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1、1,计算机网络（第 5 版）,第 2 章 物理层,2,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,*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
2、术,3,2.1 物理层的基本概念,物理层：就是具体的传输媒体 ？ 物理层主要考虑的是怎样在不同的传输媒体上传输比特流，并不是指具体的传输媒体。尽可能屏蔽掉差异，方便数据链路层操作。 物理层为了有效传输，需要明确传输媒体接口的特性，包括： 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 指明实现不同功能时，各种可能事件的出现顺序。,4,2.2 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(通信交互 调制
3、方式) 2.2.3 信道的极限容量 2.2.4 信道的极限信息传输速率,5,2.2.1 数据通信系统的模型,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,PC 机,6,数据通信的几个术语,消息(message) 通讯的目的是传送消息 数据(data)运送消息的实体。 信号(signal)数据的电气的或电磁的表现。 “模拟的”(analogous)代表消息的参数的取值是连续的。 “数字的”(digital)代表消息的参数的取值是离散的。 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
4、。,7,2.2.2 通讯方式和调制方法,从通信双方的信息交互方式来看，通讯方式分为： 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。 双向交替通信（半双工通信）通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送(当然也就不能同时接收)。 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。,一条信道,两条信道两条信道,8,基带(baseband)信号和带通(band pass)信号,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。 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
5、。因此必须对基带信号进行调制(modulation)。 调制两种方式： 基带调制：仅对基带信号波形变换，使之适应信道特性，变换后信号仍是基带信号。 带通调制：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）。 变换后的信号称为带通信号。,9,最基本的带通调制方法,最基本的二元制调制方法有以下几种： 调幅(AM)：载波的振幅随基带数字信号而变化。 调频(FM)：载波的频率随基带数字信号而变化。 调相(PM) ：载波的初始相位随基带数字信号而变化。,10,对基带数字信号的几种调制方法,0,1,0,0,1,1,1,0,0,基带信号,调幅,
6、调频,调相,11,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,12,2.2.3 信道的极限容量,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。 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。,13,
7、数字信号通过实际的信道,有失真，但可识别 失真大，无法识别,限制码元在信道上传输速率的两个因素？（信道的频率范围；噪声）,14,信道能够通过的频率范围,信号传输中会由于信道的限制，而丢失一些高频分量，导致信号波形失去原有的码元的基本特征，引起码间串扰。 在任何信道中，码元传输的速率是有上限的。速率提高，码元之间的间隙会缩小，更容易出现码间串扰，使接收端对码元的判决（即识别）成为不可能。 1924 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。 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
8、速率传送码元而不出现码间串扰。,15,(2) 信噪比,信噪比(dB)=10log10(S/N) (dB) 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。 信道的极限信息传输速率 C = W log2(1+S/N) b/s (香农公式) 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。,16,C = W log2(1+S/N) b/s,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。 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。 实际信道上能够达到的信息传输速率要比香农
9、的极限传输速率低不少。,17,如何在码元传输速率确定的情况下,传送更多的信息量,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，是否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。 101 011 000 110 111 010 每3位一组，总共有8种组合；采用8种相位或振幅或频率来调制。这样任何一个3位组合均对应码元的一种状态 (可用一个码元来表示)，可将码元数缩为原来的1/3（现在码元可代表8种信号状态，原来只代表2种信号状态）。,18,两个单位,数据速率:信息的传播速率单位 “比特/秒” 码元速率:码元的传输速率单位 “
10、码元/秒”,即波特 指的是每秒信号状态变化的次数或每秒可传的基本波形的个数，以波特(Baud）作为单位。码元速率B和数据速率C在数值上是不一定相等的，有如下关系： 例如，若B = 600波特，L 4，则数据速率为C 1200 b/s。 由于在许多场合下，通常信号只能取两种不同的状态（即L2），此时码元速率B和数据速率C数值就相等了。在这种情况下，波特和比特/秒这两个单位也就可以混用了。 码元速率有时又称为调制速率。在前页例子中，信号可有8种不同的状态即L=8。,L 码元可代表的信号的状态,19,2.3 物理层下面的传输媒体,2.3.1 导向传输媒体 电磁波沿固体媒体传输 2.3.2 非导向传输
11、媒体 电磁波在自由空间传输，无线传输,20,2.3.1 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,21,双绞线 同轴电缆,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,22,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,23,光纤的
12、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,24,多模光纤与单模光纤,多模光纤,多种入射角 只适合于近距传输,光线走直线，不反射 适合于远距传输,25,2.3.2 非导向传输媒体,短波通信主要是靠电离层的反射，短波信道的通信质量较差，一般为低速传输。 微波在空间主要是直线传播，需要中继。 地面微波接力通信 卫星通信,短波通信,微波,26,电信领域使用的电磁波的频谱,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,LF,MF,HF,VHF,UHF,SHF,EHF
13、,THF,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,27,2.4 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,28,共享信道,2.4.1 频分复用、时分复用和统计时分复用,复用(multiplexing)是通信技术中的基本概念。,信道,A1,A2,B1,B2,C1,C2,信道,信道,A1,A2,B1,B2,C1,C2,复用
14、,分用,(a) 不使用复用技术,(b) 使用复用技术,29,频分复用 FDM(Frequency Division Multiplexing),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）。 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。,30,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）。因此，TD
15、M 信号又称为等时(isochronous)信号。,31,时分复用,频率,时间,B,C,D,B,C,D,B,C,D,B,C,D,A 在 TDM 帧中 的位置不变,32,时分复用,频率,时间,C,D,C,D,C,D,A,A,A,A,C,D,B 在 TDM 帧中 的位置不变,33,时分复用,频率,时间,B,D,B,D,B,D,A,A,A,A,B,D,C 在 TDM 帧中 的位置不变,34,时分复用,频率,时间,B,C,B,C,B,C,A,A,A,A,B,C,D 在 TDM 帧中 的位置不变,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。,35,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。,?,36,统计时分复用 STDM (Statistic TD
