计算机网络课件-物理层2[1]

1、计算机网络计算机网络computer networks蔡丽蔡丽QQ:3663279第第 2 章章 物理层物理层2.1 物理层的基本概念物理层的基本概念2.2 数据通信的基础知识数据通信的基础知识2.2.1 数据通信系统的模型数据通信系统的模型2.2.2 有关信道的几个基本概念有关信道的几个基本概念2.2.3 信道的极限容量信道的极限容量物理层的定义物理层的定义n物理层物理层提供提供机械的、电气的、功能的和规机械的、电气的、功能的和规程的特性，程的特性，目的目的是启动、维护和关闭数据是启动、维护和关闭数据链路实体之间进行比特传输的链路实体之间进行比特传输的物理连接物理连接。这种连接可能通过中继系

2、统，在中继系统这种连接可能通过中继系统，在中继系统内的传输也是在物理层的。内的传输也是在物理层的。物理层的功能物理层的功能n在两个网络设备之间提供在两个网络设备之间提供透明的比特流传透明的比特流传输输。物理层的主要任务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：描述为确定与传输媒体的接口的一些特性，即： n机械特性机械特性 指明接口所用接线器的形状和尺寸、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。引线数目和排列、固定和锁定装置等等。n电气特性电气特性 指明在接口电缆的各条线上出现的指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。电压的范围。n功能特性功能特性

3、指明某条线上出现的某一电平的电指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义。压表示何种意义。n过程特性过程特性 指明对于不同功能的各种可能事件指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。的出现顺序。 2.2 数据通信的基础知识数据通信的基础知识2.2.1 数据通信系统的模型数据通信系统的模型2.2.2 有关信道的几个基本概念有关信道的几个基本概念2.2.3 信道的极限容量信道的极限容量2.2.1 数据通信系统的模型数据通信系统的模型 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

4、数据通信系统源系统目的系统传输系统输出信息PC 机 2.2.2 有关信道的几个基本概念有关信道的几个基本概念n信号信号n数据传输类型数据传输类型n通信方式通信方式n同步方式同步方式 n调制方法调制方法2.2.3 信道的极限容量信道的极限容量 n香农公式香农公式n信道的极限信息传输速率信道的极限信息传输速率 C 可表达为可表达为n C = W log2(1+S/N) b/s W 为信道的带宽（以为信道的带宽（以 Hz 为单位）；为单位）；S 为信道内所传信号的平均功率；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。为信道内部的高斯噪声功率。信噪比信噪比nS/N为信噪比。为信噪比。n由

5、于实际使用的信道的信噪比都要足够大由于实际使用的信道的信噪比都要足够大,故常表故常表示成示成10log10(S/N),以分贝以分贝(dB)为单位来计量。为单位来计量。n信噪比为信噪比为30dB ，则，则S/N1000。n30 10log10(S/N)n3 log10(S/N),n103 S/N2.3 物理层下面的传输媒体物理层下面的传输媒体2.3.1 导向传输媒体导向传输媒体2.3.2 非导向传输媒体非导向传输媒体2.3 物理层下面的传输媒体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(Hz)f (Hz)fLF

6、MFHFVHF UHF SHFEHFTHF波段104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016100 102 104 106 108 1010 1012 1014 1016 1018 1020 1022 1024 移动无线电 电信领域使用的电磁波的频谱电信领域使用的电磁波的频谱传输介质传输介质n传输介质可以分为有线和无线传输介质传输介质可以分为有线和无线传输介质在有线介质中，电磁波沿着物理通路在有线介质中，电磁波沿着物理通路呈导向性传播呈导向性传播无线介质可以传播电磁波，但无线介质可以传播电磁波，但并不为它们导向并不为它们导向

7、n有线介质有：双绞线、同轴电缆、光纤有线介质有：双绞线、同轴电缆、光纤等等n无线介质一般指自由空间（大气、真空）无线介质一般指自由空间（大气、真空）2.3.1 导向传输媒体导向传输媒体n双绞线双绞线屏蔽双绞线屏蔽双绞线 STP (Shielded Twisted Pair)无屏蔽双绞线无屏蔽双绞线 UTP (Unshielded Twisted Pair) n同轴电缆同轴电缆50 同轴电缆同轴电缆75 同轴电缆同轴电缆n光缆光缆 非屏蔽双绞线（非屏蔽双绞线（UTP）n由由4对双绞线和一层塑料护套构成对双绞线和一层塑料护套构成n完全依靠双绞线对产生的消除效果来限制由电完全依靠双绞线对产生的消除效

8、果来限制由电磁干扰和无线电频率干扰而引起的信号退化磁干扰和无线电频率干扰而引起的信号退化nEIA/TIA为非屏蔽双绞线定义了六种不同的质为非屏蔽双绞线定义了六种不同的质量类别，常用的有量类别，常用的有3类（类（CAT-3）、）、5类（类（CAT-5） 、超、超5类（类（CAT-5e）和）和6类（类（CAT-6）n优点：优点：1、容易安装且比其它类型的网络介质、容易安装且比其它类型的网络介质便宜；便宜；2、尺寸较小，节省空间；、尺寸较小，节省空间；n缺点：缺点：1、易受电磁信号干扰；、易受电磁信号干扰；2、传输距离短、传输距离短非屏蔽双绞线（非屏蔽双绞线（UTP）屏蔽双绞线（屏蔽双绞线（STP）

9、n屏蔽双绞线结合了屏蔽技术和消除技术屏蔽双绞线结合了屏蔽技术和消除技术n4对线缆全由金属薄片包围着对线缆全由金属薄片包围着n优点：屏蔽双绞线能对所有类型的外界优点：屏蔽双绞线能对所有类型的外界干扰更有效地进行阻止干扰更有效地进行阻止n缺点：在安装费用和难度方面，它比非缺点：在安装费用和难度方面，它比非屏蔽双绞线要昂贵和更困难屏蔽双绞线要昂贵和更困难屏蔽双绞线（屏蔽双绞线（STP）同轴电缆同轴电缆n结构：内导体、绝缘材料、外导体（屏蔽层）、保护套结构：内导体、绝缘材料、外导体（屏蔽层）、保护套n基带同轴电缆基带同轴电缆(50 )、宽带同轴电缆、宽带同轴电缆(75 )n粗缆粗缆连接距离长，可靠性高

10、但安装难度大，造价高连接距离长，可靠性高但安装难度大，造价高n细缆细缆安装较简单，造价也低，但需切断电缆安装网络连接头安装较简单，造价也低，但需切断电缆安装网络连接头BNC，当接头多时容易产生接触不良的现象，当接头多时容易产生接触不良的现象外导体屏蔽层绝缘层绝缘保护套层内导体同轴电缆的连接器同轴电缆的连接器nT型连接头型连接头nBNC连接器连接器n终端匹配电阻终端匹配电阻 T型连接头型连接头 BNC连接器连接器 终端匹配电阻终端匹配电阻 光纤光纤n光纤（光纤（optical fiber）即光导纤维。利用光导纤维作为光）即光导纤维。利用光导纤维作为光的传输介质，以光波为信号载体的光纤通信。的传输

11、介质，以光波为信号载体的光纤通信。n优点：优点：抗电磁干扰能力强抗电磁干扰能力强低损耗低损耗高传输速率高传输速率n缺点：缺点：费用高费用高不易安装和维护不易安装和维护质地脆易断裂，机械性能差质地脆易断裂，机械性能差光纤的结构光纤的结构n纤芯：具有高折射率的纯玻璃纤芯：具有高折射率的纯玻璃n包层：具有较低折射率的玻璃或塑料制成包层：具有较低折射率的玻璃或塑料制成n护套：塑料制成的保护套护套：塑料制成的保护套光线在光纤中的折射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光纤的工作原理高折射率(纤芯)低折射率(包层)

12、光线在纤芯中传输的方式是不断地全反射光纤模式类型光纤模式类型n多模光纤多模光纤不同的光线以不同的反射角传播，可以认为每一束不同的光线以不同的反射角传播，可以认为每一束光线有一个不同的模式光线有一个不同的模式特点：存在色散现象，适于中短距离中小容量的通特点：存在色散现象，适于中短距离中小容量的通信信n单模光纤单模光纤光纤的直径被减小到一个光波波长大小，光在其中光纤的直径被减小到一个光波波长大小，光在其中没有反射，而是沿直线传播没有反射，而是沿直线传播特点：传输距离远；衰减小；传输速率高；但价格特点：传输距离远；衰减小；传输速率高；但价格昂贵；适于大容量远距离通信昂贵；适于大容量远距离通信输入脉冲

13、输出脉冲单模光纤多模光纤与单模光纤多模光纤与单模光纤输入脉冲输出脉冲多模光纤光纤传输系统光纤传输系统n光源：光源：LED(发光二极管发光二极管)ILD(注入式激光二极管注入式激光二极管)n光检测器：光检测器：光电二极管光电二极管(PIN)雪崩光电二极管雪崩光电二极管(APD)LED与与ILD比较比较LEDILD数据速率数据速率低低高高模式模式多模多模多模或单模多模或单模传输距离传输距离短短长长使用寿命使用寿命长长短短工作温度范工作温度范围围较宽较宽较窄较窄造价造价低低高高2.3.2 非导向传输媒体非导向传输媒体 n自由空间自由空间n传输方式传输方式无线电波（全向）无线电波（全向）地面微波（定向

14、）地面微波（定向）卫星微波（定向）卫星微波（定向）红外传输（定向）红外传输（定向）激光（定向）激光（定向） 无线局域网使用的无线局域网使用的 ISM 频段频段 26 83.5 125频带 MHz MHz MHz频率 902 928 2.4 2.4835 5.725 5.850 MHz MHz GHz GHz GHz GHz第第 2 章章 物理层（续）物理层（续）2.4 信道复用技术信道复用技术 2.4.1 频分复用、时分复用和统计时分复用频分复用、时分复用和统计时分复用 2.4.2 波分复用波分复用 2.4.3 码分复用码分复用2.5 数字传输系统数字传输系统2.6 宽带接入技术宽带接入技术

15、2.6.1 xDSL技术技术 2.6.2 光纤同轴混合网（光纤同轴混合网（HFC 网）网） 2.6.3 FTTx 技术技术2.4 信道复用技术信道复用技术2.4.1 频分复用、时分复用和统计时分复用频分复用、时分复用和统计时分复用2.4.2 波分复用波分复用2.4.3 码分复用码分复用复用技术复用技术 n复用复用(multiplexing)是通信技术中的基本是通信技术中的基本概念。概念。 +( )+A1A2B1B2C1C2A1A2B1B2C1C2共享信道(a) 使用单独的信道(b) 使用共享信道复用分用频分复用频分复用 FDM(Frequency Division Multiplexing)

16、n用户在分配到一定的频带后，在通信过程中自始至终都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。占用这个频带。n频分复用频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源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（请注意，这里的“带宽带宽”是频率带宽而不是数据的发是频率带宽而不是数据的发送速率）。送速率）。 频率时间频率 1频率 2频率 3频率 4频率 5时分复用时分复用TDM(Time Division Multiplexing) n时分复用时分复用则是将时间划分为一段段等长的则是将时间划分为一段段等长的时分复时分复用帧用帧（TDM 帧）。每一个时分复用的用户在每

17、一帧）。每一个时分复用的用户在每一个个 TDM 帧中占用固定序号的时隙。帧中占用固定序号的时隙。n每一个用户所占用的时隙是每一个用户所占用的时隙是周期性地出现周期性地出现（其周（其周期就是期就是 TDM 帧的长度）。帧的长度）。nTDM 信号也称为信号也称为等时等时(isochronous)信号。信号。n时分复用的所有用户是在不同的时间占用时分复用的所有用户是在不同的时间占用同样的同样的频带宽度。频带宽度。时分复用时分复用 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 帧时分复用时分复用 频率时间C DC

18、DC DAAAABBBB C DB 在 TDM 帧中的位置不变TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧时分复用时分复用 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 帧时分复用时分复用 频率时间B CB CB CAAAA B CDDDDD 在 TDM 帧中的位置不变TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧时分复用可能会造成时分复用可能会造成线路资源的浪费线路资源的浪费 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

19、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。 统计时分复用统计时分复用 STDM(Statistic TDM) 用户ABCDabcdttttt3 个 STDM 帧#1acbab bcacd#2#3统计时分复用集中器 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 波分复用波分复用 WDM(Wavelength

20、Division Multiplexing) n波分复用就是光的频分复用。波分复用就是光的频分复用。 8 2.5 Gb/s1310 nm20 Gb/s复用器分用器掺饵光纤放大器掺饵光纤放大器EDFA120 km光调制器光解调器8 2.5 Gb/s1310 nm2.4.3 码分复用码分复用 CDM(Code Division Multiplexing) n常用的名词是常用的名词是码分多址码分多址 CDMA (Code Division Multiple Access)。n各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因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。此彼此不会造成干扰。n这种系统发送

21、的信号有很强的抗干扰能力，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。其频谱类似于白噪声，不易被敌人发现。 n每一个比特时间划分为每一个比特时间划分为 m 个短的间隔，称个短的间隔，称为为码片码片(chip)。码片序列码片序列(chip sequence) n每个站被指派一个唯一的每个站被指派一个唯一的 m bit 码片序列。码片序列。如发送比特如发送比特 1，则发送自己的，则发送自己的 m bit 码片序列。码片序列。如发送比特如发送比特 0，则发送该码片序列的二进制反码。，则发送该码片序列的二进制反码。 n例如，例如，S 站的站的 8 bit 码片序列是码片序

22、列是 00011011。发送比特发送比特 1 时，就发送序列时，就发送序列 00011011，发送比特发送比特 0 时，就发送序列时，就发送序列 11100100。nS 站的码片序列：站的码片序列：(1 1 1 +1 +1 1 +1 +1) CDMA 的重要特点的重要特点n每个站分配的码片序列不仅必须每个站分配的码片序列不仅必须各不相同各不相同，并且还必须并且还必须互相正交互相正交(orthogonal)。n在实用的系统中是使用伪随机码序列。在实用的系统中是使用伪随机码序列。 码片序列的正交关系码片序列的正交关系 n令向量令向量 S 表示站表示站 S 的码片向量，令的码片向量，令 T 表示表示

23、其他任何站的码片向量。其他任何站的码片向量。 n两个不同站的码片序列正交，就是向量两个不同站的码片序列正交，就是向量 S 和和T 的规格化内积的规格化内积(inner product)都是都是 0： 011miiiTSmTS(2-3)码片序列的正交关系举例码片序列的正交关系举例 n令向量令向量 S 为为(1 1 1 +1 +1 1 +1 +1)，向量向量 T 为为(1 1 +1 1 +1 +1 +1 1)。 n把向量把向量 S 和和 T 的各分量值代入的各分量值代入(2-3)式式就可看出这两个码片序列是正交的。就可看出这两个码片序列是正交的。 n任何一个码片向量和该码片向量自己的规格化内积任何

24、一个码片向量和该码片向量自己的规格化内积都是都是1 。n一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是是 1。 n例：向量例：向量S为为(1 1 1 +1 +1 1 +1 +1)。n则：则：S * S1n S * S1正交关系的另一个重要特性正交关系的另一个重要特性 mimiimiiimSmSSm112211) 1(111SSCDMA 的工作原理的工作原理 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例例n共有

25、四个站进行码分多址共有四个站进行码分多址CDMA通信，四个站的通信，四个站的码片序列为：码片序列为：nA:（ -1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1 ）nB:（ -1 -1 +1 -1 +1 +1 +1 -1 ）nC:（ -1 +1 -1 +1 +1 +1 -1 -1 ）nD:（ -1 +1 -1 -1 -1 -1 +1 -1 ）n现收到这样的码片序列（现收到这样的码片序列（-1 +1 -3 +1 -1 -3 +1 +1）n问哪个站发送数据了？发送的是问哪个站发送数据了？发送的是1还是还是0？解解nSA=（11311311）8=1，nSB=（11311311）8=1，nSC=（1131

26、1311）8=0，nSD=（11311311）8=1，nA发送发送1 B发送发送0 C无发送无发送 D发送发送12.5 数字传输系统数字传输系统n脉码调制的基本概念脉码调制的基本概念n脉码调制脉码调制 PCM 体制体制n同步光纤网同步光纤网 SONET 和同步数字系列和同步数字系列 SDH脉码调制脉码调制n为了将模拟电话信号转变为数字信号，必须对电话为了将模拟电话信号转变为数字信号，必须对电话信号进行取样信号进行取样。即每隔一定的时间间隔，取模拟信。即每隔一定的时间间隔，取模拟信号的当前值作为样本。该样本代表了模拟信号在某号的当前值作为样本。该样本代表了模拟信号在某一时刻的瞬时值。一系列连一时

27、刻的瞬时值。一系列连 续的样本可用来代表续的样本可用来代表模拟信号在某一区间随时间变化的值。取样的频率模拟信号在某一区间随时间变化的值。取样的频率可根据奈氏取样定理可根据奈氏取样定理 确定。确定。n奈氏取样定理奈氏取样定理表述为，只要取样频率大于模拟信号表述为，只要取样频率大于模拟信号最高频率的最高频率的2倍，则可以用得到的样本空间恢复原倍，则可以用得到的样本空间恢复原来的模拟信号。即来的模拟信号。即12112m axffT脉码调制脉码调制PCM的基本原理（a）模拟电话信号 （b）取样后的脉冲信号 （c）编码后的数字信号（d）解码后的脉冲信号 （e）恢复后的模拟电话信号 数字数据信号编码数字数

28、据信号编码n基带传输中采用的编码方式常用的有以下基带传输中采用的编码方式常用的有以下3 3种：种：不归零编码不归零编码NRZNRZ曼切斯特编码曼切斯特编码差分曼切斯特编码差分曼切斯特编码 不归零编码不归零编码NRZNRZn规定用负电平表示规定用负电平表示“0”0”，用正电平表示，用正电平表示“1”1”。n为保证收发正确，必须另外传送时钟同步为保证收发正确，必须另外传送时钟同步信号，信号，n如果如果“1”1”与与“0”0”个数不相等时，存在直个数不相等时，存在直流分量，增大了损耗。流分量，增大了损耗。曼切斯特编码曼切斯特编码n发送发送“0”0”时，前一半时间为低电平，后一时，前一半时间为低电平，

29、后一半时间为高电平。半时间为高电平。n发送发送“1”1”时，前一半时间为高电平，后一时，前一半时间为高电平，后一半时间为低电平。半时间为低电平。n中间的跳变作为同步信号。中间的跳变作为同步信号。n曼氏编码不含直流分量，但编码效率较低。曼氏编码不含直流分量，但编码效率较低。差分曼切斯特编码差分曼切斯特编码n是对曼氏编码的改进。是对曼氏编码的改进。n每比特的中间跳变仅做同步用。每比特的中间跳变仅做同步用。n每比特的值根据其开始边界是否发生跳每比特的值根据其开始边界是否发生跳变决定。变决定。n发生跳变表示发生跳变表示“0”0”，不发生跳变表示，不发生跳变表示“1”1”。编码示意图编码示意图 脉码调制

30、脉码调制 PCM 体制体制 n脉码调制脉码调制 PCM 体制最初是为了在电话局之间的中体制最初是为了在电话局之间的中继线上传送多路的电话。继线上传送多路的电话。n由于历史上的原因，由于历史上的原因，PCM 有两个互不兼容的国际有两个互不兼容的国际标准，即北美的标准，即北美的 24 路路 PCM（简称为（简称为 T1）和欧洲）和欧洲的的 30 路路 PCM（简称为（简称为 E1）。我国采用的是欧洲）。我国采用的是欧洲的的 E1 标准。标准。nE1 的速率是的速率是 2.048 Mb/s，而，而 T1 的速率是的速率是 1.544 Mb/s。n当需要有更高的数据率时，可采用复用的方法。当需要有更高的数据率时，可采用复用的方法。 E1标准标准nE1的时分复用帧长度的时分复用帧长度T=0.125usn有有32个时隙个时隙n每个时隙传送每个时隙传送8bit的数据的数据n因此因此E1的速率为的速率为3281/T25680002.048MbpsT1标准标准n