計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò) 物理層市公開課獲獎(jiǎng)?wù)n件

1、課件制作人：謝希仁計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)（第 5 版）第 2 章 物理層第1頁第1頁課件制作人：謝希仁第 2 章 物理層2.1 物理層基本概念2.2 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)知識2.2.1 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)模型2.2.2 相關(guān)信道幾種基本概念2.2.3 信道極限容量2.2.4 信道極限信息傳播速率2.3 物理層下面?zhèn)鞑ッ襟w2.3.1 導(dǎo)向傳播媒體2.3.2 非導(dǎo)向傳播媒體第2頁第2頁課件制作人：謝希仁第 2 章 物理層（續(xù)）2.4 信道復(fù)用技術(shù) 2.4.1 頻分復(fù)用、時(shí)分復(fù)用和統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用 2.4.2 波分復(fù)用 2.4.3 碼分復(fù)用2.5 數(shù)字傳播系統(tǒng)2.6 寬帶接入技術(shù) 2.6.1 xDSL技術(shù) 2.6.2 光纖同軸混

2、合網(wǎng)（HFC 網(wǎng)） 2.6.3 FTTx 技術(shù)第3頁第3頁課件制作人：謝希仁2.1 物理層基本概念 物理層主要任務(wù)描述為確定與傳輸媒體接口一些特性，即： 機(jī)械特性 指明接口所用接線器形狀和尺寸、引線數(shù)目和排列、固定和鎖定裝置等等。電氣特性 指明在接口電纜各條線上出現(xiàn)電壓范圍。功效特性 指明某條線上出現(xiàn)某一電平電壓表示何種意義。過程特性 指明對于不同功效各種可能事件出現(xiàn)次序。 第4頁第4頁課件制作人：謝希仁2.2 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)知識2.2.1 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)模型 傳播系統(tǒng)輸入信息輸入數(shù)據(jù)發(fā)送信號接受信號輸出數(shù)據(jù)源點(diǎn)終點(diǎn)發(fā)送器接受器調(diào)制解調(diào)器PC 機(jī)公用電話網(wǎng)調(diào)制解調(diào)器數(shù)字比特流數(shù)字比特流模擬信號模擬

3、信號 輸入中文顯示中文數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)源系統(tǒng)目系統(tǒng)傳播系統(tǒng)輸出信息PC 機(jī)第5頁第5頁課件制作人：謝希仁幾種術(shù)語數(shù)據(jù)(data)運(yùn)送消息實(shí)體。信號(signal)數(shù)據(jù)電氣或電磁表現(xiàn)。 “模擬”(analogous)代表消息參數(shù)取值是連續(xù)。 “數(shù)字”(digital)代表消息參數(shù)取值是離散。 第6頁第6頁課件制作人：謝希仁 2.2.2 相關(guān)信號幾種基本概念單向通信（單工通信）只能有一個(gè)方向通信而沒有反方向交互。雙向交替通信（半雙工通信）通信雙方都能夠發(fā)送信息，但不能雙方同時(shí)發(fā)送(當(dāng)然也就不能同時(shí)接受)。雙向同時(shí)通信（全雙工通信）通信雙方能夠同時(shí)發(fā)送和接受信息。 第7頁第7頁傳播模式并行傳播：由1和0

4、構(gòu)成二進(jìn)制數(shù)據(jù)，能夠組織為n位分組，能夠同時(shí)傳播一組比特，每個(gè)比特使用單獨(dú)一條線路，這些線路通常困扎在一條電纜里。經(jīng)常使用在兩個(gè)短距離設(shè)備之間（PC和打印機(jī)、CPU和存儲模塊）串行傳播：只使用一條線路，逐一逐一傳送所有比特，比較廉價(jià)，用于長距離也較可靠，速度較慢。通信基本概念與術(shù)語01010110并行傳播01010110串行傳播第8頁第8頁并行傳播在長距離上沒有優(yōu)勢長距離使用多條線路要比一條線路昂貴長距離傳播要求較粗導(dǎo)線（減少信號衰減），將它們捆綁在一條電纜里難度過高。短距離傳播各線路比特幾乎同時(shí)到達(dá)，距離過長時(shí)，各線路到達(dá)時(shí)間不一致，接受困難。串行與并行相比優(yōu)勢是串行只有一個(gè)通信信道，開銷為

5、并行1/n，速度過慢?！氨娙耸安窕鹧娓摺?？通信基本概念與術(shù)語第9頁第9頁異步傳播：比特被劃分為小組獨(dú)立傳送，發(fā)送方能夠在任何時(shí)刻發(fā)送這些比特組（比如：敲擊鍵盤，每敲擊一個(gè)字符等于傳播8比特ASCII，停止一下，再敲擊一個(gè)字符）。存在一個(gè)潛在問題：接受方并不知道數(shù)據(jù)會在什么時(shí)候到達(dá)，當(dāng)它檢測到數(shù)據(jù)并作出響應(yīng)，第一個(gè)比特也許已經(jīng)發(fā)送完畢（比如：當(dāng)身邊一個(gè)人忽然發(fā)言，你也許聽不見前面幾種字）因此，每次異步傳播都以一個(gè)開始位開頭，告知接受方開始接受，同樣以一個(gè)結(jié)束位結(jié)束，表示停止接受通信基本概念與術(shù)語第10頁第10頁發(fā)送方輸入數(shù)字321，按照擴(kuò)展ASCII表示，傳播信號應(yīng)當(dāng)是什么？00110001-相

6、應(yīng)數(shù)字100110010-相應(yīng)數(shù)字200110011-相應(yīng)數(shù)字3通信基本概念與術(shù)語111001100010100110001100011000開始位結(jié)束位相應(yīng)3開始位結(jié)束位相應(yīng)1開始位結(jié)束位相應(yīng)2第11頁第11頁同時(shí)傳播：它不是獨(dú)立發(fā)送每個(gè)字符（每個(gè)字符都有自己開始位和結(jié)束位），而是將它們組合起來一起發(fā)送（組合多少字符也要看設(shè)備緩存大?。?，我們稱這些組合為數(shù)據(jù)幀。同時(shí)傳播比異步傳播要快諸多，接受方不必對每個(gè)字符進(jìn)行開始和停止操作，相對開銷減少諸多。通信基本概念與術(shù)語并行設(shè)備串行設(shè)備IEEE1284USBPATA（IDE）Serial ATAPCIPCI-E常見并行串行接口第12頁第12頁課件制

7、作人：謝希仁幾種最基本調(diào)制辦法 基帶信號往往包括有較多低頻成份，甚至有直流成份，而許多信道并不能傳播這種低頻分量或直流分量。為了處理這一問題，就必須對基帶信號進(jìn)行調(diào)制(modulation)。 最基本二元制調(diào)制辦法有下列幾種：調(diào)幅(AM)：載波振幅隨基帶數(shù)字信號而改變。 調(diào)頻(FM)：載波頻率隨基帶數(shù)字信號而改變。調(diào)相(PM) ：載波初始相位隨基帶數(shù)字信號而改變。 第13頁第13頁課件制作人：謝希仁對基帶數(shù)字信號幾種調(diào)制辦法 010011100基帶信號調(diào)幅調(diào)頻調(diào)相第14頁第14頁 數(shù)字調(diào)制技術(shù)在數(shù)字調(diào)制中，能夠利用數(shù)字信號離散取值特點(diǎn)，由數(shù)字電路開關(guān)，象撥鍵同樣來控制振幅、頻率或相位改變。因而

8、在數(shù)據(jù)通信中調(diào)幅、調(diào)頻和調(diào)相常相應(yīng)地稱為幅移鍵控ASK(Amplitude Shift Keying)、頻移鍵控FSK(Frequency Shift Keying)和相移鍵控PSK(Phase Shift Keying)。下圖給出了用數(shù)字電路開關(guān)來實(shí)現(xiàn)FSK調(diào)制原理圖。 S(t)=Asin(2ft+)第15頁第15頁數(shù)字調(diào)制技術(shù)0101幅移鍵控（ASK）比特率 = 波特率 X 比特?cái)?shù)其中：比特?cái)?shù)=log2N（N表示狀態(tài)數(shù)）一個(gè)波形相應(yīng)一個(gè)狀態(tài)0或者1第16頁第16頁數(shù)字調(diào)制技術(shù)0101比特率 = 波特率 X 比特?cái)?shù)其中：比特?cái)?shù)=log2N（N表示狀態(tài)數(shù)）頻移鍵控（FSK）一個(gè)波形相應(yīng)一個(gè)狀態(tài)

9、0或者1第17頁第17頁數(shù)字調(diào)制技術(shù)0101比特率 = 波特率 X 比特?cái)?shù)其中：比特?cái)?shù)=log2N（N表示狀態(tài)數(shù)）相移鍵控（PSK）一個(gè)波形相應(yīng)一個(gè)狀態(tài)0或者1第18頁第18頁數(shù)字調(diào)制技術(shù)星座圖 4 - PSK比特相位000o0190o10180o11270o00011011第19頁第19頁數(shù)字調(diào)制技術(shù)比特相位0000o00145o01090o011135o100180o101225o110270o111315o星座圖 8 - PSK第20頁第20頁課件制作人：謝希仁信道能夠通過頻率范圍1924 年，奈奎斯特(Nyquist)就推導(dǎo)出了著名奈氏準(zhǔn)則。他給出了在假定抱負(fù)條件下，為了避免碼間串?dāng)_，

10、碼元傳播速率上限值。在任何信道中，碼元傳播速率是有上限，不然就會出現(xiàn)碼間串?dāng)_問題，使接受端對碼元判決（即辨認(rèn)）成為不也許。假如信道頻帶越寬，也就是能夠通過信號高頻分量越多，那么就能夠用更高速率傳送碼元而不出現(xiàn)碼間串?dāng)_。 第21頁第21頁課件制作人：謝希仁(2) 信噪比 香農(nóng)(Shannon)用信息論理論推導(dǎo)出了帶寬受限且有高斯白噪聲干擾信道極限、無差錯(cuò)信息傳播速率。信道極限信息傳播速率 C 可表示為 C = W log2(1+S/N) b/s W 為信道帶寬（以 Hz 為單位）；S 為信道內(nèi)所傳信號平均功率；N 為信道內(nèi)部高斯噪聲功率。 第22頁第22頁課件制作人：謝希仁香農(nóng)公式表明 信道帶寬

11、或信道中信噪比越大，則信息極限傳播速率就越高。 只要信息傳播速率低于信道極限信息傳播速率，就一定能夠找到某種辦法來實(shí)現(xiàn)無差錯(cuò)傳播。 若信道帶寬 W 或信噪比 S/N 沒有上限（當(dāng)然實(shí)際信道不也許是這樣），則信道極限信息傳播速率 C 也就沒有上限。實(shí)際信道上能夠達(dá)到信息傳播速率要比香農(nóng)極限傳播速率低不少。 第23頁第23頁課件制作人：謝希仁2.3.1 導(dǎo)向傳播媒體雙絞線屏蔽雙絞線 STP (Shielded Twisted Pair)無屏蔽雙絞線 UTP (Unshielded Twisted Pair) 同軸電纜50 同軸電纜75 同軸電纜光纜 第24頁第24頁T568A白綠、綠、白橙、藍(lán)、白

12、藍(lán)、橙、白棕、棕 T568B白橙、橙、白綠、藍(lán)、白藍(lán)、綠、白棕、棕 雙絞線(twisted pair)第25頁第25頁水晶頭第26頁第26頁568A / 568B第27頁第27頁壓線鉗第28頁第28頁第29頁第29頁第30頁第30頁第31頁第31頁第32頁第32頁第33頁第33頁第34頁第34頁第35頁第35頁第36頁第36頁第37頁第37頁第38頁第38頁課件制作人：謝希仁各種電纜銅線銅線聚氯乙烯 套層聚氯乙烯套層屏蔽層絕緣層絕緣層外導(dǎo)體屏蔽層絕緣層絕緣保護(hù)套層內(nèi)導(dǎo)體無屏蔽雙絞線 UTP屏蔽雙絞線 STP同軸電纜第39頁第39頁課件制作人：謝希仁光線在光纖中折射 折射角入射角 包層（低折射率

13、媒體） 包層（低折射率媒體） 纖芯（高折射率媒體） 包層纖芯第40頁第40頁當(dāng)入射角不斷增大時(shí)，就出現(xiàn)一個(gè)新現(xiàn)象，這時(shí)就沒有光再折射出去了。從光源開始進(jìn)入光纖，光線所有在光纖內(nèi)部進(jìn)行反射。光導(dǎo)纖維電纜（optical fiber）第41頁第41頁課件制作人：謝希仁光纖工作原理高折射率(纖芯)低折射率(包層)光線在纖芯中傳播方式是不斷地全反射第42頁第42頁 光導(dǎo)纖維電纜（optical fiber）第43頁第43頁課件制作人：謝希仁2.3.2 非導(dǎo)向傳播媒體 無線傳播所使用頻段很廣。短波通信主要是靠電離層反射，但短波信道通信質(zhì)量較差。微波在空間主要是直線傳播。 地面微波接力通信衛(wèi)星通信 第44

14、頁第44頁課件制作人：謝希仁共享信道2.4 信道復(fù)用技術(shù)2.4.1 頻分復(fù)用、時(shí)分復(fù)用和統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用 復(fù)用(multiplexing)是通信技術(shù)中基本概念。 信道A1A2B1B2C1C2信道信道A1A2B1B2C1C2復(fù)用分用(a) 不使用復(fù)用技術(shù)(b) 使用復(fù)用技術(shù)第45頁第45頁 多路復(fù)用技術(shù)多路復(fù)用：技術(shù)就是把許多信號在單一傳輸線路和用單一傳輸設(shè)備來進(jìn)行傳輸技術(shù)。 多路復(fù)用技術(shù)又分為以下三眾形式：頻分多路復(fù)用FDM（Frequency Division Multiplexing）經(jīng)過為多個(gè)信道分派互不重合頻率范圍方式實(shí)現(xiàn)多路復(fù)用，更適合于模擬數(shù)字信號傳輸。時(shí)分多路復(fù)用TDM（Time D

15、ivision Multiplexing）經(jīng)過為多個(gè)信道分派互不重合時(shí)間片方式實(shí)現(xiàn)多路復(fù)用，更適合于數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)信號傳輸。波分多路復(fù)用WDM（Wavelength Division Multiplexing）光纖通道技術(shù)采取了波長分割多路復(fù)使用方法，實(shí)際上它也是頻分多路復(fù)用一個(gè)。在光學(xué)系統(tǒng)中利用光柵實(shí)現(xiàn)多路不同頻率光波信號合成和分離。第46頁第46頁頻分多路復(fù)用（FDM-Frequency Division Multiplexing）應(yīng)用:無線電廣播,電視特點(diǎn):信號被劃分成若干通道(頻道,波段),每個(gè)通道獨(dú)立進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞多路復(fù)用技術(shù)第47頁第47頁多路復(fù)用技術(shù)假定一個(gè)語音通道占用帶寬是4Khz，要

16、將三個(gè)語音通道合并成一條寬帶為12Khz（20Khz32Khz）鏈路，試分析多路復(fù)用過程及分離過程。沒有考慮防護(hù)頻帶0 4K0 4K0 4K20K 24K24K 28K28K 32K+平移合并第48頁第48頁時(shí)分多路復(fù)用（TDM-Time Division Multiplexing） 特點(diǎn)：多條低速線路輪流使用同一條高速線路進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞應(yīng)用：電話主干線路多路復(fù)用技術(shù)第49頁第49頁課件制作人：謝希仁2.6 寬帶接入技術(shù)2.6.1 xDSL技術(shù)xDSL 技術(shù)就是用數(shù)字技術(shù)對現(xiàn)有模擬電話用戶線進(jìn)行改造，使它能夠承載寬帶業(yè)務(wù)。即使標(biāo)準(zhǔn)模擬電話信號頻帶被限制在 3003400 Hz 范圍內(nèi)，但用戶線本

17、身實(shí)際可經(jīng)過信號頻率依然超出 1 MHz。xDSL 技術(shù)就把 04 kHz 低端頻譜留給傳統(tǒng)電話使用，而把原來沒有被利用高端頻譜留給用戶上網(wǎng)使用。DSL 就是數(shù)字用戶線(Digital Subscriber Line)縮寫。而 DSL 前綴 x 則表示在數(shù)字用戶線上實(shí)現(xiàn)不同寬帶方案。 第50頁第50頁課件制作人：謝希仁xDSL 幾種類型 ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line)：非對稱數(shù)字用戶線HDSL (High speed DSL)：高速數(shù)字用戶線SDSL (Single-line DSL)：1 對線數(shù)字用戶線VDSL (Very high spe

18、ed DSL)：甚高速數(shù)字用戶線DSL ：ISDN 用戶線。RADSL (Rate-Adaptive DSL)：速率自適應(yīng) DSL，是 ADSL 一個(gè)子集，可自動調(diào)整線路速率）。 第51頁第51頁課件制作人：謝希仁ADSL 特點(diǎn)上行和下行帶寬做成不對稱。上行指從用戶到 ISP，而下行指從 ISP 到用戶。ADSL 在用戶線（銅線）兩端各安裝一個(gè) ADSL 調(diào)制解調(diào)器。我國當(dāng)前采用方案是離散多音調(diào) DMT (Discrete Multi-Tone)調(diào)制技術(shù)。這里“多音調(diào)”就是“多載波”或“多子信道”意思。第52頁第52頁課件制作人：謝希仁DMT 技術(shù)DMT 調(diào)制技術(shù)采取頻分復(fù)用方法，把 40 kHz 以上一直到 1.1 MHz 高端頻譜劃分為許多子信道，其中 25 個(gè)子信道用于上行信道，而 249 個(gè)子信道用于下行信道。每個(gè)子信道占據(jù) 4 kHz 帶寬（嚴(yán)格講是 4.3125 kHz），并使用不同載波（即不同音調(diào)）進(jìn)行數(shù)字