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1、第第 2 章章 物理层物理层 2.1 数据通信的基础知识 2.2 物理层下面的传输媒体 2.3 无线传输 2.4 通信卫星 2.5 数字调制与多路复用 2.6 公共电话交换网络 2.7 移动电话系统 2.8 有线电视 2.9 本章总结1谢谢观赏2019-8-232.1 数据通信的基础理论数据通信的基础理论数据通信系统的模型数据通信系统的模型数据通信系统的模型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 正文正文数据通信系统源系统目的系统传输系统输出信息PC 机2谢谢观赏
2、2019-8-232.1 数据通信的基础理论2.1.1 2.1.1 傅里叶分析傅里叶分析傅里叶级数：任何周期函数可表示成正弦和余弦组成的 无穷级数。两边同乘sin(2kft)再从0到T求积分：两边同乘cos(2kft)再从0到T求积分：直接在等式两边求积分：3谢谢观赏2019-8-234谢谢观赏2019-8-232.1.2 带宽有限的信号带宽定义：带宽定义：在传输过程中振幅不会明显减弱的频率宽度。例1、设数据传输率为：b比特/利润留成，发送8比特所需时间：8/b秒，第一个谐波频率是b/8 Hz.语音线路频率在3000Hz以上，则可以通过的最大谐波数是24000/b. 图2-2可以计算出要想以9
3、600bps发送数据需要把信号2-1a变成2-1c(2个谐波),而其最大数据传输率为38.4Kbps。5谢谢观赏2019-8-232.1.3信道的最大数据速率：信道的最大数据速率：尼奎斯特尼奎斯特尼奎斯特尼奎斯特( (NyquistNyquist) )定理定理 B是理想低通信道的带宽，单位为赫(Hz) 频率(Hz)不能通过能通过0B (Hz) Nyquist证明了只要进行了每秒2B次采样，就可以完全重构出过虑的信号，如果信号中包含了V个离散等级尼奎斯特(Nyquist)定理：最大数据速率= 2B log2V比特/秒例：无噪声的3KHz信道传播（两级）二进制信号的最大数据速率是：2*3000*l
4、og22=6000bps6谢谢观赏2019-8-23香农香农(Shannon) 有噪声的传输速率有噪声的传输速率信噪比：信号功率S/噪声功率N最大传输速率 C 可表达为 C = B log2(1+S/N) b/s 举例：普通电话线上提供的ADSL使用大约1Mhz带宽，信噪比与距离有关（1-2公里约40分贝:10log10S/N）因此无论采样多少个信号等级（采样频率的快慢）永远不可能达到13M. 实际上ADSL的最高速率为:12Mbps7谢谢观赏2019-8-232.2 引导性的传输介质引导性的传输介质传输介质属于物理层，主要任务描述为确定与传输媒体的接口的一些特性，即： o机械特性 o电气特性
5、 o功能特性 o规程特性磁介质（B，KB，MB，GB，TB）o磁带容量与传输能力，狗运磁带的能力。o永远不要低估一辆满载着磁带在高速公路上飞跑的汽车的带宽。8谢谢观赏2019-8-232.3.2 导向传输媒体导向传输媒体双绞线o屏蔽双绞线 STP (Shielded Twisted Pair)o无屏蔽双绞线 UTP (Unshielded Twisted Pair) 同轴电缆o50 同轴电缆o75 同轴电缆光纤缆 9谢谢观赏2019-8-23各种电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10
6、谢谢观赏2019-8-23光线在光纤中的折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11谢谢观赏2019-8-23光纤的工作原理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12谢谢观赏2019-8-23输入脉冲输出脉冲单模光纤多模光纤与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P79定义13谢谢观赏2019-8-232.3.1 2.3.1 电磁频谱电磁频谱电磁频谱电磁频谱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
7、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2.3 2.3 无线传输无线传输30000GHz14谢谢观赏2019-8-232.3.1 电磁频谱电磁频谱(续续)用户喜欢光纤的原因(香农定理分析）三种扩频技术：1、跳频扩频：每秒几百次速率变频 军方、蓝牙、旧版802.112、直接序列扩频：数据信号展
8、开到一个很宽频段上，信号被赋予不同的码片：码分多址CDMA。 3G移动电话、GPS全球定位系统3、超宽带通信UWB：快速脉冲15谢谢观赏2019-8-232.3.2 无线电传输无线电传输无线电频率（RF：107-109HZ）干拢 例如：雨水、其他电气设备、障碍物会反射路径损耗 例：信号沿双胶线传播每100米能量下降20分贝，无线信号下降的速度与距离平方成反比。可使用中继放大信号（交换机、无线AP）2.3.3 微波传输微波传输频率：100MHZ以上(108)微波塔之间的中继距离约80千米电磁频谱政策16谢谢观赏2019-8-232.4 通信卫星通信卫星 通信卫星可以想象成一个大型的微波中继器。地
9、球同步卫星o高度为35800千米的轨道周期为24小时o轨道槽与频率是争抢的资源，ITU作分配频率。中地球轨道卫星：主要用于导航低地球轨道卫星：卫星与光纤对比：o卫星：用于军事与灾难o特殊地理环境：如印度尼西亚，13677个群岛之间拉数千根光缆的代价远高于发射一颗卫星。o未来的主流通信是两者结合17谢谢观赏2019-8-232.5 数字调制与多路复用数字调制与多路复用概念与术语：P97数字调制：比特与模糊信号的转换基带传输：信号占传输介质从0到最大的全部频率通带传输：调节载波信号的幅值、相们、频率多路复用：多个信号共享一个信道18谢谢观赏2019-8-232.5.1 基带传输基带传输 1、不归零
10、NRZ编码： 正电表1，负电表0，光纤：有光1，无光02、带宽效率：o 2个比特信号1、0交替才能在正电负电间循环，由尼奎斯定律：至少B/2Hz的宽带才能获得B bps的传输速率o4个信号级别，可以携带2个比特，如00，01，10，11 减少了所需的带宽3、时钟恢复o帮助接收器区分各个比特o曼彻斯特编码：与0异或，产生从低到高的转变，表示逻辑0，1异或，产生从高到低的转变，表示逻辑1。4、不归零逆转NRZI：如通用串行总线USB采用此种编码5、平衡信号：双极编码19谢谢观赏2019-8-232.5.2 通带传输通带传输 把信号移动到给定的频带，不同信号在传输介质上共存。数字调制可利用通带传输完
11、成，调制方法：幅移键控ASK：采用两个不同的振幅表示0、1频移键控FSK：采用两个不同的频率表示0、1相移键控PSK：采用两种不同的相位表示0、1QAM-16：以上3种技术的结合，如正交调幅格雷码：将QAM-16的比特映射到符号中20谢谢观赏2019-8-23 信道复用技术信道复用技术 2.5.3 频分复用FDM： 把频谱分成多个频段分配给不同用户2.5.4 时分复用TDM 每个用户周期性的获得带宽非常短的时间2.5.5 码分复用CDM 扩频技术CDMA：把每个比特时间分成m个更短的时间间隔。原来每秒发送b个比特，现在每秒发送mb个比特21谢谢观赏2019-8-23频分复用频分复用 频率时间频
12、率 1频率 2频率 3频率 4频率 522谢谢观赏2019-8-23时分复用时分复用 频率时间B C DB C DB C DB C DAAAA在 TDM 帧中的位置不变TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧23谢谢观赏2019-8-23时分复用时分复用 频率时间C DC DC DAAAABBBB C D在 TDM 帧中的位置不变TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧24谢谢观赏2019-8-23时分复用时分复用 频率时间BDBDBDAAAA BCCCC D在 TDM 帧中的位置不变TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧25谢谢观赏2019-8-23时分复用时
13、分复用 频率时间B CB CB CAAAA B CDDDD在 TDM 帧中的位置不变TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧26谢谢观赏2019-8-23时分复用可能会造成线路资源的浪费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27谢谢观赏2019-8-232.5.5 码分复用码分复用 CDM 常用的名词是码分多址 CDMA (Code Division Multiple Access)。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。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，
14、不易被敌人发现。 每一个比特时间划分为 m 个短的间隔，称为码片(chip)。 28谢谢观赏2019-8-23码片序列码片序列(chip sequence) 每个站被指派一个惟一的 m bit 码片序列。o如发送比特 1，则发送自己的 m bit 码片序列。o如发送比特 0，则发送该码片序列的二进制反码。 例如，S 站的 8 bit 码片序列是 00011011。o发送比特 1 时，就发送序列 00011011，o发送比特 0 时，就发送序列 11100100。S 站的码片序列：(1 1 1 +1 +1 1 +1 +1) 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(orthogo
15、nal)。 29谢谢观赏2019-8-23码片序列的正交关系码片序列的正交关系 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。 两个不同站的码片序列正交，就是向量 S 和T 的规一化内积(inner product)都是 0： (2-4)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(2-4)式就可看出这两个码片序列是正交的。30谢谢观赏2019-8-23正交关系的另一个重要特性正交关系的另一个重要特性 任何一个码片向量和该码片向量自己的规一化内积都是1 。一
16、个码片向量和该码片反码的向量的规一化内积值是 1。 31谢谢观赏2019-8-2332谢谢观赏2019-8-23CDMA 的工作原理的工作原理 S 站的码片序列 S110ttttttm 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规一化内积 S Sx规一化内积 S Tx数据码元比特发送端接收端33谢谢观赏2019-8-232.6 公共电话交换网络公共电话交换网络PSTN：o局域网可以采用一根电缆连接两台计算机，距离远时必须依赖于PSTN。电话系统结构o自贝尔1876年发明电话以来，电话需求非常广，线路全连接是行不通。o从手工接线单交换局模式发展到二级交换局现
17、在的电话系统包括三部分o本地回路：进入家庭或公司的模拟双绞线o中继线：连接交换局的光纤o交换局：电话呼入连接中继线34谢谢观赏2019-8-232.6.3 本地回路本地回路:调制解调器：调制解调器：Modem：2400bps56kbps 语音电话线的频率限制在3100HZ内，比以太网或802.11WIFI带宽小了4个数量级数字用户线路数字用户线路ADSL： 当电话传输数率达到56Kbps时，相比有线电视10Mbps的竞争，采用非对称数字用户线ADSL: 下行8Mbps，上行1Mbps,现在可达12Mbps光纤到户：光纤到户：FttH,住宅的光纤捆绑后一根连接到端局。 下行：光分离器splitt
18、ers 上行：光合并器combiner P118页图2-3635谢谢观赏2019-8-232.6.4 中继线和多路复用中继线和多路复用 电话网络的核心传送的是数字信息而不是模拟信息。在长途传输中需要对信号转换。高带的中继线共享可用TDM和FDM多路复用实现。数字化语音信号 模拟信号数字化：编码解码器设备完成时分多路复用 北美和日本使用的T1载波：每125微秒发送一个语音样值。 24条复用语音信道，每信道8bit样值插入到输出流。 那么每帧：24*8=192 bit,附加1bit信令控制36谢谢观赏2019-8-23同步光纤网同步光纤网 SONET与同步数字系列与同步数字系列 SDH同步光纤网
19、SONET (Synchronous Optical Network) 的各级时钟都来自一个非常精确的主时钟。 第 1 级同步传送信号 STS-1 (Synchronous Transport Signal)的传输速率是 51.84 Mb/s。同步数字系列 SDHoITU-T 以美国标准 SONET 为基础，制订出国际标准同步数字系列 SDH (Synchronous Digital Hierarchy)。o一般可认为 SDH 与 SONET 是同义词。oSDH 的基本速率为 155.52 Mb/s，称为第 1 级同步传递模块 (Synchronous Transfer Module)，即 S
20、TM-1，相当于 SONET 体系中的 OC-3 速率。 37谢谢观赏2019-8-23线路速率(Mb/s)SONET符号ITU-T符号表示线路速率的常用近似值 51.840OC-1/STS-1 155.520*OC-3/STS-3STM-1155 Mb/s 466.560OC-9/STS-9STM-3 622.080*OC-12/STS-12STM-4622 Mb/s 933.120OC-18/STS-18STM-61244.160OC-24/STS-24STM-81866.240OC-36/STS-36STM-122488.320*OC-48/STS-48STM-162.5 Gb/s487
21、6.640OC-96/STS-96STM-329953.280OC-192/STS-192STM-6410 Gb/sSONET 的 OC 级/STS 级与 SDH 的 STM 级的对应关系 38谢谢观赏2019-8-232.6.5交换交换 电路交换：电路交换：circuit switchingcircuit switching从你或你的计算机发出一个电话呼叫时，电话系统的交换设备努力寻找一条到对方的物理路径。需要建立一条专线。拥塞发生在电路建立时 包交换：替代电路交换的一个方案包交换：替代电路交换的一个方案无需建立一条专线，数据包交换中没有固定路径路由器采用存储-转发技术会产生排队延迟，拥塞发
22、生在数据包转发时39谢谢观赏2019-8-2340谢谢观赏2019-8-232.7 移动电话系统移动电话系统移动电话：移动电话：mobile phone应用于更广域的语音通信和数据通信经历了三代：1G、2G、3G三代不同技术：三代不同技术：o模拟语音、o数字语音、o数字语音和数据41谢谢观赏2019-8-232.8 有线电视有线电视共用天线电视共用天线电视20世纪40年代后期出现，解决农村山区的收视线缆上的线缆上的Internet：o有线电缆被替换成光纤后，而到家庭的是同轴电缆同轴电缆 这样的系统称为混合光纤电缆。频谱分配频谱分配: 频分多路复用线缆调制解调器线缆调制解调器:Cable modemADSL与有线电视电缆与有线电视电缆o光纤+双胶线（数据用户）o光纤+同轴电缆（是双胶线几百倍，电视节目）42谢谢观赏2019-8-232.9 小结与习题小结与习题物理层是网络的基础带宽、数字调制、中继线习题布置：2，5，8，37, 4643谢谢观赏2019-8-23
