四网络物理层(2).ppt

计算机网络 第2章物理层 2 第2章物理层 2 2 3物理层下面的传输媒体2 3 1导向传输媒体2 3 2非导向传输媒体 2 4信道复用技术2 5 1频分复用 时分复用和统计时分复用2 5 2波分复用2 5 3码分复用 2 5数字传输系统 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 区别与联系 带宽与频率 频率 物质在1秒内完成周期性变化的次数叫做频率 带宽 模拟 可以理解成信号传输的频率上下限之间的距离一条模拟线路可接收500HZ到2000HZ的频率 它的带宽就是1500HZ思考 为什么基带信号不适用于在信道上传输 低频分量 直流分量带宽 数字 可以理解成通信线路所能传送的数据的能力 带宽实际上就是信道的最高数据传输率 传输媒体与分类 传输媒体 媒介 介质 它是数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路 分类导向传输媒体 固体媒体非导向传输媒体 自由空间 数据传输与传输媒体 数据传输的质量除了与传输的信号类型 收发器设备特性相关 还与传输媒体本身的特性相关着 物理特性传输特性地理特性抗干扰性价格 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 UnshieldedTwistedPair 同轴电缆50 同轴电缆75 同轴电缆光缆 1 双绞线 定义由两根互相绝缘的金属 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 用处可用于传输数字信号与模拟信号 其通信距离为几至几十公里 可用于局域网 城域网构建特性金属越粗 其传输距离也越远衰减随频率升高而增大使用更大和更精确的绞合度 可获得更高的带宽 局域网常用的是三类线和五类线根据双绞线的类型 那么在进行网络布线的时候 布线方式也不一样 但一个网络中只能采用一种布线方式 分为UTP和STP两种 各种电缆 铜线 铜线 聚氯乙烯套层 聚氯乙烯套层 屏蔽层 绝缘层 绝缘层 外导体屏蔽层 绝缘层 绝缘保护套层 内导体 无屏蔽双绞线UTP 屏蔽双绞线STP 同轴电缆 同轴电缆 特点 抗干扰 噪声能力强用处一般用于有限电视网带宽取决于电缆的质量分为50欧姆 数字传输 与75欧姆 模拟传输 两种 光缆 光纤通信 利用光导纤维来传递光脉冲进行通信 特点 带宽非常大传输损耗小 中继距离长抗雷电和电磁干扰好无串音干扰 保密性好体积小重量轻进行中继时 光纤需要精确连接 光电接口贵 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 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 光纤的分类 多模光纤 可以存在许多条不同角度入射的光线在一条光纤中传输单模光纤 光纤的直径只有一个光的波长 使得光纤就像一根波导那样 可使光纤一直向前传输 不会产生多次反射 小思考 二者谁的性能会更好 多模光纤与单模光纤 多模光纤 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 地面微波接力通信卫星通信 1 地面微波通信 微波 频率在100MHZ 10GHz的信号微波通信的主要特点是 只能在视距内进行传播 优点 波段频率高 信道容量大 抗干扰能力强 设备投资小 可跨越山区等缺点 受气候印象大 相邻站必须直视 无障碍物 隐蔽性和保密性差 中继站的使用和维护需要耗费资源 2 卫星通信 原理 在地球站之间人造卫星作为中继器的地面微波通信 特点 通信距离远 通信费用与通信距离无关 具有微波通信的一半特点 缺点 比较大的传播时延 卫星数量有限 2 4信道复用技术 概念复习 基本的调制方法调幅 AM 载波的振幅随基带数字信号而变化 调频 FM 载波的频率随基带数字信号而变化 调相 PM 载波的初始相位随基带数字信号而变化 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 调频 调相 信道复用技术 为什么要研究复用技术 复用技术原理 发送方将多个用户的数据通过复用器进行汇集并将汇集后的数据通过一条物理线路传输到接收方 接收方通过分离器将数据分离成各个单独的数据 然后分发给接收方的多个用户 常用的信道复用技术 频分复用 时分复用和统计时分复用 波分复用和码分复用 2 4 1频分复用 时分复用和统计时分复用 1 频分复用 频率 时间 频率1 频率2 频率3 频率4 频率5 其将信道的可用频带分成多个不相交的频段 每个用户占其中一个频段 接收时用适当的滤波器分别进行解调接收 主要问题 频分多路复用系统中的主要问题是各路信号之间的相互串扰 解决方法 1 同时需要合理地选择载波频率2 并在各路频带之间留有一定的保护间隔3 使用BPF与LPF 2 时分复用 为了有效地利用传输线路 可将多个话路的信号用时分复用TDM TimeDivisionMultiplexing 的方法装成时分复用帧 然后发送到线路上 时分复用是将信道的使用时间分割成周期性的帧 每一帧再分割成若干个时隙 无论帧或时隙都是互不重叠的 再根据一定的时隙分配原则 使各个用户在每帧内只能在指定的时隙使用信道发送数据 时分复用 频率 时间 B C D B C D B C D B C D 时分复用 频率 时间 C D C D C D A A A A C D 时分复用 频率 时间 B D B D B D A A A A B D 时分复用 频率 时间 B C B C B C A A A A B C 时分复用的注意问题 对比频分复用 FDM 所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源 时分复用 TDM 所有用户在不同的时间占用同样的频带宽度 存在的问题同步问题复用后的信道利用率不高 时分复用可能会造成线路资源的浪费 A B C D a a b b c d b c a t t t t t 4个时分复用帧 1 a c b c d 时分复用 2 3 4 用户 统计时分复用STDM 是一种改进的时分复用 可以提高信道利用率原理 是把公共信道的时隙实行 按需分配 即只对那些需要传送信息或正在工作的终端才分配给时隙 这样就使所有的时隙都能得到使用 提高了媒质的利用率 统计时分复用STDM 用户 A B C D a b c d t t t t t 3个STDM帧 1 a c b a b b c a c d 2 3 统计时分复用 1550nm01551nm11552nm21553nm31554nm41555nm51556nm61557nm7 01550nm11551nm21552nm31553nm41554nm51555nm61556nm71557nm 2 4 2波分复用WDM 波分复用就是光的频分复用 8 2 5Gb s1310nm 20Gb s 复用器 分用器 EDFA 120km 2 4 3码分复用CDM 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 码片序列 chipsequence 每一个比特时间划分为m个短的间隔 称为码片 chip 每个站被指派一个惟一的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 码片序列的正交关系 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 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 4 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 4 式就可看出这两个码片序列是正交的 正交关系的另一个重要特性 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 CDMA的工作原理 S站的码片序列S 1 1 0 t t t t t t m个码片 t S站发送的信号Sx T站发送的信号Tx 总的发送信号Sx Tx 规格化内积S Sx 规格化内积S Tx 数据码元比特 发送端 接收端 接收方如果要接受S的数据 CDMA的问题 S原本的数据率为bp s 在CDMA中需要提高到mbp s 这通过扩频来实现如何保证每个节点的发送其码片序列的同步 GPS 作业 2 11 2 12 2 16 2 5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 PCM脉冲编码调制 PCM 是把模拟信号变换为数字信号的一种调制方式 其最大的特点是把连续输入的模拟信号变换为在时域和振幅上都离散的量 然后将其转化为代码形式传输 主要步骤 采