《计算机网络课件赵青松第2章物理层》由会员分享，可在线阅读，更多相关《计算机网络课件赵青松第2章物理层（68页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、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 2.3 物理层下面的传输媒体 2.4 信道复用技术 2.5 数字传输系统 2.6 宽带接入技术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。2.1 物理层的基本概念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。 物理层任务举例nEIA-232-D接口用来将MO
2、DEM与计 算机主机相联,共计25个引脚,有规定 的尺寸.n25针的电压范围-12+12vn-12v表示1,+12v表示0nRTS变高,CTS允许发送,TD引脚发 送.2.2 数据通信的基础知识传输 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模拟信号代表消息的参数的取值是连续的。 n数字信号代表消息的参数
3、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。几个术语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。几个术语n基带信号（即基本频带信号） 来自信源的信号。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。 几个术语n最基本的带通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
4、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。 信道的极限容量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。 2.3 物理层下面的传输媒体n传输媒体:指数据通信的物理线路。n传输媒体分为两类：n导向传输媒体n非导向传输媒体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(Hz)f(Hz)fLFMFHFVHF
5、 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同轴电缆n光缆 双绞线n把两根互相绝缘的铜导线并排放在 一起，然后用规则的方法绞合(twist) 起来就构成了双绞线。n双绞线分类：n无屏蔽双绞线 UTP (Unshielded Twisted Pair) :3类和5类n屏蔽双绞线 STP (Shielded
6、 Twisted Pair)铜线铜线聚氯乙烯 套层聚氯乙烯 套层屏蔽层绝缘层 绝缘层无屏蔽双绞线 UTP屏蔽双绞线 STP同轴电缆n同轴电缆：主要用于有线电视网的 居民小区。外导体屏蔽层绝缘层绝缘保护套层内导体同轴电缆光纤折射角入射角包层 （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 芯光线在光纤中的折射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
7、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 /分用分用 /复用(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 (T
8、ime 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）。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
9、 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 帧时分复用的缺点 n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 。可能会造成线路资源的浪费。时分复用的缺点 ABCDaabbcdb cattttt4 个时分复用帧#1 acb cd时分复用#2#3#4用户统计时分复用 STDM (Statistic TDM) 用户ABCDabcdttttt3 个 STDM 帧#
10、1acbab bcacd#2#3统计时分复用1550 nm 0 1551 nm 11552 nm 21553 nm 31554 nm 41555 nm 51556 nm 61557 nm 70 1550 nm 1 1551 nm 2 1552 nm 3 1553 nm 4 1554 nm 5 1555 nm 6 1556 nm 7 1557 nm 2.4.2 波分复用 WDM (Wavelength Division Multiplexing) n波分复用就是光的频分复用。 8 2.5 Gb/s 1310 nm20 Gb/s复 用 器分 用 器EDFA120 km光调制器光解调器2.4.3 码
11、分复用 CDM (Code Division Multiplexing) n常用的名词是码分多址 CDMA (Code Division Multiple Access)。n每一个用户可以在同样的时间使用同 样的频带进行通信,各用户使用经过特 殊挑选的不同码型，因此彼此不会造 成干扰。 CDMA 的重要特点n每一个比特时间划分为 m 个短的间隔 ，称为码片(chip)。n每个站分配的码片序列不仅必须各不相 同，并且还必须互相正交(orthogonal) 。码片序列(chip sequence) n每个站被指派一个唯一的 m bit 码片序列。n如发送比特 1，则发送自己的 m bit 码片序列
12、。n如发送比特 0，则发送该码片序列的二进制反码。 n例如，S 站的 8 bit 码片序列是 00011011 。n发送比特 1 时，就发送序列 00011011，n发送比特 0 时，就发送序列 11100100。nS 站的码片序列：(1 1 1 +1 +1 1 +1 +1) CDMA 的重要特点n每一个比特时间划分为 m 个短的间隔 ，称为码片(chip)。n每个站分配的码片序列不仅必须各不相 同，并且还必须互相正交(orthogonal) 。码片序列的正交关系 n令向量 S 表示站 S 的码片向量，令 T 表示其他任何站的码片向量。 n两个不同站的码片序列正交，就是向量 S 和T 的规格化
13、内积(inner product)都是 0： (2-3)码片序列的正交关系举例 n令向量 S 为(1 1 1 +1 +1 1 +1 +1) ，向量 T 为(1 1 +1 1 +1 +1 +1 1) 。 n把向量 S 和 T 的各分量值代入(2-3)式 就可看出这两个码片序列是正交的。 n任何一个码片向量和该码片向量自己的 规格化内积都是1 。n一个码片向量和该码片反码的向量的规 格化内积值是 1。 正交关系的另一个重要特性CDMA 的工作原理 S 站的码片序列 S110 ttttttm 个码片tS 站发送的信号 SxT 站发送的信号 Tx总的发送信号 Sx + Tx规格化内积 S Sx规格化内
14、积 S Tx数据码元比特发 送 端接 收 端2.5 数字传输系统 1. 脉码调制 PCM 体制n脉码调制 PCM 体制最初是为了 在电话局之间的中继线上传送多 路的电话(TDM)。采样 量化 编码PCM用于数字语音系统n声音分为128个量化级；n每个量化级采用7位二进制编码表示；n采样速率为8000样本/秒；n数据传输速率应达到7位8000/秒 =56Kbps；n如果每个量化级采用7+1=8位二进制 编码表示;n数据传输速率应达到8位8000 /秒= 64Kbps。E1和T1n为了提高线路的使用率，往往采用TDM。n由于历史上的原因，PCM 有两个互不兼 容的国际标准，即北美的 24 路 PC
15、M（简 称为 T1）和欧洲的 30 路 PCM（简称为 E1）。我国采用的是欧洲的 E1 标准。nE1 的速率是 2.048 Mb/s，而 T1 的速率 是 1.544 Mb/s。n当需要有更高的数据率时，可采用复用的 方法。数字传输系统的高次群的话路数和数据率系 统 类 型一 次 群二 次 群三 次 群四 次 群五 次 群符号E1E2E3E4E5欧洲体制 话路数3012048019207680数据率(Mbit/s)2.0488.44834.368139.264565.148符号T1T2T3T4北美体制 话路数24966724032数据率(Mbit/s)1.5446.31244.736274.1762. 同步光纤网 SONET 和 同步数字系列 SDH n旧的数字传输系统存
