《物理层》由会员分享，可在线阅读，更多相关《物理层（70页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
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
2、理层的基本概念物理层的主要任务:确定与传输媒体的接口有关 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
3、统目的系统传输系统输 出 信 息PC 机源系统一般包括两个部分： 源点：源点设备产生要传输的数据。 发送器：对源点产生的数据进行编码。 目的系统一般也包括两个部分： 接收器：接收传输系统传送过来的信号，并将 其转换成能够被目的设备处理的信息。终点：终点设备从接收器获取传送过来的信息 。数据通信系统的模型几个术语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
4、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(modul
5、ation)。 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基带信号往往包含有较多的低频成分，甚至 有直流成分，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正交振幅调制 QAM (Quadrature Amplitude
6、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
7、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， 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。 信道上的最高码传输速率问题： 信道上的码元传输速率受限因素有： 信道的带宽有限 在传输信号
8、时会产生各种失真； 多种干扰也会进入信道；所以说：信道上的码元传输速率有一个上限。这个 上限可由奈氏（Nyquist）准则求得：最高码元传输速率=2W Band（波特）W：理想低通信道的带宽，单位为Hz赫Band 是码元的速率单位。1波特为每秒传送1个码元。注：这里需要指出的是波特和比特是二个不同的概念。对于具有理想带通矩形特性的信道，奈氏准则就变 为：最高码元传输速率=W Band（波特）即每HZ带宽信道传输速率为每秒1个码元。例：1个码元携带n bit的信息量。则：M个波特码元 传输速率所对应的信息传输速率为：Mn b/s 比特。例：有一个带宽为3kHz的信道，最高码元传输率为 6K波特，
9、若1码元携带3bit的信息量，则信息传输率 为18K比特/秒。(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
10、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。 信道的极限信息传输速率例：对于电话线W=3.1K，如果S/N=2500， 由香农公式可知： C=3100log2（1+2500）=35kb/s 注：有时S/N习惯用分贝表示，如20dB信噪 比,则S/N=100；30dB信噪比,则S/N=1000。问题：n1、为什
11、么电话信道的标准带宽是3.1 kHz？n2、奈氏准则和香农公式的主要区别是什 么？这两个公式对数据通信的意义是什 么？ 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(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
12、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 (Unshielded Twisted Pair) 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
13、多模光纤与单模光纤输入脉冲输出脉冲多模光纤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 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
14、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。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
15、 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TDM 帧TDM 帧TDM 帧时分复用可能会造成 线路资源的浪费 ABCDaabbcdb cattttt4 个时分复用帧#1 acb cd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。 统计时分复用 STDM (Statistic TDM) 用户ABCDabcdttttt3 个 STDM 帧#1acbab bcacd#2#3统计时分复用1550 nm 0 1551 nm 11552 nm 21553
