计算机网络物理层

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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 FTTx 技术,2.1

2、 物理层的基本概念,物理层考虑怎样才能在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流，而不是之具体的传输媒体。物理层的协议亦称物理层规程。,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有关的一些特性，即： 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,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

3、号,模拟信号,输入汉字,显示汉字,PC 机,几个术语,数据(data)运送消息的实体。信号(signal)数据的电、磁、光形式的表现。 “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。,信息、数据和信号的基本概念,模拟信号,数字信号,2.2.2 有关信道的几个基本概念,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。,单工通信,单工通信只支持数据在一个方向上传输，如电视、广播，收音机、电视机只能分别接收来自电视台、

4、电台的信号，不能进行相反方向的信息传输。,半双工通信,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)。,全双工通信,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，效率高。普通电话是一种典型的全双工通信。注意：区别电路和信道 。,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。因此必须对基带信号进行调制(modulation)

5、。基带调制带通调制 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,最基本的带通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。 多元制振幅相位混合调制。正交振幅调制QAM,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,调频,调相,正交振幅调制 QAM(Quadrature Amplitude Modulation),r,(r, ),可供选择的

6、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,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。,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,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,信道能够通过的频率范围,

7、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。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。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,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。信道的极限信息传输速率 C 可表达为 C = W log2(1+S/N) b/s W 为信道的带宽（以 Hz 为单位）；S 为信

8、道内所传信号的平均功率；N 为信道内部的高斯噪声功率。,香农公式表明,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。 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。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,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。,请注意,假定基带信号：

9、 101.011.000.110.111.010=5306 7 2 可以用8种不同的振幅、频率、相位进行调制。这样，以同样的速率发送码元，同样的时间所传输的信息量可提高3倍。实际信道传输速率香农极限传输速率,导向传输媒体在导向传输媒体中，电磁波被导向沿着固定媒体传播。非导向传输媒体指自由空间。,2.3 物理层下面的传输媒体,2.3 物理层下面的传输媒体,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,LF,MF,HF,VHF,UHF,SHF,EHF,THF,波段,104 105 106 107 108 109

10、 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,电信领域使用的电磁波的频谱,2.3.2 非导向传输媒体,2.3.2 非导向传输媒体,分米波（微波）特高频UHF 10010cm 0.33GHz 厘米波（微波）超高频SHF 101cm 330GHz 毫米波（微波）极高频EHF 101mm 30300GHz 亚毫米波（微波）超级高频 10.1mm3003000GHz注意： 1。微波是波长为1m-1mm，频率为300MH

11、Z-300GHZ范围内的电磁波。常用2GHZ-40GHZ。 2。微波通信是用微波作为载波来携带信息的一种无线通信方法。携带模拟信号称模拟微波通信，携带数字信号称数字微波通信。,2.3.2 非导向传输媒体,无线传输所使用的频段很广。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。微波在空间主要是直线传播。 地面微波接力通信卫星通信,2.3.2 非导向传输媒体,微波通信的概念： 用微波作为载波携带信息，进行中继（接力）通信的方式。,2.3.2 非导向传输媒体,微波通信的优缺点：参见教材同步地球卫星甚小孔径地球站VSAT,2.3.1 导向传输媒体,双绞线屏蔽双绞线 STP (Shielded

12、 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,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,光缆,完成光电/电光转换发光二极管半导体激光器原理：入射角足够大，会出现全反射,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

13、反射,多模光纤与单模光纤,多模光纤,光纤通信的三个波段,0.85微米1.30微米1.55微米带宽25000-30000GHz，通信容量大。,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,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,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),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。频分复用的所有用户在同样的时间占

14、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）。,频分复用 FDM,举例:ADSL,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）。TDM 信号也称为等时(isochronous)信号。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,D,B,C,D,B,C,D,B,C,D,A 在 TDM 帧中的位置不变,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,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,