計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)課件-物理層

1、第二章 物理層主要內(nèi)容主要內(nèi)容v物理層基本概念物理層基本概念v數(shù)據(jù)通信的基礎(chǔ)知識數(shù)據(jù)通信的基礎(chǔ)知識v傳輸媒體傳輸媒體v信道復(fù)用技術(shù)信道復(fù)用技術(shù)v接入網(wǎng)接入網(wǎng)物理層基本概念物理層基本概念 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：一些特性，即： v 機(jī)械特性機(jī)械特性 指明接口所用接線器的形狀和尺寸、引線數(shù)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。目和排列、固定和鎖定裝置等等。v 電氣特性電氣特性 指明在接口電纜的各條線上出現(xiàn)的電壓的范指明在接口電纜的各條線上出現(xiàn)的電壓的范圍。圍。v 功能特性功能特性 指明某條線

2、上出現(xiàn)的某一電平的電壓表示何指明某條線上出現(xiàn)的某一電平的電壓表示何種意義。種意義。v 過程特性過程特性 指明對于不同功能的各種可能事件的出現(xiàn)順指明對于不同功能的各種可能事件的出現(xiàn)順序。序。 主要內(nèi)容主要內(nèi)容v物理層基本概念物理層基本概念v數(shù)據(jù)通信的基礎(chǔ)知識數(shù)據(jù)通信的基礎(chǔ)知識v傳輸媒體傳輸媒體v信道復(fù)用技術(shù)信道復(fù)用技術(shù)v接入網(wǎng)接入網(wǎng)信息、數(shù)據(jù)和信號信息、數(shù)據(jù)和信號v信息信息：是人們通過施加于數(shù)據(jù)的一些規(guī)定而賦予：是人們通過施加于數(shù)據(jù)的一些規(guī)定而賦予數(shù)據(jù)的特定含義（數(shù)據(jù)的特定含義（ISO定義）。定義）。v數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)：是任何描述物體的概念、情況、形式的事：是任何描述物體的概念、情況、形式的事實(shí)、數(shù)字、

3、字母和符號。實(shí)、數(shù)字、字母和符號。數(shù)據(jù)是信息的載體，用來表示信息。數(shù)據(jù)是信息的載體，用來表示信息。信息交換就是訪問數(shù)據(jù)及傳輸數(shù)據(jù)。信息交換就是訪問數(shù)據(jù)及傳輸數(shù)據(jù)。v信號信號：數(shù)據(jù)是借助信號來傳輸?shù)模峭ㄐ胖袀鬏敚簲?shù)據(jù)是借助信號來傳輸?shù)?，是通信中傳輸?shù)闹黧w，是數(shù)據(jù)的具體表現(xiàn)形式。的主體，是數(shù)據(jù)的具體表現(xiàn)形式。連續(xù)連續(xù) vs. 模擬模擬v 連續(xù)信號連續(xù)信號：信號在一段時間內(nèi)，：信號在一段時間內(nèi)，沒有中斷或不連續(xù)。這種信號沒有中斷或不連續(xù)。這種信號就是連續(xù)的（就是連續(xù)的（Continuous Signal）。這種信號一般是模）。這種信號一般是模擬信號。擬信號。v 離散信號離散信號：如果在一段時間內(nèi)：

4、如果在一段時間內(nèi)信號強(qiáng)度保持某個常數(shù)值，然信號強(qiáng)度保持某個常數(shù)值，然后在下一時段又變化到另一個后在下一時段又變化到另一個常量值。這種信號稱為離散信常量值。這種信號稱為離散信號（號（Discrete Signal）。離散）。離散信號一般是數(shù)字信號。信號一般是數(shù)字信號。數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的模型數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的模型 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(diǎn)終點(diǎn)發(fā)送器接收器調(diào)制解調(diào)器PC 機(jī)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?jǐn)?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(jī)基帶信號和帶通信號基帶信號和帶通信號v基帶信號基帶信號（即基本頻帶信號）（即基本頻

5、帶信號）來自信源的信來自信源的信號。像計(jì)算機(jī)輸出的代表各種文字或圖像文件的號。像計(jì)算機(jī)輸出的代表各種文字或圖像文件的數(shù)據(jù)信號都屬于基帶信號。數(shù)據(jù)信號都屬于基帶信號。v基帶信號往往包含有較多的低頻成分，甚至有直基帶信號往往包含有較多的低頻成分，甚至有直流成分，而許多信道并不能傳輸這種低頻分量或流成分，而許多信道并不能傳輸這種低頻分量或直流分量。因此必須對基帶信號進(jìn)行直流分量。因此必須對基帶信號進(jìn)行調(diào)制調(diào)制(modulation)。 v帶通信號帶通信號把基帶信號經(jīng)過載波調(diào)制后，把信把基帶信號經(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號的頻率范圍搬移到較高的頻段以便在信道中傳輸（

6、即僅在一段頻率范圍內(nèi)能夠通過信道）。輸（即僅在一段頻率范圍內(nèi)能夠通過信道）。 周期與非周期信號周期與非周期信號v周期信號周期信號 信號模式在時信號模式在時間上重復(fù)；間上重復(fù)；v非周期信號非周期信號 模式在時間上模式在時間上不重復(fù)不重復(fù) ；s(t+T)=s(t) ( -t+)正弦波正弦波-最簡單的周期信號最簡單的周期信號vs(t) = A sin(2f t + ) v1.峰值振幅峰值振幅 A 在一個周期內(nèi)，信號的最大強(qiáng)度；在一個周期內(nèi)，信號的最大強(qiáng)度； 電壓、電流或功率值；電壓、電流或功率值；正弦波正弦波v2. 頻率頻率 f 單位時間內(nèi)，信號的變化或循環(huán)的次數(shù)，單位單位時間內(nèi)，信號的變化或循環(huán)的

7、次數(shù)，單位Hz； 周期是完成一次循環(huán)所需時間，周期是完成一次循環(huán)所需時間，T = 1/f；正弦波正弦波v3.相位相位 相對于時間零點(diǎn)的位置；相對于時間零點(diǎn)的位置；模擬信號更適合用頻域表示。模擬信號更適合用頻域表示。時域和頻域圖時域和頻域圖復(fù)合周期信號復(fù)合周期信號調(diào)制方法調(diào)制方法v最基本的二元制調(diào)制方法有以下幾種：最基本的二元制調(diào)制方法有以下幾種： 調(diào)幅調(diào)幅(AM)：載波的振幅隨基帶數(shù)字信號而變化。：載波的振幅隨基帶數(shù)字信號而變化。 調(diào)頻調(diào)頻(FM)：載波的頻率隨基帶數(shù)字信號而變化。：載波的頻率隨基帶數(shù)字信號而變化。 調(diào)相調(diào)相(PM) ：載波的初始相位隨基帶數(shù)字信號而變化。：載波的初始相位隨基帶

8、數(shù)字信號而變化。 010011100基帶信號調(diào)幅調(diào)頻調(diào)相振幅、頻率和相位是周期正弦信號的振幅、頻率和相位是周期正弦信號的3個重要特征。個重要特征。傳輸方式傳輸方式v模擬數(shù)據(jù)，模擬信號。模擬數(shù)據(jù)，模擬信號。v模擬數(shù)據(jù)，數(shù)字信號。模擬數(shù)據(jù)，數(shù)字信號。v數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，模擬信號。數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，模擬信號。v數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，數(shù)字信號。數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，數(shù)字信號。 2002-2006 GONGJIE All rights reserved傳輸損傷傳輸損傷v衰減和衰減失真衰減和衰減失真 長距離傳輸和高的頻率都將導(dǎo)致大的衰減。信號的衰長距離傳輸和高的頻率都將導(dǎo)致大的衰減。信號的衰減對于模擬信號的影響特別嚴(yán)重。減對于模擬信號的影響特別

9、嚴(yán)重。 數(shù)字信號不是很嚴(yán)重，因?yàn)閿?shù)字信號的強(qiáng)度隨著頻率數(shù)字信號不是很嚴(yán)重，因?yàn)閿?shù)字信號的強(qiáng)度隨著頻率的增高而急劇下降。的增高而急劇下降。v時延失真時延失真 時延失真是導(dǎo)向媒體特有的現(xiàn)象。這一失真的產(chǎn)生是時延失真是導(dǎo)向媒體特有的現(xiàn)象。這一失真的產(chǎn)生是由于在導(dǎo)向媒體上信號傳播速度隨頻率的不同而改變。由于在導(dǎo)向媒體上信號傳播速度隨頻率的不同而改變。v噪音噪音 所有的通信系統(tǒng)中都存在噪音。噪音是不能消除的。所有的通信系統(tǒng)中都存在噪音。噪音是不能消除的。主要內(nèi)容主要內(nèi)容v物理層基本概念物理層基本概念v數(shù)據(jù)通信的基礎(chǔ)知識數(shù)據(jù)通信的基礎(chǔ)知識v傳輸媒體傳輸媒體v信道復(fù)用技術(shù)信道復(fù)用技術(shù)v接入網(wǎng)接入網(wǎng)傳輸媒體傳

10、輸媒體v導(dǎo)向傳輸媒體導(dǎo)向傳輸媒體 雙絞線雙絞線 屏蔽雙絞線屏蔽雙絞線 STP (Shielded Twisted Pair) 無屏蔽雙絞線無屏蔽雙絞線 UTP (Unshielded Twisted Pair) 同軸電纜同軸電纜 光纜光纜 v非導(dǎo)向傳輸媒體非導(dǎo)向傳輸媒體銅線銅線聚氯乙烯 套層聚氯乙烯套層屏蔽層絕緣層絕緣層外導(dǎo)體屏蔽層絕緣層絕緣保護(hù)套層內(nèi)導(dǎo)體無屏蔽雙絞線 UTP屏蔽雙絞線 STP同軸電纜傳輸媒體傳輸媒體光線在光纖中的折射光線在光纖中的折射 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） 包層纖芯光纖的工作原理光纖的工作原理高折射率(纖芯)低折

11、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多模光纖與單模光纖輸入脈沖輸出脈沖多模光纖非導(dǎo)向傳輸媒體非導(dǎo)向傳輸媒體v無線傳輸所使用的頻段很廣。無線傳輸所使用的頻段很廣。v短波通信主要是靠電離層的反射，但短波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。信道的通信質(zhì)量較差。v微波在空間主要是直線傳播。微波在空間主要是直線傳播。 地面微波接力通信地面微波接力通信 衛(wèi)星通信衛(wèi)星通信 主要內(nèi)容主要內(nèi)容v物理層基本概念物理層基本概念v數(shù)據(jù)通信的基礎(chǔ)知識數(shù)據(jù)通信的基礎(chǔ)知識v傳輸媒體傳輸媒體v信道復(fù)用技術(shù)信道復(fù)用技術(shù)v接入網(wǎng)接入網(wǎng)信道復(fù)用信道復(fù)用v光纖

12、，地面微波和衛(wèi)星微波等高帶寬傳輸媒體，光纖，地面微波和衛(wèi)星微波等高帶寬傳輸媒體，具有遠(yuǎn)超過平均傳輸需求的承載能力；具有遠(yuǎn)超過平均傳輸需求的承載能力；v復(fù)用復(fù)用：允許同時通過一條數(shù)據(jù)鏈路傳輸多個信號：允許同時通過一條數(shù)據(jù)鏈路傳輸多個信號的一組技術(shù)；的一組技術(shù)；復(fù)用器復(fù)用器分用器分用器1條鏈路，條鏈路，N條通道條通道頻分復(fù)用頻分復(fù)用vFDM是用來組合模擬信號的是用來組合模擬信號的模擬模擬多路復(fù)用技術(shù)；多路復(fù)用技術(shù)；v應(yīng)用條件：鏈路帶寬應(yīng)用條件：鏈路帶寬(HZ)大于傳輸?shù)男盘枎捴笥趥鬏數(shù)男盘枎捴蜁r使用；和時使用；Frequency-division multiplexing輸入端產(chǎn)生的信號的

13、頻譜范圍類似，例如語音信號，輸入端產(chǎn)生的信號的頻譜范圍類似，例如語音信號，如何在鏈路上復(fù)用傳輸？如何在鏈路上復(fù)用傳輸？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（請注意，這里的“帶寬帶寬”是頻率帶寬而不是數(shù)據(jù)的發(fā)送速率）是頻率帶寬而不是數(shù)據(jù)的發(fā)送速率） FDM復(fù)用過程復(fù)用過程調(diào)制器調(diào)制器FDM分離過程分離過程解調(diào)器解調(diào)器濾波器濾波器【例例】一個語音通道占用的帶寬是一個語音通道占用的帶寬是4KHZ,要將要將3個個語音通道合并到一條帶寬為語音通道合并到一條帶寬為12KHZ(20-32khz)的的鏈路，使用頻譜圖表示這一過程。每個

14、信號的調(diào)制鏈路，使用頻譜圖表示這一過程。每個信號的調(diào)制載波頻率分別是多少？假設(shè)不使用防護(hù)頻帶。載波頻率分別是多少？假設(shè)不使用防護(hù)頻帶。時分復(fù)用時分復(fù)用TDMv時分復(fù)用時分復(fù)用則是將時間劃分為一段段等長的則是將時間劃分為一段段等長的時時分復(fù)用幀分復(fù)用幀（TDM 幀）。每一個時分復(fù)用的幀）。每一個時分復(fù)用的用戶在每一個用戶在每一個 TDM 幀中占用固定序號的時幀中占用固定序號的時隙。隙。v每一個用戶所占用的時隙是每一個用戶所占用的時隙是周期性地出現(xiàn)周期性地出現(xiàn)（其周期就是（其周期就是 TDM 幀的長度）。幀的長度）。vTDM 信號也稱為信號也稱為等時等時(isochronous)信號。信號。v時分

15、復(fù)用的所有用戶是在不同的時間占用時分復(fù)用的所有用戶是在不同的時間占用同同樣的樣的頻帶寬度。頻帶寬度。時分復(fù)用時分復(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)用時分復(fù)用 頻率時間B CB CB CAAAA B

16、 CDDDDD 在 TDM 幀中的位置不變TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀時分復(fù)用可能會造成線路資源的浪費(fèi)時分復(fù)用可能會造成線路資源的浪費(fèi) ABCDaabbcdb cattttt4 個時分復(fù)用幀#1acbcd時分復(fù)用#2#3#4用戶使用時分復(fù)用系統(tǒng)傳送計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)時，由于計(jì)算機(jī)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。 統(tǒng)計(jì)時分復(fù)用統(tǒng)計(jì)時分復(fù)用 STDM用戶ABCDabcdttttt3 個 STDM 幀#1acbab bcacd#2#3統(tǒng)計(jì)時分復(fù)用 1550 nm 0 1551 nm 1 1552 nm 2 1553 nm 3 1554 nm 4 1555 nm

17、 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 v波分復(fù)用就是光的頻分復(fù)用。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)器波分復(fù)用波分復(fù)用碼分復(fù)用碼分復(fù)用v常用的名詞是常用的名詞是碼分多址碼分多址 CDMA (Code Division Multiple Access)。v各用戶使用經(jīng)過特殊挑選的不同碼型，因此彼此各用戶使用經(jīng)過特殊挑選的不同碼型，因此彼此不會造成

18、干擾。不會造成干擾。v這種系統(tǒng)發(fā)送的信號有很強(qiáng)的抗干擾能力，其頻這種系統(tǒng)發(fā)送的信號有很強(qiáng)的抗干擾能力，其頻譜類似于白噪聲，不易被敵人發(fā)現(xiàn)。譜類似于白噪聲，不易被敵人發(fā)現(xiàn)。 v每一個比特時間劃分為每一個比特時間劃分為 m 個短的間隔，稱為個短的間隔，稱為碼碼片片(chip)。 碼片序列碼片序列(chip sequence)v每個站被指派一個唯一的每個站被指派一個唯一的 m bit 碼片序列。碼片序列。 如發(fā)送比特如發(fā)送比特 1，則發(fā)送自己的，則發(fā)送自己的 m bit 碼片序列。碼片序列。 如發(fā)送比特如發(fā)送比特 0，則發(fā)送該碼片序列的二進(jìn)制反碼。，則發(fā)送該碼片序列的二進(jìn)制反碼。 v例如，例如，S

19、站的站的 8 bit 碼片序列是碼片序列是 00011011。 發(fā)送比特發(fā)送比特 1 時，就發(fā)送序列時，就發(fā)送序列 00011011， 發(fā)送比特發(fā)送比特 0 時，就發(fā)送序列時，就發(fā)送序列 11100100。vS 站的碼片序列：站的碼片序列：(1 1 1 +1 +1 1 +1 +1) CDMA 的重要特點(diǎn)的重要特點(diǎn)v每個站分配的碼片序列不僅必須各不相同，并且每個站分配的碼片序列不僅必須各不相同，并且還必須互相還必須互相正交正交(orthogonal)。v在實(shí)用的系統(tǒng)中是使用在實(shí)用的系統(tǒng)中是使用偽隨機(jī)碼序列偽隨機(jī)碼序列。 v令向量令向量 S 表示站表示站 S 的碼片向量，令的碼片向量，令 T 表示

20、其他表示其他任何站的碼片向量。任何站的碼片向量。 v兩個不同站的碼片序列正交，就是向量兩個不同站的碼片序列正交，就是向量 S 和和T 的的規(guī)格化規(guī)格化內(nèi)積內(nèi)積(inner product)都是都是 0： 011miiiTSmTS碼片序列的正交關(guān)系舉例碼片序列的正交關(guān)系舉例v令向量令向量 S 為為(1 1 1 +1 +1 1 +1 +1)，向量向量 T 為為(1 1 +1 1 +1 +1 +1 1)。 v把向量把向量 S 和和 T 的各分量值代入的各分量值代入(2-3)式就式就可看出這兩個碼片序列是正交的。可看出這兩個碼片序列是正交的。 正交關(guān)系的另一個重要特性正交關(guān)系的另一個重要特性v任何一個

21、碼片向量和該碼片向量自己的規(guī)格化內(nèi)任何一個碼片向量和該碼片向量自己的規(guī)格化內(nèi)積都是積都是1 。v一個碼片向量和該碼片反碼的向量的規(guī)格化內(nèi)積一個碼片向量和該碼片反碼的向量的規(guī)格化內(nèi)積值是值是 1。mimiimiiimSmSSm112211) 1(111SSCDMA 的工作原理的工作原理 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)送端接收端主要內(nèi)容主要內(nèi)容v物理層基本概念物理層基本概念v數(shù)據(jù)通信的基礎(chǔ)知識數(shù)據(jù)通信的基礎(chǔ)知識v傳輸媒體傳輸媒體v信道復(fù)用技術(shù)信道復(fù)用技術(shù)

22、v接入網(wǎng)接入網(wǎng)46Q: 如何將終端系統(tǒng)連接到網(wǎng)如何將終端系統(tǒng)連接到網(wǎng)絡(luò)邊緣的路由器絡(luò)邊緣的路由器? ?一種粗糙分類：一種粗糙分類：v 住宅接入網(wǎng)絡(luò)住宅接入網(wǎng)絡(luò)v 機(jī)構(gòu)接入網(wǎng)絡(luò)機(jī)構(gòu)接入網(wǎng)絡(luò) (學(xué)校學(xué)校, 公司公司)v 無線接入網(wǎng)絡(luò)無線接入網(wǎng)絡(luò)注意注意: v 接入網(wǎng)絡(luò)的帶寬接入網(wǎng)絡(luò)的帶寬(bps)?v 共享共享/獨(dú)占獨(dú)占?接入網(wǎng)接入網(wǎng)47v撥號線路上使用撥號線路上使用modem 可達(dá)可達(dá)56Kbps 直接接入邊緣路由器直接接入邊緣路由器 (實(shí)際遠(yuǎn)小于該值實(shí)際遠(yuǎn)小于該值,數(shù)字模擬調(diào)制解調(diào)數(shù)字模擬調(diào)制解調(diào)) 不能同時網(wǎng)上沖浪和撥打電話不能同時網(wǎng)上沖浪和撥打電話: 不能不能一直在線一直在線vADSL:

23、非對稱數(shù)字用戶線路（非對稱數(shù)字用戶線路（asymmetric digital subscriber line） 可達(dá)可達(dá)1 Mbps 上行速率上行速率 (目前典型目前典型 256 kbps) 可達(dá)可達(dá) 8 Mbps 下行速率下行速率 (目前典型目前典型 1 Mbps) FDM頻分復(fù)用技術(shù)頻分復(fù)用技術(shù)住宅接入網(wǎng)絡(luò)住宅接入網(wǎng)絡(luò): 點(diǎn)對點(diǎn)接入點(diǎn)對點(diǎn)接入48ADSLATU-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(yuǎn)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(yuǎn)端 Remote）電話分離器 PS (POTS Splitter) cable modems（線纜調(diào)制解調(diào)器）（線纜調(diào)制解調(diào)器）vHFC:光纖光纖/同軸電纜混合網(wǎng)同軸電纜混合網(wǎng) (hybrid fiber coax) 非對稱非對稱: 可達(dá)可達(dá)2Mbps