計算機網(wǎng)絡(luò)課件趙青松第2章物理層

1、第 2 章 物理層第 2 章 物理層2.1 物理層的基本概念2.2 數(shù)據(jù)通信的基礎(chǔ)知識2.3 物理層下面的傳輸媒體2.4 信道復(fù)用技術(shù)2.5 數(shù)字傳輸系統(tǒng)2.6 寬帶接入技術(shù)2.1 物理層的基本概念 物理層的主要任務(wù)描述為確定與傳輸媒體的接口的一些特性，即： n機械特性 指明接口所用接線器的形狀和尺寸、引線數(shù)目和排列、固定和鎖定裝置等等。n電氣特性 指明在接口電纜的各條線上出現(xiàn)的電壓的范圍。2.1 物理層的基本概念n功能特性 指明某條線上出現(xiàn)的某一電平的電壓表示何種意義。n過程特性 指明對于不同功能的各種可能事件的出現(xiàn)順序。 物理層任務(wù)舉例nEIA-232-D接口用來將MODEM與計算機主機相

2、聯(lián),共計25個引腳,有規(guī)定的尺寸.n25針的電壓范圍-12+12vn-12v表示1,+12v表示0nRTS變高,CTS允許發(fā)送,TD引腳發(fā)送.2.2 數(shù)據(jù)通信的基礎(chǔ)知識傳輸系統(tǒng)輸入信息輸入數(shù)據(jù)發(fā)送的信號接收的信號輸出數(shù)據(jù)源點終點發(fā)送器接收器調(diào)制解調(diào)器PC 機公用電話網(wǎng)調(diào)制解調(diào)器數(shù)字比特流數(shù)字比特流模擬信號模擬信號 輸入漢字顯示漢字數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)源系統(tǒng)目的系統(tǒng)傳輸系統(tǒng)輸出信息PC 機幾個術(shù)語n數(shù)據(jù)(data)運送消息的實體。n信號(signal)數(shù)據(jù)的電氣的或電磁的表現(xiàn)。 n模擬信號代表消息的參數(shù)的取值是連續(xù)的。 n數(shù)字信號代表消息的參數(shù)的取值是離散的。 n碼元(code)在使用時間域（或簡稱為時

3、域）的波形表示數(shù)字信號時，代表不同離散數(shù)值的基本波形。幾個術(shù)語n單向通信（單工通信）只能有一個方向的通信而沒有反方向的交互。n雙向交替通信（半雙工通信）通信的雙方都可以發(fā)送信息，但不能雙方同時發(fā)送(當(dāng)然也就不能同時接收)。n雙向同時通信（全雙工通信）通信的雙方可以同時發(fā)送和接收信息。幾個術(shù)語n基帶信號（即基本頻帶信號）來自信源的信號。n帶通信號把基帶信號經(jīng)過載波調(diào)制后，把信號的頻率范圍搬移到較高的頻段以便在信道中傳輸。 幾個術(shù)語n最基本的帶通調(diào)制方法有以下幾種：n調(diào)幅(AM)：載波的振幅隨基帶數(shù)字信號而變化。 n調(diào)頻(FM)：載波的頻率隨基帶數(shù)字信號而變化。n調(diào)相(PM) ：載波的初始相位隨基

4、帶數(shù)字信號而變化。 信道的極限容量n信道的極限信息傳輸速率 C 可表達為n C = W log2(1+S/N) b/s nW 為信道的帶寬（以 Hz 為單位）；nS 為信道內(nèi)所傳信號的平均功率；nN 為信道內(nèi)部的高斯噪聲功率。 2.3 物理層下面的傳輸媒體n傳輸媒體:指數(shù)據(jù)通信的物理線路。n傳輸媒體分為兩類：n導(dǎo)向傳輸媒體n非導(dǎo)向傳輸媒體2.3 物理層下面的傳輸媒體無線電微波紅外線可見光紫外線X射線射線雙絞線同軸電纜衛(wèi)星地面微波 調(diào)幅無線電 調(diào)頻無線電 海事無線電光纖電視(Hz)f (Hz)fLFMFHFVHF UHF SHFEHFTHF波段104 105 106 107 108 109 10

5、10 1011 1012 1013 1014 1015 1016100 102 104 106 108 1010 1012 1014 1016 1018 1020 1022 1024 移動無線電 電信領(lǐng)域使用的電磁波的頻譜2.3.1 導(dǎo)向傳輸媒體n雙絞線n同軸電纜n光纜 雙絞線n把兩根互相絕緣的銅導(dǎo)線并排放在一起，然后用規(guī)則的方法絞合(twist)起來就構(gòu)成了雙絞線。n雙絞線分類：n無屏蔽雙絞線 UTP (Unshielded Twisted Pair) :3類和5類n屏蔽雙絞線 STP (Shielded Twisted Pair)銅線銅線聚氯乙烯 套層聚氯乙烯套層屏蔽層絕緣層絕緣層無屏蔽雙

6、絞線 UTP屏蔽雙絞線 STP同軸電纜n同軸電纜：主要用于有線電視網(wǎng)的居民小區(qū)。外導(dǎo)體屏蔽層絕緣層絕緣保護套層內(nèi)導(dǎo)體同軸電纜光纖折射角入射角 包層（低折射率的媒體） 包層（低折射率的媒體） 纖芯（高折射率的媒體） 包層纖芯光線在光纖中的折射光纖的工作原理高折射率(纖芯)低折射率(包層)光線在纖芯中傳輸?shù)姆绞绞遣粩嗟厝瓷漭斎朊}沖輸出脈沖單模光纖多模光纖與單模光纖輸入脈沖輸出脈沖多模光纖2.3.2 非導(dǎo)向傳輸媒體 n無線傳輸所使用的頻段很廣。n短波通信主要是靠電離層的反射，但短波信道的通信質(zhì)量較差。n微波在空間主要是直線傳播。 n地面微波接力通信n衛(wèi)星通信 共享信道2.4 信道復(fù)用技術(shù)2.4.1

7、 頻分復(fù)用、時分復(fù)用和統(tǒng)計時分復(fù)用 n復(fù)用(multiplexing)是通信技術(shù)中的基本概念。 信道A1A2B1B2C1C2信道信道A1A2B1B2C1C2復(fù)用/分用分用/復(fù)用(a) 不使用復(fù)用技術(shù)(b) 使用復(fù)用技術(shù)頻分復(fù)用 FDM(Frequency Division Multiplexing) n頻分復(fù)用的所有用戶在同樣的時間占用不同的帶寬資源（請注意，這里的“帶寬”是頻率帶寬而不是數(shù)據(jù)的發(fā)送速率）。 頻率時間頻率 1頻率 2頻率 3頻率 4頻率 5時分復(fù)用TDM(Time Division Multiplexing) n時分復(fù)用則是將時間劃分為一段段等長的時分復(fù)用幀（TDM 幀）。每一

8、個時分復(fù)用的用戶在每一個 TDM 幀中占用固定序號的時隙。n每一個用戶所占用的時隙是周期性地出現(xiàn)（其周期就是 TDM 幀的長度）。時分復(fù)用 頻率時間B C DB C DB C DB C DAAAAA 在 TDM 幀中的位置不變TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀時分復(fù)用 頻率時間C DC DC DAAAABBBB C DB 在 TDM 幀中的位置不變TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀時分復(fù)用 頻率時間BDBDBDAAAA BCCCC DC 在 TDM 幀中的位置不變TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀時分復(fù)用 頻率時間B CB CB CAAAA B

9、CDDDDD 在 TDM 幀中的位置不變TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀時分復(fù)用的缺點 n使用時分復(fù)用系統(tǒng)傳送計算機數(shù)據(jù)時，由于計算機數(shù)據(jù)的突發(fā)性質(zhì)，用戶對分配到的子信道的利用率一般是不高的?？赡軙斐删€路資源的浪費。時分復(fù)用的缺點 ABCDaabbcdb cattttt4 個時分復(fù)用幀#1acbcd時分復(fù)用#2#3#4用戶統(tǒng)計時分復(fù)用 STDM(Statistic TDM) 用戶ABCDabcdttttt3 個 STDM 幀#1acbab bcacd#2#3統(tǒng)計時分復(fù)用 1550 nm 0 1551 nm 1 1552 nm 2 1553 nm 3 1554 nm 4 15

10、55 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 2.4.2 波分復(fù)用 WDM(Wavelength Division Multiplexing) n波分復(fù)用就是光的頻分復(fù)用。 8 2.5 Gb/s1310 nm20 Gb/s復(fù)用器分用器EDFA120 km光調(diào)制器光解調(diào)器2.4.3 碼分復(fù)用 CDM(Code Division Multiplexing) n常用的名詞是碼分多址 CDMA (Code Division Multip

11、le Access)。n每一個用戶可以在同樣的時間使用同樣的頻帶進行通信,各用戶使用經(jīng)過特殊挑選的不同碼型，因此彼此不會造成干擾。 CDMA 的重要特點n每一個比特時間劃分為 m 個短的間隔，稱為碼片(chip)。n每個站分配的碼片序列不僅必須各不相同，并且還必須互相正交(orthogonal)。碼片序列(chip sequence) n每個站被指派一個唯一的 m bit 碼片序列。n如發(fā)送比特 1，則發(fā)送自己的 m bit 碼片序列。n如發(fā)送比特 0，則發(fā)送該碼片序列的二進制反碼。 n例如，S 站的 8 bit 碼片序列是 00011011。n發(fā)送比特 1 時，就發(fā)送序列 00011011，

12、n發(fā)送比特 0 時，就發(fā)送序列 11100100。nS 站的碼片序列：(1 1 1 +1 +1 1 +1 +1) CDMA 的重要特點n每一個比特時間劃分為 m 個短的間隔，稱為碼片(chip)。n每個站分配的碼片序列不僅必須各不相同，并且還必須互相正交(orthogonal)。碼片序列的正交關(guān)系 n令向量 S 表示站 S 的碼片向量，令 T 表示其他任何站的碼片向量。 n兩個不同站的碼片序列正交，就是向量 S 和T 的規(guī)格化內(nèi)積(inner product)都是 0： 011miiiTSmTS(2-3)碼片序列的正交關(guān)系舉例 n令向量 S 為(1 1 1 +1 +1 1 +1 +1)，向量

13、T 為(1 1 +1 1 +1 +1 +1 1)。 n把向量 S 和 T 的各分量值代入(2-3)式就可看出這兩個碼片序列是正交的。 n任何一個碼片向量和該碼片向量自己的規(guī)格化內(nèi)積都是1 。n一個碼片向量和該碼片反碼的向量的規(guī)格化內(nèi)積值是 1。 正交關(guān)系的另一個重要特性mimiimiiimSmSSm112211) 1(111SSCDMA 的工作原理 S 站的碼片序列 S110ttttttm 個碼片tS 站發(fā)送的信號 SxT 站發(fā)送的信號 Tx總的發(fā)送信號 Sx + Tx規(guī)格化內(nèi)積 S Sx規(guī)格化內(nèi)積 S Tx數(shù)據(jù)碼元比特發(fā)送端接收端2.5 數(shù)字傳輸系統(tǒng)1. 脈碼調(diào)制 PCM 體制n脈碼調(diào)制 P

14、CM 體制最初是為了在電話局之間的中繼線上傳送多路的電話(TDM)。采樣采樣量化量化編碼編碼PCM用于數(shù)字語音系統(tǒng)n聲音分為128個量化級；n每個量化級采用7位二進制編碼表示；n采樣速率為8000樣本/秒；n數(shù)據(jù)傳輸速率應(yīng)達到7位8000/秒=56Kbps；n如果每個量化級采用7+1=8位二進制編碼表示;n數(shù)據(jù)傳輸速率應(yīng)達到8位8000 /秒= 64Kbps。E1和T1n為了提高線路的使用率，往往采用TDM。n由于歷史上的原因，PCM 有兩個互不兼容的國際標準，即北美的 24 路 PCM（簡稱為 T1）和歐洲的 30 路 PCM（簡稱為 E1）。我國采用的是歐洲的 E1 標準。nE1 的速率是

15、 2.048 Mb/s，而 T1 的速率是 1.544 Mb/s。n當(dāng)需要有更高的數(shù)據(jù)率時，可采用復(fù)用的方法。 數(shù)字傳輸系統(tǒng)的高次群的話路數(shù)和數(shù)據(jù)率數(shù)字傳輸系統(tǒng)的高次群的話路數(shù)和數(shù)據(jù)率系系 統(tǒng)統(tǒng) 類類 型型一一 次次 群群二二 次次 群群三三 次次 群群四四 次次 群群五五 次次 群群符號符號E1E2E3E4E5歐洲體制歐洲體制 話路數(shù)話路數(shù)3012048019207680數(shù)據(jù)率數(shù)據(jù)率(Mbit/s)2.0488.44834.368139.264565.148符號符號T1T2T3T4北美體制北美體制 話路數(shù)話路數(shù)24966724032數(shù)據(jù)率數(shù)據(jù)率(Mbit/s)1.5446.31244.736

16、274.1762. 同步光纖網(wǎng) SONET 和同步數(shù)字系列 SDH n舊的數(shù)字傳輸系統(tǒng)存在著許多缺點。n速率標準不統(tǒng)一。n如果不對高次群的數(shù)字傳輸速率進行標準化，國際范圍的高速數(shù)據(jù)傳輸就很難實現(xiàn)。 n不是同步傳輸。n在過去相當(dāng)長的時間，為了節(jié)約經(jīng)費，各國的數(shù)字網(wǎng)主要是采用準同步方式。 同步光纖網(wǎng) SONET (Synchronous Optical Network) nSONET (美國標準)的各級時鐘都來自一個非常精確的主時鐘。 n第 1 級同步傳送信號 STS-1 (Synchronous Transport Signal)的傳輸速率是 51.84 Mb/s。n光信號則稱為第 1 級光載波

17、 OC-1，OC 表示Optical Carrier。 同步數(shù)字系列 SDH (Synchronous Digital Hierarchy)nITU-T 以美國標準 SONET 為基礎(chǔ)，制訂出國際標準同步數(shù)字系列 SDH 。n一般可認為 SDH 與 SONET 是同義詞。nSDH 的基本速率為 155.52 Mb/s，稱為第 1 級同步傳遞模塊 (Synchronous Transfer Module)，即 STM-1，相當(dāng)于 SONET 體系中的 OC-3 速率。 2.6 寬帶接入技術(shù)2.6.1 xDSL技術(shù)nxDSL 技術(shù)就是用數(shù)字技術(shù)對現(xiàn)有的模擬電話用戶線進行改造，使它能夠承載寬帶業(yè)務(wù)。

18、n雖然標準模擬電話信號的頻帶被限制在 3003400 kHz 的范圍內(nèi)，但用戶線本身實際可通過的信號頻率仍然超過 1 MHz。xDSL技術(shù)nxDSL 技術(shù)就把 04 kHz 低端頻譜留給傳統(tǒng)電話使用，而把原來沒有被利用的高端頻譜留給用戶上網(wǎng)使用。nDSL 就是數(shù)字用戶線(Digital Subscriber Line)的縮寫。而 DSL 的前綴 x 則表示在數(shù)字用戶線上實現(xiàn)的不同寬帶方案。xDSL 的幾種類型 nADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line)：非對稱數(shù)字用戶線nHDSL (High speed DSL)：高速數(shù)字用戶線nSDSL (Singl

19、e-line DSL)：1 對線的數(shù)字用戶線nVDSL (Very high speed DSL)：甚高速數(shù)字用戶線nDSL ：ISDN 用戶線。nRADSL (Rate-Adaptive DSL)：速率自適應(yīng) DSL，是 ADSL 的一個子集，可自動調(diào)節(jié)線路速率）。 ADSL 的特點n上行和下行帶寬做成不對稱的。n上行指從用戶到 ISP，而下行指從 ISP 到用戶。nADSL 在用戶線（銅線）的兩端各安裝一個 ADSL 調(diào)制解調(diào)器。n我國目前采用的方案是離散多音調(diào) DMT (Discrete Multi-Tone)調(diào)制技術(shù)。這里的“多音調(diào)”就是“多載波”或“多子信道”的意思。DMT 技術(shù)nD

20、MT 調(diào)制技術(shù)采用頻分復(fù)用的方法，把 40 kHz 以上一直到 1.1 MHz 的高端頻譜劃分為許多的子信道，其中 25 個子信道用于上行信道，而 249 個子信道用于下行信道。n每個子信道占據(jù) 4 kHz 帶寬，并使用不同的載波進行數(shù)字調(diào)制。DMT 技術(shù)的頻譜分布 頻譜頻率上行信道傳統(tǒng)電話04下行信道(kHz)401381100ADSL 的數(shù)據(jù)率n由于用戶線的具體條件往往相差很大（距離、線徑、受到相鄰用戶線的干擾程度等都不同），因此 ADSL 采用自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)使用戶線能夠傳送盡可能高的數(shù)據(jù)率。nADSL 不能保證固定的數(shù)據(jù)率。對于質(zhì)量很差的用戶線甚至無法開通 ADSL。n通常下行數(shù)據(jù)率在

21、32 kb/s 到 6.4 Mb/s 之間，而上行數(shù)據(jù)率在 32 kb/s 到 640 kb/s 之間。ADSL 的組成 ATU-CATU-CATU-RATU-C用戶線 電話分離器 區(qū)域?qū)拵ЬW(wǎng)至 ISP居民家庭基于 ADSL 的接入網(wǎng)端局或遠端站DSLAM至本地電話局PSPS數(shù)字用戶線接入復(fù)用器 DSLAM (DSL Access Multiplexer)接入端接單元 ATU (Access Termination Unit)ATU-C（C 代表端局 Central Office）ATU-R（R 代表遠端 Remote）電話分離器 PS (POTS Splitter) 第二代 ADSL ADS

22、L2（G.992.3 和 G.992.4）ADSL2+（G.992.5）n通過提高調(diào)制效率得到了更高的數(shù)據(jù)率。例如，ADSL2 要求至少應(yīng)支持下行 8 Mb/s、上行 800 kb/s的速率。而 ADSL2+ 則將頻譜范圍從 1.1 MHz 擴展至2.2 MHz，下行速率可達 16 Mb/s（最大傳輸速率可達25 Mb/s），而上行速率可達 800 kb/s。2.6.2 光纖同軸混合網(wǎng)HFC (Hybrid Fiber Coax)nHFC 網(wǎng)是在目前覆蓋面很廣的有線電視網(wǎng) CATV 的基礎(chǔ)上開發(fā)的一種居民寬帶接入網(wǎng)。nHFC 網(wǎng)除可傳送 CATV 外，還提供電話、數(shù)據(jù)和其他寬帶交互型業(yè)務(wù)。n現(xiàn)有的 CATV 網(wǎng)是樹形拓撲結(jié)構(gòu)的同軸電纜網(wǎng)絡(luò)，它采用模擬技術(shù)的頻分復(fù)用對電視節(jié)目進行單向傳輸。而 HFC 網(wǎng)則需要對 CATV 網(wǎng)進行改造， HFC 的主要特點 (1) HFC網(wǎng)的主干線路采用光纖nHFC 網(wǎng)將原 CATV 網(wǎng)中的同軸電纜主干部分改換為光纖，并使用模擬光纖技術(shù)。n模擬光纖從頭端連接到光纖結(jié)點(fiber node)，即光分配結(jié)點 ODN (Optical Distribution Node)。在光纖結(jié)點光信號被轉(zhuǎn)換為電信號。在光纖結(jié)點以下就是同軸電纜。 (2) HFC 網(wǎng)采用結(jié)點體系結(jié)構(gòu) 同軸電纜頭端模擬光纖放大器引入線分路器光纖結(jié)