物理物理层与链路层PPT课件.ppt

2020 1 27 1 计算机网络ComputerNetwork信息科学与技术学院窦军LectureslidesbyDouJundoujun 西南交通大学 2020 1 27 2 前言 迄今为止 我们通过 三讲 讨论计算机网络概论 内容包括 计算机网络的概念 发展历史 三个里程碑 OSI RM和Internet体系结构和用带外信令观点重新审视OSI RM和现有网络的通信子的体系结构和观察未来的网络通信子网结构 下面开始分6讲进行第二单元内容的讨论 物理层与数据链路层技术物理层技术 教材4版 5版第二章 2讲 数据链路层技术 教材4版 5版第三章 2讲 局域网物理层与数据链路层技术 教材4版 5版第4 2章 2讲 Comment 严格地讲 应当是起源于局域网的技术 2020 1 27 3 2020 1 27 4 教材第二章目录 为重点 2 1物理层的基本概念 2 2数据通信的基础知识2 2 1数据通信系统的模型2 2 2有关信道的几个基本概念2 2 3信道的极限容量2 2 4信道的极限信息传输速率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模拟传输与数字传输 第4版 2 4 1模拟传输系统 2 4 2调制解调器 2 4 3数字传输系统 2020 1 27 5 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2 4 2波分复用2 4 3码分复用2 4 数字基带信号的波形 Waveform 与编码 Coding 增加 2 5模拟传输与数字传输系统模拟传输 补充 同步光纤网SONET和同步数字系列SDH PDH自行参考阅读材料 2 6宽带接入技术2 6 1xDSL技术2 6 2光纤同轴混合网 HFC网 2 6 3FTTx技术 将1 6 节 计算机网络主要性能指标 移至本章讨论 2 7物理层标准举例 第4版 2 7 1EIA 232 E接口标准2 7 2RS 449接口标准 2020 1 27 6 Comments 对比OSI物理层功能概述表与教材第2章讲述的内容可以看出 通信技术与物理层关系密切 而OSI物理层通常只是以某种通信技术为支撑技术 讨论的重点放在 端系统 网络节点或网络节点 网络节点之间的接口或协议部分 当涉及新的通信技术时 相关的物理层文本将花大力气去讨论相关的问题 调制 编码 复用和通信技术的某些细节 本单元原则上按照教材的顺序和内容讲述 但做必要的删减或补充 本章的内容的讲稿将主要借用谢希仁教授第5版光盘中的PPT 但部分欠妥的内容将加以说明 2020 1 27 7 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 机械特性指明接口所用接线器的形状和尺寸 引线数目和排列 固定和锁定装置等等 电气特性指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围 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 规程特性指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序 简记为 机械 电气 功能 规程四大特性 注意 实际上 电气 特性应称为 光 电气 特性更符合现代的实际情况 2020 1 27 8 2 2数据通信的基础知识2 2 1数据通信系统的模型 正文 2020 1 27 9 几个术语 数据 data 运送信息 消息的实体 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 其物理表达形式通常为脉冲 码元 code 在使用时间域 或简称为时域 的波形表示数字信号时 代表不同离散数值的基本波形 2020 1 27 10 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 2020 1 27 11 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 基带信号往往包含有较多的低频成分 甚至有直流成分 而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量 因此必须对基带信号进行调制 modulation 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 2020 1 27 12 几种最基本的调制方法 基带信号往往包含有较多的低频成分 甚至有直流成分 而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量 为了解决这一问题 就必须对基带信号进行调制 modulation 最基本的二元制调制方法有以下几种 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 2020 1 27 13 狭义的 调制 解调 调制 把数字信号转换为模拟信号的过程 解调 把模拟信号转换为数字信号的过程 Modulationistheprocessofvaryingacarriersignalinordertousethatsignaltoconveyinformation Thethreekeyparametersofasinusoidareitsamplitude itsphaseanditsfrequency allofwhichcanbemodifiedinaccordancewithaninformationsignaltoobtainthemodulatedsignal Adevicethatperformsmodulationisknownasamodulatorandadevicethatperformstheinverseoperationofdemodulationisknownasademodulator Adevicethatcandobothoperationsisamodem acontractionofthetwoterms 2020 1 27 14 Indigitalmodulation thechangesinthesignalarechosenfromafixedlist themodulationalphabet eachentryofwhichconveysadifferentpossiblepieceofinformation asymbol Thealphabetisoftenconvenientlyrepresentedonaconstellationdiagram Inanalogmodulation thechangeisappliedcontinuouslyinresponsetothedatasignal Themodulationmaybeappliedtovariousaspectsofthesignalasthelistsbelowindicate 数字调制 解调模拟调制 解调 2020 1 27 15 分清 调制信号 和 被调制信号 载波 及各信号是 模拟 还是 数字 信号 分别用以下几种情况来理解其属性和实质 模调模 模拟信号调制模拟信号 例如 中 短波广播 调幅 调频广播和电视图像 调频 电视伴音 调相 数调模 用数字信号调制模拟信号 数据通信系统 包括计算机网络 中大量使用 例如传统调制解调器 用计算机的数字信号改变2KHz的正弦载波信号 模调数 用模拟信号改变数字信号的 脉冲幅度 宽度和位置等 例如电话网中 话音 模拟 信号改变等幅脉冲信号的幅度 获得PAM 脉幅调制 建议 广义的 调制 解调 2020 1 27 16 模拟的和数字的数据 信号 Comment 在电话交换网中PAM PCM 2020 1 27 17 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 2020 1 27 18 基带 baseband 和宽带 broadband 信号第4版内容 基带信号就是将数字信号1或0直接用两种不同的电压来表示 然后送到线路上去传输 宽带信号则是将基带信号进行调制后形成的频分复用模拟信号 建议理解为 调制后的信号 宽带 与 窄带 是个不严格的相对定语 ITU曾经将27Kbps速率的调制解调器称为 宽带调制解调器 近年来 宽带 常指Mbps的传输速率 用带的宽窄来描述传输速率的高低实为误用 但已经习以为常 反例 普通调制解调器利用数字信号去调制2KHz模拟信号获得的速率2 4Kbps 56Kbps的调制信号绝不能视为宽带信号 2020 1 27 19 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 2020 1 27 20 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 2020 1 27 21 信道能够通过的频率范围 1924年 奈奎斯特 Nyquist 就推导出了著名的奈氏准则 他给出了在假定的理想条件下 为了避免码间串扰 码元的传输速率的上限值 在任何信道中 码元传输的速率是有上限的 否则就会出现码间串扰的问题 使接收端对码元的判决 即识别 成为不可能 如果信道的频带越宽 也就是能够通过的信号高频分量越多 那么就可以用更高的速率传送码元而不出现码间串扰 2020 1 27 22 奈氏 Nyquist 准则 2020 1 27 23 另一种形式的奈氏准则 2020 1 27 24 要强调以下两点 实际的信道所能传输的最高码元速率 要明显地低于奈氏准则给出上限数值 波特 Baud 和比特 bit 是两个不同的概念 波特是码元传输的速率单位 每秒传多少个码元 码元传输速率也称为调制速率 波形速率或符号速率 比特是信息量的单位 2020 1 27 25 要注意 信息的传输速率 比特 秒 与码元的传输速率 波特 在数量上却有一定的关系 若1个码元只携带1bit的信息量 则 比特 秒 和 波特 在数值上相等 若1个码元携带nbit的信息量 则MBaud的码元传输速率所对应的信息传输速率为M nb s 2020 1 27 26 2 信噪比及信道的极限信息传输速率 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 2020 1 27 27 香农公式表明 信道的带宽或信道中的信噪比越大 则信息的极限传输速率就越高 只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率 就一定可以找到某种办法来实现无差错的传输 若信道带宽W或信噪比S N没有上限 当然实际信道不可能是这样的 则信道的极限信息传输速率C也就没有上限 实际信道上能够达到的信息传输速率要比香农的极限传输速率低不少 2020 1 27 28 请注意 对于频带宽度已确定的信道 如果信噪比不能再提高了 并且码元传输速率也达到了上限值 那么还有办法提高信息的传输速率 这就是用编码的方法让每一个码元携带更多比特的信息量 2020 1 27 30 奈氏准则和香农公式在数据通信系统中的作用范围 2020 1 27 31 2 3物理层下面的传输媒体 2020 1 27 32 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 2020 1 27 33 各种电缆 2020 1 27 34 光线在光纤中的折射 有关折射与反射原理请参见下页 2020 1 27 35 光线从折射率为n0的空气中以入射角 投向折射率为n1的光芯 根据光折射定律 在空气与光芯端面上有 n0sin n1sin 1 3 1 当入射角 n0 故 1 c 则该光线将以 反射回光芯 即发生全反射 在这种情况下 光线会在光芯与包层间经过多次反射 最终以折线形式沿光芯轴线方向传播 光纤通信就希望光线尽量在光纤内发生全反射 使之沿光芯传播 尽量减少光从包层泄露出去 参考页 2020 1 27 36 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 2020 1 27 37 多模光纤与单模光纤MMF SMF 2020 1 27 38 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 2020 1 27 39 共享信道 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 信道 A1 A2 B1 B2 C1 C2 信道 信道 A1 A2 B1 B2 C1 C2 复用 分用 a 不使用复用技术 b 使用复用技术 2020 1 27 40 频分复用FDM FrequencyDivisionMultiplexing 用户在分配到一定的频带后 在通信过程中自始至终都占用这个频带 频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源 请注意 这里的 带宽 是频率带宽而不是数据的发送速率 Comment 不同用户的数据按事先划分的 子 频带来分享某总频带的传输能力的方式 2020 1 27 41 时分复用TDM TimeDivisionMultiplexing 时分复用则是将时间划分为一段段等长的时分复用帧 TDM帧 每一个时分复用的用户在每一个TDM帧中占用固定序号的时隙 每一个用户所占用的时隙是周期性地出现 其周期就是TDM帧的长度 TDM信号也称为等时 isochronous 信号 时分复用的所有用户是在不同的时间占用同样的频带宽度 Comment 不同用户在不同的时间传输各自的数据来分享信道的传输能力的方式 2020 1 27 42 固定 以固定时间片 时槽 Timeslot 为分配基准 为各用户分配 固定 的时槽数量和位置关系 统计时分复用 用户动态地获得时槽数和可用时槽间的时间关系 未用时槽可被其他用户挪用 时分复用 固定 统计时分复用 2020 1 27 43 时分复用 频率 时间 B C D B C D B C D B C D A在TDM帧中的位置不变 2020 1 27 44 时分复用 频率 时间 C D C D C D A A A A C D B在TDM帧中的位置不变 2020 1 27 45 时分复用 频率 时间 B D B D B D A A A A B D C在TDM帧中的位置不变 2020 1 27 46 时分复用 频率 时间 B C B C B C A A A A B C D在TDM帧中的位置不变 2020 1 27 47 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 使用时分复用系统传送计算机数据时 由于计算机数据的突发性质 用户对分配到的子信道的利用率一般是不高的 2020 1 27 48 统计时分复用STDM StatisticTDM 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 2020 1 27 49 2 4 2波分复用WDM 波分复用就是光的频分复用 2020 1 27 50 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 2020 1 27 51 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00