计算机网络第四版CH2 物理层.ppt

课件制作人 谢希仁 计算机网络 第2章物理层 课件制作人 谢希仁 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信道的最高码元传输速率2 2 4信道的极限信息传输速率2 3物理层下面的传输媒体2 3 1导向传输媒体2 3 2非导向传输媒体 课件制作人 谢希仁 第2章物理层 续 2 4模拟传输与数字传输2 4 1模拟传输系统 2 4 2调制解调器 2 4 3数字传输系统 2 5信道复用技术2 5 1频分复用 时分复用和统计时分复用2 5 2波分复用2 5 3码分复用 2 6同步光纤网SONET和同步数字系列SDH2 7物理层标准举例2 7 1EIA 232 E接口标准2 7 2RS 449接口标准 课件制作人 谢希仁 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 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 课件制作人 谢希仁 2 2数据通信的基础知识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 正文 正文 PC机 课件制作人 谢希仁 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 调制 把数字信号转换为模拟信号的过程 解调 把模拟信号转换为数字信号的过程 课件制作人 谢希仁 模拟的和数字的数据 信号 课件制作人 谢希仁 2 2 2有关信号的几个基本概念 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 课件制作人 谢希仁 基带 baseband 信号和宽带 broadband 信号 基带信号就是将数字信号1或0直接用两种不同的电压来表示 然后送到线路上去传输 宽带信号则是将基带信号进行调制后形成的频分复用模拟信号 课件制作人 谢希仁 2 2 3信道的最高码元传输速率 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 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 数字信号通过实际的信道 失真不严重失真严重 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 课件制作人 谢希仁 奈氏 Nyquist 准则 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 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 理想低通信道的最高码元传输速率 2WBaud W是理想低通信道的带宽 单位为赫 Hz 不能通过 能通过 0 频率 Hz W Hz 课件制作人 谢希仁 另一种形式的奈氏准则 每赫带宽的理想低通信道的最高码元传输速率是每秒1个码元 理想带通特性信道的最高码元传输速率 WBaud W是理想带通信道的带宽 单位为赫 Hz 不能通过 能通过 0 频率 Hz W Hz 不能通过 课件制作人 谢希仁 要强调以下两点 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 课件制作人 谢希仁 要注意 信息的传输速率 比特 秒 与码元的传输速率 波特 在数量上却有一定的关系 若1个码元只携带1bit的信息量 则 比特 秒 和 波特 在数值上相等 若1个码元携带nbit的信息量 则MBaud的码元传输速率所对应的信息传输速率为M nb s 课件制作人 谢希仁 2 2 4信道的极限信息传输速率 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 Wlog2 1 S N b sW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 课件制作人 谢希仁 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 课件制作人 谢希仁 奈氏准则和香农公式在数据通信系统中的作用范围 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 课件制作人 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 1041051061071081091010101110121013101410151016 10010210410610810101012101410161018102010221024 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 2 3 1导向传输媒体 双绞线屏蔽双绞线STP ShieldedTwistedPair 无屏蔽双绞线UTP UnshieldedTwistedPair 同轴电缆50 同轴电缆75 同轴电缆光缆 课件制作人 谢希仁 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 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 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 多模光纤与单模光纤 多模光纤 课件制作人 谢希仁 2 3 2非导向传输媒体 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 课件制作人 谢希仁 2 4模拟传输与数字传输2 4 1模拟传输系统 长途干线最初采用频分复用FDM的传输方式FDM FrequencyDivisionMultiplexing 目前我国长途通信线路已实现了数字化 因而现在的模拟通信电路就只剩下从用户电话机到市话交换机之间的这一段几公里长的用户线上 课件制作人 谢希仁 2 4 2调制解调器 数据经过模拟传输系统后会出现差错 课件制作人 谢希仁 调制解调器的作用 调制解调器 modem 包括 调制器 MOdulator 把要发送的数字信号转换为频率范围在300 3400Hz之间的模拟信号 以便在电话用户线上传送 解调器 DEModulator 把电话用户线上传送来的模拟信号转换为数字信号 本书中的调制解调器是指使用在标准的二线模拟话路 3 1kHz的标准话路带宽 上的调制解调器 课件制作人 谢希仁 调制解调器的作用 续 调制器的主要作用就是个波形变换器 它把基带数字信号的波形变换成适合于模拟信道传输的波形解调器的作用就是个波形识别器 它将经过调制器变换过的模拟信号恢复成原来的数字信号 若识别不正确 则产生误码 在调制解调器中还要有差错检测和纠正的设施 课件制作人 谢希仁 几种最基本的调制方法 调制就是进行波形变换 频谱变换 最基本的二元制调制方法有以下几种 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 课件制作人 谢希仁 对基带数字信号的几种调制方法 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 一种正交调制QAM 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 课件制作人 谢希仁 调制解调器的速率 目前调制解调器的信息传输速率已很接近于香农的信道容量极限了 要提高信息传输速率 只能设法提高信噪比 在电话的用户线上 最大的噪声来自模拟到数字的模数转换所带来的量化噪声 课件制作人 谢希仁 产生量化噪声的地方 经过A D变化的地方 A 2 4 A D A D D A D A 交换机1 交换机2 V 3433 6kb s调制解调器 B D A A D 4 2 V 3433 6kb s调制解调器 使用V 34调制解调器 33 6kb s 课件制作人 谢希仁 产生量化噪声的地方 续 经过A D变化的地方 使用V 90调制解调器 56kb s A 2 4 A D A D 交换机 因特网服务提供者 V 9056kb s调制解调器 D A V 9056kb s调制解调器 课件制作人 谢希仁 调制解调器使用异步通信方式 数据通信可分为同步通信和异步通信两大类 同步通信要求接收端时钟频率和发送端时钟频率一致 发送端发送连续的比特流 异步通信时不要求接收端时钟和发送端时钟同步 发送端发送完一个字节后 可经过任意长的时间间隔再发送下一个字节 异步通信的通信开销较大 但接收端可使用廉价的 具有一般精度的时钟来进行数据通信 课件制作人 谢希仁 2 4 3数字传输系统 现在的数字传输系统均采用脉码调制PCM PulseCodeModulation 体制 课件制作人 谢希仁 时分复用 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 TimeDivisionMultiplexing 的方法装成时分复用帧 然后发送到线路上 中国采用欧洲体制 以E1为一次群 美国和日本等国采用北美体制 以T1为一次群 课件制作人 谢希仁 E1的时分复用帧 2 048Mb 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 8bit t 时分复用帧 时分复用帧 T 125ms 15个话路 15个话路 课件制作人 谢希仁 2 5信道复用技术 2 5 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 课件制作人 谢希仁 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 时分复用 频率 时间 B C D B C D B C D B C D 课件制作人 谢希仁 时分复用 频率 时间 C D C D C D A A A A C D 课件制作人 谢希仁 时分复用 频率 时间 B D B D B D A A A A B D 课件制作人 谢希仁 时分复用 频率 时间 B C B C B C A A A A B C 课件制作人 谢希仁 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 课件制作人 谢希仁 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 课件制作人 谢希仁 1550nm01551nm11552nm21553nm31554nm41555nm51556nm61557nm7 01550nm11551nm21552nm31553nm41554nm51555nm61556nm71557nm 2 5 2波分复用WDM 波分复用就是光的频分复用 8 2 5Gb s1310nm 20Gb s 复用器 分用器 EDFA 120km 课件制作人 谢希仁 2 5 3码分复用CDM 常用的名词是码分多址CDMA CodeDivisionMultipleAccess 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 课件制作人 谢希仁 码片序列 chipsequence 每个站被指派一个惟一的mbit码片序列 如发送比特1 则发送自己的mbit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8bit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 课件制作人 谢希仁 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 课件制作人 谢希仁 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 innerproduct 都是0 2 4 课件制作人 谢希仁 码片序列的正交关系举例 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 把向量S和T的各分量值代入 2 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 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 正交关系的另一个重要特性 课件制作人 谢希仁 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 课件制作人 谢希仁 2 6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 课件制作人 谢希仁 同步光纤网SONET 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 第1级同步传送信号STS 1 SynchronousTransportSignal 的传输速率是51 84Mb s 光信号则称为第1级光载波OC 1 OC表示OpticalCarrier 课件制作人 谢希仁 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 SynchronousDigitalHierarchy 一般可认为SDH与SONET是同义词 SDH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 SONET的OC级 STS级与SDH的STM级的对应关系 课件制作人 谢希仁 SONET的体系结构 光子层 路径层 线路层 段层 线路 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 课件制作人 谢希仁 SONET标准定义了四个光接口层 光子层 PhotonicLayer 处理跨越光缆的比特传送 段层 SectionLayer 在光缆上传送STS N帧 线路层 LineLayer 负责路径层的同步和复用 路径层 PathLayer 处理路径端接设备PTE PathTerminatingElement 之间的业务