计算机网络CH2-5ed物理层.ppt
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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技术 2.6.2 光纤
2、同轴混合网(HFC 网)2.6.3 FTTx 技术,引导词,机械特性、电气特性、功能特性、规程特性单向通信、双向交替通信、双向同时通信调幅、调频、调相频分复用、时分复用、统计时分复用、波分复用、码分复用,2.1 物理层的基本概念,物理层考虑的问题:怎样才能在连接各种计算机的传输媒体上传输比特流,而不是连接计算机的具体的物理设备或具体的传输媒体。物理层的作用:尽可能地屏蔽掉不同物理设备和传输媒体以及通信手段之间的差异,使物理层上面的数据链路层感觉不到这些差异。,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
3、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。规程特性 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”(digita
4、l)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 有关信道的几个基本概念,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。就是将数字
5、信号 1 或 0 直接用两种不同的电压来表示,然后送到线路上去传输。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)。,课件制作人:谢希仁,几种最基本的调制方法,基带调制仅仅对基带信号的波形进行变换,使它能够与信道特性相适应。变换后的信号仍然是基带信号。带通调制使用载波进行调制,把信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输。经过载波调制后的信号称为带通信号(即仅在一段频率范围内能够通过信道)。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
6、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
7、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
8、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。,奈氏(Nyquist)准则,每赫带宽的理想低通信道的最高码元传输速率是每秒 2 个码元。Baud 是波特,是码元传输速率的单位,1 波特为每秒传送 1 个码元。,理想低通信道的最高码元传输速率=2W Baud,W 是理想低通信道的带宽,单位为赫(Hz),不能通过,能通过,0,频率(Hz),W(Hz),另一种形式的奈氏准则,每赫带宽的理想低通信道的最高码元传输速率是每秒 1 个码元。,理想带通特性信道的最高码元传输速率=W Baud,W 是理想带通信道的带宽,单位为赫(
9、Hz),不能通过,能通过,0,频率(Hz),W(Hz),不能通过,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 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
10、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。,2.3 物理层下面的传输媒体,传输媒体也称为传输媒介,它就是数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路。物理媒体可分为两大类,即导向传输媒体非导向传输媒体,2.3.1 导向传输媒体双绞线,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起来就构成了
11、双绞线。使用双绞线最多的地方就是到处都有的电话系统。模拟传输和数字传输都可以使用双绞线.无屏蔽双绞线 UTP(Unshielded Twisted Pair)和屏蔽双绞线 STP(Shielded Twisted Pair)EIA/TIA-568 标准双绞线性能中的一个重要指标是近端串扰(Near-End cross Talk),它是指来自一对导体的信号在另一对导体上发生的耦合现象。,什么是近端串扰,当电流在一条导线中流通时,会产生一定的电磁场,干扰相邻导线上的信号。频率越高这种影响就越大。双绞线就是利用两条导线绞合在一起后,因为相位相差180度的原因而抵消相互间的干扰的。绞距越紧则抵消效果越
12、佳,也就越能支持较高的数据传输速率。近端串扰是指在与发送端处于同一边的接收端处所感应到的从发送线对感应过来的串扰信号。在串扰信号过大时,接收器将无法判别信号是远端传送来的微弱信号还是串扰信号。,UTP and STP,Copper line铜线,铜线,聚氯乙烯 套层polyvinyl chloride cover,聚氯乙烯套层,Shield cover屏蔽层,DielectricCover绝缘层,绝缘层,无屏蔽双绞线 UTP,屏蔽双绞线 STP,同轴电缆coaxial cable,同轴电缆由内导体铜制芯线(单股实心线或多股绞合线)、绝缘层、网状编织的外导体屏蔽层以及保护塑料外层所构成。由于外导
13、体屏蔽层的作用,同轴电缆具有很好的抗干扰特性,现被广泛用于传输较高速率的数据。通常按特性阻抗数值的不同,将同轴电缆分为以下两种:50 同轴电缆75 同轴电缆,同轴电缆 coaxial cable,外导体屏蔽层 outer conductor shield cover,Dielectric Material绝缘层,Dielectric Protection Cover 绝缘保护套层,Inertia conductor内导体,50 同轴电缆,主要用于在数据通信中传送基带数字信号,因此50同轴电缆又称为基带同轴电缆。在局域网中广泛使用这种同轴电缆作为物理媒体。在传送基带数字信号时,可以有多种编码方法
14、,最常用的有两种:曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码(Differential Manchester Encoding)。,三种常用的编码方法,75 同轴电缆,这种同轴电缆用于模拟传输系统,它是有线电视中的标准传输电缆。在这种电缆上传送的信号采用了频分复用的宽带信号。,光纤,光纤通信就是利用光导纤维传递光脉冲来进行通信。光纤是光纤通信的传输媒体。在发送端有光源,采用发光二极管或半导体激光器,在电脉冲的作用下能产生光脉冲。在接收端利用光电二极管做成光监测器,检测到光脉冲时可还原出电脉冲。,光缆,光缆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。纤芯很细,其直径只有8 100 m
15、。正是这个纤芯用来传导光波。包层较纤芯有较低的折射率。当光线从高折射率的媒体射向低折射率的媒体时,其折射角将大于入射角,如果入射角足够大,就会出现全反射,即光线碰到包层时就会折射回纤芯。这个过程不断重复,光也就沿着光纤传输下去。,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,多模光纤与单模光纤,多模光纤,光缆,光纤非常细,必须将光纤做成结实的光缆。一根光缆少则只有一根光纤,多则可包括数十至数百根光纤。加上加强芯和填充物提高机械强度。
16、必要时放入远供电源线。加上包带层和外套层,使抗拉强度达到几公斤。,四芯光缆,光纤的优点和缺点,通信容量大。传输损耗小,中继距离长,对远距离传输特别经济。抗雷电和电磁干扰性能好。无串音干扰,保密性好,也不易被窃听或截取数据。体积小,重量轻。光纤连接需要专用设备,光电接口较贵。,应用,当采用光纤连网时,常常将一段段点到点的链路串接起来构成一个环路,通过 T 形接头连接到计算机。有源的 T 形接头实际上就是一个有源转发器。进入的光信号通过光电二极管变成电信号,再生放大后,再经过激光二极管 LED 变成光信号继续向后面传送。有源转发器的缺点是:一旦 T 形接头出了故障,整个光纤环路即断开不能工作。现在
17、纯光的信号再生器也已开始使用。由于不需要进行光电和电光转换,因此其工作带宽大大增加。,光纤环路,2.3.2 非导向传输媒体,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,
18、2.3.2 非导向传输媒体,无线传输所使用的频段很广。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。微波在空间主要是直线传播。地面微波接力通信卫星通信 微波接力通信可传输电话、电报、图像、数据等信息。,地面微波接力通信,优点:微波波段频率很高,其频段范围也很宽,因此其通信信道的容量很大;微波传输质量较高;建设投资少,见效快。缺点:相邻站之间必须直视,不能有障碍物;微波的传播有时也会受到恶劣气候的影响;与电缆通信系统比较,微波通信的隐蔽性和保密性较差;对大量中继站的使用和维护要耗费一定的人力和物力。,卫星通信,通信方法是在地球站之间利用位于约36000公里高空的人造同步地球卫星作为中继
19、器的一种微波接力通信。卫星通信的最大特点是通信距离远,且通信费用与通信距离无关。卫星通信的另一特点就是具有较大的传播时延。,卫星通信常用的三个频段,为了避免干扰,卫星之间相隔如果不小于2度,那么整个赤道上空只能放置180个同步卫星。在卫星上使用不同的频段来进行通信。,课件制作人:谢希仁,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,复用(multiplexing)是通信技术中的基本概念。,信道,A1,A2,B1,B2,C1,C2,信道,信道,A1,A2,B1,B2,C1,C2,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 FD
20、M(Frequency Division Multiplexing),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。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)。,课件制作人:谢希仁,时分复用TDM(Time Division Multiplexing),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。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)。TDM 信号也称为等时(isochronous)信号。时分复用的所有用户是
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