计算机网络教程 第4版.ppt
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1、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 互联网接入技术,重点:物理层的任务几种常用的信道复用技术几种常用的互联网接入技术难点:数据通信的相关知识,2.1 物理层的基本概念,物理层协议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。规程特性 指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。,2.2 数据通信的
2、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,几个术语,数据(data)运送信息的实体。信号(signal)数据的电气的或电磁的表现。 “模拟的”(analogous)连续变化的。“数字的”(digital)取值是离散数值。,2.2.2 编码与调制,通常人们将数字数据转换成数字信号的过程称为编码(coding),而将数字数据转换成模拟信号的过程称为调制(modulation)。,2.2.4 传输方式1. 并行传输和串行传输,并行传输,是指一次发送n个比特而不是一个比特,为此,在发送
3、端和接收端之间需要有n条传输线路。串行传输,是指数据是一个比特一个比特依次发送的,因此在发送端和接收端之间只需要一条传输线路即可。,2. 异步传输和同步传输,同步就是指收发双方在时间基准上保持一致的过程。异步传输和同步传输是指两种采用不同同步方式的传输方式异步传输以字节为独立的传输单位,字节之间的时间间隔不是固定的,接收端仅在每个字节的起始处对字节内的比特实现同步。同步传输以稳定的比特流的形式传输,要采取技术使收发双方的时钟保持同步(外同步或内同步),3. 单工、半双工和全双工,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
4、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:谢钧 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
5、线电,电信领域使用的电磁波的频谱,2.3.1 导引型传输媒体,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,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,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
6、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,2.3.2 非导引型传输媒体,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,2.4 信道复用技术,复用(multiplexing)是通信技术中的基本概念。,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 频分复用:所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源。时分复用:所有用户在不同的时间占用同样的频带宽度。,频分复用,频率,时间,频率 1,频率 2,频率 3,频率 4,频率 5,时分复用,频率,时间,B,C,D,B,C,D,B,
7、C,D,B,C,D,时分复用,频率,时间,C,D,C,D,C,D,A,A,A,A,C,D,时分复用,频率,时间,B,D,B,D,B,D,A,A,A,A,B,D,时分复用,频率,时间,B,C,B,C,B,C,A,A,A,A,B,C,时分复用可能会造成线路资源的浪费,A,B,C,D,a,a,b,b,c,d,b,c,a,t,t,t,t,t,4 个时分复用帧,#1,a,c,b,c,d,时分复用,#2,#3,#4,用户,统计时分复用 STDM,用户,A,B,C,D,a,b,c,d,t,t,t,t,t,3 个 STDM 帧,#1,a,c,b,a,b,b,c,a,c,d,#2,#3,统计时分复用,2.4.2
8、 波分复用 WDM,波分复用就是光的频分复用。,光复用器(合波器),光分用器(分光器),光纤,波长2,波长1,波长3,波长2,波长1,波长3, 1 +2 +3,2.4.3 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,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)。,码片序列(chip sequence),每个站被指派一个唯一的 m bit 码片序列。如发送比特 1,则发送自己的 m
9、bit 码片序列。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。发送比特 1 时,就发送序列 00011011,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),CDMA 的重要特点,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)。在实用的系统中是使用伪随机码序列。,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 的规格化内积(inner product
10、)都是 0:,(3-4),CDMA 的工作原理,S 站的码片序列 S,1,1,0,t,t,t,t,t,t,m 个码片,t,S 站发送的信号 Sx,T 站发送的信号 Tx,总的发送信号 Sx + Tx,规格化内积 S Sx,规格化内积 S Tx,数据码元比特,发送端,接收端,2.5 数字传输系统2.5.1 PCM速率体制,将模拟电话信号转换为数字信号目前采用的都是脉冲编码调制PCM (Pulse Code Modulation)技术,将一路模拟电话信号转换为64 kbit/s的PCM数字脉冲信号。为了充分利用高速传输线路的带宽,通常将多路PCM信号用TDM方法汇集成时分复用帧,按某种固定的复用结
11、构进行长途传输。两个互不兼容的PCM复用速率标准:即北美体制和欧洲体制。,2.5.2 SONET/SDH,早期的数字传输系统存在着许多缺点。其中最主要的是以下两个方面: 速率标准不统一。如果不对高次群的数字传输速率进行标准化,国际范围的高速数据传输就很难实现。 不是同步传输。在过去相当长的时间,为了节约经费,各国的数字网主要是采用准同步方式。,同步光纤网 SONET,同步光纤网 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
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