計算機網(wǎng)絡課件-物理層21

第2章物理層2.1物理層的基本概念2.2數(shù)據(jù)通信的基礎知識

2.2.1數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的模型

2.2.2有關信道的幾個基本概念

2.2.3信道的極限容量第一頁，共66頁。第一頁，共66頁。物理層的定義物理層提供機械的、電氣的、功能的和規(guī)程的特性，目的是啟動、維護和關閉數(shù)據(jù)鏈路實體之間進行比特傳輸?shù)奈锢磉B接。這種連接可能通過中繼系統(tǒng)，在中繼系統(tǒng)內(nèi)的傳輸也是在物理層的。第二頁，共66頁。第二頁，共66頁。物理層的功能在兩個網(wǎng)絡設備之間提供透明的比特流傳輸。第三頁，共66頁。第三頁，共66頁。物理層的主要任務描述為確定與傳輸媒體的接口的一些特性，即：機械特性指明接口所用接線器的形狀和尺寸、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的各條線上出現(xiàn)的電壓的范圍。功能特性指明某條線上出現(xiàn)的某一電平的電壓表示何種意義。過程特性指明對于不同功能的各種可能事件的出現(xiàn)順序。第四頁，共66頁。第四頁，共66頁。2.2數(shù)據(jù)通信的基礎知識2.2.1數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的模型2.2.2有關信道的幾個基本概念2.2.3信道的極限容量第五頁，共66頁。第五頁，共66頁。2.2.1數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的模型

傳輸系統(tǒng)輸入信息輸入數(shù)據(jù)發(fā)送的信號接收的信號輸出數(shù)據(jù)源點終點發(fā)送器接收器調制解調器PC機公用電話網(wǎng)調制解調器數(shù)字比特流數(shù)字比特流模擬信號模擬信號輸入漢字顯示漢字數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)源系統(tǒng)目的系統(tǒng)傳輸系統(tǒng)輸出信息PC機第六頁，共66頁。第六頁，共66頁。

2.2.2有關信道的幾個基本概念信號數(shù)據(jù)傳輸類型通信方式同步方式調制方法第七頁，共66頁。第七頁，共66頁。2.2.3信道的極限容量香農(nóng)公式信道的極限信息傳輸速率C可表達為

C=Wlog2(1+S/N)b/sW為信道的帶寬（以Hz為單位）；S為信道內(nèi)所傳信號的平均功率；N為信道內(nèi)部的高斯噪聲功率。第八頁，共66頁。第八頁，共66頁。信噪比S/N為信噪比。由于實際使用的信道的信噪比都要足夠大,故常表示成10log10(S/N),以分貝(dB)為單位來計量。信噪比為30dB，則S/N＝1000。30＝10log10(S/N)3＝log10(S/N),103＝

S/N第九頁，共66頁。第九頁，共66頁。2.3物理層下面的傳輸媒體2.3.1導向傳輸媒體2.3.2非導向傳輸媒體第十頁，共66頁。第十頁，共66頁。2.3物理層下面的傳輸媒體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104105106107108109101010111012101310141015101610010210410610810101012101410161018102010221024移動無線電電信領域使用的電磁波的頻譜第十一頁，共66頁。第十一頁，共66頁。傳輸介質傳輸介質可以分為有線和無線傳輸介質在有線介質中，電磁波沿著物理通路呈導向性傳播無線介質可以傳播電磁波，但并不為它們導向有線介質有：雙絞線、同軸電纜、光纖等無線介質一般指自由空間（大氣、真空）第十二頁，共66頁。第十二頁，共66頁。2.3.1導向傳輸媒體雙絞線屏蔽雙絞線STP(ShieldedTwistedPair)無屏蔽雙絞線UTP(UnshieldedTwistedPair)

同軸電纜50

同軸電纜75

同軸電纜光纜第十三頁，共66頁。第十三頁，共66頁。非屏蔽雙絞線（UTP）由4對雙絞線和一層塑料護套構成完全依靠雙絞線對產(chǎn)生的消除效果來限制由電磁干擾和無線電頻率干擾而引起的信號退化EIA/TIA為非屏蔽雙絞線定義了六種不同的質量類別，常用的有3類（CAT-3）、5類（CAT-5）、超5類（CAT-5e）和6類（CAT-6）優(yōu)點：1、容易安裝且比其它類型的網(wǎng)絡介質便宜；2、尺寸較小，節(jié)省空間；缺點：1、易受電磁信號干擾；2、傳輸距離短第十四頁，共66頁。第十四頁，共66頁。非屏蔽雙絞線（UTP）第十五頁，共66頁。第十五頁，共66頁。屏蔽雙絞線（STP）屏蔽雙絞線結合了屏蔽技術和消除技術4對線纜全由金屬薄片包圍著優(yōu)點：屏蔽雙絞線能對所有類型的外界干擾更有效地進行阻止缺點：在安裝費用和難度方面，它比非屏蔽雙絞線要昂貴和更困難第十六頁，共66頁。第十六頁，共66頁。屏蔽雙絞線（STP）第十七頁，共66頁。第十七頁，共66頁。同軸電纜結構：內(nèi)導體、絕緣材料、外導體（屏蔽層）、保護套基帶同軸電纜(50)、寬帶同軸電纜(75)粗纜連接距離長，可靠性高但安裝難度大，造價高細纜安裝較簡單，造價也低，但需切斷電纜安裝網(wǎng)絡連接頭BNC，當接頭多時容易產(chǎn)生接觸不良的現(xiàn)象外導體屏蔽層絕緣層絕緣保護套層內(nèi)導體第十八頁，共66頁。第十八頁，共66頁。同軸電纜的連接器T型連接頭BNC連接器終端匹配電阻

T型連接頭BNC連接器終端匹配電阻第十九頁，共66頁。第十九頁，共66頁。光纖光纖（opticalfiber）即光導纖維。利用光導纖維作為光的傳輸介質，以光波為信號載體的光纖通信。優(yōu)點：抗電磁干擾能力強低損耗高傳輸速率缺點：費用高不易安裝和維護質地脆易斷裂，機械性能差第二十頁，共66頁。第二十頁，共66頁。光纖的結構纖芯：具有高折射率的純玻璃包層：具有較低折射率的玻璃或塑料制成護套：塑料制成的保護套第二十一頁，共66頁。第二十一頁，共66頁。光線在光纖中的折射折射角入射角包層（低折射率的媒體）包層（低折射率的媒體）纖芯（高折射率的媒體）包層纖芯第二十二頁，共66頁。第二十二頁，共66頁。光纖的工作原理高折射率(纖芯)低折射率(包層)光線在纖芯中傳輸?shù)姆绞绞遣粩嗟厝瓷涞诙摚?6頁。第二十三頁，共66頁。光纖模式類型多模光纖不同的光線以不同的反射角傳播，可以認為每一束光線有一個不同的模式特點：存在色散現(xiàn)象，適于中短距離中小容量的通信單模光纖光纖的直徑被減小到一個光波波長大小，光在其中沒有反射，而是沿直線傳播特點：傳輸距離遠；衰減??；傳輸速率高；但價格昂貴；適于大容量遠距離通信第二十四頁，共66頁。第二十四頁，共66頁。輸入脈沖輸出脈沖單模光纖多模光纖與單模光纖輸入脈沖輸出脈沖多模光纖第二十五頁，共66頁。第二十五頁，共66頁。光纖傳輸系統(tǒng)光源：LED(發(fā)光二極管)ILD(注入式激光二極管)光檢測器：光電二極管(PIN)雪崩光電二極管(APD)第二十六頁，共66頁。第二十六頁，共66頁。LED與ILD比較LEDILD數(shù)據(jù)速率低高模式多模多模或單模傳輸距離短長使用壽命長短工作溫度范圍較寬較窄造價低高第二十七頁，共66頁。第二十七頁，共66頁。2.3.2非導向傳輸媒體自由空間傳輸方式無線電波（全向）地面微波（定向）衛(wèi)星微波（定向）紅外傳輸（定向）激光（定向）第二十八頁，共66頁。第二十八頁，共66頁。無線局域網(wǎng)使用的ISM頻段

2683.5125頻帶MHzMHzMHz頻率9029282.42.48355.7255.850MHzMHzGHzGHzGHzGHz第二十九頁，共66頁。第二十九頁，共66頁。第2章物理層（續(xù)）2.4信道復用技術

2.4.1頻分復用、時分復用和統(tǒng)計時分復用

2.4.2波分復用

2.4.3碼分復用2.5數(shù)字傳輸系統(tǒng)2.6寬帶接入技術

2.6.1xDSL技術

2.6.2光纖同軸混合網(wǎng)（HFC網(wǎng)）

2.6.3FTTx技術第三十頁，共66頁。第三十頁，共66頁。2.4信道復用技術2.4.1頻分復用、時分復用和統(tǒng)計時分復用2.4.2波分復用2.4.3碼分復用第三十一頁，共66頁。第三十一頁，共66頁。復用技術復用(multiplexing)是通信技術中的基本概念。+()+A1A2B1B2C1C2A1A2B1B2C1C2共享信道(a)使用單獨的信道(b)使用共享信道復用分用第三十二頁，共66頁。第三十二頁，共66頁。頻分復用FDM

(FrequencyDivisionMultiplexing)用戶在分配到一定的頻帶后，在通信過程中自始至終都占用這個頻帶。頻分復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第三十三頁，共66頁。第三十三頁，共66頁。時分復用TDM

(TimeDivisionMultiplexing)時分復用則是將時間劃分為一段段等長的時分復用幀（TDM幀）。每一個時分復用的用戶在每一個TDM幀中占用固定序號的時隙。每一個用戶所占用的時隙是周期性地出現(xiàn)（其周期就是TDM幀的長度）。TDM信號也稱為等時(isochronous)信號。時分復用的所有用戶是在不同的時間占用同樣的頻帶寬度。第三十四頁，共66頁。第三十四頁，共66頁。時分復用頻率時間BCDBCDBCDBCDAAAAA在

TDM

幀中的位置不變TDM幀TDM幀TDM幀TDM幀…TDM幀第三十五頁，共66頁。第三十五頁，共66頁。時分復用頻率時間CDCDCDAAAABBBBCDB在

TDM

幀中的位置不變TDM幀TDM幀TDM幀TDM幀…TDM幀第三十六頁，共66頁。第三十六頁，共66頁。時分復用頻率時間BDBDBDAAAABCCCCDC在

TDM

幀中的位置不變TDM幀TDM幀TDM幀TDM幀…TDM幀第三十七頁，共66頁。第三十七頁，共66頁。時分復用頻率時間BCBCBCAAAABCDDDDD在TDM幀中的位置不變TDM幀TDM幀TDM幀TDM幀…TDM幀第三十八頁，共66頁。第三十八頁，共66頁。時分復用可能會造成

線路資源的浪費ABCDaabbcdbcattttt4個時分復用幀#1④③②①acbcd時分復用#2#3#4用戶使用時分復用系統(tǒng)傳送計算機數(shù)據(jù)時，由于計算機數(shù)據(jù)的突發(fā)性質，用戶對分配到的子信道的利用率一般是不高的。第三十九頁，共66頁。第三十九頁，共66頁。統(tǒng)計時分復用

STDM

(StatisticTDM)用戶ABCDabcdttttt3個STDM幀#1④③②①acbabbcacd#2#3統(tǒng)計時分復用集中器第四十頁，共66頁。第四十頁，共66頁。

1550nm01551nm11552nm21553nm31554nm41555nm51556nm61557nm701550nm11551nm21552nm31553nm41554nm51555nm61556nm71557nm波分復用WDM

(WavelengthDivisionMultiplexing)

波分復用就是光的頻分復用。82.5Gb/s1310nm20Gb/s復用器分用器摻餌光纖放大器EDFA120km光調制器光解調器82.5Gb/s1310nm第四十一頁，共66頁。第四十一頁，共66頁。2.4.3碼分復用CDM

(CodeDivisionMultiplexing)

常用的名詞是碼分多址

CDMA(CodeDivisionMultipleAccess)。各用戶使用經(jīng)過特殊挑選的不同碼型，因此彼此不會造成干擾。這種系統(tǒng)發(fā)送的信號有很強的抗干擾能力，其頻譜類似于白噪聲，不易被敵人發(fā)現(xiàn)。每一個比特時間劃分為m個短的間隔，稱為碼片(chip)。第四十二頁，共66頁。第四十二頁，共66頁。碼片序列(chipsequence)每個站被指派一個唯一的mbit碼片序列。如發(fā)送比特1，則發(fā)送自己的mbit碼片序列。如發(fā)送比特0，則發(fā)送該碼片序列的二進制反碼。

例如，S站的8bit碼片序列是。發(fā)送比特1時，就發(fā)送序列，發(fā)送比特0時，就發(fā)送序列。S站的碼片序列：(–1–1–1+1+1–1+1+1)第四十三頁，共66頁。第四十三頁，共66頁。CDMA的重要特點每個站分配的碼片序列不僅必須各不相同，并且還必須互相正交(orthogonal)。在實用的系統(tǒng)中是使用偽隨機碼序列。第四十四頁，共66頁。第四十四頁，共66頁。碼片序列的正交關系令向量S表示站S的碼片向量，令T表示其他任何站的碼片向量。兩個不同站的碼片序列正交，就是向量S和T的規(guī)格化內(nèi)積(innerproduct)都是0：(2-3)第四十五頁，共66頁。第四十五頁，共66頁。碼片序列的正交關系舉例令向量S為(–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的各分量值代入(2-3)式就可看出這兩個碼片序列是正交的。第四十六頁，共66頁。第四十六頁，共66頁。任何一個碼片向量和該碼片向量自己的規(guī)格化內(nèi)積都是1。一個碼片向量和該碼片反碼的向量的規(guī)格化內(nèi)積值是–1。例：向量S為(–1–1–1+1+1–1+1+1)。則：S*S＝1S*－S＝－1正交關系的另一個重要特性第四十七頁，共66頁。第四十七頁，共66頁。CDMA的工作原理S站的碼片序列S110ttttttm

個碼片tS站發(fā)送的信號SxT站發(fā)送的信號Tx總的發(fā)送信號Sx+Tx規(guī)格化內(nèi)積S

Sx規(guī)格化內(nèi)積S

Tx數(shù)據(jù)碼元比特發(fā)送端接收端第四十八頁，共66頁。第四十八頁，共66頁。例共有四個站進行碼分多址CDMA通信，四個站的碼片序列為：A:（-1-1-1+1+1-1+1+1）B:（-1-1+1-1+1+1+1-1）C:（-1+1-1+1+1+1-1-1）D:（-1+1-1-1-1-1+1-1）現(xiàn)收到這樣的碼片序列（-1+1-3+1-1-3+1+1）問哪個站發(fā)送數(shù)據(jù)了？發(fā)送的是1還是0？第四十九頁，共66頁。第四十九頁，共66頁。解S·A=（＋1－1＋3＋1－1＋3＋1＋1）／8=1，S·B=（＋1－1－3－1－1－3＋1－1）／8=－1，S·C=（＋1＋1＋3＋1－1－3－1－1）／8=0，S·D=（＋1＋1＋3－1＋1＋3＋1－1）／8=1，A發(fā)送1B發(fā)送0C無發(fā)送D發(fā)送1第五十頁，共66頁。第五十頁，共66頁。2.5數(shù)字傳輸系統(tǒng)脈碼調制的基本概念脈碼調制PCM體制同步光纖網(wǎng)SONET和同步數(shù)字系列SDH第五十一頁，共66頁。第五十一頁，共66頁。脈碼調制為了將模擬電話信號轉變?yōu)閿?shù)字信號，必須對電話信號進行取樣。即每隔一定的時間間隔，取模擬信號的當前值作為樣本。該樣本代表了模擬信號在某一時刻的瞬時值。一系列連續(xù)的樣本可用來代表模擬信號在某一區(qū)間隨時間變化的值。取樣的頻率可根據(jù)奈氏取樣定理確定。奈氏取樣定理表述為，只要取樣頻率大于模擬信號最高頻率的2倍，則可以用得到的樣本空間恢復原來的模擬信號。即第五十二頁，共66頁。第五十二頁，共66頁。脈碼調制PCM的基本原理（a）模擬電話信號（b）取樣后的脈沖信號（c）編碼后的數(shù)字信號（d）解碼后的脈沖信號（e）恢復后的模擬電話信號

第五十三頁，共66頁。第五十三頁，共66頁。數(shù)字數(shù)據(jù)信號編碼基帶傳輸中采用的編碼方式常用的有以下3種：不歸零編碼NRZ曼切斯特編碼差分曼切斯特編碼

第五十四頁，共66頁。第五十四頁，共66頁。不歸零編碼NRZ規(guī)定用負電平表示“0”，用正電平表示“1”。為保證收發(fā)正確，必須另外傳送時鐘同步信號，如果“1”與“0”個數(shù)不相等時，存在直流分量，增大了損耗。第五十五頁，共66頁。第五十五頁，共66頁。曼切斯特編碼發(fā)送“0”時，前一半時間為低電平，后一半時間為高電平。發(fā)送“1”時，前一半時間為高電平，后一半時間為低電平。中間的跳變作為同步信號。曼氏編碼不含直流分量，但編碼效率較低。第五十六頁，共66頁。第五十六頁，共66頁。差分曼切斯特編碼是對曼氏編碼的改進。每比特的中間跳變僅做同步用。每比特的值根據(jù)其開始邊界是否發(fā)生跳變決定。發(fā)生跳變表示“0”，不發(fā)生跳變表示“1”。第五十七頁，共66頁。第五十七頁，共66頁。編碼示意圖第五十八頁，共66頁。第五十八頁，共66頁。脈碼調制PCM體制

脈碼調制PCM體制最初是為了在電話局之間的中繼線上傳送多路的電話。由于歷史上的原因，PCM有兩個互不兼容的國際標準，即北美的24路PCM（簡稱為T1）和歐洲的30路PCM（簡稱為E1）。我國采用的是歐洲的E1標準。E1的速率是2.048Mb/s，而T1的速率是1.544Mb/s。當需要有更高的數(shù)據(jù)率時，可采用復用的方法。第五十九頁，共66頁。第五十九頁，共66頁。E1標準E1的時分復用幀長度T=0.125us有32個時隙每個時隙傳送8b