计通网第二章 物理层(1).ppt

1、计算机通信网,2011年教案,作者：段景山,2,第二章 物理层,物理层功能 数据通信理论 传输介质（直接相连的介质） 通信系统（非直接相连的介质） 接口规范,3,2.1 物理层功能,服务 提供无结构bit流传输 协议 物理接口的机械、电气、功能和规程特性 本章内容 数据通信方式 传输介质 物理接口,信道编/解码 介质驱动,00110001110,介质接口,信道编/解码 介质驱动,00110011110,SAP,SAP,物理层可能出现bit传输差错,传输介质 模拟信道 数字信道 数字通信网,信号的幅频特性 时域信号频域信号 时域信号变化越剧烈，对应的频域就越宽 s(t) S(f) t: 时间；f

2、:频率 信道的幅频特性 任何信道，对不同频率的信号有不同的衰减 经信道传输后的信号 信号经过新道传输后 So(f) = Si(f)*H(f) 信号频谱在信道频谱范围内，才能通过信道，频谱外的信号被衰减,2.2 数据通信理论,t,s(t),f,离散频谱,t,s(t),S(f),S(f),连续频谱,f,f(Hz),H(f),0,3400Hz,f0,f(Hz),低通信道,带通信道,信道,Si,So,2.2.1信号与传输,数字信号 b(n)=0,1 序列，n=,1,2,3, 基带传输 传输信号为电平(电压或电流)表示比特值,V0,T,01100100,发送 T,接收 R,b(n),2级电平信号(1电平

3、传输1bit),01100100,发送 T,V1,s(t)=,V0 when b(n)=0 V1 when b(n)=1,4级电平信号(1电平传输2bit),s(t)=,V0 when b(2n)b(2n+1)=00 V1 when b(2n)b(2n+1)=01 V2 when b(2n)b(2n+1)=10 V3 when b(2n)b(2n+1)=11,V0,T,01100100,发送 T,V3,电平变化信号(2电平传输1bit),s(t)=,V1V0 when b(n)=0 V0V1 when b(n)=1,V0,T,01100100,发送 T,V1,V1,V2,传输,频带传输 数字信

4、号调制到某个频率的余弦波上进行传输,调幅信号,调频信号,调相信号,A0,01100100,A1,01100100,01100100,7,2.2.2 带宽与数据传输速率,重点：带宽、数据速率、信噪比的关系 傅立叶分析 任何正常的周期为T的函数g（t）都可以由无限个正弦和余弦函数合成 注意：基频（f =1/T）和N次谐波的振幅 有限带宽信号 信号非等量衰减 信号畸变 截断频率 滤波器，高次谐波损失 波特率、比特率 信号编码（电平级） 采用0、1 （二进制码）编码时，波特率 = 比特率,8,谐波数与信号失真,信号畸变程度与谐波数 教材第74页图2-1 谐波数越多，信号波形失真越小，信号识别越容易,9

5、,数据传输速率与谐波数,限制带宽（f）就是限制数据传输速率（b） 限制带宽就是限制谐波数量 谐波数信号识别精度 信号识别精度信号中承载的数据量 信号中承载的数据量数据传输速率,10,最大数据传输速率与编码,奈奎斯特定理 有限带宽无噪声信道 最大数据传输速率D = 2 H log2V（bit/s） H铜线带宽 2基频为带宽一半，即有一个谐波 V信号电平级数量 log2V 一个信号变化可以表示多少位数据变化 例：H=3 kHz，V=2（二进制信号） 则：最大速率 = 6 kbps 可以用提高编码效率的方式，在有限带宽中多传数据提高数据传输速率 例：8B6T编码下 D 2H8/68kbps,11,信

6、道的最大数据传输速率,香农定理 随机噪声信道 最大数据传输速率 = H log2（1+S/N）(bps) H铜线带宽，S/N信噪比（dB） 例：H=3 kHz，S/N=30 dB（模拟电话系统） 则：最大速率 = 30 kbps 提高编码效率不是最终的解决方案，在噪声影响下，最大速率是路的尽头 若想提高信道速率 无噪信道：不可能无限制增加信号个数 接收方难以区分差别细微的信号(经过信道的信号有畸变) 有噪信道：不可能无限制增加信道带宽 噪声能量与信道带宽成正比,f(Hz),带通信道,B,12,信道的数据传输速率,影响因素 带宽 编码效率 信噪比,2.2.3传输参数,Bit Rate (bit

7、速率) 每秒传输的bit数， bits per second （b/s),time,Tb,Tb : bit 信号持续时间(秒) Bit 速率： r = 1/Tb (b/s) 1Kb/s = 1000 b/s 1Mb/s = 1000 Kb/s = 1000000 b/s 1Gb/s = 1000 Mb/s = 1000000 Kb/s = 1000000000 b/s 注意与计算机中存储容量的差异 (1KB=210=1024B),传输参数,Transmission Time （传输时间）Tt 将N bit送上信道所需的时间 若传输速率为R b/s 则 Tt= N/R = N*Tb,time,1

8、0000 bits,10M b/s的以太网、100k b/s的信道上，将10000bit的数据送上信道，分别需要 10000/10*106 = 10-3 (s) = 1 (ms) 10000/100*103 = 0.1(s) = 100 (ms),10M b/s信道,time,100 k b/s信道,1ms,1ms,2.2.3传输参数,Transmission delay (传播延迟) 信号在信道上传播的时间 设信道长度为D米，信号传播的速度为V，信号传播时间 Td = D/V 信号(电磁波)传播速度：光速 c=3*108 米/秒 注：铜线、铜轴电缆中，V略小于光速 (0.70.9),例： 大

9、楼间敷设的电缆为300米，传输延迟为 T1d=300/3*108=10-6s1us 跨洋海底电缆3000公里，传输延迟为 T2d=3000*103/3*108=10-2s=10ms,讨论：Tt和Td的相互作用,若10000bit的数据(bn,n=110000)经速率为R=1M b/s、长度D=30公里的信道传输 发送bi时，对方接收bk，k=1时，i=？ 信道位长 从发送b1到对方接收b10000需要多少时间？ 做出如下调整 当R为何值时，发送b10000时，对方刚开始接收b1 当D为何值时，发送b10000时，对方刚开始接收b1,发送方,接收方,Td,Tt,D,图解法计算,R,Nbit,Tr

10、ansmission Parameters,Bit Error Rate （BER） 由于干扰(人为电磁、背景噪声、宇宙噪声等)，造成01或10的错误 BER错误的bit数/总bit数(或bit出错的概率) 无线信道：10-110-3, 2.4GHz频段：5*10-5 电话信道：10-510-6,以太网(UTP5)：10-7 光纤：10-810-10,01000111011101010101011010001101111101010111101010110101010100001010101,010001110111010101010110100011011111010101111010101

11、10101010100001010101,随机误码：均匀随机分布在整个bit流中 (背景干扰、宇宙噪声等),突发误码：突然出现的一串高误码，有一定的长度(突发长度),突发长度,18,2.3 传输介质,介质特性 带宽、延迟、成本、安装维护难度 介质分类 磁介质 存储介质 有线 双绞线、同轴电缆、光纤 无线（电磁波） 无线电、微波、红外线、毫米波、光波,19,2.3.1双绞线,20,双绞线特点,抗串扰 平行线在高频信号下易产生串扰线间干扰 螺旋双绞后，降低了干扰强度,干扰信号,21,双绞线特点,抗干扰 一对线传输一路信号 差分信号传输 两根线上的差值为信号强度 收到外界干扰时，两根线同时被干扰，而

12、差值不变 例，信号电平12v 一根线上为6v，另一根线为6v，差值为12v 干扰信号20v，则一根线上为26v，另一根线14v，差值仍为12v,s(t),r(t),V+,V-,V+,V-,s(t)=V+-V-,双绞线的应用,LAN典型组网连接方式 一发都收,站点,集线器 HUB,23,2.3.2同轴电缆,基带：50、粗缆、细缆、LAN 宽带：75、有线电视（450 MHz） 含义 电话业：大于 4 kHz 的频带 计算机网络：使用模拟信号进行传输的电缆网 单向放大器、双向数据传输 双缆系统、单缆系统 单缆系统：分频 内向（低频、上行） 外向（高频、下行）,10Base5,10Base2,24,

13、同轴电缆,同轴电缆的应用,LAN典型应用 一发都收,26,2.3.3光纤,带来计算机与通信发展的新特点 有限的CPU光速、散热问题 “无限”的带宽光纤 光纤的传输速率限制 光电信号的转换频率 通信思维：带宽换取通信效率 光传输系统 发送器：编码器、光源、连接器 传输介质：玻璃或塑料纤维 连接器：光电检测器、放大器、感应器、解码器,27,光纤设备,28,光纤,光纤传输 单向 在光纤中全内反射 波长：850nm、1300nm、1550nm 其余波长因为衰减过大而不便使用 双向数据传输：两根光纤、一根光纤分频 光源：普通光(LED)，激光 光谱：0.85um，1.3um，1.55um 传输模式：多模

14、(多路径光)、单模(单路径光) 数据速率：广泛使用25G，40G 传输距离：几公里(0.85)，上百公里(1.3,1.55) 单模光纤：速率高，传输距离远 Up to 10Gbps，100s km 多模光纤：速率较低，距离较近 Up to 100s Mbps，2 km,29,光纤,光纤的应用,光纤网络 LAN、WAN 环型：点到点连接的集合 无源星型：广播,无源光柱共享信道,接收器,发送器,31,2.3.4无线传输（空中接口）,优点：可移动性、降低成本 电磁波谱 波段越高，数据传输速率越高 无线介质 方向性 穿越障碍物的能力 传输距离 干扰因素 适用场合,无线传输,电磁波谱LF(长波)，MF(

15、中波)，HF(短波)，VHF/UHF(超短波)，SHF/EHF(微波)，THF，红外、激光 频带宽度估算：可用中心频率正负10%简单计算 LF：105*20% = 2*104 =20 kHz 传播： LF：绕射能力极强，传播距离远，带宽太窄 HF：可通过电离层反射达到远距离传输的目的 VHF以上：视距(直线)传播 SHF以上：可用天线很好聚焦,减轻衰减(信噪比高) 红外：短距离通信 激光：有无线光纤称呼，但易受阳光、气候影响,无线传输,ISM频段 指定给工业、科研和医疗使用，个人不需经过授权可以短距离使用 我国ISM频段 6.7MHz 433MHz 2.4GHz-无线局域网和蓝牙 61GHz

16、122GHz 注：5.8GHz在我国没有明确规定,无线传输,卫星 类型 LEO：低轨卫星 几百公里 MEO：中轨卫星 15000公里 GEO：地球同步卫星 35000公里 提供的信道带宽 几十到几千兆Hz 往返传播延迟大 自行估计： LEO、MEO、GEO各在什么范围,无线传输,卫星频段,2.3.5 传输体制（Transmission Scheme ）,双工与单工 异步与同步,全双工(FD, Full Duplex) 半双工(HD, Half Duplex) 单工 (Simplex）,Transmission Scheme,TxD,RxD,TxD,RxD,TxD,RxD,双向同时,双向交替,单

17、向传输,发,收,发、收 并发动作,发,收,双方需协调，否则会出现冲突,R,Transmission Scheme,Data,Clock,T,0011111111110000,clock,Data,同步传输(Synchronous Transmission) Bit数据以均匀时间间隔T传输，持续不断 特点 可实现非常高的传输速率(几百兆几十千兆) 稳定的传输速率 需要独立的时钟线路保持双发收发同步 应用场合 与传输系统的连接 PSTN中的数字信道、SDH 讨论： 如何确定某个bit是某字节的第几位？ 某段时间内没有数据传输时，信道上是什么信号？,PSTN/SDH,同步传输信道,Transmiss

18、ion Scheme,异步传输 (Asynchronous Transmission) 字节为单位传输，字节间隔长度可变 特点 不需要专门的时钟线路 (所以称为“异步”) 传输速率不可能很高 (最高约200k b/s) 应用场合 计算机间的直接连接 低速、短距离传输(几百米几公里) 键盘、鼠标的传输方式,Byte,Byte,Byte,start,stop,又称为起-止式传输,R,T,传输体制,块传输 (Block Transmission) 以数据块为单位传输，块的长度可变，块间可变长度间隔 特点 增强型的“异步传输方式” 传输速率高(可达上千兆) 应用场合 计算机网络中的直接电缆连接 典型如

19、：以太网信道,R,T,Block,Block,2.4 通信系统,非直接相连的介质 特点 形成通信的基础平台，提供计算机网络的数据传输信道，但又独立于计算机通信 计算机网络节点常利用现有通信系统提供的“信道” 逐步吸收融合计算机网络的许多思想，越来越复杂 实例 电话系统 B-ISDN 和 ATM 蜂窝无线通信 通信卫星,42,2.4.1 电话系统（PSTN）,43,2.4.1 电话系统（PSTN）,Public Switched Telephone Network 传输特点 信道误码率较高，但在不断改善中 结构 高度冗余、多层次的分层结构 本地回路（双绞线，模拟信号） 干线（光纤/微波，数字信号

20、） 交换局,本地回路,本地回路,准长途 干线,准长途 干线,高带宽中心 长途干线,电话,电话,端局,端局,长途局,长途局,中心交换局,PSTN,多层次的分层结构 本地回路（双绞线，模拟信号） 干线（光纤/微波，数字信号） 交换局,PSTN,长途局,长途局,汇接局,端局,PSTN,Local Loop(用户线),通信系统,PSTN 与计算机通信网 电话信道 电话信道特性：带宽300Hz3400Hz(整个语音通道) 数据传输方式：调制解调，占用电话通信信道 数据速率：56k /33.6k b/s,Local Loop,Local Loop,PSTN,300,3400,f,调制解调器,46,A、本地

21、回路,从用户到交换端局之间 传输损害问题 衰减、延迟变形、噪声 回声问题 回声抑制器：半双工 回声消除器：全双工,47,本地回路调制解调,调制解调器 数模转换 适合远距离传输 接口 RS-232-C（V.24） DTE/DCE 20 kbps，15 m RS-449 RS-423-A RS-422-A：2 Mbps，60 m,48,本地回路用户数字线,ADSL非对称数字用户线路 系统结构 调制技术 特点,49,ADSL系统结构,3KHz的滤波器,PSTN,分离器 传统局端滤波器限制了带宽限制数传速率 将数据信号与话音信号分离 高通低通滤波 调制解调器 数字数据调制 DSLAM 多路复用,50,

22、ADSL调制技术,频谱划分 低频04kHz为话音信号 25kHz140kHz为上行信号 140kHz1140kHz为下行信号 调制技术 DMT，将信道划分为32kHz宽度的很多子信道 数据分到各子信道同时传，受干扰大的子信道可关闭,51,ADSL特点,数话同传 分占不同频率 不对称 上下行宽度不一样 速率可调 子信道个数 速率较高 标准是1M上行，8M下行 电信仅提供64K上行、512K下行，或256K上行、 1M下行,52,本地回路无线本地回路,WLL LMDS、WiMax、IEEE802.16 固定无线接入 采用10GHz60GHz毫米波 系统结构：基站用户站 用户站有多个终端共享 集中控

23、制 上下行不对称，上行300MHz下行1GHz,收发信机,网络接口单元,集线器,PBX,53,LMDS的影响因素,主要影响因素 视距（要求视距传输） 雨衰（雨天信号衰减大） 树木发射（反射引起信号衰减） 天线的高度（高度低通信质量差） 措施 蜂窝交叠 保证天线高度 自动功率控制 抗衰落的调制技术,54,B、干线：多路复用技术,多路复用技术 频分多路复用 Frequency Division Multiplexing，FDM 时分多路复用 Time Division Multiplexing，TDM 波分多路复用 Wavelength Division Multiplexing，WDM,32:1

24、,4:1,电话系统干线的复用技术,频分多路FDM,PSTN TDM 原理,4:1,1:4,Multiplexer 多路复用器,De-multiplexer 复用分路器,采用同步传输方式，以提供严格的时序关系,t,复用的时间关系,1路,2路,n路,速率,R,R,R,nR,m:1,n:1,n:1,R,nR,R,mnR,复用系统 提供多种速率,时分多路复用,网络可以使用多路复用的信道 一个物理接口 节点内部的物理层实现复接/分接到各自的链路层,1:4,Network,L1,L2,L2,信道化E1,拨号服务器 一条E1信道可同时接纳30个用户的拨号接入,PSTN,时分多路复用,电话网中从端局到长途局，

25、通过时分复用(TDM)，逐渐形成高速数字干线 利用PSTN的数字回路/干线、和时分复用技术，在计算机网络的路由器AB间建立一条E1数字通道,64Kb/s,2.048Mb/s E1,8.848Mb/s E2,34.304Mb/s E3,139.364Mb/s E4,B channel,32:1,4:1,4:1,4:1,4:1,PSTN,E1,E1,A,B,59,波分复用WDM,实质 在光纤上进行光频分复用 分类（波长间隔） WWDM、MWDM、DWDM “ 将一根光纤看作是一个多车道公路，传统TMD系统只不过利用了这条道路上的一条车道，提高比特率相当于在该车道上加快行驶速度来增加单位时间内的运输

26、量；而使用WDM技术，类似利用公路上尚未使用的车道，以获取光纤中未开发的巨大传输能力。” 参考资料 fiber/fbr600.html,60,C、交换技术（主要在网络层讨论）,交换系统：有多个输入和输出的“黑盒子” 在入端和出端之间建立联接 电路交换 把入端的信息分发到出线上 分组交换 电路交换 空分交换、时分交换 分组交换 虚电路、数据报 交换机 纵横式交换机、空分交换机、时分交换机,61,2.4.2 SONET/SDH,SONET （Synchronous Optical Network） 同步光纤网络 美国用于光纤数据传输的标准 SDH（Synchronous Digital Hiera

27、rchy） 同步数字系列 国际标准 SONET 和 SDH 的基本原理相同、标准也兼容，但略有差别 我国采用SDH标准,SONET/SDH (同步光网络),Usually a Ring topology Ring data rate STM-4: 622Mbps STM-16: 2.5 Gbps STM64: 10 Gbps,数据上载下载,63,SONET 通路,源多路 复用设备,目的多路 复用设备,多路 复用设备,中继器,中继器,段,段,段,段,线路,线路,通路,光子,段,线路,通路,64,SONET的多路复用,线路子层负责多路复用,SDH,SDH线路复用,4*64kbps,6*64kbps

28、,9*64kbps,每个小格64kbps 2430格*64kbps = 155.52Mbps (OC3),125uS,E1、E2等可直接复接到SDH上来,66,SONET/SDH 的数据速率,STS（Synchronous Transport Signal ） STM（Synchronous Transport Module ） OC（Optical Carrier Level ） SPE（Synchronous Payload Envelop ）,SDH,SDH与计算机通信网 长距离的光纤信道，几乎都作为SDH的光传输通道 SDH可以提供数量大、速率灵活配置的数字信道 长距离的数字信道，几乎

29、也建立在SDH上,SDH,SDH可以为任意两点间分配数据通道，数据通道的数据速率可灵活指派,68,2.4.3 N-ISDN,综合业务数字网 话音和非话音业务,ISDN系统体系结构 数字比特管道,- ISDN接口 BRI：2B+D PRI：23B+D，30B+D - 主要应用：Internet访问,电子科大通信学院,69,ISDN(30B+D),E1,(30B+D),G.703,NT2,64Kbps,1,2,3,N2,V.35,V.35,V.35,V.35,G.703,NT1,G.703,G.703,G.703,N1*64kbps,N2*64kbps,N3*64kbps,N1+N2+N330,7

30、0,2.4.3 B-ISDN 和 ATM,B-ISDN 特点：宽带、综合业务 技术：ATM,71,时分多路TDM,同步时分复用 固定分配时隙 PDH、SONET/SDH,统计（异步）时分复用 按需分配时隙 ATM,A,B,C,D,用户,t0,t1,t2,t3,t4,复用,同步时分复用,统计时分复用,A1,B1,B2,C2,第 1 周,第 2 周,A1,B1,C1,D1,B2,C2,D2,第 1 周,第 2 周,A2,数据,地址,不严格要求信元交替地从不同的源到来 不要求源数据是连续稳定的信息流,B-ISDN 和 ATM,ATM 异步：统计时分复用，占用的时隙和时隙数不固定 信元交换：固定长度（53 bytes） 虚电路：PVC，SVC 主速率：155.52 Mbps（622.08 Mbps） 光纤、100