计算机网络课件CH2-5ed 物理层.

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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 F

2、TTx 技术 2.1 物理层的基本概念 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

3、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。 2.2.2 有关信号的几个基本概念 n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（半双工通信）通信的双方都 可以发送信息，但不能双方

4、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）。 几种最基本的调制方法 n基带信号往往包

5、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。为了解决这一问题，就必须对基带信号进行 调制(modulation)。 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 数字信号的Fourier分析 傅立叶级数：任何正常周期为T的函数g(t)， 都可由（无限个）正弦和余弦函数合成： 其中，f=1/T是基频，an和bn称为正弦和余弦函数的n

6、次谐波的振幅，c是常数 任何信号的传输都可理解为以 傅立叶级数的形式传递 如每个傅立叶级数的信号分量被等量衰减，则合 成后，振幅有所衰减，基本形状不变 对任何已知的g(t)，可求得： 谐波数越高，传输质量越好 如传输ASCII字符b，即 01100010，可求得： t/s t/s 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 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

7、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。 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

8、，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。 (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 为信道内所传信号的平均功率； nN 为信道内部的高斯噪声功

9、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 物理层下面的传输媒体 无线电微波红

10、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 LFMFHFVHF UHF SHFEHFTHF 波段 104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016 100 102 104 106 108 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

11、 UTP (Unshielded Twisted Pair) n同轴电缆 n50 同轴电缆 n75 同轴电缆 n光缆 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 双绞线 （twisted pair） n线间干扰较小、价格便宜、易于安装 n可传输模拟信号，也可传输数字信号 n 在电话系统的最后一公里，用于传输模拟信号 n在计算机网络中，用于传输数字信号，常用8芯 无屏蔽双绞线（UTP）通常的传输距离为100 m 如Cat3（10 Mbps）和Cat5（100

12、Mbps） 同轴电缆 n50同轴电缆 n50同轴电缆用于数字信号传输，目前基 本已被双绞线所替代 n75同轴电缆 n75同轴电缆用于模拟信号传输，目前主 要用于电视信号的传输 n由于75同轴电缆的带宽极宽，所以，也 被用于城域网，如有线通 常用的同轴电缆有两种： 光缆 n多模光缆：信号通过光的折射在光纤 中传输，距离2 km n单模光缆：直线传输，距离10 km 光传输系统包括： 光源、传输介质（光纤）、光检测器 光缆相对铜缆的特性 n带宽高 距离远 损耗低 重量轻 无电磁干扰 防窃听 n端口设备价格高 无线传输 n无线电传输 n微波传输 n红外线和毫米波 n光波传输 根据波长分成不同的波段，

13、依次为无线 电、微波、红外、可见光、紫外等 地面无线通信模型 n传输距离：天线的高度、类型和信号强度 n传输可靠性：障碍物 n传输正确性：气象条件 卫星通信模型 VSAT：甚小孔径卫星终端 very small aperture satellite terminals 地面站 地球同步卫星 36000km 端到端 单程 270ms 往返 540ms 地球同 步卫星 VSAT 中央站 VSAT 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 A1A2 B1B2 C1C2 信道 信道 A1A2 B1B2

14、 C1C2 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“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。

15、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 DAAAA A 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 D B 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 D C 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 CDDDD D 在 TDM 帧中 的位置不变 TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧 TDM 帧 时分复用可能会造成 线路资源的浪费 A B C D a ab b c d b ca t t t t t 4 个时分复用帧 #1 a c b cd 时分复用 #2#3#4 用户 使用时分复用系统传送