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,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,计算机网络,第 2 章 物理层,1,计算机网络课件 制作人：谢希仁,第1页,第 2 章,物理层,2.1 物理层基本概念,2.2 数据通信基础知识,2.2.1 数据通信系统模型,2.2.2 相关信道几个基本概念,2.2.3 信道极限容量,2.2.4 信道极限信息传输速率,2.3 物理层下面传输媒体,2.3.1 导向传输媒体,2.3.2 非导向传输媒体,2,第2页,第 2 章,物理层（续）,2.4 信道复用技术,2.4.1 频分复用、时分复用和统计时分复用,2.4.2 波分复用,2.4.3 码分复用,2.5 数字传输系统,2.6 宽带接入技术,2.6.1 xDSL技术,2.6.2 光纤同轴混合网（HFC 网）,2.6.3 FTTx 技术,3,第3页,2.1,物理层基本概念,物理层主要任务描述为确定与传输媒体接口一些特征，即：,机械特征,指明接口所用接线器形状和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等等。,电气特征,指明在接口电缆各条线上出现电压范围。,功效特征,指明某条线上出现某一电平电压表示何种意义。,过程特征,指明对于不一样功效各种可能事件出现次序。,4,第4页,2.2 数据通信基础知识,2.2.1 数据通信系统模型,传输,系统,输入信息,输入数据,发送,信号,接收,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,目标系统,传输系统,输出信息,PC 机,5,第5页,几个术语,数据(data)运输消息实体。,信号(signal)数据电气或电磁表现。,“模拟”(analogous)代表消息参数取值是连续。,“数字”(digital)代表消息参数取值是离散。,码元(code)在使用时间域（或简称为时域）波形表示数字信号时，代表不一样离散数值基本波形。,6,第6页,2.2.2 相关信号几个基本概念,单向通信,（单工通信）只能有一个方向通信而没有反方向交互。,双向交替通信,（半双工通信）通信双方都能够发送信息，但不能双方同时发送(当然也就不能同时接收)。,双向同时通信,（全双工通信）通信双方能够同时发送和接收信息。,7,第7页,基带(baseband)信号和带通(band pass)信号,基带信号,（即基本频带信号）来自信源信号。像计算机输出代表各种文字或图像文件数据信号都属于基带信号。,基带信号往往包含有较多低频成份，甚至有直流成份，而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量。所以必须对基带信号进行,调制,(modulation)。,带通信号,把基带信号经过载波调制后，把信号频率范围搬移到较高频段方便在信道中传输（即仅在一段频率范围内能够经过信道）。,8,第8页,几个最基本调制方法,基带信号往往包含有较多低频成份，甚至有直流成份，而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量。为了处理这一问题，就必须对基带信号进行,调制,(modulation)。,最基本二元制调制方法有以下几个：,调幅,(AM)：载波振幅随基带数字信号而改变。,调频,(FM)：载波频率随基带数字信号而改变。,调相,(PM)：载波初始相位随基带数字信号而改变。,9,第9页,对基带数字信号几个调制方法,0,1,0,0,1,1,1,0,0,基带信号,调幅,调频,调相,10,第10页,正交振幅调制 QAM,(Quadrature Amplitude Modulation),r,(r,),可供选择相位有 12 种，,而对于每一个相位有 1 或,2 种振幅可供选择。,因为4 bit 编码共有16 种不一样,组合，所以这 16 个点中每个,点可对应于一个 4 bit 编码。,若每一个码元可表示比特数越多，则在接收端进行,解调时要正确识别每一个状态就越困难。,举例,11,第11页,2.2.3 信道极限容量,任何实际信道都不是理想，在传输信号时会产生各种失真以及带来各种干扰。,码元传输速率越高，或信号传输距离越远，在信道输出端波形失真就越严重。,12,第12页,数字信号经过实际信道,有失真，但,可识别,失真大，,无法识别,实际信道,（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,实际信道,（带宽受限、有噪声、干扰和失真）,接收信号波形,13,第13页,信道能够经过频率范围,1924 年，奈奎斯特(Nyquist)就推导出了著名,奈氏准则,。他给出了在假定理想条件下，为了防止码间串扰，码元传输速率上限值。,在任何信道中，码元传输速率是有上限，不然就会出现,码间串扰,问题，使接收端对码元判决（即识别）成为不可能。,假如信道频带越宽，也就是能够经过信号高频分量越多，那么就能够用更高速率传送码元而不出现码间串扰。,14,第14页,(2)信噪比,香农(Shannon)用信息论理论推导出了带宽受限且有高斯白噪声干扰信道,极限,、,无差错,信息传输速率。,信道极限信息传输速率,C,可表示为,C,=,W,log,2,(1+,S,/,N,)b/s,W,为信道带宽（以 Hz 为单位）；,S,为信道内所传信号平均功率；,N,为信道内部高斯噪声功率。,15,第15页,香农公式表明,信道带宽或信道中信噪比越大，则信息极限传输速率就越高。,只要信息传输速率低于信道极限信息传输速率，就一定能够找到某种方法来实现无差错传输。,若信道带宽,W,或信噪比,S,/,N,没有上限（当然实际信道不可能是这么），则信道极限信息传输速率,C,也就没有上限。,实际信道上能够到达信息传输速率要比香农极限传输速率低不少。,16,第16页,请注意,对于频带宽度已确定信道，假如信噪比不能再提升了，而且码元传输速率也到达了上限值，那么还有方法提升信息传输速率。这就是用编码方法让每一个码元携带更多比特信息量。,17,第17页,2.3 物理层下面传输媒体,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),f,LF,MF,HF,VHF,UHF,SHF,EHF,THF,波段,10,4,10,5,10,6,10,7,10,8,10,9,10,10,10,11,10,12,10,13,10,14,10,15,10,16,10,0,10,2,10,4,10,6,10,8,10,10,10,12,10,14,10,16,10,18,10,20,10,22,10,24,移动,无线电,电信领域使用电磁波频谱,18,第18页,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 Pair),同轴电缆,50,同轴电缆,75,同轴电缆,光缆,19,第19页,各种电缆,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,20,第20页,光线在光纤中折射,折射角,入射角,包层,（低折射率媒体）,包层,（低折射率媒体）,纤芯,（高折射率媒体）,包层,纤芯,21,第21页,光纤工作原理,高折射率,(纤芯),低折射率,(包层),光线在纤芯中传输方式是不停地全反射,22,第22页,输入脉冲,输出脉冲,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,23,第23页,2.3.2 非导向传输媒体,无线传输所使用频段很广。,短波通信主要是靠电离层反射，但短波信道通信质量较差。,微波在空间主要是直线传输。,地面微波接力通信,卫星通信,24,第24页,共享信道,2.4 信道复用技术,2.4.1 频分复用、时分复用和统计时分复用,复用,(multiplexing)是通信技术中基本概念。,信道,A,1,A,2,B,1,B,2,C,1,C,2,信道,信道,A,1,A,2,B,1,B,2,C,1,C,2,复用,分用,(a)不使用复用技术,(b)使用复用技术,25,第25页,频分复用 FDM(Frequency Division Multiplexing),用户在分配到一定频带后，在通信过程中自始至终都占用这个频带。,频分复用,全部用户在一样时间占用不一样带宽资源（请注意，这里“带宽”是频率带宽而不是数据发送速率）。,频率,时间,频率 1,频率 2,频率 3,频率 4,频率 5,26,第26页,时分复用TDM(Time Division Multiplexing),时分复用,则是将时间划分为一段段等长,时分复用帧,（TDM 帧）。每一个时分复用用户在每一个 TDM 帧中占用固定序号时隙。,每一个用户所占用时隙是,周期性地出现,（其周期就是 TDM 帧长度）。,TDM 信号也称为,等时,(isochronous)信号。,时分复用全部用户是在不一样时间占用,一样,频带宽度。,27,第27页,时分复用,频率,时间,B,C,D,B,C,D,B,C,D,B,C,D,A,A,A,A,A 在,TDM,帧中,位置不变,TDM 帧,TDM 帧,TDM 帧,TDM 帧,TDM 帧,28,第28页,时分复用,频率,时间,C,D,C,D,C,D,A,A,A,A,B,B,B,B,C,D,B 在,TDM,帧中,位置不变,TDM 帧,TDM 帧,TDM 帧,TDM 帧,TDM 帧,29,第29页,时分复用,频率,时间,B,D,B,D,B,D,A,A,A,A,B,C,C,C,C,D,C 在,TDM,帧中,位置不变,TDM 帧,TDM 帧,TDM 帧,TDM 帧,TDM 帧,30,第30页,时分复用,频率,时间,B,C,B,C,B,C,A,A,A,A,B,C,D,D,D,D,D 在 TDM 帧中,位置不变,TDM 帧,TDM 帧,TDM 帧,TDM 帧,TDM 帧,31,第31页,时分复用可能会造成线路资源浪费,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,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，,因为计算机数据突发性质，用户对,分配到子信道利用率普通是不高。,32,第32页,统计时分复用,STDM(Statistic TDM),用户,A,B,C,D,a,b,c,d,t,t,t,t,t,3 个 STDM 帧,#1,a,c,b,a,b,b,c,a,c,d,#2,#3,统计时分复用,33,第33页,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,2.4.2 波分复用 WDM(Wavelength Division Multiplexing),波分复用就是光频分复用。,8,2.5 Gb/s,1310 nm,20 Gb/s,复,用,器,分,用,器,EDFA,120 km,光调制器,光解调器,34,第34页,2.4.3 码分复用 CDM,(Code Division Multiplexing),惯用名词是,码分多址,CDMA,(Code Division Multiple Access)。,各用户使用经过特殊挑选不一样码型，所以彼此不会造成干扰。,这种系统发送信号有很强抗干扰能力，其频谱类似于白噪声，不易被敌人发觉。,每一个比特时间划分为,m,个短间隔，称为,码片,(chip)。,35,第35页,码片序列(chip sequence),每个站被指派一个唯一,m,bit 码片序列。,如发送比特 1，则发送自己,m,bit 码片序列。,如发送比特 0，则发送该码片序列二进制反码。,比如，S 站 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。,S 站码片序列：(1 1 1+1+1 1+1+1),36,第36页,CDMA 主要特点,每个站分配码片序列不但必须各不相同，而且还必须相互,正交,(orthogonal)。,在实用系统中是使用,伪随机码序列,。,37,第37页,码片序列正交关系,令向量,S,表示站 S 码片向量，令,T,表示其它任何站码片向量。,两个不一样站码片序列正交，就是向量,S,和,T,规格化,内积,(inner product)都是 0：,(2-3),38,第38页,码片序列正交关系举例,令向量,S,为(1 1 1+1+1 1+1+1)，向量,T,为(1 1+1 1+1+1+1 1)。,把向量,S,和,T,各分量值代入(2-3)式就可看出这两个码片序列是正交。,39,第39页,任何一个码片向量和该码片向量自己规格化内积都是1。,一个码片向量和该码片反码向量规格化内积值是 1。,正交关系另一个主要特征,40,第40页,CDMA 工作原理,S 站码片序列,S,1,1,0,t,t,t,t,t,t,m,个码片,t,S 站发送信号,S,x,T 站发送信号,T,x,总发送信号,S,x,+,T,x,规格化内积,S,S,x,规格化内积,S,T,x,数据码元比特,发,送,端,接,收,端,41,第41页,补充,普通来说，同时时分复用、频分复用、码分复用用于电路交换,异步时分复用用于分组交换,另外一个特殊复用方法：回波抵消复用,空间复用实际上是多个独立信道，空分交换也是多个不一样信道间交换,42,第42页,同时通信和异步通信,数据通信可分为同时通信和异步通信两大类：,同时通信要求接收端时钟频率和发送端时钟频率一致。发送端发送连续比特流。,异步通信时不要求接收端时钟和发送端时钟同时。发送端发送完一个字节后，可经过任意长时间间隔再发送下一个字节。（由起始位标识字节开始）,异步通信通信开销较大，但接收端可使用廉价、含有普通精度时钟来进行数据通信。,需要要求字节格式（波特率、比特数、校验位、停顿位等）,43,第43页,2.5 数字传输系统,1.脉码调制 PCM 体制,脉码调制 PCM 体制最初是为了在电话局之间中继线上传送多路电话。,因为历史上原因，PCM 有两个互不兼容国际标准，即北美 24 路 PCM（简称为 T1）和欧洲 30 路 PCM（简称为 E1）。我国采取是欧洲 E1 标准。,E1 速率是 2.048 Mb/s，而 T1 速率是 1.544 Mb/s。,当需要有更高数据率时，可采取复用方法。,44,第44页,2.同时光纤网 SONET 和同时数字系列 SDH,旧数字传输系统存在着许多缺点。其中最主要是以下两个方面：,速率标准不统一。,假如不对高次群数字传输速率进行标准化，国际范围高速数据传输就极难实现。,不是同时传输。,在过去相当长时间，为了节约经费，各国数字网主要是采取,准同时方式,。,45,第45页,同时光纤网 SONET,同时光纤网,SONET(Synchronous Optical Network)各级时钟都来自一个非常准确主时钟。,第 1 级,同时传送信号,STS-1(Synchronous Transport Signal)传输速率是 51.84 Mb/s。,光信号则称为第 1 级,光载波,OC-1，OC 表示Optical Carrier。,46,第46页,同时数字系列,SDH,ITU-T 以美国家标准准 SONET 为基础，制订出国际标准,同时数字系列,SDH(Synchronous Digital Hierarchy)。,普通可认为 SDH 与 SONET 是同义词。,SDH 基本速率为 155.52 Mb/s，称为第,1,级,同时传递模块,(Synchronous Transfer Module)，即 STM-1，相当于 SONET 体系中 OC-3 速率。,47,第47页,线路速率,(Mb/s),SONET,符号,ITU-T,符号,表示线路速率,惯用近似值,51.840,OC-1/STS-1,155.520,OC-3/STS-3,STM-1,155 Mb/s,466.560,OC-9/STS-9,STM-3,622.080,OC-12/STS-12,STM-4,622 Mb/s,933.120,OC-18/STS-18,STM-6,1244.160,OC-24/STS-24,STM-8,2488.320,OC-48/STS-48,STM-16,2.5 Gb/s,4976.640,OC-96/STS-96,STM-32,9953.280,OC-192/STS-192,STM-64,10 Gb/s,39813.120,OC-768/STS-768,STM-256,40 Gb/s,SONET OC 级/STS 级与 SDH STM 级对应关系,48,第48页,SONET 体系结构,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,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),49,第49页,SONET 标准定义了四个光接口层,光子层(Photonic Layer),处理跨越光缆比特传送。,段层(Section Layer),在光缆上传送 STS-N 帧。,线路层(Line Layer),负责路径层同时和复用。,路径层(Path Layer),处理路径端接设备 PTE(Path Terminating Element)之间业务传输。,50,第50页,2.6 宽带接入技术,2.6.1 xDSL技术,xDSL 技术就是用数字技术对现有模拟电话用户线进行改造，使它能够承载宽带业务。,即使标准模拟电话信号频带被限制在 3003400 kHz 范围内，但用户线本身实际可经过信号频率依然超出 1 MHz。,xDSL 技术就把 04 kHz 低端频谱留给传统电话使用，而,把原来没有被利用高端频谱留给用户上网使用,。,DSL 就是,数字用户线,(Digital Subscriber Line)缩写。而 DSL 前缀 x 则表示在数字用户线上实现不一样宽带方案。,51,第51页,xDSL 几个类型,ADSL(Asymmetric Digital Subscriber Line)：非对称数字用户线,HDSL(High speed DSL)：高速数字用户线,SDSL(Single-line DSL)：1 对线数字用户线,VDSL(Very high speed DSL)：甚高速数字用户线,DSL：ISDN 用户线。,RADSL(Rate-Adaptive DSL)：速率自适应 DSL，是 ADSL 一个子集，可自动调整线路速率）。,52,第52页,ADSL 极限传输距离,ADSL 极限传输距离与数据率以及用户线线径都有很大关系（用户线越细，信号传输时衰减就越大），而所能得到最高数据传输速率与实际用户线上信噪比亲密相关。,比如，0.5 毫米线径用户线，传输速率为 1.5 2.0 Mb/s 时可传送 5.5 公里，但当传输速率提升到 6.1 Mb/s 时，传输距离就缩短为 3.7 公里。,假如把用户线线径减小到0.4毫米，那么在6.1 Mb/s传输速率下就只能传送2.7公里,53,第53页,ADSL 特点,上行和下行带宽做成不对称。,上行指从用户到 ISP，而下行指从 ISP 到用户。,ADSL 在用户线（铜线）两端各安装一个 ADSL 调制解调器。,我国当前采取方案是,离散多音调,DMT,(Discrete Multi-Tone)调制技术。这里“多音调”就是“,多载波,”或“,多子信道,”意思。,54,第54页,DMT 技术,DMT 调制技术采取频分复用方法，把 40 kHz 以上一直到 1.1 MHz 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。,每个子信道占据 4 kHz 带宽（严格讲是 4.3125 kHz），并使用不一样载波（即不一样音调）进行数字调制。这种做法相当于在一对用户线上使用许多小调制解调器,并行地,传送数据。,55,第55页,DMT 技术频谱分布,频谱,频率,上行信道,传统电话,0,4,下行信道,(kHz),40,138,1100,56,第56页,ADSL 数据率,因为用户线详细条件往往相差很大（距离、线径、受到相邻用户线干扰程度等都不一样），所以 ADSL 采取自适应调制技术使用户线能够传送尽可能高数据率。,当 ADSL 开启时，用户线两端 ADSL 调制解调器就测试可用频率、各子信道受到干扰情况，以及在每一个频率上测试信号传输质量。,ADSL 不能确保固定数据率。对于质量很差用户线甚至无法开通 ADSL。,通常下行数据率在 32 kb/s 到 6.4 Mb/s 之间，而上行数据率在 32 kb/s 到 640 kb/s 之间。,57,第57页,ADSL 组成,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 接入网,端局或远端站,DSLAM,至当地电话局,PS,PS,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),58,第58页,第二代 ADSL,ADSL2（G.992.3 和 G.992.4）ADSL2+（G.992.5）,经过提升调制效率得到了,更高数据率,。比如，ADSL2 要求最少应支持下行 8 Mb/s、上行 800 kb/s速率。而 ADSL2+则将频谱范围从 1.1 MHz 扩展至2.2 MHz，下行速率可达 16 Mb/s（最大传输速率可达25 Mb/s），而上行速率可达 800 kb/s。,采取了,无缝速率自适应技术,SRA(Seamless Rate Adaptation)，可在运行中不中止通信和不产生误码情况下，自适应地调整数据率。,改进了线路质量评测和故障定位功效，这对提升网络运行维护水平含有非常主要意义。,59,第59页,2.6.2 光纤同轴混合网,HFC(Hybrid Fiber Coax),HFC 网是在当前覆盖面很广有线电视网 CATV 基础上开发一个居民宽带接入网。,HFC 网除可传送 CATV 外，还提供电话、数据和其它宽带交互型业务。,现有 CATV 网是树形拓扑结构同轴电缆网络，它采取模拟技术频分复用对电视节目进行单向传输。而 HFC 网则需要对 CATV 网进行改造，,60,第60页,HFC 主要特点,(1)HFC网主干线路采取光纤,HFC 网将原 CATV 网中同轴电缆主干部分改换为光纤，并使用,模拟光纤技术,。,在模拟光纤中采取光振幅调制 AM，这比使用数字光纤更为经济。,模拟光纤从头端连接到,光纤结点,(fiber node)，即,光分配结点,ODN(Optical Distribution Node)。在光纤结点光信号被转换为电信号。在光纤结点以下就是同轴电缆。,61,第61页,(2)HFC 网采取结点体系结构,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,62,第62页,(3)HFC 网含有比 CATV 网更宽频谱，且含有双向传输功效,下行信道,上行,信道,5 40 50 550 750 1000,原有模拟电视,数字信号,频率(MHz),保留,63,第63页,(4)每个家庭要安装一个用户接口盒,用户接口盒,UIB(User Interface Box)要提供三种连接，即：,使用同轴电缆连接到,机顶盒,(set-top box)，然后再连接到用户电视机。,使用双绞线连接到用户电话机。,使用电缆调制解调器连接到用户计算机。,64,第64页,电缆调制解调器(cable modem),电缆调制解调器,是为 HFC 网而使用调制解调器。,电缆调制解调器最大特点就是传输速率高。其下行速率普通在 3,10 Mb/s之间，最高可达 30 Mb/s，而上行速率普通为 0.2,2 Mb/s，最高可达 10 Mb/s。,电缆调制解调器比在普通电话线上使用调制解调器要复杂得多，而且不是成对使用，而是只安装在用户端。,65,第65页,HFC 网最大优点,含有很宽频带，而且能够利用已经有相当大覆盖面有线电视网。,要将现有 450 MHz 单向传输有线电视网络改造为 750 MHz 双向传输 HFC 网（还要将全部用户服务区互连起来而不是一个个 HFC 网孤岛），也需要相当资金和时间。,在电信政策方面也有一些需要协调处理问题。,66,第66页,2.6.3 FTTx 技术,FTTx（光纤到）也是一个实现宽带居民接入网方案。这里字母 x 可代表不一样意思。,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终处理方法。,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。,67,第67页,
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