第二讲-物理层..ppt

1,第二讲物理层,2,本讲要求,1理解物理层关注的问题2了解计算机网络的典型传输介质3理解调制解调技术4理解多路复用技术5理解物理层的几个典型例子,3,基本问题,用什么来传输0-1比特流？,问题分析（1）传输介质问题：用什么物理介质？传输什么信号？适应什么环境？有什么传输特点？（2）数字信息传输问题：如何将0-1序列变换为相应的传输信号？（3）传输速度多快？如何计算？,物理层,数据链路层（MAC层）,网络层,传输层,网络接口层,应用层,4,传输介质引导性传输介质,双绞线,两根铜线绞在一起，1-7类。,同轴电缆,50、75,电力线,无处不在（典型应用：电力猫），但潜在危险性高,光纤,光全反射，传输距离远，价格便宜，操作难度高，单模光纤和多模光纤，,ST插头,SC插头,5,传输介质无线传输（1）,6,传输介质无线传输（2）,无线电104-108,很容易产生传输距离远能穿透建筑物容易受到电子设备的干扰,7,传输介质无线传输（3）,微波108-1010,直线传播要求发射器和接收器精确对齐穿透性差容易被水吸收,红外线和毫米波1010-1014,穿透性差适合短距离通信,光波1014（可见光通信技术）,穿透性差,8,传输介质卫星通信,卫星通信本质还是无线通信，卫星作为中继器和放大器,通信频率：1G（109）20G，微波通信方式,9,传输介质的一些基本概念,带宽：在传输过程中振幅不会明显减弱的这一段频率范围,不会明显减弱，是指能保留住一半的能量如电话信道的带宽大约是4000HZ,传输线路的主要问题：衰减、畸变、噪声,传输方式：电磁波（正弦波）,衰减：能量的损失，与信号频率有关畸变：由于不同频率信号传播速度引起的接收端信号变形噪声：来源于非发射器的多余能量,10,如何传输数字信号？,01100010基带信号,傅立叶分析：任何一个周期为T的函数g(t)，都可以展开为多个正弦、余弦函数的和。,基带信号就是无穷个正弦波（谐波）的叠加！,g(t)=c/2+ansin(2nft)+bncos(2nft)(n=1,.,),谐波的频率分别是：1/T，2/T，4/T，8/T，.,2n/T,.,11,基带信号谐波叠加例子,12,如何传输数字信号？,方法1：直接传输,问题1：传输介质传输的是正弦波！,解决办法：为保证传输的效果，必须发送数字信号的多个谐波分量,问题2：传输介质的带宽限制（频段限制）,导致结果：不同频率的谐波会产生不同的衰减，不同频率的谐波传输延迟不一样，引起接收到的信号变型,导致结果：方形波无法直接传输,结论：直接使用基带信号传输不是很合适，除非低速、短距离！,新的思路调制技术（通带传输）,13,调制技术,调幅技术：通过调整振幅来表示数字信息。,正常幅度为1,0幅度为0.,如何提高效率？调制一次幅度代表多几个位！如4调幅技术,1/4：00；1/2：01；3/4：10；1：11,010110010010001/2幅1/2幅3/4幅1/2幅1/4幅3/4幅1/4幅,14,调制技术（2）,调频技术：通过调整频率来表示数字信息。,低频为0，高频为1.,如何提高调制效率？一般思路：通过更多的频段来调制信息。主要应用：跳频通信技术。,15,调制技术（3）,调相技术：通过平移载波信号来表示数字信息。,平移的时间/周期*360=移相角度,16,如何提高调相调制效率？多相位调制。如4相位、8相位调制等正交相移键控(QPSK),调制技术（4）,450、1350、2250、3150,450=平移45/360个T时间1350=平移135/360个T时间2250=平移225/360个T时间3150=平移315/360个T时间,17,调制技术（5）,正交振幅调制(同时调制相位和振幅)（QuadratureAmplitudeModulation,QAM）,QAM-16(4*4),QAM-64(8*8),星座图,18,一些基本概念,带宽：数据传输速度，注意和频率带宽的区别波特率：每秒钟的采样率，每一个采样发送一份信息，这份信息称为码元，因此也称为码元率。位传输率（比特传输率）：是指单位时间内发送信息的比特数。位传输率=码元率*码元位数数据传输速度，也叫带宽。,调制技术（6）,19,信道传输比特率无限？,问题：当星座模型中的点越多，说明振幅调制和相移调制的级别越多，这样即使一个很小的噪声就可能导致一个错误，同时一个错误有可能隐含了许多错误的位。,结论：振幅调制和相移调制的级别不是越多越好。,结论：在信道上的数据传输速率不是无限的,问题：一条信道的最大传输速率是多少？,20,Nyquist定理（理想信道极值）,如果信道的带宽为H（即频段范围），则采样超过2H次，对信号恢复没有任何意义。,如果信道的带宽为H，信号包含V个离散级数（如4个振幅调制级），则最大传输率为最大传输率=2HlogV（位/秒）,21,Shannon定理（噪声信道）,信噪比：信号功率S与噪声功率N之比S/N。,信噪表示方式：10lgS/N分贝（DB）,如信息噪比是20DB，则10lgS/N=20S/N=100,如果信道的带宽为H，信噪比为S/N，则该噪声信道的最大传输率为：最大传输率（位/秒）=Hlog(1+S/N),当噪声不存在时？则S/N，传输速率可以为？,这些问题，他们是如何想出来的？,瞬时传输？,22,多路复用技术（1）,问题的提出：（1）调制解调技术解决了信道上一路数字信号传输的问题。（2）运营商希望在一条物理干线上传输多个会话。,多路信号共享一个传输信道的问题早期的电话系统需求,DEMUX,复用器,解复用器,共享信道,23,多路复用技术（2）,频分多路复用FDM,基本原理：频谱分为频段，不同用户使用不同频段,典型例子：电话系统，每一条电话信号分配4000Hz的带宽,24,多路复用技术（3）,频分多路复用波分多路复用WDM,25,多路复用技术（4）,时分多路复用TDM,基本原理：用户轮流使用整个带宽，每次使用一小段时间,26,多路复用技术（5）,码多路复用CDMA,每一个站都被分配了一个惟一的m位的代码，称为时间片序列。如m=8，站A的时间片序列为A=00011011,传输位“1”，发送时间片；传输位“0”，发送时间片的补码。如A站，发送位“1”，则发送00011011发送位“0”，则发送11100100,基本原理,问题：发送b位数据，实际发送mb位。,27,多路复用技术（6）,码多路复用CDMA,正交特性：所有的时间片都是两两正交，即时间片S和T的内积(写为ST)为0。,A：00011011表示为：（-1，-1，-1，1，1，-1，1，1）B：00101110表示为：（-1，-1，1，-1，1，1，1，-1）,SS=1SS=-1,28,多路复用技术（7）,码多路复用CDMA,数据发送：,多个站点同时发送数据时，则发送信号线性相加。,如A发送1，同时B发送1，则发送A+B=（-1，-1，-1，1，1，-1，1，1）+（-1，-1，1，-1，1，1，1，-1）=（-2，-2，0，0，2，0，2，0）,数据接收：同时接收到信号，利用正交特性解码信息,A（A+B）=AA+AB=1+0=1（表示发送了位1）B（A+B）=BA+BB=0+1=1（表示发送了位1）,大胆猜想，小心求证！,29,物理层的几个典型例子(1),电话信号的数字化传输技术,模/数转换,数/模转换,30,物理层的几个典型例子(2),ADSL（AsymmetricDSL，非对称数字用户线路）数字信号转换为模拟信号,31,物理层的几个典型例子(3),ADSL,频分多路复用,将电话线的1.1M带宽划分为256条4K信道DMT，离散的多信道调制,信道0传输语音；1-5空闲；其余用作数据信道，一般来说，上行信道和下行信道不一样（非对称）。,32,物理层的几个典型例子(4),ADSL例子,例如：250数据信道中，1条为上行控制，1条为下行控制，224为下行数据，24条为上行数据。,每条信道采用QAM-16调制，采样率为4000波特，其中1位用于同步，15位传输数据，则每条信道传输比特率为=4000*15=60kbps,上行带宽=24*60kbps=1.44Mbps下行带宽=224*60kbps=13.44Mbps,33,物理层的几个典型例子(5),T1线路北美和日本的电话系统标准,34,物理层的几个典型例子(6),T1线路时分多路复用24路线路时分复用,35,采样率8000波特，每次采用每信道产生8位输出，其中1位用于控制，7位用于数据。同时，每采样一次后，在信道上添加1位用于同步。,物理层的几个典型例子(7),T1线路时分多路复用,T1线路带宽=8000*(8*24+1)=8000*193=1.544Mbps,T2线路就是4个T1线路时分复用到一个信道T2线路带宽=4*1.544=6.176Mbps实际T2线路带宽为6.312，多出来的用于控制,T