四網絡物理層市公開課獲獎課件

1、計算機網絡第 2 章 物理層(2)第1頁第1頁第 2 章 物理層(2) 2.3 物理層下面?zhèn)鞑ッ襟w2.3.1 導向傳播媒體2.3.2 非導向傳播媒體*2.4 信道復用技術 2.5.1 頻分復用、時分復用和統(tǒng)計時分復用 2.5.2 波分復用 2.5.3 碼分復用*2.5 數字傳播系統(tǒng)第2頁第2頁2.3 物理層下面?zhèn)鞑ッ襟w無線電微波紅外線可見光紫外線X射線射線雙絞線同軸電纜衛(wèi)星地面微波 調幅無線電 調頻無線電 海事無線電光纖電視(Hz)f (Hz)fLFMFHFVHFUHFSHFEHFTHF波段104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014 101

2、5 1016100 102 104 106 108 1010 1012 1014 1016 1018 1020 1022 1024 移動無線電 電信領域使用電磁波頻譜第3頁第3頁區(qū)別與聯(lián)系：帶寬與頻率頻率：物質在1秒內完畢周期性改變次數叫做頻率 。帶寬（模擬）能夠理解成信號傳播頻率上下限之間距離 一條模擬線路可接受500HZ 到HZ頻率，它帶寬就是1500HZ思考：為何基帶信號不適合用于在信道上傳播？低頻分量、直流分量帶寬（數字）能夠理解成通信線路所能傳送數據能力，帶寬事實上就是信道最高數據傳播率第4頁第4頁 傳播媒體與分類傳播媒體/媒介/介質：它是數據傳播系統(tǒng)中在發(fā)送器和接受器之間物理通路。

3、分類導向傳播媒體：固體媒體非導向傳播媒體：自由空間第5頁第5頁數據傳播與傳播媒體數據傳播質量除了與傳播信號類型、收發(fā)器設備特性相關，還與傳播媒體本身特性相關著：物理特性傳播特性地理特性抗干擾性價格第6頁第6頁2.3.1 導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7頁第7頁1.雙絞線定義由兩根互相絕緣金屬（銅）導線并排放在一起，用規(guī)則辦法絞合起來就構成了雙絞線。用處 可用于傳播數字信號與模擬信號，其通信距離為幾至幾十公里，可用于局域網、城

4、域網構建特性金屬越粗，其傳播距離也越遠衰減隨頻率升高而增大使用更大和更準確絞合度，可取得更高帶寬第8頁第8頁局域網慣用是三類線和五類線依據雙絞線類型，那么在進行網絡布線時候，布線方式也不同，但一個網絡中只能采取一個布線方式。分為UTP和STP兩種第9頁第9頁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體屏蔽層絕緣層絕緣保護套層內導體無屏蔽雙絞線 UTP屏蔽雙絞線 STP同軸電纜第10頁第10頁同軸電纜特點：抗干擾、噪聲能力強用處普通用于有限電視網帶寬取決于電纜質量分為50歐姆（數字傳播）與75歐姆（模擬傳播）兩種第11頁第11頁光纜光纖通信：利用光導纖維來傳遞光脈沖進行通信

5、。特點：帶寬非常大傳播損耗小，中繼距離長抗雷電和電磁干擾好無串音干擾，保密性好體積小重量輕進行中繼時，光纖需要準確連接，光電接口貴第12頁第12頁光線在光纖中折射 折射角入射角 包層（低折射率媒體） 包層（低折射率媒體） 纖芯（高折射率媒體） 包層纖芯第13頁第13頁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14頁第14頁光纖分類多模光纖：能夠存在許多條不同角度入射光線在一條光纖中傳輸單模光纖：光纖直徑只有一個光波長，使得光纖就像一根波導那樣，可使光纖一直向前傳輸，不會產生多次反射。小思考：二者誰性能會更加好？第15頁第15頁輸入脈沖輸出脈沖單模光纖多模光

6、纖與單模光纖輸入脈沖輸出脈沖多模光纖第16頁第16頁2.3.2 非導向傳播媒體 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17頁第17頁（1）地面微波通信微波：頻率在100MHZ10GHz信號微波通信主要特點是：只能在視距內進行傳播。長處：波段頻率高、信道容量大、抗干擾能力強、設備投資小、可跨越山區(qū)等缺點：受氣候印象大，相鄰站必須直視、無障礙物；隱蔽性和保密性差，中繼站使用和維護需要花費資源第18頁第18頁（2）衛(wèi)星通信原理：在地球站之間人造衛(wèi)星作為中繼器地面微波通信。特點：通信距離遠、通信費用與通信距離

7、無關，含有微波通信二分之一特點。缺點：比較大傳播時延；衛(wèi)星數量有限。第19頁第19頁2.4 信道復用技術概念復習：基本調制辦法調幅(AM)：載波振幅隨基帶數字信號而改變。 調頻(FM)：載波頻率隨基帶數字信號而改變。調相(PM) ：載波初始相位隨基帶數字信號而改變。 第20頁第20頁對基帶數字信號幾種調制辦法 010011100基帶信號調幅調頻調相第21頁第21頁信道復用技術為何要研究復用技術？復用技術原理：發(fā)送方將多個用戶數據通過復用器進行匯集并將匯集后數據通過一條物理線路傳播到接受方，接受方通過度離器將數據分離成各個單獨數據，然后分發(fā)給接受方多個用戶。慣用信道復用技術：頻分復用、時分復用和

8、統(tǒng)計時分復用、波分復用和碼分復用第22頁第22頁2.4.1 頻分復用、時分復用和統(tǒng)計時分復用 (1) 頻分復用 頻率時間頻率 1頻率 2頻率 3頻率 4頻率 5其將信道可用頻帶分成多個不相交頻段，每個用戶占其中一個頻段，接受時用適當濾波器分別進行解調接受第23頁第23頁第24頁第24頁主要問題頻分多路復用系統(tǒng)中主要問題是各路信號之間互相串擾。 處理辦法： 1.同時需要合理地選擇載波頻率 2.并在各路頻帶之間留有一定保護間隔 3.使用BPF與LPF 第25頁第25頁(2) 時分復用 為了有效地利用傳播線路，可將多個話路信號用時分復用 TDM (Time Division Multiplexing

9、)辦法裝成時分復用幀，然后發(fā)送到線路上。時分復用是將信道使用時間分割成周期性幀，每一幀再分割成若干個時隙（無論幀或時隙都是互不重疊），再依據一定期隙分派原則，使各個用戶在每幀內只能在指定期隙使用信道發(fā)送數據第26頁第26頁時分復用 頻率時間BCDBCDBCDBCDAAAA在 TDM 幀中位置不變TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀第27頁第27頁時分復用 頻率時間CDCDCDAAAABBBBCD在 TDM 幀中位置不變TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀第28頁第28頁時分復用 頻率時間BDBDBDAAAABCCCCD在 TDM 幀中位置不變TDM 幀TDM 幀TD

10、M 幀TDM 幀TDM 幀第29頁第29頁時分復用 頻率時間BCBCBCAAAABCDDDD在 TDM 幀中位置不變TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀第30頁第30頁時分復用注意問題對比頻分復用（FDM）：全部用戶在一樣時間占用不同帶寬資源。時分復用(TDM)：全部用戶在不同時間占用一樣頻帶寬度。存在問題同時問題復用后信道利用率不高 第31頁第31頁時分復用也許會造成線路資源浪費 ABCDaabbcdbcattttt4 個時分復用幀#1acbcd時分復用#2#3#4用戶第32頁第32頁統(tǒng)計時分復用 STDM是一個改進時分復用，能夠提升信道利用率原理：是把公共信道時隙實行“按需分

11、派”，即只對那些需要傳送信息或正在工作終端才分派給時隙，這樣就使所有時隙都能得到使用，提升了媒質利用率，第33頁第33頁統(tǒng)計時分復用 STDM 用戶ABCDabcdttttt3 個 STDM 幀#1acbabbcacd#2#3統(tǒng)計時分復用第34頁第34頁 1550 nm 0 1551 nm 1 1552 nm 2 1553 nm 3 1554 nm 4 1555 nm 5 1556 nm 6 1557 nm 70 1550 nm 1 1551 nm 2 1552 nm 3 1553 nm 4 1554 nm 5 1555 nm 6 1556 nm 7 1557 nm 2.4.2 波分復用 WD

12、M 波分復用就是光頻分復用。 8 2.5 Gb/s1310 nm20 Gb/s復用器分用器EDFA120 km第35頁第35頁2.4.3 碼分復用 CDM 慣用名詞是碼分多址 CDMA (Code Division Multiple Access)。各用戶使用經過特殊挑選不同碼型，因此彼此不會造成干擾。這種系統(tǒng)發(fā)送信號有很強抗干擾能力，其頻譜類似于白噪聲，不易被敵人發(fā)覺。 第36頁第36頁碼片序列(chip sequence) 每一個比特時間劃分為 m 個短間隔，稱為碼片(chip)。每個站被指派一個惟一 m bit 碼片序列。如發(fā)送比特 1，則發(fā)送自己 m bit 碼片序列。如發(fā)送比特 0，

13、則發(fā)送該碼片序列二進制反碼。 比如，S 站 8 bit 碼片序列是 00011011。發(fā)送比特 1 時，就發(fā)送序列 00011011，發(fā)送比特 0 時，就發(fā)送序列 11100100。S 站碼片序列：(1 1 1 +1 +1 1 +1 +1) 第37頁第37頁碼片序列正交關系 CDMA 主要特點:每個站分派碼片序列不但必須各不相同，而且還必須相互正交(orthogonal)。令向量 S 表示站 S 碼片向量，令 T 表示其它任何站碼片向量。兩個不同站碼片序列正交，就是向量 S 和T 規(guī)格化內積(inner product)都是 0： (2-4)第38頁第38頁碼片序列正交關系舉例 令向量 S 為

14、(1 1 1 +1 +1 1 +1 +1)，向量 T 為(1 1 +1 1 +1 +1 +1 1)。 把向量 S 和 T 各分量值代入(2-4)式就可看出這兩個碼片序列是正交。 第39頁第39頁正交關系另一個主要特性 任何一個碼片向量和該碼片向量自己規(guī)格化內積都是1 。一個碼片向量和該碼片反碼向量規(guī)格化內積值是 1。 第40頁第40頁CDMA 工作原理 S 站碼片序列 S110ttttttm 個碼片tS 站發(fā)送信號 SxT 站發(fā)送信號 Tx總發(fā)送信號 Sx + Tx規(guī)格化內積 S Sx規(guī)格化內積 S Tx數據碼元比特發(fā)送端接收端第41頁第41頁接受方假如要接受S數據第42頁第42頁CDMA問題S原本數據率為b p/s,在CDMA中需要提升到m b p/s，這通過擴頻來實現(xiàn)如何確保每個節(jié)點發(fā)送其碼片序列同時？GPS第43頁第43頁作業(yè)：2-11，2-12，2-16第44頁第44頁2.5數字傳播系統(tǒng) 現(xiàn)在數字傳播系統(tǒng)均采用脈碼調制 PCM (Pulse Code Modulation)體制。 采樣周期 Tt信號t采樣1001001111000010t編碼t解碼t還原第45頁第45頁PCM脈沖編碼調制PCM：是把模擬信號變換為數字信號一個調制方式，其最大特點是把連續(xù)輸入模擬信號變換為在時域和振幅上都離散量，然后將其轉化