計(jì)算機(jī)物理層

主講教師：郭慧敏金城學(xué)院精品課程計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)金城學(xué)院精品課程第3章物理層目錄3.1物理層與物理層協(xié)議的基本概念數(shù)據(jù)通信的基本概念3.2頻帶傳輸技術(shù)3.3

基帶傳輸技術(shù)3.4

多路復(fù)用技術(shù)3.5目錄（續(xù)）3.6.

同步光纖網(wǎng)SONET

接入技術(shù)3.7本章學(xué)習(xí)要求：理解：物理層與物理層協(xié)議的基本概念。理解：數(shù)據(jù)通信的基本概念。掌握：傳輸介質(zhì)類(lèi)型及主要特性。掌握：數(shù)據(jù)編碼的類(lèi)型和基本方法。掌握：基帶傳輸與頻帶傳輸?shù)幕靖拍?。掌握：多路?fù)用技術(shù)的分類(lèi)與特點(diǎn)。掌握：同步數(shù)字體系SDH的基本概念。掌握：接入技術(shù)的基本概念。53.1物理層與物理層協(xié)議的基本概念3.1.1物理層的基本服務(wù)功能

設(shè)置物理層的目的是：

屏蔽物理層所采用的傳輸介質(zhì)、通信設(shè)備與通信技術(shù)的差異性，使數(shù)據(jù)鏈路層只需要考慮如何使用物理層的服務(wù)，而不需要考慮物理層的功能具體是使用了哪種傳輸介質(zhì)、通信設(shè)備與技術(shù)實(shí)現(xiàn)的?！队?jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)》第3章物理層63.1.2物理層協(xié)議的類(lèi)型基于點(diǎn)—點(diǎn)通信線路的物理層協(xié)議基于廣播通信線路的物理層協(xié)議7

物理層協(xié)議的類(lèi)型增加最快。本學(xué)期對(duì)物理層與數(shù)據(jù)鏈路層的處理方法：

第3章討論基于點(diǎn)—點(diǎn)通信線路的物理層協(xié)議與技術(shù)；

第4章討論基于點(diǎn)—點(diǎn)通信線路物理層協(xié)議的數(shù)據(jù)鏈路層問(wèn)題。

第5章以局域網(wǎng)、城域網(wǎng)與無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為背景，討論基于廣播信道的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議與標(biāo)準(zhǔn)。

討論

3.1.3物理層向數(shù)據(jù)鏈路層提供的服務(wù)圖示：點(diǎn)—點(diǎn)通信線路的物理層比特流傳輸過(guò)程93.2數(shù)據(jù)通信的基本概念3.2.1信息、數(shù)據(jù)與信號(hào)信息、數(shù)據(jù)與信號(hào)的基本概念103.2.2數(shù)據(jù)通信方式圖示：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中兩臺(tái)主機(jī)通信過(guò)程111）數(shù)據(jù)傳輸類(lèi)型模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)波形12串行通信與并行通信13單工、半雙工與全雙工通信142）同步技術(shù)同步傳輸異步傳輸153.2.3傳輸介質(zhì)的主要類(lèi)型與特性

雙絞線的主要特性16同軸電纜的主要特性17光纖的主要特性

圖示：光纖結(jié)構(gòu)與傳輸原理18典型的光纖傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)多模光纖與單模光纖的比較19光纜結(jié)構(gòu)203.2.4數(shù)據(jù)編碼分類(lèi)213.3頻帶傳輸技術(shù)3.3.1頻帶傳輸技術(shù)的應(yīng)用223.3.2波特率的定義波特率的定義調(diào)制速率描述通過(guò)模擬線路傳輸模擬數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸過(guò)程中，從調(diào)制解調(diào)器輸出的調(diào)制信號(hào)每秒鐘載波調(diào)制狀態(tài)改變的數(shù)值，單位是1/s，稱(chēng)為波特（baud）。調(diào)制速率也稱(chēng)為波特率。波特率描述的是碼元傳輸?shù)乃俾省１忍芈实亩x數(shù)據(jù)傳輸速率描述在計(jì)算機(jī)通信中每秒傳送的構(gòu)成代碼的二進(jìn)制比特?cái)?shù)，單位是bps。23波特率與比特率的關(guān)系比特率S（單位為bps）與調(diào)制速率B（單位為baud）之間關(guān)系可以表示為：

S=B·log2k

式中k為多相調(diào)制的相數(shù)。log2k值表示一次調(diào)制狀態(tài)的變化傳輸?shù)亩M(jìn)制比特?cái)?shù)。24波特率與比特率的關(guān)系

調(diào)制速率（baud）

多相調(diào)制的相數(shù)log2k值

數(shù)據(jù)傳輸速率（bps）

2400

QPSK-2（k=2）

1

2400

2400

QPSK-4（k=4）

2

4800

2400

QPSK-8（k=8）

3

7200

2400

QPSK-16（k=16）

4

9600253.4基帶傳輸技術(shù)3.4.1基帶傳輸?shù)亩x在數(shù)據(jù)通信中，表示計(jì)算機(jī)二進(jìn)制的比特序列的數(shù)字信號(hào)是典型的矩形脈沖信號(hào)。人們將矩形脈沖信號(hào)稱(chēng)為基本信號(hào)。在數(shù)字信道上直接傳送基帶信號(hào)的方法稱(chēng)為基帶傳輸。263.4.2數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)編碼方法273.4.3脈沖編碼調(diào)制方法PCM技術(shù)的典型應(yīng)用是語(yǔ)音信號(hào)的數(shù)字化。28脈沖編碼調(diào)制的工作過(guò)程：采樣、量化與編碼29圖示：調(diào)制器、曼徹斯特編碼器與PCM編碼器的比較303.4.4比特率的定義數(shù)據(jù)傳輸速率在數(shù)值上，等于每秒鐘傳輸?shù)亩M(jìn)制比特?cái)?shù)，單位為比特/秒，記做bps。對(duì)于二進(jìn)制數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸速率為：S=1/T（bps）其中，T為發(fā)送每個(gè)比特所需要的時(shí)間。在實(shí)際應(yīng)用中常用的數(shù)據(jù)傳輸速率單位：

311Mbps=1×106bps1Gbps=1×109bps1Tbps=1×1012bps3.4.5奈奎斯特準(zhǔn)則與香農(nóng)定理

奈奎斯特準(zhǔn)則的基本內(nèi)容：如果表示碼元的窄脈沖信號(hào)以時(shí)間間隔為π/ω（ω=2πf）通過(guò)理想通信信道，則前后碼元之間不產(chǎn)生相互串?dāng)_。根據(jù)奈奎斯特準(zhǔn)則，二進(jìn)制數(shù)據(jù)信號(hào)的最大數(shù)據(jù)傳輸速率Rmax與理想信道帶寬B（單位Hz）的關(guān)系可以寫(xiě)為：

32Rmax=2·B（bps）香農(nóng)定理的基本內(nèi)容奈奎斯特定理描述了有限帶寬、無(wú)噪聲的理想信道的最大傳輸速率與信道帶寬的關(guān)系。香農(nóng)定理則描述了有限帶寬、有隨機(jī)熱噪聲信道的最大傳輸速率與信道帶寬、信號(hào)噪聲功率比之間的關(guān)系。香農(nóng)定理指出：在有隨機(jī)熱噪聲的信道中傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)時(shí)，傳輸速率Rmax與信道帶寬B、信噪比S/N的關(guān)系為：

式中，Rmax單位為bps，帶寬B單位為Hz。33Rmax=B·log2（1+S/N）3.5多路復(fù)用技術(shù)3.5.1多路復(fù)用的基本概念34多路復(fù)用技術(shù)的分類(lèi)時(shí)分多路復(fù)用（TDM）頻分多路復(fù)用（FDM）波分多路復(fù)用（WDM）碼分多址（CDMA）35頻率時(shí)間BCDBCDBCDBCDAAAAA在

TDM

幀中的位置不變TDM幀TDM幀TDM幀TDM幀…TDM幀3.5.2時(shí)分多路復(fù)用:頻率時(shí)間CDCDCDAAAABBBBCDB在

TDM

幀中的位置不變TDM幀TDM幀TDM幀TDM幀…TDM幀頻率時(shí)間BDBDBDAAAABCCCCDC在

TDM

幀中的位置不變TDM幀TDM幀TDM幀TDM幀…TDM幀頻率時(shí)間BCBCBCAAAABCDDDDD在TDM幀中的位置不變TDM幀TDM幀TDM幀TDM幀…TDM幀時(shí)分復(fù)用可能會(huì)造成線路資源的浪費(fèi)

aabbcdbcattttt4個(gè)時(shí)分復(fù)用幀#1④③②①acbcd時(shí)分復(fù)用#2#3#4使用時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)傳送計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)時(shí)，由于計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)的突發(fā)性質(zhì)，用戶(hù)對(duì)分配到的子信道的利用率一般是不高的。

統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用STDM

用戶(hù)ABCDabcdttttt3個(gè)STDM幀#1④③②①acbabbcacd#2#3統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用3.5.3頻分復(fù)用FDM

頻分復(fù)用的所有用戶(hù)在同樣的時(shí)間占用不同的帶寬資源（請(qǐng)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(shí)間頻率1頻率2頻率3頻率4頻率5

DEMUX

MUX

共享的傳輸信道載波頻率f1調(diào)制調(diào)制載波頻率fn載波頻率f1解調(diào)解調(diào)載波頻率fnf將不同頻率的載波信號(hào)合成在一起使用一組濾波器分解出不同頻率的載波信號(hào)頻分多路復(fù)用舉例1廣播電臺(tái)節(jié)目的發(fā)送與接收頻分多路復(fù)用分路器(帶通濾波器)信號(hào)發(fā)射信號(hào)接收常見(jiàn)廣播電臺(tái)使用的載波頻率中波900KHz(南京經(jīng)濟(jì)臺(tái))■

中波1008KHz(南京新聞臺(tái))頻分多路復(fù)用舉例2電視節(jié)目的發(fā)送與接收頻道載波頻率(MHz)頻道載波頻率(MHz)頻道載波頻率(MHz)187.755123.259230.25295.75

6206.2510238.253103.757214.2511246.254115.258222.2512254.25多路復(fù)用器解調(diào)器在天空中傳輸?shù)碾姶挪娨曅盘?hào)發(fā)射器電視信號(hào)接收器電視節(jié)目調(diào)制器載波1電視圖像及其伴音調(diào)制器載波2電視圖像及其伴音調(diào)制器載波n電視圖像及其伴音電視調(diào)諧器(分路器)3.5.4波分多路復(fù)用46

1550nm01551nm11552nm21553nm31554nm41555nm51556nm61557nm71550nm1551nm1552nm1553nm1554nm1555nm1556nm1557nm波分復(fù)用就是光的頻分復(fù)用82.5Gb/s原來(lái)每個(gè)光載波的波長(zhǎng)均為1310nm20Gb/s復(fù)用器分用器EDFA120km光調(diào)制器光解調(diào)器摻鉺光纖放大器圖示：1310/8-通道CWDM模塊

CWDM是一種面向城域網(wǎng)接入層的低成本W(wǎng)DM傳輸技術(shù)；稀疏波分復(fù)用器，也稱(chēng)粗波分復(fù)用器3.6同步光纖網(wǎng)SONET與同步數(shù)字體系SDH3.6.1SONET與SDH的基本概念早期時(shí)分多路復(fù)用（TDM）設(shè)備是專(zhuān)用的，并且各個(gè)運(yùn)營(yíng)商的TDM標(biāo)準(zhǔn)不同。1985年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室首先提出了同步光纖網(wǎng)（SONET）的概念，解決光接口標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范問(wèn)題。ITU-T在SONET的基礎(chǔ)上制定同步數(shù)字體系：（SDH）標(biāo)準(zhǔn)SDH標(biāo)準(zhǔn)不僅適用于光纖傳輸系統(tǒng)，也適用于微波與衛(wèi)星傳輸體系。493.6.2基本速率標(biāo)準(zhǔn)的制定

T1載波速率

50T1=（193/125）×106=1.544（Mbps）E1載波速率E1標(biāo)準(zhǔn)是CCITT標(biāo)準(zhǔn)，它將30路數(shù)字語(yǔ)音信道和2路控制信道復(fù)用在一條通信線路。每個(gè)信道在一幀中插入8bit數(shù)據(jù)，這樣一幀要傳送的數(shù)據(jù)共（30+2）×8=256（bit）。傳送一幀的時(shí)間為125μs。則E1載波的數(shù)據(jù)傳輸速率為：

E1=（256/125）×106=2.048（Mbps）513.6.3SDH速率體系52SDH速率體系OC定義的是光纖上傳輸?shù)墓庑盘?hào)速率。STS定義的是數(shù)字電路接口的電信號(hào)傳輸速率。STM標(biāo)準(zhǔn)是電話主干線路的數(shù)字信號(hào)速率標(biāo)準(zhǔn)。53OC、STS與STM速率對(duì)應(yīng)關(guān)系傳輸速率（Mbps）OC級(jí)STS級(jí)STM級(jí)51.840OC-1STS-1155.520OC-3STS-3STM-1466.560OC-9STS-9622.080OC-12STS-12STM-4933.120OC-18STS-181244.160OC-24STS-24STM-81866.240OC-36STS-36STM-122483.320OC-48STS-48STM-169953.280OC-192STS-192STM-64543.7接入技術(shù)3.7.1接入技術(shù)的基本概念接入技術(shù)的類(lèi)型55接入技術(shù)分類(lèi)563.7.2ADSL接入技術(shù)《計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)》第3章物理層57ADSL帶寬分配583.7.3HFC接入技術(shù)59HFC接入工作原理60HFC下行信道與上行信道頻段的劃分

HFC上行信道與下行信道