CH2 物理层(过).ppt

1 现代通信网络 第2章物理层 2 第2章物理层 2 1物理层的基本概念2 2数据通信的基础知识2 3物理层下面的传输媒体2 4信道复用技术2 5数字传输系统2 6宽带接入技术 3 物理层考虑的是如何在连接计算机的传输媒体上传输数据的比特流 而不是指具体的物理设备或具体的传输媒体物理层的作用是屏蔽掉各种传输媒体的差异 为数据链路层提供服务 2 1物理层的基本概念 4 2 1物理层的基本概念 物理层的主要任务描述为确定与传输媒体的接口的一些特性 即 机械特性接口所用接线器的形状和尺寸 引线数目和排列 固定和锁定装置等 电气特性接口电缆各条线上出现的电压的范围 功能特性某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义 过程特性不同功能的各种可能事件的出现顺序 5 2 2数据通信的基础知识2 2 1数据通信系统的模型 调制解调器 PC机 公用电话网 调制解调器 数字比特流 数字比特流 模拟信号 模拟信号 输入汉字 显示汉字 PC机 6 几个术语 数据 data 运送信息的实体 信号 signal 数据的电气的或电磁的表现 模拟的 analogous 连续变化的 数字的 digital 取值是离散数值 7 2 2 2有关信号的几个基本概念 单向通信 单工通信 只能有一个方向的通信而没有反方向的交互 双向交替通信 半双工通信 通信的双方都可以发送信息 但不能双方同时发送 当然也就不能同时接收 双向同时通信 全双工通信 通信的双方可以同时发送和接收信息 8 基带 baseband 信号和带通 bandpass 信号 基带信号 即基本频带信号 来自信源的信号 像计算机输出的代表各种文字或图像文件的数据信号都属于基带信号 带通信号 把基带信号经过载波调制后 把信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输 即仅在一段频率范围内能够通过信道 9 对基带数字信号的几种调制方法 0 1 0 0 1 1 1 0 0 基带信号 调幅 AM 调频 FM 调相 PM 10 2 2 3信道的极限容量 任何实际的信道都不是理想的 在传输信号时会产生各种失真以及带来多种干扰 码元传输的速率越高 或信号传输的距离越远 在信道的输出端的波形的失真就越严重 11 数字信号通过实际的信道 有失真 但可识别失真大 无法识别 实际的信道 带宽受限 有噪声 干扰和失真 发送信号波形 接收信号波形 12 1 信道极限容量 信道上的最高码元传输速率奈奎斯特定律 Nyquist 在具有理想低通矩形特性的信道的情况下的最高码元传输速率的公式 理想低通信道的最高码元传输速率 2WBaud其中W表示理想低通信道的带宽 Hz 无噪声信道理想最大数据传输速率 2Wlog2Vbps 其中V表示信号电平级数在理想的无噪声信道 若f是传输媒体的最大传输频率 采样频率为2 f时 接收方才可以从采样脉冲信号中完全恢复原信号 13 14 2 信噪比 香农 Shannon 用信息论的理论推导出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限 无差错的信息传输速率 信道的极限信息传输速率C可表达为C Wlog2 1 S N b sW为信道的带宽 以Hz为单位 S为信道内所传信号的平均功率 N为信道内部的高斯噪声功率 15 话音级线路的信道容量计算 3100Hz 信噪比S N 2500 则由香农公式得出 无论采用那种编码 信息的传输速率一定不会超过35kbps 16 2 3物理层下面的传输媒体 无线电 微波 红外线 可见光 紫外线 X射线 射线 双绞线 同轴电缆 卫星 地面微波 调幅无线电 调频无线电 海事无线电 光纤 电视 LF MF HF VHF UHF SHF EHF THF 波段 1041051061071081091010101110121013101410151016 10010210410610810101012101410161018102010221024 移动无线电 电信领域使用的电磁波的频谱 17 2 3 1导向传输媒体 双绞线屏蔽双绞线STP ShieldedTwistedPair 无屏蔽双绞线UTP同轴电缆50 同轴电缆75 同轴电缆光纤多模单模 18 各种电缆 19 双绞线 将相互绝缘的铜导线并排放在一起 用规则的方法绞合起来就构成了双绞线 双绞线除用来作为用户环路传递电话信息外 还用来传递网络数据 双绞线可分为屏蔽双绞线 STP 和非屏蔽双绞线 UTP 20 屏蔽双绞线STP 屏蔽双绞线 STP ShieldedTwistedPair 为提高双绞线的抗干扰能力 可在双绞线外面再加上用金属丝编织成的屏蔽层 即屏蔽双绞线 21 屏蔽双绞线示例 22 非屏蔽双绞线UTP 非屏蔽双绞线 UTP UnshieldedTwistedPair 不同于屏蔽双绞线 非屏蔽双绞线没有金属屏蔽层 根据双绞线线对间绞合度以及线对内两根导线绞合度不同 可分为UTP3和UTP5 23 非屏蔽双绞线示例 24 HUB SWITCH 工作站 HUB SWITCH 工作站 双绞线典型应用 LAN 25 同轴电缆 同轴电缆由内导体铜质芯线 单股实心线或多股绞合线 绝缘线 网状编织的外导体屏蔽层及保护塑料外层所组成 分为50 的基带同轴电缆和75 的宽带同轴电缆 26 同轴电缆结构 27 基带同轴电缆典型应用 LAN 28 75 宽带同轴电缆 用于模拟传输系统 是有线电视系统CATV中的标准传输电缆CATV标准电缆 采用频分复用宽带信号 可通过频分复用来进行调制以传输数字信号宽带系统 是指采用了频分复用和模拟传输技术的同轴电缆网络 29 光线在光纤中的折射 折射角 入射角 包层 低折射率的媒体 包层 低折射率的媒体 纤芯 高折射率的媒体 包层 纤芯 30 光纤的工作原理 高折射率 纤芯 低折射率 包层 光线在纤芯中传输的方式是不断地全反射 31 多模光纤与单模光纤 多模光纤 32 光网卡应用 33 光纤接头 34 2 3 2非导向传输媒体 无线传输所使用的频段很广 短波通信主要是靠电离层的反射 但短波信道的通信质量较差 微波在空间主要是直线传播 地面微波通信卫星通信 35 微波通信 微波在空间是直线传播 并且地球是个曲面 因此其传播距离受到限制 一般50km传播距离需约50m高微波塔 80km需约100m高微波塔 36 微波通信示意图 37 微波LAN拓扑示意图 微波通信网络拓扑示意图 38 卫星通信 使用微波波段使用地球卫星作为转发器接收和转发信号 39 地球 地面站 地面站 卫星通信示意图 40 常用的卫星通信是利用36000公里高的人造地球同步卫星作为中继器的一种微波接力通信 相当于无人值守微波通信中继站 有3颗同步卫星能实现全球通信 地球同步卫星通信 41 同步卫星通信示意图 42 红外通信 红外线被广泛用于短距离通信 如电视遥控等 也可被用于无线LAN相对有方向性 便宜并且容易制造 不能穿透坚实的物体 因此不会跟其他房间发生串扰 43 2 4信道复用技术2 4 1频分复用 时分复用和统计时分复用 复用 Multiplexing 是通信技术中的基本概念 44 FDM 频分复用 45 TDM 时分复用 46 统计TDM 47 2 4 2波分复用WDM WavelengthDivisionMultiplexing 波分复用就是光的频分复用 1550nm01551nm11552nm21553nm31554nm41555nm51556nm61557nm7 01550nm11551nm21552nm31553nm41554nm51555nm61556nm71557nm 8 2 5Gb s1310nm 20Gb s 复用器 分用器 EDFA 120km 光调制器 光解调器 48 2 4 3码分复用CDM CodeDivisionMultiplexing 常用的名词是码分多址CDMA CodeDivisionMultipleAccess 各用户使用经过特殊挑选的不同码型 因此彼此不会造成干扰 这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力 其频谱类似于白噪声 不易被敌人发现 每一个比特时间划分为m个短的间隔 称为码片 chip 49 码片序列 chipsequence 每个站被指派一个唯一的mbit码片序列 如发送比特1 则发送自己的mbit码片序列 如发送比特0 则发送该码片序列的二进制反码 例如 S站的8bit码片序列是00011011 发送比特1时 就发送序列00011011 发送比特0时 就发送序列11100100 S站的码片序列 1 1 1 1 1 1 1 1 50 CDMA的重要特点 每个站分配的码片序列不仅必须各不相同 并且还必须互相正交 orthogonal 在实用的系统中是使用伪随机码序列 51 码片序列的正交关系 令向量S表示站S的码片向量 令T表示其他任何站的码片向量 两个不同站的码片序列正交 就是向量S和T的规格化内积 innerproduct 都是0 2 3 52 码片序列的正交关系举例 令向量S为 1 1 1 1 1 1 1 1 向量T为 1 1 1 1 1 1 1 1 把向量S和T的各分量值代入 2 3 式就可看出这两个码片序列是正交的 53 任何一个码片向量和该码片向量自己的规格化内积都是1 一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是 1 正交关系的另一个重要特性 54 CDMA的工作原理 1 1 0 t m个码片 数据码元比特 发送端 接收端 55 2 5数字传输系统1 脉码调制PCM体制 脉码调制PCM体制最初是为了在电话局之间的中继线上传送多路的电话 由于历史上的原因 PCM有两个互不兼容的国际标准 即北美的24路PCM 简称为T1 和欧洲的30路PCM 简称为E1 我国采用的是欧洲的E1标准 E1的速率是2 048Mb s 而T1的速率是1 544Mb s 当需要有更高的数据率时 可采用复用的方法 56 数字传输系统 现在的数字传输系统均采用脉码调制PCM PulseCodeModulation 体制 57 数字传输标准 T 标准北美 日本E 标准欧洲 中国 南美 58 T1系统 PCM PCM PCM PCM PCM PCM MUX DEMUX T1frame 59 T1帧 channel 1 channel 2 channel 24 定帧位 193bits 数据率 24x8 1bit 125ms 1 544Mbps 8bit 125ms 60 T系列 载波 TI TIC T2 T3 T4 TIC T2 T2 T2 T2 T2 T2 T3 T3 T3 T3 T3 TI T1 1 544Mbps T1C 3 152Mbps T2 6 312Mbps T3 44 736Mbps T4 274 176Mbps 61 E1 帧 125ms 32时隙 2 048Mbps 帧同步 信令信道 30个话音信道 2个控制信道 62 E系列 载波 E1 E1 E1 E1 E2 E2 E2 E2 E3 E3 E3 E3 E4 E4 E4 E4 E5 E1 2 048Mbps E3 34 368Mbps E2 8 448Mbps E4 139 264Mbps E5 565 148Mbps DS0 63 三大数字体系 2 048 8 448 34 368 139 264 564 992 1 544 6 312 44 736 274 176 1 544 6 312 32 064 97 728 397 200 64kbps J1 E1 T1 J2 E2 T2 J3 E3 T3 J4 E4 T4 J5 E5 x32 x24 x24 x4 x4 x4 x4 x7 x5 x4 x6 x3 x4 x4 欧洲 美国 日本 64 2 同步光纤网SONET和同步数字系列SDH 旧的数字传输系统存在着许多缺点 其中最主要的是以下两个方面 速率标准不统一如果不对高次群的数字传输速率进行标准化 国际范围的高速数据传输就很难实现 不是同步传输在过去相当长的时间 为了节约经费 各国的数字网主要是采用准同步方式 PDH 65 同步光纤网SONET 同步光纤网SONET SynchronousOpticalNetwork 的各级时钟都来自一个非常精确的主时钟 第1级同步传送信号STS 1 SynchronousTransportSignal 的传输速率是51 84Mb s 光信号则称为第1级光载波OC 1 OC表示OpticalCarrier 66 同步数字系列SDH ITU T以美国标准SONET为基础 制订出国际标准同步数字系列SDH SynchronousDigitalHierarchy 一般可认为SDH与SONET是同义词 SDH的基本速率为155 52Mb s 称为第1级同步传递模块 SynchronousTransferModule 即STM 1 相当于SONET体系中的OC 3速率 SONET的OC级 STS级与SDH的STM级的对应关系 68 2 6宽带接入技术2 6 1xDSL技术 xDSL技术就是用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造 使它能够承载宽带业务 xDSL技术就把0 4kHz低端频谱留给传统电话使用 而把原来没有被利用的高端频谱留给用户上网使用 DSL就是数字用户线 DigitalSubscriberLine 的缩写 而DSL的前缀x则表示在数字用户线上实现的不同宽带方案 69 xDSL的几种类型 ADSL AsymmetricDigitalSubscriberLine 非对称数字用户线HDSL HighspeedDSL 高速数字用户线SDSL Single lineDSL 1对线的数字用户线VDSL VeryhighspeedDSL 甚高速数字用户线DSL ISDN用户线 RADSL Rate AdaptiveDSL 速率自适应DSL 是ADSL的一个子集 可自动调节线路速率 70 xDSL的极限传输距离 xDSL的极限传输距离与数据率以及用户线的线径都有很大的关系 而所能得到的最高数据传输速率与实际的用户线上的信噪比密切相关 例如 0 5毫米线径的用户线 传输速率为1 5 2 0Mb s时可传送5 5公里 但当传输速率提高到6 1Mb s时 传输距离就缩短为3 7公里 如果把用户线的线径减小到0 4毫米 那么在6 1Mb s的传输速率下就只能传送2 7公里 71 ADSL的特点 上行和下行带宽不对称 上行指从用户到ISP 而下行指从ISP到用户 ADSL在用户线 铜线 的两端各安装一个ADSL调制解调器 我国目前采用的方案是离散多音调DMT DiscreteMulti Tone 调制技术 这里的 多音调 就是 多载波 或 多子信道 的意思 72 DMT技术 DMT调制技术采用频分复用的方法 把40kHz以上一直到1 1MHz的高端频谱划分为许多的子信道 其中25个子信道用于上行信道 而249个子信道用于下行信道 每个子信道占据4kHz带宽 严格讲是4 3125kHz 并使用不同的载波 即不同的音调 进行数字调制 这种做法相当于在一对用户线上使用许多小的调制解调器并行地传送数据 73 DMT技术的频谱分布 频谱 频率 上行信道 传统电话 0 4 下行信道 kHz 40 138 1100 74 ADSL的数据率 ADSL可以根据干扰自适应调制技术使用户线能够传送尽可能高的数据率 当ADSL启动时 用户线两端的ADSL调制解调器就测试可用的频率 各子信道受到的干扰情况 以及在每一个频率上测试信号的传输质量 ADSL不能保证固定的数据率 对于质量很差的用户线甚至无法开通ADSL 通常下行数据率在32kb s到6 4Mb s之间 而上行数据率在32kb s到640kb s之间 ADSL的组成 ATU C ATU C ATU R ATU C 用户线 电话分离器 区域宽带网 至ISP 居民家庭 基于ADSL的接入网 端局或远端站 DSLAM 至本地电话局 PS PS 数字用户线接入复用器DSLAM DSLAccessMultiplexer 接入端接单元ATU AccessTerminationUnit ATU C C代表端局CentralOffice ATU R R代表远端Remote 电话分离器PS POTSSplitter 76 2 6 2光纤同轴混合网HFC HybridFiberCoax HFC网是在目前覆盖面很广的有线电视网CATV的基础上开发的一种居民宽带接入网 HFC网除可传送CATV外 还提供电话 数据和其他宽带交互型业务 现有的CATV网是树形拓扑结构的同轴电缆网络 它采用模拟技术的频分复用对电视节目进行单向传输 而HFC网则需要对CATV网进行改造 77 HFC的主要特点 1 HFC网的主干线路采用光纤HFC网将原CATV网中的同轴电缆主干部分改换为光纤 并使用模拟光纤技术 在模拟光纤中采用光的振幅调制AM 这比使用数字光纤更为经济 模拟光纤从头端连接到光纤结点 fibernode 即光分配结点ODN OpticalDistributionNode 在光纤结点光信号被转换为电信号 在光纤结点以下就是同轴电缆 78 2 HFC网采用结点体系结构 同轴电缆 头端 模拟光纤 放大器 引入线 分路器 光纤结点 用户群 用户群 用户群 邻区 79 3 HFC网具有比CATV网更宽的频谱 且具有双向传输功能 下行信道 上行信道 540505507501000 原有模拟电视 数字信号 频率 MHz 保留 80 4 每个家庭要安装一个用户接口盒 用户接口盒UIB UserInterfaceBox 要提供三种连接 即 使用同轴电缆连接到机顶盒 set topbox 然后再连接到用户的电视机 使用双绞线连接到用户的电话机 使用电缆调制解调器连接到用户的计算机 81 电缆调制解调器 cablemodem 电缆调制解调器 CM 是为HFC网而使用的调制解调器 电缆调制解调器最大的特点就是传输速率高 其下行速率一般在3 10Mb s之间 最高可达30Mb s 而上行速率一般为0 2 2Mb s 最高可达10Mb s 电缆调制解调器比在普通电话线上使用的调制解调器要复杂得多 并且不是成对使用 而是只安装在用户端 82 2 6 3FTTx技术 FTTx 光纤到 也是一种实现宽带居民接入网的方案 这里字母x可代表不同意思 光纤到户FTTH FiberToTh