计算机网络课件-物理层2[1].pptx

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,11/7/2009,#,*,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,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,2.2.1,数据通信系统的模型,2.2.2,有关信道的几个基本概念,2.2.3,信道的极限容量,第一页，共66页。,第一页，共66页。,物理层的定义,物理层,提供,机械的、电气的、功能的和规程的特性，,目的,是启动、维护和关闭数据链路实体之间进行比特传输的,物理连接,。这种连接可能通过中继系统，在中继系统内的传输也是在物理层的。,第二页，共66页。,第二页，共66页。,物理层的功能,在两个网络设备之间提供,透明的比特流传输,。,第三页，共66页。,第三页，共66页。,物理层的主要任务,描述为确定与传输媒体的接口的一些特性，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、固定和锁定装置等等。,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现顺序。,第四页，共66页。,第四页，共66页。,2.2,数据通信的基础知识,2.2.1,数据通信系统的模型,2.2.2,有关信道的几个基本概念,2.2.3,信道的极限容量,第五页，共66页。,第五页，共66页。,2.2.1,数据通信系统的模型,传输,系统,输入信息,输入数据,发送,的信号,接收,的信号,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,目的系统,传输系统,输出信息,PC,机,第六页，共66页。,第六页，共66页。,2.2.2,有关信道的几个基本概念,信号,数据传输类型,通信方式,同步方式,调制方法,第七页，共66页。,第七页，共66页。,2.2.3,信道的极限容量,香农公式,信道的极限信息传输速率,C,可表达为,C,=,W,log,2,(1+,S,/,N,)b/s,W,为信道的带宽（以,Hz,为单位）；,S,为信道内所传信号的平均功率；,N,为信道内部的高斯噪声功率。,第八页，共66页。,第八页，共66页。,信噪比,S/N,为信噪比。,由于实际使用的信道的信噪比都要足够大,故常表示成,10log,10,(S/N),以分贝,(dB),为单位来计量。,信噪比为,30dB,，则,S/N,1000,。,30,10log,10,(S/N),3,log,10,(S/N),10,3,S/N,第九页，共66页。,第九页，共66页。,2.3,物理层下面的传输媒体,2.3.1,导向传输媒体,2.3.2,非导向传输媒体,第十页，共66页。,第十页，共66页。,2.3 物理层下面的传输媒体,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,10,4,10,5,10,6,10,7,10,8,10,9,10,10,10,11,10,12,10,13,10,14,10,15,10,16,100,10,2,10,4,10,6,10,8,10,10,10,12,10,14,10,16,10,18,10,20,10,22,10,24,移动,无线电,电信领域使用的电磁波的频谱,第十一页，共66页。,第十一页，共66页。,传输介质,传输介质可以分为有线和无线传输介质,在有线介质中，电磁波沿着物理通路,呈导向性传播,无线介质可以传播电磁波，但,并不为它们导向,有线介质有：双绞线、同轴电缆、光纤等,无线介质一般指自由空间（大气、真空）,第十二页，共66页。,第十二页，共66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,第十三页，共66页。,第十三页，共66页。,非屏蔽双绞线（UTP）,由,4,对双绞线和一层塑料护套构成,完全依靠双绞线对产生的消除效果来限制由电磁干扰和无线电频率干扰而引起的信号退化,EIA/TIA,为非屏蔽双绞线定义了六种不同的质量类别，常用的有,3,类（,CAT-3,）、,5,类（,CAT-5,）、超,5,类（,CAT-5e,）和,6,类（,CAT-6,）,优点：,1,、容易安装且比其它类型的网络介质便宜；,2,、尺寸较小，节省空间；,缺点：,1,、易受电磁信号干扰；,2,、传输距离短第十四页，共66页。,第十四页，共66页。,非屏蔽双绞线（UTP）,第十五页，共66页。,第十五页，共66页。,屏蔽双绞线（STP）,屏蔽双绞线结合了屏蔽技术和消除技术,4对线缆全由金属薄片包围着,优点：屏蔽双绞线能对所有类型的外界干扰更有效地进行阻止,缺点：在安装费用和难度方面，它比非屏蔽双绞线要昂贵和更困难,第十六页，共66页。,第十六页，共66页。,屏蔽双绞线（STP）,第十七页，共66页。,第十七页，共66页。,同轴电缆,结构：内导体、绝缘材料、外导体（屏蔽层）、保护套,基带同轴电缆,(50,),、宽带同轴电缆,(75,),粗缆,连接距离长，可靠性高但安装难度大，造价高,细缆,安装较简单，造价也低，但需切断电缆安装网络连接头,BNC,，当接头多时容易产生接触不良的现象,外导体屏蔽层,绝缘层,绝缘保护套层,内导体,第十八页，共66页。,第十八页，共66页。,同轴电缆的连接器,T,型连接头,BNC,连接器,终端匹配电阻,T,型连接头,BNC,连接器 终端匹配电阻,第十九页，共66页。,第十九页，共66页。,光纤,光纤（,optical fiber,）即光导纤维。利用光导纤维作为光的传输介质，以光波为信号载体的光纤通信。,优点：,抗电磁干扰能力强,低损耗,高传输速率,缺点：,费用高,不易安装和维护,质地脆易断裂，机械性能差,第二十页，共66页。,第二十页，共66页。,光纤的结构纤芯：具有高折射率的纯玻璃,包层：具有较低折射率的玻璃或塑料制成,护套：塑料制成的保护套,第二十一页，共66页。,第二十一页，共66页。,光线在光纤中的折射,折射角,入射角,包层,（低折射率的媒体）,包层,（低折射率的媒体）,纤芯,（高折射率的媒体）,包层,纤芯,第二十二页，共66页。,第二十二页，共66页。,光纤的工作原理,高折射率,(,纤芯,),低折射率,(,包层,),光线在纤芯中传输的方式是不断地全反射,第二十三页，共66页。,第二十三页，共66页。,光纤模式类型,多模光纤,不同的光线以不同的反射角传播，可以认为每一束光线有一个不同的模式,特点：存在色散现象，适于中短距离中小容量的通信单模光纤,光纤的直径被减小到一个光波波长大小，光在其中没有反射，而是沿直线传播,特点：传输距离远；衰减小；传输速率高；但价格昂贵；适于大容量远距离通信,第二十四页，共66页。,第二十四页，共66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,第二十五页，共66页。,第二十五页，共66页。,光纤传输系统,光源：,LED(,发光二极管,),ILD(,注入式激光二极管,),光检测器：,光电二极管,(PIN),雪崩光电二极管,(APD),第二十六页，共66页。,第二十六页，共66页。,LED与ILD比较,LED,ILD,数据速率,低,高,模式,多模,多模或单模,传输距离,短,长,使用寿命,长,短,工作温度范围,较宽,较窄,造价,低,高,第二十七页，共66页。,第二十七页，共66页。,2.3.2 非导向传输媒体,自由空间,传输方式,无线电波（全向）,地面微波（定向）,卫星微波（定向）,红外传输（定向）,激光（定向）,第二十八页，共66页。,第二十八页，共66页。,无线局域网使用的 ISM 频段,26 83.5 125,频带,MHz MHz MHz,频率,902 928 2.4 2.4835 5.725 5.850,MHz MHz GHz GHz GHz GHz,第二十九页，共66页。,第二十九页，共66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,第三十页，共66页。,第三十页，共66页。,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,第三十一页，共66页。,第三十一页，共66页。,复用技术,复用,(multiplexing),是通信技术中的基本概念。,+,(),+,A,1,A,2,B,1,B,2,C,1,C,2,A,1,A,2,B,1,B,2,C,1,C,2,共享信道,(a),使用单独的信道,(b),使用共享信道,复用,分用,第三十二页，共66页。,第三十二页，共66页。,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。,频分复用,的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源（请注意，这里的“带宽”是频率带宽而不是数据的发送速率）。,频率,时间,频率,1,频率,2,频率,3,频率,4,频率,5,第三十三页，共66页。,第三十三页，共66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的,时分复用帧,（,TDM,帧）。每一个时分复用的用户在每一个,TDM,帧中占用固定序号的时隙。,每一个用户所占用的时隙是,周期性地出现,（其周期就是,TDM,帧的长度）。,TDM,信号也称为,等时,(isochronous),信号。,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。,第三十四页，共66页。,第三十四页，共66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,的位置不变,TDM,帧,TDM,帧,TDM,帧,TDM,帧,TDM,帧,第三十五页，共66页。,第三十五页，共66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,的位置不变,TDM,帧,TDM,帧,TDM,帧,TDM,帧,TDM,帧,第三十六页，共66页。,第三十六页，共66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,的位置不变,TDM,帧,TDM,帧,TDM,帧,TDM,帧,TDM,帧,第三十七页，共66页。,第三十七页，共66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,的位置不变,TDM,帧,TDM,帧,TDM,帧,TDM,帧,TDM,帧,第三十八页，共66页。,第三十八页，共66页。,时分复用可能会造成线路资源的浪费,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，,由于计算机数据的突发性质，用户对,分配到的子信道的利用率一般是不高的。,第三十九页，共66页。,第三十九页，共66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,集,中,器,第四十页，共66页。,第四十页，共66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,波分复用,WDM,(Wavelength Division Multiplexing),波分复用就是光的频分复用。,8,2.5 Gb/s,1310 nm,20 Gb/s,复,用,器,分,用,器,掺饵光纤放大器,EDFA,120 km,光调制器,光解调器,8,2.5 Gb/s,1310 nm,第四十一页，共66页。,第四十一页，共66页。,2.4.3,码分复用,CDM,(Code Division Multiplexing),常用的名词是,码分多址,CDMA,(Code Division Multiple Access),。,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。,这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力，其频谱类似于白噪声，不易被敌人发现。,每一个比特时间划分为,m,个短的间隔，称为,码片,(chip),。,第四十二页，共66页。,第四十二页，共66页。,码片序列,(chip sequence),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。,发送比特,1,时，就发送序列，,发送比特,0,时，就发送序列。,S,站的码片序列：,(1 1 1+1+1 1+1+1),第四十三页，共66页。,第四十三页，共66页。,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),。,在实用的系统中是使用伪随机码序列。,第四十四页，共66页。,第四十四页，共66页。,码片序列的正交关系令向量,S,表示站,S,的码片向量，令,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，就是向量,S,和,T,的规格化内积,(inner product),都是,0,：,(2-3),第四十五页，共66页。,第四十五页，共66页。,码片序列的正交关系举例,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,的各分量值代入,(2-3),式就可看出这两个码片序列是正交的。,第四十六页，共66页。,第四十六页，共66页。,任何一个码片向量和该码片向量自己的规格化内积都是,1,。,一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是,1,。,例：向量,S,为,(1 1 1+1+1 1+1+1),。,则：,S*S,1,S*,S,1,正交关系的另一个重要特性,第四十七页，共66页。,第四十七页，共66页。,CDMA,的工作原理,S,站的码片序列,S,1,1,0,t,t,t,t,t,t,m,个码片,t,S,站发送的信号,S,x,T,站发送的信号,T,x,总的发送信号,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,第四十八页，共66页。,第四十八页，共66页。,例,共有四个站进行码分多址,CDMA,通信，四个站的码片序列为：,A:,（,-1-1-1+1+1-11+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,）,现收到这样的码片序列（,-1+1-3+1-1-3+1+1,）,问哪个站发送数据了？发送的是,1,还是,0,？,第四十九页，共66页。,第四十九页，共66页。,解,SA=,（,1,1,3,1,1,3,1,1,）,8=1,，,SB=,（,1,1,3,1,1,3,1,1,）,8=,1,，,SC=,（,1,1,3,1,1,3,1,1,）,8=0,，,SD=,（,1,1,3,1,1,3,1,1,）,8=1,，,A,发送,1 B,发送,0 C,无发送D,发送,1,第五十页，共66页。,第五十页，共66页。,2.5,数字传输系统,脉码调制的基本概念,脉码调制,PCM,体制,同步光纤网,SONET,和同步数字系列,SDH,第五十一页，共66页。,第五十一页，共66页。,脉码调制,为了将模拟电话信号转变为数字信号，必须对电话信号进行取样,。即每隔一定的时间间隔，取模拟信号的当前值作为样本。该样本代表了模拟信号在某一时刻的瞬时值。一系列连 续的样本可用来代表模拟信号在某一区间随时间变化的值。取样的频率可根据奈氏取样定理 确定。,奈氏取样定理,表述为，只要取样频率大于模拟信号最高频率的,2,倍，则可以用得到的样本空间恢复原来的模拟信号。即,第五十二页，共66页。,第五十二页，共66页。,脉码调制,PCM,的基本原理,（,a,）模拟电话信号 （,b,）取样后的脉冲信号 （,c,）编码后的数字信号,（,d,）解码后的脉冲信号 （,e,）恢复后的模拟电话信号,第五十三页，共66页。,第五十三页，共66页。,数字数据信号编码,基带传输中采用的编码方式常用的有以下,3,种：,不归零编码,NRZ,曼切斯特编码,差分曼切斯特编码,第五十四页，共66页。,第五十四页，共66页。,不归零编码,NRZ,规定用负电平表示“,0”,，用正电平表示“,1”,。,为保证收发正确，必须另外传送时钟同步信号，,如果“,1”,与“,0”,个数不相等时，存在直流分量，增大了损耗。,第五十五页，共66页。,第五十五页，共66页。,曼切斯特编码,发送“,0”,时，前一半时间为低电平，后一半时间为高电平。,发送“,1”,时，前一半时间为高电平，后一半时间为低电平。,中间的跳变作为同步信号。,曼氏编码不含直流分量，但编码效率较低。,第五十六页，共66页。,第五十六页，共66页。,差分曼切斯特编码,是对曼氏编码的改进。,每比特的中间跳变仅做同步用。,每比特的值根据其开始边界是否发生跳变决定。,发生跳变表示“,0”,，不发生跳变表示“,1”,。,第五十七页，共66页。,第五十七页，共66页。,编码示意图,第五十八页，共66页。,第五十八页，共66页。,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的中继线上传送多路的电话。,由于历史上的原因，,PCM,有两个互不兼容的国际标准，即北美的,24,路,PCM,（简称为,T1,）和欧洲的,30,路,PCM,（简称为,E1,）。我国采用的是欧洲的,E1,标准。,E1,的速率是,2.048 Mb/s,，而,T1,的速率是,1.544 Mb/s,。,当需要有更高的数据率时，可采用复用的方法。,第五十九页，共66页。,第五十九页，共66页。,E1标准,E1的时分复用帧长度T=0.125us,有32个时隙,每个时隙传送8bit的数据,因此E1的速率为3281/T25680002.048Mbps,第六十页共66页。,第六十页，共66页。,T1标准,T1,的时分复用帧长度,T=0.125us,有,24,个话路,每个话路占用,8bit,的数据,最后还要加,1bit,的帧同步码,因此,T1,的速率为（,248,1,）,1/T,1938000,1.544Mbps,第六十一页，共66页。,第六十一页，共66页。,2.,同步光纤网,SONET,和同步数字系列,SDH,旧的数字传输系统存在着许多缺点。其中最主要的是以下两个方面：,速率标准不统一。,如果不对高次群的数字传输速率进行标准化，国际范围的高速数据传输就很难实现。,不是同步传输。,在过去相当长的时间，为了节约经费，各国的数字网主要是采用,准同步方式第六十二页，共66页。,第六十二页，共66页。,同步光纤网,SONET,同步光纤网,SONET(Synchronous Optical Network),的各级时钟都来自一个非常精确的主时钟。,第,1,级,同步传送信号,STS-1(Synchronous Transport Signal),的传输速率是,51.84 Mb/s,。,光信号则称为第,1,级,光载波,OC-1,，,OC,表示,Optical Carrier,。,第六十三页，共66页。,第六十三页，共66页。,同步数字系列,SDH,ITU-T,以美国标准,SONET,为基础，制订出国际标准,同步数字系列,SDH(Synchronous Digital Hierarchy),。,一般可认为,SDH,与,SONET,是同义词。,SDH,的基本速率为,155.52 Mb/s,，称为第,1,级,同步传递模块,(Synchronous Transfer Module),，即,STM-1,，相当于,SONET,体系中的,OC-3,速率。,第六十四页，共66页。,第六十四页，共66页。,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,2.6.3 FTTx,技术,第六十五页，共66页。,第六十五页，共66页。,作业,P62,2-01,2-04,2-13,第六十六页，共66页。,第六十六页，共66页。,