第2章 物理层 9.20.ppt

1、授课老师：葛苏慧 办公地点：网络与信息安全教研室1413 电子邮件: ,第 2 章 物理层,2.1 物理层的基本概念 2.2 数据通信的基础知识 2.3 物理层下面的传输媒体 2.4 信道复用技术 2.5 数字传输系统 2.6 宽带接入技术,2.1 物理层的基本概念 注！ 传输媒体本身并不属于物理层的范围 物理层的主要任务：确定与传输媒体接口有关的一些特性，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、锁定装置等； 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； 过程特性：指明对于不同功能的各种可能事件的出

2、现顺序； 转换传输方式：计算机中并行和通信线路上串行传输方式的转换。,2.2 数据通信的基础知识,2.2.1 数据通信系统的模型,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,PC 机,键 盘,屏 幕,调制器,解调器,演示！,常用术语,消息(message)话音、文字、图像等都是消息； 数据(data)运送消息的实体； 信号(signal)数据的物理表现，如电气或电磁。 模拟信号(analogous)消息的参数的取值是连续的，如时间、温度、声音。 数字信号(digital)消息的参数的取值是离散的，二进制数、电脉冲。 码元(c

3、ode)使用时间域（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就称为码元，在使用二进制编码时，只有两种不同的码元：0、1。,2.2.2 有关信道的几个基本概念,信道:向某一个方向传送信息的媒体。 一条通信电路通常包含条信道？ 单向通信（单工通信）只有一个方向的通信，而没有反方向的交互。如：电视广播。 双向交替通信（半双工通信）通信的双方都可以发送信息，但不能同时发送(当然也不能同时接收)。 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。,基带(baseband)信号和带通(bandpass)信号,基带信号（基本频带信号）：来自信源的信号 基带信号往往包含较多的低频成分

4、，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)。 基带调制:仅仅对基带信号的波形进行变换，调制后的信号仍是基带信号。 带通调制：使用载波进行调制，把基带信号的频率范围搬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）。 带通信号：基带信号经过载波调制后的信号,带通调制的方法： 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,0,1,0,0,1,1,1,0,0,基带信号,调幅,调频,调相,2.2.3 信道的极限容量,任何实

5、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，传输距离越远，噪声干扰越大，传输媒体质量越差，在信道输出端的波形的失真就越严重。,（带宽受限、有噪声、干扰和失真）,发送信号波形,接收信号波形,1924 年，奈奎斯特(Nyquist)就推导出了著名的奈氏准则。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。 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。,（1）信道能够通过的频率范围,(2) 信噪比 信噪比:信号的平均功率和噪声的平均功率之比 信噪比（dB）=10log10（S/N

6、 ）（dB） S : 信道内所传信号的平均功率 N : 信道内部的高斯噪声功率 dB: 分贝 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传输速率C ： C = W log2(1+S/N ) b/s W :信道的带宽（以 Hz 为单位） 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。,2.3 物理层下面的传输媒体,传输媒体（传输介质）：数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路。 2.3.1 导向传输媒体 双绞线 屏蔽双绞线 STP (Shielded Twisted Pair) 无屏蔽双绞线 UTP (Unshielded Twisted

7、 Pair) 同轴电缆 50 同轴电缆 75 同轴电缆 光缆 单模 多模,无屏蔽双绞线 UTP,直连网线：不同设备 交叉网线：相同设备 主机路由器,Side 1,Side 2,Side 1,12345678,12345678,1=白/橙 2=橙 3=白/绿 4=蓝 5=白/蓝 6=绿 7=白/棕 8=棕,Side 2,Side 1,Side 2,Side 1,Side 2,12345678,12345678,1=白/橙 2=橙 3=白/绿 4=蓝 5=白/蓝 6=绿 7=白/棕 8=棕,1=白/橙 2=橙 3=白/绿 4=蓝 5=白/蓝 6=绿 7=白/棕 8=棕,1=白/绿 2=绿 3=白/

8、橙 4=蓝 5=白/蓝 6=橙 7=白/棕 8=棕,10base5 粗同轴电缆,10base2 细同轴电缆,FC/PC型光纤接头,SC/PC型光纤接头,光纤的工作原理,高折射率 (纤芯),低折射率 (包层),光在纤芯中不断地全反射,发光源： 多模：发光二极管 单模：半导体激光器,多模与单模光纤,多模光纤,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,回 顾,1.物理层的主要任务：确定与有关的一些特性。 2.在导向传输媒体中，电磁波沿着媒体传播；在非导向传输媒体中，

9、电磁波沿着传播，这种传输常称为。 3.码元的传输速率越，信号传输的距离越，噪声干扰越，传输媒体的质量越，在接收端的波形失真就越。 4.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。 5.单模：光以单一路径通过这种光纤 多模：光以多重路径通过这种光纤,2.4 信道复用技术,信道：向某一个方向传送信息的媒体。 2.4.1 频分复用、时分复用、统计时分复用 复用(multiplexing) ：两个或多个用户共享公用信道的一种机制。,共享信道,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

10、,1. 频分复用 FDM (Frequency Division Multiplexing),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，即所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源（“带宽”是频率带宽而不是数据的发送速率）。,2. 时分复用TDM (Time Division Multiplexing),时分复用：将时间划分为一段段等长的时分复用帧（TDM 帧），每一个用户在每一个 TDM 帧中占用固定序号的时隙。 每一个用户所占用的时隙周期性地出现 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。,频率,时间,C,D,C,D,C,D,A,A,A,A,C,D,B在 TDM

11、帧中 的位置不变,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，所以用户对分配到的子信道的利用率一般很低。例如，上网时当你用键盘输入文字的时候，此时信道的利用率就很低。,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,#2,#3,#4,用户,3. 统计时分复用 STDM (Statistic TDM),在统计时分复用中，每一个STDM帧中的时隙数小于连接在集中器上的用户数。 STDM帧不是固定分配时隙的，而是按需动态的分配时隙。,用户,A,B,C,D,a,b,c,d,t,t,t,t,t,3 个 STDM 帧,#1

12、,a,c,b,a,b,b,c,a,c,d,#2,#3,集中器,帧,强调： TDM帧和STDM帧都是在物理层传送的比特流中划分的帧。这种帧和我们以后要讨论的数据链路层的“帧”，是完全不同的概念。,2.4.2 波分复用 WDM (Wavelength Division Multiplexing),波分复用就是光的频分复用； 波分复用：最初，在一路光纤上同时传输两个频率很接近的光载波信号； 密集波分复用（Dense Wavelength Division Multiplexing ）：在一根光纤上复用80路或更多路的光载波信号； 由于光载波的频率很高，因此习惯上用波长而不是频率来表示所使用的光载波信

13、号。,1550 nm 0 1551 nm 1 1552 nm 2 1553 nm 3 1554 nm 4 1555 nm 5 1556 nm 6 1557 nm 7,0 1550 nm 1 1551 nm 2 1552 nm 3 1553 nm 4 1554 nm 5 1555 nm 6 1556 nm 7 1557 nm,V1=2.5 Gb/s （1310 nm）,V总=20 Gb/s,复 用 器,分 用 器,EDFA：掺铒 光纤放大器,120 km,光调制器,光解调器,600 km,密集波分复用技术的应用 例 ： 由100根速率为2.5Gb/s光纤构成的光缆，采用16倍的密集波分复用技术，

14、得到一根光缆的总数据率是？ 解：1002.516= 4T b/s T:1012 （太）,2.4.3 CDMA 工作原理,1. 拨号：当您拨了一个电话号码，这个号码将与您的电话ID号一起以无线电广播的形式发射出去。 2. 分组传递：电话对您的语音进行数字化，并把它划分为数据位包，然后使用扩频（利用与信息无关的伪随机码，以调制方法将已调制信号的频谱宽度扩展得比原调制信号的带宽宽得多的过程。例如：跳频、混合扩频、直接序列扩频。）技术，广播这些数据包。 3. 接收与连接：距离最近的CDMA无线捕捉到您电话的无线电广播，并将它传递到中央交换计算机，这个计算机识别您的电话ID。这样，蜂窝服务电话提供商可以

15、跟踪您的通话并根据空中占用时间进行计费。 4. 识别：语音信号以数据包的形式到达您的话机。您的电话机首先通过一个通话传来，然后识别标识着您的对话的特殊代码并将相应的数据包还原成语音信号。,2.4.3 码分复用 CDM (Code Division Multiplexing),码分多址CDMA (Code Division Multiple Access)。 每一个用户可以在同样的时间使用同样的频带进行通信。 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。 每一个比特时间被划分为m 个短的间隔，称为码片(chip). 每个站被指派一个唯一的 m bit 码片序列。 如发送比特 1，则发

16、送自己的 m bit 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 8 bit 码片序列是: 00011011， 发送比特 1 时，就发送序列 00011011； 发送比特 0 时，就发送序列 11100100。,CDMA 的重要特点,每个站分配的码片序列不仅必须各不相同，并且还必须互相正交(orthogonal)。 在实用的系统中使用的是伪随机码序列。 假设，向量 S 表示站 S 的码片向量， T 表示其他任何站的码片向量： 两个不同站的码片序列正交，那么向量 S 和T 的规格化内积(inner product)都是 0，即：,假设，向量 S 为(1 1 1

17、+1 +1 1 +1 +1)， 向量 T 为(1 1 +1 1 +1 +1 +1 1)。 把向量 S 和 T 的各分量值代入公式，即： (-1) (-1)+ (-1) (-1)+ (-1)(+1)+(+1)(-1)+(+1) (-1) 8,= 0,CDMA 的工作原理,S 站的码片序列 S,1,1,0,t,t,t,t,t,t,8 个码片,t,S 站发送的信号 Sx,T 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,码片序列S： （-1-1-1+1+1-1+1+1） 码片序列T： （-1-1+1-1+1+1+1

18、-1）,T 站的码片序列 T,t,2-16 已知： 四个站的码片序列 A: (-1-1-1+1+1-1+1+1) B: (-1-1+1-1+1+1+1-1) C: (-1+1-1+1+1+1-1-1) D: (-1+1-1 -1 -1-1+1-1) 收到 S: (-1+1-3+1-1-3+1+1) 求： 哪个站发送数据了？发送的是0；1？ AS =（11311311）8=1 A发送1 BS =（11311311）8= -1 B发送0 CS =（11311311）8=0 C无发送 DS =（11311311）8=1 D发送1 P52,回 顾,信道复用技术： 1. 频分复用： 相同的时间，不同的频

19、带 2. 波分复用： 相同的时间，接近的频率 3. 时分复用： 不同的时间，同样的频带 4. 统计时分复用：不同的时间，同样的频带 5. 码分复用： 同样的时间，同样的频带,2.6 宽带接入技术,2.6.1 xDSL技术 DSL:数字用户线(Digital Subscriber Line)。 xDSL技术就是用数字技术对现有的模拟电话线进行改造，使它能够承载宽带业务。 xDSL 技术就把 04 kHz 低端频谱留给传统电话使用，而把原来没有被利用的高端频谱用来上网。,ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line)：非对称数字用户线 RADSL (Rate-A

20、daptive DSL)：速率自适应DSL，是 ADSL 的一个子集，可自动调节线路速率）。 HDSL (High speed DSL)：高速数字用户线 VDSL (Very high speed DSL)：甚高速数字用户线 SDSL (Single-line DSL)：1 对线的数字用户线,ADSL 的特点,上行和下行带宽不对称; 上行指从用户到ISP，而下行是从ISP 到用户; ADSL 在用户线（铜线）的两端各安装一个ADSL 调制解调器; 采用频分复用的方法，把40K1.1MHz的高端频谱划分为许多子信道，其中 25 个子信道用于上行信道，而 249 个子信道用于下行信道。,频谱分布,

21、频谱,频率,上行信道,传统电话,0,4,下行信道,(kHz),40,138,1100,上行数据速率在 32 kb/s 到 640 kb/s 之间，而下行数据速率在 32 kb/s 到 6.4 Mb/s 之间，,ATU-C,ATU-C,ATU-R,ATU-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,DSLAM,至本地电话局,PS,PS,ADSL 的组成,DSLAM (DSL Access Multiplexer)：数字用户线接入复用器 ATU (Access Termination Unit)：接入端接单元 ATU-C（C- 端局 Central

22、Office） ATU-R（R- 远端 Remote） PS (POTS Splitter)：电话分离器,2.6.2 光纤同轴混合网 HFC (Hybrid Fiber Coax) HFC网的主干线路采用光纤 HFC 网是在有线电视网 CATV 的基础上开发的一种居民宽带接入网。 HFC 网除可传送 CATV 外，还提供电话、数据和其他宽带交互型业务。 现有的 CATV 网是树形拓扑结构的同轴电缆网络，它采用模拟技术的频分复用对电视节目进行单向传输； HFC（Hybrid Fiber Coax）:光缆与同轴电缆混合网,采用光纤作传输干线，同轴电缆作分配传输网，即在有线电视前端将CATV模拟电信

23、号转换成光信号后，用光纤传输到服务小区的光接收机，再由光接收机将其转换成电信号后，用同轴电缆传到用户家中。,（2）HFC 网采用结点体系结构,同轴电缆,头端,模拟光纤,放大器,引入线,分路器,光纤结点,服务区,服务区,服务区,从头端到光纤结点(fiber node)采用模拟光纤连接，形成星型网； 光纤结点以下是同轴电缆组成的树型网； 在光纤结点（ ）信号被转换为（ ）信号； 一个光纤结点下的所有用户组成了一个用户群（cluster）。,（3）HFC 网具有比 CATV 网更宽的频谱，且具有双向传输功能,540MHz频段:上行信号（用户到头端）占用； 50550MHz频段:传输传统的模拟电视节目

24、、立体声广播； 650750MHz频段:传送数字电视节目、VOD； 750MHz以后的频段:保留,（4） 每个家庭要安装一个用户接口盒,用户接口盒 UIB (User Interface Box)要提供三种连结: 使用同轴电缆连接到机顶盒(set-top box)，然后再连接到电视机； 使用双绞线连接到用户的电话机； 使用电缆调制解调器连接到用户的计算机。,机顶盒（STB，Set Top Box）是一种扩展电视机功能的新型家用电器，由于常放于电视机顶上，所以称为机顶盒。目前的机顶盒多为网络机顶盒，其内部包含操作系统和互联网浏览软件，通过电话网或有线电视网连接互联网，使用电视机作为显示器，从而实

25、现没有电脑的上网。,2.6.3 FTTx ( Fiber-to-the-x)技术,FTTx（光纤到）也是一种实现宽带居民接入网的方案。这里字母 x 可代表不同意思。 光纤到家 FTTH (Fiber To The Home)：光纤一直铺设到用户家庭可能是居民接入网最后的解决方法。 光纤到大楼 FTTB (Fiber To The Building)：光纤进入大楼后就转换为电信号，然后用电缆或双绞线分配到各用户。 光纤到路边 FTTC (Fiber To The Curb)：从路边到各用户可使用星形结构双绞线作为传输媒体。,光纤到大楼 FTTB,100 M,10 M,10 M,1000M,吉比特

26、以太网,光结点汇接点,1 Gb/s,1 Gb/s,高速光结点汇接点 GigaPoP,本章小结,1.物理层的主要任务 2.信道：向某一个方向传送信息的媒体。 信道的极限传输速率 C=? 3.信道的五种复用技术 4.几种传输媒体 5.三种宽带接入技术,作 业,2-01 2-13 2-17 1-03 1-13 1-24,1. CDMA系统中使用的多路复用技术是_。 A、时分多路 B、波分多路 C、码分多址 D、空分多址 2.下面图示的是哪种信道复用技术_。 A、频分复用 B、时分复用 C、统计时分复用 D、码分复用,(1)如果数据传输速率为1Gbps，那么发送12.5Mbyte数据需要用 A)0.01s B)0.1s C)1s D)10s (2)关于TCP/IP模型与OSI模型对应关系的描述中，正确的是 A)TCP/IP模型的应用层对应于OS