計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)-物理層-韓立剛老師課件

第2章物理層物理層涉及到的內(nèi)容網(wǎng)站計(jì)算機(jī)ARouterARouterDRouterERouterCRouterB網(wǎng)頁(yè)1234緩存123緩存網(wǎng)頁(yè)123CSMA/CD協(xié)議物理層數(shù)據(jù)鏈路層網(wǎng)絡(luò)層傳輸層應(yīng)用層層示表會(huì)話層物理層涉及到的知識(shí)點(diǎn)數(shù)字信號(hào)雙絞線同軸電纜光纖時(shí)分多路波分復(fù)用編碼方式模擬信號(hào)頻分多路復(fù)用碼分復(fù)用技術(shù)全雙工半雙工單工通信本章內(nèi)容2.1物理層的基本概念2.2數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)2.3信道和調(diào)制2.4傳輸技術(shù)2.5信道復(fù)用技術(shù)2.6寬帶接入技術(shù)2.1物理層的基本概念物理層定義了與傳輸媒體的接口有關(guān)的一些特性。機(jī)械特性電氣特性功能特性過程特性2.2數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)數(shù)據(jù)通信模型數(shù)據(jù)通信一些常用術(shù)語模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)2.2.1數(shù)據(jù)通信模型數(shù)字比特流數(shù)字比特流計(jì)算機(jī)A計(jì)算機(jī)B集線器或交換機(jī)數(shù)字比特流計(jì)算機(jī)A調(diào)制解調(diào)器模擬信號(hào)網(wǎng)線電話線數(shù)字比特流網(wǎng)線調(diào)制解調(diào)器計(jì)算機(jī)B網(wǎng)線網(wǎng)線頻分復(fù)用數(shù)字比特流計(jì)算機(jī)A光電轉(zhuǎn)換器光信號(hào)網(wǎng)線光纖線數(shù)字比特流網(wǎng)線計(jì)算機(jī)B波分復(fù)用光電轉(zhuǎn)換器局域網(wǎng)通信模型廣域網(wǎng)通信模型廣域網(wǎng)通信模型2.2.2數(shù)據(jù)通信一些常用術(shù)語信息（message）：通信的目的是傳送信息，如文字、圖像、視頻和音頻等都是消息。數(shù)據(jù)（date）：信息在傳輸之前需要進(jìn)行編碼，編碼后的信息就變成數(shù)據(jù)。信號(hào)（signal）：數(shù)據(jù)在通信線路上傳遞需要變成電信號(hào)或光信號(hào)。2.2.3模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)模擬信號(hào)或連續(xù)信號(hào)數(shù)字信號(hào)或離散信號(hào)數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)優(yōu)缺點(diǎn)模擬信號(hào)在傳輸過程中如果出現(xiàn)信號(hào)干擾發(fā)生波形發(fā)生變形，很難糾正數(shù)字信號(hào)波形失真可以修復(fù)2.3.4模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)2.3.4模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)采樣頻率和采樣精度決定音樂的品質(zhì)2.3信道和調(diào)制信道單工和半雙工以及全雙工通信調(diào)制信道極限容量2.3.1信道信道（Channel）是信息傳輸?shù)耐ǖ?，即信息進(jìn)行傳輸時(shí)所經(jīng)過的一條通路，信道的一端是發(fā)送端，另一端是接收端。一條傳輸介質(zhì)上可以有多條信道（多路復(fù)用）。2.3.2單工和半雙工以及全雙工通信單向通信又稱為單工通信，即信號(hào)只能向一個(gè)方向傳輸，任何時(shí)候都不能改變信號(hào)的傳送方向。無線電廣播或有線電視廣播就是單工通信，信號(hào)只能是廣播電臺(tái)發(fā)送，收音機(jī)接收。雙向交替通信又稱半雙工通信，信號(hào)可以雙向傳送，但是必須是交替進(jìn)行，一個(gè)時(shí)間只能向一個(gè)方向傳。有些對(duì)講機(jī)就是用半雙工通信，A端說話B端接聽，B端說話A端接聽，不能同時(shí)說和聽。雙向同時(shí)通信

又稱全雙工通信，即信號(hào)可以同時(shí)雙向傳送。比如我們手機(jī)打電話，聽和說可以同時(shí)進(jìn)行。2.3.3調(diào)制來自信源的信號(hào)通常稱為基帶信號(hào)（即基本頻帶信號(hào)）。調(diào)制可以分為兩大類。一類僅僅對(duì)基帶信號(hào)的波形進(jìn)行變換，使它能夠與信道特性相適應(yīng)。變化后的信號(hào)仍然是基帶信號(hào)，這類調(diào)制稱為基帶調(diào)制。由于這種基帶調(diào)制十八數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成另一種形式的數(shù)字信號(hào)，因此大家更愿意把這種過程稱為編碼（coding）另一類則需要使用載波（carrier）進(jìn)行調(diào)制，把基帶信號(hào)的頻率范圍搬移到較高的頻段以便在信道中傳輸，經(jīng)過載波調(diào)制后的信號(hào)稱為帶通信號(hào)（即僅在一段頻率范圍內(nèi)能夠通過信道），而使用載波的調(diào)制稱為帶通調(diào)制。2.3.3調(diào)制010011100基帶信號(hào)基帶調(diào)制（編碼）帶通調(diào)制調(diào)制調(diào)幅調(diào)頻調(diào)相不歸零制歸零制曼徹斯特編碼差分曼徹斯特編碼模擬信號(hào)數(shù)字信號(hào)2.3.3調(diào)制常用編碼方式010011100基帶信號(hào)基帶調(diào)制（編碼）帶通調(diào)制調(diào)制調(diào)幅調(diào)頻調(diào)相不歸零制歸零制曼徹斯特編碼差分曼徹斯特編碼模擬信號(hào)數(shù)字信號(hào)2.3.3調(diào)制常用帶通調(diào)制方法010011100基帶信號(hào)基帶調(diào)制（編碼）帶通調(diào)制調(diào)制調(diào)幅調(diào)頻調(diào)相不歸零制歸零制曼徹斯特編碼差分曼徹斯特編碼模擬信號(hào)數(shù)字信號(hào)2.3.4信道極限容量有失真但可識(shí)別失真太大無法識(shí)別2.3.4信道極限容量信道帶寬信道帶寬=能夠通過的最高頻率-最低頻率2.3.4信道極限容量模擬信號(hào)諧波成數(shù)字信號(hào)2.3.4信道極限容量數(shù)字信號(hào)高頻帶寬不能通過奈氏準(zhǔn)則（數(shù)字信號(hào)）在任何信道中，碼元傳輸?shù)乃俾适怯猩舷薜模駝t就會(huì)出現(xiàn)碼間串?dāng)_的問題，使接收端對(duì)碼元的判決（即識(shí)別）成為不可能。如果信道的頻帶越寬，也就是能夠通過的信號(hào)高頻分量越多，那么就可以使用更高速率傳遞碼元而不出現(xiàn)碼間串?dāng)_。理想低通信道的最高碼元傳輸速率=2WBaudW是理想低通信道的帶寬，單位為HZ。Baud是波特，是碼元傳輸速率的單位。使用奈氏準(zhǔn)則給出的公式，可以根據(jù)信道的帶寬，計(jì)算出碼元的最高傳輸速率。在碼元傳輸速率一定的情況下提高數(shù)據(jù)傳輸速率2.3.4信道極限容量香農(nóng)公式（適用于模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)）有噪聲的信道的極限信息傳輸速率C：C=Wlog2（1+S/N）

（b/s）式中，W為信道的帶寬（以Hz為單位）；S為信道內(nèi)所傳信號(hào)的平均功率；N為信道內(nèi)部的高斯噪聲功率信噪比所謂信噪比就是信號(hào)的平均功率和噪聲的平均功率之比，常記為S/N，并用分貝（dB）作為度量單位。即：信噪比（dB）=10log10（S/N）（dB）例如，當(dāng)S/N=10時(shí)，信噪比為10dB，而當(dāng)S/N=1000時(shí)，信噪比為30dB。2.4傳輸媒體導(dǎo)向傳輸媒體非引導(dǎo)型傳輸媒體2.4傳輸媒體導(dǎo)向傳輸媒體

雙絞線

2.4傳輸媒體導(dǎo)向傳輸媒體同軸電纜光纜

絕緣保護(hù)層外導(dǎo)體屏蔽層絕緣層內(nèi)導(dǎo)體2.4傳輸媒體光纖光線在光纖中折射光波在纖芯中的傳播2.4傳輸媒體單一模光纖的光源要使用昂貴的半導(dǎo)體激光器，而不能使用較便宜的發(fā)光二極管。但單模光纖的衰耗較小，在2.5Gb/s的高速率下可傳輸數(shù)十公里而不必采用中繼器。2.4傳輸媒體光纖不僅具有通信容量非常大的優(yōu)點(diǎn)，而且還具有其他的一些特點(diǎn)：傳輸損耗小，中繼距離長(zhǎng)，對(duì)遠(yuǎn)距離傳輸特別經(jīng)濟(jì)?？估纂姾碗姶鸥蓴_性能好。這在有大電流脈沖干擾的環(huán)境下尤為重要。無串音干擾，保密性好，也不易被竊聽或截取數(shù)據(jù)。體積小，重量輕。2.4.2非引導(dǎo)型傳輸媒體無線電頻段2.4.2非引導(dǎo)型傳輸媒體短波通信短波通信即高頻通信，主要是靠電離層的反射。微波通信微波在空間主要是直線傳播2.4.2非引導(dǎo)型傳輸媒體無線局域網(wǎng)要使用某一段無線電頻譜進(jìn)行通信，通常必須得到本國(guó)政府有關(guān)無線電頻譜管理機(jī)構(gòu)的許可證。但是，也有一些無線電頻段是可以自由使用的（只要不干擾他人在這個(gè)頻段中的通信），這正好滿足計(jì)算無線局域網(wǎng)的需求。2.5信道復(fù)用技術(shù)2.5.1頻分復(fù)用2.5.2時(shí)分復(fù)用2.5.3波分復(fù)用2.5.4碼分復(fù)用2.5.1頻分復(fù)用頻分復(fù)用FDM（FrequencyDivisionMultiplexing）適合于模擬信號(hào)。2.5.1頻分復(fù)用010011100調(diào)制010011100解調(diào)010011100010011100調(diào)制解調(diào)0011100100011100100011100100011100102.5.2時(shí)分復(fù)用數(shù)字信號(hào)的傳輸更多使用時(shí)分復(fù)用（TimeDivisionMultiplexing，TDM）技術(shù)。時(shí)分復(fù)用采用同一物理連接的不同時(shí)段來傳輸不同的信號(hào)，時(shí)分復(fù)用則是將時(shí)間劃分為一段段等長(zhǎng)的時(shí)分復(fù)用幀（TDM幀）。2.5.2時(shí)分復(fù)用時(shí)分復(fù)用2.5.3波分復(fù)用光纖技術(shù)的應(yīng)用使得數(shù)據(jù)的傳輸速率空前提高。目前一根單模光纖的傳輸速率可達(dá)到2.5Gb/s。再提高傳輸速率就比較困難了。為了提高光纖的傳輸信號(hào)的速率，也可以進(jìn)行頻分復(fù)用，由于光載波的頻率很高，因此習(xí)慣上用波長(zhǎng)而不用頻率來表示所使用的光載波。這樣就得出了波分復(fù)用這一名詞。2.5.4碼分復(fù)用碼分復(fù)用CDM（CodeDivisionMultiplexing）又稱碼分多址（CodeDivisionMultipleAccess，CDMA）。是擴(kuò)頻通信技術(shù)（數(shù)字技術(shù)的分支）上發(fā)展起來的一種嶄新而成熟的無線通信技術(shù)。2.5.4碼分復(fù)用

2.5.4碼分復(fù)用2.5.4碼分復(fù)用假如基站發(fā)送了碼片序列（00-2+20-20+2）。A手機(jī)的碼片序列為（-1-1-1+1+1-1+1+1）B手機(jī)碼片序列為（-1-1+1-1+1+1+1-1）C手機(jī)碼片序列為（-1+1-1+1+1+1-1-1）問這三個(gè)手機(jī)，分別收到了什么信號(hào)？2.6寬帶接入技術(shù)銅線接入技術(shù)（電話線接入Internet）光纖同軸混合網(wǎng)（HFC網(wǎng)）（有線電視同軸電纜）光纖接入技術(shù)（專門為小區(qū)居民鋪設(shè)光纜）移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)接入技術(shù)（手機(jī)）2.6.1銅線接入技術(shù)銅線寬帶接入技術(shù)也就是xDSL（各種類型DSL（DigitalSubscriberLine）數(shù)字用戶線路的總稱）技術(shù)，就是用數(shù)字技術(shù)對(duì)現(xiàn)有的模擬電話用戶線進(jìn)行改造，使它能夠承載寬帶業(yè)務(wù)。ADSL屬于DSL技術(shù)的一種，全稱AsymmetricDigitalSubscriberLine（非對(duì)稱數(shù)字用戶線路），亦可稱作非對(duì)稱數(shù)字用戶環(huán)路。是用數(shù)字技術(shù)對(duì)現(xiàn)有的模擬電話用戶線進(jìn)行改造，使其能夠承載帶寬數(shù)字業(yè)務(wù)。ADSL考慮了用戶訪問Internet的主要是獲取網(wǎng)絡(luò)資源，更多的下載流量，較少的上行流量，因此ADSL上行和下行帶寬設(shè)計(jì)成為不對(duì)稱。上行指從用戶到ISP，而下行指從ISP到用戶。2.6.1銅線接入技術(shù)ADSL信道2.6.1銅線接入技術(shù)基于ADSL的接入網(wǎng)的組成2.6.2光纖同軸混合網(wǎng)（HFC網(wǎng)）光纖同軸混合網(wǎng)（HFC網(wǎng)）在1988年被提出，HFC是HybridFiberCoax的縮寫。HFC網(wǎng)是在目前覆蓋面很廣的有線電視網(wǎng)CATV的基礎(chǔ)上開發(fā)的一種居民寬帶接入網(wǎng)。HFC網(wǎng)除可傳送CATV外，還提供電話、數(shù)據(jù)和其他寬帶交互型業(yè)務(wù)。同軸電纜光纖光纖結(jié)點(diǎn)頭端高帶寬光纖同軸電纜光纖500-2000戶25km2-3km2.6.3光纖接入技術(shù)從技術(shù)上講，光纖到戶FTTH（FiberToTheHome）應(yīng)當(dāng)是最好的選擇。所謂光纖到戶，就是把光纖一直鋪設(shè)到用戶家庭，在用戶的家中才把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，這樣用戶可以得到更高的上網(wǎng)速率。根據(jù)光纖到用戶的距離來分類，可分成光纖到小區(qū)（FiberToTheZone即FTTZ）、光纖到路邊（FiberToTheCurb即FTTC）、光纖到大樓（FiberToTheBuilding即FTTB