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第二章 物理层,主要内容,物理层的基本概念； 数据通信理论基础（阅读）； 导向传输介质； 无线传输；,物理层的基本概念,物理层的主要任务：确定与传输媒体接口的一些特性，即 （1）机械特性，指明接口所用接线器的形状和尺寸、引脚数和排列、固定与锁定装置。 （2）电气特性，在接口电缆上的哪条线上出现的电压范围。 （3）功能特性，指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义。 （4）规程特性，各种可能事件的出现顺序。,物理层下面的传输媒体,传输媒体包括： （1）有导向传输媒体，电磁波被导向沿着固体媒体传输； （2）非导向传输媒体，无线传输，媒体是自由空间。,导向传输媒体,磁介质 将数据写到磁带上或其它可擦除介质，用物理方法将磁带运送到目标机器上，再将数据读出来。,双绞线,双绞线 把两根相互绝缘的铜导线（典型直径1mm）并排放在一起，然后用规则的方法绞合起来就形成了双绞线。既可以用于传输模拟信号也可以用于传输数字信号。带宽取决于铜导线的直径及传输距离。 非屏蔽双绞线（UTP）： （1）3类双绞线， （2）5类双绞线，与3类相比拧得更紧，传输距离更远。 屏蔽双绞线STP：在双绞线外面加了一个屏蔽层，IBM20世纪80年代推出，并未流行。,双绞线,(a) Category 3 UTP. (b) Category 5 UTP.,同轴电缆,同轴电缆以硬铜线为芯，外包一层绝缘体材料，这层绝缘体材料还用密织的网状导体环绕（屏蔽作用），网外有覆盖一层保护性材料。比双绞线有更好的屏蔽性。连接器为T形头。 （1）50同轴电缆，用于数字基带信号的传输； （2）75同轴电缆，用于模拟传输系统。,同轴电缆,A coaxial cable.,光纤,光纤，光导纤维。 利用光导纤维传递光脉冲，即光纤通信。有光脉冲表示比特“1”，无光脉冲表示比特“0”。 一个光纤传输系统有三个关键部件：光源、传输介质和检测器。 （1）多模光纤 （2）单模光纤,光纤原理,光缆,电磁波谱和它在通信中的作用,非导向传输媒体,目前可以利用的频段有： （1）无线电传输 （2）微波传输 （3）红外线和毫米波 （4）光波传输 它们都可以通过调节波的振幅、频率和相位来传输信息。,无线电传输,（1）在VLF，LF，MF波段，无线电沿着地面传播，在这些波段无线电能容易地穿透建筑物，通信的主要问题是带宽较低。 （2）在HF 和VHF波段（短波），地表电磁波被地球吸收，但到达电离层会被电离层反射回地面，可以依此进行通信。通信质量较差，低速传播。 （3）在微波频率范围。由于频率较高，主要是直线传播，并且会穿透电离层进入宇宙空间。,无线传输,(a)在VLF，LF，MF波段，无线电沿着地面传播 (b)在HF 和VHF波段，地表电磁波到达电离层会被电离层反射回地面,微波,地面微波接力通信。 微波在空间是直线传播，地表示曲面，因此远距离（50km以上）传输必须借助微波塔。在两个终端间建立若干中继站，中继站把前一站送来的信号经过放大在发送给下一站，称为“接力”。 特点：微波频率高、频段范围宽，因此信道容量很大；传输质量高（工业干扰、天电干扰的主要频率成分比微波低很多）；投资少见效快；易受恶劣天气影响；保密性隐蔽性差。,卫星通信,卫星通信，人造地球同步卫星作为中继站的一种微波接力通信。 在地球赤道上空的同步轨道上等距离放置颗相距度的卫星即可实现全球通信。,公共交换电话网,传统的电话系统是分级交换的，目前分为两级，在下面一级的是本地网，本地网上面的是省的交换中心，而各省的交换中心组成全连通的网络。 电话系统的主要部件构成： （）本地回路（双绞线进入家庭或业务部门，模拟信号） （）干线（通过光纤将交换局连接起来，数字信号） （）交换局（电话呼叫从一条干线接入到另一条干线）,本地回路（调制解调器）,要在本地回路的模拟信道上传输数字信号，必须进行调制将模拟信号转换成适合于数字信道传输的形式。因为： （）衰减。指信号在传播过程中的能量损失，事实是能量损失的数量根频率有关，而数字基带信号往往包含各种频率成分，这会导致在接收端得到的是一个完全不同的频谱。 （）延迟畸变。不同的傅立叶分量在线路上的传播速度也不相同，这种速度差异会导致接收端的信号畸变。 （）噪声。由线路中电子的随机热运动产生，不可避免。,模拟与数字传输系统共存,调制解调器,调幅，用两种不同的振幅分别代表“”和“”。 调频（移频键控），用两种不同频率载波分别代表“”和“”。 调相（移相键控），载波初始相位随数字基带信号的变化而变化。 差分移相键控。 所有的高级调制都组合使用了这几种基本调制技术，以便在每个码元中传输尽可能多的位，如多进制振幅和相位混合调制。 调制解调器，接受一个位序列作为输入，并产生一个经过以上一种或多种方法调制的载波输出（或输入输出正好相反），这种设备称为调制解调器。,调制解调器的速率,9.6kbps (每码元个数据位和个奇偶校验位，采样速率2400波特） 14.4kbps, V.32（每码元个数据位和个奇偶校验位，采样速率2400波特） 28.8kbps, V.34（每码元12个数据位和个奇偶校验位，采样速率2400波特) 33.6kbps(每码元1个数据位和个奇偶校验位，采样速率2400波特) 56kbps, V.90,数字用户线路（）,ADSL非对称数字用户线路。 调制解调器速率低的原因：电话系统主要是用来承载语音业务，因此在端局的终结点上有一个滤波器把所有300Hz以下3400Hz以上的频率滤掉了，即本地回路的全部承载能力并没有被充分利用。 XDSL工作原理：（）订购该项服务的用户的线路在进入端局时被连接到另一种不同的交换机上，该交换机上没有滤波器，可以充分发挥本地回路的全部承载能力。 （）将本地回路上可供使用的频谱分成三段：、上行数据流和下行数据流，一般情况下下行数据分配的带宽占到80%到90%（即非对称的），标准是：允许的下行速度是8M,上行速度是1M。实际上达不到。,ADSL信道划分,将本地回路的1.1MHz的频谱分成条独立信道，每条信道大约4kHz，信道用于POTS，信道1至5没有使用，在剩下的条信道中一条用于上行控制，一条用于下行控制，其他用作数据。 每一条信道的内部使用的调制方案类似于V.34的标准。 ADSL调制解调器实际上是一个数字信号处理器，相当于一组250QAM调制解调器，在不同频率上并行工作。,ADSL的设备配置,无线本地回路,无线本地回路，使用毫米波。 IEEE802.16, 无线MAN。,干线和多路复用,多路复用：能够使得在同一条物理干线上尽可能地并发传输多个会话。 频分多路复用，频谱被分成频段，每个用户可以拥有其中一个。（要求模拟电路，且不适合由计算机来完成） 波分复用，光的频分复用（最初8条信道，每条2.5Gbps）。密集破分复用（200条信道）。 时分多路复用，按时间划分信道，用户轮流（循环法）使用整个带宽，每次仅用一小段时间。统计时分复用。（可以完全由数字电路来处理，但只能用于数字数据，本地回路是模拟的，所以在端局要有模拟到数字的转换（采样、量化、编码），PCM脉冲编码调制，差分脉冲编码调制，简单增量调制。,模拟到数字的转换,（）采样，采样频率k波特，采样周期125us。 （2）量化 （3）编码， E1采用位编码 脉冲编码调制 T1北美 欧洲（我国） 另外一种方法是增量调制。,Time Division Multiplexing,The T1 carrier (1.544 Mbps).,Time Division Multiplexing (3),Multiplexing T1 streams into higher carriers.,SONET和SDH,前边介绍的数字传输系统的缺点： （）速率标准不统一，T1，E1.日本在高次群又有自己的标准，不标准化国际范围的高速传输就很难实现。 （）不是同步传输。,两个背靠背的SONET frames,SONET and SDH multiplex rates,.,码分复用,码分复用：每个用户在同样的时间使用同样的频带通信，但各用户使用的是经过特殊挑选的不同码型。 特点：信号抗干扰能力强，频谱类似白噪声不易被敌手发现。,原理,码片：在中，将每一比特时间再划分为个短的时间间隔，称为码片。 每个用户分配一个唯一的比特码片序列，且各用户的码片序列相互正交。用户发“”则发它自己的比特码片序列；发“”则发它自己比特码片序列的二进制反码。例如：用户的码片序列为00011011(或-1-1-1+1+1-1+1+1)，则 发“”时，发00011011(或-1-1-1+1+1-1+1+1)； 发“”时，发11100100(或+1+1+1-1-1+1-1-1)。,原理,因此，当A站发数据，B站接收A站的数据，则B事先知道A的码片序列。B使用A的码片向量与接收到的未知信号进行求内积，内积结果为“”说明A发的是比特“”；内积结果为“”说明A发的是比特“”。,原理,例如：,交换,电路交换：开始正式信息传输之前，先由用户呼叫，一直等到在收发之间建立起一条适当的物理路径 （如图），用户才开始进行信息传输，在信息传输期间，该信道一直为通信双方所占用，通话结束后才释放线路，在全部的通话时间内，两用户始终占用端到端的固定传输带宽。 特点：（1）所占用的是一条相对固定而又临时的通信信道，（固定）在整个通信过程中独占该条信道，全部信息均经过该条固定不变的路径，（临时）一旦通信结束、链路拆除，信道即可分配给其他用户；（）适用于实时通信，但不适用于计算机之间的数据传输；（）建立连接需要时间；（）链路上传送的信息速率等于信源的发送速率。,交换,分组交换：将一个报文分成若干个更短的等长的数据段，在每个数据段上分别加上必要的“头”和“尾”等控制信息（构成分组）以后，以存储转发的方式在网络中传输。 存储转发技术：信息在网络中逐段线路地依次从发送站向接收站传送，当信息到达网络中的一个节点后就先将信息存储在该节点的缓存中并排队等候，一直到先到的信息发完了，有链路可供使用时再将该信息转发出去。 采用了存储转发的分组交换，实质上是采用了在数据通信的过程中断续（动态）分配传输带宽的策略，适用于实时突发性的计算机数据，提高了线路利用率。,交换,分组交换的优点 时延小，同一报文的不同分组可以并行传输； 动态的带宽资源分配法将网络业务量均匀分配给整个网络，从而避免了过长时延的出现，保证了信道利用率。 缺点 排队时延，开销,(a) 电路交换 (b) 分组交换,(a) 电路交换 (b) 报文交换 (c) 分组交换,电路交换与分组交换的比较,电路交换在通信之前先建立一条端到端的电路（即在发送方和接收方之间的物理路径上预留了带宽），分组交换则不需要，分组准备好了就可以立即发送。 电路交换中消息的接收顺序和发送顺序一致，而分组交换则不能保证按序接收。 分组交换有更强的