计算机网络件谢希仁编著物理层

1、会计学1计算机网络件谢希仁编著物理层计算机网络件谢希仁编著物理层第1页/共230页第2页/共230页第3页/共230页第4页/共230页传输系统输入信息输入数据发送的信号接收的信号输出数据源点终点发送器接收器调制解调器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 输入汉字显示汉字数据通信系统源系统目的系统传输系统输出信息PC 机第5页/共230页第6页/共230页第7页/共230页Figure 4.31 Data transmission and modes第8页/共230页Figure 4.32 Parallel transmission第9页/共230页Figure 4

2、.33 Serial transmission第10页/共230页In asynchronous transmission, we send 1 start bit (0) at the beginning and 1 or more stop bits (1s) at the end of each byte. There may be a gap between each byte.Note第11页/共230页Asynchronous here means “asynchronous at the byte level,”but the bits are still synchronize

3、d; their durations are the same.Note第12页/共230页Figure 4.34 Asynchronous transmission第13页/共230页In synchronous transmission, we send bits one after another without start or stop bits or gaps. It is the responsibility of the receiver to group the bits.Note第14页/共230页Figure 4.35 Synchronous transmission第1

4、5页/共230页Figure 4.2 Signal element versus data element第16页/共230页第17页/共230页第18页/共230页Figure 3.1 Comparison of analog and digital signals第19页/共230页第20页/共230页第21页/共230页S (t)=A sin(2ft+ ) 第22页/共230页第23页/共230页Figure 3.3 Two signals with the same phase and frequency, but different amplitudes第24页/共230页Figur

5、e 3.4 Two signals with the same amplitude and phase, but different frequencies第25页/共230页Figure 3.5 Three sine waves with the same amplitude and frequency, but different phases第26页/共230页第27页/共230页第28页/共230页Figure The time-domain and frequency-domain plots of a sine wave第29页/共230页Figure The time domai

6、n and frequency domain of three sine waves第30页/共230页If the composite signal is periodic, the decomposition gives a series of signals with discrete frequencies; if the composite signal is nonperiodic, the decomposition gives a combination of sine waves with continuous frequencies.第31页/共230页Figure 3.1

7、1 The time and frequency domains of a nonperiodic signal第32页/共230页Figure 3.12 The bandwidth of periodic and nonperiodic composite signals第33页/共230页Figure 3.9 A composite periodic signal第34页/共230页Figure 3.10 Decomposition of a composite periodic signal in the time and frequency domains第35页/共230页Figur

8、e 3.11 The time and frequency domains of a nonperiodic signal第36页/共230页The bandwidth of a composite signal is the difference between thehighest and the lowest frequencies contained in that signal.Note第37页/共230页第38页/共230页方波的频域函数-X/2X/210第39页/共230页第40页/共230页第41页/共230页其中K奇数，k=1-第42页/共230页数字信号与带宽第43页/共2

9、30页模拟数据（语音波形）模拟信号传输会衰减，要增加放大器。放大器同时也放大噪声。多个放大器级联容易造成失真。适合模拟数据，不适合数据数据（容易造成差错）用连续变化的电磁波表示数据第44页/共230页用电压脉冲系列表示数据数字信号长距离传输需要中继器（repeater）第45页/共230页两种选择（1）信号占用与模拟数据同样的频谱；（2）模拟数据被编码，占用不同的频谱（调制）。模拟数据通过编解码器产生数字比特流使用modem，把数字数据变成模拟信号两种选择（1）信号有两个电平组成，代表两个二进制值；（2）数字数据被编码后，产生具有所要求属性的数字信号。模拟数据数字数据模拟信号数字信号（a)数据

10、与信号第46页/共230页通过放大器传输通过中继器传输不使用通过中继器传输模拟传输数字传输模拟信号数字信号第47页/共230页第48页/共230页第49页/共230页Terms units DefinitionData element bits a single binary one or zeroDate rate bits per second 数据元素传输的速率信号元素一个固定振幅的电压脉冲在一个信号传输的代码中占据最小间隔的那部分信号调制速率信号元素/秒（baud）信号元素传输的速率第50页/共230页Figure 3.16 Two digital signals: one with

11、two signal levels and the other with four signal levels第51页/共230页Figure 3.17 The time and frequency domains of periodic and nonperiodic digital signals第52页/共230页Figure 4.3 Effect of lack of synchronization第53页/共230页缺乏同步的效果第54页/共230页Figure 3.18 Baseband transmission第55页/共230页A digital signal is a com

12、posite analog signal with an infinite bandwidth.Note第56页/共230页Figure 3.20 Baseband transmission using a dedicated medium第57页/共230页Baseband transmission of a digital signal that preserves the shape of the digital signal is possible only if we have a low-pass channel with an infinite or very wide band

13、width.Note第58页/共230页Figure 3.21 Rough approximation of a digital signal using the first harmonic for worst case第59页/共230页Figure 3.22 Simulating a digital signal with first three harmonics第60页/共230页In baseband transmission, the required bandwidth is proportional to the bit rate;if we need to send bit

14、s faster, we need more bandwidth.NoteIn baseband transmission, the required bandwidth is proportional to the bit rate;if we need to send bits faster, we need more bandwidth.第61页/共230页Figure 4.4 Line coding schemes第62页/共230页不归零电平(Nonreturn to Zero-Level NRZ-L) 在一个比特的周期内，其电平恒定，没有变化（不会回到零电平）。可用零电平或负电平代

15、表二进制0，用正电平代表二进制1. 通常用在中断或其他设备中。以生成或解释其他数字数据。第63页/共230页不归零1制(Nonreturn to Zero, invert on ones NRZI) 在一个比特的周期内，其电平恒定，没有变化（不会回到零电平）。在每个比特的起始时刻如果有跳变，则表示这个比特代表二进制的 1，没有跳变的代表二进制的0。 NRZ信号的主要局限是它具有直流成分，并且缺乏同步能力。第64页/共230页Manchester 每个比特的中央有一个跳变。比特中央的跳变，不仅表示了数据，还提供了定时机制。 一个从低到高的跳变代表二进制的 1，一个从高到低的跳变代表二进制的0。

16、第65页/共230页Differential Manchester 编码0由比特周期起始时存在的跳变表示，而编码1由比特周期起始处没有跳变表示。 双相位编码在数据传输中受到欢迎。具有同步、没有直流分量、差错检错的特点。 在IEEE802.3和IEEE802.5中有定义。 第66页/共230页第67页/共230页第68页/共230页第69页/共230页第70页/共230页第71页/共230页严格说法是把模拟数据转换成数字数据，称为数字化。第72页/共230页脉冲编码调制，用于把模拟信号变为数字数据（数字化）。其包括三个步骤：1.采样 2. 量化 3. 编码第73页/共230页Figure 4.2

17、1 Components of PCM encoderPAM:脉冲幅度调制第74页/共230页第75页/共230页Figure 4.22 Three different sampling methods for PCM平顶波形保持模拟波形第76页/共230页第77页/共230页第78页/共230页Figure 4.26 Quantization and encoding of a sampled signal第79页/共230页第80页/共230页第81页/共230页第82页/共230页第83页/共230页第84页/共230页第85页/共230页第86页/共230页第87页/共230页0100

18、11100基带信号调幅调频调相第88页/共230页r(r, )可供选择的相位有 12 种，而对于每一种相位有 1 或2 种振幅可供选择。 由于4 bit 编码共有16 种不同的组合，因此这 16 个点中的每个点可对应于一种 4 bit 的编码。 若每一个码元可表示的比特数越多，则在接收端进行解调时要正确识别每一种状态就越困难。 举例第89页/共230页第90页/共230页实际的信道（带宽受限、有噪声、干扰和失真）发送信号波形接收信号波形发送信号波形实际的信道（带宽受限、有噪声、干扰和失真）接收信号波形第91页/共230页第92页/共230页Figure 3.25 Causes of impai

19、rment第93页/共230页第94页/共230页Figure 3.26 Attenuation第95页/共230页第96页/共230页Figure 3.28 Distortion第97页/共230页第98页/共230页Figure 3.29 Noise第99页/共230页n不同频率的信号共享一个传输媒体时，可能会产生互调噪声。互调噪声带来的影响是产生了额外的信号，其频率为两个原频率的之和或之差，也可能是若干倍的原频率。n例如：将频率为f1和f2的信号混合在一起，就有可能产生频率为f1+f2的能量，这一生产的信号可能会在频率f1+f2的地方干扰需要的信号。n产生：是发送器或接收器中存在非线性因

20、素，或是传输系统受到干扰。第100页/共230页第101页/共230页第102页/共230页第103页/共230页第104页/共230页第105页/共230页第106页/共230页第107页/共230页第108页/共230页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(Hz)f (Hz)fLFMFHFVHFUHF SHFEHFTHF波段104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016100 102 104 106 108 1010 1012 1014 1016 1

21、018 1020 1022 1024 移动无线电 电信领域使用的电磁波的频谱第109页/共230页第110页/共230页Figure 7.2 Classes of transmission media第111页/共230页Figure 7.1 Transmission medium and physical layer第112页/共230页第113页/共230页铜线铜线聚氯乙烯 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同轴电缆第114页/共230页Figure 7.3 Twisted-pair cable第115页/共230页

22、绞合能降低电缆中相邻对之间的串扰干扰。在长距离的链路中，绞合长度通常为515cm，线的粗细为0.40.9mm。水晶头（connector）： RJ-11:电话用 RJ-45：局域网用。第116页/共230页不易受到电磁干扰；更长距离传输；更大的带宽第117页/共230页Figure 7.7 Coaxial cable第118页/共230页Table 7.2 Categories of coaxial cables第119页/共230页Figure 7.8 BNC connectors第120页/共230页双绞线类别带宽典型应用316MHz低速网络；模拟电话420MHz短距离的10BASE-T以

23、太网5100MHz10BASE-T以太网；某些100BASE-T快速以太网5E100MHz100BASE-T快速以太网；某些1000BASE-T以太网6250MHz1000BASE-T以太网；ATM网络7600MHz可能用于今后的10吉比特以太网第121页/共230页Figure 7.5 UTP connector第122页/共230页折射角入射角 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） 包层纤芯当光线从高折射率的媒体射向低折射率的媒体时，其折射角将大于入射角。如果入射角足够大，就会出现全反射，即光线碰到包层时，就会折射回纤芯。第123页/共230页Figure

24、 7.10 Bending of light ray第124页/共230页高折射率(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第125页/共230页Figure 7.12 Propagation modes第126页/共230页输入脉冲输出脉冲单模光纤输入脉冲输出脉冲多模光纤第127页/共230页第128页/共230页Figure 7.13 Modes第129页/共230页Table 7.3 Fiber types第130页/共230页Figure 7.14 Fiber construction第131页/共230页Figure 7.15 Fiber-optic cable c

25、onnectors第132页/共230页第133页/共230页第134页/共230页Figure 7.17 Electromagnetic spectrum for wireless communication3kHz900THz可用于无线通信第135页/共230页Figure 7.18 Propagation methods第136页/共230页Table 7.4 Bands第137页/共230页Figure 7.19 Wireless transmission waves3kHz1GHz1GHz300GHz第138页/共230页Figure 7.20 Omnidirectional ant

26、enna向各个方向发送信号第139页/共230页Radio waves are used for multicast communications, such as radio and television, and paging systems.Note第140页/共230页Microwaves are used for unicast communication such as cellular telephones, satellite networks,and wireless LANs.微波传播是直线的(line-of-sight)微波传输需要单向天线第141页/共230页Figur

27、e 7.21 Unidirectional antennas用于发送第142页/共230页Infrared signals can be used for short-range communication in a closed area using line-of-sight propagation.频率范围：300GHz400GHzNote第143页/共230页第144页/共230页Figure 6.1 Dividing a link into channels第145页/共230页Figure 6.2 Categories of multiplexing第146页/共230页共享信道信

28、道A1A2B1B2C1C2信道信道A1A2B1B2C1C2复用分用(a) 不使用复用技术(b) 使用复用技术第147页/共230页频率时间频率 1频率 2频率 3频率 4频率 5第148页/共230页Figure 6.3 Frequency-division multiplexing第149页/共230页FDM is an analog multiplexing technique that combines analog signals.Note第150页/共230页Figure 6.4 FDM process第151页/共230页Figure 6.5 FDM demultiplexing

29、example第152页/共230页Figure 6.6 Example 6.1第153页/共230页第154页/共230页Figure 6.12 TDM第155页/共230页分为同步时分复用和统计时分复用。在同步时分复用(STDM)中，每个输入占用一个输入时隙（time slot）。第156页/共230页In synchronous TDM, the data rate of the link is n times faster, and the unit duration is n times shorter.如果一个输入时隙是T秒，则输出时隙是T/n 秒。下图为n=3Note第157页/

30、共230页Figure 6.13 Synchronous time-division multiplexing第158页/共230页频率时间B C DB C DB C DB C DAAAAA 在 TDM 帧中的位置不变TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧第159页/共230页频率时间C DC DC DAAAABBBB C DB 在 TDM 帧中的位置不变TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧第160页/共230页频率时间BDBDBDAAAA BCCCC DC 在 TDM 帧中的位置不变TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧第161页/共230页频率时间B

31、CB CB CAAAA B CDDDDD 在 TDM 帧中的位置不变TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧第162页/共230页ABCDaabbcdb cattttt4 个时分复用帧#1acbcd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。 第163页/共230页用户ABCDabcdttttt3 个 STDM 帧#1acbab bcacd#2#3统计时分复用第164页/共230页Figure 6.26 TDM slot comparison第165页/共230页第166页/共230页STDM 的工作第

32、167页/共230页 1550 nm 0 1551 nm 1 1552 nm 2 1553 nm 3 1554 nm 4 1555 nm 5 1556 nm 6 1557 nm 70 1550 nm 1 1551 nm 2 1552 nm 3 1553 nm 4 1554 nm 5 1555 nm 6 1556 nm 7 1557 nm 8 2.5 Gb/s1310 nm20 Gb/s复用器分用器EDFA120 km光调制器光解调器第168页/共230页Figure 6.10 Wavelength-division multiplexing第169页/共230页Figure 6.11 Pris

33、ms in wavelength-division multiplexing and demultiplexing第170页/共230页第171页/共230页第172页/共230页d1*c1+d2*c2+d3*c3+d4*c4data公共信道12d1d2d1*c1d2*c234d3d4d3*c3d4*c4第173页/共230页第174页/共230页第175页/共230页 -1 -1 -3 +1data公共信道12-1d2*c2340+1d3*c3d4*c4Bit 0+1 +1 +1 +1 C1d1*c1-1 -1 -1 -1Bit 0-1-1 +1 -1 +1 C2+1 -1 +1 -1sil

34、ent C3+1 +1 -1 -10 0 0 0Bit 1 C4+1 -1 -1 +1+1 -1 -1 +1第176页/共230页Bit 0 站1-1 -1 -1 -1tBit 0 站2-1 +1 -1 +1t Silent 站30 0 0 0tBit 1 站4+1 -1 +1 -1t第177页/共230页信道上的数据t解码：站点3站点2的代码+1 -1 +1 -1t内积t值求和-4/4=-1- bit 0第178页/共230页第179页/共230页第180页/共230页011miiiTSmTS(2-3)第181页/共230页第182页/共230页mimiimiiimSmSSm112211)

35、1(111SS第183页/共230页S 站的码片序列 S110ttttttm 个码片tS 站发送的信号 SxT 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第184页/共230页第185页/共230页第186页/共230页第187页/共230页第188页/共230页线路速率(Mb/s)SONET符号ITU-T符号表示线路速率的常用近似值 51.840OC-1/STS-1 155.520OC-3/STS-3STM-1155 Mb/s 466.560OC-9/STS-9STM-3 622.080OC-12/STS-12STM-462

36、2 Mb/s 933.120OC-18/STS-18STM-61244.160OC-24/STS-24STM-82488.320OC-48/STS-48STM-162.5 Gb/s4976.640OC-96/STS-96STM-329953.280OC-192/STS-192STM-6410 Gb/s39813.120 OC-768/STS-768 STM-256 40 Gb/s SONET 的 OC 级/STS 级与 SDH 的 STM 级的对应关系 第189页/共230页光子层路径层线路层段层线路 (line)光子层路径层线路层段层光子层线路层段层光子层段层光子层线路层段层光子层段层SDH

37、终端SDH终端复用器或分用器复用器或分用器转发器转发器段段段路径 (path)(section)(section)(section)第190页/共230页第191页/共230页第192页/共230页第193页/共230页第194页/共230页第195页/共230页第196页/共230页第197页/共230页第198页/共230页频谱频率上行信道传统电话04下行信道(kHz)401381100第199页/共230页第200页/共230页分离器用于分离语音和数据通信。ADSL modem使用DTM（离散多音频调制技术）对数据进行调制和解调，创建下行和上行信道。分离器需安装在用户家中。第201页/共

38、230页也需要分离器。在电话公司一端，使用digital subscriber line access multiplexer (DSLAM)。其作用与ADSL modem类似；同时还把数据分组发送到ISP。第202页/共230页ATU-CATU-CATU-RATU-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PSPS数字用户线接入复用器 DSLAM (DSL Access Multiplexer)接入端接单元 ATU (Access Termination Unit)ATU-C（C 代表端局 Central Office）ATU-R（R 代表远端 Remote）电话分离器 PS (POTS Splitter) 第203页/共230页第204页/共230页n安装分离器和数据线可能昂贵及不方便。nADSL技术的新版本ADSL Lite（or Universal ADSL or splitter