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第2章 物理层张瑞第1页第2章 物理层v2.1 基本通信理论v2.2 传输介质v2.3 同时光纤网和同时数字系列v2.4 物理层协议举例第2页2.1 基本通信理论 v2.1.1 数据通信基本概念v2.1.2 数据通信中几个指标v2.1.3 数字调制技术v2.1.4 多路复用技术v2.1.5 数字信号编码第3页2.1.1 数据通信基本概念v数据通信基本概念通信目标就是传递信息。一次通信中产生和发送信息一端叫信源,接收信息一端叫信宿。信源和信宿之间要有通信线路才能相互通信。按通信教授行话来说,通信线路称为信道,所以信源和信宿之间信息交换是经过信道进行v数据通信系统组成源系统(发送端、信源)传输系统目标系统(接收端、信宿)第4页数据通信系统模型 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系统传输系统输出信息PC 机第5页几个术语v数据在信道中以电信号形式传送，电信号分为：模拟信号和数字信号模拟信号：是连续改变电压或电流波形数字信号：是一系列表示“0”和“1”电脉冲（码元）v数据(data)运输信息实体v信号(signal)数据电气或电磁表现 v“模拟”(analogous)连续改变v“数字”(digital)取值是离散数值v调制把数字信号转换为模拟信号过程v解调把模拟信号转换为数字信号过程第6页模拟信号与数字信号(a)模拟信号 (b)数字信号 第7页模拟和数字数据、信号最早电话系统模拟数据数字化后，能够使用先进数字传输和交换设备，如当代电话系统有些传输媒体只适合传输模拟信号，如光纤和无线信道数字数据编码成数字信号设备，比起数字到模拟设备更简单、更廉价第8页2.1 基本通信理论 v2.1.1 数据通信基本概念v2.1.2 数据通信中几个指标v2.1.3 数字调制技术v2.1.4 多路复用技术v2.1.5 数字信号编码第9页2.1.2 数据通信中几个指标v信号传输速率v数据传输速率v信道容量v带宽v时延v误码率网络两个主要性能指标网络两个主要性能指标信道极限数据速率信道极限数据速率无噪声无噪声有噪声有噪声第10页信道最高码元传输速率v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 v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 第11页数字信号经过实际信道v有失真，但可识别v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）接收信号波形第12页v每秒钟发送码元数目，单位为波特（baud），信号传输速率又称为波特率。1 波特为每秒传送 1 个码元 v信道最高码元传输速率早在1924年,贝尔试验室研究员亨利奈奎斯特(Harry Nyquist)就推导出了低通信道最高码元传输速率理想低通信道：信号全部低频分量，只要频率不超出某个上限，都能够不失真地经过信道理想带通信道：信号频率在某个范围F1F2之间频率分量能够不失真地经过信道，其它分量不能经过v信道带宽：信道所能传输电信号频率范围，单位为赫兹信号传输速率第13页奈氏(Nyquist)准则 v每赫带宽理想低通信道最高码元传输速率是每秒 2 个码元vBaud 是波特，是码元传输速率单位，1 波特为每秒传送 1 个码元 理想低通信道最高码元传输速率=2W Baud W 是理想低通信道带宽，单位为赫(Hz)不能经过能经过0频率(Hz)W(Hz)第14页另一个形式奈氏准则 v每赫带宽理想带通信道最高码元传输速率是每秒 1 个码元理想带通特征信道最高码元传输速率=W Baud W 是理想带通信道带宽，单位为赫(Hz)不能经过能经过0频率(Hz)W(Hz)不能经过第15页奈氏准则之结论v在任何信道中，码元传输速率是有上限，传输速率超出此上限，就会出现严重码间串扰问题，使接收端对码元判决（即识别）成为不可能第16页数据传输速率v数据传输速率：每秒钟能传输二进制位数，单位比特/秒（bps），数据传输速率又称为比特率。v若码元状态数为2时，可用一个状态表示“1”，另一个状态表示“0”。此时比特率=波特率（即每秒钟传输二进制位数等于每秒钟传输码元数）。v若码元状态数为4时，四种状态分别表示为“00”，“01”，“10”，“11”。则一个码元能够携带两位二进制数，此时比特率=2*波特率。v普通情况：若码元状态数为N，则比特率和波特率关系为：第17页关键点 v数据传输速率“比特/秒”与码元传输速率“波特”在数量上却有一定关系。v若 1 个码元只携带 1 bit 信息量，则“比特/秒”和“波特”在数值上相等。v若 1 个码元携带 n bit 信息量，则 M Baud 码元传输速率所对应信息传输速率为 M n b/s。第18页信道容量(1)v信道容量也称为信道极限信息数据传输速率：表示信道传输数字信号能力，是信道所能支持数据速率上限。v对于无噪声低通信道：若信道带宽为H，码元状态数为N。v依据奈奎斯特定理：B=2H（baud）v信道最大数据传输速率：S=B*Log2Nv所以有：S=2H*Log2N (bps)v无噪声信道N能够取任意值，所以无噪声信道信道容量是无限。第19页信道容量(2)v对于有噪声信道：N不能无限增加，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。若带宽为H有噪声信道，信道容量为：C=H log2(1+S/N)(bps)其中：S为信号功率，N为噪声功率，S/N为信道信噪比信噪比单位为分贝（dB），换算关系为：信噪比（dB）=10Log10(S/N)第20页香农公式之结论v信道带宽或信道中信噪比越大，信息极限传输速率就越高v香农公式指出了信息传输速率上限v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第21页带宽v“带宽”(bandwidth)原来是指信号含有频带宽度，单位是赫（或千赫、兆赫、吉赫等）。一个特定信号常由不一样频率成份组成。信号带宽指信号各种不一样频率成份所占据频率范围。比如：电话信号标准带宽为3.1kHz，频率范围从300Hz到3.4kHz。v现在“带宽”是数字信道所能传送“最高数据率”同义语，单位是“比特每秒”，或 b/s(bit/s)。第22页v更惯用带宽单位是（通信领域）千比每秒，即 kb/s（103 b/s）兆比每秒，即 Mb/s（106 b/s）吉比每秒，即 Gb/s（109 b/s）太比每秒，即 Tb/s（1012 b/s）v请注意：在计算机界，K=210=1024 M=220=1048576,G=230,T=240。惯用带宽单位第23页v在时间轴上信号宽度随带宽增大而变窄。每秒 106 个比特时间1 0 1 0 1 11 s带宽为1 Mb/s 时间每秒 4 106 个比特0.25 s带宽为4 Mb/s 数字信号流随时间改变第24页v时延：是指一个报文或分组从一个网络（或一条链路）一端传送到另一端所需时间。v时延分为：发送时延传输时延处理时延结点发送数据时使数据结点发送数据时使数据块从结点到传输媒体块从结点到传输媒体电磁波传输时延电磁波传输时延排队，处理（存放、排队，处理（存放、转发）等转发）等时延(delay 或 latency)第25页1 0 1 1 0 0 1发送器队列在链路上产生传输时延结点 B结点 A在发送器产生发送时延(即传输时延)在队列中产生处理时延数据从结点 A 向结点 B 发送数据链路三种时延所产生地方第26页v发送时延（传输时延）：发送数据时，数据块从结点进入到传输媒体所需要时间。即数据块第一个比特开始发送算起，到最终一个比特发送完成所需时间。v信道带宽：数据在信道上发送速率，常称为数据在信道上传输速率。发送时延=数据块长度（比特）信道带宽（比特/秒）时延(delay 或 latency)第27页v传输时延：电磁波在信道中需要传输一定距离而花费时间。电磁波在自由空间传输速率为光速，3.0*105km/s，在铜线中为2.3*105km/s，光纤中为2.0*105km/s。v信号传输速率（即发送速率）和信号在信道上传输速率是完全不一样概念。传输时延=信道长度（米）信号在信道上传输速率（米/秒）时延(delay 或 latency)第28页v处理时延 交换结点为存放转发而进行一些必要处理所花费时间。v结点缓存队列中分组排队所经历时延是处理时延中主要组成部分。v处理时延长短往往取决于网络中当初通信量。v有时可用排队时延作为处理时延。时延(delay 或 latency)第29页v数据经历总时延就是发送时延、传输时延和处理时延之和：总时延=发送时延+传输时延+处理时延时延(delay 或 latency)第30页v对于高速网络链路，我们提升仅仅是数据发送速率而不是比特在链路上传输速率。v提升链路带宽减小了数据发送时延。v例题 注意点第31页v往返时延 RTT(Round-Trip Time)表示从发送端发送数据开始，到发送端收到来自接收端确实认（接收端收到数据后马上发送确认），总共经历时延。v复杂互联网中，RTT要包含各中间节点处理时延和转发数据发送时延。往返时延RTT第32页误码率v误码率：传输犯错码元数占传输总码元数百分比，是衡量数据通信系统在正常工作情况下传输可靠性指标。v设传输总码元数为N，传输犯错码元数为Ne，则误码率Pe为：Pe=Ne/Nv误码率应用：误码率决定传输数据单元大小，信道质量较差，误码率比较大则采取较小数据单元传输。第33页误码率v例子：假设误码率为10-5(即每传输100,000比特，发生1比特错误)；此时若数据单元为1000比特，则每发送100数据单元，发送一个错误，重传1000比特即可。此时若数据单元为10000比特，则每发送10个单元会发生1个错误，需要重传10000比特。v但并非数据单元越小越好，控制信息增加，额外开销增大。第34页2.1 基本通信理论 v2.1.1 数据通信基本概念v2.1.2 数据通信中几个指标v2.1.3 数字调制技术v2.1.4 多路复用技术v2.1.5 数字信号编码第35页2.1.3 数字调制技术v在计算机提供二进制数字信号与电话网提供模拟信号之间进行转换，这类技术统称为调制/解调技术。v连续波数字信号调制基带信号：将数字信号 1 或 0 直接用两种不一样电压来表示，然后送到线路上去传输。宽带信号：将基带信号进行调制后形成频分复用模拟信号。第36页数字信号调制v电路中使用两种电平分别表示“1”和“0”，这种原始电脉冲信号称为“基带信号”。v基带信号仅适合短距离数据传输，在计算机远程通信中，不能直接传输原始电脉冲信号v需要Modem，在发送端将基带信号转换成适合传输音频信号（调制）；在接收端再将音频信号转换成基带信号（解调）。第37页基带信号传输产生误码出现差错010010 0100还原后数据t接收到失真信号010011100t发送基带信号t采样时刻v数据经过模拟传输系统后可能会出现差错。第38页调制解调器作用v调制器(MOdulator)：把要发送数字信号转换为频率范围在 3003400 Hz 之间模拟信号，方便在电话用户线上传送。v解调器(DEModulator)：把电话用户线上传送来模拟信号转换为数字信号。v调制器主要作用就是个波形变换器，它把基带数字信号波形变换成适合于模拟信道传输波形 v解调器作用就是个波形识别器，它将经过调制器变换过模拟信号恢复成原来数字信号。若识别不正确，则产生误码。在调制解调器中还要有差错检测和纠正设施。第39页连续波数字信号调制v调制方法：选取一个适合于在线路上传输正弦波作为载波，让载波一些特征（幅度、频率、相位）随基带信号改变而改变。v基本调制方法振幅键控(ASK，Amplitude Shift Keying)频移键控(FSK，Frequency Shift Keying)相移键控(PSK，Phase Shift Keying)第40页几个最基本调制方法v调制就是进行波形变换（频谱变换）。v最基本二元制调制方法有以下几个：振幅键控：载波振幅随基带数字信号而改变。频移键控：载波频率随基带数字信号而改变。相移键控：载波初始相位随基带数字信号而改变。第41页基带数字信号几个调制方法010011100基带信号振幅键控频移键控相移键控第42页振幅键控（ASK）v用载波不一样振幅来表示不一样二进制值。v比如对应二进制0，载波振幅为0（无载波）；对应二进制1，载波振幅取1。v调幅技术实现起来简单，但抗干扰性能差。第43页频移键控(FSK)v用载波频率附近两个不一样频率，分别表示两个二进制数(0或1)。v比如对应二进制0载波频率为f1，而对应二进制1载波频率为f2。v这种调制技术抗干扰性能好，但占用带宽较大。第44页相移键控(PSK)v用载波相位(绝对值或改变)来表示数据。v比如：0对应相位“0”，1对应相位180。v比如：发送信号与前一个信号同相（相位不发生改变），则表示“0”；发送信号与前一个信号反相（相位发生改变），则表示“1”。v注意：检测相位改变比检测相位值要轻易。第45页三种调制方式第46页脉冲编码调制PCMv模拟数据在时间上和取值上都是连续，对其进行数字信号编码，是将其转换成一系列在时间和取值上都是离散二进制数码脉冲，最惯用编码方法就是“脉冲编码调制PCM(Pulse Code Modulation)”v现在数字传输系统均采取脉码调制 PCM 体制。v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）。vPCM包含三个主要步骤：采样量化编码第47页采样v采样：实现时间上离散化。每隔一定时间间隔,取模拟信号当前值作为样本。该样本代表了模拟信号在某一时刻瞬时值。v采样依据：奈奎斯特(Nyquist)采样定理若对连续改变模拟信号进行周期性采样，假如采样速率大于模拟信号最高频率二倍,则能够用得到样本空间恢复原来模拟信号。即：标准电话信号最高频率3.4KHz，采样频率定位8KHz，即采样周期为125us。采样周期模拟信号最高频率第48页量化v量化：是使采样值在取值上离散化。取样后得到样本是连续值，这些样本必须量化为离散值。详细做法是：将原始信号取值范围划分为若干个等级，将每个采样值“取整”到离它最近一个等级上。离散值个数（等级划分）决定了量化精度。我国电话信号PCM体制中，量化等级为256，即8位。第49页编码v编码：将量化后采样值用一定位数二进制数码来表示。v编码位数和量化级数相关，若量化级数为N，则每个采样值就能够编码成Log2N为二进制码。v我国PCM体制编码位数为8，即每个脉冲信号编码为8bit信息，因为每秒8000个脉冲，话音标准编码速率为64Kb/s。第50页ABCDBACD模拟话音模拟话音采样时钟采样时钟PAM PAM 信号信号PCM PCM 信号信号采样电路采样电路量化和比较量化和比较数字化声音数字化声音模拟模拟数字（数字（PCM）第51页PCM示意图采样周期 Tt信号t采样1001001111000010t编码t解码t还原第52页2.1 基本通信理论 v2.1.1 数据通信基本概念v2.1.2 数据通信中几个指标v2.1.3 数字调制技术v2.1.4 多路复用技术v2.1.5 数字信号编码第53页2.1.4 多路复用技术v一条物理线路上仅传输一路信号，资源浪费。采取多路复用，能够将多路信号组合在一条物理信道上进行传输，在接收端再将各路信号分离开来，提升通信线路利用率。v多路复用技术：频分多路复用时分多路复用波分多路复用码分多路复用不使用复用技术不使用复用技术使用复用技术使用复用技术第54页频分多路复用v频谱：信号能量随频率分布规律为信号频谱。v信号带宽：能量集中区域为信号带宽。v当信道带宽等于或大于信号带宽时，信号频谱在传输过程中不会被改变。v频分多路复用（Frequency Division Multiplexing，FDM）：当信道带宽大于各路信号总带宽时，能够将信道分割成若干个子信道，每个子信道用来传输一路信号。要求：各路信号频谱在传输过程中不相互重合和干扰，采取频谱搬移技术。第55页FDM示意图第56页FDMv频分复用全部用户在一样时间占用不一样带宽资源（注意：这里“带宽”是频率带宽而不是数据发送速率）第57页时分多路复用vTDM(Time Division Multiplexing)将使用信道时间分成一个个时间片，按一定规则将这些时间片分配给各路信号，每一路信号在自己时间片内独占整个信道进行传输。时间片大小能够按一次传送一位,一个字节或一个固定大小数据块所需时间来确定。v时分复用全部用户是在不一样时间占用一样频带宽度时隙，slot第58页TDM类型v同时TDM（普通TDM）时间片分配事先约定，且固定不变。优点：控制简单，接收设备依据预约时间片分配方案，将收到数据分发到不一样输出线路上。缺点：当某个信号源没有数据时，依然占用时间片，不能充分利用信道。v同时TDM将时间划分为一段段等长TDM帧，每个用户占用时隙周期性出现。即：信号源与时隙序号固定，即同时。第59页时分复用 频率时间B C DB C DB C DB C DAAAA在 TDM 帧中位置不变TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧信号频率信号频率第60页时分复用 频率时间C DC DC DAAAABBBB C D在 TDM 帧中位置不变TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧第61页时分复用 频率时间BDBDBDAAAA BCCCC D在 TDM 帧中位置不变TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧第62页时分复用 频率时间B CB CB CAAAA B CDDDD在 TDM 帧中位置不变TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧第63页时分复用可能会造成线路资源浪费 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，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。第64页TDM类型v统计时分复用STDM（异步TDM）v时间片按需分配，需要发送数据信号源提出申请，才能获得时间片。即：公共信道时隙实施“按需分配”，对那些需要传送信息或正在工作终端（信号源）才分配时隙，能够使得全部时隙都能够饱满地得到使用，能够使得服务终端数大于时隙个数，提升信道利用率。v特点：能够充分利用信道，但控制比较复杂。v比如下列图：4个低速用户，每个TDM帧2个时隙，且每个时隙有对应用户地址信息。第65页统计时分复用 STDM 用户ABCDabcdttttt3 个 STDM 帧#1acbab bcacd#2#3统计时分复用第66页TDM使用举例v电话系统中为了有效地利用传输线路，可将多个话路PCM信号用时分复用 TDM(Time Division Multiplexing)方法装成时分复用帧，然后发送到线路上。v北美体制：用于北美和日本电话系统T1信号(1.544Mbps)。v欧洲体制：我国电信部门使用E1传输系统(2.048Mbps)。第67页T1电话系统vT1电话系统每路电话带宽为3400Hz，每秒8000次速率对模拟信号采样；每个采样值被编码成7bit数字信号，在加上1bit控制信号；24路信号组成一帧；外加上1个帧同时比特；v一帧共有：(71)*24+1=193bit；v每秒传送8000帧，总数据速率为8000*193=1.544Mbps第68页T1信道第69页E1信道v一个时分复用帧共划分32个相等时隙，即32路信号分时复用一条通道；v每个时隙8bit；v其中CH0作帧同时，CH16传送信令，剩下30路传送话音。v采样频率为每秒8000次；v总数据速率为：8*32*8000=2.048Mbps第70页E1 时分复用帧2.048 Mb/s传输线路CH0CH16CH17CH15CH15CH16CH17CH31CH31CH0CH1CH1时分复用帧T CH0 CH1 CH2 CH15 CH16 CH17 CH30 CH31 CH08 bitt时分复用帧时分复用帧T=125 us15 个话路15 个话路第71页波分多路复用vWavelength Division Multiplexing，WDMv同FDM类似，主要用于光纤通信中；波分复用就是光频分复用。不一样信号源使用不一样频率（波长）光波来传输数据，各路光经过一个棱镜（或衍射光栅），合成一个光束在光纤上传输；在接收端再将各路光波分开。v密集波分复用DWDM（Dense WDM）：技术发展一根光纤上复用光载波信息路数越来越多，比如80或更多路数。第72页码分多路复用（CDMA）v惯用名词是码分多址 CDMA (Code Division Multiple Access)。v每个用户在一样时间使用一样频带进行通信。v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。v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。v采取CDMA可提升话音质量、数据传输可靠性、增大通信系统容量（是GSM45倍），降低手机平均发射功率。v每一个比特时间划分为 m 个短间隔，称为码片(chip)。m通常为64或128.第73页码片序列(chip sequence)v每个站被指派一个惟一 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。v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。vS 站码片序列：(1 1 1+1+1 1+1+1)第74页CDMA 主要特点v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)。v显然，假如站发送信息数据速率为B b/s，因为每一个比特要转换成m比特码片，所以，站实际数据速率为mB b/s,S站所占用频带带宽提升到原来m倍。这就是扩频通信。第75页码片序列正交关系v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。v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)第76页码片序列正交关系举例v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)。v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。第77页正交关系另一个主要特征v任何一个码片向量和该码片向量自己规格化内积都是1。v一个码片向量和该码片反码向量规格化内积值是 1。第78页CDMA工作原理v每个站各自发送扩频信号，在接收端形成叠加信号。v当接收站打算接收S站信号时，就用S站码片序列与收到叠加信号求规格化内积：若S站有信号发送，则内积结果为1(发送数据1)或-1（发送数据0）。若S站没有信号发送，则内积结果为0。第79页S 站码片序列 S110ttttttm 个码片tS 站发送信号 SxT 站发送信号 Tx总发送信号 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CDMA 工作原理第80页2.1 基本通信理论 v2.1.1 数据通信基本概念v2.1.2 数据通信中几个指标v2.1.3 数字调制技术v2.1.4 多路复用技术v2.1.5 数字信号编码第81页2.1.5 数字信号编码v单极性码是指用电压有或无来表示二进制数。比如,在示意图中我们用+3 V表示二进制数字0,而用0 V 表示二进制数字1。单极性码用在电传打字机(TTY)接口中以及PC机和TTY兼容接口中,这种代码需要单独时钟信号配合定时,不然当传送一长串0或1时,发送机和接收机时钟将无法定时,单极性码抗噪声特征也不好。第82页数字信号编码v双极型编码用正、负电压分别表示两个二进制数0和1，而且正和负幅度相同。比如在示意图中我们用+3 V表示二进制数字0,而用-3 V表示二进制数字1,这种代码电平差比单极码大,因而抗干扰特征好,但依然需要另外时钟信号。第83页数字信号编码v不归零码在一个码元全部时间内，电压保持恒定，这种码又称为全宽码。问题：连续发送多个“1”码或“0”码时，码元之间没有间隙，不轻易区分。主要用于计算机内部通信。第84页数字信号编码v归零码在一个码元全部时间内，非零电压连续时间小于一个码元时间。在一个码元后半部分时间内，电压总是归于零。好处：双极型归零码处理了不归零码在连续发送“1”码或“0”码不轻易区分问题。第85页曼彻斯特编码v每位中间有一个电平跳变，从低到高跳变表示“1”，从高到低跳变表示“0”。v曼彻斯特码用在以太网中。第86页差分曼彻斯特编码v每位中间有一个跳变，但它不是用这个跳变来表示数据，而是利用每个码元开始时有没有跳变来表示“0”或“1”。v有跳变表示“0”，没有跳变表示“1”。v差分曼彻斯特编码用在令牌环网中。第87页曼彻斯特与差分曼彻斯特编码第88页第2章 物理层v2.1 基本通信理论v2.2 传输介质v2.3 同时光纤网和同时数字系列v2.4 物理层协议举例第89页传输介质v1.导向性传输媒体（电磁波被导向沿着固体媒体传输）双绞线v屏蔽双绞线 STP(Shielded Twisted Pair)v无屏蔽双绞线 UTP(Unshielded Twisted Pair)同轴电缆v50 同轴电缆v75 同轴电缆光缆 v2.非导向性传输媒体（自由空间传输、无线传输）第90页双绞线v由两根按螺旋状扭合（降低线对之间电磁干扰）在一起绝缘铜导线组成；v既可用于模拟传输，也可用于数字传输；v带宽依赖于线粗细和传输距离；v非屏蔽双绞线UTP（Unshielded Twisted Pair），屏蔽双绞线STPSTP分为3类和5类，5类STP在100米内可达155Mb/s；当前用比较多是5类和超5类UTP。6类UTP可达250Mb/s，7类可达600Mb/s。第91页聚氯乙烯套层铜线屏蔽层绝缘层屏蔽双绞线 STP铜线聚氯乙烯 套层绝缘层无屏蔽双绞线 UTP双绞线示意图第92页惯用双绞线类别双绞线类别带宽v经典应用316 MHz低速网络；模拟电话420 MHzv16Mbps令牌环局域网；短距离10BASE-T以太网5100 MHzv10BASE-T以太网；一些100BASE-T快速以太网5E（超5类）100 MHzv100BASE-T快速以太网；一些1000BASE-T千兆以太网6250 MHz1000BASE-T千兆以太网；ATM网络7600 MHzv屏蔽双绞线，可能用于今后万兆以太网第93页STP第94页双绞线制作v布线标准美国电子工业协会和电信工业协会联和公布标准EIA/TIA568A和EIA/TIA568B，但普通使用TIA568B标准。vUTP线缆组成内部4对线组成，一根是纯色，另一根是白色上有对应色点；如橙和橙白，绿和绿白，蓝和蓝白，棕和棕白色。第95页UTP线缆制作v线缆类型直通线：连接两种不一样设备，计算机与交换机、计算机与HUB、交换机与路由器。交叉线：同种设备连接。计算机间、交换机间、路由器间。但路由器与计算机间、计算机与光纤收发器间也用交叉线。反转线：用于交换机或路由器控制端口与计算机连接。计算机作为这些被控设备超级终端。第96页直通线排列方式引脚引脚12345678端端A白橙白橙橙橙白绿白绿蓝蓝白蓝白蓝绿绿白棕白棕棕棕端端B白橙白橙橙橙白绿白绿蓝蓝白蓝白蓝绿绿白棕白棕棕棕v引脚排列：水晶头朝正前方，卡子面朝下，最左边为第1引脚，最右边为第8引脚。第97页棕白棕白兰白橙白绿绿兰橙8765432187654321BrownWhite/BrownGreenWhite/BlueBlueWhite/GreenOrangeWhite/Orange568B:Connection standard:568A/568B第98页交叉线排列方式引脚引脚12345678端端A白橙白橙橙橙白绿白绿蓝蓝白蓝白蓝绿绿白棕白棕棕棕端端B白绿白绿绿绿白橙白橙蓝蓝白蓝白蓝橙橙白棕白棕棕棕v引脚排列：水晶头朝正前方，卡子面朝下，最左边为第1引脚，最右边为第8引脚。第99页反转线排列方式引脚引脚12345678端端A白橙白橙橙橙白绿白绿蓝蓝白蓝白蓝绿绿白棕白棕棕棕端端B棕棕白棕白棕绿绿白蓝白蓝蓝蓝白绿白绿橙橙白橙白橙v引脚排列：水晶头朝正前方，卡子面朝下，最左边为第1引脚，最右边为第8引脚。第100页第101页第102页第103页同轴电缆v同轴电缆：由内导体铜质芯线、绝缘层、网状编织外导体屏蔽层以及保护塑料外层组成。外导体屏蔽层含有很好抗干扰特征。v与计算机连接要用T型分接头。内导体内导体绝缘层绝缘层外导体屏蔽层外导体屏蔽层绝缘保护外层绝缘保护外层第104页第105页同轴电缆v按照特征阻抗不一样，分为：基带同轴电缆v50欧姆，用于数字传输；v分粗缆和细缆两种；v以10Mb/s可将基带数字信号，粗缆传送500米，细缆传送180米。宽带同轴电缆v75欧姆，用于模拟传输。vCable TV技术，300MHz或450MHz，采取FDM技术将信道分割成多个子信道，每个子信道传送一路电视信号。v用于城域网，如有线通（Cable MODEM）第106页v光纤由能传导光波石英玻璃纤维和保护层组成，纤芯很细直径只有8至100um，纤芯和包层含有不一样折射系数v光纤特征光线从高折射率媒体射向低折射率媒体时，其折射角大于入射角。若入射角足够大，出现全反射；包层较纤芯有较低折射率，入射角足够大光线碰到包层时会折射回纤芯。光纤第107页光线在光纤中折射 折射角入射角 包层（低折射率媒体）包层纤芯第108页v多模光纤只要从纤芯射到纤芯表面入射角大于某一个临界角度，就会产生全反射。这么能够存在多条不一样角度入射光线在一条光纤中传输，这种光纤为。传输中光脉冲会逐步展宽，造成失真，适合短距离传输。v单模光纤若光纤直径减小到只有一个光波长，则光纤像一根波导，使光线一直向前传输，不会屡次反射，这种光纤为。使用昂贵半导体激光源，光脉冲衰耗小，适合长距离传输。多模光纤与单模光纤第109页多模光纤与单模光纤第110页光纤传输特点v光波长范围（依不一样波长光衰减特征）0.85um：适合多模光纤通信；1.30um：适合多模和单模光纤通信；1.55um：用于单模光纤通信。v光纤传输特点通信损耗低、频带宽、数据传输速率高、抗电磁干扰好，安全性好；体积小、重量轻等，但所需通信部件（发送器、接收器和连接部件）较昂贵。第111页实际光纤第112页惯用电缆特征比较第113页电磁波频谱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)fLFMFHFVHF 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 第114页非导向传输媒体 v用自由空间作为传输介质来进行数据通信。v特点:信号含有较强方向性，沿直线传输，不能绕开固体障碍物，要求发送和接收方之间存在视线通路。v适用:架设或铺埋电缆或光缆较困难地方，广泛应用于电话领域组成蜂窝式无线电话网。v分类:地面微波接力通信、卫星通信、红外线与毫米波通信第115页地面微波接力通信v原理:长距离传输时每隔一段距离就需架中继站，将前一信号放大向后传。v优点:频带宽、通信容量大、传输质量高、可靠性很好、投资少、见效快、灵活等。v缺点:相邻站间必须直视，不能有障碍物；受气候干扰较大、保密性差、中继站使用与维护问题等。第116页卫星通信v原理：用位于36000公里高空人造同时卫星做中继器一个微波接力通信。v优点：频带很宽,通信容量大，信号受干扰小；通信比较稳定，通信距离远。v缺点：保密性较差，造价较高，含有较大传输延迟v适用：广播电视通信。第117页红外线与毫米波通信v优点：价格廉价，易制造，有良好安全性，不易被窃听。v缺点：不能穿透坚硬物体，对环境气候敏感。v适用：被广泛应用于短距离通信，红外线成为室内无线局域网主要选择对象，如遥控器，防盗警报等。第118页惯用无线传输介质比较第119页第2章 物理层v2.1 基本通信理论v2.2 传输介质v2.3 同时光纤网和同时数字系列v2.4 物理层协议举例第120页2.3 SONET和SDHv数字传输网上传输信号普通都是经过TDM以后形成数字信号群路信号。旧数字传输系统存在着许多缺点：v速率标准不统一北美和日本T1及欧洲E1速率，为了提升速率又搞了高次群。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。v不是同时传输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。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。第121页多个T1或E1线路复用v一次群：T1=1.544Mb/s E1=2.048Mb/sv二次群：T2=T14+=6.312Mb/s E2=E14+=8.848Mb/sv三次群：T3=T27+=44.736Mb/s E3=E24+=34.304Mb/sv四次群：T4=T36+=274.176Mb/s E4=E34+=139.264Mb/s第122页第123页SONET标准v1988年，美国推出同时光纤网数字标准，即SONET（Synchronous Optical NETwork）标准。同时光纤网 SONET中，整个同时网络各级时钟都来自一个非常准确主时钟。SONET为光纤传输系统定义了同时传输线路速率等级结构，其传输基本速率为51.84Mb/s。v对电信号，第 1 级同时传送信号 STS-1(Synchronous Transport Signal)传输速率是 51.84 Mb/s。v光信号则称为第 1 级光载波 OC-1，OC 表示Optical Carrier。第124页vSONET基本帧：每秒传送8000帧，即每125 s内传输810个字节，所以数据速率=8 bit 810 Byte 8000 Hz=51.84 Mbps，这是SONET最基本信道，即STS-1v一个STS-n帧长是STS-1帧长n倍，其它不变，所以STS-n数据率是STS-1数据率n倍多条STS-1支流复用可组成其它SONET干线，如3条STS-1支流被合成为1条3 51.84 Mbps=155.52 MbpsSTS-3流。v对应于STS-n光纤线路被称作OC-n（Optical Carrier Level），所以OC-1速率也是51.84Mb/sOC-n表示由n条单独OC-1线路组成SONET速率及复用第125页SDH标准vITU-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)。vSDH 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。第126页线路速率(Mb/s)SONET符号ITU-T符号v表示线路速率v惯用近似值 51.840OC-1/STS-1 155.520*OC-3/STS-3STM-1155 Mb/s 466.560OC-9/STS-9STM-3 622.080*OC-12/STS-12STM-4622 Mb/s 933.120OC-18/STS-18STM-61244.160OC-24/STS-24STM-81866.240OC-36/STS-36STM-122488.320*OC-48/STS-48STM-162.5
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