计算机网络与通信技术：第2章 物理层

计算机网络与通信技术物理层课件制作人：谢希仁物理层n物理层的主要任务n数据通信的基础知识n物理层传输媒体简介n信道复用技术n数字传输系统n宽带接入技术课件制作人：谢希仁物理层的主要任务 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。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。课件制作人：谢希仁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统目的系统传输系统输出信息PC 机课件制作人：谢希仁几个术语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）的波形来表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形。课件制作人：谢希仁 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。课件制作人：谢希仁基带(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(modulation)。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）。课件制作人：谢希仁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，而许多信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)。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。课件制作人：谢希仁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。理论上，发送端可通过调制技术让一个码元表示尽量多的比特数，以此来提高传输系统的传输速率。但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。因此调制技术是有极限的。举例课件制作人：谢希仁数据通信系统的本质n所有数据通信系统技术的本质就是尽可能提高数据的传输速率（比特率）。n鉴于传输系统中实际以码元为单元进行传输，提高码元传输率（波特率）也就提高了比特率。n提高比特率的手段包括提高波特率及让一个码元表示更多的比特（调制技术）。而这两种技术都不是无限可行的。nC=Blog2N(C:比特率，B:波特率，N:传输系统中码元的种类数)课件制作人：谢希仁码元传输率受限于信道的极限容量 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。课件制作人：谢希仁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）接收信号波形课件制作人：谢希仁理想信道的码元传输速率上限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。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（没有噪声干扰），为了避免码间串扰，码元的传输速率的上限值。nB=2W(W:信道带宽，单位Hz，B:码元速率或波特率)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。课件制作人：谢希仁实际信道的信息传输速率 n实际信道存在噪声干扰。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（比特率）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。课件制作人：谢希仁香农公式说明 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。n从香农公式中还可以推论出：在信道带宽C不变的情况下，带宽W和信噪比S/N是可以互换的，也就是说，从理论上完全有可能在恶劣环境(噪声和干扰导致极低的信噪比)时，采用提高信号带宽(B)的方法来维持或提高通信的性能，甚至于可以使信号的功率低于噪声基底。简言之，就是可以用扩频方法以宽带传输信息来换取信噪比上的好处，这就是扩频通信的基本思想和理论依据。n屏蔽信号的方法。课件制作人：谢希仁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课件制作人：谢希仁导向传输媒体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 课件制作人：谢希仁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）包层纤芯课件制作人：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反射课件制作人：谢希仁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课件制作人：谢希仁非导向传输媒体 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 课件制作人：谢希仁共享信道信道复用技术n复用(multiplexing)是通信技术中的基本概念。n常用的复用技术包括频分复用、时分复用和统计时分复用码分复用信道A1A2B1B2C1C2信道信道A1A2B1B2C1C2复用分用(a)不使用复用技术(b)使用复用技术课件制作人：谢希仁频分复用 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课件制作人：谢希仁时分复用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。课件制作人：谢希仁时分复用 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 帧课件制作人：谢希仁时分复用 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 帧课件制作人：谢希仁时分复用 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 帧课件制作人：谢希仁时分复用 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 帧课件制作人：谢希仁时分复用可能会造成线路资源的浪费 ABCDaabbcdb cattttt4 个时分复用帧#1acbcd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。课件制作人：谢希仁统计时分复用 STDM(Statistic TDM)用户ABCDabcdttttt3 个 STDM 帧#1acbab bcacd#2#3统计时分复用课件制作人：谢希仁 1550 nm 0 1551 nm 1 1552 nm 2 1553 nm 3 1554 nm 4 1555 nm 5 1556 nm 6 1557 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 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/s1310 nm20 Gb/s复用器分用器EDFA120 km光调制器光解调器课件制作人：谢希仁码分复用 CDM(Code Division Multiplexing)n常用的名词是码分多址 CDMA (Code Division Multiple Access)。n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。n这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力，其频谱类似于白噪声，不易被敌人发现。n每一个比特时间划分为 m 个短的间隔，称为码片(chip)。课件制作人：谢希仁码片序列(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。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)课件制作人：谢希仁CDMA 的重要特点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)。n在实用的系统中是使用伪随机码序列。