第二章 计算机网络之物理层

1、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

2、分复用*2.6 同步光纤网SONET和同步数字系列SDH 2.7 物理层标准举例2.7.1 EIA-232-E接口标准2.7.2 RS-449接口标准课件制作人：谢希仁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

3、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 正文正文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。n调制把数字信号转换为模拟信号的过程。n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 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

4、信号 数字发送器课件制作人：谢希仁 2.2.2 有关信号的几个基本概念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 n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。 n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 n任何实际的信道都不是

5、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：谢希仁奈氏(Nyquist)准则 n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。nBaud 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 = 2W Baud W

6、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 n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 = W Baud 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 n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。n波特(Baud)和比特(bit)是两个不同的概念。 n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。n比特是信息量

7、的单位。 课件制作人：谢希仁要注意 n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。n若 1 个码元只携带 1 bit 的信息量，则“比特/秒”和“波特”在数值上相等。n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。 课件制作人：谢希仁2.2.4 信道的极限信息传输速率 n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。n信道的极限信息传输速率 C 可表达为n C = W log2(1+S/N) b/s nW 为信道的带宽（以 Hz 为单位）

8、；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。 课件制作人：谢希仁香农公式表明 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。 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输入数据输出数据发送的信号接

9、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(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波的频谱课件制作人：谢希仁2.3.1 导向传

10、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n50 同轴电缆n75 同轴电缆n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

11、课件制作人：谢希仁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2.4 模拟传输与数字传输 2.4.1 模拟传输系统 n长途干线最初采用频分复用 FDM 的传输方式nFDM (Frequency Division Multiplexing)n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

12、制作人：谢希仁2.4.2 调制解调器 n数据经过模拟传输系统后会出现差错。 出现差错010010 0100还原后的数据t接收到的失真信号010011100t发送的基带信号t采样时刻课件制作人：谢希仁调制解调器的作用n调制解调器(modem)包括：n调制器(MOdulator)：把要发送的数字信号转换为频率范围在 3003400 Hz 之间的模拟信号，以便在电话用户线上传送。n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。n本书中的调制解调器是指使用在标准的二线模拟话路（3.1 kHz 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）n

13、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 n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。n若识别不正确，则产生误码。n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 n调制就是进行波形变换（频谱变换）。 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。 课件制作人：谢希仁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

14、课件制作人：谢希仁一种正交调制 QAM nQAM (Quadrature Amplitude Modulation) 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。 课件制作人：谢希仁调制解调器的速率 n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。 n要提高信息传输速率，只能设法提高信噪比。 n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

15、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） A2/4A/DA/DD/AD/A数字信号数字信号交换机 1交换机 2V.34 33.6 kb/s 调制解调器BD/AA/D4/2V.34 33.6 kb/s 调制解调器产生量化噪声产生量化噪声使用 V.34 调制解调器（33.6 kb/s） 产生量化噪声产生量化噪声用户环路模拟信号用户环路模拟信号课件制作人：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（56 kb/s） A2/4A/DA/D交换机因特网服务提供者V.90 56 kb/s调制解调器D/AV.90 56 k

16、b/s调制解调器数字信号数字信号 至因特网（数字信号）用户环路模拟信号仅在此处产生量化噪声仅在此处产生量化噪声课件制作人：谢希仁调制解调器使用异步通信方式 n数据通信可分为同步通信和异步通信两大类：n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。n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。 n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 n现在的数字传输系统均采用脉码调制 PCM (Pulse Code Modulation)

17、体制。 采样周期 Tt信号t采样1001001111000010t编码t解码t还原课件制作人：谢希仁时分复用 n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 (Time Division Multiplexing)的方法装成时分复用帧，然后发送到线路上。n中国采用欧洲体制，以 E1 为一次群。n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 2.048 Mb/s传输线路CH0CH16CH17CH15CH15CH16CH17CH31CH31CH0CH1CH1时分复用帧T CH0 CH1 CH2 CH15 CH16 CH17 CH30

18、CH31 CH08 bitt时分复用帧时分复用帧T = 125 ms15 个话路15 个话路课件制作人：谢希仁2.5 信道复用技术 n2.5.1 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 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 帧课件制作人：谢希仁时分复用 频率时间C DC DC DAAAABBBB C D

19、在 TDM 帧中的位置不变TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧课件制作人：谢希仁时分复用 频率时间BDBDBDAAAA BCCCC 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：谢希仁时分复用 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 帧课件制作人：谢希仁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用户课件制作人：谢希仁统计时分复用 STDM 用户ABCDabcdttttt3 个

20、 STDM 帧#1acbab bcacd#2#3统计时分复用课件制作人：谢希仁 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 2.5.2 波分复用 WDM n波分复用就是光的频分复用。 8 2.5 Gb/s1310 nm20 Gb/s复用器分用器EDFA120 km课件制作人：谢希仁2.5.3 码分复用 CDM n常用的名词是

21、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：谢希仁码片序列(chip sequence) n每个站被指派一个惟一的 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，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 0001101

22、1，n发送比特 0 时，就发送序列 11100100。nS 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(inner product)都是 0： 011miiiTSmTS(2-4)课件制作人：谢希仁码片序列的正交关系举例 n令向量 S 为(1 1 1 +

23、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(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 mimiimiiimSmSSm112211) 1(111SS课件制作人：谢希仁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 S Sx规格化内积 S Tx数据码元比特发

24、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 n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。 课件制作人：谢希仁同步光纤网 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 (Synchronous Transport Signal)的传

25、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：谢希仁同步数字系列 SDH nITU-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。nSDH 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。 线路速率(Mb/s)SONET符号ITU-T符号

26、表示线路速率的常用近似值 51.840OC-1/STS-1 155.520*OC-3/STS-3STM-1155 Mb/s 466.560OC-9/STS-9STM-3 622.080*OC-12/STS-12STM-4622 Mb/s 933.120OC-18/STS-18STM-61244.160OC-24/STS-24STM-81866.240OC-36/STS-36STM-122488.320*OC-48/STS-48STM-162.5 Gb/s4876.640OC-96/STS-96STM-329953.280OC-192/STS-192STM-6410 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 n光子层(Photonic Layer)n处理跨越光缆的比特传送。n段层(Section L