计算机网络说课.ppt

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1、计算机网络（第 5 版）第 2 章 物理层第 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2.2.4 信道的极限信息传输速率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 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2.1 物理层的基

2、本概念 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： n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。n电气特性 指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。n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。n过程特性 指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。 2.2 数据通信的基础知识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 机几个术语n数

3、据(data)运送消息的实体。n信号(signal)数据的电气的或电磁的表现。 n“模拟的”(analogous)代表消息的参数的取值是连续的。 n“数字的”(digital)代表消息的参数的取值是离散的。 n码元(code)在使用时间域（或简称为时域）的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形。n信道(channel)用来表示向某一方向传送信息的媒体。一条通信电路一般包含一条发送信道和一条接收信道。 2.2.2 有关信号的几个基本概念n从通信双方交互的方式：n单向通信单向通信（单工通信）只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。n双向交替通信双向交替通信（半双工通信）通信的双方都可以发送

4、信息，但不能双方同时发送(当然也就不能同时接收)。n双向同时通信双向同时通信（全双工通信）通信的双方可以同时发送和接收信息。 基带(baseband)信号和带通(band pass)信号 n基带信号（即基本频带信号）来自信源的信号。像计算机输出的代表各种文字或图像文件的数据信号都属于基带信号。n基带信号往往包含有较多的低频成分，甚至有直流成分，而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量。因此必须对基带信号进行调制(modulation)。 n基带调制：仅仅对基带信号的波形进行变换，使它能适应信道的特性，变换后的信号仍然是基带信号。n带通调制：使用载波把基带信号的频率范围搬移到较高的频段一边在信

5、道中传输，经过载波调制的信号称为带通信号。 几种最基本的调制方法 n带通信号把基带信号经过载波调制后，把信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输（即仅在一段频率范围内能够通过信道）。n最基本的二元制调制方法有以下几种：n调幅(AM)：载波的振幅随基带数字信号而变化。 n调频(FM)：载波的频率随基带数字信号而变化。n调相(PM)：载波的初始相位随基带数字信号而变化。 对基带数字信号的几种调制方法 010011100基带信号调幅调频调相正交振幅调制 QAM(Quadrature Amplitude Modulation) r(r, )可供选择的相位有 12 种，而对于每一种相位有 1 或2

6、 种振幅可供选择。 由于4 bit 编码共有16 种不同的组合，因此这 16 个点中的每个点可对应于一种 4 bit 的编码。 若每一个码元可表示的比特数越多，则在接收端进行解调时要正确识别每一种状态就越困难。 举例2.2.3 信道的极限容量 n任何实际的信道都不是理想的，在传输信号时会产生各种失真以及带来多种干扰。 n码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远，在信道的输出端的波形的失真就越严重。 n限制码元在信道上的传输速率的因素有两个：n信道能够通过的频率范围n信噪比数字信号通过实际的信道 n有失真，但可识别n失真大，无法识别 实际的信道（带宽受限、有噪声、干扰和失真）发送信号波形接收信号

7、波形发送信号波形实际的信道（带宽受限、有噪声、干扰和失真）接收信号波形(1) 信道能够通过的频率范围n1924 年，奈奎斯特(Nyquist)就推导出了著名的奈氏准则。他给出了在假定的理想条件下，为了避免码间串扰，码元的传输速率的上限值。n在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，否则就会出现码间串扰的问题，使接收端对码元的判决（即识别）成为不可能。n如果信道的频带越宽，也就是能够通过的信号高频分量越多，那么就可以用更高的速率传送码元而不出现码间串扰。 奈氏(Nyquist)准则 n每赫带宽的理想低通信道的最高码元传输速率是每秒 2 个码元。nBaud 是波特，是码元传输速率的单位，1 波特为每

8、秒传送 1 个码元。 理想低通信道的最高码元传输速率 = 2W Baud W 是理想低通信道的带宽，单位为赫(Hz) 不能通过能通过0频率(Hz)W (Hz) 另一种形式的奈氏准则 n每赫带宽的理想带通信道的最高码元传输速率是每秒 1 个码元。理想带通特性信道的最高码元传输速率 = W Baud W 是理想带通信道的带宽，单位为赫(Hz) 不能通过能通过0频率(Hz)W (Hz) 不能通过要强调以下两点 n实际的信道所能传输的最高码元速率，要明显地低于奈氏准则给出上限数值。n波特(Baud)和比特(bit)是两个不同的概念。 n波特是码元传输的速率单位（每秒传多少个码元）。码元传输速率也称为调

9、制速率、波形速率或符号速率。n比特是信息量的单位。 要注意 n信息的传输速率“比特/秒”与码元的传输速率“波特”在数量上却有一定的关系。n若 1 个码元只携带 1 bit 的信息量，则“比特/秒”和“波特”在数值上相等。n若 1 个码元携带 n bit 的信息量，则M Baud 的码元传输速率所对应的信息传输速率为 M n b/s。 (2) 信噪比 n香农(Shannon)用信息论的理论推导出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限、无差错的信息传输速率。n信道的极限信息传输速率 C 可表达为n C = W log2(1+S/N) b/s nW 为信道的带宽（以 Hz 为单位）；nS 为信道内

10、所传信号的平均功率；nN 为信道内部的高斯噪声功率。 香农公式表明 n信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高。 n只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定可以找到某种办法来实现无差错的传输。 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样的），则信道的极限信息传输速率 C 也就没有上限。n实际信道上能够达到的信息传输速率要比香农的极限传输速率低不少。 请注意 n对于频带宽度已确定的信道，如果信噪比不能再提高了，并且码元传输速率也达到了上限值，那么还有办法提高信息的传输速率。这就是用编码的方法让每一个码元携带更多比特的信息量。 2.3 物理层

11、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)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 电信领域使用的电磁波的频谱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 (Uns

12、hielded Twisted Pair) n交叉双绞线：n白绿、绿、白橙、蓝、白蓝、橙、白棕、棕n直通双绞线:n白橙、橙、白绿、蓝、白蓝、绿、白棕、棕n同轴电缆n50 同轴电缆n75 同轴电缆n光缆 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

13、模光纤光纤n优点：n通信容量大，可达108MHz带宽n传输损耗小，中继距离长n抗雷电和电磁干扰性能好n无串音干扰，保密性好，不易被窃听或截取数据n体积小，重量轻n缺点：n将两根光纤连接需要专用设备，比较贵n适用的拓扑结构：n环形nT型接头：有源和无源2.3.2 非导向传输媒体 n无线传输所使用的频段很广。n短波通信（即高频通信）主要是靠电离层的反射，但短波信道的通信质量较差。n微波在空间主要是直线传播。 n地面微波接力通信n卫星通信 微波接力通信的优缺点n优点：n频率很高，频段范围很宽，所以通信信道的容量很大。n工业和天电干扰的主要频谱比微波的频率低的多，所以微波传输质量较高。n与相同容量和长

14、度的电缆载波通信相比，微波接力通信建设投资少，见效快，易于跨越山区和江河。n缺点：n相邻站之间必须直视，不能有障碍物。n有时会受到恶劣天气的影响。n与有线介质相比，微波通信的隐蔽性和保密性比较差。n对大量中继站的使用和维护耗费人力和物力。卫星通信的特点n通信距离远，通信费用与通信距离无关。n较大的传播时延，约为270ms，传播时延大约为3.3s/km。n覆盖面积大，适合广播通信。n保密性差。卫星通信的常用频段波段频率（GHz） 下行（GHz） 上行（GHz）主要问题C4/63.74.25.9256.425地面上的干扰Ku11/1411.712.214.014.5降雨Ka20/3017.721.

15、727.530.5降雨；设备价格贵n 卫星通信领域中常用：n 甚小孔径地球站n 低轨道卫星通信系统其他无线通信介质n红外线n激光nISM频段共享信道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)是通信技术中的基本概念。 信道A1A2B1B2C1C2信道信道A1A2B1B2C1C2复用分用(a) 不使用复用技术(b) 使用复用技术频分复用 FDM(Frequency Division Multiplexing) n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。n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“

16、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时分复用TDM(Time Division Multiplexing) n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。n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）。nTDM 信号也称为等时(isochronous)信号。n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。时分复用 频率时间B C DB C DB C DB C DAAAAA 在 TDM 帧中的位置不变TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧时分复用 频率时间C DC DC DAAAABBBB C DB 在 TDM 帧中的位置不变TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧时分复用 频率时间BDBDBDAAAA BCCCC DC 在 TDM 帧中的位置不变TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧时分复用 频率时间B CB CB CAAAA B CDDDDD 在 TDM 帧中的位置不变TDM 帧TDM 帧