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1、计算机网络,张长明ncepubd,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,2.1 物理层的基本概念1、物理层关注的内容是什么？物理层考虑的是怎样才能在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流，而不是指具体的传输媒体。2、为什么要设置物理层？现有的计算机网络中的硬件设备和传输媒体种类繁多，通信手段也有多种不同方式。物理层的作用就是尽可能屏蔽多样性带来的差异，使数据链路层只需考虑如何完成本层的协议和服务，无需考虑具体传输媒体。,3、物理层的主要任务：确定与传输媒体的接口有关的一些特
2、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。过程特性：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。4、物理层还要完成并、串行传输方式的转换。,2.2 数据通信的基础知识2.2.1 数据通信系统的模型,数据通信系统模型举例,1、几个术语数据运送消息的实体。模拟数据取值为连续数值的数据。数字数据取值为离散数值的数据。信号数据的电气的或电磁的表现。模拟信号代表消息的参数的取值是连续的。数字信号代表消息的参数的取值是离散的。码元在使用时间域（简称为时域）的
3、波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形。,2、模拟的和数字的数据、信号,2.2.2 有关信道的几个基本概念1、信道：表示向某一方向传送信息的媒体。2、三种信息交互方式：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。,3、基带(baseband)信号和带通(band pass)信号基带信号（即基本频带信号）信源发出的没有经过调制的原始电信号。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。基带信号特征：往往
4、包含有较多的低频成分，甚至有直流成分。基带信号的两种调制方法：基带调制：仅对基带信号的波形进行变换。带通调制：使用载波进行调制，把基带信号的频率范围搬移到较高的频段。带通信号经过载波调制的信号称为带通信号。,4、几种调制方法（1）最基本的调制方法：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。,最基本的二元制调制方法：,（2）正交振幅调制 QAM(Quadrature Amplitude Modulation),举例,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。
5、,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。限制码元在信道上的传输速率的因素有信道能够通过的频率范围信噪比,1、信道能够通过的频率范围任何信道中，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。1924 年，奈奎斯特(Nyquist)推导出著名的奈氏准则,给出了在假定的理想条件下，为了避免码间串扰，码元传输速率的上限值。,奈氏(Nyquist)准则（1）理想低通信道的最高码元传输速率=2W BaudW 是理想低通信道的带宽，单位为赫(Hz)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。
6、另一种表述：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。,（2）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(Hz)另一种表述：每赫带宽的理想带通信道的最高码元传输速率是每秒 1 个码元。,需要注意的问题：实际的信道所能传输的最高码元速率，要明显地低于奈氏准则给出的上限数值。波特(Baud)和比特(bit)是两个不同的概念。波特是码元传输的速率单位（每秒传多少个码元）。码元传输速率也称为调制速率、波形速率或符号速率。比特是信息量的单位。信息传输速率“比特/秒”与码元传输速率“波特”在数量上有一定关系。若1个码元只携带1 bit的信息量，则
7、“比特/秒”和“波特”在数值上相等。若 1 个码元携带 n bit 的信息量，则M Baud的码元传输速率所对应的信息传输速率为 M n b/s。,2、信噪比噪声会影响接收端对码元的判决，但影响是相对的：若信号相对较强，则噪声影响相对较小。香农公式给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，其中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。,对香农公式的理解：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。香农公式意义：只要信息传
8、输速率低于信道的极限传输速率，就一定能找到某种办法来实现无差错的传输。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传输媒体指数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路，也称为传输介质、传输媒介。,2.3.1 导向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,一、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双绞线，也称为双扭线。模拟传输和数字传输都可用，通信距离一般为几到十几
9、公里。距离太长时要加放大器以便将衰减了的信号放大到合适的数值(对于模拟传输)，或者加上中继器以便将失真了的数字信号进行整形，再转发。导线越粗，通信距离越远，价格也越高。,通常将一定数量双绞线捆成电缆，在其外面加上护套。为了提高双绞线的抗电磁干扰能力，可在双绞线的外面再加上一层用金属丝编织成的屏蔽层，这就是屏蔽双绞线。,二、同轴电缆同轴电缆由内导体铜质芯线(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组成。主要有两类同轴电缆：50 同轴电缆，主要用于传输基带信号。75 同轴电缆，主要用于模拟传输系统。,三、光缆光纤通信：就是利用光导纤维(简称光纤)传递光脉冲来进行通
10、信。有光脉冲为1无光脉冲为0光纤是光纤通信的传输媒体。在发送端有光源，可采用发光二极管或半导体激光器，在电脉冲的作用下产生出光脉冲。在接收端利用光电二极管做成光检测器，在检测到光脉冲时可还原出电脉冲。,光纤的构成：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的双层同心圆柱体。纤芯很细，其直径只有8 100 m。光线在光纤中的传输原理：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，就会形成全反射。这个过程不断重复，光也就沿着光纤传播下去。,多模光纤与单模光纤只要从纤芯中射到纤芯表面的光线的入射角大于某一个临界角度，就可产生
11、全反射，因此可以存在多条不同角度入射的光线在一条光纤中传输。这种光纤就称为多模光纤。若光纤的直径减小到只有一个光的波长，则光纤就像一根波导那样，它可使光线一直向前传播，而不会产生多次反射。这样的光纤就称为单模光纤。,多模光纤与单模光纤,2.3.2 非导向传输媒体无线传输所使用的频段很广，目前常用的有：无线电波短波、微波、红外线和激光。无线电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激光通信：利用激光传输信息的通信方式，按传输媒体的不同可分为“大气激光通信”和“光纤通信”。红外线通信：利用红外线传输信息的方式，用于视距通信及遥控。如
12、电视遥控器、笔记本、手机等。,2.4 信道复用技术信道定义：通俗地说，信道是指以传输媒介为基础的信号通道。具体地说是指由有线或无线线路提供的信号通道。信道复用：为了提高信道的利用率，使多路信号沿同一信道传输而互相不干扰的技术。,复用器：将来自若干单独分信道的独立信号复合起来，在一公共信道的同一方向上进行传输的设备。分用器：恢复复用信号中的合成信号，并将这些信号在各自独立的信道中还原的设备。,共享信道,A1,A2,B1,B2,C1,C2,复用器,分用器,2.4.1 频分复用、时分复用和统计时分复用1、频分复用 FDM(Frequency Division Multiplexing)频分复用原理：
13、在物理信道的可用带宽超过了单个原始信号所需带宽情况下，可将物理信道的带宽分割成若干个与传输单个信号带宽相同（或略宽）的子信道，然后在每个子信道上传输一路信号，以实现在同一信道中传输多路信号。,2.4.1 频分复用、时分复用和统计时分复用1、频分复用 FDM(Frequency Division Multiplexing)频分复用特点：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）。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。,2、时分复用TDM(Time Division Multiplexing)时分复用：将时间划分为一段段等长的时分复用帧（TD
14、M 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。,频率,时间,B,C,D,B,C,D,B,C,D,B,C,D,2、时分复用TDM(Time Division Multiplexing)时分复用：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。,频率,时间,C,D,C,D,C,D,C,D,2、时分复用TDM(Time Division Multiplexing)时分复用：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。,频率,时间,B,D,B,D
15、,B,D,B,D,2、时分复用TDM(Time Division Multiplexing)时分复用：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。,频率,时间,B,B,B,B,时分复用特点：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）。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。时分复用的不足：可能会造成线路资源的浪费！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，用户对分配到的子信道的利用率一般是不高的。,3、统计时分复用 STDM（Statistic TDM)统计时分复用是一种改
16、进的时分复用，集中器常使用这种统计时分复用。集中器是连接终端、计算机或通信设备的中心连接点设备。统计时分复用使用STDM帧传送复用的数据，但每一个STDM帧中的时隙数小于连接在集中器上的用户数。,各用户数据随时发往集中器输入缓存，然后集中器依次扫描输入缓存，若有数据就放入STDM帧，否则跳过。一帧满就发送。STDM帧不是固定分配时隙，而是按需动态分配时隙，从而提高线路的利用率。某个用户所占用的时隙不是周期性出现，因此统计时分复用又称为异步时分复用，而普通的时分复用称为同步时分复用。统计时分复用的每个时隙中还必须有用户的地址信息。,2.4.2 波分复用WDM(Wavelength Divisio
17、n Multiplexing)借助传统的载波电话的频分复用的概念，使用一根光纤来同时传输多个频率很接近的光载波信号，使光纤的传输能力成倍提高。由于光载波的频率很高，因此习惯上用波长而不用频率来表示所使用的光载波，由此得到波分复用的概念。最初人们只能在一根光纤上复用两路光载波信号，这种复用方式称为波分复用。现在可在一根光纤上复用80路或更多路的光载波信号，于是使用了密集波分复用DWDM这一名词。,1550 nm 0 1551 nm 1 1552 nm 2 1553 nm 3 1554 nm 4 1555 nm 5 1556 nm 6 1557 nm 7,0 1550 nm 1 1551 nm 2
18、 1552 nm 3 1553 nm 4 1554 nm 5 1555 nm 6 1556 nm 7 1557 nm,波分复用举例,8 2.5 Gb/s1310 nm,20 Gb/s,复用器,分用器,EDFA,120 km,光调制器,光解调器,8 2.5 Gb/s1310 nm,2.4.3 码分复用CDM（Code Division Multiplexing）更常用的叫法是码分多址 CDMA不同用户传输信息所用的信号不是依据频率不同或时隙不同来区分，而是用各自不同的编码序列来区分。如果从频域或时域来观察，多个CDMA信号是互相重叠的，接收机用相关器可以在多个CDMA信号中检出其中使用预定码型的
19、信号，其它使用不同码型的信号因为和接收机本地产生的码型不同而不能被解调。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。,在CDMA系统中，每一个比特时间划分为 m 个短的间隔，称为码片(chip)。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 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，则 发送比特 1 时，就发送序列 00011011，发送比特 0 时，就发送序列 11100100。按惯例将码片序列中的0写为-1，将1写为+1，则S 站的码片序列为(1
20、1 1+1+1 1+1+1)。,CDMA 的重要特点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(orthogonal)。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 的规格化内积都是 0：,(2-3),CDMA的重要特点2:任何一个码片向量和该码片向量自己的规格化内积都是1；一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是 1。,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
21、+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1.脉码调制 PCM 体制脉码调制 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 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。,电话模拟信号与数字信号的转换,电话模拟信号与数字信号的转换标准电话信号最高频率3.4kHz，依据采样原理，并考虑方便性，采样频率定为8kHz，即采样周
22、期为125 s，一路电话每秒产生8000离散脉冲信号。采用8位二进制编码，则一路电话每秒产生的数据量为80008=64000比特，即一个标准话路的模拟信号转换出PCM信号的速率为64kb/s。为了有效地利用传输线路，可将多个话路的PCM 信号用时分复用 TDM的方法装成时分复用帧，然后发送到线路上。,E1 的时分复用帧,2.048 Mb/s,传输线路,CH0,CH16,CH17,CH15,CH15,CH16,CH17,CH31,CH31,CH0,CH1,CH1,时分复用帧,CH0,CH1,CH2,CH15,CH16,CH17,CH30,CH31,CH0,8 bit,t,时分复用帧,时分复用帧,
23、T=125 s,15 个话路,15 个话路,2.同步光纤网 SONET 和同步数字系列 SDHPCM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。,美国标准：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。SONET为光纤传输系统定义了同步传输的线路速率等级结构，其传输速率以51.84Mb/s为基础：此速率对于电信号称为第 1 级同
24、步传送信号STS-1此速率对于光信号称为第 1 级光载波 OC-1,同步数字系列 SDHITU-T 以美国标准 SONET 为基础，制订出国际标准同步数字系列 SDH。一般可认为 SDH 与 SONET 是同义词。主要不同：SDH 的基本速率为 155.52 Mb/s，称为第1级同步传递模块，即 STM-1。,SONET 的 OC 级/STS 级与 SDH 的 STM 级的对应关系,2.6 宽带接入技术2.6.1 xDSL技术xDSL 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。DSL 就是数字用户线(Digital Subscriber Line)的缩写。而 DS
25、L 的前缀 x 则表示在数字用户线上实现的不同宽带方案。虽然标准模拟电话信号的频带被限制在 3003400 kHz 的范围内，但用户线本身实际可通过的信号频率仍然超过 1 MHz。xDSL 技术就把 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。,xDSL 的几种类型ADSL(Asymmetric Digital Subscriber Line)：非对称数字用户线HDSL(High speed DSL)：高速数字用户线SDSL(Single-line DSL)：1 对线的数字用户线VDSL(Very high speed DSL)：甚高速数字用户线DSL
26、：ISDN 用户线RADSL(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,2.6.2 光纤同轴混合网HFC(Hybrid Fiber Coax)HFC 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。HFC 网除可传送 CATV 外，还提供电话、数据和其他宽带交互型业务。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
27、务区,服务区,HFC 的主要特点 HFC网的主干线路采用光纤HFC 网将原 CATV 网中的同轴电缆主干部分改换为光纤，并使用模拟光纤技术，在模拟光纤中采用光的振幅调制 AM，这比使用数字光纤更为经济。模拟光纤从头端连接到光纤结点(fiber node)，即光分配结点 ODN(Optical Distribution Node)。在光纤结点光信号被转换为电信号。在光纤结点以下就是同轴电缆。,HFC 网具有比 CATV 网更宽的频谱，且具有双向传输功能。,每个家庭要安装一个用户接口盒。用户接口盒 UIB(User Interface Box)要提供三种连接，即：使用同轴电缆连接到机顶盒(set-
28、top box)，然后再连接到用户的电视机。使用双绞线连接到用户的电话机。使用电缆调制解调器连接到用户的计算机。,电缆调制解调器(cable modem)电缆调制解调器是为 HFC 网而使用的调制解调器。电缆调制解调器最大的特点就是传输速率高。其下行速率一般在 310 Mb/s之间，最高可达 30 Mb/s，而上行速率一般为 0.22 Mb/s，最高可达 10 Mb/s。电缆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。,2.6.3 FTTx 技术FTTx（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。光纤到家 FTTH(
29、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。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。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。,习题1-10,试在下列条件下比较电路交换和分组交换。要传送的报文共x（bit）。从源点到终点共经过k段链路，每段链路的传播时延为d（s），数据率为b（b/s）。在电路交换时电路的建立时间为s（s）。在分组交换时分组长度为p（bit），且各节点的排队等待时间可以忽略不计。问在怎样的条件下，分组交换的时延比电路交换的要小？,
