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1、课件制作人：谢希仁,计算机网络（第 5 版）,第 2 章 物理层,课件制作人：谢希仁,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,课件制作人：谢希仁,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
2、术 2.6.2 光纤同轴混合网（HFC 网） 2.6.3 FTTx 技术,课件制作人：谢希仁,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： 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。,课件制作人：谢希仁,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,模拟信号,模拟信号,输入
3、 汉字,显示 汉字,PC 机,课件制作人：谢希仁,几个术语,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。,课件制作人：谢希仁,2.2.2 有关信号的几个基本概念,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。 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
4、信）通信的双方可以同时发送和接收信息。,课件制作人：谢希仁,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)。 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）。,课件制作人：谢希仁,几种最基本的调制方法,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
5、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)。 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。,课件制作人：谢希仁,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,课件制作人：谢希仁,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
6、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,课件制作人：谢希仁,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。,课件制作人：谢希仁,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,课件制作人：谢希仁,信道能够
7、通过的频率范围,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。,课件制作人：谢希仁,(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
8、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。,课件制作人：谢希仁,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。,课件制作人：谢希仁,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
9、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。,课件制作人：谢希仁,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 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,
10、课件制作人：谢希仁,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,双绞线电缆,双绞线是由两条相互绝缘的铜导线扭绞起来构成的，一对线作为一条通信线路。,课件制作人：谢希仁,双绞线电缆,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,无屏蔽双绞线 UTP,屏蔽双绞线 STP,RJ45 水晶头,课件制作人：谢希仁,水晶头的连接方法,课件制作人：谢希仁,常用的绞合线的类别、带宽和典型应用,课件制作人：谢希仁
11、,对称电缆,由若干条扭绞成对、扭绞成组的绝缘芯线构成缆芯，外面再包上护层组成的。,对称电缆,通信电缆色谱线序表 主色：白 红 黑 黄 辅色：蓝 桔 绿 棕 灰,对称电缆,20对通信电缆色谱线序表 白 红 黑 黄 蓝 桔 绿 棕 灰,对称电缆,30对通信电缆色谱线序表 主色：白 红 黑 黄 紫 辅色：蓝 桔 绿 棕 灰,对称电缆,主色：白 红 黑 黄 紫 辅色：蓝 桔 绿 棕 灰 前25对用“白蓝”色环标识线缠着 后5对有“白桔“标识缠着,对称电缆,50对通信电缆色谱线序： 主色：白 红 黑 黄 紫 辅色：蓝 桔 绿 棕 灰 前25对用“白蓝”色环标识线缠着 后25对有“白桔“标识缠着,对称电缆
12、,100对通信电缆色谱线序表 主色：白 红 黑 黄 紫 辅色：蓝 桔 绿 棕 灰,同轴电缆也像双绞线那样由一对导体组成，但它们是按同轴的形式构成线对。其中最里层是内导体芯线，外包一层绝缘材料，外面再套一个空心的圆柱形外导体，最外层是起保护作用的塑料外皮。内导体和外导体构成一组线对。,同轴电缆,外导体屏蔽层,绝缘层,绝缘保护套层,内导体,同轴电缆,同轴电缆,同轴电缆分50 基带电缆和75宽带电缆两类。 基带电缆又分细同轴电缆和粗同轴电缆。基带电缆仅仅用于数字传输，数据率可达10Mbps。,课件制作人：谢希仁,同轴电缆,50同轴电缆主要用于基带信号传输，传输带宽为12OMHz，总线型以太网就是使用
13、50同轴电缆，在以太网中，50细同轴电缆的最大传输距离为185米，粗同轴电缆可达1000米。,课件制作人：谢希仁,同轴电缆,75同轴电缆常用于CATV网，故称为CATV电缆，传输带宽可达1GHz，目前常用CATV电缆的传输带宽为750MHz。,课件制作人：谢希仁,光纤,课件制作人：谢希仁,光纤是光导纤维的简写，是一种利用光在玻璃或塑料制成的纤维中的全反射原理而达成的光传导工具。 前香港中文大学校长高锟和George A. Hockham首先提出光纤可以用于通讯传输的设想，高锟因此获得2009年诺贝尔物理学奖。,光纤通信,光纤通信就是利用光导纤维传递光脉冲来进行通信。有光脉冲相当于1，没有光脉冲
14、相当于0。由于可见光的频率非常高，约为108MHz的量级，因此一个光纤通信系统的传输带宽远远大于目前其他各种传输媒体的带宽。,课件制作人：谢希仁,光纤,光纤通常由非常透明的石英玻璃拉成细丝，主要由纤芯和包层构成双层通信圆柱体。纤芯直径只有8至100um。光波通过纤芯进行传导。,课件制作人：谢希仁,包层,纤芯,课件制作人：谢希仁,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）,包层比纤芯有更低的折射率,入射角足够大，全反射,课件制作人：谢希仁,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
15、反射,多模光纤,多模光纤：存在多条不同角度入射的光线在一条光纤中传输。多模光纤只适合近距离传输。,课件制作人：谢希仁,单模光纤,光纤的直径减小到只有一个光的波长，则光纤就像一根波导那样，它可使光线一直向前传播，而不会产生多次反射。这种光纤就称为单模光纤。 单模光纤很细，直径只有几微米，成本较高。 其模间色散很小，适用于远程通讯,课件制作人：谢希仁,单模光纤,课件制作人：谢希仁,光纤衰耗小，在2.5Gb/s的高速率下可传输十公里而不必用中继器。,课件制作人：谢希仁,多模光纤与单模光纤,多模光纤,光缆,光缆,光缆,光缆的色谱：,光缆,纤芯数：通常有8芯、12芯、24芯、36芯、48芯、144芯,光缆熔接,光缆熔接是一项细致的工作，要求操作者仔细观察，周密考虑，操作规范。,光纤的优点,1.传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济。 2.抗雷电和电磁干扰好。 3.无串音干扰，保密性好，不易被窃听或截获数据。 4.体积小，重量轻。,课件制作人：谢希仁,架空明线,由电杆支持架于地面上的裸导线通信线路，简称
