物理层专题培训市公开课金奖市赛课一等奖课件.pptx

计算机网络 第2章 物理层第1页第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 相关信道几种基本概念2.2.3 信道最高码元传播速率2.2.4 信道极限信息传播速率 2.3 物理层下面传播媒体2.3.1 导向传播媒体2.3.2 非导向传播媒体第2页第2页第 2 章 物理层（续）2.4 模拟传播与数字传播 2.4.1 模拟传播系统*2.4.2 调制解调器*2.4.3 数字传播系统*2.5 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*2.6 同时光纤网SONET和同时数字系列SDH 2.7 物理层原则举例2.7.1 EIA-232-E接口原则2.7.2 RS-449接口原则第3页第3页2.1 物理层基本概念l物理层主要任务描述为确定与传输媒体接口一些特性，即：l机械特性 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。l电气特性 指明在接口电缆各条线上出现电压范围。l功效特性 指明某条线上出现某一电平电压表示何种意义。l规程特性 指明对于不同功效各种可能事件出现次序。第4页第4页2.2 数据通信基础知识2.2.1 数据通信系统模型 传播系统输入信息输入数据发送信号接受信号输出数据源点终点发送器接受器调制解调器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 正文正文数据通信系统源系统目系统传播系统输出信息PC 机第5页第5页几种术语l数据(data)运送信息实体。l信号(signal)数据电气或电磁表现。l“模拟”(analogous)连续改变。l“数字”(digital)取值是离散数值。l调制把数字信号转换为模拟信号过程。l解调把模拟信号转换为数字信号过程。第6页第6页模拟和数字数据、信号 模拟数据模拟信号放大器调制器模拟数据数字信号 PCM编码器数字数据模拟信号调制器数字数据数字信号 数字发送器第7页第7页 2.2.2 相关信号几种基本概念l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。l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受)。l双向同时通信（全双工通信）通信双方能够同时发送和接受信息。第8页第8页基带(baseband)信号和宽带(broadband)信号 l基带信号就是将数字信号 1 或 0 直接用两种不同电压来表示，然后送到线路上去传输。l宽带信号则是将基带信号进行调制后形成频分复用模拟信号。第9页第9页2.2.3 信道最高码元传播速率 l任何实际信道都不是抱负，在传播信号时会产生各种失真以及带来各种干扰。l码元传播速率越高，或信号传播距离越远，在信道输出端波形失真就越严重。第10页第10页数字信号通过实际信道 l失真不严重l失真严重 实际信道（带宽受限、有噪声、干扰和失真）输入信号波形输出信号波形(失真不严重)输入信号波形实际信道（带宽受限、有噪声、干扰和失真）输出信号波形(失真严重)第11页第11页奈氏(Nyquist)准则 l每赫带宽抱负低通信道最高码元传播速率是每秒 2 个码元。lBaud 是波特，是码元传播速率单位，1 波特为每秒传送 1 个码元。抱负低通信道最高码元传播速率=2W Baud W 是抱负低通信道带宽，单位为赫(Hz)不能通过能通过0频率(Hz)W(Hz)第12页第12页另一个形式奈氏准则 l每赫带宽抱负低通信道最高码元传播速率是每秒 1 个码元。抱负带通特性信道最高码元传播速率=W Baud W 是抱负带通信道带宽，单位为赫(Hz)不能通过能通过0频率(Hz)W(Hz)不能通过第13页第13页要强调下列两点 l实际信道所能传输最高码元速率，要显著地低于奈氏准则给出上限数值。l波特(Baud)和比特(bit)是两个不同概念。l波特是码元传输速率单位（每秒传多少个码元）。码元传输速率也称为调制速率、波形速率或符号速率。l比特是信息量单位。第14页第14页要注意 l信息传播速率“比特/秒”与码元传播速率“波特”在数量上却有一定关系。l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。l若 1 个码元携带 n bit 信息量，则 M Baud 码元传播速率所相应信息传播速率为 M n b/s。第15页第15页2.2.4 信道极限信息传播速率 l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、无差错信息传播速率。l信道极限信息传播速率 C 可表示为l C=W log2(1+S/N)b/s lW 为信道带宽（以 Hz 为单位）；lS 为信道内所传信号平均功率；lN 为信道内部高斯噪声功率。第16页第16页香农公式表明 l信道带宽或信道中信噪比越大，则信息极限传播速率就越高。l只要信息传播速率低于信道极限信息传播速率，就一定能够找到某种办法来实现无差错传播。l若信道带宽 W 或信噪比 S/N 没有上限（当然实际信道不也许是这样），则信道极限信息传播速率 C 也就没有上限。l实际信道上能够达到信息传播速率要比香农极限传播速率低不少。第17页第17页奈氏准则和香农公式在数据通信系统中作用范围 源系统传播系统目系统传播系统源点终点发送器接受器输入信息输出信息输入数据输出数据发送信号接受信号码元传播速率受奈氏准则限制信息传播速率受香农公式限制第18页第18页2.3 物理层下面传播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19页第19页2.3.1 导向传播媒体l双绞线l屏蔽双绞线 STP(Shielded Twisted Pair)l无屏蔽双绞线 UTP(Unshielded Twisted Pair)l同轴电缆l50 同轴电缆l75 同轴电缆l光缆 第20页第20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21页第21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22页第22页光纤工作原理高折射率(纤芯)低折射率(包层)光线在纤芯中传播方式是不断地全反射第23页第23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24页第24页2.3.2 非导向传播媒体 l无线传播所使用频段很广。l短波通信主要是靠电离层反射，但短波信道通信质量较差。l微波在空间主要是直线传播。l地面微波接力通信l卫星通信 第25页第25页2.4 模拟传播与数字传播 2.4.1 模拟传播系统 l长途干线最初采用频分复用 FDM 传播方式lFDM(Frequency Division Multiplexing)l当前我国长途通信线路已实现了数字化，因而现在模拟通信电路就只剩余从用户电话机到市话互换机之间这一段几公里长用户线上。第26页第26页2.4.2 调制解调器 l数据通过模拟传播系统后也许会出现差错。出现差错010010 0100还原后数据t接受到失真信号010011100t发送基带信号t采样时刻第27页第27页调制解调器作用l调制解调器(modem)包括：l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，以便在电话用户线上传送。l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。l本书中调制解调器是指使用在原则二线模拟话路（3.1 kHz 原则话路带宽）上调制解调器。第28页第28页调制解调器作用（续）l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播波形 l解调器作用就是个波形辨认器，它将通过调制器变换过模拟信号恢复成本来数字信号。l若辨认不正确，则产生误码。l在调制解调器中还要有差错检测和纠正设施。第29页第29页几种最基本调制办法 l调制就是进行波形变换（频谱变换）。l最基本二元制调制办法有下列几种：l调幅(AM)：载波振幅随基带数字信号而改变。l调频(FM)：载波频率随基带数字信号而改变。l调相(PM)：载波初始相位随基带数字信号而改变。第30页第30页对基带数字信号几种调制办法 010011100基带信号调幅调频调相第31页第31页一个正交调制 QAM lQAM(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 种不同组合，因此这 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，则在接受端进行解调时要正确辨认每一个状态就越困难。第32页第32页调制解调器速率 l当前调制解调器信息传播速率已很靠近于香农信道容量极限了。l要提升信息传播速率，只能设法提升信噪比。l在电话用户线上，最大噪声来自模拟到数字模数转换所带来量化噪声。第33页第33页产生量化噪声地方（通过 A/D 改变地方）A2/4A/DA/DD/AD/A数字信号数字信号互换机 1互换机 2V.34 33.6 kb/s 调制解调器BD/AA/D4/2V.34 33.6 kb/s 调制解调器产生量化噪声产生量化噪声使用 V.34 调制解调器（33.6 kb/s）产生量化噪声产生量化噪声用户环路模拟信号用户环路模拟信号第34页第34页产生量化噪声地方（续）（通过 A/D 改变地方）使用 V.90 调制解调器（56 kb/s）A2/4A/DA/D互换机因特网服务提供者V.90 56 kb/s调制解调器D/AV.90 56 kb/s调制解调器数字信号数字信号 至因特网（数字信号）用户环路模拟信号仅在此处产生量化噪声仅在此处产生量化噪声第35页第35页调制解调器使用异步通信方式 l数据通信可分为同时通信和异步通信两大类：l同时通信要求接受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。l异步通信时不要求接受端时钟和发送端时钟同时。发送端发送完一个字节后，可通过任意长时间间隔再发送下一个字节。l异步通信通信开销较大，但接受端可使用廉价、含有普通精度时钟来进行数据通信。第36页第36页2.4.3 数字传播系统 l现在数字传播系统均采用脉码调制 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37页第37页时分复用 l为了有效地利用传播线路，可将多个话路PCM 信号用时分复用 TDM(Time Division Multiplexing)办法装成时分复用帧，然后发送到线路上。l中国采用欧洲体制，以 E1 为一次群。l美国和日本等国采用北美体制，以 T1 为一次群。第38页第38页E1 时分复用帧 2.048 Mb/s传播线路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 ms15 个话路15 个话路第39页第39页2.5 信道复用技术 l2.5.1 频分复用、时分复用和统计时分复用 l频分复用：全部用户在一样时间占用不同带宽资源。l时分复用：全部用户在不同时间占用一样频带宽度。第40页第40页频分复用 频率时间频率 1频率 2频率 3频率 4频率 5第41页第41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42页第42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43页第43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44页第44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45页第45页时分复用也许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46页第46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47页第47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 2.5.2 波分复用 WDM l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48页第48页2.5.3 码分复用 CDM l惯用名词是码分多址 CDMA l (Code Division Multiple Access)。l各用户使用经过特殊挑选不同码型，因此彼此不会造成干扰。l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。l每一个比特时间划分为 m 个短间隔，称为码片(chip)。l l 第49页第49页码片序列(chip sequence)l每个站被指派一个惟一 m bit 码片序列。l如发送比特 1，则发送自己 m bit 码片序列。l如发送比特 0，则发送该码片序列二进制反码。l比如，S 站 8 bit 码片序列是 00011011。l发送比特 1 时，就发送序列 00011011，l发送比特 0 时，就发送序列 11100100。lS 站码片序列：(1 1 1+1+1 1+1+1)第50页第50页CDMA 主要特点l每个站分派码片序列不但必须各不相同，并且还必须互相正交(orthogonal)。l在实用系统中是使用伪随机码序列。第51页第51页码片序列正交关系 l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。l两个不同站码片序列正交，就是向量 S 和T 规格化内积(inner product)都是 0：(2-4)第52页第52页码片序列正交关系举例 l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)。l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53页第53页l任何一个码片向量和该码片向量自己规格化内积都是1。l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性 第54页第54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55页第55页2.6 同时光纤网 SONET 和同时数字系列 SDH l旧数字传播系统存在着许多缺点。其中最主要是下列两个方面：l速率原则不统一。l假如不对高次群数字传播速率进行原则化，国际范围高速数据传播就很难实现。l不是同时传播。l在过去相称长时间，为了节约经费，各国数字网主要是采用准同时方式。第56页第56页同时光纤网 SONETl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。l第 1 级同时传送信号 STS-1(Synchronous Transport Signal)传播速率是 51.84 Mb/s。l光信号则称为第 1 级光载波 OC-1，OC 表示Optical Carrier。第57页第57页同时数字系列 SDH lITU-T 以美国家原则准 SONET 为基础，制定出国际原则同时数字系列 SDH(Synchronous Digital Hierarchy)。l普通可认为 SDH 与 SONET 是同义词。lSDH 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，相称于 SONET 体系中 OC-3 速率。第58页第58页线路速率(Mb/s)SONET符号ITU-T符号l表示线路速率l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 Gb/s4876.640OC-96/STS-96STM-329953.280OC-192/STS-192STM-6410 Gb/sSONET OC 级/STS 级与 SDH STM 级相应关系 第59页第59页SONET 体系结构 光子层路径层线路层段层线路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第60页第60页SONET 原则定义了四个光接口层 l光子层(Photonic Layer)l处理跨越光缆比特传送。l段层(Section Layer)l在光缆上传送 STS-N 帧。l线路层(Line Layer)l负责路径层同时和复用。l路径层(Path Layer)l处理路径端接设备 PTE(Path Terminating Element)之间业务传播。第61页第61页2.7 物理层原则举例2.7.1 EIA-232-E 接口原则lDTE(Data Terminal Equipment)是数据终端设备，是含有一定数据处理能力和发送、接受数据能力设备。lDCE(Data Circuit-terminating Equipment)是数据电路端接设备，它在 DTE 和传播线路之间提供信号变换和编码功效，并且负责建立、保持和释放数据链路连接。第62页第62页DTE 通过 DCE 与通信传播线路相连 DTEDCEDCE串行比特传播信号线与控制线用户环境通信环境用户设施通信设施DTE信号线与控制线用户设施用户环境第63页第63页EIA-232/V.24 信号定义(1)保护地(2)发送数据(3)接受数据(4)请求发送(5)允许发送(6)DCE 就绪(7)信号地(8)载波检测(20)DTE 就绪(22)振铃批示DTEDCE计算机或终端调制解调器第64页第64页两个 DTE 通过 DCE进行通信例子 EIA-232/V.24 接口调制解调器DTE-ADTE-BDCE-ADCE-BEIA-232/V.24 接口调制解调器网 络第65页第65页利用虚调制解调器与两台计算机相连 插头插头插座插座计算机虚调制解调器计算机（1）保护地（2）发送（3）接受（4）请求发送（5）允许发送（6）DCE 就绪（7）信号地（8）载波检测（20）DTE 就绪（22）振铃批示（1）保护地（2）发送（3）接受（4）请求发送（5）允许发送（6）DCE 就绪（7）信号地（8）载波检测（20）DTE 就绪（22）振铃批示第66页第66页2.7.2 RS-449 接口原则 lRS-449 由 3 个原则构成。即：lRS-449lRS-423-AlRS-422-A 第67页第67页