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1、课件制作人：谢希仁 谢钧计算机网络教程（第 3 版）第 2 章 物理层课件制作人：谢希仁 谢钧第 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 提高数据传输速率的途径2.3 物理层下面的传输媒体3.3.1 导引型传输媒体3.3.2 非导引型传输媒体课件制作人：谢希仁 谢钧第 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 ADSL技术 2.6.2 光纤同轴混合网
2、2.6.3 FTTx 技术 2.6.4 无线接入课件制作人：谢希仁 谢钧2.1 物理层的基本概念n 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 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。n 电气特性 指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。n 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。n 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 谢钧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
3、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的系统 传输系统输出信息PC 机课件制作人：谢希仁 谢钧几个术语n 数据(data)运送信息的实体。n 信号(signal)数据的电气的或电磁的表现。n“模拟的”(analogous)连续变化的。n“数字的”(digital)取值是离散数值。课件制作人：谢希仁 谢钧 2.2.2 有关信道的几个基本概念n 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。n 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)。n 双向同时通信（全双工通信）通信的双方可以同时
4、发送和接收信息。课件制作人：谢希仁 谢钧编码(coding)与调制(modulation)n 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)。课件制作人：谢希仁 谢钧(1)常用编码方式n 归零制：正脉冲代表1，负脉冲代表0。n 不归零制：正电平代表1，负电平代表0。n 曼彻斯特编码：位周期中心的上跳变代表0，位周期中心的下跳变代表1。n 差分曼彻斯特编码：在每一位的中心处始终都有跳变。位开始边界有跳变代表0，而位开始边界没有跳变代表1。课件制作人：谢希仁 谢钧(1)常用编码方式课件制作人：谢希仁 谢钧基带(bas
5、eband)信号和带通(band pass)信号 n 基带信号（即基本频带信号）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。n 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)。n 带通信号(在计算机网络中常叫做宽带信号)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）。课件制作人：谢希仁 谢钧(2)基本调制方法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(
6、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 谢钧(2)基本调制方法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 谢钧2.2.3 提高数据传输速率的途径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。课件制作人：谢希仁 谢钧数字信号通过实际的信道 n 失真不严重n 失真严重 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)课件制作人
7、：谢希仁 谢钧2.2.3 提高数据传输速率的途径n 首先，要使用更好的传输媒体。n 其次，使用先进的编码和调制技术。n 但不管采用怎样好的传输媒体和怎样先进的调制技术，数据传输速率总是受限的，不可能任意地提高，否则就会出现较多的差错。课件制作人：谢希仁 谢钧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)fLF MF HF VHF UHF SHF EHF THF波段104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015 101610
8、0 102 104 106 108 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课件制作人：谢希仁 谢钧2.3.1 导向传输媒体n 双绞线n 屏蔽双绞线 STP(Shielded Twisted Pair)n 无屏蔽双绞线 UTP(Unshielded Twisted Pair)n 同轴电缆n 50 同轴电缆n 75 同轴电缆n 光缆 课件制作人：谢希仁 谢钧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同轴电缆课件制作人：谢希仁 谢
9、钧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）包层纤芯课件制作人：谢希仁 谢钧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课件制作人：谢希仁 谢钧输入脉冲输出脉冲单模光纤多模光纤与单模光纤输入脉冲输出脉冲多模光纤课件制作人：谢希仁 谢钧2.3.2 非导向传输媒体 n 无线传输所使用的频段很广。n 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。n 微波在空间主要是直线传播。n 地面微波接力通信n 卫星通信 课件制作人：谢希仁 谢钧2.4 信道复用技术 n 复用(multiplexing)是通信
10、技术中的基本概念。课件制作人：谢希仁 谢钧2.4 信道复用技术 n 2.4.1 频分复用、时分复用和统计时分复用 n 频分复用：所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源。n 时分复用：所有用户在不同的时间占用同样的频带宽度。课件制作人：谢希仁 谢钧频分复用 频率时间频率 1频率 2频率 3频率 4频率 5课件制作人：谢希仁 谢钧时分复用 频率时间B C D B C D B C D B C D A A A A在 TDM 帧中的位置不变TDM 帧 TDM 帧 TDM 帧 TDM 帧TDM 帧课件制作人：谢希仁 谢钧时分复用 频率时间C D C D C D A A A A B B B B C D在 T
11、DM 帧中的位置不变TDM 帧 TDM 帧 TDM 帧 TDM 帧TDM 帧课件制作人：谢希仁 谢钧时分复用 频率时间B D B D B D A A A A B C C C C D在 TDM 帧中的位置不变TDM 帧 TDM 帧 TDM 帧 TDM 帧TDM 帧课件制作人：谢希仁 谢钧时分复用 频率时间B C B C B C A A A A B C D D D D在 TDM 帧中的位置不变TDM 帧 TDM 帧 TDM 帧 TDM 帧TDM 帧课件制作人：谢希仁 谢钧时分复用可能会造成线路资源的浪费 ABCDaa bbcdb c attttt4 个时分复用帧#1acbc d时分复用#2#3#4
12、用户课件制作人：谢希仁 谢钧统计时分复用 STDM 用户ABCDabcdttttt3 个 STDM 帧#1acba b b c a c d#2#3统计时分复用课件制作人：谢希仁 谢钧 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 2.4.2 波分复用 WDM n 波分复用就是光的频分复用。8 2.5 Gb/s1310 nm20
13、 Gb/s复用器分用器EDFA120 km光调制器光解调器课件制作人：谢希仁 谢钧2.4.3 码分复用 CDM n 常用的名词是码分多址 CDMA(Code Division Multiple Access)。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。n 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。n 每一个比特时间划分为 m 个短的间隔，称为码片(chip)。课件制作人：谢希仁 谢钧码片序列(chip sequence)n 每个站被指派一个唯一的 m bit 码片序列。n 如发送比特 1，则发送自己的 m bit 码片序列。n 如发送比特 0，
14、则发送该码片序列的二进制反码。n 例如，S 站的 8 bit 码片序列是 00011011。n 发送比特 1 时，就发送序列 00011011，n 发送比特 0 时，就发送序列 11100100。n S 站的码片序列：(1 1 1+1+1 1+1+1)课件制作人：谢希仁 谢钧CDMA 的重要特点n 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)。n 在实用的系统中是使用伪随机码序列。课件制作人：谢希仁 谢钧码片序列的正交关系 n 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。n 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
15、(inner product)都是 0：(3-4)课件制作人：谢希仁 谢钧码片序列的正交关系举例 n 令向量 S 为(1 1 1+1+1 1+1+1)，向量 T 为(1 1+1 1+1+1+1 1)。n 把向量 S 和 T 的各分量值代入(3-4)式就可看出这两个码片序列是正交的。课件制作人：谢希仁 谢钧n 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。n 一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是 1。正交关系的另一个重要特性 课件制作人：谢希仁 谢钧CDMA 的工作原理 S 站的码片序列 S1 1 0ttttttm 个码片tS 站发送的信号 SxT 站发送的信号 Tx总的发送信号
16、 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课件制作人：谢希仁 谢钧2.5 数字传输系统n 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：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。课件制作人：谢希仁 谢钧同步光纤网 SONETn 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。n 第 1 级同步传送信号 STS-1(Synchrono
17、us Transport Signal)的传输速率是 51.84 Mb/s。n 光信号则称为第 1 级光载波 OC-1，OC 表示Optical Carrier。课件制作人：谢希仁 谢钧同步数字系列 SDH n 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)。n 一般可认为 SDH 与 SONET 是同义词。n SDH 的基本速率为 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
18、。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 51.840 OC-1/STS-1 155.520*OC-3/STS-3 STM-1 155 Mb/s 466.560 OC-9/STS-9 STM-3 622.080*OC-12/STS-12 STM-4 622 Mb/s 933.120 OC-18/STS-18 STM-61244.160 OC-24/STS-24 STM-81866.240 OC-36/STS-36 STM-122488.320*OC-48/STS-48 STM-16 2.5 Gb/s4976.640 OC-96/STS-96 STM-32995
19、3.280 OC-192/STS-192 STM-64 10 Gb/sSONET 的 OC 级/STS 级与 SDH 的 STM 级的对应关系 课件制作人：谢希仁 谢钧课件制作人：谢希仁 谢钧2.6 宽带接入技术2.6.1 ADSL技术n ADSL（Asymmetric Digital Subscriber Line）技术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 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。n ADSL 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
20、高端频谱留给用户上网使用。n“非对称”是指ADSL的下行（从ISP到用户）带宽都远远大于上行（从用户到ISP）带宽。课件制作人：谢希仁 谢钧ADSL 的极限传输距离n 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。课件制作人：谢希仁 谢钧ADSL 的特点n 上行和下行带宽做成不对称的。n 上行指从用户到 ISP，而下行指从 ISP 到用户。n ADSL 在用户线（铜线）的两端各安装一个 ADSL 调制解调器。n 我国目前采用的方案是离散多音调 DMT(Discrete Mult
21、i-Tone)调制技术。这里的“多音调”就是“多载波”或“多子信道”的意思。课件制作人：谢希仁 谢钧DMT 技术n 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 个子信道用于上行信道，而 249 个子信道用于下行信道。n 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。课件制作人：谢希仁 谢钧DMT 技术的频谱分布 频谱频率上行信道传统电话0 4下行信道(kHz)约 1100 kHz课件
22、制作人：谢希仁 谢钧ADSL 的数据率n 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。n 当 ADSL 启动时，用户线两端的 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。n 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。n 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。ADSL 的组成 ATU-CATU-CATU-RATU-C用户
23、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)课件制作人：谢希仁 谢钧课件制作人：谢希仁 谢钧2.6.2 光纤同轴混合网HFC(Hybrid Fiber Coax)n 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
24、宽带接入网。n 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。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，课件制作人：谢希仁 谢钧HFC 网的结构 同轴电缆头端光纤放大器引入线分路器光纤结点服务区服务区服务区课件制作人：谢希仁 谢钧HFC 的频谱划分下行信道上行信道5 40 50 550 750 1000原有模拟电视 数字信号频率(MHz)保留课件制作人：谢希仁 谢钧用户接口盒 n 用户接口盒 UIB(User Interface Box)要提供三种连接，即：n 使
25、用同轴电缆连接到机顶盒(set-top box)，然后再连接到用户的电视机。n 使用双绞线连接到用户的电话机。n 使用电缆调制解调器连接到用户的计算机。课件制作人：谢希仁 谢钧电缆调制解调器(cable modem)n 电缆调制解调器是为 HFC 网而使用的调制解调器。n 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 3 10 Mb/s之间，最高可达 30 Mb/s，而上行速率一般为 0.2 2 Mb/s，最高可达 10 Mb/s。n 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。课件制作人：谢希仁 谢钧HFC 网的特点 n 在使用
26、ADSL调制解调器时，用户PC所连接的电话用户线是该用户专用的，因此在用户线上所能达到的最高数据率是确定的，与其他ADSL用户是否在上网无关。n 但在使用HFC的电缆调制解调器时，在同轴电缆这一段用户所享用的最高数据率是不确定的，因为某个用户所能享用的数据率大小取决于这段电缆上现在有多少个用户正在传送数据。课件制作人：谢希仁 谢钧2.6.3 FTTx 技术 n 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。n 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。n 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。n 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。课件制作人：谢希仁 谢钧2.6.4 无线接入n 无线接入技术目前最常用的有两种：n 一种是通过蜂窝移动通信系统接入到因特网。n 另一种方法就是通过无线局域网接入到因特网。课件制作人：谢希仁 谢钧一种3G上网卡