计算机网络-物理层省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

课件制作人：谢希仁计算机网络（第 5 版）第 2 章 物理层第1页课件制作人：谢希仁第 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 非导向传输媒体第2页课件制作人：谢希仁第 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 技术第3页课件制作人：谢希仁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：n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。n电气特征 指明在接口电缆各条线上出现电压范围。n功效特征 指明某条线上出现某一电平电压表示何种意义。n过程特征 指明对于不一样功效各种可能事件出现次序。第4页课件制作人：谢希仁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n目系统传输系统输出信息PC 机第5页课件制作人：谢希仁几个术语n数据(data)运输消息实体。n信号(signal)数据电气或电磁表现。n“模拟”(analogous)代表消息参数取值是连续。n“数字”(digital)代表消息参数取值是离散。第6页课件制作人：谢希仁 2.2.2 相关信号几个基本概念n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。n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)。n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。第7页n传输模式n并行传输：由1和0组成二进制数据，能够组织为n位分组，能够同时传输一组比特，每个比特使用单独一条线路，这些线路通常困扎在一条电缆里。经常使用在两个短距离设备之间（PC和打印机、CPU和存放模块）n串行传输：只使用一条线路，逐一逐一传送全部比特，比较廉价，用于长距离也较可靠，速度较慢。通信基本概念与术语01010110并行传输01010110串行传输第8页n并行传输在长距离上没有优势n长距离使用多条线路要比一条线路昂贵n长距离传输要求较粗导线（降低信号衰减），将它们捆绑在一条电缆里难度过高。n短距离传输各线路比特几乎同时抵达，距离过长时，各线路抵达时间不一致，接收困难。n串行与并行相比优势是串行只有一个通信信道，开销为并行1/n，速度过慢。n“众人拾柴火焰高”？通信基本概念与术语第9页n异步传输：比特被划分为小组独立传送，发送方能够在任何时刻发送这些比特组（比如：敲击键盘，每敲击一个字符等于传输8比特ASCII，停顿一下，再敲击一个字符）。n存在一个潜在问题：接收方并不知道数据会在什么时候抵达，当它检测到数据并作出响应，第一个比特可能已经发送完成（比如：当身边一个人突然讲话，你可能听不见前面几个字）n所以，每次异步传输都以一个开始位开头，通知接收方开始接收，一样以一个结束位结束，表示停顿接收通信基本概念与术语第10页n发送方输入数字321，按照扩展ASCII表示，传输信号应该是什么？n00110001-对应数字1n00110010-对应数字2n00110011-对应数字3通信基本概念与术语1 11001100 01 01001100 01 10001100 0开始位结束位对应3开始位结束位对应1开始位结束位对应2第11页n同时传输：它不是独立发送每个字符（每个字符都有自己开始位和结束位），而是将它们组合起来一起发送（组合多少字符也要看设备缓存大小），我们称这些组合为数据帧。n同时传输比异步传输要快很多，接收方无须对每个字符进行开始和停顿操作，相对开销降低很多。通信基本概念与术语并行设备串行设备IEEE1284USBPATA（IDE）Serial ATAPCIPCI-E常见并行串行接口第12页课件制作人：谢希仁几个最基本调制方法 n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)。n最基本二元制调制方法有以下几个：n调幅(AM)：载波振幅随基带数字信号而改变。n调频(FM)：载波频率随基带数字信号而改变。n调相(PM)：载波初始相位随基带数字信号而改变。第13页课件制作人：谢希仁对基带数字信号几个调制方法 010011100基带信号调幅调频调相第14页 数字调制技术在在数数字字调调制制中中，能能够够利利用用数数字字信信号号离离散散取取值值特特点点，由由数数字字电电路路开开关关，象象拨拨键键一一样样来来控控制制振振幅幅、频频率率或或相相位位改改变变。因因而而在在数数据据通通信信中中调调幅幅、调调频频和和调调相相常常对对应应地地称称为为幅幅移移键键控控ASK(Amplitude Shift Keying)、频频 移移 键键 控控 FSK(Frequency Shift Keying)和和相相移移键键控控PSK(Phase Shift Keying)。下下列列图图给给出出了了用用数数字字电电路路开开关关来来实实现现FSK调调制制原原理图。理图。S(t)=Asin(2ft+)第15页数字调制技术0101幅移键控（ASK）比特率=波特率 X 比特数比特数其中：比特数=log2N（N表示状态数）一个波形对应一个状态0或者1第16页数字调制技术0101比特率=波特率 X 比特数比特数其中：比特数=log2N（N表示状态数）频移键控（FSK）一个波形对应一个状态0或者1第17页数字调制技术0101比特率=波特率 X 比特数比特数其中：比特数=log2N（N表示状态数）相移键控（PSK）一个波形对应一个状态0或者1第18页数字调制技术星座图 4-PSK比特相位000o0190o10180o11270o00011011第19页数字调制技术比特相位0000o00145o01090o011135o100180o101225o110270o111315o星座图 8-PSK第20页课件制作人：谢希仁(1)信道能够经过频率范围n1924 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。n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。n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。第21页课件制作人：谢希仁(2)信噪比 n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。n信道极限信息传输速率 C 可表示为n C=W log2(1+S/N)b/s nW 为信道带宽（以 Hz 为单位）；nS 为信道内所传信号平均功率；nN 为信道内部高斯噪声功率。第22页课件制作人：谢希仁香农公式表明 n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。n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。n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。n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。第23页课件制作人：谢希仁2.3.1 导向传输媒体n双绞线n屏蔽双绞线 STP(Shielded Twisted Pair)n无屏蔽双绞线 UTP(Unshielded Twisted Pair)n同轴电缆n50 同轴电缆n75 同轴电缆n光缆 第24页T568A白绿、绿、白橙、蓝、白绿、绿、白橙、蓝、白蓝、橙、白棕、棕白蓝、橙、白棕、棕 T568B白橙、橙、白绿、蓝、白橙、橙、白绿、蓝、白蓝、绿、白棕、棕白蓝、绿、白棕、棕 双绞线(twisted pair)第25页水晶头第26页568A/568B第27页压线钳第28页第29页第30页第31页第32页第33页第34页第35页第36页第37页第38页课件制作人：谢希仁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同轴电缆第39页课件制作人：谢希仁光线在光纤中折射 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）包层纤芯第40页当入射角不停增大当入射角不停增大时，就出现一个新时，就出现一个新现象，这时就没有现象，这时就没有光再折射出去了。光再折射出去了。从光源开始进入光从光源开始进入光纤，光线全部在光纤，光线全部在光纤内部进行反射。纤内部进行反射。光导纤维电缆（optical fiber）第41页课件制作人：谢希仁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第42页 光导纤维电缆（optical fiber）第43页课件制作人：谢希仁2.3.2 非导向传输媒体 n无线传输所使用频段很广。n短波通信主要是靠电离层反射，但短波信道通信质量较差。n微波在空间主要是直线传输。n地面微波接力通信n卫星通信 第44页课件制作人：谢希仁共享信道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 n复用(multiplexing)是通信技术中基本概念。信道A1A2B1B2C1C2信道信道A1A2B1B2C1C2复用分用(a)不使用复用技术(b)使用复用技术第45页 多路复用技术多多路路复复用用：技技术术就就是是把把许许多多信信号号在在单单一一传传输输线线路路和和用用单单一一传传输输设设备备来来进进行传输技术。行传输技术。多路复用技术又分为以下三众形式：多路复用技术又分为以下三众形式：频分多路复用频分多路复用FDM（Frequency Division Multiplexing）经过为多个信道分配互不重合频率范围方式实现多路复用，更适合于模经过为多个信道分配互不重合频率范围方式实现多路复用，更适合于模拟数字信号传输。拟数字信号传输。时分多路复用时分多路复用TDM（Time Division Multiplexing）经过为多个信道分配互不重合时间片方式实现多路复用，更适合于数字经过为多个信道分配互不重合时间片方式实现多路复用，更适合于数字数据信号传输。数据信号传输。波分多路复用波分多路复用WDM（Wavelength Division Multiplexing）光纤通道技术采取了波长分割多路复使用方法，实际上它也是频分多路光纤通道技术采取了波长分割多路复使用方法，实际上它也是频分多路复用一个。在光学系统中利用光栅实现多路不一样频率光波信号合成和复用一个。在光学系统中利用光栅实现多路不一样频率光波信号合成和分离。分离。第46页频分多路复用（FDM-Frequency Division Multiplexing）应用:无线电广播,电视特点:信号被划分成若干通道(频道,波段),每个通道独立进行数据传递多路复用技术第47页多路复用技术假定一个语音通道占用带宽是4Khz，要将三个语音通道合并成一条宽带为12Khz（20Khz32Khz）链路，试分析多路复用过程及分离过程。没有考虑防护频带0 4K0 4K0 4K20K 24K24K 28K28K 32K+平移合并第48页n时分多路复用（TDM-Time Division Multiplexing）特点：多条低速线路轮番使用同一条高速线路进行数据传递应用：电话主干线路多路复用技术第49页课件制作人：谢希仁2.6 宽带接入技术2.6.1 xDSL技术nxDSL 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。n即使标准模拟电话信号频带被限制在 3003400 Hz 范围内，但用户线本身实际可经过信号频率依然超出 1 MHz。nxDSL 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。nDSL 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。第50页课件制作人：谢希仁xDSL 几个类型 nADSL(Asymmetric Digital Subscriber Line)：非对称数字用户线nHDSL(High speed DSL)：高速数字用户线nSDSL(Single-line DSL)：1 对线数字用户线nVDSL(Very high speed DSL)：甚高速数字用户线nDSL：ISDN 用户线。nRADSL(Rate-Adaptive DSL)：速率自适应 DSL，是 ADSL 一个子集，可自动调整线路速率）。第51页课件制作人：谢希仁ADSL 特点n上行和下行带宽做成不对称。n上行指从用户到 ISP，而下行指从 ISP 到用户。nADSL 在用户线（铜线）两端各安装一个 ADSL 调制解调器。n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。第52页课件制作人：谢希仁DMT 技术nDMT 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。n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。第53页课件制作人：谢希仁DMT 技术频谱分布 频谱频率上行信道传统电话04下行信道(kHz)401381100第54页课件制作人：谢希仁ADSL 数据率n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。n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。nADSL 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。n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。第55页课件制作人：谢希仁ADSL 组成 ATU-CATU-CATU-RATU-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PSPS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)第56页