計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)-物理層-韓立剛老師課件

第2章物理層物理層涉及到的內(nèi)容網(wǎng)站計算機(jī)ARouterARouterDRouterERouterCRouterB網(wǎng)頁1234緩存123緩存網(wǎng)頁123CSMA/CD協(xié)議物理層數(shù)據(jù)鏈路層網(wǎng)絡(luò)層傳輸層應(yīng)用層層示表會話層物理層涉及到的知識點(diǎn)數(shù)字信號雙絞線同軸電纜光纖時分多路波分復(fù)用編碼方式模擬信號頻分多路復(fù)用碼分復(fù)用技術(shù)全雙工半雙工單工通信本章內(nèi)容2.1物理層的基本概念2.2數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)2.3信道和調(diào)制2.4傳輸技術(shù)2.5信道復(fù)用技術(shù)2.6寬帶接入技術(shù)2.1物理層的基本概念物理層定義了與傳輸媒體的接口有關(guān)的一些特性。機(jī)械特性電氣特性功能特性過程特性2.2數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)數(shù)據(jù)通信模型數(shù)據(jù)通信一些常用術(shù)語模擬信號和數(shù)字信號模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號2.2.1數(shù)據(jù)通信模型數(shù)字比特流數(shù)字比特流計算機(jī)A計算機(jī)B集線器或交換機(jī)數(shù)字比特流計算機(jī)A調(diào)制解調(diào)器模擬信號網(wǎng)線電話線數(shù)字比特流網(wǎng)線調(diào)制解調(diào)器計算機(jī)B網(wǎng)線網(wǎng)線頻分復(fù)用數(shù)字比特流計算機(jī)A光電轉(zhuǎn)換器光信號網(wǎng)線光纖線數(shù)字比特流網(wǎng)線計算機(jī)B波分復(fù)用光電轉(zhuǎn)換器局域網(wǎng)通信模型廣域網(wǎng)通信模型廣域網(wǎng)通信模型2.2.2數(shù)據(jù)通信一些常用術(shù)語信息（message）：通信的目的是傳送信息，如文字、圖像、視頻和音頻等都是消息。數(shù)據(jù)（date）：信息在傳輸之前需要進(jìn)行編碼，編碼后的信息就變成數(shù)據(jù)。信號（signal）：數(shù)據(jù)在通信線路上傳遞需要變成電信號或光信號。2.2.3模擬信號和數(shù)字信號模擬信號或連續(xù)信號數(shù)字信號或離散信號數(shù)字信號和模擬信號優(yōu)缺點(diǎn)模擬信號在傳輸過程中如果出現(xiàn)信號干擾發(fā)生波形發(fā)生變形，很難糾正數(shù)字信號波形失真可以修復(fù)2.3.4模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號2.3.4模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號采樣頻率和采樣精度決定音樂的品質(zhì)2.3信道和調(diào)制信道單工和半雙工以及全雙工通信調(diào)制信道極限容量2.3.1信道信道（Channel）是信息傳輸?shù)耐ǖ溃葱畔⑦M(jìn)行傳輸時所經(jīng)過的一條通路，信道的一端是發(fā)送端，另一端是接收端。一條傳輸介質(zhì)上可以有多條信道（多路復(fù)用）。2.3.2單工和半雙工以及全雙工通信單向通信又稱為單工通信，即信號只能向一個方向傳輸，任何時候都不能改變信號的傳送方向。無線電廣播或有線電視廣播就是單工通信，信號只能是廣播電臺發(fā)送，收音機(jī)接收。雙向交替通信又稱半雙工通信，信號可以雙向傳送，但是必須是交替進(jìn)行，一個時間只能向一個方向傳。有些對講機(jī)就是用半雙工通信，A端說話B端接聽，B端說話A端接聽，不能同時說和聽。雙向同時通信

又稱全雙工通信，即信號可以同時雙向傳送。比如我們手機(jī)打電話，聽和說可以同時進(jìn)行。2.3.3調(diào)制來自信源的信號通常稱為基帶信號（即基本頻帶信號）。調(diào)制可以分為兩大類。一類僅僅對基帶信號的波形進(jìn)行變換，使它能夠與信道特性相適應(yīng)。變化后的信號仍然是基帶信號，這類調(diào)制稱為基帶調(diào)制。由于這種基帶調(diào)制十八數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成另一種形式的數(shù)字信號，因此大家更愿意把這種過程稱為編碼（coding）另一類則需要使用載波（carrier）進(jìn)行調(diào)制，把基帶信號的頻率范圍搬移到較高的頻段以便在信道中傳輸，經(jīng)過載波調(diào)制后的信號稱為帶通信號（即僅在一段頻率范圍內(nèi)能夠通過信道），而使用載波的調(diào)制稱為帶通調(diào)制。2.3.3調(diào)制010011100基帶信號基帶調(diào)制（編碼）帶通調(diào)制調(diào)制調(diào)幅調(diào)頻調(diào)相不歸零制歸零制曼徹斯特編碼差分曼徹斯特編碼模擬信號數(shù)字信號2.3.3調(diào)制常用編碼方式010011100基帶信號基帶調(diào)制（編碼）帶通調(diào)制調(diào)制調(diào)幅調(diào)頻調(diào)相不歸零制歸零制曼徹斯特編碼差分曼徹斯特編碼模擬信號數(shù)字信號2.3.3調(diào)制常用帶通調(diào)制方法010011100基帶信號基帶調(diào)制（編碼）帶通調(diào)制調(diào)制調(diào)幅調(diào)頻調(diào)相不歸零制歸零制曼徹斯特編碼差分曼徹斯特編碼模擬信號數(shù)字信號2.3.4信道極限容量有失真但可識別失真太大無法識別2.3.4信道極限容量信道帶寬信道帶寬=能夠通過的最高頻率-最低頻率2.3.4信道極限容量模擬信號諧波成數(shù)字信號2.3.4信道極限容量數(shù)字信號高頻帶寬不能通過奈氏準(zhǔn)則（數(shù)字信號）在任何信道中，碼元傳輸?shù)乃俾适怯猩舷薜?，否則就會出現(xiàn)碼間串?dāng)_的問題，使接收端對碼元的判決（即識別）成為不可能。如果信道的頻帶越寬，也就是能夠通過的信號高頻分量越多，那么就可以使用更高速率傳遞碼元而不出現(xiàn)碼間串?dāng)_。理想低通信道的最高碼元傳輸速率=2WBaudW是理想低通信道的帶寬，單位為HZ。Baud是波特，是碼元傳輸速率的單位。使用奈氏準(zhǔn)則給出的公式，可以根據(jù)信道的帶寬，計算出碼元的最高傳輸速率。在碼元傳輸速率一定的情況下提高數(shù)據(jù)傳輸速率2.3.4信道極限容量香農(nóng)公式（適用于模擬信號和數(shù)字信號）有噪聲的信道的極限信息傳輸速率C：C=Wlog2（1+S/N）

（b/s）式中，W為信道的帶寬（以Hz為單位）；S為信道內(nèi)所傳信號的平均功率；N為信道內(nèi)部的高斯噪聲功率信噪比所謂信噪比就是信號的平均功率和噪聲的平均功率之比，常記為S/N，并用分貝（dB）作為度量單位。即：信噪比（dB）=10log10（S/N）（dB）例如，當(dāng)S/N=10時，信噪比為10dB，而當(dāng)S/N=1000時，信噪比為30dB。2.4傳輸媒體導(dǎo)向傳輸媒體非引導(dǎo)型傳輸媒體2.4傳輸媒體導(dǎo)向傳輸媒體

雙絞線

2.4傳輸媒體導(dǎo)向傳輸媒體同軸電纜光纜

絕緣保護(hù)層外導(dǎo)體屏蔽層絕緣層內(nèi)導(dǎo)體2.4傳輸媒體光纖光線在光纖中折射光波在纖芯中的傳播2.4傳輸媒體單一模光纖的光源要使用昂貴的半導(dǎo)體激光器，而不能使用較便宜的發(fā)光二極管。但單模光纖的衰耗較小，在2.5Gb/s的高速率下可傳輸數(shù)十公里而不必采用中繼器。2.4傳輸媒體光纖不僅具有通信容量非常大的優(yōu)點(diǎn)，而且還具有其他的一些特點(diǎn)：傳輸損耗小，中繼距離長，對遠(yuǎn)距離傳輸特別經(jīng)濟(jì)?？估纂姾碗姶鸥蓴_性能好。這在有大電流脈沖干擾的環(huán)境下尤為重要。無串音干擾，保密性好，也不易被竊聽或截取數(shù)據(jù)。體積小，重量輕。2.4.2非引導(dǎo)型傳輸媒體無線電頻段2.4.2非引導(dǎo)型傳輸媒體短波通信短波通信即高頻通信，主要是靠電離層的反射。微波通信微波在空間主要是直線傳播2.4.2非引導(dǎo)型傳輸媒體無線局域網(wǎng)要使用某一段無線電頻譜進(jìn)行通信，通常必須得到本國政府有關(guān)無線電頻譜管理機(jī)構(gòu)的許可證。但是，也有一些無線電頻段是可以自由使用的（只要不干擾他人在這個頻段中的通信），這正好滿足計算無線局域網(wǎng)的需求。2.5信道復(fù)用技術(shù)2.5.1頻分復(fù)用2.5.2時分復(fù)用2.5.3波分復(fù)用2.5.4碼分復(fù)用2.5.1頻分復(fù)用頻分復(fù)用FDM（FrequencyDivisionMultiplexing）適合于模擬信號。2.5.1頻分復(fù)用010011100調(diào)制010011100解調(diào)010011100010011100調(diào)制解調(diào)0011100100011100100011100100011100102.5.2時分復(fù)用數(shù)字信號的傳輸更多使用時分復(fù)用（TimeDivisionMultiplexing，TDM）技術(shù)。時分復(fù)用采用同一物理連接的不同時段來傳輸不同的信號，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）。2.5.2時分復(fù)用時分復(fù)用2.5.3波分復(fù)用光纖技術(shù)的應(yīng)用使得數(shù)據(jù)的傳輸速率空前提高。目前一根單模光纖的傳輸速率可達(dá)到2.5Gb/s。再提高傳輸速率就比較困難了。為了提高光纖的傳輸信號的速率，也可以進(jìn)行頻分復(fù)用，由于光載波的頻率很高，因此習(xí)慣上用波長而不用頻率來表示所使用的光載波。這樣就得出了波分復(fù)用這一名詞。2.5.4碼分復(fù)用碼分復(fù)用CDM（CodeDivisionMultiplexing）又稱碼分多址（CodeDivisionMultipleAccess，CDMA）。是擴(kuò)頻通信技術(shù)（數(shù)字技術(shù)的分支）上發(fā)展起來的一種嶄新而成熟的無線通信技術(shù)。2.5.4碼分復(fù)用

2.5.4碼分復(fù)用2.5.4碼分復(fù)用假如基站發(fā)送了碼片序列（00-2+20-20+2）。A手機(jī)的碼片序列為（-1-1-1+1+1-1+1+1）B手機(jī)碼片序列為（-1-1+1-1+1+1+1-1）C手機(jī)碼片序列為（-1+1-1+1+1+1-1-1）問這三個手機(jī)，分別收到了什么信號？2.6寬帶接入技術(shù)銅線接入技術(shù)（電話線接入Internet）光纖同軸混合網(wǎng)（HFC網(wǎng)）（有線電視同軸電纜）光纖接入技術(shù)（專門為小區(qū)居民鋪設(shè)光纜）移動互聯(lián)網(wǎng)接入技術(shù)（手機(jī)）2.6.1銅線接入技術(shù)銅線寬帶接入技術(shù)也就是xDSL（各種類型DSL（DigitalSubscriberLine）數(shù)字用戶線路的總稱）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(jìn)行改造，使它能夠承載寬帶業(yè)務(wù)。ADSL屬于DSL技術(shù)的一種，全稱AsymmetricDigitalSubscriberLine（非對稱數(shù)字用戶線路），亦可稱作非對稱數(shù)字用戶環(huán)路。是用數(shù)字技術(shù)對現(xiàn)有的模擬電話用戶線進(jìn)行改造，使其能夠承載帶寬數(shù)字業(yè)務(wù)。ADSL考慮了用戶訪問Internet的主要是獲取網(wǎng)絡(luò)資源，更多的下載流量，較少的上行流量，因此ADSL上行和下行帶寬設(shè)計成為不對稱。上行指從用戶到ISP，而下行指從ISP到用戶。2.6.1銅線接入技術(shù)ADSL信道2.6.1銅線接入技術(shù)基于ADSL的接入網(wǎng)的組成2.6.2光纖同軸混合網(wǎng)（HFC網(wǎng)）光纖同軸混合網(wǎng)（HFC網(wǎng)）在1988年被提出，HFC是HybridFiberCoax的縮寫。HFC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)。HFC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)。同軸電纜光纖光纖結(jié)點(diǎn)頭端高帶寬光纖同軸電纜光纖500-2000戶25km2-3km2.6.3光纖接入技術(shù)從技術(shù)上講，光纖到戶FTTH（FiberToTheHome）應(yīng)當(dāng)是最好的選擇。所謂光纖到戶，就是把光纖一直鋪設(shè)到用戶家庭，在用戶的家中才把光信號轉(zhuǎn)換成電信號，這樣用戶可以得到更高的上網(wǎng)速率。根據(jù)光纖到用戶的距離來分類，可分成光纖到小區(qū)（FiberToTheZone即FTTZ）、光纖到路邊（FiberToTheCurb即FTTC）、光纖到大樓（FiberToTheBuilding即FTTB