Chapter2 物理层.ppt

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1、计算机网络第2章物理层第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宽带接入技术物理层：通过网络介质传输构成数据通过网络介质传输构成数据链路层帧的比特。链路层帧的比特。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：n机械特性n电气特性n功能特性n过程特性2.2数据通信的基础知识2.2.1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

2、的系统传输系统输出信息PC机几个术语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）的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形。2.2.2有关信号的几个基本概念n单向通信（单工通信）n双向交替通信（半双工通信）n双向同时通信（全双工通信）基带(baseband)信号和带通(bandpass)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

3、于基带信号。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）。几种最基本的调制方法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。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正交振幅调制QAM(QuadratureAmplitudeModulation)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4bit编码共有16种不同的组合，因此

4、这16个点中的每个点可对应于一种4bit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2.2.3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。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(1)信道能够通过的频率范围n1924年，奈奎斯特(Nyquist)就推导出了著名的奈氏准则。n他

5、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。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。(2)信噪比n香农(Shannon)信道的极限信息传输速率C 可表达为n C=Wlog2(1+S/N)b/snW 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。香农公式表明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

6、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。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(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

7、波的频谱2.3.1导向传输媒体n双绞线n屏蔽双绞线STP(ShieldedTwistedPair)n无屏蔽双绞线UTP(UnshieldedTwistedPair)n同轴电缆n50 同轴电缆n75 同轴电缆n光缆n无线介质n铜介质的类型包括：铜介质的类型包括：同轴电缆同轴电缆 双绞线双绞线 非屏蔽双绞线非屏蔽双绞线 屏蔽双绞线屏蔽双绞线n外部信号干扰铜线铜线聚氯乙烯 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STPnUTP电缆的特点双绞线网络传输线缆及附件nRJ45n使用双绞线组网，网卡必须带使用双绞线组网，网卡必须带有有RJ45RJ45接口，另外还需要一个接口，另外还需要

8、一个非常重要的设备非常重要的设备-集线器集线器HUBHUB，RJ45RJ45接头示意图接头示意图。n五类(超五类)信息模块n配线架nUTP电缆类型以太网直通电缆以太网直通电缆以太网交叉电缆以太网交叉电缆全反电缆全反电缆n水晶头做法：n关于双绞线的色标和排列方法是有统一的国际标准严格规定的，现在常用的是TIA/EIA568B。在打线时应使用如下的顺序：1脚2脚3脚4脚5脚6脚7脚8脚白桔桔白绿蓝白蓝绿白棕棕n100Base-T或10Base-T网络只要使用RT-45插座的第1、2、3、6共4个引脚即可n跳线做法：n用于连接两台集线器或两台机器互连的双绞线，需要将1、3；2、6交换连接，即：n1脚

9、2脚3脚4脚5脚6脚7脚8脚n白绿绿白桔蓝白蓝桔白棕棕n1.先抽出一小段线，然後先把外皮剥除一先抽出一小段线，然後先把外皮剥除一段段n2.将双绞线反向缠绕开根据标准排线：将双绞线反向缠绕开根据标准排线：n3.铰齐线头铰齐线头n4.插入插头插入插头n5.用打线钳夹紧用打线钳夹紧n6.使用测试仪测试使用测试仪测试实作任务：n介质连接器练习n双绞线正线568b制作n双绞线反线制作n双绞线反转线制作n同轴电缆n屏蔽双绞线屏蔽双绞线(STP)电缆电缆 以太网的新以太网的新 10 GB 标准规定使用标准规定使用 STP 布线。布线。铜介质可能存在的安全隐患改进之道：光纤介质光纤的工作原理高折射率(纤芯)低

10、折射率(包层)光线在纤芯中传输的方式是不断地全反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）包层纤芯光纤介质n光纤提供全双工通信，每个方向使用一根专用光缆。光纤介质：光纤介质的线缆设计光纤连接器共享信道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n复用(multiplexing)是通信技术中的基本概念。信道A1A2B1B2C1C2信道信道A1A2B1B2C1C2复用分用(a)不使用复用技术(b)使用复用技术频分复用FDM(FrequencyDivisionMultiplexing)n用户在分配到一定的频带后，在通信过程中自始

11、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时分复用TDM(TimeDivisionMultiplexing)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。时分复用频率时间B C DB C DB C DB C DAAAAA在TD

12、M帧中的位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧时分复用频率时间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

13、户对分配到的子信道的利用率一般是不高的。统计时分复用STDM(StatisticTDM)用户ABCDabcdttttt3个STDM帧#1acbab bcacd#2#3统计时分复用1550nm01551nm11552nm21553nm31554nm41555nm51556nm61557nm701550nm11551nm21552nm31553nm41554nm51555nm61556nm71557nm2.4.2波分复用WDM(WavelengthDivisionMultiplexing)n波分复用就是光的频分复用。82.5Gb/s1310nm20Gb/s复用器分用器EDFA120km光调制器光解

14、调器2.4.3码分复用CDM(CodeDivisionMultiplexing)n常用的名词是码分多址CDMA(CodeDivisionMultipleAccess)。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。CDMA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规格化内积SSx规格化内积STx数据码元比特发送端接收端2.5数字传输系统1.脉码调制PCM体制n脉码调制PCM体制最初是为了在电话局之间的中继线上传送多路的电话。n由于历史上的原因，PCM有两个互不兼容的国际标准，即北美的24路PCM（简称为T1）和欧

15、洲的30路PCM（简称为E1）。我国采用的是欧洲的E1标准。nE1的速率是2.048Mb/s，而T1的速率是1.544Mb/s。n当需要有更高的数据率时，可采用复用的方法。2.同步光纤网SONET和同步数字系列SDHn旧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：n速率标准不统一。n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。n不是同步传输。n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SONETn同步光纤网SONET(SynchronousOpticalNetwork)的各级时钟都来自一个非常精确的主时钟。n第1级

16、同步传送信号STS-1(SynchronousTransportSignal)的传输速率是51.84Mb/s。n光信号则称为第1级光载波OC-1，OC表示OpticalCarrier。同步数字系列SDHnITU-T以美国标准SONET为基础，制订出国际标准同步数字系列SDH(SynchronousDigitalHierarchy)。n一般可认为SDH与SONET是同义词。nSDH的基本速率为155.52Mb/s，称为第1 级同步传递模块(SynchronousTransferModule)，即STM-1，相当于SONET体系中的OC-3速率。线路速率(Mb/s)SONET符号ITU-T符号表示

17、线路速率的常用近似值51.840OC-1/STS-1155.520OC-3/STS-3STM-1155Mb/s466.560OC-9/STS-9STM-3622.080OC-12/STS-12STM-4622Mb/s933.120OC-18/STS-18STM-61244.160OC-24/STS-24STM-82488.320OC-48/STS-48STM-162.5Gb/s4976.640OC-96/STS-96STM-329953.280OC-192/STS-192STM-6410Gb/s39813.120OC-768/STS-768STM-25640Gb/sSONET的OC级/STS级

18、与SDH的STM级的对应关系SONET的体系结构光子层路径层线路层段层线路(line)光子层路径层线路层段层光子层线路层段层光子层段层光子层线路层段层光子层段层SDH终端SDH终端复用器或分用器复用器或分用器转发器转发器段段段路径(path)(section)(section)(section)SONET标准定义了四个光接口层n光子层(PhotonicLayer)n处理跨越光缆的比特传送。n段层(SectionLayer)n在光缆上传送STS-N帧。n线路层(LineLayer)n负责路径层的同步和复用。n路径层(PathLayer)n处理路径端接设备PTE(PathTerminatingEl

19、ement)之间的业务的传输。2.6宽带接入技术2.6.1xDSL技术nxDSL技术就是用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造，使它能够承载宽带业务。n虽然标准模拟电话信号的频带被限制在3003400Hz的范围内，但用户线本身实际可通过的信号频率仍然超过1MHz。nxDSL技术就把04kHz低端频谱留给传统电话使用，而把原来没有被利用的高端频谱留给用户上网使用。nDSL就是数字用户线(DigitalSubscriberLine)的缩写。而DSL的前缀x则表示在数字用户线上实现的不同宽带方案。xDSL的几种类型nADSL(AsymmetricDigitalSubscriberLine)：非对称

20、数字用户线nHDSL(HighspeedDSL)：高速数字用户线nSDSL(Single-lineDSL)：1对线的数字用户线nVDSL(VeryhighspeedDSL)：甚高速数字用户线nDSL：ISDN用户线。nRADSL(Rate-AdaptiveDSL)：速率自适应DSL，是ADSL的一个子集，可自动调节线路速率）。ADSL的组成ATU-CATU-CATU-RATU-C用户线电话分离器区域宽带网至ISP居民家庭基于ADSL的接入网端局或远端站DSLAM至本地电话局PSPS数字用户线接入复用器DSLAM(DSLAccessMultiplexer)接入端接单元ATU(AccessTerm

21、inationUnit)ATU-C（C代表端局CentralOffice）ATU-R（R代表远端Remote）电话分离器PS(POTSSplitter)2.6.2光纤同轴混合网HFC(HybridFiberCoax)nHFC网是在目前覆盖面很广的有线电视网CATV的基础上开发的一种居民宽带接入网。nHFC网除可传送CATV外，还提供电话、数据和其他宽带交互型业务。n现有的CATV网是树形拓扑结构的同轴电缆网络，它采用模拟技术的频分复用对电视节目进行单向传输。而HFC网则需要对CATV网进行改造，HFC网采用结点体系结构同轴电缆头端模拟光纤放大器引入线分路器光纤结点服务区服务区服务区下行信道上行信道540505507501000原有模拟电视数字信号频率(MHz)保留nHFC网具有比CATV网更宽的频谱，且具有双向传输功能n每个家庭要安装一个用户接口盒2.6.3FTTx技术nFTTx（光纤到）也是一种实现宽带居民接入网的方案。n光纤到家FTTH(FiberToTheHome)n光纤到大楼FTTB(FiberToTheBuilding)n光纤到路边FTTC(FiberToTheCurb)