計算機(jī)物理層

主講教師：郭慧敏金城學(xué)院精品課程計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)金城學(xué)院精品課程第3章物理層目錄3.1物理層與物理層協(xié)議的基本概念數(shù)據(jù)通信的基本概念3.2頻帶傳輸技術(shù)3.3

基帶傳輸技術(shù)3.4

多路復(fù)用技術(shù)3.5目錄（續(xù)）3.6.

同步光纖網(wǎng)SONET

接入技術(shù)3.7本章學(xué)習(xí)要求：理解：物理層與物理層協(xié)議的基本概念。理解：數(shù)據(jù)通信的基本概念。掌握：傳輸介質(zhì)類型及主要特性。掌握：數(shù)據(jù)編碼的類型和基本方法。掌握：基帶傳輸與頻帶傳輸?shù)幕靖拍睢Ｕ莆眨憾嗦窂?fù)用技術(shù)的分類與特點(diǎn)。掌握：同步數(shù)字體系SDH的基本概念。掌握：接入技術(shù)的基本概念。53.1物理層與物理層協(xié)議的基本概念3.1.1物理層的基本服務(wù)功能

設(shè)置物理層的目的是：

屏蔽物理層所采用的傳輸介質(zhì)、通信設(shè)備與通信技術(shù)的差異性，使數(shù)據(jù)鏈路層只需要考慮如何使用物理層的服務(wù)，而不需要考慮物理層的功能具體是使用了哪種傳輸介質(zhì)、通信設(shè)備與技術(shù)實現(xiàn)的?！队嬎銠C(jī)網(wǎng)絡(luò)》第3章物理層63.1.2物理層協(xié)議的類型基于點(diǎn)—點(diǎn)通信線路的物理層協(xié)議基于廣播通信線路的物理層協(xié)議7

物理層協(xié)議的類型增加最快。本學(xué)期對物理層與數(shù)據(jù)鏈路層的處理方法：

第3章討論基于點(diǎn)—點(diǎn)通信線路的物理層協(xié)議與技術(shù)；

第4章討論基于點(diǎn)—點(diǎn)通信線路物理層協(xié)議的數(shù)據(jù)鏈路層問題。

第5章以局域網(wǎng)、城域網(wǎng)與無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為背景，討論基于廣播信道的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議與標(biāo)準(zhǔn)。

討論

3.1.3物理層向數(shù)據(jù)鏈路層提供的服務(wù)圖示：點(diǎn)—點(diǎn)通信線路的物理層比特流傳輸過程93.2數(shù)據(jù)通信的基本概念3.2.1信息、數(shù)據(jù)與信號信息、數(shù)據(jù)與信號的基本概念103.2.2數(shù)據(jù)通信方式圖示：計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中兩臺主機(jī)通信過程111）數(shù)據(jù)傳輸類型模擬信號與數(shù)字信號波形12串行通信與并行通信13單工、半雙工與全雙工通信142）同步技術(shù)同步傳輸異步傳輸153.2.3傳輸介質(zhì)的主要類型與特性

雙絞線的主要特性16同軸電纜的主要特性17光纖的主要特性

圖示：光纖結(jié)構(gòu)與傳輸原理18典型的光纖傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)多模光纖與單模光纖的比較19光纜結(jié)構(gòu)203.2.4數(shù)據(jù)編碼分類213.3頻帶傳輸技術(shù)3.3.1頻帶傳輸技術(shù)的應(yīng)用223.3.2波特率的定義波特率的定義調(diào)制速率描述通過模擬線路傳輸模擬數(shù)據(jù)信號傳輸過程中，從調(diào)制解調(diào)器輸出的調(diào)制信號每秒鐘載波調(diào)制狀態(tài)改變的數(shù)值，單位是1/s，稱為波特（baud）。調(diào)制速率也稱為波特率。波特率描述的是碼元傳輸?shù)乃俾?。比特率的定義數(shù)據(jù)傳輸速率描述在計算機(jī)通信中每秒傳送的構(gòu)成代碼的二進(jìn)制比特數(shù)，單位是bps。23波特率與比特率的關(guān)系比特率S（單位為bps）與調(diào)制速率B（單位為baud）之間關(guān)系可以表示為：

S=B·log2k

式中k為多相調(diào)制的相數(shù)。log2k值表示一次調(diào)制狀態(tài)的變化傳輸?shù)亩M(jìn)制比特數(shù)。24波特率與比特率的關(guān)系

調(diào)制速率（baud）

多相調(diào)制的相數(shù)log2k值

數(shù)據(jù)傳輸速率（bps）

2400

QPSK-2（k=2）

1

2400

2400

QPSK-4（k=4）

2

4800

2400

QPSK-8（k=8）

3

7200

2400

QPSK-16（k=16）

4

9600253.4基帶傳輸技術(shù)3.4.1基帶傳輸?shù)亩x在數(shù)據(jù)通信中，表示計算機(jī)二進(jìn)制的比特序列的數(shù)字信號是典型的矩形脈沖信號。人們將矩形脈沖信號稱為基本信號。在數(shù)字信道上直接傳送基帶信號的方法稱為基帶傳輸。263.4.2數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)編碼方法273.4.3脈沖編碼調(diào)制方法PCM技術(shù)的典型應(yīng)用是語音信號的數(shù)字化。28脈沖編碼調(diào)制的工作過程：采樣、量化與編碼29圖示：調(diào)制器、曼徹斯特編碼器與PCM編碼器的比較303.4.4比特率的定義數(shù)據(jù)傳輸速率在數(shù)值上，等于每秒鐘傳輸?shù)亩M(jìn)制比特數(shù)，單位為比特/秒，記做bps。對于二進(jìn)制數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸速率為：S=1/T（bps）其中，T為發(fā)送每個比特所需要的時間。在實際應(yīng)用中常用的數(shù)據(jù)傳輸速率單位：

311Mbps=1×106bps1Gbps=1×109bps1Tbps=1×1012bps3.4.5奈奎斯特準(zhǔn)則與香農(nóng)定理

奈奎斯特準(zhǔn)則的基本內(nèi)容：如果表示碼元的窄脈沖信號以時間間隔為π/ω（ω=2πf）通過理想通信信道，則前后碼元之間不產(chǎn)生相互串?dāng)_。根據(jù)奈奎斯特準(zhǔn)則，二進(jìn)制數(shù)據(jù)信號的最大數(shù)據(jù)傳輸速率Rmax與理想信道帶寬B（單位Hz）的關(guān)系可以寫為：

32Rmax=2·B（bps）香農(nóng)定理的基本內(nèi)容奈奎斯特定理描述了有限帶寬、無噪聲的理想信道的最大傳輸速率與信道帶寬的關(guān)系。香農(nóng)定理則描述了有限帶寬、有隨機(jī)熱噪聲信道的最大傳輸速率與信道帶寬、信號噪聲功率比之間的關(guān)系。香農(nóng)定理指出：在有隨機(jī)熱噪聲的信道中傳輸數(shù)據(jù)信號時，傳輸速率Rmax與信道帶寬B、信噪比S/N的關(guān)系為：

式中，Rmax單位為bps，帶寬B單位為Hz。33Rmax=B·log2（1+S/N）3.5多路復(fù)用技術(shù)3.5.1多路復(fù)用的基本概念34多路復(fù)用技術(shù)的分類時分多路復(fù)用（TDM）頻分多路復(fù)用（FDM）波分多路復(fù)用（WDM）碼分多址（CDMA）35頻率時間BCDBCDBCDBCDAAAAA在

TDM

幀中的位置不變TDM幀TDM幀TDM幀TDM幀…TDM幀3.5.2時分多路復(fù)用:頻率時間CDCDCDAAAABBBBCDB在

TDM

幀中的位置不變TDM幀TDM幀TDM幀TDM幀…TDM幀頻率時間BDBDBDAAAABCCCCDC在

TDM

幀中的位置不變TDM幀TDM幀TDM幀TDM幀…TDM幀頻率時間BCBCBCAAAABCDDDDD在TDM幀中的位置不變TDM幀TDM幀TDM幀TDM幀…TDM幀時分復(fù)用可能會造成線路資源的浪費(fèi)

aabbcdbcattttt4個時分復(fù)用幀#1④③②①acbcd時分復(fù)用#2#3#4使用時分復(fù)用系統(tǒng)傳送計算機(jī)數(shù)據(jù)時，由于計算機(jī)數(shù)據(jù)的突發(fā)性質(zhì)，用戶對分配到的子信道的利用率一般是不高的。

統(tǒng)計時分復(fù)用STDM

用戶ABCDabcdttttt3個STDM幀#1④③②①acbabbcacd#2#3統(tǒng)計時分復(fù)用3.5.3頻分復(fù)用FDM

頻分復(fù)用的所有用戶在同樣的時間占用不同的帶寬資源（請注意，這里的“帶寬”是頻率帶寬而不是數(shù)據(jù)的發(fā)送速率）。

頻率時間頻率1頻率2頻率3頻率4頻率5

DEMUX

MUX

共享的傳輸信道載波頻率f1調(diào)制調(diào)制載波頻率fn載波頻率f1解調(diào)解調(diào)載波頻率fnf將不同頻率的載波信號合成在一起使用一組濾波器分解出不同頻率的載波信號頻分多路復(fù)用舉例1廣播電臺節(jié)目的發(fā)送與接收頻分多路復(fù)用分路器(帶通濾波器)信號發(fā)射信號接收常見廣播電臺使用的載波頻率中波900KHz(南京經(jīng)濟(jì)臺)■

中波1008KHz(南京新聞臺)頻分多路復(fù)用舉例2電視節(jié)目的發(fā)送與接收頻道載波頻率(MHz)頻道載波頻率(MHz)頻道載波頻率(MHz)187.755123.259230.25295.75

6206.2510238.253103.757214.2511246.254115.258222.2512254.25多路復(fù)用器解調(diào)器在天空中傳輸?shù)碾姶挪娨曅盘柊l(fā)射器電視信號接收器電視節(jié)目調(diào)制器載波1電視圖像及其伴音調(diào)制器載波2電視圖像及其伴音調(diào)制器載波n電視圖像及其伴音電視調(diào)諧器(分路器)3.5.4波分多路復(fù)用46

1550nm01551nm11552nm21553nm31554nm41555nm51556nm61557nm71550nm1551nm1552nm1553nm1554nm1555nm1556nm1557nm波分復(fù)用就是光的頻分復(fù)用82.5Gb/s原來每個光載波的波長均為1310nm20Gb/s復(fù)用器分用器EDFA120km光調(diào)制器光解調(diào)器摻鉺光纖放大器圖示：1310/8-通道CWDM模塊

CWDM是一種面向城域網(wǎng)接入層的低成本W(wǎng)DM傳輸技術(shù)；稀疏波分復(fù)用器，也稱粗波分復(fù)用器3.6同步光纖網(wǎng)SONET與同步數(shù)字體系SDH3.6.1SONET與SDH的基本概念早期時分多路復(fù)用（TDM）設(shè)備是專用的，并且各個運(yùn)營商的TDM標(biāo)準(zhǔn)不同。1985年美國貝爾實驗室首先提出了同步光纖網(wǎng)（SONET）的概念，解決光接口標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范問題。ITU-T在SONET的基礎(chǔ)上制定同步數(shù)字體系：（SDH）標(biāo)準(zhǔn)SDH標(biāo)準(zhǔn)不僅適用于光纖傳輸系統(tǒng)，也適用于微波與衛(wèi)星傳輸體系。493.6.2基本速率標(biāo)準(zhǔn)的制定

T1載波速率

50T1=（193/125）×106=1.544（Mbps）E1載波速率E1標(biāo)準(zhǔn)是CCITT標(biāo)準(zhǔn)，它將30路數(shù)字語音信道和2路控制信道復(fù)用在一條通信線路。每個信道在一幀中插入8bit數(shù)據(jù)，這樣一幀要傳送的數(shù)據(jù)共（30+2）×8=256（bit）。傳送一幀的時間為125μs。則E1載波的數(shù)據(jù)傳輸速率為：

E1=（256/125）×106=2.048（Mbps）513.6.3SDH速率體系52SDH速率體系OC定義的是光纖上傳輸?shù)墓庑盘査俾?。STS定義的是數(shù)字電路接口的電信號傳輸速率。STM標(biāo)準(zhǔn)是電話主干線路的數(shù)字信號速率標(biāo)準(zhǔn)。53OC、STS與STM速率對應(yīng)關(guān)系傳輸速率（Mbps）OC級STS級STM級51.840OC-1STS-1155.520OC-3STS-3STM-1466.560OC-9STS-9622.080OC-12STS-12STM-4933.120OC-18STS-181244.160OC-24STS-24STM-81866.240OC-36STS-36STM-122483.320OC-48STS-48STM-169953.280OC-192STS-192STM-64543.7接入技術(shù)3.7.1接入技術(shù)的基本概念接入技術(shù)的類型55接入技術(shù)分類563.7.2ADSL接入技術(shù)《計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)》第3章物理層57ADSL帶寬分配583.7.3HFC接入技術(shù)59HFC接入工作原理60HFC下行信道與上行信道頻段的劃分

HFC上行信道與下行信道