【大学课件】本科网络课程讲义：物理层(PPT,62页)

1、chapter 3 物理层n3.1数据通信的理论基础n3.2传输介质n3.3电话系统与调制解调n3.4交换技术3.1数据通信的理论基础n3.1.1 fourier 级数级数n任何正常的周期为任何正常的周期为t的函数的函数g(t)都可以展开成都可以展开成fourier级数，即级数，即nexample: 8 bit的ascii码“b”的位模式 01100010, an = cos(n/4) -cos(3n/4) + cos(6n/4) -cos(7n/4) /nbn = sin(3n/4) -sin(n/4) + sin(7n/4) -sin(6n/4) /nc = 6/8the root mea

2、n square amplitudes is (an2+bn2)1/2.假定比特率为：a比特/秒则周期t=8/a 秒f=1/t=a/8 hz对于普通话音级线路，截止频率大约为3000 hz。即能通过的最高次谐波nf=3000n=3000/（a/8）=24000/a传输速率与信道的带宽成正比限制信道的带宽就是限制传输速率bpst(ms)f 1# harmonics30026.6737.58060013.3375.04012006.67150.02024003.33300.01048001.67600.0596000.831200.02192000.422400.01384000.214800.0

3、03.1.2信道的最大传输速率nnyquist 定理（有限带宽的无噪声信道）n如果一个任意的信号通过带宽为h的低通滤波器，那么每秒采样2h次就能完整地重现通过该滤波器的信号。n最大数据传输率=2h log2v （b/s）nshannon定理n对任何带宽为h hz，信噪比为s/n的信道，最大数据传输速率=h log2（1+s/n） （b/s）3.2传输介质n3.2.1双绞线n3.2.2同轴电缆n3.2.3光纤n3.2.4无线传输3.2.1双绞线 tp(twisted pair) n由两条相互绝缘的铜线组成，其典型粗细约1mm，两条象螺纹一样绞在一起。nshielded twisted pair(

4、stp) 屏蔽双绞线nunshielded twisted pair(utp)无屏蔽双绞线n双绞线的传输距离一般为100m，既可传输模拟信号，也可传输数字信号。categories of unshielded twisted pairntypeusencategory 1voice only (telephone wire)ncategory 2data to 4 mbps (localtalk)ncategory 3data to 10 mbps (ethernet)ncategory 4data to 20 mbps (16 mbps token ring)ncategory 5data

5、to 100 mbps (fast ethernet)ncategory 5edata to 100 mbps (fast ethernet)ncategory 6data to 250 mhz (gigabit ethernet?)ncategory 7 data to 600 mhz the eia/tia (electronic industry association/telecommunication industry association) has established standards of utp. 棕白棕白兰白橙白绿绿兰橙8765432187654321brownwhi

6、te/browngreenwhite/bluebluewhite/greenorangewhite/orange568b:connection standard: 568a/568bstp3.2.2同轴电缆n基带同轴电缆（baseband coax）：阻抗匹配为50，用于数字传输，1公里电缆可达12gbps的传输速率。又分为：n粗缆（thick）：10base-5，aui，单段长度500米，最长5段达2.5公里。n细缆（thin）：10base-2，bnc，单段长度185米，最长5段达925米。n宽带同轴电缆（broadband coax）：阻抗匹配为75，用于电视信号的模拟传输（catv），

7、带宽可达800mhz以上，采用fdm技术。传输数字信号时，要使用cable modem这样的特殊设备，现在综合有线电视网络已成为man的一种形式。粗、细同轴电缆的比较3.2.3光纤n光纤由传导光波的高纯石英玻璃纤维和保护层（jacket）构成，其中纤芯（core）的折射率大于包裹着它的包层（cladding）折射率，这样光信号就被保持在纤芯中不会散播出去。n经常将多根光纤封装在坚固的外壳（sheath）中，形成所谓的多芯光缆。n光发射系统：光源、传输介质、检测器n有两种光源可用于信号源：led（发光二极管）和ild（注入型激光二极管）。以光信号的有和无来表示二进制的“1”和“0”。n接收端由光

8、电二极管构成的光检测器将光信号转换成电信号。n光纤的连接：n机械式：快速，一般不需特殊设备，新技术和连接器改善了接合的损耗（有些 0.1 db），适合于小数量和应急的应用。n熔结：需要昂贵的特殊设备，极低的损耗（有的可达 0.05 db），长距离链路的唯一方法。光纤的类型n多模光纤nsi型（ multimode step-index fiber ）：the reflective walls of the fiber move the light pulses to the receiverngi型（multimode graded-index fiber）：acts to refract th

9、e light toward the center of the fiber by variations in the densityn单模光纤（single mode fiber）nthe light is guided down the center of an extremely narrow coreoptical fiber transmission modesfiber optic multimodestep-indexfiber optic multimodegraded-indexfiber optic single modefiber optic signals实际的光纤3.

10、2.4无线传输n电磁波谱 无线电传输：在lf、mf沿着地面传播；在hf、vhf由电离层反射。 红外线与毫米波传输：不能穿透障碍物，适用于室内 微波传输：能量集中，天线必须对准。 激光传输：不能穿透雨或浓雾。无线电波红外线与毫米波n有方向性，便宜，穿透能力差，传输距离短。n如：遥控器，防盗报警等微波传输n在100mhz以上，微波通过抛物状天线把能量集中于一小束，具有极高的信噪比，沿直线实现可视距传输。n在地面因地表弯曲，需中继站接续微波信号，100米高的塔可接续约80公里。n天气和频率的影响可造成多路减弱。n开放的波段：2.4 ghz 2.484 ghz，即工业/科学/医学波段。terrestr

11、ial microwave communicationssatellite microwave transmissionn地球同步卫星n赤道上方约36000km处n卫星作为空间微波中继站n端-端传输时延250300msn广播信道n主要卫星波段nc band: 4(下行3.74.2 ghz) - 6(uplink 5.9256.425ghz)，问题：拥挤串扰 nku band: 11(下行11.712.2 ghz) -14(上行14.014.5 ghz)，问题：雨水nka band: 20(下行17.721.7 ghz) - 30(上行27.530.5ghz)，问题雨水，设备造价dishdish

12、uplink stationdownlink stationsatellitetransponder22,300 miles低轨卫星n铱星n66颗，卫星高度750km，采用圆形极地轨道，上下行链路运行在l波段（1.6ghz)。100mbps光电转换器（光收发器）3com corebuilder 3500 三层交换机3.3电话系统与调制解调n3.3.1电话系统n3.3.2调制解调n3.3.3 rs-232-cn3.3.4常用的数字编码技术n3.3.5复用技术3.3.1电话系统公用电话交换网pstn（public switched telephone network)端局长途局中心交换局3.3.2

13、调制解调n由于基带（baseband）信号在长距离的传输信道上会受到衰减、畸变及噪音等的影响，因此在发送端必须转换成一种适合于在信道上传输的信道信号，这个转换过程就叫调制（modulation）。在接收端的相反转换过程称为解调（demodulation）。n调制解调器（modem）就是调制器（modulator）和解调器（demodulator）的组合。n三类调制：n连续波数字调制（数字模拟）n脉冲数字调制（模拟数字）n数字数据的数字信号编码（数字数字）三种基本调制二进制信号幅度调制频率调制相位调制为了提高传输速率，采用更为复杂的调制技术。几种调制解调器标准nexample: v.32 采用调

14、幅与相移结合的正交幅度调制nv.32: 9600v.32bis: 14.4k v.34: 28.8k v.34bis: 33.6k v.90: 56k v.92: 56k+3.3.3 rs-232-cnrs-232-c是物理层协议的一个实例，它规范了计算机与调制解调器间的一个串行物理接口标准。n是电子工业协会eia（electronic industries association)1969年制定的标准。n 在该标准中，计算机被称为数据终端设备dte（data terminal equipment)，调制解调器被称为数据电路端接设备dce(data circuit-terminating eq

15、uipment).pstndte 计算机计算机dce modemrs-232-c接口接口dte 计算机计算机dce modemrs-232-c接口接口rs-232-c的机械特性n25芯或9芯d型连接器，dte侧为插针，dce侧为插孔。n具体排列、尺寸、拴锁等。25芯的rs-232-c9芯的rs-232-crs-232-c的功能特性n常用的几个信号说明dtedcetxd发送数据（发送数据（2）rxd接收数据（接收数据（3）rts请求发送（请求发送（4）cts清除发送（清除发送（5）dsr数据装置准备好（数据装置准备好（6）dtr数据终端准备好（数据终端准备好（20）cd载波检测（载波检测（8）r

16、i振铃指示（振铃指示（22）gnd信号地（信号地（7）3.3.4常用的数字编码技术n不归零码（nrz）n用正负电压分别表示二进制的0、1值n曼彻斯特编码n每一比特的中央有一变迁，可用做时钟，由高到低为“1”，由低到高为“0”n差分曼彻斯特编码n“0”和“1”的编码由编码的变化来表示0 0 1 1 0 1原始的基带数字信号中含有大量的直流成分，在信道上易受衰减发生畸变，不适合于长距离传输，因此需对其调制，转换成具有消除直流分量、便于时钟提取等功能的其它特殊码型信号。3.3.5复用技术n复用技术是将多路信号组合在一条物理信道（主干trunk）上进行传输。n频分复用n时分复用n波分复用频分复用fdm

17、时分复用tdmt1信道（北美、日本）：1.544mbpsnt1 supports a total of (7+1) x 24 + 1 bit x 1/125 s x 106 = 193 bit x 1/125 s x 106 = 1.544mbit/sec or 1.544mbpsne1: 2.048mbps8 x 32 x 1/125 x 106 = 2.048mbpsn二次群速率t2: 6.312 ； e2: 8.848 三次群速率t3: 44.736； e3: 34.304 四次群速率t4: 274.176； e4: 139.264 数字传输网的传输技术体制n数字传输网上传输的信号一般都

18、是经过tdm以后形成的数字信号的群路信号。n有两类速率等级信号：npdh（plesiochronous digital hierarchy，准同步数字系列）：复接成群路信号的各支路信号的时钟频率有一定的偏差，复接时通过在各支路信号中插入一定数量的脉冲来实现各支路的同步。主要有北美的t系列和欧洲的e系列这两个互不兼容的标准。nsdh（synchronous digital hierarchy，同步数字系列）：1985年美国贝尔通信研究所提出，称之为sonet（synchronous optical network，同步光网络），1986年成为美国数字体系的新标准。ccitt于1988年接受son

19、et概念，并与ansi达成协议，将sonet修改后重新命名为sdh，使之成为同时适应于光纤、微波、卫星传送的通用技术体制（g.707，g.708，g.709）。整个系统由一个主时钟控制，精度达10-9，因此处于非常精准的同步状态，易于复接和分接。sdh的特点nsdh拥有全世界统一的网络节点接口（nni），是真正的数字传输体制上的国际标准。 sdh有一套开放的标准化光接口，因而使现有pdh中的两大标准得以兼容，可以很方便地在光路上实现互通，使信号传输、复用和交换过程得到简化，大大降低了联网成本。 nsdh拥有一套标准化的信息结构等级，称为同步传送模块（stm），采用同步复用方式，利用软件就可以从

20、高速复用信号中一次分出或插入低速支路信号，使交叉连接分支得以方便实现。nsdh拥有丰富的开销比特，约占信号的5，用于网络的oam（operation、administration、maintenance），从而大大提高了传输的质量和应急能力。另外其网络结构适应性强，各种数字传输体系均可进入其帧结构。sonet/sdh的速率及复用n基本的sonet帧是每125 s的810个字节（用90列 9行描述），因此数据速率= 8 bit 810 byte 8000 hz = 51.84 mbps，这是sonet最基本的信道，称作同步传输信号sts-1（synchronous transport signa

21、l-1）。n多条sts-1支流（tributary）的复用可构成其它的sonet干线，如3条sts-1支流被合成为1条3 51.84 mbps = 155.52 mbps的sts-3流。对应于sts-n的光纤线路被称作oc-n（optical carrier level）。nsdh的基本信道从oc-3开始，称作同步传输模块stm-1（synchronous transport module-1）。noc-n表示由n条单独的oc-1线路组成。而oc-nc表示从一个源来的数据流。sonet/sdh（synchronous optical network/ synchronous digital h

22、ierarchy）sonet/sdh的速率等级sdh等级等级sonet等级等级标准速率标准速率（mbps）oc-1/sts-1 （480 ch）51.8400155 m stm-1（1920 ch）oc-3/sts-3 （1440 ch）155.520stm-3oc-9/sts-9466.560622 m stm-4（7696 ch）oc-12/sts-12 （8046 ch）622.080stm-6oc-18/sts-18933.120stm-8oc-24/sts-241244.160stm-12oc-36/sts-361866.2402.5 gstm-16（30720 ch）oc-48/sts-48 （32356 ch）2488.320波分复用wdm3.6交换技术n通信网包括用户终端、传输系统和交换技术这三个基本元素，交换系统是通信网进行信息交换的控制枢纽。n交换方式n电路交换（circuit switching)n存储交换n报文交换（message switching)n分组交换（packet sw