计算机网络CH2-6ed物理层

计算机网络CH2-6ed物理层第一页，共92页。第2章物理层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

2.6.1xDSL技术

2.6.2光纤同轴混合网（HFC网）

2.6.3FTTx技术第二页，共92页。一、物理层的定义：

物理层提供机械的、电气的、功能的和规程的特性，目的是启动、维护和关闭数据链路实体之间进行比特传输的物理连接。二、物理层的任务：

确定与传输媒体接口有关的一些特性，在两个网络设备之间提供透明的比特流传输。2.1物理层的基本概念第三页，共92页。2.1物理层的基本概念三、物理层的四个重要特性：

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。

RS-232-C接口（串行）第四页，共92页。四、数据的传输方式：并行传输：每个时钟可同时传输几个比特。串行传输：每个时钟只发送一个比特。2.1物理层的基本概念第五页，共92页。优点：数据传输速度快。缺点：并行传输需n条通信线路，费用高。并行传输计算机内部的通信通常都是并行传输第六页，共92页。计算机网络中各节点间的传输采用串行传输方式。优点：只需一条通信信道，费用为并行传输的1/n。串行传输物理层另一任务：串并转换第七页，共92页。几个术语数据(data)——运送消息的实体。信号(signal)——数据的电气的或电磁的表现（电编码）。模拟信号:信号取值是连续的。（时间连续包含无数信号值）数字信号:信号取值是离散的。（包含有限个信号值）码元(code)——在使用时间域（时域）的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形。（时间轴上一个信号编码单元）第八页，共92页。2.2数据通信的基础知识数据通信系统的构成传输系统（信道：传输线路和传输设备）源系统（信源+发送器）和目的系统（信宿+接收器）第九页，共92页。基带信号和带通信号基带信号——信源信号。带通信号——把基带信号调制到高频段载波上所得的信号。调制带通调制—使用载波进行调制。基带调制—对基带信号的波形进行变换，使与信道特性相适应，变换后仍然是基带信号。第十页，共92页。几种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。第十一页，共92页。010011100调幅调频调相几种最基本的调制方法

第十二页，共92页。

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(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。

Q：校园网内部双方通信属于哪种？第十三页，共92页。非理想信道实际信道存在损耗、延迟、噪声损耗：引起信号强度减弱延迟：会使接收端的信号产生畸变噪声：会产生破坏信号，产生误码第十四页，共92页。有失真，但可识别失真大，无法识别实际的信道（带宽受限、有噪声、干扰和失真）发送信号波形接收信号波形发送信号波形实际的信道（带宽受限、有噪声、干扰和失真）接收信号波形码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远，失真越严重

信道的极限容量-最大信息速率第十五页，共92页。补充波特（Baud）：码元传输速率的单位。波特率即为每秒传送的码元数（即信号传输速率）

1Baud=

其中，M是信号的编码级数。这个公式还可以写成

由上面的公式可以看出，一个信号可以携带多个二进制位，所以在固定的信号传输速率下，比特率往往大于波特率。换句话说，一个码元可以传送多个比特。第十六页，共92页。

信道的极限容量

码间串扰:由于系统传输总特性（包括收、发滤波器和信道的特性）不理想，导致前后码元的波形畸变、展宽，并使前面波形出现很长的拖尾，蔓延到当前码元的抽样时刻上，从而对当前码元的判决造成干扰。

奈氏准则:在假定的理想条件下，为了避免码间串扰，码元的传输速率的必须有上限值。第十七页，共92页。奈氏准则的另一种表达方法是：每赫兹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。若码元的传输速率超过了奈氏准则所给出的数值，则将出现码元之间的互相干扰，以致在接收端就无法正确判定码元是1还是0。奈氏准则第十八页，共92页。香农公式1948年，香农用信息论的理论推导出带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限信息传输速率。用公式表示，则信道的极限信息传输速率C可表达为：C＝Wlog2（1+S/N）b/sW为信道的宽度（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第十九页，共92页。

信噪比(S/N):信号的平均功率/噪声的平均功率信噪比(dB)=10log(S/N)(dB)10信噪比第二十页，共92页。香农公式表明

C＝Wlog2（1+S/N）b/s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。第二十一页，共92页。香农公式例：在话音信道上，设带宽为3100Hz，话音信道上的信噪比为30分贝，则信道的最大容量是多少？103230=10log（S/N），S/N＝10＝1000C＝3100log（1+1000）＝30894b/s第二十二页，共92页。一、定义：

传输媒体，也称为传输媒介或传媒介质，是数据传输系统中在传送器和接收器之间的物理通路。2.3物理层下面的传输媒体第二十三页，共92页。二、分类：2.3物理层下面的传输媒体第二十四页，共92页。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)fLFMFHFVHFUHFSHFEHFTHF波段104105106107108109101010111012101310141015101610010210410610810101012101410161018102010221024

移动无线电电信领域使用的电磁波的频谱第二十五页，共92页。导向传输媒体把两根互相绝缘的铜导线按规则绞合起来就构成了双绞线1、双绞线（Twisted-Pair）绞合可减少对相邻导线的电磁干扰第二十六页，共92页。双绞线分类：屏蔽双绞线STP(ShieldedTwistedPair)无屏蔽双绞线UTP(UnshieldedTwistedPair)

无屏蔽双绞线UTP屏蔽双绞线STP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第二十七页，共92页。双绞线第二十八页，共92页。不同绞合度的双绞线3类5类主要区别：每单位长度的绞合次数

3类线的绞合长度是7.5至10cm5类线的绞合长度是0.6至0.85cm

第二十九页，共92页。同轴电缆第三十页，共92页。同轴电缆按阻抗分类：

75欧姆电缆(宽带同轴电缆),一般以铝带为外导体，主要用于宽带模拟传输，为有线电视CATV中的标准传输电缆，用于传送模拟信号时，其频率可高达500MHZ以上，传输距离可达100公里。

50欧姆电缆(基带同轴电缆),一般以铜网为外导体，主要用于在数据通信中基带数字信号的传输，广泛用于局域网，传输速率可达10Mbps。

第三十一页，共92页。

优点：较双绞线不易受电器干扰；使用寿命较长。

缺点：价格较贵；重量较双绞线重。

应用:

同轴电缆曾在电路系统中广泛使用。现在已大量被光纤所代替。但是，它仍被广泛地用于有线电视和某些局域网。

同轴电缆第三十二页，共92页。

光纤(光导纤维):主要由纤芯和外包层同心层构成双层通信圆柱体。纤芯通常为由非常透明的石英玻璃或塑料拉成的细丝，用来传导光波。外包层为相对密度较小的玻璃或塑料材料。光纤第三十三页，共92页。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）包层纤芯第三十四页，共92页。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第三十五页，共92页。按照在光纤信道中传输光线模式不同分类：

多模(Multimode)光纤：允许存在许多条不同角度入射的光线在一条光纤中通过不同光路传输。单模(Singlemode)光纤：如果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，使光线一直向前传输，而不会产生多次反射，这就是单模光纤。光线以折线形状传输，脉冲信号畸变大，用于近距离传输。光纤光线以直线传输，脉冲信号畸变小，用于长距离高速传输，当前光纤发展的主流第三十六页，共92页。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第三十七页，共92页。单光芯光缆按光纤信道中光芯数量不同分类：

光纤第三十八页，共92页。多光芯光缆光纤第三十九页，共92页。

优点：1不受电源线波动，电磁干扰及空气中腐蚀性化学物质的影响。2可提供极宽的频带，功率损失小，无中继传输远。3无串音干扰，保密性好，不易被截取数据。4体积小，重量轻。缺点：1安装分接不易，分路、耦合比较麻烦2故障排除困难3价格较高,

质地脆、机械强度低

光纤第四十页，共92页。常用传输媒体的比较第四十一页，共92页。非导向传输媒体(无线媒介)1、无线电波

射频（radiofrequency，RF）传输使用RF传输的网络中每个计算机都带有天线第四十二页，共92页。2、卫星卫星可以和RF技术相结合提供远距离通信。卫星带有一个无线电发送器和接收器。非导向传输媒体(无线媒介)第四十三页，共92页。3、微波非导向传输媒体(无线媒介)微波并不沿着地球曲面传播(直线传输)微波传输距离受到限制，一般只有50Km左右。第四十四页，共92页。4、红外线（Infrared）红外线一般局限于一个很小的区域（例如，在一个房间内）并且通常要求发送器直接指向接收器。红外硬件与采用其他机制的设备比较相对便宜，且不需要天线。非导向传输媒体(无线媒介)第四十五页，共92页。2.4信道复用技术信道A1A2B1B2C1C2信道信道共享信道A1B1C1复用A2B2C2分用(a)不使用复用技术(b)使用复用技术第四十六页，共92页。频分复用技术时分复用技术码分复用技术波分复用技术2.4信道复用技术第四十七页，共92页。频分复用FDM

(FrequencyDivisionMultiplexing)

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。频道之间留有防护频带以防相互干扰。频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源。频率时间频率1频率2频率3频率4频率5第四十八页，共92页。广播电台节目的发送与接收频分多路复用分路器(带通滤波器)信号发射信号接收常见广播电台使用的载波频率中波900KHz(南京经济台)■中波1008KHz(南京新闻台)短波15.28MHz(英国BBC)■短波15.29MHz(VOA美国之音)调频104.3MHz(南京体育台)■调频105.8MHz(南京音乐台)第四十九页，共92页。电视节目的发送与接收频道载波频率(MHz)频道载波频率(MHz)频道载波频率(MHz)187.755123.259230.25295.756206.2510238.253103.757214.2511246.254115.258222.2512254.25多路复用器解调器在天空中传输的电磁波器电视信号发射器电视信号接收器电视节目调制器载波1电视图像及其伴音调制器载波2电视图像及其伴音调制器载波n电视图像及其伴音电视调谐器(分路器)第五十页，共92页。时分复用TDM

(同步时分复用)

时分复用则是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。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）。TDM信号也称为等时(isochronous)信号。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。第五十一页，共92页。时分复用频率时间BCDBCDBCDBCDAAAAA在

TDM

帧中的位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧…TDM帧第五十二页，共92页。时分复用频率时间CDCDCDAAAABBBBCDB在

TDM

帧中的位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧…TDM帧第五十三页，共92页。时分复用频率时间BDBDBDAAAABCCCCDC在

TDM

帧中的位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧…TDM帧第五十四页，共92页。时分复用频率时间BCBCBCAAAABCDDDDD在TDM帧中的位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧…TDM帧第五十五页，共92页。ABCDaabbcdbcattttt4个时分复用帧#1④③②①acbcd时分复用#2#3#4用户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。时分复用第五十六页，共92页。统计时分复用STDM

(异步时分复用)

用户ABCDabcdttttt3个STDM帧#1④③②①acbabbcacd#2#3统计时分复用第五十七页，共92页。1550nm01551nm11552nm21553nm31554nm41555nm51556nm61557nm701550nm11551nm21552nm31553nm41554nm51555nm61556nm71557nm

波分复用WDM

(WavelengthDivisionMultiplexing)

波分复用就是光的频分复用

82.5Gb/s1310nm20Gb/s复用器分用器EDFA120km光调制器光解调器第五十八页，共92页。码分复用CDM

(CodeDivisionMultiplexing)

常用的名词是码分多址

CDMA各用户使用经过特殊挑选的不同码型进行传播具有很强的抗干扰能力每一个比特时间划分为m个短的间隔，称为码片(chip)。第五十九页，共92页。码片序列(chipsequence)每个站被指派一个唯一的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码片序列是发送比特1时，就发送序列发送比特0时，就发送序列S站的码片序列：(–1–1–1+1+1–1+1+1)

第六十页，共92页。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)。第六十一页，共92页。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：

(2-3)第六十二页，共92页。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(2-3)式就可看出这两个码片序列是正交的。

第六十三页，共92页。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第六十四页，共92页。判断某站有无发送比特？S.S=1S.S=-1S.S=0XXX发送1发送0

没发送第六十五页，共92页。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数据码元比特发送端接收端向量S为(–1–1–1+1+1–1+1+1)向量T为(–1–1+1–1+1+1+1–1)第六十六页，共92页。2.5数字传输系统

抗干扰能力特别强方便将计算机与通信结合起来便于存储可以兼容电话、电报、数据和图像等多类信息的传递第六十七页，共92页。2.5数字传输系统第六十八页，共92页。脉冲编码调制（PCM）：把一个时间连续，取值连续的模拟信号变换成时间离散，取值离散的数字信号后在信道中传输。2.5数字传输系统第六十九页，共92页。1.脉码调制PCM(PulseCodeModulation)体制2.5数字传输系统第七十页，共92页。

采样定理：采样频率不低于信号最高频率的2倍语音信号:采样频率8000HZ(T=125μs)，每秒8000个8位二进制码元2.5数字传输系统第七十一页，共92页。1.脉码调制PCM(PulseCodeModulation)体制2.5数字传输系统PCM有两个互不兼容的国际标准:

北美的24路PCM（简称为T1）:1.544Mb/s24*64Kb/s

欧洲的30路PCM（简称为E1）:2.048Mb/s32*64Kb/s

我国采用的是欧洲的E1标准第七十二页，共92页。2.6宽带接入技术xDSL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。2.6.1xDSL技术第七十三页，共92页。xDSL的几种类型ADSL(AsymmetricDigitalSubscriberLine)：非对称数字用户线HDSL(HighspeedDSL)：高速数字用户线SDSL(Single-lineDSL)：1对线的数字用户线VDSL(VeryhighspeedDSL)：甚高速数字用户线第七十四页，共92页。ADSL的特点第七十五页，共92页。ADSL频带第七十六页，共92页。DMT调制技术DMT调制技术采用频分复用的方法。把30kHz以上一直到1.1MHz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。每个子信道占据4kHz带宽（严格讲是4.3125kHz），并使用不同的载波（即不同的音调）进行数字调制。结论：DMT是使用274种不同频率的载波对数据信号进行调制的技术。理论上将，采用DTM技术的ADSL可以达到的速率是普通MODEM的约274倍274*3800010Mb/s第七十七页，共92页。DMT技术的频谱分布…频谱频率上行信道传统电话04下行信道…(kHz)~40~138~1100Q:DMT技术优势？第七十八页，共92页。ADSL速率调整方式第七十九页，共92页。第八十页，共92页。ADSL的组成第八十一页，共92页。ADSL的特点与个人（家庭）用户Internet访问点相适应，速率可调整。仅使用一对双绞线，可直接利用原有电话线。语音和数据同时传输，互不干扰。上网不用拨号，永久在线第八十二页，共92页。第二代ADSL

ADSL2（G.992.3和G.992.4）

ADSL2+（G.992.5）通过提高调制效率得到了更高的数据率。例如，ADSL2要求至少应支持下行8Mb/s、上行800kb/s的速率。而ADSL2+则将频谱范围从1.1MHz扩展至2.2MHz，下行速率可达16Mb/s（最大传输速率可达25Mb/s），而上行速率可达800kb/s。采用了无缝速率自适应技术

SRA(SeamlessRateAdaptation)，可在运营中不中断通信和不产生误码的情况下，自适应地调整数据率。第八十三页，共92页。2.6.2光纤同轴混合网HFCHFC网:在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，

第八十四页，共92页。HFC的主要特点

(1)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模拟光纤从头