanced Mobile Phone System(a) Frequencies are not reused in adjacent cells.(b) To add more users, smaller

21、cells can be used.Channel CategoriesThe 832 channels are divided into four categories:Control (base to mobile) to manage the systemPaging (base to mobile) to alert users to calls for themAccess (bidirectional) for call setup and channel assignmentData (bidirectional) for voice, fax, or dataD-AMPS Di

22、gital Advanced Mobile Phone System(a) A D-AMPS channel with three users.(b) A D-AMPS channel with six users.GSMGlobal System for Mobile CommunicationsGSM uses 124 frequency channels, each of which uses an eight-slot TDM systemGSM (2)A portion of the GSM framing structure.CDMA Code Division Multiple

23、Access(a) Binary chip sequences for four stations(b) Bipolar chip sequences (c) Six examples of transmissions(d) Recovery of station Cs signalCDMAa)是第三代移動(dòng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)b)不是將整個(gè)可用的頻率范圍分成幾百條窄的信道，而是允許每個(gè)站都可以在整個(gè)頻段范圍內(nèi)發(fā)送信號(hào)，利用編碼技術(shù)可以將多個(gè)并發(fā)的傳輸過程分離開c)CDMA中每一位時(shí)間分成m個(gè)時(shí)間間隔，稱為時(shí)間片（chip），利用Walsh編碼產(chǎn)生正交時(shí)間片序列Third-Generation Mobile Phones:Digital Voice and DataBasic services an IMT-2000 network should provideHigh-quality voice transmissionMessaging (replace e-mail, fax, SMS, chat, etc.)Multimedia (music, videos, films, TV, etc.)Internet access (web surfing, w/multimedia.)斗爭(zhēng)中斗爭(zhēng)中a)WCDMA：可以與：可以與G