四网络物理层省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

计算机网络第 2 章 物理层(2)第1页第 2 章 物理层(2)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*2.4 信道复用技术 2.5.1 频分复用、时分复用和统计时分复用 2.5.2 波分复用 2.5.3 码分复用*2.5 数字传输系统第2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)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 电信领域使用电磁波频谱第3页区分与联络：带宽与频率n频率：物质在1秒内完成周期性改变次数叫做频率。n带宽（模拟）能够了解成信号传输频率上下限之间距离 一条模拟线路可接收500HZ 到HZ频率，它带宽就是1500HZ思索：为何基带信号不适合用于在信道上传输？低频分量、直流分量带宽（数字）能够了解成通信线路所能传送数据能力，带宽实际上就是信道最高数据传输率第4页 传输媒体与分类n传输媒体/媒介/介质：它是数据传输系统中在发送器和接收器之间物理通路。n分类导向传输媒体：固体媒体非导向传输媒体：自由空间第5页数据传输与传输媒体n数据传输质量除了与传输信号类型、收发器设备特征相关，还与传输媒体本身特征相关着：n物理特征n传输特征n地理特征n抗干扰性n价格第6页2.3.1 导向传输媒体n双绞线屏蔽双绞线 STP(Shielded Twisted Pair)无屏蔽双绞线 UTP(Unshielded Twisted Pair)n同轴电缆50 同轴电缆75 同轴电缆n光缆 第7页1.双绞线n定义由两根相互绝缘金属（铜）导线并排放在一起，用规则方法绞合起来就组成了双绞线。n用处 可用于传输数字信号与模拟信号，其通信距离为几至几十公里，可用于局域网、城域网构建n特征金属越粗，其传输距离也越远衰减随频率升高而增大使用更大和更准确绞合度，可取得更高带宽第8页n局域网惯用是三类线和五类线n依据双绞线类型，那么在进行网络布线时候，布线方式也不一样，但一个网络中只能采取一个布线方式。n分为UTP和STP两种第9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同轴电缆第10页同轴电缆n特点：抗干扰、噪声能力强n用处普通用于有限电视网带宽取决于电缆质量分为50欧姆（数字传输）与75欧姆（模拟传输）两种第11页光缆n光纤通信：利用光导纤维来传递光脉冲进行通信。n特点：带宽非常大传输损耗小，中继距离长抗雷电和电磁干扰好无串音干扰，保密性好体积小重量轻进行中继时，光纤需要准确连接，光电接口贵第12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）包层纤芯第13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第14页光纤分类n多模光纤：能够存在许多条不一样角度入射光线在一条光纤中传输n单模光纤：光纤直径只有一个光波长，使得光纤就像一根波导那样，可使光纤一直向前传输，不会产生屡次反射。u小思索：二者谁性能会更加好？第15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16页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。地面微波接力通信卫星通信 第17页（1）地面微波通信n微波：频率在100MHZ10GHz信号n微波通信主要特点是：只能在视距内进行传输。n优点：波段频率高、信道容量大、抗干扰能力强、设备投资小、可跨越山区等n缺点：受气候印象大，相邻站必须直视、无障碍物；隐蔽性和保密性差，中继站使用和维护需要花费资源第18页（2）卫星通信n原理：在地球站之间人造卫星作为中继器地面微波通信。n特点：通信距离远、通信费用与通信距离无关，含有微波通信二分之一特点。n缺点：比较大传输时延；卫星数量有限。第19页2.4 信道复用技术概念复习：基本调制方法u调幅(AM)：载波振幅随基带数字信号而改变。u调频(FM)：载波频率随基带数字信号而改变。u调相(PM)：载波初始相位随基带数字信号而改变。第20页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21页信道复用技术n为何要研究复用技术？n复用技术原理：发送方将多个用户数据经过复用器进行聚集并将聚集后数据经过一条物理线路传输到接收方，接收方经过分离器将数据分离成各个单独数据，然后分发给接收方多个用户。n惯用信道复用技术：频分复用、时分复用和统计时分复用、波分复用和码分复用第22页2.4.1 频分复用、时分复用和统计时分复用(1)频分复用 频率时间频率 1频率 2频率 3频率 4频率 5其将信道可用频带分成多个不相交频段，每个用户占其中一个频段，接收时用适当滤波器分别进行解调接收第23页第24页主要问题n频分多路复用系统中主要问题是各路信号之间相互串扰。n处理方法：1.同时需要合理地选择载波频率 2.并在各路频带之间留有一定保护间隔 3.使用BPF与LPF 第25页(2)时分复用 n为了有效地利用传输线路，可将多个话路信号用时分复用 TDM(Time Division Multiplexing)方法装成时分复用帧，然后发送到线路上。n时分复用是将信道使用时间分割成周期性帧，每一帧再分割成若干个时隙（不论帧或时隙都是互不重合），再依据一定时隙分配标准，使各个用户在每帧内只能在指定时隙使用信道发送数据第26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 帧第27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28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29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30页时分复用注意问题n对比u频分复用（FDM）：全部用户在一样时间占用不一样带宽资源。u时分复用(TDM)：全部用户在不一样时间占用一样频带宽度。存在问题u同时问题u复用后信道利用率不高 第31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用户第32页统计时分复用 STDMn是一个改进时分复用，能够提升信道利用率n原理：是把公共信道时隙实施“按需分配”，即只对那些需要传送信息或正在工作终端才分配给时隙，这么就使全部时隙都能得到使用，提升了媒质利用率，第33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34页 1550 nm 0 1551 nm 1 1552 nm 2 1553 nm 3 1554 nm 4 1555 nm 5 1556 nm 6 1557 nm 70 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 n波分复用就是光频分复用。8 2.5 Gb/s1310 nm20 Gb/s复用器分用器EDFA120 km第35页2.4.3 码分复用 CDM n惯用名词是码分多址 CDMA (Code Division Multiple Access)。n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。n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。第36页码片序列(chip sequence)n每一个比特时间划分为 m 个短间隔，称为码片(chip)。n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。n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。nS 站码片序列：(1 1 1+1+1 1+1+1)第37页码片序列正交关系 nCDMA 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)。n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。n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：(2-4)第38页码片序列正交关系举例 n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)。n把向量 S 和 T 各分量值代入(2-4)式就可看出这两个码片序列是正交。第39页正交关系另一个主要特征 n任何一个码片向量和该码片向量自己规格化内积都是1。n一个码片向量和该码片反码向量规格化内积值是 1。第40页CDMA 工作原理 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第41页n接收方假如要接收S数据第42页CDMA问题nS原本数据率为b p/s,在CDMA中需要提升到m b p/s，这经过扩频来实现n怎样确保每个节点发送其码片序列同时？GPS第43页作业：n2-11，2-12，2-16第44页2.5数字传输系统 n现在数字传输系统均采取脉码调制 PCM(Pulse Code Modulation)体制。采样周期 Tt信号t采样1001001111000010t编码t解码t还原第45页PCM脉冲编码调制nPCM：是把模拟信号变换为数字信号一个调制方式，其最大特点是把连续输入模拟信号变换为在时域和振幅上都离散量，然后将其转化为代码形式传输。n主要步骤：u采取u量化u编码第46页u优点：优点：抗干扰性强，失真小，传输特征稳定，远距离再生中继时噪声抗干扰性强，失真小，传输特征稳定，远距离再生中继时噪声不累积，不累积，采取有效编码、纠错编码和保密编码可提升通信有效性、可靠采取有效编码、纠错编码和保密编码可提升通信有效性、可靠性和保密性。性和保密性。数字信号能够存放，并能进行时间标度变换，能够实现时间与数字信号能够存放，并能进行时间标度变换，能够实现时间与信号功率交换。信号功率交换。PCM能够把各种消息（声音、图像、数据等）都变换成数字信能够把各种消息（声音、图像、数据等）都变换成数字信号进行传输，实现传输和交换一体化综合通信，还能够实现数号进行传输，实现传输和交换一体化综合通信，还能够实现数据传输与数据处理一体化综合信息处理。据传输与数据处理一体化综合信息处理。u缺点：传输带宽宽、系统较复杂。缺点：传输带宽宽、系统较复杂。脉冲编码调制（脉冲编码调制（PCM）第47页