CH物理层省公开课一等奖全国示范课微课金奖课件

计算机网络第2章物理层第1页第2章物理层*2.1物理层基本概念*2.2数据通信基础知识

2.2.1数据通信系统模型 2.2.2相关信道几个基本概念 2.2.3信道最高码元传输速率 2.2.4信道极限信息传输速率2.3物理层下面传输媒体

2.3.1导向传输媒体 2.3.2非导向传输媒体第2页第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同时光纤网SONET和同时数字系列SDH2.7物理层标准举例

2.7.1EIA-232-E接口标准 2.7.2RS-449接口标准第3页2.1物理层基本概念物理层主要任务描述为确定与传输媒体接口一些特征，即：机械特征指明接口所用接线器形状和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等等。电气特征指明在接口电缆各条线上出现电压范围。功效特征指明某条线上出现某一电平电压表示何种意义。规程特征指明对于不一样功效各种可能事件出现次序。

第4页2.2数据通信基础知识

2.2.1数据通信系统模型

传输系统输入信息输入数据发送信号接收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标系统传输系统输出信息PC机第5页几个术语数据(data)——运输信息实体。信号(signal)——数据电气或电磁表现。“模拟”(analogous)——连续改变。“数字”(digital)——取值是离散数值。调制——把数字信号转换为模拟信号过程。解调——把模拟信号转换为数字信号过程。第6页模拟和数字数据、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信号数字发送器第7页2.2.2相关信号几个基本概念单向通信（单工通信）——只能有一个方向通信而没有反方向交互。双向交替通信（半双工通信）——通信双方都能够发送信息，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）——通信双方能够同时发送和接收信息。第8页基带(baseband)信号和

宽带(broadband)信号基带信号就是将数字信号1或0直接用两种不一样电压来表示，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频分复用模拟信号。第9页2.2.3信道最高码元传输速率任何实际信道都不是理想，在传输信号时会产生各种失真以及带来各种干扰。

码元传输速率越高，或信号传输距离越远，在信道输出端波形失真就越严重。第10页数字信号经过实际信道失真不严重失真严重实际信道（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)输入信号波形实际信道（带宽受限、有噪声、干扰和失真）输出信号波形(失真严重)第11页2.3物理层下面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电磁波频谱第12页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

同轴电缆光缆第13页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非屏蔽双绞线UTP屏蔽双绞线STP同轴电缆第14页光线在光纤中折射折射角入射角包层（低折射率媒体）包层（低折射率媒体）纤芯（高折射率媒体）包层纤芯第15页光纤工作原理高折射率(纤芯)低折射率(包层)光线在纤芯中传输方式是不停地全反射第16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17页2.3.2非导向传输媒体无线传输所使用频段很广。短波通信主要是靠电离层反射，但短波信道通信质量较差。微波在空间主要是直线传输。地面微波接力通信卫星通信

第18页2.4模拟传输与数字传输

2.4.1模拟传输系统

长途干线最初采取频分复用FDM传输方式FDM(FrequencyDivisionMultiplexing)当前我国长途通信线路已实现了数字化，因而现在模拟通信电路就只剩下从用户电话机到市话交换机之间这一段几公里长用户线上。第19页2.4.2调制解调器数据经过模拟传输系统后会出现差错。出现差错010010100还原后数据t接收到失真信号010011100t发送基带信号t采样时刻第20页调制解调器作用调制解调器(modem)包含：调制器(MOdulator)：把要发送数字信号转换为频率范围在300~3400Hz之间模拟信号，方便在电话用户线上传送。解调器(DEModulator)：把电话用户线上传送来模拟信号转换为数字信号。本书中调制解调器是指使用在标准二线模拟话路（3.1kHz标准话路带宽）上调制解调器。第21页调制解调器作用（续）调制器主要作用就是个波形变换器，它把基带数字信号波形变换成适合于模拟信道传输波形解调器作用就是个波形识别器，它将经过调制器变换过模拟信号恢复成原来数字信号。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设施。

第22页几个最基本调制方法调制就是进行波形变换（频谱变换）。最基本二元制调制方法有以下几个：调幅(AM)：载波振幅随基带数字信号而改变。调频(FM)：载波频率随基带数字信号而改变。调相(PM)：载波初始相位随基带数字信号而改变。

第23页对基带数字信号几个调制方法010011100基带信号调幅调频调相第24页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：全部用户在一样时间占用不一样带宽资源。时分复用：全部用户在不一样时间占用一样频带宽度。

第25页频分复用频率时间频率1频率2频率3频率4频率5第26页时分复用频率时间BCDBCDBCDBCDAAAA在

TDM

帧中位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧…TDM帧第27页时分复用频率时间CDCDCDAAAABBBBCD在

TDM

帧中位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧…TDM帧第28页时分复用频率时间BDBDBDAAAABCCCCD在

TDM

帧中位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧…TDM帧第29页时分复用频率时间BCBCBCAAAABCDDDD在TDM帧中位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧…TDM帧第30页时分复用可能会造成

线路资源浪费ABCDaabbcdbcattttt4个时分复用帧#1④③②①acbcd时分复用#2#3#4用户第31页统计时分复用

STDM用户ABCDabcdttttt3个STDM帧#1④③②①acbabbcacd#2#3统计时分复用第32页1550nm01551nm11552nm21553nm31554nm41555nm51556nm61557nm701550nm11551nm21552nm31553nm41554nm51555nm61556nm71557nm2.5.2波分复用WDM波分复用就是光频分复用。8

2.5Gb/s1310nm20Gb/s复用器分用器EDFA120km第33页2.5.3码分复用CDM惯用名词是码分多址CDMA(CodeDivisionMultipleAccess)。各用户使用经过特殊挑选不一样码型，所以彼此不会造成干扰。这种系统发送信号有很强抗干扰能力，其频谱类似于白噪声，不易被敌人发觉。每一个比特时间划分为m个短间隔，称为码片(chip)。

第34页码片序列(chipsequence)每个站被指派一个惟一mbit码片序列。如发送比特1，则发送自己mbit码片序列。如发送比特0，则发送该码片序列二进制反码。

比如，S站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站码片序列：(–1–1–1+1+1–1+1+1)第35页CDMA主要特点每个站分配码片序列不但必须各不相同，而且还必须相互正交(orthogonal)。在实用系统中是使用伪随机码序列。第36页码片序列正交关系令向量S表示站S码片向量，令T表示其它任何站码片向量。两个不一样站码片序列正交，就是向量S和T规格化内积(innerproduct)都是0：(2-4)第37页码片序列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各分量值代入(2-4)式就可看出这两个码片序列是正交。第38页任何一个码片向量和该码片向量自己规格化内积都是1。一个码片向量和该码片反码向量规格化内积值是–1。正交关系另一个主要特征第39页CDMA工作原理S站码片序列S110ttttttm个码片tS站发送信号SxT站发送信号Tx总发送信号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第40页2.7物理层标准举例

2.7.1EIA-232-E接口标准DTE(DataTerminalEquipment)是数据终端设备，是含有一定数据处理能力和发送、接收数据能力设备。DCE(DataCircuit-terminatingEquipment)是数据电路端接设备，它在DTE和传输线路之间提供信号变换和编码功效，而且负责建立、保持和释放数据链路连接。

第41页DTE经过DCE

与通信传输线路相连DTEDCEDCE串行比特传输信号线与控制线用户环境通信环境用户设