数据通信基础与物理层.pptx

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1、1、物理层的基本概念第2页/共78页第1页/共78页1.1 1.1 物理层的概念物理层的概念物理层：对如何在连接的各种传输媒体上传输比特流进行规范。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。指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。机械特性指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义。电气特性指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。功能特性规程特性物理层的任务：确定与传输媒体的接口有关的一些特性。第3页/共78页第2页/共78页1.2 计算机网络的性能指标速率带宽时延吞吐量时延带宽积利用率第4页/共78页第3页/共78页1）带宽 数字信道所能传送的“最高数据率”单位

2、：“比特每秒”，或 b/s(bit/s)。每秒 106 个比特时间1 0 1 0 1 11 s带宽为1 Mb/s 时间每秒 4 106 个比特0.25 s带宽为4 Mb/s 第5页/共78页第4页/共78页机械自动化学院 A AB BA AB B宽带线路窄带线路数据串行发送宽带线路：每秒有更多比特注入到线路。宽带与窄带第6页/共78页第5页/共78页2）时延(delay 或 latency)发送时延：发送数据时，数据块从结点进入到传输媒体所需要的时间。传播时延：电磁波在信道中需要传播一定的距离而花费的时间。发送时延=数据块长度（比特）信道带宽（比特/秒）传播时延=信道长度（米）信号在信道上的传

3、播速率（米/秒）第7页/共78页第6页/共78页其他时延 处理时延：交换结点为存储转发而进行一些必要的处理所花费的时间。排队时延：结点缓存队列中分组排队所经历的时延。排队时延的长短往往取决于网络中当时的通信量。总时延=发送时延+传播时延+处理时延+排队时延第8页/共78页第7页/共78页机械自动化学院 四种时延所产生的地方 1 0 1 1 0 0 1发送器队列在链路上产生传播时延结点 B结点 A在发送器产生传输时延(即发送时延)在结点 A 中产生处理时延和排队时延数据从结点 A 向结点 B 发送数据链路第9页/共78页第8页/共78页3）时延带宽积链路的时延带宽积又称为以比特为单位的链路长度。

4、（传播）时延链路带宽时延带宽积=传播时延 带宽时延带宽积第10页/共78页第9页/共78页4）利用率信道利用率指出某信道有百分之几的时间是被利用的（有数据通过）。完全空闲的信道的利用率是零。网络利用率则是全网络的信道利用率的加权平均值。信道利用率并非越高越好。第11页/共78页第10页/共78页时延与网络利用率的关系其中：D：网络当前的时延U：网络的利用率（0 U 1）D0：网络空闲时的时延第12页/共78页第11页/共78页2 2 数据通信基础数据通信基础第13页/共78页第12页/共78页2.1 数据通信系统模型 13调制解调器PC 机计算机网络调制解调器数据信号信号 信息信息数据通信系统

5、源系统目的系统传输系统PC 机数据信道：信号的传输媒介，它是传输信号的路径。信源：信息的来源，或是发送数据的地方信宿：信息的归宿，或是接收数据的地方第14页/共78页第13页/共78页数据(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(digital)：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。一些概念第15页/共78页第14页/共78页模拟信号和数字信号 15tta)模拟信号b)数字信号第16页/共78页第15页

6、/共78页一些概念（续1）单工通信（单向通信）：只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。半双工通信（双向交替通信）：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)。全双工通信（双向同时通信）：通信的双方可以同时发送和接收信息。第17页/共78页第16页/共78页一些概念（续2）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。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)。带通信号把基带信号经过载波调制后，把信号的频率范围

7、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）。第18页/共78页第17页/共78页最基本的二元制调制方法有以下几种：调幅(AM(AM)载波的振幅随基带数字信号而变化。调频(FM(FM)载波的频率随基带数字信号而变化。调相(PM)(PM)载波的初始相位随基带数字信号而变化。第19页/共78页第18页/共78页机械自动化学院 线路编码技术 基带数字信号曼彻斯特编码 码元1111100000出现电平转换802.3标准以太网使用差分曼彻斯特编码。差分：遇1跳变，遇0不变。第20页/共78页第19页/共78页正交振幅调制 QAM(Quadrature Amplitude Modu

8、lation)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。二维信号星图1 2第21页/共78页第20页/共78页数据传输方式l基带传输：不调制，编码后的数字脉冲信号直接在信道上传送。例如：以太网l频带传输：调制成模拟信号后再传送，接收方需要解调。例如：通过电话模拟信道传输l宽带传输：指比音频更宽的频带,包括大部分电磁波频谱21第22页/共78页第21页/共78页数据和信

9、号的转换 模拟数据模拟信号放大器调制器模拟数据数字信号 PCM编码器数字数据模拟信号调制器数字数据数字信号 数字发送器第23页/共78页第22页/共78页失真现象l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。l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。23第24页/共78页第23页/共78页失真现象24实际的信道（带宽受限、有噪声、干扰和失真）输入信号波形输出信号波形(失真不严重)输入信号波形实际的信道（带宽受限、有噪声、干扰和失真）输出信号波形(失真严重)第25页/共78页第24页/共78页信道能够通过的频率范围1924 年，奈

10、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。第26页/共78页第25页/共78页(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）

11、；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。第27页/共78页第26页/共78页香农公式表明 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。第28页/共78页第27页/共78页请注意 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

12、就是用编码的方法让每一个码元携带更多比特的信息量。第29页/共78页第28页/共78页信道的极限信息传输速率 源系统传输系统目的系统传输系统源点终点发送器接收器输入信息输出信息输入数据输出数据发送的信号接收的信号码元传输速率受奈氏准则的限制信息传输速率受香农公式的限制第30页/共78页第29页/共78页3 3 传输媒体传输媒体第31页/共78页第30页/共78页机械自动化学院 电磁波的频谱电磁波的频谱31第32页/共78页第31页/共78页3.1 导向传输媒体1）双绞线 由一对直径为由一对直径为1mm1mm1mm1mm的绝缘铜线缠绕而成。的绝缘铜线缠绕而成。减少线间的电磁干扰。减少线间的电磁干

13、扰。有屏蔽与非屏蔽之分，均为有屏蔽与非屏蔽之分，均为8 8 8 8芯电缆芯电缆 双绞线的类型由单位长度内的绞环数确定。双绞线的类型由单位长度内的绞环数确定。Category 3 UTPCategory 5 UTP第33页/共78页第32页/共78页网线接法l l直通缆（标准直通缆（标准568B568B）：）：两端线序一样两端线序一样l l白橙，橙，白绿，蓝，白橙，橙，白绿，蓝，白蓝，绿，白棕，棕。白蓝，绿，白棕，棕。l l交叉缆（标准交叉缆（标准568A568A）：）：l l一端为直通缆的线序，一端为直通缆的线序，另一端为：另一端为：l l白绿，绿，白橙，蓝，白绿，绿，白橙，蓝，白蓝，橙，白棕

14、，棕。白蓝，橙，白棕，棕。第34页/共78页第33页/共78页接线的一般规则同种类型设备之间使用交叉线连接，不同类型设备之间使用直通线连接；路由器和PC属于DTE类型设备，交换机和HUB属于DCE类型设备；直通线用于连接:主机和switch/hub;route交叉线用于连接:PC-PCHUB-HUB普通口HUB-HUB级连口-级连口 HUB-SWITCHDTE;DataTerminalEquipment（数据终端设备）的首字母缩略词，具有一定的数据处理能力和数据收发能力的设备。DCE是Data Communications Equipment(数据通信设备)的首字母缩略词，它在DTE和传输线路

15、之间提供信号变换和编码功能，并负责建立、保持和释放链路的连接第35页/共78页第34页/共78页2）同轴电缆1010base5 base5 粗同轴电缆粗同轴电缆1010base2 base2 细同轴电缆细同轴电缆第36页/共78页第35页/共78页同轴电缆的主要特性1.1.优点优点传输距离较远，覆盖的地域范围较大传输距离较远，覆盖的地域范围较大技术非常成熟技术非常成熟2.2.缺点缺点电缆硬，折曲困难，重量重电缆硬，折曲困难，重量重3.3.局域网常用同轴电缆局域网常用同轴电缆粗同轴电缆：特征阻抗粗同轴电缆：特征阻抗50 50，直径，直径1cm1cm细同轴电缆：特征阻抗细同轴电缆：特征阻抗5050

16、，直径，直径0.5cm0.5cm4.4.同轴电缆不适合用于楼宇内的结构化布线同轴电缆不适合用于楼宇内的结构化布线第37页/共78页第36页/共78页各种电缆线37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同轴电缆第38页/共78页第37页/共78页3 3）光纤38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）包层纤芯光线在纤芯中传输的方式是不断地全反射第39页/共78页第38页/共78页光纤工作原理39输入脉冲输出脉冲单模光纤输入脉冲输出脉冲多模光纤第40页/共78页第39页/

17、共78页光缆类别40玻璃封套塑料外套玻璃内芯单芯光缆单芯光缆多芯光缆多芯光缆玻璃内芯塑料外套玻璃封套外壳第41页/共78页第40页/共78页高密度多芯光缆剖面结构41芯封套外套加强芯光纤外鞘加强芯光纤束第42页/共78页第41页/共78页3.2 3.2 非导向传输媒体 42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 ISM（Industrial Scientific 和 Medical）工科医频段第43页/共78页第42页/共78页1）地面微波接力通信43两个地面站之间传送距离：50-100 km地球地球

18、地面站之间的直视线路地面站之间的直视线路 微波传送塔微波传送塔第44页/共78页第43页/共78页2）地球同步卫星44与地面站相对固定位置使用3个卫星就能覆盖全球传输延迟时间长22,300公里地球第45页/共78页第44页/共78页4、信道复用技术 第46页/共78页第45页/共78页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。第47页/共78页第46页/共78页4.1 频分复用（Frequency-Division Multiplexing，FDM）所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源47频率时间频率 1频率 2频率 3频率 4频率 5第

19、48页/共78页第47页/共78页4.2 时分复用（Time-Division Multiplexing，TDM）所有用户在不同的时间占用同样的频带宽度。48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 帧第49页/共78页第48页/共78页4.2 时分复用49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 帧第50页/共78页第49页/共78页4.2 时分复用50频率时间BDBDBDAAAA BCCCC D在 TDM 帧中的位置不变T

20、DM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧第51页/共78页第50页/共78页4.2 时分复用51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 帧第52页/共78页第51页/共78页时分复用带来的浪费 52ABCDaabbcdb cattttt4 个时分复用帧#1acbcd时分复用#2#3#4用户第53页/共78页第52页/共78页4.3 统计时分复用 53用户ABCDabcdttttt3 个 STDM 帧#1acbab b cac d#2#3统计时分复用第54页/共78页第53页/共78页4.4 波分复用（W

21、ave-Division Multiplexing，WDM）54波分复用就是光的频分复用.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 8 2.5 Gb/s1310 nm20 Gb/s复用器分用器EDFA120 km光调制器光解调器第55页/共78页第54页/共78页4.5 4.5 码分复用（Code-Division Mul

22、tiplexing，CDM）55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)。第56页/共78页第55页/共78页5 数字传输系统第57页/共78页第56页/共78页5.1 脉码调制（Pulse-code modulation，PCM）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。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

23、 24 路 PCM（简称为 T1）和欧洲的 30 路 PCM（简称为 E1）。我国采用的是欧洲的 E1 标准。E1 的速率是 2.048 Mb/s，而 T1 的速率是 1.544 Mb/s。当需要有更高的数据率时，可采用复用的方法。第58页/共78页第57页/共78页5.2.同步光纤网 SONET 和同步数字系列 SDH 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：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。第59页/共78页第58页/共78页同步光纤

24、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)的传输速率是 51.84 Mb/s。光信号则称为第 1 级光载波 OC-1，OC 表示Optical Carrier。第60页/共78页第59页/共78页同步数字系列 SDH ITU-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)。一般可认为 SDH 与 SONET 是同义词。SDH 的

25、基本速率为 155.52 Mb/s，称为第 1 级同步传递模块(Synchronous Transfer Module)，即 STM-1，相当于 SONET 体系中的 OC-3 速率。第61页/共78页第60页/共78页线路速率(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-1 155.520OC-3/STS-3STM-1155 Mb/s 466.560OC-9/STS-9STM-3 622.080OC-12/STS-12STM-4622 Mb/s 933.120OC-18/STS-18STM-61244.160OC-24/STS-24STM-8

26、2488.320OC-48/STS-48STM-162.5 Gb/s4976.640OC-96/STS-96STM-329953.280OC-192/STS-192STM-6410 Gb/s39813.120 OC-768/STS-768 STM-256 40 Gb/s SONET 的 OC 级/STS 级与 SDH 的 STM 级的对应关系 第62页/共78页第61页/共78页SONET 标准定义了四个光接口层 光子层(Photonic Layer)处理跨越光缆的比特传送。段层(Section Layer)在光缆上传送 STS-N 帧。线路层(Line Layer)负责路径层的同步和复用。路

27、径层(Path Layer)处理路径端接设备 PTE(Path Terminating Element)之间的业务的传输。第63页/共78页第62页/共78页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)第64页/共78页第63页/共78页6、宽带接入技术宽带接入技术第65页/共78页第64页/共78页6.1 xDSL技术65lDSL 就是数字用户线(Digital Su

28、bscriber Line)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。lxDSL 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。l把 04 kHz 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。第66页/共78页第65页/共78页xDSL 的几种类型 66lADSL(Asymmetric Digital Subscriber Line)：非对称数字用户线lHDSL(High speed DSL)：高速数字用户线lSDSL(Single-line DSL)：1 对线的数字用户线lVDSL(Very high spe

29、ed DSL)：甚高速数字用户线lDSL：ISDN 用户线。lRADSL(Rate-Adaptive DSL)：速率自适应 DSL，是 ADSL 的一个子集，可自动调节线路速率）。第67页/共78页第66页/共78页ADSL 的极限传输距离ADSL 的极限传输距离与数据率以及用户线的线径都有很大的关系（用户线越细，信号传输时的衰减就越大），而所能得到的最高数据传输速率与实际的用户线上的信噪比密切相关。例如，0.5 毫米线径的用户线，传输速率为 1.5 2.0 Mb/s 时可传送 5.5 公里，但当传输速率提高到 6.1 Mb/s 时，传输距离就缩短为 3.7 公里。如果把用户线的线径减小到0.

30、4毫米，那么在6.1 Mb/s的传输速率下就只能传送2.7公里 第68页/共78页第67页/共78页ADSL 的特点l上行和下行带宽做成不对称的。l上行指从用户到 ISP，而下行指从 ISP 到用户。lADSL 在用户线（铜线）的两端各安装一个 ADSL 调制解调器。l我国目前采用的方案是离散多音调 DMT(Discrete Multi-Tone)调制技术。这里的“多音调”就是“多载波”或“多子信道”的意思。68第69页/共78页第68页/共78页DMT 技术DMT 调制技术采用频分复用的方法，把 40 kHz 以上一直到 1.1 MHz 的高端频谱划分为许多的子信道，其中 25 个子信道用于

31、上行信道，而 249 个子信道用于下行信道。每个子信道占据 4 kHz 带宽（严格讲是 4.3125 kHz），并使用不同的载波（即不同的音调）进行数字调制。这种做法相当于在一对用户线上使用许多小的调制解调器并行地传送数据。第70页/共78页第69页/共78页机械自动化学院 DMT 技术的频谱分布 频谱频率上行信道传统电话04下行信道(kHz)401381100第71页/共78页第70页/共78页ADSL 的数据率由于用户线的具体条件往往相差很大（距离、线径、受到相邻用户线的干扰程度等都不同），因此 ADSL 采用自适应调制技术使用户线能够传送尽可能高的数据率。当 ADSL 启动时，用户线两端

32、的 ADSL 调制解调器就测试可用的频率、各子信道受到的干扰情况，以及在每一个频率上测试信号的传输质量。ADSL 不能保证固定的数据率。对于质量很差的用户线甚至无法开通 ADSL。通常下行数据率在 32 kb/s 到 6.4 Mb/s 之间，而上行数据率在 32 kb/s 到 640 kb/s 之间。第72页/共78页第71页/共78页ADSL的组成72ATU-CATU-CATU-RATU-C用户线 电话分路器 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(DSL Access Multiplexer)接入端接单

33、元 ATU(Access Termination Unit)ATU-C（C 代表端局 Central Office）ATU-R（R 代表远端 Remote）电话分路器 PS(POTS Splitter)第73页/共78页第72页/共78页6.2 6.2 光纤同轴混合网HFC73lHFC 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。lHFC 网除可传送 CATV 外，还提供电话、数据和其他宽带交互型业务。l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，第74页/共7

34、8页第73页/共78页HFC的特点74lHFC网的主干线路采用光纤lHFC 网采用结点体系结构lHFC 网具有比 CATV 网更宽的频谱，且具有双向传输功能l每个家庭要安装一个用户接口盒n电缆调制解调器是为HFC网而使用的调制解调器。比在普通电话线上使用的调制解调器要复杂得多，并且不是成对使用，而是只安装在用户端。第75页/共78页第74页/共78页结构示意住户总站服务器)第76页/共78页第75页/共78页6.3 6.3 FTTx 技术 76lFTTx（光纤到）也是一种实现宽带居民接入网的方案。这里字母 x 可代表不同意思。l光纤到家 FTTH(Fiber To The Home)：光纤一直铺设到用户家庭可能是居民接入网最后的解决方法。l光纤到大楼 FTTB(Fiber To The Building)：光纤进入大楼后就转换为电信号，然后用电缆或双绞线分配到各用户。l光纤到路边 FTTC(Fiber To The Curb)：从路边到各用户可使用星形结构双绞线作为传输媒体。第77页/共78页第76页/共78页第78页/共78页第77页/共78页感谢您的观看。第78页/共78页