第二章物理层(1)

1、计算机通信网计算机通信网2第二章第二章 物理层物理层32.1 物理层功能物理层功能信道编信道编/解码解码介质驱动介质驱动00110001110介质接口介质接口信道编信道编/解码解码介质驱动介质驱动00110011110SAPSAP物理层可能出物理层可能出现现bit传输差错传输差错传输介质传输介质 模拟信道模拟信道 数字信道数字信道 数字通信网数字通信网n信号的幅频特性信号的幅频特性l时域信号时域信号频域信号频域信号u时域信号变化越剧烈，对应的频域就越宽时域信号变化越剧烈，对应的频域就越宽us(t) S(f) t: 时间；时间；f:频率频率n信道的幅频特性信道的幅频特性l任何信道，对不同频率的信

2、号有不同的衰减任何信道，对不同频率的信号有不同的衰减n经信道传输后的信号经信道传输后的信号l信号经过新道传输后信号经过新道传输后 So(f) = Si(f)*H(f)l信号频谱在信道频谱范围内，才能通过信道，频谱外的信号被信号频谱在信道频谱范围内，才能通过信道，频谱外的信号被衰减衰减2.2 数据通信理论数据通信理论ts(t)f离散频谱离散频谱ts(t)S(f)S(f)连续频谱连续频谱ff(Hz)H(f)03400Hzf0f(Hz)低通信道低通信道带通信道带通信道信道信道SiSo2.2.1信号与传输信号与传输5A001100100A101100100011001002.2.1信号与传输信号与传输

3、n数字信号数字信号lb(n)=0,1 序列，序列，n=,1,2,3,n基带传输基带传输l传输信号为电平传输信号为电平(电压或电流电压或电流)表示比特值表示比特值V0T0 1 1 0 0 1 0 0发送发送T接收接收Rb(n)2 2级电平信号级电平信号(1 (1电平传输电平传输1bit)1bit)01100100发送发送TV1s(t)=V0 when b(n)=0V1 when b(n)=14 4级电平信号级电平信号(1 (1电平传输电平传输2bit)2bit)s(t)=V0 when b(2n)b(2n+1)=00V1 when b(2n)b(2n+1)=01 V2 when b(2n)b(2

4、n+1)=10V3 when b(2n)b(2n+1)=11V0T01100100发送发送TV3电平变化信号电平变化信号(2 (2电平传输电平传输1bit)1bit)s(t)=V1V0 when b(n)=0V0V1 when b(n)=1V0T01100100发送发送TV1V1V272.2.2 带宽与数据传输速率带宽与数据传输速率谐波数与信号失真谐波数与信号失真89谐波数与信号失真谐波数与信号失真10数据传输速率与谐波数数据传输速率与谐波数12340567123011最大数据传输速率与编码最大数据传输速率与编码12信道的最大数据传输速率信道的最大数据传输速率l无噪信道：不可能无限制增加信号个

5、数u接收方难以区分差别细微的信号(经过信道的信号有畸变)l有噪信道：不可能无限制增加信道带宽u噪声能量与信道带宽成正比f(Hz)带通信道带通信道B13信道的数据传输速率信道的数据传输速率2.2.3传输参数传输参数14timeTbTb : bit 信号持续时间信号持续时间(秒秒)Bit 速率：速率： r = 1/Tb (b/s)1Kb/s = 1000 b/s 1Mb/s = 1 000 Kb/s = 1 000 000 b/s1Gb/s = 1 000 Mb/s = 1 000 000 Kb/s = 1 000 000 000 b/s注意与计算机中存储容量的差异注意与计算机中存储容量的差异 (

6、1KB=210=1024B)2.2.3传输参数传输参数15time10 000 bits10M b/s信道信道time100 k b/s信道信道1ms1ms10M b/s的以太网、的以太网、100k b/s的信道上，的信道上，将将10000bit的数据送上信道，分别需要的数据送上信道，分别需要 10000/10*106 = 10-3 (s) = 1 (ms) 10000/100*103 = 0.1(s) = 100 (ms)2.2.3传输参数传输参数162.2.3传输参数传输参数17发送方发送方接收方接收方TpTtD图解法计算图解法计算RNbit2.2.3传输参数传输参数18发送方发送方接收方

7、接收方TdTtDRNbit2.2.3传输参数传输参数190100011101110101010101101000110111110101011110101011010101010000101010101000111011101010101011010001101111101010111101010110101010100001010101随机误码：均匀随机分布在整个随机误码：均匀随机分布在整个bitbit流中流中 ( (背景干扰、宇宙噪声等背景干扰、宇宙噪声等) )突发误码：突然出现的一串高误码，有一定的长度突发误码：突然出现的一串高误码，有一定的长度( (突发长度突发长度) )突发长度突发长

8、度202.3 传输介质传输介质212.3.1双绞线双绞线22双绞线特点双绞线特点23双绞线特点双绞线特点s(t)r(t)V+V-V+V-s(t)=V+-V-双绞线的应用双绞线的应用nLAN典型组网连接方式典型组网连接方式l一发都收一发都收站点集线器HUB双绞线特性双绞线特性25双绞线特性双绞线特性26RJ451818RJ45272.3.2同轴电缆同轴电缆10Base510Base228同轴电缆同轴电缆同轴电缆的应用同轴电缆的应用nLAN典型应用典型应用l一发都收一发都收同轴电缆的特性同轴电缆的特性30BNC头头同轴电缆的特性同轴电缆的特性31322.3.3光纤光纤33光纤设备光纤设备34光纤的

9、特性光纤的特性n单模光纤：速率高，传输距离远单模光纤：速率高，传输距离远lUp to 10Gbps，100s kmn多模光纤：速率较低，距离较近多模光纤：速率较低，距离较近lUp to 100s Mbps，2 km35光纤光纤光纤的应用光纤的应用无源光柱共享信道无源光柱共享信道接收器接收器发送器发送器372.3.4无线传输（空中接口）无线传输（空中接口）无线传输无线传输n电磁波谱电磁波谱LF(长波长波)，MF(中波中波)，HF(短波短波)，VHF/UHF(超短波超短波)，SHF/EHF(微波微波)，THF，红外，红外、激光、激光n频带宽度估算：可用中心频率正负频带宽度估算：可用中心频率正负10

10、%简单计算简单计算lLF：105*20% = 2*104 =20 kHzn传播：传播：lLF：绕射能力极强，传播距离远，带宽太窄：绕射能力极强，传播距离远，带宽太窄lHF：可通过电离层反射达到远距离传输的目的：可通过电离层反射达到远距离传输的目的lVHF以上：视距以上：视距(直线直线)传播传播lSHF以上：可用天线很好聚焦以上：可用天线很好聚焦,减轻衰减减轻衰减(信噪比高信噪比高)l红外：短距离通信红外：短距离通信l激光：有无线光纤称呼，但易受阳光、气候影响激光：有无线光纤称呼，但易受阳光、气候影响无线传输无线传输nISM频段频段l指定给工业、科研和医疗使用，个人不需经过授指定给工业、科研和医

11、疗使用，个人不需经过授权可以短距离使用权可以短距离使用l我国我国ISM频段频段u6.7MHzu433MHzu2.4GHz-无线局域网和蓝牙无线局域网和蓝牙u61GHzu122GHzu注：注：5.8GHz在我国没有明确规定在我国没有明确规定无线传输无线传输n卫星卫星l类型类型uLEO：低轨卫星：低轨卫星 几百公里几百公里uMEO：中轨卫星：中轨卫星 15000公里公里uGEO：地球同步卫星：地球同步卫星 35000公里公里l提供的信道带宽提供的信道带宽u几十到几千兆几十到几千兆Hzl往返传播延迟大往返传播延迟大u自行估计：自行估计：uLEO、MEO、GEO各各在什么范围在什么范围无线传输无线传输

12、n卫星频段卫星频段2.3.5 传输体制传输体制（Transmission Scheme ）n双工与单工双工与单工n异步与同步异步与同步n全双工全双工(FD, Full Duplex)n半双工半双工(HD, Half Duplex)n单工单工 (Simplex） Transmission SchemeTxDRxDTxDRxDTxDRxD双向同时双向同时双向交替双向交替单向传输单向传输发发收收发、收发、收 并发动作并发动作发发收收双方需协调，否则会出现冲突双方需协调，否则会出现冲突RTransmission SchemeDataClockT0011111111110000clockDatan同步传

13、输同步传输(Synchronous Transmission)lBit数据以均匀时间间隔数据以均匀时间间隔T传输，持续不断传输，持续不断l特点特点u可实现非常高的传输速率可实现非常高的传输速率(几百兆几百兆几十千兆几十千兆)u稳定的传输速率稳定的传输速率u需要独立的时钟线路保持双发收发同步需要独立的时钟线路保持双发收发同步l应用场合应用场合u与传输系统的连接与传输系统的连接uPSTN中的数字信道、中的数字信道、SDHn讨论：讨论：l如何确定某个如何确定某个bit是某字节的第几位？是某字节的第几位？l某段时间内没有数据传输时，信道上是什么信号？某段时间内没有数据传输时，信道上是什么信号？PSTN

14、/SDH同步传输信道同步传输信道Transmission Schemen异步传输异步传输 (Asynchronous Transmission)l字节为单位传输，字节间隔长度可变字节为单位传输，字节间隔长度可变u字节间有不确定延时字节间有不确定延时l特点特点u不需要专门的时钟线路不需要专门的时钟线路 (所以称为所以称为“异步异步”)u传输速率不可能很高传输速率不可能很高 (最高约最高约200k b/s)l应用场合应用场合u计算机间的直接连接计算机间的直接连接u低速、短距离传输低速、短距离传输(几百米几百米几公里几公里)u键盘、鼠标的传输方式键盘、鼠标的传输方式ByteByteBytestart

15、stop又称为起又称为起- -止式传输止式传输RT传输体制传输体制n块传输块传输 (Block Transmission)l以数据块为单位传输，块的长度可变，块间可变以数据块为单位传输，块的长度可变，块间可变长度间隔长度间隔l特点特点u增强型的增强型的“异步传输方式异步传输方式”u传输速率高传输速率高(可达上千兆可达上千兆)l应用场合应用场合u计算机网络中的直接电缆连接计算机网络中的直接电缆连接u典型如：以太网信道典型如：以太网信道RTBlockBlock2.4 通信系统通信系统n非直接相连的介质非直接相连的介质482.4.1 电话系统（电话系统（PSTN）492.4.1 电话系统（电话系统（

16、PSTN）本地回路本地回路本地回路本地回路准长途准长途干线干线准长途准长途干线干线高带宽中心高带宽中心长途干线长途干线电话电话电话电话端局端局端局端局长途局长途局长途局长途局中心交换局中心交换局PSTNPSTN长途局长途局长途局长途局汇接局汇接局端局端局PSTNLocal Loop(用户线用户线)51A、本地回路、本地回路本地回路本地回路n本地回路本地回路 与计算机通信网与计算机通信网l电话信道电话信道l电话信道特性：带宽电话信道特性：带宽300Hz3400Hz(整个语音通道整个语音通道)l数据传输方式：数据传输方式：调制解调调制解调，占用电话通信信道，占用电话通信信道l数据速率：数据速率：5

17、6k /33.6k b/sLocal LoopLocal LoopPSTN3003400f调制解调器调制解调器53本地回路调制解调本地回路调制解调54本地回路用户数字线本地回路用户数字线55ADSL系统结构系统结构56ADSL调制技术调制技术57ADSL特点特点58本地回路无线本地回路本地回路无线本地回路59LMDS的影响因素的影响因素60B、干线：多路复用技术、干线：多路复用技术32:14:1电话系统干线的复用技术电话系统干线的复用技术n频分多路频分多路FDMPSTN TDM 原理原理125uS125uS4:11:4Multiplexer多路复用器多路复用器De-multiplexer复用分

18、路器复用分路器采用同步传输方式，以提供严格的时序关系采用同步传输方式，以提供严格的时序关系t复用的时间关系复用的时间关系1路路2路路n路路速率速率RRRnRm:1n:1n:1RnRRmnR复用系统复用系统提供多种速率提供多种速率时分多路复用时分多路复用1:4NetworkL1L2L2信道化信道化E1服务器服务器一条一条E1E1信道可提供信道可提供2Mbps2Mbps的数据服务的数据服务PSTN时分多路复用时分多路复用64Kb/s2.048Mb/sE18.848Mb/sE234.304Mb/sE3139.364Mb/sE4B channel32:14:14:14:14:1PSTNE1E1AB65

19、波分复用波分复用WDM66C、交换技术（主要在网络层讨论）、交换技术（主要在网络层讨论）交换技术与计算机网络交换技术与计算机网络67PSTN路由器路由器682.4.2 SONET/SDH传输系统传输系统SONET/SDH (同步光网络同步光网络)lUsually a Ring topologylRing data rateuSTM-4: 622MbpsuSTM-16: 2.5 GbpsuSTM64: 10 Gbps数据上载下载数据上载下载程控交换机程控交换机路由器路由器70SONET 通路通路源多路源多路复用设备复用设备目的多路目的多路复用设备复用设备多路多路复用设备复用设备中继器中继器中继器

20、中继器段段段段段段段段线路线路线路线路通路通路光子光子段段线路线路通路通路71SONET的多路复用的多路复用SDHnSDH线路复用线路复用4*64kbps6*64kbps9*64kbps每个小格每个小格64kbps2430格格*64kbps = 155.52Mbps (OC3)125uSE1、E2等可直接复接到等可直接复接到SDH上来上来73SONET/SDH 的数据速率的数据速率STS-1STS-1OC-1OC-151.8451.8450.11250.11249.53649.536STS-3STS-3OC-3OC-3STM-1STM-1155.52155.52150.336150.33614

21、8.608148.608STS-9STS-90C-90C-9466.56466.56451.008451.008445.824445.824STS-12STS-12OC-12OC-12STM-4STM-4622.08622.08601.344601.344594.432594.432STS-18STS-18OC-18OC-18933.12933.12902.016902.016891.648891.648STS-24STS-24OC-24OC-241244.161244.161202.6881202.6881188.8641188.864STS-36STS-36OC-36OC-361866.2

22、41866.241804.0321804.0321783.2961783.296STS-48STS-48OC-48OC-48STM-16STM-162488.322488.322405.3762405.3762377.7282377.728STS-192STS-192OC-192OC-192STM-64STM-649953.289953.28STSSTS（Synchronous Transport Signal Synchronous Transport Signal ） STMSTM（Synchronous Transport Module Synchronous Transport Mod

23、ule ）OCOC（Optical Carrier Level Optical Carrier Level ） SPESPE（Synchronous Payload Envelop Synchronous Payload Envelop ）SDHnSDH与计算机通信网与计算机通信网l长距离的光纤信道，几乎都作为SDH的光传输通道lSDH可以提供数量大、速率灵活配置的数字信道l长距离的数字信道，几乎也建立在SDH上SDHSDH可以为任意两点间分配数据通道，可以为任意两点间分配数据通道，数据通道的数据速率可灵活指派数据通道的数据速率可灵活指派752.4.3 N-ISDN- ISDN- ISDN接口接口 BRIBRI：2B+D2B+D PRI PRI：23B+D23B+D，30B+D30B+D- - 主要应用：主要应用：InternetInternet访问访问电子科大通信学院76ISDN(30B+D)E1(30B+D)G.703NT264Kbps123N2V.35V.35V.35V.35G.703NT1G.703G.703G.703N1*64kbpsN2*64kbpsN3*64kbpsN1+N2+N330ISDN与计算机网络与计算机网络77782.4.3 B